Αν και το άζωτο είναι απαραίτητο για όλους τους ζωντανούς οργανισμούς - αποτελεί το 3% του ανθρώπινου σώματος - και αποτελεί το 78% της ατμόσφαιρας της Γης, είναι σχεδόν ειρωνικά δύσκολο για τα φυτά και τα φυσικά συστήματα να έχουν πρόσβαση σε αυτό.
Το άζωτο της ατμόσφαιρας δεν μπορεί να χρησιμοποιηθεί άμεσα από τα περισσότερα έμβια όντα. Στη φύση, εξειδικευμένα μικρόβια σε εδάφη και υδάτινα σώματα μετατρέπουν το άζωτο σε αμμωνία - μια κρίσιμη μορφή αζώτου στην οποία η ζωή μπορεί εύκολα να έχει πρόσβαση - μέσω μιας διαδικασίας που ονομάζεται δέσμευση αζώτου. Στη γεωργία, σόγια και άλλα όσπρια που διευκολύνουν τη δέσμευση του αζώτου μπορούν να φυτευτούν για την αποκατάσταση της γονιμότητας του εδάφους.
Ένα πρόσθετο εμπόδιο στη διαδικασία διάθεσης του αζώτου στα φυτά και στα οικοσυστήματα που βασίζονται σε αυτό είναι ότι οι μικροβιακές «μονιμοποιήσεις» αζώτου ενσωματώνουν μια σύνθετη πρωτεΐνη που ονομάζεται νιτρογενάση που περιέχει έναν πυρήνα πλούσιο σε μέταλλα. Η υπάρχουσα έρευνα έχει επικεντρωθεί σε νιτρογενάσες που περιέχουν ένα συγκεκριμένο μέταλλο, το μολυβδαίνιο.
Η εξαιρετικά μικρή ποσότητα μολυβδαινίου που βρίσκεται στο έδαφος, ωστόσο, έχει εγείρει ανησυχίες σχετικά με τα φυσικά όρια δέσμευσης αζώτου στην ξηρά. Οι επιστήμονες αναρωτήθηκαν ποιοι περιορισμοί θέτει η έλλειψη μολυβδαινίου στην ικανότητα της φύσης να αποκαταστήσει τη γονιμότητα του οικοσυστήματος μετά τις ανθρωπογενείς διαταραχές ή καθώς οι άνθρωποι αναζητούν ολοένα και περισσότερο καλλιεργήσιμη γη για να θρέψουν έναν αυξανόμενο πληθυσμό.
Ερευνητές του Πανεπιστημίου του Πρίνσετον βρήκαν στοιχεία ότι άλλα μέταλλα μπορούν να διευκολύνουν τη δέσμευση αζώτου όταν το μολυβδαίνιο είναι σπάνιο, γεγονός που υποδηλώνει ότι η διαδικασία μπορεί να είναι πιο ανθεκτική από ό,τι πιστεύαμε προηγουμένως, σύμφωνα με μια μελέτη που δημοσιεύτηκε στο περιοδικό Proceedings of the National Academy of Επιστήμες. Εργαζόμενοι σε μια έκταση 372 μιλίων (600 χιλιομέτρων) βόρειου δάσους στον Καναδά, οι ερευνητές διαπίστωσαν ότι η δέσμευση αζώτου σε κλίμακα οικοσυστήματος μπορεί επίσης να καταλυθεί από το μεταλλικό βανάδιο, ιδιαίτερα σε βόρειες περιοχές με περιορισμένες εισροές φυσικού αζώτου.
"Αυτή η εργασία προκαλεί μια σημαντική αναθεώρηση της κατανόησής μας για το πώς τα μικροθρεπτικά συστατικά ελέγχουν την κατάσταση του αζώτου και τη γονιμότητα του οικοσυστήματος", δήλωσε ο ανώτερος συγγραφέας Xinning Zhang, επίκουρος καθηγητής γεωεπιστημών και του Princeton Environmental Institute.
