普林斯頓大學、杜克大學和加拿大魁北克舍布魯克大學組成的科學家團隊發(fā)現(xiàn)，植物的固氮方式不止一種，當固氮所需稀有金屬鉬缺乏時，金屬釩可以代替其完成固氮工作。相關研究結果2019年11月11日發(fā)表於《美國科學院院刊》。
氮是地球生物不可或缺的元素之一。氮氣是地球大氣中含量最多的氣體，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，而需要通過固氮作用將氮轉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程。自然界氮的固定有兩種方式：一種是非生物固氮，即通過閃電、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)還原為氨的過程。大氣中90%以上的分子態(tài)氮都是通過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，進而轉化為含氮有機物。微生物固氮時使用了一種複雜的蛋白質叫做固氮酶，其中富含金屬，過去的研究聚焦於含有稀有金屬鉬的固氮酶。鉬不會以游離金屬的形式存在自然界，只以各種氧化態(tài)存在於礦物中。
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、實現(xiàn)國家現(xiàn)代化、建設現(xiàn)代國防的重要基礎材料。因此，人們擔憂隨著自然資源的消耗，鉬的稀缺性將會影響貧瘠的土地難以再恢復肥沃，進而影響植物的種植與生長。
荷蘭烏特勒支大學科學家2018年7月發(fā)表在《資源保護和迴圈利用》期刊上的“鉬資源的消耗和保護”一文警告稱，地球上的鉬資源可能會在50至100年內(nèi)耗盡。他在文章中指出，由於轉型零化石燃料能源生產(chǎn)必須要用到鉬，鉬的使用量無可避免會增加。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?？茖W家說，要實現(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、杜克大學和加拿大魁北克舍布魯克大學組成的科學家團隊發(fā)現(xiàn)了可以替代鉬完成固氮工作的另一種金屬——釩。科學家們在加拿大的北寒林中進行研究工作，發(fā)現(xiàn)金屬釩可以催化整個生態(tài)系統(tǒng)的固氮活動，尤其是在自然氮來源有限的北部地方。
普林斯頓大學研究第一作者、博士後科學家Romain Darnajoux表示，只有當環(huán)境鉬含量低時，才會發(fā)生釩基固氮。他介紹，每個氮迴圈步驟都涉及一種酶，這些酶需要特定的微量金屬才能發(fā)揮作用，到目前為止，相關研究一直集中在鉬和鐵上，釩基固氮酶幾乎沒有被注意到。而當環(huán)境變化時，自然界似乎演化出備用方案來維持生態(tài)系統(tǒng)的肥力。
研究資深作者、普林斯頓環(huán)境研究所地球科學助理教授張欣甯（音譯）介紹，這項研究改變了我們對微量營養(yǎng)素如何控制生態(tài)系統(tǒng)氮素狀況和肥力的認知。我們需要從養(yǎng)分預算、迴圈和生物多樣性方面更深入瞭解固氮作用。他指出，人類活動大幅改變了空氣品質，甚至可能顯著影響地處偏遠的生態(tài)系統(tǒng)。
研究結果顯示，目前透過固氮進入北寒林的氮估計值太低，這會低估植物生長所需的氮量。這是關於森林養(yǎng)分需求的重大發(fā)現(xiàn)。空氣污染會改變微量營養(yǎng)素和主要營養(yǎng)素動態(tài)，人類活動透過大氣中的氮和鉬、釩等金屬污染物的移動，會影響森林的肥力。
