Denitrifikation - Denitrification

Stickstoffkreislauf.

Denitrifikation ist ein mikrobiell unterstützter Prozess, bei dem Nitrat (NO 3 – ) reduziert wird und schließlich molekularen Stickstoff (N 2 ) durch eine Reihe von gasförmigen Stickoxid-Zwischenprodukten produziert. Fakultativ anaerobe Bakterien führen Denitrifikation als eine Art von Atmung durch, die oxidierte Formen von Stickstoff als Reaktion auf die Oxidation eines Elektronendonors wie organischer Substanz reduziert . Die bevorzugten Stickstoff- Elektronen-Akzeptoren in der Reihenfolge vom thermodynamisch günstigsten bis zum ungünstigsten sind Nitrat (NO 3 – ), Nitrit (NO 2 – ), Stickoxid (NO), Distickstoffmonoxid (N 2 O), was schließlich zur Bildung von Distickstoff (N .) führt 2 ) Vervollständigung des Stickstoffkreislaufs . Denitrifizierende Mikroben benötigen eine sehr niedrige Sauerstoffkonzentration von weniger als 10 % sowie organisches C als Energie. Da die Denitrifikation NO 3 – entfernen kann , wodurch die Auswaschung in das Grundwasser reduziert wird , kann sie strategisch zur Behandlung von Abwasser oder tierischen Rückständen mit hohem Stickstoffgehalt eingesetzt werden. Bei der Denitrifikation kann N 2 O austreten , ein ozonabbauender Stoff und ein Treibhausgas , das einen erheblichen Einfluss auf die globale Erwärmung haben kann.

Der Prozess wird hauptsächlich von heterotrophen Bakterien (wie Paracoccus denitrificans und verschiedenen Pseudomonaden ) durchgeführt, obwohl auch autotrophe Denitrifier identifiziert wurden (zB Thiobacillus denitrificans ). Denitrifier sind in allen phylogenetischen Hauptgruppen vertreten. Im Allgemeinen sind mehrere Bakterienarten an der vollständigen Reduktion von Nitrat zu N 2 beteiligt , und mehr als ein enzymatischer Weg wurde im Reduktionsprozess identifiziert. Der Denitrifikationsprozess liefert dem Organismus, der die Nitratreduktion zu Distickstoffgas durchführt, nicht nur Energie, sondern auch einige anaerobe Ciliaten können denitrifizierende Endosymbionten verwenden, um Energie zu gewinnen, ähnlich der Verwendung von Mitochondrien in sauerstoffatmenden Organismen.

Für Organismen mit dem nrf- Gen ist auch die direkte Reduktion von Nitrat zu Ammonium möglich , ein Prozess, der als dissimilatorische Nitratreduktion zu Ammonium oder DNRA bekannt ist . Dies ist in den meisten Ökosystemen weniger verbreitet als die Denitrifikation als Mittel zur Nitratreduktion. Andere bei denitrifizierenden Mikroorganismen bekannte Gene umfassen unter anderem nir (Nitritreduktase) und nos ( Lachgasreduktase ); Organismen , die als solche mit diesen Genen identifiziert wurden , umfassen Alcaligenes faecalis , Alcaligenes xylosoxidans , viele der Gattung Pseudomonas , Bradyrhizobium japonicum und Blastobacter denitrificans .

Überblick

Halbe Reaktionen

Die Denitrifikation verläuft im Allgemeinen durch eine Kombination der folgenden Halbreaktionen, wobei das Enzym die Reaktion in Klammern katalysiert:

  • NO 3 − + 2 H + + 2 e − → NO
    2    − + H 2 O ( Nitratreduktase )
  • NEIN
    2    − + 2 H + + e − → NO + H 2 O (Nitritreduktase)
  • 2 NO + 2 H + + 2 e − → N
    2    O     + H 2 O (Stickoxid-Reduktase)
  • n
    2    O     + 2 H + + 2 e − → N
    2    + H 2 O (Lachgasreduktase)

Der gesamte Prozess kann als eine ausgeglichene Netto- Redox- Reaktion ausgedrückt werden , bei der Nitrat (NO 3 − ) vollständig zu Distickstoff (N 2 ) reduziert wird :

  • 2 NO 3 − + 10 e − + 12 H + → N 2 + 6 H 2 O

Bedingungen der Denitrifikation

In der Natur kann die Denitrifikation sowohl in terrestrischen als auch in marinen Ökosystemen stattfinden . Typischerweise erfolgt die Denitrifikation in anoxischen Umgebungen, in denen die Konzentration an gelöstem und frei verfügbarem Sauerstoff aufgebraucht ist. Nitrat (NO 3 − ) oder Nitrit ( NO
2− ) kann anstelle des energetisch günstigeren Elektronenakzeptors Sauerstoff (O 2 ) als Ersatz für den terminalen Elektronenakzeptor verwendet werden . Der terminale Elektronenakzeptor ist eine Verbindung, die bei der Reaktion durch Aufnahme von Elektronen reduziert wird. Beispiele für anoxische Umgebungen können Böden , Grundwasser , Feuchtgebiete , Öllagerstätten, schlecht belüftete Ecken des Ozeans und Sedimente am Meeresboden sein .