"Πρέπει να μάθουμε περισσότερα για το πώς εκδηλώνεται η δέσμευση αζώτου όσον αφορά τους προϋπολογισμούς των θρεπτικών ουσιών, την ποδηλασία και τη βιοποικιλότητα", είπε. "Μια συνέπεια αυτού του ευρήματος είναι ότι οι τρέχουσες εκτιμήσεις της ποσότητας αζώτου που εισέρχεται στα βόρεια δάση μέσω της στερέωσης μπορεί να υποτιμηθούν σημαντικά. Αυτό είναι ένα σημαντικό ζήτημα για την κατανόηση των απαιτήσεων σε θρεπτικά συστατικά για τα δασικά οικοσυστήματα, τα οποία επί του παρόντος λειτουργούν ως σημαντική καταβόθρα για ανθρωπογενή άνθρακας."
Ο πρώτος συγγραφέας Romain Darnajoux, μεταδιδακτορικός ερευνητικός συνεργάτης στην ερευνητική ομάδα του Zhang, εξήγησε ότι τα ευρήματα επικυρώνουν μια μακροχρόνια υπόθεση στην επιστημονική κοινότητα ότι υπάρχουν διαφορετικές μεταλλικές παραλλαγές της νιτρογενάσης έτσι ώστε οι οργανισμοί να μπορούν να αντιμετωπίσουν τις αλλαγές στη διαθεσιμότητα μετάλλων. Οι ερευνητές διαπίστωσαν ότι η δέσμευση αζώτου με βάση το βανάδιο ήταν ουσιαστική μόνο όταν τα περιβαλλοντικά επίπεδα μολυβδαινίου ήταν χαμηλά.
"Φαίνεται ότι η φύση εξέλιξε εφεδρικές μεθόδους για να διατηρήσει τη γονιμότητα του οικοσυστήματος όταν το περιβάλλον είναι μεταβλητό", είπε ο Darnajoux. "Κάθε στάδιο του κύκλου αζώτου περιλαμβάνει ένα ένζυμο που απαιτεί συγκεκριμένα ιχνοστοιχεία για να λειτουργήσει. Το μολυβδαίνιο και ο σίδηρος είναι συνήθως το επίκεντρο της επιστημονικής μελέτης επειδή θεωρούνται απαραίτητα στο ένζυμο νιτρογενάση που δεσμεύει το άζωτο. Ωστόσο, μια νιτρογενάση με βάση το βανάδιο επίσης υπάρχει, αλλά η εισαγωγή αζώτου από αυτό το ένζυμο δυστυχώς αγνοήθηκε σε μεγάλο βαθμό."
Ο Darnajoux και ο Zhang δούλεψαν με τους Nicolas Magain και Francois Lutzoni στο Πανεπιστήμιο Duke και τη Marie Renaudin και τον Jean-Philippe Bellenger στο Πανεπιστήμιο του Sherbrooke στο Κεμπέκ.
Τα αποτελέσματα των ερευνητών υποδηλώνουν ότι οι τρέχουσες εκτιμήσεις της εισροής αζώτου στα βόρεια δάση μέσω της στερέωσης είναι θλιβερά χαμηλές, γεγονός που θα υποτίμησε τη ζήτηση αζώτου για εύρωστη ανάπτυξη των φυτών, είπε ο Darnajoux. Τα βόρεια δάση συμβάλλουν στον μετριασμό της κλιματικής αλλαγής λειτουργώντας ως καταβόθρα για τον ανθρωπογενή άνθρακα. Αν και αυτά τα βόρεια δάση δεν βλέπουν τόσους ανθρώπους όσο και την πιο ελαφρά κατοικημένη μητρόπολη, οι ανθρώπινες δραστηριότητες μπορούν να έχουν σημαντικές επιπτώσεις στη γονιμότητα των δασών μέσω της ατμοσφαιρικής μεταφοράς της ατμοσφαιρικής ρύπανσης φορτωμένης με άζωτο και μέταλλα όπως το μολυβδαίνιο και το βανάδιο.
