普林斯頓大學(xué)、杜克大學(xué)和加拿大魁北克舍布魯克大學(xué)組成的科學(xué)家團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)，植物的固氮方式不止一種，當(dāng)固氮所需稀有金屬鉬缺乏時(shí)，金屬釩可以代替其完成固氮工作。相關(guān)研究結(jié)果2019年11月11日發(fā)表于《美國(guó)科學(xué)院院刊》。
氮是地球生物不可或缺的元素之一。氮?dú)馐堑厍虼髿庵泻孔疃嗟臍怏w，占總體積的78%，氮元素是人體重要的組成元素之一，占比3%。但大多數(shù)生物不能直接利用大氣中的氮，而需要通過(guò)固氮作用將氮轉(zhuǎn)化為生物可以直接利用的氨。
固氮作用是分子態(tài)氮被還原成氨和其他含氮化合物的過(guò)程。自然界氮的固定有兩種方式：一種是非生物固氮，即通過(guò)閃電、高溫放電等固氮，這樣形成的氮化物很少；二是生物固氮，即分子態(tài)氮在生物體內(nèi)還原為氨的過(guò)程。大氣中90%以上的分子態(tài)氮都是通過(guò)固氮微生物的作用被還原為氨的。
大自然中存在多種固氮微生物，這些微生物利用固氮酶催化氮還原為氨，進(jìn)而轉(zhuǎn)化為含氮有機(jī)物。微生物固氮時(shí)使用了一種復(fù)雜的蛋白質(zhì)叫做固氮酶，其中富含金屬，過(guò)去的研究聚焦于含有稀有金屬鉬的固氮酶。鉬不會(huì)以游離金屬的形式存在自然界，只以各種氧化態(tài)存在于礦物中。
鉬是一種稀有金屬，是不可再生的重要戰(zhàn)略資源，是發(fā)展高新技術(shù)、實(shí)現(xiàn)國(guó)家現(xiàn)代化、建設(shè)現(xiàn)代國(guó)防的重要基礎(chǔ)材料。因此，人們擔(dān)憂隨著自然資源的消耗，鉬的稀缺性將會(huì)影響貧瘠的土地難以再恢復(fù)肥沃，進(jìn)而影響植物的種植與生長(zhǎng)。
荷蘭烏特勒支大學(xué)科學(xué)家2018年7月發(fā)表在《資源保護(hù)和循環(huán)利用》期刊上的“鉬資源的消耗和保護(hù)”一文警告稱，地球上的鉬資源可能會(huì)在50至100年內(nèi)耗盡。他在文章中指出，由于轉(zhuǎn)型零化石燃料能源生產(chǎn)必須要用到鉬，鉬的使用量無(wú)可避免會(huì)增加。尋找替代品、提高材料效率和減少耗損的空間有限，只有尾礦中的鉬損失可以減半。科學(xué)家說(shuō)，要實(shí)現(xiàn)永續(xù)利用，鉬的回收率必須從目前的約20%增加到至少80%。
普林斯頓大學(xué)、杜克大學(xué)和加拿大魁北克舍布魯克大學(xué)組成的科學(xué)家團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)了可以替代鉬完成固氮工作的另一種金屬——釩?？茖W(xué)家們?cè)诩幽么蟮谋焙种羞M(jìn)行研究工作，發(fā)現(xiàn)金屬釩可以催化整個(gè)生態(tài)系統(tǒng)的固氮活動(dòng)，尤其是在自然氮來(lái)源有限的北部地區(qū)。
普林斯頓大學(xué)研究第一作者、博士后科學(xué)家Romain Darnajoux表示，只有當(dāng)環(huán)境鉬含量低時(shí)，才會(huì)發(fā)生釩基固氮。他介紹，每個(gè)氮循環(huán)步驟都涉及一種酶，這些酶需要特定的微量金屬才能發(fā)揮作用，到目前為止，相關(guān)研究一直集中在鉬和鐵上，釩基固氮酶幾乎沒(méi)有被注意到。而當(dāng)環(huán)境變化時(shí)，自然界似乎演化出備用方案來(lái)維持生態(tài)系統(tǒng)的肥力。
研究資深作者、普林斯頓環(huán)境研究所地球科學(xué)助理教授張欣寧（音譯）介紹，這項(xiàng)研究改變了我們對(duì)微量營(yíng)養(yǎng)素如何控制生態(tài)系統(tǒng)氮素狀況和肥力的認(rèn)知。我們需要從養(yǎng)分預(yù)算、循環(huán)和生物多樣性方面更深入了解固氮作用。他指出，人類活動(dòng)大幅改變了空氣質(zhì)量，甚至可能顯著影響地處偏遠(yuǎn)的生態(tài)系統(tǒng)。
研究結(jié)果顯示，目前透過(guò)固氮進(jìn)入北寒林的氮估計(jì)值太低，這會(huì)低估植物生長(zhǎng)所需的氮量。這是關(guān)于森林養(yǎng)分需求的重大發(fā)現(xiàn)?？諝馕廴緯?huì)改變微量營(yíng)養(yǎng)素和主要營(yíng)養(yǎng)素動(dòng)態(tài)，人類活動(dòng)透過(guò)大氣中的氮和鉬、釩等金屬污染物的移動(dòng)，會(huì)影響森林的肥力。
