Los investigadores de la Universidad Northwestern están refutando activamente la idea convencional de que los óxidos de hierro son meros «sumideros» de fósforo.
Por Amanda Morris, Universidad Northwestern
El fósforo del suelo, un nutriente fundamental para la vida, es en su mayor parte orgánico (restos de plantas, microbios o animales), pero las plantas necesitan fósforo inorgánico (el que se encuentra en los fertilizantes) para alimentarse.
Aunque tradicionalmente los investigadores pensaban que sólo las enzimas de microbios y plantas podían convertir el fósforo orgánico en forma inorgánica, los científicos de Northwestern descubrieron previamente que los óxidos de hierro en suelos y sedimentos naturales pueden impulsar la conversión.
Ahora, en un nuevo estudio, el mismo equipo de investigación descubrió que los óxidos de hierro no generan solo una cantidad insignificante de este preciado recurso. De hecho, los óxidos de hierro son catalizadores increíblemente eficientes, capaces de impulsar la conversión a tasas comparables a las de las reacciones enzimáticas. El descubrimiento podría ayudar a los investigadores y a los expertos de la industria a comprender mejor el ciclo del fósforo y optimizar su uso, especialmente en suelos agrícolas.
El estudio se publica hoy en la revista Environmental Science & Technology .
«El fósforo es esencial para todas las formas de vida», dijo Ludmilla Aristilde, de Northwestern, quien dirigió el estudio. «La columna vertebral del ADN contiene fosfato. Por lo tanto, toda la vida en la Tierra, incluidos los humanos, depende del fósforo para prosperar. Es por eso que necesitamos fertilizantes para aumentar el fósforo en los suelos. De lo contrario, los cultivos que necesitamos para alimentar a nuestro planeta no crecerán. Existe un profundo interés en comprender el destino del fósforo en el medio ambiente».
Aristilde es una experta en la dinámica de la materia orgánica en los procesos ambientales y profesora adjunta de ingeniería ambiental en la Escuela de Ingeniería McCormick de la Universidad Northwestern. También es miembro del Centro de Biología Sintética, del Instituto Internacional de Nanotecnología y del Instituto Paula M. Trienens de Sostenibilidad y Energía. Jade Basinski, estudiante de doctorado en el laboratorio de Aristilde, es la primera autora del artículo. Otros estudiantes de doctorado e investigadores posdoctorales del equipo de Aristilde contribuyeron al trabajo.
Caminos para acceder al fósforo
Durante siglos, los agricultores han añadido fósforo a sus campos para mejorar el rendimiento de los cultivos. No solo mejora la calidad de los cultivos, sino que también promueve la formación de raíces y semillas. Las plantas literalmente no pueden sobrevivir sin él.
Pero hay un problema: las plantas han evolucionado para utilizar el fósforo en su forma más simple y disponible: el fósforo inorgánico. El fósforo inorgánico es como una molécula lista para usar que las plantas pueden consumir fácilmente e incorporar a su metabolismo.
Sin embargo, la mayor parte del fósforo presente en el medio ambiente es orgánico, es decir, está ligado a átomos de carbono. Para acceder a este fósforo, las plantas dependen de sus propias enzimas secretadas o de enzimas secretadas por microbios para romper los enlaces del fósforo orgánico y liberar la forma inorgánica utilizable.
En trabajos anteriores, el equipo de Aristilde descubrió que las enzimas no son los únicos vehículos que pueden realizar esta conversión esencial. Los óxidos de hierro, presentes de forma natural en los suelos y los sedimentos, también pueden realizar la reacción que transforma el fósforo orgánico en su forma inorgánica.
¿Cuánto y qué tan rápido?
Después de demostrar que los óxidos de hierro ofrecen otra vía para que las plantas accedan al fósforo, Aristilde y su equipo buscaron comprender las tasas y la eficiencia de esta conversión catalítica.
«Los óxidos de hierro atrapan el fósforo porque tienen cargas diferentes», dijo Aristilde. «Los óxidos de hierro tienen carga positiva y el fósforo tiene carga negativa. Por eso, en cualquier lugar donde haya fósforo, lo encontrarás unido a óxidos de hierro. En nuestro estudio anterior, demostramos que los óxidos de hierro pueden servir como catalizador para descomponer el fósforo. Ahora queríamos saber cuánto pueden descomponer y con qué rapidez».
Para explorar esta cuestión, los investigadores estudiaron tres tipos comunes de óxidos de hierro: goethita, hematita y ferrihidrita. Utilizando técnicas analíticas avanzadas, Aristilde y su equipo estudiaron las interacciones entre estos óxidos de hierro y varias estructuras de ribonucleótidos, que son los componentes básicos del ARN y el ADN.
En sus múltiples experimentos, el equipo de Aristilde buscó fósforo inorgánico tanto en la solución circundante como en la superficie de los óxidos de hierro. Al realizar experimentos durante un período de tiempo específico y con diferentes concentraciones de ribonucleótidos, el equipo determinó las velocidades y la eficiencia de la reacción.
«Llegamos a la conclusión de que los óxidos de hierro son ‘trampas catalíticas’ porque catalizan la reacción para eliminar el fosfato de los compuestos orgánicos , pero atrapan el producto de fosfato en la superficie del mineral», dijo Aristilde. «Las enzimas no atrapan el producto, sino que hacen que todo esté disponible. Descubrimos que la goethita era el único mineral que no atrapaba todo el fósforo después de la reacción».
El equipo descubrió que cada tipo de óxido de hierro exhibía distintos grados de actividad catalítica para separar el fósforo de los ribonucleótidos. Mientras que la goethita era más eficiente con los ribonucleótidos que contenían tres fósforos, la hematita era más eficiente con los ribonucleótidos que contenían un fósforo. La hematita se encuentra en la parte medio-occidental de los Estados Unidos, mientras que la goethita se encuentra comúnmente en los suelos del sur de los Estados Unidos y Sudamérica.
¿Qué sigue?
A continuación, el equipo de Aristilde intentará comprender por qué los distintos óxidos de hierro tienen distinta eficacia en el proceso de catálisis y cómo la goethita es capaz de liberar el fosfato, pero la ferrihidrita y la hematita atrapan todo el fosfato producido. Aunque los investigadores inicialmente plantearon la hipótesis de que la estructura superficial de los compuestos de fósforo desempeñaría un papel, no encontraron una tendencia clara. Ahora, creen que la química del propio mineral podría ser el secreto de su éxito.
Como el fósforo es un recurso finito (se extrae de la roca fosfórica que se encuentra sólo en Estados Unidos, Marruecos y China), su suministro está disminuyendo. A los agricultores y a los investigadores les preocupa que, con el tiempo, el fósforo se encarezca tanto que aumente los costos generales de los alimentos y haga que los alimentos básicos resulten inasequibles.
Por lo tanto, encontrar nuevas formas de convertir el fósforo orgánico atrapado en fósforo inorgánico biodisponible es vital para el suministro mundial de alimentos.
«Nuestro trabajo es un trampolín para diseñar y fabricar un catalizador sintético como forma de reciclar el fósforo», dijo Aristilde. «Hemos descubierto una reacción que está ocurriendo de forma natural. El sueño será aprovechar nuestros hallazgos como una forma de fabricar catalizadores que contribuyan a la producción de fertilizantes para nuestra seguridad alimentaria».
Más información: Jade J. Basinski et al, Evaluación comparativa cuantitativa de parámetros catalíticos para la desfosforilación de ribonucleótidos miméticos enzimáticos por minerales de óxido de hierro, Environmental Science & Technology (2025). DOI: 10.1021/acs.est.4c12049
