Nitrificare - Nitrification

A nu se confunda cu Nitrația .
Ciclul azotului

Nitrificarea este oxidarea biologicăa amoniacului în azot, urmată de oxidarea azotatului în azotat care se produce prin organisme separate sau oxidarea directă a amoniacului în azotat înbacteriile comammox . Transformarea amoniacului în nitriți este, de obicei, etapa de limitare a vitezei de nitrificare. Nitrificarea este un pas important în ciclul azotului din sol . Nitrificarea este unproces aerob realizat de grupuri mici de bacterii autotrofe și arhee .

Microbiologie

Oxidarea amoniacului

Oxidarea amoniacului în nitriți este realizată de două grupuri de organisme, bacteriile oxidante de amoniac ( AOB ) și archaea oxidante de amoniac ( AOA ). AOB pot fi găsite printre Betaproteobacteria și Gammaproteobacteria . De la descoperirea AOA în 2005, au fost cultivate două izolate: Nitrosopumilus maritimus și Nitrososphaera viennensis . În soluri, cele mai studiate AOB aparțin genurilor Nitrosomonas și Nitrococcus . Atunci când se compară AOB și AOA, AOA domină atât în ​​soluri, cât și în mediile marine, sugerând că Thaumarchaeota poate contribui mai mult la oxidarea amoniacului în aceste medii.

Oxidarea nitriților

Al doilea pas - oxidarea nitriților în nitrați - este realizat de bacterii (bacterii oxidante de nitriți, NOB ) de la taxonii Nitrospirae , Nitrospinae , Proteobacteria și Chloroflexi . Acestea sunt prezente în sol, izvoare geotermale, ecosisteme de apă dulce și marine.

Oxidarea completă a amoniacului

Articol principal: Comammox

Oxidarea amoniacului la nitrați într-o singură etapă a unui organism a fost prevăzută în 2006 și descoperită în 2015 în specia Nitrospira inopinata . O cultură pură a organismului a fost obținută în 2017, reprezentând o revoluție în înțelegerea procesului de nitrificare.

Istorie

Ideea că oxidarea amoniacului în nitrați este de fapt un proces biologic a fost dată pentru prima dată de Louis Pasteur în 1862. Mai târziu în 1875, Alexander Müller, în timpul evaluării calității apei din fântâni din Berlin, a observat că amoniul era stabil în soluțiile sterilizate, dar nitrificat în apele naturale . A. Müller a afirmat că nitrificarea este astfel realizată de microorganisme. În 1877, Jean-Jacques Schloesing și Achille Müntz , doi chimiști agricoli francezi care lucrează la Paris , au dovedit că nitrificarea este într-adevăr un proces mediat microbial prin experimentele cu canalizare lichidă și matrice artificială de sol (nisip sterilizat cu cretă electrică). Descoperirile lor au fost confirmate în curând (în 1878) de Robert Warington, care investiga capacitatea de nitrificare a solului de grădină la stația experimentală Rothamsted din Harpenden, în Anglia. R. Warington a făcut, de asemenea, prima observație că nitrificarea este un proces în doi pași în 1879, care a fost confirmat de John Munro în 1886. Deși în acel moment, se credea că nitrificarea în doi pași este separată în diferite faze ale vieții sau în trăsături de caracter ale un singur microorganism.

Primul nitrifiant pur (oxidant de amoniac) a fost cel mai probabil izolat în 1890 de Percy Frankland și Grace Frankland , doi oameni de știință englezi din Scoția. Înainte de aceasta, Warington , Serghei Winogradsky și Frankland au reușit să stabilească doar culturi de îmbogățire nitrificante, nu pure. Frankland și Frankland au reușit cu un sistem de diluții seriale cu inocul foarte scăzut și timpii de cultivare lungi, numărându-se în ani. Serghei Winogradsky a pretins izolarea culturii pure în același an (1890), dar cultura sa era încă o cultură de bacterii oxidante de amoniac și nitriți. S. Winogradsky a reușit doar un an mai târziu în 1891.

De fapt, în timpul diluțiilor seriale, amoniac-oxidanți și nitriți-oxidanți au fost separați fără să știe, rezultând o cultură pură cu abilitate de oxidare a amoniacului. Astfel Frankland și Frankland au observat că aceste culturi pure își pierd capacitatea de a efectua ambii pași. Pierderea capacității de oxidare a nitriților a fost deja observată de R. Warington . Cultivarea oxidantului nitrit pur a avut loc mai târziu în secolul al XX-lea, totuși nu este posibil să fim siguri care culturi au fost fără contaminanți, deoarece toate tulpinile teoretic pure au aceeași trăsătură (consumul de nitriți, producția de nitrați).