Darüber hinaus kann eine Denitrifikation auch in oxischen Umgebungen auftreten. Eine hohe Aktivität von Denitrifizierern kann in den Gezeitenzonen beobachtet werden, wo die Gezeitenzyklen Schwankungen der Sauerstoffkonzentration in sandigen Küstensedimenten verursachen. Beispielsweise führt die Bakterienart Paracoccus denitrificans eine Denitrifikation sowohl unter oxischen als auch unter anoxischen Bedingungen gleichzeitig durch. Bei der Sauerstoff - Exposition ist die Bakterien in der Lage zu verwenden , Distickstoffoxid - Reduktase , ein Enzym , das die letzte Stufe der Denitrifikation katalysiert. Aerobe Denitrifier sind hauptsächlich gramnegative Bakterien im Stamm der Proteobakterien. Die Enzyme NapAB, NirS, NirK und NosZ befinden sich im Periplasma, einem weiten Raum, der bei gramnegativen Bakterien von der Zytoplasma- und der äußeren Membran begrenzt wird.

Denitrifikation kann in der Bodenumgebung zu einem Zustand führen, der als Isotopenfraktionierung bezeichnet wird . Die beiden stabilen Stickstoffisotope 14 N und 15 N sind beide in den Sedimentprofilen zu finden. Das leichtere Stickstoffisotop, 14 N, wird während der Denitrifikation bevorzugt, wobei das schwerere Stickstoffisotop, 15 N, im Restmaterial verbleibt. Diese Selektivität führt zu einer Anreicherung von 14 N in der Biomasse im Vergleich zu 15 N. Darüber hinaus kann die relative Häufigkeit von 14 N analysiert werden, um die Denitrifikation von anderen Prozessen in der Natur abzugrenzen.

Einsatz in der Abwasserbehandlung

Weitere Informationen: Abwasserbehandlung

Denitrifikation wird häufig verwendet, um Stickstoff aus Abwasser und kommunalem Abwasser zu entfernen . Es ist auch ein instrumentales Verfahren in Pflanzenkläranlagen und Anrainerzonen zur Vermeidung von Verschmutzung des Grundwasser mit Nitrat aus landwirtschaftlichem übermäßigem oder Wohn resultierenden Düngemittelverbrauch. Hackschnitzel-Bioreaktoren werden seit den 2000er Jahren untersucht und sind effektiv bei der Entfernung von Nitrat aus landwirtschaftlichen Abwässern und sogar aus Mist.

Die Reduktion unter anoxischen Bedingungen kann auch durch einen Prozess erfolgen, der als anaerobe Ammoniumoxidation ( anammox ) bezeichnet wird:

NH 4 + + NO 2 − → N 2 + 2 H 2 O

In einigen Kläranlagen werden dem Abwasser Verbindungen wie Methanol , Ethanol , Acetat , Glycerin oder proprietäre Produkte zugesetzt, um eine Kohlenstoff- und Elektronenquelle für denitrifizierende Bakterien bereitzustellen. Die mikrobielle Ökologie solcher konstruierten Denitrifikationsverfahren wird durch die Natur des Elektronendonors und die Betriebsbedingungen des Verfahrens bestimmt. Denitrifikationsverfahren werden auch bei der Behandlung von Industrieabwässern eingesetzt . Viele denitrifizierende Bioreaktortypen und -konstruktionen sind für industrielle Anwendungen kommerziell erhältlich, einschließlich elektrobiochemischer Reaktoren (EBRs) , Membranbioreaktoren (MBRs) und Bewegtbett-Bioreaktoren (MBBRs).

Die aerobe Denitrifikation, die von aeroben Denitrifizierern durchgeführt wird, kann das Potenzial bieten, den Bedarf an separaten Tanks zu eliminieren und die Schlammausbeute zu reduzieren. Es gibt weniger strenge Alkalinitätsanforderungen, da die während der Denitrifikation erzeugte Alkalinität den Alkalinitätsverbrauch bei der Nitrifikation teilweise kompensieren kann.

Siehe auch

Verweise