Även om kväve är viktigt för alla levande organismer - det utgör 3% av människokroppen - och omfattar 78% av jordens atmosfär, Det är nästan ironiskt svårt för växter och naturliga system att komma åt det.

Atmosfäriskt kväve är inte direkt användbart för de flesta levande saker. I naturen, specialiserade mikrober i jordar och vattendrag omvandlar kväve till ammoniak - en avgörande form av kväve som livet lätt kan komma åt - genom en process som kallas kvävefixering. Inom jordbruket, sojabönor och andra baljväxter som underlättar kvävefixering kan planteras för att återställa jordens bördighet.

Ett ytterligare hinder i processen att göra kväve tillgängligt för de växter och ekosystem som förlitar sig på det är att mikrobiella kväve "fixerare" innehåller ett komplext protein som kallas nitrogenas som innehåller en metallrik kärna. Befintlig forskning har fokuserat på nitrogenaser som innehåller en specifik metall, molybden.

Den extremt lilla mängden molybden som finns i jorden, dock, har väckt oro över de naturliga gränserna för kvävefixering på land. Forskare har undrat vilka begränsningar bristen på molybden sätter på naturens förmåga att återställa ekosystemets fertilitet i kölvattnet av mänskliga störningar, eller som människor alltmer söker efter åkermark för att föda en växande befolkning.

Forskare vid Princeton University har funnit bevis på att andra metaller kan underlätta kvävefixering när molybden är knappt, vilket tyder på att processen kan vara mer motståndskraftig än man tidigare trott, enligt en studie publicerad i tidskriften Förfaranden från National Academy of Sciences . Arbetade i en 600 kilometer lång sträcka av boreal skog i Kanada, forskarna fann att kvävefixering i ekosystemskala också kan katalyseras av metallvanadin, särskilt i norra regioner med begränsade naturliga kvävetillförsel.

"Detta arbete kräver en större översyn av vår förståelse för hur mikronäringsämnen kontrollerar ekosystemets kvävestatus och fertilitet, "sa seniorförfattaren Xinning Zhang, biträdande professor i geovetenskap och Princeton Environmental Institute.

"Vi behöver veta mer om hur kvävefixering manifesterar sig när det gäller näringsbudgetar, cykling och biologisk mångfald, "sa hon." En konsekvens av detta fynd är att nuvarande uppskattningar av mängden kväve som tillförs boreala skogar genom fixering kan vara betydligt underskattade. Detta är en viktig fråga för vår förståelse av näringsbehov för skogens ekosystem, som för närvarande fungerar som en viktig sjunka för antropogent kol. "

Förste författaren Romain Darnajoux, en postdoktor i Zhangs forskargrupp, förklarade att fynden validerar en sedan länge hypotes i det vetenskapliga samfundet om att det finns olika metallvarianter av nitrogenas så att organismer kan klara förändringar i metalltillgänglighet. Forskarna fann att vanadinbaserad kvävefixering endast var väsentlig när miljömolybdenhalterna var låga.

"Det verkar som om naturen utvecklat backup -metoder för att upprätthålla ekosystemets fertilitet när miljön är variabel, "Sade Darnajoux." Varje kväve-cykelsteg involverar ett enzym som kräver speciella spårmetaller för att fungera. Molybden och järn är vanligtvis i fokus för vetenskapliga studier eftersom de anses vara avgörande för kvävebindande enzym nitrogenas. Dock, ett vanadinbaserat nitrogenas finns också, men kvävetillförsel av detta enzym har tyvärr i stor utsträckning ignorerats. "

Darnajoux och Zhang arbetade med Nicolas Magain och Francois Lutzoni vid Duke University och Marie Renaudin och Jean-Philippe Bellenger vid University of Sherbrooke i Québec.

Forskarnas resultat tyder på att de nuvarande uppskattningarna av kvävetillförsel till boreala skogar genom fixering är fruktansvärt låga, vilket skulle underskatta kvävebehovet för robust växttillväxt, Sa Darnajoux. Boreala skogar hjälper till att mildra klimatförändringarna genom att fungera som en diskbänk för antropogent kol. Även om dessa norra skogar inte ser så många mänskliga besökare som ens den mest lättbefolkade metropolen, mänsklig verksamhet kan fortfarande ha stora effekter på skogens fertilitet genom atmosfärstransport av luftföroreningar fyllda med kväve och metaller som molybden och vanadin.

"Mänsklig verksamhet som väsentligt förändrar luftkvaliteten kan ha ett långtgående inflytande på hur även avlägsna ekosystem fungerar, "Zhang sa." Resultaten belyser vikten av luftföroreningar för att förändra dynamiken i mikronäringsämnen och makronäringsämnena. Eftersom luft är en global allmänhet, sambandet mellan metaller och kvävecykling och luftföroreningar har några intressanta policy- och hanteringsdimensioner. "

Forskarnas resultat kan hjälpa till att utveckla mer exakta klimatmodeller, som inte uttryckligen innehåller information om molybden eller vanadin i simuleringar av det globala kväveflödet genom marken, hav och atmosfär.

Vikten av vanadindriven kvävefixering sträcker sig till andra regioner med hög latitud, och sannolikt tempererade och tropiska system, Sa Darnajoux och Zhang. Tröskeln för mängden molybden som ett ekosystem behöver för att aktivera eller inaktivera vanadinkvävefixering som de fann i sin studie liknade anmärkningsvärt mycket molybdenbehovet för kvävefixering för prover som spänner över olika biomer.

Forskarna kommer att fortsätta sökningen efter vanadinbaserad kvävefixering på de nordliga breddgraderna. De har också riktat blicken mot områden närmare hemmet, initierar studier av mikro- och makronäringsämnesdynamik i tempererade skogar i New Jersey, och de planerar att utöka sitt arbete till tropiska system.

Pappret, "Molybden-tröskelvärdet för alternativ vanadiumnitrogenasaktivitet i ekosystemskala i boreala skogar, "publicerades av Proceedings of the National Academy of Science online i förväg för tryck den 11 november.