Huân chương Ðộc lập
- Hạng 1 - Hạng 2 - Hạng 3
Huân chương Lao động
- Hạng 1 - Hạng 2 - Hạng 3
Giải thưởng Nhà nước
- Nghiên cứu dinh dưởng và thức ăn gia súc (2005)
- Nghiên cứu chọn tạo và phát triển giống lúa mới cho xuất khẩu và tiêu dùng nội địa (2005)
Giải thưởng VIFOTEC
- Giống ngô lai đơn V2002 (2003)
- Kỹ thuật ghép cà chua chống bệnh héo rũ vi khuẩn (2005)
- Giống Sắn KM 140 (2010)
![]() |
|
![]() |
|
Mở khoá phospho để thúc đẩy sự phát triển của cây trồng
Thứ sáu, 18-04-2025 | 10:44:25
|
||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Oxit sắt hoạt động như là một chất xúc tác tự nhiên để thúc đẩy việc giải phóng phospho với tốc độ giống như enzyme.
Các nhà nghiên cứu tại Đại học Northwestern đang tích cực phản đối quan điểm thông thường cho rằng oxit sắt là bồn chứa phospho.
Phospho là một chất dinh dưỡng quan trọng cho sự sống, hầu hết phospho trong đất ở dạng hữu cơ - từ những phần còn lại của thực vật, vi sinh vật hoặc động vật. Nhưng thực vật cần phospho vô cơ - loại được tìm thấy trong phân bón - để làm thức ăn. Trong khi các nhà nghiên cứu nghĩ rằng chỉ có enzym từ vi sinh vật và thực vật có thể chuyển đổi phospho hữu cơ thành phospho vô cơ. Các nhà khoa học ở Northwestern trước đây đã khám phá ra oxit sắt có trong đất tự nhiên và trầm tích có thể thúc đẩy quá trính chuyển đổi.
Minh họa phản ứng xúc tác phân cắt phosphate bằng oxit sắt. Nguồn: Ludmilla Aristilde, Đại học Northwestern.
Hiện nay, trong một nghiên cứu mới, nhóm nghiên cứu đã tìm thấy oxit sắt là những chất xúc tác cực kỳ hiệu quả, có khả năng thúc đẩy quá trình chuyển đổi với tỷ lệ tương đương với phản ứng của các enzyme. Khám phá này đã giúp các nhà nghiên cứu và các chuyên gia trong ngành hiểu rõ hơn về quá trình phospho và tối ưu hoá việc sử dụng nó, đặc biệt trong đất nông nghiệp.
Trưởng nhóm nghiên cứu của trường Đại học Northwestern Ludmilla Sristilde cho biết: “Phospho rất cần thiết cho tất cả các dạng sống và cấu trúc chính của DNA chứa phosphate. Vì vậy, tất cả mọi dạng sống trên trái đất, bao gồm cả con người, phụ thuộc vào phospho để sống. Đó là lý do tại sao chúng ta cần phân bón để gia tăng hàm lượng phospho trong đất. Nếu không, cây trồng dùng để nuôi sống hành tinh này sẽ không phát triển. Vì vậy, có một mối quan tâm đặc biệt trong việc hiểu vai trò của phospho trong môi trường”.
Là một chuyên gia về động lực học của các chất hữu cơ tham gia trong các quá trình môi trường, Aristilde là phó giáo sư Kỹ thuật Môi trường tại Trường Kỹ thuật McCormick 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, nghiên cứu sinh tiến sỹ trong phòng thí nghiệm của Aristilde, là tác giả đầu tiên của bài báo. Các nghiên cứu sinh tiến sỹ khác và các nhà nghiên cứu sau tiến sỹ trong nhóm của Aristilde đã đóng góp vào công trình này.
Những con đường tiếp cận phospho
Trong nhiều thế kỷ, nông dân đã bổ sung phospho vào đất của họ để cải thiện năng suất cây trồng. Không chỉ cải thiện chất lượng, phospho cũng kích thích sự hình thành rễ và hạt. Cây trồng không thể sống mà không có phospho.
Tuy nhiên, có một điều đáng lưu ý. Thực vật đã tiến hoá để sử dụng phospho ở những dạng đơn giản nhất: phospho vô cơ. Phospho vô cơ giống như phân tử đã sẵn sàng để sử dụng mà thực vật có thể dễ dàng tiêu thụ và kết hợp vào quá trình trao đổi chất của nó. Tuy nhiên, hầu hết phospho trong môi trường là hữu cơ, nghĩa là nó kết hợp với phân tử carbon. Để tiếp nhận phospho, thực vật dựa vào những enzyme được tiết ra của chúng hoặc những enzyme được tiết ra bởi vi sinh vật để phá vỡ những liên kết của phospho hữu cơ và phóng thích dạng vô cơ có thể sử dụng được.