"Οι ανθρώπινες δραστηριότητες που αλλάζουν ουσιαστικά την ποιότητα του αέρα μπορεί να έχουν μεγάλη επιρροή στο πώς λειτουργούν ακόμη και τα απομακρυσμένα οικοσυστήματα", είπε ο Zhang. "Τα ευρήματα υπογραμμίζουν τη σημασία της ατμοσφαιρικής ρύπανσης στην αλλαγή της δυναμικής των μικροθρεπτικών και μακροθρεπτικών συστατικών. Επειδή ο αέρας είναι ένα παγκόσμιο κοινό, η σύνδεση μεταξύ μετάλλων και κύκλου αζώτου και της ατμοσφαιρικής ρύπανσης έχει μερικές ενδιαφέρουσες διαστάσεις πολιτικής και διαχείρισης."
Τα ευρήματα των ερευνητών θα μπορούσαν να βοηθήσουν στην ανάπτυξη πιο ακριβών κλιματικών μοντέλων, τα οποία δεν περιέχουν ρητά πληροφορίες για το μολυβδαίνιο ή το βανάδιο σε προσομοιώσεις της παγκόσμιας ροής αζώτου μέσω της ξηράς, των ωκεανών και της ατμόσφαιρας.
Η σημασία της δέσμευσης αζώτου που βασίζεται στο βανάδιο επεκτείνεται σε άλλες περιοχές μεγάλου γεωγραφικού πλάτους και πιθανότατα σε εύκρατα και τροπικά συστήματα, είπαν οι Darnajoux και Zhang. Το όριο για την ποσότητα μολυβδαινίου που χρειάζεται ένα οικοσύστημα για να ενεργοποιήσει ή να απενεργοποιήσει τη δέσμευση αζώτου βαναδίου που βρήκαν στη μελέτη τους ήταν αξιοσημείωτα παρόμοιο με τις απαιτήσεις σε μολυβδαίνιο για τη δέσμευση αζώτου που βρέθηκαν για δείγματα που εκτείνονται σε διαφορετικά βιομάζα.
Οι ερευνητές θα συνεχίσουν την αναζήτηση για δέσμευση αζώτου με βάση το βανάδιο στα βόρεια γεωγραφικά πλάτη. Έχουν επίσης στρέψει τα μάτια τους σε περιοχές πιο κοντά στο σπίτι, ξεκινώντας μελέτες για τη δυναμική των μικροθρεπτικών και μακροθρεπτικών συστατικών σε εύκρατα δάση στο Νιου Τζέρσεϊ και σχεδιάζουν να επεκτείνουν την εργασία τους σε τροπικά συστήματα.
Η εργασία, "Όριο μολυβδαινίου για δραστηριότητα εναλλακτικής νιτρογενάσης βαναδίου σε κλίμακα οικοσυστήματος σε βόρεια δάση", δημοσιεύτηκε από τα Πρακτικά της Εθνικής Ακαδημίας Επιστημών στο διαδίκτυο πριν από την εκτύπωση στις 11 Νοεμβρίου. Αυτή η εργασία υποστηρίχθηκε από μια Μεταδιδακτορική Υποτροφία Life Sciences από το Ίδρυμα Simons, το Συμβούλιο Ερευνών Φυσικών Επιστημών και Μηχανικών του Καναδά (επιχορήγηση RGPIN-2016-03660), την Καναδική Έδρα Έρευνας στη Βορειογεωχημεία (CRC-950-230570) και ένα Εθνικό Ίδρυμα Επιστημών Γεωβιολογίας και βραβείο Γεωχημείας χαμηλής θερμοκρασίας (EAR-1631814), βραβείο Dimensions of Biodiversity (DEB-1046065) και βραβείο Phylogenetic Systematics (DEB-1556995).
