Hoewel stikstof essentieel is voor alle levende organismen - het maakt 3% van het menselijk lichaam uit - en omvat 78% van de atmosfeer van de aarde, het is bijna ironisch genoeg moeilijk voor planten en natuurlijke systemen om er toegang toe te krijgen.

Atmosferische stikstof is niet direct bruikbaar voor de meeste levende wezens. In de natuur, gespecialiseerde microben in bodems en waterlichamen zetten stikstof om in ammoniak - een cruciale vorm van stikstof waar het leven gemakkelijk toegang toe heeft - via een proces dat stikstoffixatie wordt genoemd. In de landbouw, sojabonen en andere peulvruchten die stikstofbinding vergemakkelijken, kunnen worden geplant om de bodemvruchtbaarheid te herstellen.

Een bijkomend obstakel in het proces om stikstof beschikbaar te maken voor de planten en ecosystemen die ervan afhankelijk zijn, is dat microbiële stikstof "fixers" een complex eiwit bevatten dat stikstofase wordt genoemd en dat een metaalrijke kern bevat. Bestaand onderzoek heeft zich gericht op stikstofasen die een specifiek metaal bevatten, molybdeen.

De extreem kleine hoeveelheid molybdeen die in de bodem wordt aangetroffen, echter, heeft geleid tot bezorgdheid over de natuurlijke grenzen van stikstofbinding op het land. Wetenschappers hebben zich afgevraagd welke beperkingen de schaarste aan molybdeen legt op het vermogen van de natuur om de vruchtbaarheid van ecosystemen te herstellen na door de mens veroorzaakte verstoringen, of als mensen steeds meer op zoek gaan naar bouwland om een ​​groeiende bevolking te voeden.

Onderzoekers van Princeton University hebben bewijs gevonden dat andere metalen stikstoffixatie kunnen vergemakkelijken wanneer molybdeen schaars is. wat suggereert dat het proces veerkrachtiger kan zijn dan eerder werd gedacht, volgens een studie gepubliceerd in het tijdschrift Proceedings van de National Academy of Sciences . Werkend in een stuk boreaal bos van 600 kilometer in Canada, de onderzoekers ontdekten dat stikstofbinding op ecosysteemschaal ook kan worden gekatalyseerd door het metaal vanadium, vooral in noordelijke regio's met een beperkte natuurlijke stikstoftoevoer.

"Dit werk leidt tot een ingrijpende herziening van ons begrip van hoe micronutriënten de stikstofstatus en vruchtbaarheid van ecosystemen controleren, " zei senior auteur Xinning Zhang, universitair docent geowetenschappen en het Princeton Environmental Institute.

"We moeten meer weten over hoe stikstofbinding zich manifesteert in termen van nutriëntenbudgetten, fietsen en biodiversiteit, " zei ze. "Een gevolg van deze bevinding is dat de huidige schattingen van de hoeveelheid stikstof die door middel van fixatie in de boreale bossen wordt ingevoerd, aanzienlijk worden onderschat. Dit is van groot belang voor ons begrip van de nutriëntenbehoeften van bosecosystemen, die momenteel fungeren als een belangrijke opslagplaats voor antropogene koolstof."

Eerste auteur Romain Darnajoux, een postdoctoraal onderzoeksmedewerker in de onderzoeksgroep van Zhang, legde uit dat de bevindingen een lang gekoesterde hypothese in de wetenschappelijke gemeenschap bevestigen dat er verschillende metaalvarianten van stikstofase bestaan, zodat organismen kunnen omgaan met veranderingen in de beschikbaarheid van metalen. De onderzoekers ontdekten dat op vanadium gebaseerde stikstoffixatie alleen substantieel was als de molybdeenniveaus in de omgeving laag waren.

"Het lijkt erop dat de natuur back-upmethoden heeft ontwikkeld om de vruchtbaarheid van ecosystemen in stand te houden wanneer de omgeving variabel is, " zei Darnajoux. "Elke stap van de stikstofcyclus omvat een enzym dat bepaalde sporenmetalen nodig heeft om te werken. Molybdeen en ijzer zijn typisch de focus van wetenschappelijk onderzoek omdat ze als essentieel worden beschouwd in het stikstofbindende enzym stikstofase. Echter, er bestaat ook een op vanadium gebaseerde stikstofase, maar de stikstoftoevoer door dit enzym is helaas grotendeels genegeerd."

Darnajoux en Zhang werkten samen met Nicolas Magain en François Lutzoni aan de Duke University en Marie Renaudin en Jean-Philippe Bellenger aan de universiteit van Sherbrooke in Québec.

De resultaten van de onderzoekers suggereren dat de huidige schattingen van stikstoftoevoer naar boreale bossen door fixatie bedroevend laag zijn, die de stikstofbehoefte voor een robuuste plantengroei zou onderschatten, zei Darnajoux. Boreale bossen helpen de klimaatverandering te verminderen door te fungeren als een opslagplaats voor antropogene koolstof. Hoewel deze noordelijke bossen niet zoveel menselijke bezoekers zien als zelfs de meest dunbevolkte metropool, menselijke activiteiten kunnen nog steeds grote gevolgen hebben voor de vruchtbaarheid van bossen door het atmosferisch transport van luchtverontreiniging die is geladen met stikstof en metalen zoals molybdeen en vanadium.

"Menselijke activiteiten die de luchtkwaliteit aanzienlijk veranderen, kunnen een verreikende invloed hebben op hoe zelfs afgelegen ecosystemen functioneren, " zei Zhang. "De bevindingen benadrukken het belang van luchtvervuiling bij het veranderen van de dynamiek van micronutriënten en macronutriënten. Omdat lucht een wereldwijd gemeengoed is, het verband tussen metalen en stikstofcycli en luchtvervuiling heeft een aantal interessante beleids- en managementdimensies."

De bevindingen van de onderzoekers kunnen helpen bij de ontwikkeling van nauwkeurigere klimaatmodellen, die niet expliciet informatie bevatten over molybdeen of vanadium in simulaties van de wereldwijde stikstofstroom door het land, oceaan en atmosfeer.

Het belang van door vanadium aangedreven stikstoffixatie strekt zich uit tot andere hoge breedtegraden, en hoogstwaarschijnlijk gematigde en tropische systemen, Darnajoux en Zhang zeiden. De drempel voor de hoeveelheid molybdeen die een ecosysteem nodig heeft om vanadiumstikstoffixatie te activeren of te deactiveren die ze in hun onderzoek vonden, was opmerkelijk vergelijkbaar met de molybdeenvereisten van stikstoffixatie die werden gevonden voor monsters die verschillende biomen overspannen.

De onderzoekers zullen op de noordelijke breedtegraden verder zoeken naar vanadium-gebaseerde stikstofbinding. Ze hebben ook hun ogen gericht op gebieden dichter bij huis, het initiëren van studies naar de dynamiek van micro- en macronutriënten in gematigde bossen in New Jersey, en ze zijn van plan hun werk uit te breiden naar tropische systemen.

De krant, "Molybdeendrempel voor alternatieve vanadiumstikstofase-activiteit op ecosysteemschaal in boreale bossen, " werd gepubliceerd door de Proceedings van de National Academy of Science online vooraf van print op 11 november.