I ricercatori della Princeton University hanno scoperto che la natura ha sviluppato un metodo di riserva per convertire l'azoto atmosferico nella forma nutritiva fondamentale per la crescita delle piante e la fertilità del suolo. I ricercatori riferiscono che il processo noto come fissazione dell'azoto può essere effettuato dal metallo vanadio negli ecosistemi, in particolare nell'emisfero settentrionale, dove il molibdeno, catalizzatore primario, è scarso. Lo studio suggerisce che la capacità della natura di ripristinare gli ecosistemi sulla scia dei disturbi causati dall'uomo o di fertilizzare i terreni agricoli è più resistente di quanto si pensasse in precedenza. Credito:Marie Renaudin, Università di Sherbrooke
Sebbene l'azoto sia essenziale per tutti gli organismi viventi, costituisce il 3% del corpo umano e comprende il 78% dell'atmosfera terrestre, è quasi ironicamente difficile per piante e sistemi naturali accedervi.
L'azoto atmosferico non è direttamente utilizzabile dalla maggior parte degli esseri viventi. In natura, microbi specializzati nei suoli e nei corpi idrici convertono l'azoto in ammoniaca, una forma cruciale di azoto a cui la vita può facilmente accedere, attraverso un processo chiamato fissazione dell'azoto. In agricoltura, soia e altri legumi che facilitano la fissazione dell'azoto possono essere piantati per ripristinare la fertilità del suolo.
Un ulteriore ostacolo nel processo di messa a disposizione dell'azoto per le piante e gli ecosistemi che ne fanno affidamento è che i "fissatori" microbici di azoto incorporano una proteina complessa chiamata nitrogenasi che contiene un nucleo ricco di metalli. La ricerca esistente si è concentrata sulle nitrogenasi contenenti un metallo specifico, molibdeno.
La quantità estremamente piccola di molibdeno che si trova nel suolo, però, ha sollevato preoccupazioni circa i limiti naturali della fissazione dell'azoto sul terreno. Gli scienziati si sono chiesti quali restrizioni ponga la scarsità di molibdeno alla capacità della natura di ripristinare la fertilità dell'ecosistema sulla scia dei disturbi causati dall'uomo, o mentre le persone cercano sempre più terra arabile per sfamare una popolazione in crescita.
I ricercatori della Princeton University hanno trovato prove che altri metalli possono facilitare la fissazione dell'azoto quando il molibdeno è scarso, il che suggerisce che il processo potrebbe essere più resiliente di quanto si pensasse in precedenza, secondo uno studio pubblicato sulla rivista Atti dell'Accademia Nazionale delle Scienze . Lavorando in un tratto di 372 miglia (600 chilometri) di foresta boreale in Canada, i ricercatori hanno scoperto che la fissazione dell'azoto su scala ecosistemica può essere catalizzata anche dal metallo vanadio, in particolare nelle regioni settentrionali con apporti naturali limitati di azoto.
"Questo lavoro richiede un'importante revisione della nostra comprensione di come i micronutrienti controllano lo stato di azoto e la fertilità dell'ecosistema, ", ha affermato l'autore senior Xinning Zhang, assistente professore di geoscienze e il Princeton Environmental Institute.
"Dobbiamo saperne di più su come si manifesta la fissazione dell'azoto in termini di budget di nutrienti, ciclismo e biodiversità, " ha detto. "Una conseguenza di questa scoperta è che le stime attuali della quantità di azoto immesso nelle foreste boreali attraverso la fissazione possono essere significativamente sottostimate. Questo è un problema importante per la nostra comprensione del fabbisogno di nutrienti per gli ecosistemi forestali, che attualmente funzionano come un importante pozzo per il carbonio antropogenico".
Primo autore Romain Darnajoux, un associato di ricerca post-dottorato nel gruppo di ricerca di Zhang, ha spiegato che i risultati convalidano un'ipotesi di vecchia data nella comunità scientifica secondo cui esistono diverse varianti metalliche della nitrogenasi in modo che gli organismi possano far fronte ai cambiamenti nella disponibilità di metalli. I ricercatori hanno scoperto che la fissazione dell'azoto a base di vanadio era sostanziale solo quando i livelli ambientali di molibdeno erano bassi.
"Sembrerebbe che la natura abbia evoluto metodi di backup per sostenere la fertilità dell'ecosistema quando l'ambiente è variabile, "Darnajoux ha detto. "Ogni fase del ciclo dell'azoto coinvolge un enzima che richiede particolari tracce di metalli per funzionare. Il molibdeno e il ferro sono in genere al centro di studi scientifici perché sono considerati essenziali nell'enzima che fissa l'azoto nitrogenasi. Però, esiste anche una nitrogenasi a base di vanadio, ma l'apporto di azoto da parte di questo enzima è stato purtroppo ampiamente ignorato".
Darnajoux e Zhang hanno lavorato con Nicolas Magain e Francois Lutzoni alla Duke University e Marie Renaudin e Jean-Philippe Bellenger all'Università di Sherbrooke in Québec.
I risultati dei ricercatori suggeriscono che le stime attuali dell'immissione di azoto nelle foreste boreali attraverso la fissazione sono deplorevolmente basse, che sottovaluterebbe la domanda di azoto per una crescita robusta delle piante, ha detto Darnajoux. Le foreste boreali aiutano a mitigare i cambiamenti climatici fungendo da pozzo per il carbonio antropogenico. Sebbene queste foreste settentrionali non vedano tanti visitatori umani nemmeno nelle metropoli più scarsamente popolate, le attività umane possono ancora avere impatti importanti sulla fertilità delle foreste attraverso il trasporto atmosferico dell'inquinamento atmosferico carico di azoto e metalli come molibdeno e vanadio.
"Le attività umane che modificano sostanzialmente la qualità dell'aria possono avere un'influenza di vasta portata su come funzionano anche gli ecosistemi remoti, " Zhang ha detto. "I risultati evidenziano l'importanza dell'inquinamento atmosferico nell'alterare le dinamiche di micronutrienti e macronutrienti. Perché l'aria è un bene comune globale, la connessione tra metalli e ciclo dell'azoto e inquinamento atmosferico ha alcune interessanti dimensioni politiche e gestionali".
I risultati dei ricercatori potrebbero aiutare nello sviluppo di modelli climatici più accurati, che non contengono esplicitamente informazioni su molibdeno o vanadio nelle simulazioni del flusso globale di azoto attraverso la terra, oceano e atmosfera.
L'importanza della fissazione dell'azoto guidata dal vanadio si estende ad altre regioni ad alta latitudine, e molto probabilmente ai sistemi temperati e tropicali, Dissero Darnajoux e Zhang. La soglia per la quantità di molibdeno di cui un ecosistema ha bisogno per attivare o disattivare la fissazione dell'azoto di vanadio che hanno trovato nel loro studio era notevolmente simile ai requisiti di molibdeno della fissazione dell'azoto trovati per campioni che abbracciano diversi biomi.
I ricercatori continueranno la ricerca della fissazione dell'azoto a base di vanadio alle latitudini settentrionali. Hanno anche rivolto i loro occhi verso le aree più vicine a casa, avviare studi sulla dinamica dei micro e macronutrienti nelle foreste temperate del New Jersey, e hanno in programma di espandere il loro lavoro ai sistemi tropicali.
La carta, "Soglia di molibdeno per l'attività alternativa della vanadio nitrogenasi su scala ecosistemica nelle foreste boreali, " è stato pubblicato da Atti dell'Accademia Nazionale delle Scienze online prima della stampa l'11 novembre.
