Denitrifikacija

Denitrifikacija je mikrobno posredovani proces u kome nitrat biva redukovan, i ultimatno se formira molekularni azot ( ${\ce {N2}}$ ) putem serije intermedijernih gasovitih azotno oksidnih produkata. Fakultativno anaerobne bakterije izvode denitrifikaciju kao vid respiracije kojom se redukuju oksidovane forme azota u responsu na oksidaciju elektronskih donora kao što je organska materija. Preferentni azotni akceptori elektrona u redosledu od najviše do najmanje termodinamički povoljnog su nitrat ( ${\ce {NO3-}}$ ), nitrit ( ${\ce {NO2}}$ ^-), azot-monoksid ( ${\ce {NO}}$ ), azotsuboksid ( ${\ce {N2O}}$ ), što konačno rezultira u produkciji diazota ( ${\ce {N2}}$ ) čime se kompletira azotni ciklus. Denitrifikujućim mikrobima pogoduju veoma niske koncentracije kiseonika, od manje od 10%, kao i organski C za energiju. Pošto denitrifikacija može da ukloni ${\ce {NO3}}$ ^-, njegovim odlaganjem u podzemne vode, to se može strateški koristiti za tretman kanalizacije ili životinjskih ostataka sa visokim azotnim sadržajem. Denitrifikacija može da proizvodi ${\ce {N2O}}$ , koji je jedna od supstanci koje uzrokuju oštećenja ozonskog omotača, i predstavlja gas staklene bašte koji može da ima znatan uticaj na globalno zagrevanje.

Proces se odvija prvesntveno posredstvom heterotrofnih bakterija (kao što su Paracoccus denitrificans i razni pseudomonadi),^[1] mada su i autotrofni denitrifikatori isto tako bili identifikovani (e.g., Thiobacillus denitrificans).^[2] Denitrifikatori su prisutni u svim glavnim filogenetičkim grupama.^[3] Generalno nekoliko vrsta bakterija učestvuje u kompletnoj redukciji nitrata do ${\ce {N2}}$ , i više redukcionih puteva je poznato.^[4]

Direktna redukcija od nitrata do amonijaka, proces poznat kao 'disimilatorna nitratna redukcija do amonijaka ili DNRA,^[5] je isto tako moguća u organizmima koji imaju nrf-gen.^[6]^[7] Ovo je manje zastupljeno od denitrifikacije u većini ekosistema kao način redukcije azota. Poznati su drugi mikrobni geni koji vrše denitrifikaciju uključujući nir (nitritnu reduktazu) i nos (nitro oksidnu reduktazu), između ostalih.^[3] Organizmi koji sadrže te gene su Alcaligenes faecalis, Alcaligenes xylosoxidans, mnogi u Pseudomonas rodovima, Bradyrhizobium japonicum, i Blastobacter denitrificans.^[8]

Pregled

Polureakcije

Denitrifikacija se generalno odvija putem neke kombinacije sledećih polureakcija, posredstvom enzima navedenih u zagradama:

NO₃⁻ + 2 H⁺ + 2 e⁻→ NO
2⁻ + H₂O (Nitratna reduktaza)
NO
2⁻ + 2 H⁺ + e⁻ → NO + H₂O (Nitritna reduktaza)
2 NO + 2 H⁺ + 2 e⁻ → N
2O + H₂O (Azto-monoksidna reduktaza)
N
2O + 2 H⁺ + 2 e⁻ → N
2 + H₂O (Azotsuboksidna reduktaza)

Kompletan proces se može izraziti kao neto balancirana redox reakcija, gde nitrat (NO₃⁻) postaje potpuno redukovan do diazota (N₂):

