Nature Communications｜铁氧化物促进有机磷循环

a （左）（上）密西西比湾（N 44°59'33' W 73°8'20'）和（下）卡尔霍恩临界区观测站（N 34°36'33.012' W 81°43'40.62'）湖泊沉积物和森林土壤采样点的位置和（右）地形。（a）中的比例尺代表 500 千米的地理位置和 10 千米的地形可视化；箭头和橙色垂直线表示取样位置。地图使用 QGIS 和美国地质调查局的地形数据绘制。 b（上）湖泊和（下）土壤中  P_org 非生物归宿的当前视图说明；（b）图例：有机磷（P_org；白色圆圈）、无机磷（P_i；浅红色圆圈）、溶解性铁（Fe）（Fe²⁺；黑色文字）、氧化铁矿物（浅棕色六边形）。c 沉积物样本（上）和土壤样本（下）中的矿物质含量：铁水合物（棕色）、赤铁矿（红色）、网纹石（桃红色）、生物铁矿（黄色）、青金石（金色）、白云石（灰色）、石英（白色）、伊利石或高岭石（蓝灰色）。在（c）中，矿物成分是通过结合 X 射线荧光、X 射线衍射和铁 X 射线吸收近缘结构光谱数据确定的（SI，图 S1-S5）。源数据以源数据文件的形式提供。

a, b 三磷酸腺苷 (ATP)-P (150 µM 或 4.6 mg L⁻¹)与云母、伊利石、石英、高岭石、铁菱锰矿、赤铁矿或鹅卵石在 1 g L⁻¹（如石英 1）或 4 g L⁻¹（如石英 4）反应 7 天后的转化。(c) 单磷酸腺苷（AMP）-P（50 µM 或 1.5 mg L⁻¹）、(d) 植酸-P（300 µM 或 9.0 mg L⁻¹）和 (e) 葡萄糖-6-磷酸（G6P）-P（50 µM 或 1.(e) 葡萄糖-6-磷酸（G6P）-P（50 µM 或 1.5 mg L⁻¹）与云母、石英、伊利石、高岭石、铁水物、赤铁矿或鹅卵石（1 g L⁻¹）反应 7 天后。数据以平均值 +/- SD 表示，其中 n = 3 个独立样本，ATP 空白样本的 n = 9 和 AMP 空白样本的 n = 6 除外。水体中的无机 P (P_i) 和 P_org 物种分别通过紫外-可见吸收光谱法和高分辨率液相色谱质谱分析法测定；颗粒态 P_i 和P_org 物种通过 P K 边 X 射线吸收近边结构光谱法测定。颜色代码：溶解性 P_org反应物（白色）、溶解性 P_org 产物（黄色）、颗粒态 P_org （棕色）、溶解性 P_i（红色）、颗粒态 P_i（红色条纹）。源数据以源数据文件的形式提供。

图 3. 糖核苷酸与自然样品反应产生的颗粒态无机磷（P_i）

(a) 沉积物和 (b) 土壤样本：(上) 非生物反应性的贡献 (灰色) 和 (下) 颗粒态有机磷 P_org; 棕色)和颗粒态磷 (粉红色) 在(参考，ref)与 P_org 以三磷酸腺苷(ATP) (ATP-P, 300 µM 或 9.3 mg L⁻¹)与 1 g L⁻¹  干沉积物或土壤样品反应 7 d 后的分布。c, d 与 ATP 反应 7 d 前（左）和 7 d 后（右），（c）沉积物或（d）土壤中铁（Fe）（蓝色，最大强度 = 500（c）或 900（d））和磷（红色，最大强度 = 25,000）的计数强度 μ-X 射线荧光图。在(a)和(b)中，参考沉积物和土壤样本中的背景微粒态 P_i 种类分别记为 '沉积物参考 '和 '土壤参考'。在（c）和（d）中，刻度线（白色）代表 300 微米。源数据以源数据文件的形式提供。

