Войти
Азотный цикл Нитрификация представляет собой биологическое окисление аммиака до нитрита с последующим окислением нитрита до нитрата. Превращение аммиака в нитрит обычно является этапом нитрификации, ограничивающим скорость. Нитрификация - важный этап азотного цикла в почве. Нитрификация - это аэробный процесс, выполняемый небольшими группами аутотрофных бактерий и архей. Этот процесс был открыт российским микробиологом Сергеем Виноградским.
Окисление аммиака в нитрит осуществляется двумя группами организмов: аммиакокисляющими бактериями (AOB ) и окисляющими аммиак архей (АОА ). АОБ можно найти среди β-протеобактерий и гаммапротеобактерий. В настоящее время выделены и описаны два вида АОА, Nitrosopumilus maritimus и Nitrososphaera viennensis. В почвах наиболее изученные АОБ относятся к родам Nitrosomonas и. Хотя в почвах окисление аммиака происходит за счет АОБ и АОА, АОА преобладает как в почвах, так и в морской среде, что позволяет предположить, что таумархеи могут вносить больший вклад в окисление аммиака в этих средах.
Второй этап (окисление нитрита в нитрат) осуществляется (в основном) бактериями рода Nitrobacter и Nitrospira. Обе стадии производят энергию, которая связана с синтезом АТФ. Нитрифицирующие организмы являются хемоавтотрофами и используют диоксид углерода в качестве источника углерода для роста. Некоторые АОБ содержат фермент уреаза, который катализирует превращение молекулы мочевины в две молекулы аммиака и одну молекулу диоксида углерода. Было показано, что Nitrosomonas europaea, а также популяции обитающих в почве АОБ ассимилируют углекислый газ, выделяющийся в результате реакции, с образованием биомассы посредством цикла Кальвина и собирают энергию путем окисления. аммиак (другой продукт уреазы) до нитрита. Эта особенность может объяснять усиление роста АОБ в присутствии мочевины в кислой среде.
В большинстве сред присутствуют организмы, которые завершают обе стадии процесса, давая нитрат в качестве конечного продукта. Однако можно разработать системы, в которых образуется нитрит ().
Нитрификация важна в сельскохозяйственных системах, где удобрения часто применяются в виде аммиака. Превращение этого аммиака в нитрат увеличивает выщелачивание азота, поскольку нитрат более растворим в воде, чем аммиак.
Нитрификация также играет важную роль в удалении азота из городских сточных вод. Обычное удаление - это нитрификация с последующей денитрификацией. Стоимость этого процесса заключается в основном в аэрации (подача кислорода в реактор) и добавлении внешнего источника углерода (например, метанола ) для денитрификации.
Нитрификация также может происходить в питьевой воде. В системах распределения, где хлорамины используются в качестве вторичного дезинфицирующего средства, присутствие свободного аммиака может действовать как субстрат для окисляющих аммиак микроорганизмов. Связанные с этим реакции могут привести к истощению остатков дезинфицирующего средства в системе. Было показано, что добавление хлорит-иона к воде, обработанной хлорамином, контролирует нитрификацию.
Вместе с аммонификацией нитрификация образует процесс минерализации, который относится к полному разложению органического материала с выделением доступных соединений азота. Это восполняет азотный цикл.
Нитрификация - это процесс окисления соединения азота (фактически, потеря электронов из атома азота к атомам кислорода ) и катализируется ступенчато с помощью ряда ферментов.
Nitrosomonas, Comammox )
(Nitrobacter, Nitrospira, Comammox )OR
В Nitrosomonas europaea первая стадия окисления (аммиак до гидроксиламина ) осуществляется ферментом аммиачной монооксигеназой (AMO).
Второй шаг ( гидроксиламин в нитрит) осуществляется поэтапно двумя разными ферментами. Гидроксиламиноксидоредуктаза (HAO) превращает гидроксиламин в оксид азота.
Еще один пока неизвестный фермент, который превращает оксид азота в нитрит.
Третий этап (от нитрита к нитрату) завершается в другом организме.
В морской среде азот часто является ограничивающим питательным веществом, поэтому круговорот азота в океане представляет особый интерес. Этап нитрификации цикла представляет особый интерес для океана, поскольку он создает нитрат, первичную форму азота, отвечающую за «новое» производство. Кроме того, по мере того, как океан обогащается антропогенный CO2, результирующее снижение pH может привести к снижению скорости нитрификации. Нитрификация потенциально может стать «узким местом» в азотном цикле.
