Oksida Besi Terungkap: Merevolusi Daur Ulang Fosfor dan Memberi Makan Dunia

Ilustrasi pembelahan fosfor dari berbagai biomolekul pada permukaan partikel oksida besi alami. Kredit: Aristilde Analysis Group/Northwestern College

Penelitian baru mengungkapkan bahwa oksida besi dalam tanah dapat mendaur ulang fosfor dari bahan organik.

Sebuah studi baru oleh Universitas Northwestern menunjukkan bahwa mineral oksida besi dalam tanah dapat mengubah fosfor organik menjadi bentuk anorganik, menantang keyakinan sebelumnya bahwa hanya enzim biologis yang dapat melakukan transformasi ini. Temuan ini penting untuk mengembangkan metode daur ulang fosfor yang berkelanjutan.

Metode Daur Ulang Fosfor Baru

Para peneliti yang dipimpin oleh Universitas Northwestern telah menemukan cara baru yang dilakukan alam untuk mendaur ulang fosfor, sebuah temuan yang mengungkap bagian yang hilang dari siklus fosfor Bumi yang membingungkan.

Penelitian ini akan dipublikasikan hari ini (18 Juli) di jurnal Komunikasi Alam.

Sebagai nutrisi penting bagi pertumbuhan tanaman, fosfor merupakan komponen pupuk yang tidak dapat ditawar. Tanpa fosfor, petani tidak dapat memastikan kesehatan tanaman dan meningkatkan hasil panen. Oleh karena itu, memahami siklus fosfor Bumi penting untuk melindungi pasokan pangan world.

Meskipun bentuk organik fosfor berlimpah di tanah, tanaman dan mikroba membutuhkan fosfor anorganik untuk memacu pertumbuhannya sendiri. Dalam bentuk organik, fosfor terhubung ke atom karbon secara langsung atau tidak langsung, menggunakan oksigen sebagai jembatan. Jadi, tanaman dan mikroba mengeluarkan enzim untuk memutus ikatan karbon dalam fosfor organik untuk menghasilkan fosfor anorganik yang dapat dimanfaatkan secara hayati.

Peran Oksida Besi dalam Transformasi Fosfor

Sementara pemahaman terkini tentang siklus fosfor mengasumsikan bahwa hanya enzim dari tanaman dan mikroba yang mendorong transformasi ini, studi Northwestern yang baru menunjukkan ada cara lain. Oksida besi, mineral yang terjadi secara alami di tanah dan sedimen, dapat melakukan reaksi yang mengubah fosfor organik untuk menghasilkan bentuk anorganik. Yang mengejutkan, para peneliti juga menemukan bahwa mineral oksida besi mendaur ulang fosfor pada tingkat yang sama seperti yang dilaporkan untuk enzim di tanah.

“Saat ini, sumber utama fosfor untuk pupuk berasal dari pertambangan,” kata Ludmilla Aristilde dari Northwestern, yang memimpin penelitian tersebut. “Ini adalah sumber daya terbatas yang pada akhirnya akan habis. Menurut beberapa perkiraan, kita mungkin akan kehabisan dalam waktu 50 tahun atau beberapa ratus tahun. Kami tengah mencari cara untuk memanfaatkan solusi berbasis alam untuk daur ulang fosfor karena kita tidak akan dapat memiliki ketahanan pangan tanpanya. Namun, sebelum kita dapat melakukannya, kita perlu memahami mekanisme dasar daur ulang fosfor alami. Kami menemukan bahwa mineral memainkan peran penting, yang sebelumnya tidak diketahui, dalam proses tersebut.”

Seorang pakar dalam dinamika organik dalam proses lingkungan, Aristilde adalah profesor madya teknik lingkungan di McCormick Faculty of Engineering, Northwestern. Ia juga merupakan anggota Heart for Artificial Biology, Worldwide Institute for Nanotechnology, dan Paula M. Trienens Institute for Sustainability and Power. Jade Basinski, mahasiswa Ph.D. di laboratorium Aristilde, adalah penulis pertama makalah ini. Analeise Klein dan Wiriya Thongsomboon, mantan peneliti pascadoktoral di laboratorium, adalah penulis kontributor.