图 4. 沉积物和土壤样本中有机磷（P_org）衍生的无机磷（P_i）与铁（Fe）和铁氧化物的特定联系。

a, b 与 P_org 反应物（三磷酸腺苷；ATP）反应 7 d 后 (a) 沉积物和 (b) 土壤样品的块状 P K 边 X 射线吸收近边结构光谱 (XANES) 数据（黑线）；模型拟合（红线）来自与样品中确定的不同矿物类型（见图 1c）反应的  P_i  或 P_org  的参考光谱（灰线）的线性组合拟合 (LCF)。c, d, e 用以下方法获得的 XANES 数据的光谱区域特写：(c) 参考 P_org（ATP，以 ATP 二钠盐水合物制备）粉末、参考 P_i（以磷酸氢二钠制备）以及与 P_org 反应物反应的土壤；(d) 具有代表性的氧化铁（FeOx）矿物（鹅铁矿）与 ATP（P_org）反应 75 分钟或 7 天，同一矿物与 P_i 反应 7 天，以及与  P_org 反应物反应的土壤；(e) 具有代表性的铝硅酸盐矿物（高岭石）与 ATP（P_org）反应 75 分钟或与 P_i 反应 7 天，土壤与  P_org 反应物反应。色键：与 ATP 反应的土壤（黑线）； P_org  参考或与矿物结合的 P_org （黄线）；P_i 参考或与矿物结合的 P_i （红线）；与氧化铁结合的  P_org  （浅蓝色虚线）。f、g 与 (f) 湖泊沉积物样本或 (g) 森林土壤样本进行 7 d ATP 反应后产生的过量微粒态 P 含量（10³ mg P kg⁻¹ 干样本）的种类。(a)、(b)、(f) 和 (g) 中的数据详见 S1 表 S2、表 S3、表 S4、表 S5、表 S6 和表 S7。在 (f) 和 (g) 中，误差条代表从单个块体 P K 边 XANES 测量的 XANES 图谱 LCF 中得出的模型拟合误差范围。源数据以源数据文件的形式提供。

图 5. 铁（Fe）氧化物的去磷酸化动力学和环境相关性。

a 在有机磷（P_org）反应物与不同铁氧化物的脱磷反应过程中监测到的不同磷 (P) 种类概览；使用三磷酸腺苷 (ATP) 作为 P_org 反应物，我们监测了溶液中的 ATP（P_org, reactant, aqueous）、颗粒态 P_org（P_org, particulate）、溶液中的 P_org 产物（二磷酸腺苷 ADP 和单磷酸腺苷 AMP；合称 P_org products, aqueous）、与矿物质结合生成的无机磷（P_i）（P_i, particulate）和溶液中生成的 P_i（P_i, aqueous）。b 在鹅卵石、赤铁矿和铁闪锌矿的 ATP 脱磷酸过程中生成的 P_i, aqueous （红色）或 P_i, particulate （浅橙色）的表观最大速率（Vmax，µmol P_i h⁻¹ g_mineral⁻¹）；铁闪锌矿没有生成 P_i, aqueous （N/A = 无数据）。方框图表示根据实验动力学数据拟合模型得到的  Vmax  的上下 95% 置信区间和中心值。c 辉铜矿、赤铁矿和铁水矿的表观总周转次数（总 kcat，h⁻¹）；每个 kcat 值的计算方法是将 Vmax 值的总和归一化为每种矿物的 P_i 结合位点密度（µmol P_i g_mineral⁻¹）（灰色）。d 氧化铁贡献的去磷酸化速率（µmol P_i h⁻¹ g soil⁻¹，以对数 10 标度表示）与土壤中氧化铁含量的增加呈函数关系，根据 (b) 中所示的表观 Vmax 值估算。在（a）中，水体 P_i 是通过紫外-可见吸收光谱测定的；颗粒态 P_i 是通过 P K 边 X 射线吸收近边结构光谱测定的。在（d）中，深灰色线表示所报告的酶解磷化率的平均值，即 11.6 ± 0.8 µmol P_i h⁻¹ g soil⁻¹；灰色框内显示的是 Margalef 等人 2017 年报告的全球土壤中酶解磷化率的全部范围 。源数据作为源数据文件提供。

图 6. 土壤和沉积物矿物在有机磷（P_org）地球化学循环中的拟议作用。

圆圈内显示的是溶解性 P_org  和无机磷（P_i）；六角形内显示的是颗粒态 P_org 和颗粒态 P_i。P_org 循环中已包括的酶反应也显示出来。与下列矿物的反应突出显示：石英和长石（绿色三角形）、云母和粘土（蓝色三角形和黄色/橙色正方形）以及铁和锰氧化物（FeOx 和 MnOx，暗红色正方形）。