Нитрификация, как указано выше, формально находится на двухэтапный процесс; на первом этапе аммиак окисляется до нитрита, а на втором этапе нитрит окисляется до нитрата. За каждый шаг в морской среде отвечают разные микробы. В морской среде известно несколько групп аммиакокисляющих бактерий (АОБ), включая Nitrosomonas, Nitrospira и. Все они содержат функциональный ген аммиачная монооксигеназа (AMO ), который, как следует из названия, отвечает за окисление аммиака. Более поздние метагеномные исследования показали, что некоторые Thaumarchaeota (ранее Crenarchaeota) обладают AMO. Таумархеоты многочисленны в океане, и некоторые виды имеют в 200 раз большее сродство к аммиаку, чем АОБ, что заставляет исследователей оспаривать предыдущее мнение о том, что АОБ в первую очередь ответственны за нитрификацию в океане. Кроме того, хотя классически считается, что нитрификация отделена по вертикали от первичной продукции, поскольку окисление азота бактериями ингибируется светом, нитрификация с помощью АОА, по-видимому, не ингибируется светом, что означает что нитрификация происходит во всем водяном столбе, что противоречит классическим определениям «новое» и «переработанное» производство.
На втором этапе нитрит окисляется до нитрата. В океанах этот этап не так хорошо изучен, как первый, но известно, что бактерии и Nitrobacter проводят этот этап в море.
Нитрификация Ингибиторы - это химические соединения, замедляющие нитрификацию аммиака, аммонийсодержащие или содержащие мочевину удобрения, которые вносятся в почву в качестве удобрений. Эти ингибиторы могут помочь снизить потери азота в почве, которые в противном случае использовались бы для сельскохозяйственных культур. Ингибиторы нитрификации широко используются, будучи добавленными примерно до 50% применяемого осенью безводного аммиака в штатах США, таких как Иллинойс. Они обычно эффективны для увеличения g восстановление азотных удобрений в пропашных культурах, но уровень эффективности зависит от внешних условий, и их преимущества, скорее всего, будут видны при менее чем оптимальном уровне азота.
Экологические проблемы нитрификации также способствуют интересу к использование ингибиторов нитрификации: основной продукт, нитрат, выщелачивается в подземные воды, вызывая острую токсичность для многих видов диких животных и способствуя эвтрофикации стоячей воды. Некоторые ингибиторы нитрификации также подавляют производство метана, парникового газа.
Ингибированию процесса нитрификации в первую очередь способствует отбор и ингибирование / уничтожение бактерий, окисляющих соединения аммиака. Множество соединений, ингибирующих нитрификацию, которые можно разделить на следующие области: активный центр аммиачной монооксигеназы (AMO), механистические ингибиторы и процесс образования N- гетероциклических соединений. Процесс для последнего из трех еще не до конца понят, но заметен. Присутствие AMO было подтверждено на многих субстратах, которые являются ингибиторами азота, такими как дициандиамид, тиосульфат аммония и нитрапирин.
Превращение аммиака в гидроксиламин. - это первая стадия нитрификации, где AH 2 представляет собой диапазон потенциальных доноров электронов.
Эта реакция катализируется AMO. Ингибиторы этой реакции связываются с активным центром AMO и предотвращают или замедляют процесс. Процесс окисления аммиака АМО считается важным из-за того факта, что другие процессы требуют совместного окисления NH 3 для подачи восстановительных эквивалентов. Обычно это соединение гидроксиламиноксидоредуктаза (HAO), которое катализирует реакцию:
Механизм ингибирования усложняется этим требованием. Кинетический анализ ингибирования окисления NH 3 показал, что субстраты AMO продемонстрировали кинетику в диапазоне от конкурентного до неконкурентного. Связывание и окисление могут происходить в двух разных местах на AMO: в конкурентных субстратах связывание и окисление происходит в сайте NH 3, тогда как в неконкурентных субстратах оно происходит в другом сайте.
Ингибиторы, основанные на механизме, можно определить как соединения, которые прерывают нормальную реакцию, катализируемую ферментом. Этот метод происходит путем инактивации фермента посредством ковалентной модификации продукта, что в конечном итоге ингибирует нитрификацию. В ходе этого процесса AMO деактивируется, и один или несколько белков ковалентно связываются с конечным продуктом. Обнаружено, что это наиболее заметно в широком диапазоне серы или ацетиленовых соединений.