Melihat Lebih Jauh dari Biologi

Ketika tumbuhan atau mikroba yang mati membusuk di dalam tanah, mereka meninggalkan sejumlah nutrisi, termasuk: DNA Dan RNAyang merupakan golongan penting fosfor organik. Mikroba dan tanaman hidup menggunakan enzim untuk memecah fosfor dari nukleotida — komponen struktural dalam DNA dan RNA — dalam bahan organik yang membusuk agar tersedia sebagai nutrisi yang didaur ulang. Hingga saat ini, sebagian besar peneliti berasumsi bahwa penggunaan enzim adalah satu-satunya mekanisme alam untuk mendaur ulang fosfor organik.

Namun, Aristilde dan rekan-rekannya memutuskan untuk menyelidiki apakah ada mekanisme lain yang berperan.

“Temuan dari studi lapangan tentang dinamika lingkungan fosfor menyarankan untuk mempertimbangkan mekanisme di luar biologi untuk transformasi fosfor organik dalam sedimen,” kata Aristilde. “Kelompok saya mulai mengamati mineral, khususnya oksida besi, karena diketahui dapat berfungsi sebagai katalis.”

Kasus Hilangnya Fosfor

Dalam percobaan laboratorium, Aristilde dan timnya mempelajari nasib fosfor dalam tanah dan sedimen yang mengandung mineral oksida besi. Setelah menjalankan beberapa percobaan dan analisis, para peneliti menemukan produk transformasi dari reaksi dalam larutan. Namun, anehnya, sebagian fosfor anorganik hilang.

Karena oksida besi diketahui dapat memerangkap fosfor, tim tersebut ingin meneliti mineral tersebut lebih saksama. Untuk melakukannya, mereka menggunakan teknik sinar-X khusus di Stanford Synchrotron Radiation Lightsource untuk memecahkan misteri tersebut.

“Lihatlah, kami menemukan bahwa fosfor menempel pada permukaan oksida besi,” kata Aristilde. “Pada dasarnya, mineral dapat mendaur ulang fosfor dari molekul DNA dan RNA. Namun, tidak semua fosfor organik dilepaskan dalam larutan karena menempel pada permukaan. Teknik sinar-X memungkinkan kami menemukan bahwa sebagian besar fosfor anorganik yang baru terbentuk dikaitkan dengan oksida besi.”

Wawasan Dunia Lain

Tim Aristilde kemudian mengukur bagaimana — dan seberapa banyak — fosfor anorganik diproduksi dari nukleotida. Para peneliti menemukan bahwa mineral mendaur ulang fosfat pada tingkat yang sebanding dengan biologi.

“Kami tidak menduga tingkatnya akan sangat sebanding dengan yang dilaporkan untuk enzim tanah,” kata Aristilde. “Hal ini mengubah cara kita berpikir tentang bagaimana fosfor didaur ulang.”

Informasi baru ini tidak hanya akan memperluas cara kita berpikir tentang bagaimana siklus fosfor di planet kita, tetapi juga dapat memberikan wawasan tentang planet-planet tetangga kita.

“Mars berwarna merah karena mengandung oksida besi,” kata Aristilde. “Jika ditemukan fosfor anorganik yang terperangkap di dalamnya, masuk akal untuk bertanya: 'Mungkinkah fosfor ini berasal dari kehidupan organik?'”

Referensi: “Mengungkap oksida besi sebagai katalis abiotik daur ulang fosfor organik dalam matriks tanah dan sedimen” oleh Jade J. Basinski, Sharon E. Bone, Annaleise R. Klein, Wiriya Thongsomboon, Valerie Mitchell, John T. Shukle, Gregory Okay. Druschel, Aaron Thompson dan Ludmilla Aristilde, 18 Juli 2024, Komunikasi Alam.
Nomor Induk Kependudukan: 10.1038/s41467-024-47931-z

Studi ini didukung oleh Departemen Energi AS (nomor penghargaan DE-SC0021172).