Các nhà nghiên cứu của Đại học Northwestern đang tích cực lật đổ quan điểm thông thường cho rằng oxit sắt chỉ là "bồn chứa" phốt pho. Một chất dinh dưỡng quan trọng cho sự sống, hầu hết phốt pho trong đất là hữu cơ—từ tàn dư của thực vật, vi khuẩn hoặc động vật. Nhưng thực vật cần phốt pho vô cơ—loại có trong phân bón—để làm thức ăn.
Tín dụng: Pixabay/CC0 Public Domain
Trong khi các nhà nghiên cứu thường cho rằng chỉ có enzyme từ vi khuẩn và thực vật mới có thể chuyển đổi phốt pho hữu cơ thành dạng vô cơ, thì các nhà khoa học Tây Bắc trước đây đã phát hiện ra oxit sắt trong đất và trầm tích tự nhiên có thể thúc đẩy quá trình chuyển đổi này.
Bây giờ, trong một nghiên cứu mới, cùng nhóm nghiên cứu đã phát hiện ra rằng oxit sắt không chỉ tạo ra một lượng không đáng kể tài nguyên quý giá này. Trên thực tế, oxit sắt là chất xúc tác cực kỳ hiệu quả—có khả năng thúc đẩy quá trình chuyển đổi ở tốc độ tương đương với phản ứng của enzyme. Khám phá này có thể giúp các nhà nghiên cứu và chuyên gia trong ngành hiểu rõ hơn về chu trình phốt pho và tối ưu hóa việc sử dụng nó, đặc biệt là trong đất nông nghiệp.
Nghiên cứu này được công bố ngày hôm nay trên tạp chí Khoa học & Công nghệ Môi trường.
"Phốt pho là thành phần thiết yếu cho mọi dạng sống", Ludmilla Aristilde của Northwestern, người đứng đầu nghiên cứu, cho biết. "Xương sống của DNA chứa phosphate. Vì vậy, mọi sự sống trên Trái đất, bao gồm cả con người, đều phụ thuộc vào phốt pho để phát triển. Đó là lý do tại sao chúng ta cần phân bón để tăng phốt pho trong đất. Nếu không, các loại cây trồng mà chúng ta cần để nuôi sống hành tinh của mình sẽ không phát triển. Có một mối quan tâm sâu sắc trong việc tìm hiểu số phận của phốt pho trong môi trường."
Là một chuyên gia về động lực học của các chất hữu cơ trong các quá trình môi trường, Aristilde là phó giáo sư về kỹ thuật môi trường tại Trường Kỹ thuật McCormick của Northwestern. Bà cũng là thành viên của Trung tâm Sinh học Tổng hợp, Viện Công nghệ Nano Quốc tế và Viện Năng lượng và Phát triển Bền vững Paula M. Trienens. Jade Basinski, một nghiên cứu sinh tiến sĩ trong phòng thí nghiệm của Aristilde, là tác giả đầu tiên của bài báo. Các nghiên cứu sinh tiến sĩ khác và các nhà nghiên cứu sau tiến sĩ trong nhóm của Aristilde đã đóng góp vào công trình này.
Các con đường tiếp cận phốt pho
Trong nhiều thế kỷ, nông dân đã bổ sung phốt pho vào ruộng để cải thiện năng suất cây trồng. Phốt pho không chỉ cải thiện chất lượng cây trồng mà còn thúc đẩy sự hình thành rễ và hạt. Thực vật không thể sống sót nếu thiếu nó.
Nhưng có một điều đáng lưu ý. Thực vật đã tiến hóa để sử dụng phốt pho ở dạng đơn giản nhất và dễ kiếm nhất: phốt pho vô cơ. Phốt pho vô cơ giống như một phân tử sẵn sàng sử dụng mà thực vật có thể dễ dàng tiêu thụ và đưa vào quá trình trao đổi chất của chúng.
Tuy nhiên, hầu hết phốt pho trong môi trường là hữu cơ, nghĩa là nó liên kết với các nguyên tử cacbon. Để tiếp cận phốt pho này, thực vật dựa vào các enzyme tiết ra của chính chúng hoặc các enzyme tiết ra bởi vi khuẩn để phá vỡ các liên kết trong phốt pho hữu cơ và giải phóng dạng vô cơ có thể sử dụng được.
Trong công trình trước, nhóm của Aristilde phát hiện ra rằng enzyme không phải là phương tiện duy nhất có thể thực hiện quá trình chuyển đổi thiết yếu này. Có sẵn trong đất và trầm tích, oxit sắt cũng có thể thực hiện phản ứng chuyển đổi phốt pho hữu cơ thành dạng vô cơ.
Tóm tắt đồ họa. Tín dụng: Khoa học & Công nghệ Môi trường (2025). DOI: 10.1021/acs.est.4c12049
Bao nhiêu và nhanh như thế nào?