2 NO₃⁻ + 10 e⁻ + 12 H⁺ → N₂ + 6 H₂O

Reference

^ Carlson, C. A.; Ingraham, J. L. (1983). „Comparison of denitrification by Pseudomonas stutzeri, Pseudomonas aeruginosa, and Paracoccus denitrificans”. Appl. Environ. Microbiol. 45: 1247—1253.
^ Baalsrud, K., and K. S. Baalsrud. 1954. Studies on Thiobacillus denitrificans. Archives of Microbiology 20:34-62.
^ ^а ^б Zumft, W G. (1997). „Cell biology and molecular basis of denitrification”. Microbiology and Molecular Biology Reviews. 61 (4): 533—616. PMC 232623 . PMID 9409151.
^ Atlas, R.M., Barthas, R. Microbial Ecology: Fundamentals and Applications. 3rd Ed. Benjamin-Cummings Publishing. ISBN 978-0-8053-0653-8.
^ An, S., and W. S. Gardner. 2002. Dissimilatory nitrate reduction to ammonium (DNRA) as a nitrogen link, versus denitrification as a sink in a shallow estuary (Laguna Madre/Baffin Bay, Texas). Marine Ecology Progress Series 237:41-50.
^ Kuypers, MMM; Marchant, HK; Kartal, B (2011). „The Microbial Nitrogen-Cycling Network”. Nature Reviews Microbiology. 1 (1): 1—14. PMID 29398704. doi:10.1038/nrmicro.2018.9.
^ Spanning, R., M. Delgado, and D. Richardson. 2005. "It is possible to encounter DNRA when your source of carbon is a fermentable substrate, as glucose, so if you wanna avoid DNRA use a non fermentable substrate. The Nitrogen Cycle: Denitrification and its Relationship to N2 Fixation. стр. 277-342."
^ Liu, X.; Tiquia, S. M.; Holguin, G.; Wu, L.; Nold, S. C.; Devol, A. H.; Luo, K.; Palumbo, A. V.; Tiedje, J. M.; Zhou, J. (2003). „Molecular Diversity of Denitrifying Genes in Continental Margin Sediments within the Oxygen-Deficient Zone off the Pacific Coast of Mexico”. Appl. Environ. Microbiol. 69 (6): 3549—3560. doi:10.1128/aem.69.6.3549-3560.2003.

[1] Carlson, C. A.; Ingraham, J. L. (1983). „Comparison of denitrification by Pseudomonas stutzeri, Pseudomonas aeruginosa, and Paracoccus denitrificans”. Appl. Environ. Microbiol. 45: 1247—1253.

[2] Baalsrud, K., and K. S. Baalsrud. 1954. Studies on Thiobacillus denitrificans. Archives of Microbiology 20:34-62.

[Zumft-3] а ^б Zumft, W G. (1997). „Cell biology and molecular basis of denitrification”. Microbiology and Molecular Biology Reviews. 61 (4): 533—616. PMC 232623 . PMID 9409151.

[4] Atlas, R.M., Barthas, R. Microbial Ecology: Fundamentals and Applications. 3rd Ed. Benjamin-Cummings Publishing. ISBN 978-0-8053-0653-8.

[5] An, S., and W. S. Gardner. 2002. Dissimilatory nitrate reduction to ammonium (DNRA) as a nitrogen link, versus denitrification as a sink in a shallow estuary (Laguna Madre/Baffin Bay, Texas). Marine Ecology Progress Series 237:41-50.

[6] Kuypers, MMM; Marchant, HK; Kartal, B (2011). „The Microbial Nitrogen-Cycling Network”. Nature Reviews Microbiology. 1 (1): 1—14. PMID 29398704. doi:10.1038/nrmicro.2018.9.

[7] Spanning, R., M. Delgado, and D. Richardson. 2005. "It is possible to encounter DNRA when your source of carbon is a fermentable substrate, as glucose, so if you wanna avoid DNRA use a non fermentable substrate. The Nitrogen Cycle: Denitrification and its Relationship to N2 Fixation. стр. 277-342."

[8] Liu, X.; Tiquia, S. M.; Holguin, G.; Wu, L.; Nold, S. C.; Devol, A. H.; Luo, K.; Palumbo, A. V.; Tiedje, J. M.; Zhou, J. (2003). „Molecular Diversity of Denitrifying Genes in Continental Margin Sediments within the Oxygen-Deficient Zone off the Pacific Coast of Mexico”. Appl. Environ. Microbiol. 69 (6): 3549—3560. doi:10.1128/aem.69.6.3549-3560.2003.

[1]

[2]

[3]

[4]

[5]

[6]

[7]

[8]