Embora o nitrogênio seja essencial para todos os organismos vivos - ele constitui 3% do corpo humano - e compreende 78% da atmosfera da Terra, é quase ironicamente difícil para as plantas e sistemas naturais acessá-lo.

O nitrogênio atmosférico não é diretamente utilizável pela maioria dos seres vivos. Na natureza, Micróbios especializados em solos e corpos d'água convertem nitrogênio em amônia - uma forma crucial de nitrogênio que a vida pode acessar facilmente - por meio de um processo chamado fixação de nitrogênio. Na agricultura, soja e outras leguminosas que facilitam a fixação de nitrogênio podem ser plantadas para restaurar a fertilidade do solo.

Um obstáculo adicional no processo de disponibilizar o nitrogênio para as plantas e ecossistemas que dele dependem é que os "fixadores" de nitrogênio microbiano incorporam uma proteína complexa chamada nitrogenase, que contém um núcleo rico em metal. A pesquisa existente tem se concentrado em nitrogenases contendo um metal específico, molibdênio.

A quantidade extremamente pequena de molibdênio encontrada no solo, Contudo, levantou preocupações sobre os limites naturais da fixação de nitrogênio na terra. Os cientistas se perguntam quais são as restrições que a escassez de molibdênio impõe à capacidade da natureza de restaurar a fertilidade do ecossistema na esteira de distúrbios causados ​​pelo homem, ou à medida que as pessoas procuram cada vez mais por terras aráveis ​​para alimentar uma população crescente.

Pesquisadores da Universidade de Princeton encontraram evidências de que outros metais podem facilitar a fixação de nitrogênio quando o molibdênio é escasso, o que sugere que o processo pode ser mais resiliente do que se pensava anteriormente, de acordo com um estudo publicado na revista Proceedings of the National Academy of Sciences . Trabalhando em um trecho de 372 milhas (600 quilômetros) de floresta boreal no Canadá, os pesquisadores descobriram que a fixação de nitrogênio em escala de ecossistema também pode ser catalisada pelo metal vanádio, particularmente nas regiões do norte com entradas limitadas de nitrogênio natural.

"Este trabalho sugere uma revisão importante de nossa compreensão de como os micronutrientes controlam o status de nitrogênio e a fertilidade do ecossistema, "disse o autor sênior Xinning Zhang, professor assistente de geociências e do Instituto Ambiental de Princeton.

"Precisamos saber mais sobre como a fixação de nitrogênio se manifesta em termos de orçamentos de nutrientes, ciclismo e biodiversidade, "disse ela." Uma consequência desta descoberta é que as estimativas atuais da quantidade de nitrogênio introduzido nas florestas boreais por meio da fixação podem ser significativamente subestimadas. Esta é uma questão importante para a nossa compreensão dos requisitos de nutrientes para os ecossistemas florestais, que atualmente funcionam como um importante sumidouro de carbono antropogênico. "

Primeiro autor Romain Darnajoux, um associado de pesquisa de pós-doutorado no grupo de pesquisa de Zhang, explicou que as descobertas validam uma hipótese de longa data na comunidade científica de que existem diferentes variantes metálicas da nitrogenase para que os organismos possam lidar com as mudanças na disponibilidade do metal. Os pesquisadores descobriram que a fixação de nitrogênio à base de vanádio só era substantiva quando os níveis ambientais de molibdênio eram baixos.

"Parece que a natureza desenvolveu métodos de backup para sustentar a fertilidade do ecossistema quando o ambiente é variável, "Darnajoux disse." Cada etapa do ciclo do nitrogênio envolve uma enzima que requer metais traço particulares para funcionar. O molibdênio e o ferro são normalmente o foco do estudo científico porque são considerados essenciais na nitrogenase da enzima fixadora de nitrogênio. Contudo, uma nitrogenase à base de vanádio também existe, mas a entrada de nitrogênio por esta enzima foi, infelizmente, amplamente ignorada. "

Darnajoux e Zhang trabalharam com Nicolas Magain e Franc? Ois Lutzoni na Duke University e Marie Renaudin e Jean-Philippe Bellenger na University of Sherbrooke em Québec.

Os resultados dos pesquisadores sugerem que as estimativas atuais de entrada de nitrogênio nas florestas boreais por meio da fixação são terrivelmente baixas, o que subestimaria a demanda de nitrogênio para um crescimento robusto da planta, Darnajoux disse. As florestas boreais ajudam a mitigar as mudanças climáticas, agindo como sumidouros de carbono antropogênico. Embora essas florestas do norte não recebam tantos visitantes humanos quanto até mesmo a metrópole menos povoada, as atividades humanas ainda podem ter grandes impactos na fertilidade da floresta por meio do transporte atmosférico da poluição do ar carregada com nitrogênio e metais como molibdênio e vanádio.

"As atividades humanas que mudam substancialmente a qualidade do ar podem ter uma influência de longo alcance em como até mesmo ecossistemas remotos funcionam, "Zhang disse." As descobertas destacam a importância da poluição do ar na alteração da dinâmica de micronutrientes e macronutrientes. Porque o ar é um bem comum global, a conexão entre metais e ciclagem de nitrogênio e poluição do ar tem algumas políticas interessantes e dimensões de gestão. "

As descobertas dos pesquisadores podem ajudar no desenvolvimento de modelos climáticos mais precisos, que não contêm explicitamente informações sobre molibdênio ou vanádio em simulações do fluxo global de nitrogênio através da terra, oceano e atmosfera.

A importância da fixação de nitrogênio impulsionada pelo vanádio se estende a outras regiões de alta latitude, e mais provavelmente em sistemas temperados e tropicais, Darnajoux e Zhang disseram. O limite para a quantidade de molibdênio que um ecossistema precisa para ativar ou desativar a fixação de nitrogênio de vanádio que eles encontraram em seu estudo foi notavelmente semelhante aos requisitos de molibdênio de fixação de nitrogênio encontrados para amostras abrangendo diversos biomas.

Os pesquisadores continuarão a busca pela fixação de nitrogênio à base de vanádio nas latitudes do norte. Eles também voltaram seus olhos para áreas mais próximas de casa, iniciando estudos de dinâmica de micro e macronutrientes em florestas temperadas em Nova Jersey, e eles planejam expandir seu trabalho para sistemas tropicais.

O papel, "Limiar de molibdênio para atividade alternativa de nitrogenase de vanádio em escala de ecossistema em florestas boreais, "foi publicado pela Proceedings of the National Academy of Science online antes da impressão em 11 de novembro.