Ecologie

Ambii pași produc energie pentru a fi cuplată la sinteza ATP. Organismele nitrificante sunt chemoautotrofe și folosesc dioxidul de carbon ca sursă de carbon pentru creștere. Unele AOB posedă enzima, ureaza , care catalizează conversia moleculei de uree în două molecule de amoniac și o moleculă de dioxid de carbon. S-a demonstrat că Nitrosomonas europaea , precum și populațiile de AOB care locuiesc în sol, asimilează dioxidul de carbon eliberat de reacție pentru a produce biomasă prin ciclul Calvin și recoltează energia prin oxidarea amoniacului (celălalt produs al ureazei) la nitriți. Această caracteristică poate explica creșterea sporită a AOB în prezența ureei în medii acide.

În majoritatea mediilor, sunt prezente organisme care vor finaliza ambele etape ale procesului, producând azotat ca produs final. Cu toate acestea, este posibil să se proiecteze sisteme în care se formează nitrit ( procesul Sharon ).

Nitrificarea este importantă în sistemele agricole, unde îngrășămintele sunt adesea aplicate ca amoniac. Conversia acestui amoniac în nitrat crește leșierea azotului, deoarece nitratul este mai solubil în apă decât amoniacul.

Nitrificarea joacă, de asemenea, un rol important în eliminarea azotului din apele uzate municipale . Îndepărtarea convențională este nitrificarea, urmată de denitrificare . Costul acestui proces rezidă în principal în aerare (aducerea oxigenului în reactor) și adăugarea unei surse externe de carbon (de exemplu, metanol ) pentru denitrificare.

Nitrificarea poate apărea și în apa potabilă. În sistemele de distribuție în care cloraminele sunt utilizate ca dezinfectant secundar, prezența amoniacului liber poate acționa ca substrat pentru microorganismele oxidante de amoniac. Reacțiile asociate pot duce la epuizarea dezinfectantului rezidual din sistem. S-a demonstrat că adăugarea ionului clorit în apa tratată cu cloramină controlează nitrificarea.

Împreună cu amonificarea , nitrificarea formează un proces de mineralizare care se referă la descompunerea completă a materialului organic, cu eliberarea compușilor disponibili de azot. Aceasta completează ciclul azotului .

Chimie și enzimologie

Nitrificarea este un proces de oxidare a compușilor de azot (efectiv, pierderea de electroni din atomul de azot în atomii de oxigen ) și este catalizată treptat de o serie de enzime.

( Nitrosomonas , Comammox )
( Nitrobacter , Nitrospira , Comammox )

SAU

În Nitrosomonas europaea , prima etapă de oxidare (amoniac în hidroxilamină ) este realizată de enzima amoniac monooxigenază (AMO).

A doua etapă (hidroxilamină până la azotit) este realizată pas cu pas de două enzime diferite. Hidroxilamina oxidoreductaza (HAO), transformă hidroxilamina în oxid nitric.

O altă enzimă, încă necunoscută, care transformă oxidul azotic în nitrit.

A treia etapă (nitrit la nitrat) este finalizată într-un organism diferit.

Nitrificarea în mediul marin

În mediul marin , azotul este adesea nutrientul limitativ , astfel încât ciclul azotului din ocean prezintă un interes deosebit. Etapa de nitrificare a ciclului prezintă un interes deosebit în ocean, deoarece creează azotat , forma primară de azot responsabilă pentru producția „nouă” . Mai mult, deoarece oceanul devine îmbogățit în antropogene CO 2 , scăderea rezultând pH ar putea conduce la scăderea ratei de nitrificare. Nitrificarea ar putea deveni un „blocaj” în ciclul azotului.

Nitrificarea, așa cum sa menționat mai sus, este în mod formal un proces în doi pași; în prima etapă amoniacul este oxidat în nitriți , iar în cel de-al doilea stadiu nitritul este oxidat în nitrați. Diferiti microbi sunt responsabili pentru fiecare pas din mediul marin. Mai multe grupuri de bacterii oxidante de amoniac (AOB) sunt cunoscute în mediul marin, inclusiv Nitrosomonas , Nitrospira și Nitrosococcus . Toate conțin gena funcțională amoniac monooxigenază ( AMO ) care, după cum sugerează și numele său, este responsabilă de oxidarea amoniacului. Studii metagenomice mai recente și abordări de cultivare au arătat că unele Thaumarchaeota (fosta Crenarchaeota) posedă AMO. Thaumarchaeotes sunt abundente în ocean și unele specii au o afinitate de 200 de ori mai mare pentru amoniac decât AOB, conducând cercetătorii să conteste credința anterioară că AOB sunt responsabili în principal de nitrificare în ocean. Mai mult, deși se consideră că nitrificarea este separată vertical de producția primară, deoarece oxidarea azotatului de către bacterii este inhibată de lumină, nitrificarea de către AOA nu pare a fi inhibată de lumină, ceea ce înseamnă că nitrificarea are loc în întreaga coloană de apă , provocând clasicul definiții ale producției „noi” și „reciclate” .

