鐵氧化物：土壤中的隱形功臣，助農作物茁壯成長

科學家們最近發現，過去被認為會困住磷的鐵氧化物，實際上能將磷轉化為植物可吸收的形式，這項突破性的發現可能提升肥料效率，並確保未來的糧食生產。西北大學的研究團隊挑戰了長期以來的觀點，指出鐵氧化物不僅不會困住磷，反而能積極促進其轉化為植物可利用的形態。

磷是生命不可或缺的元素，但土壤中的磷大多以有機形式存在，與植物、微生物或動物的殘骸結合。然而，植物只能吸收無機磷，這種形式與肥料中的磷相同。過去，科學家認為只有微生物和植物分泌的酶能將有機磷分解為可用的無機形式。但西北大學的最新研究顯示，土壤和沉積物中天然存在的鐵氧化物也能驅動這一關鍵轉化。

在這項最新研究中，研究團隊發現鐵氧化物不僅是這一過程中的配角，更是高效的催化劑，其轉化磷的效率與酶相當。這項發現為磷迴圈提供了新的見解，並可能改善土壤管理和肥料使用，特別是在農業領域。

西北大學的Ludmilla Aristilde教授表示：「磷是所有生命形式的必需元素，DNA的骨架中含有磷酸鹽。因此，地球上的所有生命，包括人類，都依賴磷來茁壯成長。這就是為什麼我們需要肥料來增加土壤中的磷含量，否則我們賴以生存的農作物將無法生長。」

Aristilde教授是環境工程學的專家，專注於有機物在環境過程中的動態變化。她也是西北大學合成生物學中心、國際奈米技術研究所和Paula M. Trienens可持續發展與能源研究所的成員。這項研究的第一作者是Aristilde實驗室的博士生Jade Basinski，其他博士生和博士後研究人員也參與了這項工作。

幾個世紀以來，農民一直在田間新增磷以提高作物產量。磷不僅能提升作物品質，還能促進根系和種子的形成。植物若缺乏磷，根本無法生存。然而，植物只能利用最簡單、最易獲取的無機磷形式。環境中的磷大多以有機形式存在，植物必須依靠自身或微生物分泌的酶來分解有機磷，釋放出可用的無機形式。

在先前的研究中，Aristilde的團隊發現，酶並不是唯一能進行這一關鍵轉化的媒介。天然存在於土壤和沉積物中的鐵氧化物也能進行這項反應，將有機磷轉化為無機形式。在證實鐵氧化物為植物提供了另一條獲取磷的途徑後，Aristilde和她的團隊進一步研究了這一催化轉化的速率和效率。

研究團隊探討了三種常見的鐵氧化物：針鐵礦、赤鐵礦和水鐵礦。透過先進的分析技術，他們研究了這些鐵氧化物與核糖核苷酸（RNA和DNA的基本組成部分）之間的相互作用。研究發現，每種鐵氧化物在分解磷的催化活性上表現出不同程度的效率。針鐵礦對含有三個磷的核糖核苷酸更為高效，而赤鐵礦則對含有一個磷的核糖核苷酸更為高效。

接下來，Aristilde的團隊將進一步研究不同鐵氧化物在催化過程中的效率差異，以及為何針鐵礦能釋放磷，而水鐵礦和赤鐵礦則會困住所有生成的磷。由於磷是一種有限的資源，主要從美國、摩洛哥和中國的磷礦中開採，其供應正在逐漸減少。農民和研究人員擔心，磷最終會變得如此昂貴，以至於推高整體食品成本，使基本主食變得難以負擔。

因此，尋找將被困住的有機磷轉化為生物可利用的無機磷的新方法，對全球糧食供應至關重要。Aristilde表示：「我們的研究為設計和工程化合成催化劑提供了基石，作為回收磷的一種方式。我們發現了一種自然發生的反應，夢想是將我們的發現應用於製造催化劑，為我們的糧食安全貢獻力量。」

這項研究得到了美國能源部和西北大學國際奈米技術研究所的支援，並於2025年3月4日發表在《環境科學與技術》期刊上。