Denitrifikáció

Közül denitrifikáció utal, hogy az átalakítás a nitrát (NO ₃^- ) kötött nitrogén molekuláris nitrogénné (N ₂ ), és a nitrogén-oxidok , bizonyos heterotróf és néhány autotróf baktériumokat , amelyek ennek megfelelően a denitrifikáló baktériumokat nevezzük. A folyamatot a baktériumok energiatermelésre használják. Molekuláris oxigén (O ₂ ) hiányában ( anoxikus körülmények) különféle oxidálható anyagokat ( elektrondonorokat ), például szerves anyagokat, hidrogén-szulfidot (H ₂ S) és molekuláris hidrogént (H ₂ ) oxidálnak nitrát, mint oxidálószer (oxidálószer). A folyamat tehát az energia-anyagcsere , nevezetesen egy oxidatív energia-anyagcsere lehetősége.

Reakciók

A folyamat a baktériumok membránjaihoz kötődik , ennek során az energiát konzerválják a protonkoncentráció különbsége formájában a membrán által elválasztott terek között. Ezért az anaerob légzés egyik formája , amelyet nitrát légzésnek is neveznek .

A többlépcsős reakció egyes lépéseit a metalloenzimek nitrát-reduktáz , nitrit-reduktáz , nitrogén-monoxid-reduktáz és dinitrogén-oxid-reduktáz katalizálják :

(1) nitrát-reduktáz:

{\ displaystyle \ mathrm {\ NO_ {3} ^ {-} + \ 2 \ H ^ {+} + 2 \ e ^ {-} \ longrightarrow \ NO_ {2} ^ {-} + \ H_ {2} O }}

(2) nitrit-reduktáz:

{\ displaystyle \ mathrm {\ NO_ {2} ^ {-} + 2 \ H ^ {+} + \ e ^ {-} \ longrightarrow \ NO + \ H_ {2} O}}

(3) Nitrogén-oxid-reduktáz:

{\ displaystyle \ mathrm {\ 2 \ NO + \ 2 \ H ^ {+} + \ 2 \ e ^ {-} \ longrightarrow \ N_ {2} O + H_ {2} O}}

(4) dinitrogén-oxid-reduktáz:

{\ displaystyle \ mathrm {\ N_ {2} O + 2 \ H ^ {+} + 2 \ e ^ {-} \ longrightarrow \ N_ {2} + H_ {2} O}}

Mivel a denitrifikáció minden egyes lépésének redoxpotenciálja pozitív, ezek a baktériumok elektront akceptorként ( oxidálószerként ) használhatják a nitrátot oxidatív energia-anyagcseréjükhöz ( oxidatív foszforilációhoz ), ha nincs vagy csak korlátozott molekuláris oxigén (O ₂ ) áll rendelkezésre ( anoxikus) vagy hipoxiás állapotok). Egy mól glükóz nitráttal történő oxidációja legfeljebb 2670 kJ energiát szabadít fel ( ΔG ₀ ' = −2670 kJ).

A szerves vagy szervetlen anyagok oxidációjából származó elektronokat (e ^- ) vagy hidrogént (H) elektron- és hidrogénhordozók továbbítják, amelyek a különböző enzimek és baktériumok függvényében különböznek egymástól. A citokrómok és a kinonok általában elektron- és hidrogénhordozóként szolgálnak. Az elektrontranszport a kemioszmotikus kapcsolás révén az ATP szintéziséhez és így az energia megőrzéséhez vezet. Amellett, hogy N ₂ , azonban a kisebb mennyiségű a közbenső N ₂ O (gáz halmazállapotú) van mindig szabadul fel. Ez a folyamat zajlik a természetben, ahol a nitrát és szerves anyagok, amelyek oxidálhatók által denitrifiers alatt áll rendelkezésre anoxiás vagy hipoxiás körülmények között (például mocsarak , talajok , üledékek a folyók és tavak ). Bizonyos baktériumok molekuláris hidrogént (H ₂ ), hidrogén-szulfidot (H ₂ S), ammónium (NH ₄⁺ ), vas (II) ionokat (Fe ²⁺ ) és metánt és nitrátot (NO ₃^- ) is képesek termelni . molekuláris nitrogén (N ₂ ) oxidálódik.

Denitrifikátorok

A denitrifikáló baktériumok például:

Paracoccus denitrificans ( autotróf , H₂ vagy tioszulfát (S₂ O₃²⁻ )oxidációja)
Thiobacillus denitrificans ( autotróf , szulfid (S²⁻ ) vagy tioszulfát (S₂ O₃²⁻ )oxidációja)
Pseudomonas stutzeri ( heterotróf , szerves anyagok oxidációja)
Vogesella indigofera
A Flavobacterium egyes típusai
Azoamicus ciliaticola ( mitochondria- mint Endoszimbiotikus baktériumoklehetővé teszika befogadó egysejtűek lélegezni nitrát oxigén helyett)

A denitrifikálás képessége általánosan elterjedt a prokariótákban ; A proteobaktériumok alfa-, béta- és gammaosztályaiban klaszterek találhatók .