Trong nghiên cứu trước đây, nhóm của Aristilde đã tìm thấy enzyme không chỉ là phương tiện duy nhất có thể thực hiện sự đảo ngược cần thiết này. Oxit sắt có sẵn trong đất và trầm tích cũng có thể thực hiện phản ứng chuyển hoá phospho hữu cơ để tạo thành dạng vô cơ.
Bao nhiêu và bao lâu?
Sau khi chứng minh rằng oxit sắt cung cấp một con đường khác cho thực vật tiếp nhận phospho, Aristilde và nhóm của mình đã tiến hành nghiên cứu để tìm hiểu tỷ lệ và hiệu quả của quá trình chuyển đổi này. Aristilde cho biết: “Oxit sắt giữ phospho vì chúng có điện tích khác nhau, oxit sắt mang điện tích dương, và phospho mang điện tích âm. Vì vậy, khi mà bạn tìm thấy phospho ở bất cứ đâu, bạn sẽ tìm thấy nó liên kết với oxit sắt. Trong nghiên cứu trước đây của chúng tôi, chúng tôi đã chứng minh rằng oxit sắt có thể đóng vai trò là chất xúc tác để cắt phospho. Kế đến, chúng tôi muốn biết chúng có thể cắt bao nhiêu và nhanh như thế nào”.
Để khám phá câu hỏi này, các nhà nghiên cứu đã điều tra ba dạng phổ biến của oxit sắt: goethite, hematite, và ferrihydrite. Sử dụng các kỹ thuật phân tích tiên tiến, Aristilde và nhóm đã nghiên cứu tác động giữa oxit sắt và nhiều cấu trúc của ribonucleotide, là các thành phần cấu tạo nên RNA và DNA. Trong nhiều thí nghiệm, nhóm của Aristilde đã tìm thấy phospho vô cơ cả trong dung dịch xung quanh và trên bề mặt của oxit sắt. Bằng cách tiến hành các thí nghiệm qua một khoảng thời gian đặc biệt và với các nồng độ ribonucleotide khác nhau, nhóm đã xác định tốc độ và hiệu quả phản ứng.
Aristilde phát biểu rằng: “Chúng tôi đã kết luận oxit sắt là bẫy xúc tác bởi vì chúng xúc tác phản ứng để loại bỏ phosphate từ những hợp chất hữu cơ nhưng giữ lại sản phẩm phosphate trên bề mặt khoáng chất. Enzyme không giữ sản phẩm, chúng làm cho mọi thứ có sẵn. Chúng tôi tìm thấy goethite là một khoáng chất duy nhất không giữ tất cả phospho sau phản ứng”.
Nhóm nghiên cứu phát hiện ra rằng mỗi loại oxit sắt thể hiện nhiều mức độ của hoạt động xúc tác để cắt phospho từ ribonucleotide. Trong khi goethite thì hiệu quả hơn với ribonucleotide chứa ba loại phospho, hematide thì hiệu quả hơn với ribonucleotide chứa một phospho. Hematite được tìm thấy ở miền Trung Tây Hoa Kỳ, trong khi goethite thì tìm thấy phổ biến trong đất ở Nam Mỹ và miền nam Hoa Kỳ.
Chuyện gì tiếp theo
Tiếp theo, nhóm của Aristilde sẽ tìm hiểu tại sao các loại oxit sắt khác nhau có hiệu quả khác nhau đối với quá trình xúc tác và cách goethite có thể phóng thích phosphate nhưng ferrihydrite và hematite giữ tất cả các phosphate được tạo ra. Trong khi các nhà nghiên cứu đưa ra giả thuyết ban đầu rằng cấu trúc bề mặt của hợp chất phospho 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 phospho là nguồn tài nguyên hữu hạn - được khai thác từ đá phosphate chỉ được tìm thấy ở Hoa Kỳ, Morocco, và Trung Quốc - nên nguồn cung của nó đang cạn kiệt. Nông dân và các nhà nghiên cứu lo ngại rằng phospho sẽ trở nên đắt đỏ đến mức làm tăng tổng chi phí thực phẩm, khiến các mặt hàng thiết yếu trở nên khan hiếm. Do đó, việc tìm ra những phương pháp mới để chuyển đổi phospho hữu cơ thành phospho vô cơ có khả năng sinh học là rất quan trọng đối với nguồn cung cấp thực phẩm toàn cầu.
Aristilde cho biết: “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 phương pháp để tái chế phospho. 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 phương pháp để tạo ra chất xúc tác góp phần vào việc sản xuất phân bón cho an ninh lương thực của chúng ta”. Nghiên cứu được công bố ngày 4 tháng 3 trên tạp chí Environmental Science & Technology.
Trương Thị Tú Anh theo Đại học Northwestern. |
||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
![]() ![]() ![]() |
||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
[ Tin tức liên quan ]___________________________________________________
|