În a doua etapă, nitritul este oxidat în nitrat. În oceane, acest pas nu este la fel de bine înțeles ca primul, dar se știe că bacteriile Nitrospina și Nitrobacter realizează acest pas în ocean.

Condițiile solului care controlează ratele de nitrificare

  • Disponibilitatea substratului (prezența NH 4 + )
  • Aerare (disponibilitatea de O 2 )
  • Soluri bine drenate cu 60% umiditate a solului
  • pH (aproape neutru)
  • Temperatura (cele mai bune 20-30 ° C) => Nitrificarea este sezonieră, afectată de practicile de utilizare a terenului

Inhibitori ai nitrificării

Nitrificare Inhibitorii sunt compuși chimici care lent nitrificare de amoniac , care conține uree-amoniu conținând sau îngrășăminte , care sunt aplicate pe sol ca îngrășăminte. Acești inhibitori pot ajuta la reducerea pierderilor de azot din sol care altfel ar fi utilizate de culturi. Inhibitorii de nitrificare sunt folosiți pe scară largă, fiind adăugați la aproximativ 50% din amoniacul anhidru aplicat în cădere în state din SUA, cum ar fi Illinois. Acestea sunt de obicei eficiente în creșterea recuperării îngrășămintelor azotate în culturile în rânduri, dar nivelul de eficacitate depinde de condițiile externe și beneficiile lor sunt cel mai probabil observate la rate de azot mai mici decât cele optime.

Preocupările de mediu ale nitrificării contribuie, de asemenea, la interesul pentru utilizarea inhibitorilor de nitrificare: produsul primar, azotatul , se scurge în apele subterane, producând toxicitate acută la mai multe specii de animale sălbatice și contribuind la eutrofizarea apelor stătătoare. Unii inhibitori ai nitrificării inhibă, de asemenea, producția de metan , un gaz cu efect de seră.

Inhibarea procesului de nitrificare este facilitată în primul rând de selecția și inhibarea / distrugerea bacteriilor care oxidează compușii amoniacali. O multitudine de compuși care inhibă nitrificarea, care pot fi împărțiți în următoarele zone: situsul activ al amoniacului monooxigenază (AMO), inhibitorii mecaniciști și procesul compușilor N- heterociclici . Procesul pentru acesta din urmă nu este încă pe larg înțeles, dar este proeminent. Prezența AMO a fost confirmată pe multe substraturi care sunt inhibitori de azot, cum ar fi dicianandiamida , tiosulfatul de amoniu și nitrapirina .

Conversia amoniacului în hidroxilamină este primul pas în nitrificare, unde AH 2 reprezintă o serie de potențiali donatori de electroni.

NH 3 + AH 2 + O 2 → NH 2 OH + A + H 2 O

Această reacție este catalizată de AMO. Inhibitorii acestei reacții se leagă de locul activ pe AMO și împiedică sau întârzie procesul. Procesul de oxidare a amoniacului prin AMO este privită cu importanță datorită faptului că alte procese necesită co-oxidarea NH 3 pentru o sursă de reducere a echivalentelor. Acesta este de obicei furnizat de compusul hidroxilamin oxidoreductaza (HAO) care catalizează reacția:

NH 2 OH + H 2 O → NO 2 - + 5 H + + 4 e -

Mecanismul inhibiției este complicat de această cerință. Analiza cinetică a inhibării NH 3 oxidare a arătat că substraturile AMO au demonstrat o cinetică variind de competitiv la necompetitivă . Legarea și oxidarea se poate produce pe două locații diferite pe AMO: în substraturi competitive, legarea și oxidarea are loc la NH 3 site - ul, în timp ce în substraturi necompetitivă apare într - un alt site.

Inhibitorii pe bază de mecanism pot fi definiți ca fiind compuși care întrerup reacția normală catalizată de o enzimă. Această metodă apare prin inactivarea enzimei prin modificarea covalentă a produsului, care inhibă în cele din urmă nitrificarea. Prin acest proces, AMO este dezactivat și una sau mai multe proteine ​​sunt legate covalent de produsul final. Acest lucru se dovedește a fi cel mai proeminent într-o gamă largă de compuși de sulf sau acetilenici .

Compușii care conțin sulf, inclusiv tiosulfatul de amoniu (un inhibitor popular), funcționează prin producerea de compuși volatili cu efecte inhibitoare puternice, cum ar fi disulfura de carbon și tiourea .