Ökológiai és műszaki jelentőség

A nitrátban megkötött nitrogén denitrifikálás útján molekuláris nitrogénné (N ₂ ) alakul át , vagyis olyan formává alakul, amely nagyrészt inert (latinul: inert, inaktív), és a legtöbb élőlény nem használható tápanyagként (nitrogénforrásként). Ezért a víztestekben és a talajban már nem kapható műtrágya formájában, és környezetvédelmi szempontból már nem releváns. A keletkező molekuláris nitrogén (N ₂ ) nagy része a légkörbe kerül , amelyben egyébként is a fő komponens. A denitrifikáció és a nemrégiben felfedezett anammox folyamat az egyetlen metabolikus út, amelyben a megkötött nitrogén visszaalakul molekuláris formájává, és ezért a nitrogén körforgásának elengedhetetlen része .

Technikailag denitrifikáció használják szennyvíztisztító a szennyvíztisztító telepek felszámolására nitrát. Használható nitrát eltávolítására ivóvíz előállításakor is (lásd a vízkezelést ). Reduktorként ( elektrondonorként ) gyakran használnak alkoholt, ritkábban molekuláris hidrogént.

Egyéni bizonyíték

^ Talajmikrobiológia: biodiverzitás, ökofiziológia és metagenomika; szerző: Johannes CG Ottow; 2011; Springer Verlag; P. 314.
^ Kristina L. Straub, Marcus Benz, Bernhard Schink, Friedrich Widdel: (1996): A vasvas anaerob, nitrátfüggő mikrobiális oxidációja. In: Alkalmazott és környezeti mikrobiológia. Vol. 62, No. 4, 1996, pp. 1458-1460. PMID 16535298
↑ AA Raghoebarsing et al. (2006): Egy mikrobiális konzorcium az anaerob metán-oxidációt denitrifikációhoz kapcsolja össze. In: Természet. 440. kötet, 7085. szám, 2006, 918–921. PMID 16612380
↑ Noel R. Krieg és mtsai (Szerk.): Bergey's Manual of Systematic Bakteriology . 2. kiadás, 4. kötet: A Bacteroidetes, Spirochaetes, Tenericutes (Mollicutes), Acidobacteria, Fibrobacteres, Fusobacteria, Dictyoglomi, Gemmatimonadetes, Lentisphaerae, Verrucomicrobia, Chlamydiae és Planctomycetes . Springer, New York, 2010, ISBN 978-0-387-68572-4 , pp. 152-153 .
↑ A furcsa mikroba mitokondriumokhoz hasonló szimbiont (en-us) segítségével „lélegez” nitrátokat . In: Ars Technica , 2021. március 17.
↑ Jon S. Graf, Sina Schorn, Katharina Kitzinger, Soeren Ahmerkamp, Christian Woehle, Bruno Huettel, Carsten J. Schubert, Marcel MM Kuypers, Jana Milucka: Az anaerob endosymbiont denitrifikációval generál energiát a csillócsúcsú gazdához . In: Természet . 591, 7850. sz., 2021. március, ISSN 1476–4687 , 445–450. doi : 10.1038 / s41586-021-03297-6 .

irodalom

Walter G. Zumft: Sejtbiológia és a denitrifikáció molekuláris alapjai. In: Mikrobiológiai és molekuláris biológiai vélemények. 61. évf., 4. szám, 1997, 533-616. PMID 9409151 PMC 232623 (ingyenes teljes szöveg)

Lásd még

[1] Talajmikrobiológia: biodiverzitás, ökofiziológia és metagenomika; szerző: Johannes CG Ottow; 2011; Springer Verlag; P. 314.

[2] Kristina L. Straub, Marcus Benz, Bernhard Schink, Friedrich Widdel: (1996): A vasvas anaerob, nitrátfüggő mikrobiális oxidációja. In: Alkalmazott és környezeti mikrobiológia. Vol. 62, No. 4, 1996, pp. 1458-1460. PMID 16535298

[3] AA Raghoebarsing et al. (2006): Egy mikrobiális konzorcium az anaerob metán-oxidációt denitrifikációhoz kapcsolja össze. In: Természet. 440. kötet, 7085. szám, 2006, 918–921. PMID 16612380

[4] Noel R. Krieg és mtsai (Szerk.): Bergey's Manual of Systematic Bakteriology . 2. kiadás, 4. kötet: A Bacteroidetes, Spirochaetes, Tenericutes (Mollicutes), Acidobacteria, Fibrobacteres, Fusobacteria, Dictyoglomi, Gemmatimonadetes, Lentisphaerae, Verrucomicrobia, Chlamydiae és Planctomycetes . Springer, New York, 2010, ISBN 978-0-387-68572-4 , pp. 152-153 .

[5] A furcsa mikroba mitokondriumokhoz hasonló szimbiont (en-us) segítségével „lélegez” nitrátokat . In: Ars Technica , 2021. március 17.

[6] Jon S. Graf, Sina Schorn, Katharina Kitzinger, Soeren Ahmerkamp, Christian Woehle, Bruno Huettel, Carsten J. Schubert, Marcel MM Kuypers, Jana Milucka: Az anaerob endosymbiont denitrifikációval generál energiát a csillócsúcsú gazdához . In: Természet . 591, 7850. sz., 2021. március, ISSN 1476–4687 , 445–450. doi : 10.1038 / s41586-021-03297-6 .

Languages