Серосодержащие соединения, в том числе тиосульфат аммония (популярный ингибитор), действуют путем образования летучих соединений с сильные ингибирующие эффекты, такие как сероуглерод и тиомочевина.
В частности, заметным добавлением был тиофосфорилтриамид, имеющий двойную цель ингибирования как продукции уреазы и нитрификация. При исследовании ингибирующих эффектов окисления бактериями Nitrosomonas europaea использование тиоэфиров привело к окислению этих соединений до сульфоксидов, где атом S является первичным сайтом окисления AMO. Это наиболее сильно коррелирует с областью конкурентного торможения.
Примеры N-гетероциклических молекул. N-гетероциклические соединения также являются высокоэффективными ингибиторами нитрификации и часто классифицируются по их кольцевой структуре. Механизм действия этих соединений не совсем понятен: хотя нитрапирин, широко используемый ингибитор и субстрат AMO, является ингибитором указанного фермента, основанным на слабом механизме, эффекты указанного механизма не могут напрямую коррелировать со способностью соединения к подавляют нитрификацию. Предполагается, что нитрапирин действует против фермента монооксигеназы внутри бактерий, предотвращая рост и окисление CH 4 / NH 4. Соединения, содержащие два или три соседних атома азота в кольце (пиридазин, пиразол, индазол ), как правило, обладают значительно более сильным ингибирующим действием, чем соединения, содержащие несмежные атомы азота. или одиночные кольцевые атомы азота (пиридин, пиррол ). Это говорит о том, что присутствие атомов азота в кольце напрямую коррелирует с ингибирующим эффектом этого класса соединений.
Некоторые ферментативные ингибиторы нитрификации, такие как уреаза, также могут ингибировать выработку метана в метанотрофных бактериях. AMO демонстрирует сходные скорости кинетического оборота с метанмонооксигеназой (MMO), обнаруженной у метанотрофов, что указывает на то, что MMO является катализатором, подобным AMO, для целей окисления метана. Кроме того, метанотрофные бактерии имеют много общего с окислителями NH. 3, такими как Nitrosomonas. Профиль ингибитора твердых частиц MMO (pMMO) показывает сходство с профилем AMO, что приводит к сходству свойств между MMO у метанотрофов и AMO у автотрофов.
в резервуаре для процесса нитрификации при очистка сточных вод завод Ингибиторы нитрификации также представляют интерес с экологической точки зрения из-за образования нитратов и закиси азота в процессе нитрификации. Закись азота (N 2 O), хотя его концентрация в атмосфере намного ниже, чем у CO 2, имеет потенциал глобального потепления примерно в 300 раз больше, чем двуокиси углерода и вносит вклад в 6% планетарного потепления из-за парниковых газов. Это соединение также примечательно тем, что катализирует разрушение озона в стратосфере. Нитраты, токсичное соединение для диких животных и животных и продукт нитрификации, также вызывают озабоченность.
Почва, состоящая из полианионных глин и силикатов, обычно имеет чистый анионный заряд. Следовательно, аммоний (NH 4) прочно связывается с почвой, а нитрат-ионы (NO 3) - нет. Поскольку нитрат более подвижен, он вымывает в подземные воды через сельскохозяйственные стоки. Нитраты в грунтовых водах могут влиять на концентрацию в поверхностных водах либо за счет прямого взаимодействия грунтовых вод с поверхностными водами (например, набегающие участки ручьев, родники), либо из-за их извлечения для использования на поверхности. Например, большая часть питьевой воды в Соединенных Штатах поступает из грунтовых вод, но большинство очистных сооружений сбрасывают в поверхностные воды.
Дикие животные, такие как земноводные, пресноводные рыбы и насекомые, чувствительны к уровню нитратов и, как известно, вызывают смерть и аномалии развития у пораженных видов. Уровни нитратов также способствуют эвтрофикации - процессу, при котором крупное цветение водорослей снижает уровень кислорода в водоемах и приводит к смерти потребляющих кислород существ из-за аноксии. Также считается, что нитрификация способствует образованию фотохимического смога, приземного озона, кислотных дождей, изменениям в видовом разнообразии и другим нежелательным процессам. Кроме того, ингибиторы нитрификации также подавляют окисление метана (CH 4), сильнодействующего парникового газа , до CO 2. Показано, что и нитрапирин, и ацетилен являются особенно сильными супрессорами обоих процессов, хотя способы их различения неясны.