În special, tiofosforil triamida a fost un adaos remarcabil în care are dublu scop de a inhiba atât producția de urează, cât și nitrificarea. Într-un studiu al efectelor inhibitoare ale oxidării de către bacteriile Nitrosomonas europaea , utilizarea tioeterilor a dus la oxidarea acestor compuși în sulfoxizi , unde atomul de S este locul principal de oxidare de către AMO. Acest lucru este cel mai puternic corelat cu domeniul inhibiției competitive.

Exemple de molecule N-heterociclice.

Compușii N-heterociclici sunt, de asemenea, inhibitori de nitrificare foarte eficienți și sunt adesea clasificați după structura lor inelară. Modul de acțiune pentru acești compuși nu este bine înțeles: în timp ce nitrapirina, un inhibitor utilizat pe scară largă și substrat al AMO, este un inhibitor slab bazat pe mecanism al enzimei menționate, efectele mecanismului menționat sunt incapabile să se coreleze direct cu capacitatea compusului de a inhibă nitrificarea. Se sugerează că nitrapirina acționează împotriva enzimei monooxigenază din bacterii, prevenind creșterea și oxidarea CH 4 / NH 4 . Compușii care conțin doi sau trei atomi de inel adiacenți ( piridazină , pirazol , indazol ) tind să aibă un efect de inhibare semnificativ mai mare decât compușii care conțin atomi de N adiacenți sau atomi de inel de singular N ( piridină , pirol ). Acest lucru sugerează că prezența atomilor de inel N este direct corelată cu efectul de inhibare a acestei clase de compuși.

Inhibarea metanului

Unii inhibitori enzimatici ai nitrificării, cum ar fi ureaza, pot inhiba, de asemenea, producția de metan în bacteriile metanotrofe . AMO prezintă rate de rotație cinetice similare cu metano monooxigenaza (MMO) găsită în metanotrofe, indicând faptul că MMO este un catalizator similar cu AMO în scopul oxidării metanului. Mai mult, bacteriile metanotrofe au multe asemănări cu NH
3oxidanți precum Nitrosomonas . Profilul inhibitor al formelor de particule de MMO (pMMO) prezintă similaritate cu profilul AMO, ducând la similitudinea proprietăților dintre MMO în metanotrofi și AMO în autotrofe .

Ingrijorari privitoare la mediu

Nitrificare rezervor proces la un tratare a apelor uzate de plante

Inhibitorii de nitrificare sunt, de asemenea, de interes din punct de vedere al mediului, din cauza producției de nitrați și oxid de azot din procesul de nitrificare. Protoxidul de azot (N 2 O), deși concentrația sa atmosferică este mult mai mică decât cea a CO 2, are un potențial de încălzire globală de aproximativ 300 de ori mai mare decât dioxidul de carbon și contribuie 6% incalzirii planetare din cauza gazelor cu efect de seră. Acest compus este, de asemenea, remarcabil pentru catalizarea dezintegrării ozonului în stratosferă . Nitrații, un compus toxic pentru animale sălbatice și animale și un produs al nitrificării, sunt, de asemenea, îngrijorători.

Solul, format din argile polianionice și silicați , are în general o sarcină anionică netă. În consecință, amoniul (NH 4 + ) se leagă strâns de sol, dar ionii nitrați (NO 3 - ) nu. Deoarece azotatul este mai mobil, acesta se scurge în alimentarea cu apă subterană prin scurgeri agricole . Nitrații din apa subterană pot afecta concentrațiile apelor de suprafață, fie prin interacțiuni directe între apa subterană și apa de suprafață (de exemplu, obținerea unor curenți de apă, izvoare), fie de când este extras pentru utilizare la suprafață. De exemplu, o mare parte din apa potabilă din Statele Unite provine din apele subterane, dar majoritatea stațiilor de epurare a apelor uzate se varsă în apele de suprafață.

Viața sălbatică, cum ar fi amfibienii, peștii de apă dulce și insectele, sunt sensibile la nivelurile de nitrați și se știe că provoacă moarte și anomalii de dezvoltare la speciile afectate. Nivelurile de nitrați contribuie, de asemenea, la eutrofizare , un proces în care florile mari de alge reduc nivelurile de oxigen din corpurile de apă și duc la moarte la creaturile care consumă oxigen din cauza anoxiei. Se consideră că nitrificarea contribuie la formarea smogului fotochimic , ozonului de la nivelul solului, ploilor acide , modificărilor diversității speciilor și a altor procese nedorite. În plus, s-a demonstrat că inhibitorii de nitrificare suprimă oxidarea metanului (CH 4 ), un gaz puternic cu efect de seră , la CO 2 . Atât nitrapirina cât și acetilena s- au dovedit a fi supresoare deosebit de puternice ale ambelor procese, deși modurile de acțiune care le disting nu sunt clare.

Vezi si

Referințe

linkuri externe