Sau khi chứng minh rằng oxit sắt cung cấp một con đường khác để thực vật tiếp cận phốt pho, Aristilde và nhóm của bà đã tìm cách hiểu tốc độ và hiệu quả của quá trình chuyển đổi xúc tác này.
"Các oxit sắt giữ phốt pho vì chúng có điện tích khác nhau", Aristilde cho biết. "Các oxit sắt tích điện dương, còn phốt pho tích điện âm. Vì lý do này, bất cứ nơi nào bạn tìm thấy phốt pho, bạn sẽ thấy nó liên kết với các oxit sắt. Trong nghiên cứu trước đây của chúng tôi, chúng tôi đã chỉ ra rằng các oxit sắt có thể đóng vai trò là chất xúc tác để phân cắt phốt pho. Tiếp theo, chúng tôi muốn biết chúng có thể phân cắt bao nhiêu và nhanh như thế nào".
Để khám phá câu hỏi này, các nhà nghiên cứu đã điều tra ba loại oxit sắt phổ biến: goethite, hematit và ferrihydrite. Sử dụng các kỹ thuật phân tích tiên tiến, Aristilde và nhóm của bà đã nghiên cứu sự tương tác giữa các oxit sắt này và các cấu trúc khác nhau của ribonucleotide, là các khối xây dựng của RNA và DNA.
Trong nhiều thí nghiệm của mình, nhóm của Aristilde đã tìm kiếm phốt pho vô cơ trong cả dung dịch xung quanh và trên bề mặt của oxit sắt. Bằng cách chạy các thí nghiệm trong một khoảng thời gian cụ thể và với nồng độ ribonucleotide khác nhau, nhóm đã xác định được tốc độ phản ứng và hiệu quả.
"Chúng tôi kết luận rằng oxit sắt là 'bẫy xúc tác' vì chúng xúc tác phản ứng loại bỏ phosphate khỏi các hợp chất hữu cơ nhưng lại bẫy sản phẩm phosphate trên bề mặt khoáng chất", Aristilde cho biết. "Enzyme không bẫy sản phẩm; chúng làm cho mọi thứ có sẵn. Chúng tôi thấy rằng goethite là khoáng chất duy nhất không bẫy tất cả phốt pho sau phản ứng".
Nhóm nghiên cứu phát hiện ra rằng mỗi loại oxit sắt thể hiện mức độ hoạt động xúc tác khác nhau để tách phốt pho khỏi ribonucleotide. Trong khi goethite hiệu quả hơn với ribonucleotide chứa ba phốt pho, hematit hiệu quả hơn với ribonucleotide chứa một phốt pho. Hematit được tìm thấy ở vùng Trung Tây Hoa Kỳ, trong khi goethite thường được tìm thấy trong đất ở miền Nam Hoa Kỳ và Nam Mỹ.
Tiếp theo là gì
Tiếp theo, nhóm của Aristilde sẽ tìm hiểu lý do tại sao các oxit sắt khác nhau có hiệu quả khác nhau đối với quá trình xúc tác và cách goethite có thể giải phóng phosphate nhưng ferrihydrite và hematit lại giữ lại tất cả phosphate được tạo ra. Mặc dù ban đầu các nhà nghiên cứu đưa ra giả thuyết rằng cấu trúc bề mặt của hợp chất phốt pho sẽ đóng một vai trò, nhưng họ không tìm thấy xu hướng rõ ràng. Bây giờ, họ nghĩ rằng bản chất hóa học của khoáng chất này có thể là bí mật đằng sau thành công của nó.
Vì phốt pho là một nguồn tài nguyên hữu hạn—được khai thác từ đá phosphate chỉ có ở Hoa Kỳ, Morocco và Trung Quốc—nên nguồn cung của nó đang cạn kiệt. Nông dân và các nhà nghiên cứu lo ngại phốt pho cuối cùng sẽ trở nên đắt đỏ đến mức làm tăng tổng chi phí thực phẩm, khiến các mặt hàng thiết yếu trở nên không đủ khả năng chi trả.
Do đó, việc tìm ra những cách mới để chuyển đổi phốt pho hữu cơ bị giữ lại thành phốt pho vô cơ có khả năng sinh học là rất quan trọng đối với nguồn cung cấp thực phẩm toàn cầu.
"Công trình của chúng tôi đang cung cấp một bước đệm để thiết kế và chế tạo một chất xúc tác tổng hợp như một cách để tái chế phốt pho", Aristilde cho biết. "Chúng tôi đã phát hiện ra một phản ứng đang diễn ra tự nhiên. Ước mơ sẽ là tận dụng những phát hiện của chúng tôi như một cách để tạo ra chất xúc tác góp phần vào việc sản xuất phân bón cho an ninh lương thực của chúng ta".
Mời các đối tác xem hoạt động của Công ty TNHH Pacific Group.
FanPage: https://www.facebook.com/Pacific-Group
YouTube: https://www.youtube.com/@PacificGroupCoLt
