thumb|350px|Ciklus dušika Denitrifikacija je mikrobski olakšan proces u kojem se nitrat () redukuje i na kraju proizvodi molekularni dušik (N2), kroz niz međuprodukata plinovitog dušik-oksida. Fakultativne anaerobne bakterije izvode denitrifikaciju kao vrstu disanja koja redukuje oksidirane oblike dušika, kao odgovor na oksidaciju donora elektrona kao što je organska materija. Preferirani akceptori elektrona dušika, po redoslijedu od termodinamički najpovoljnijih do najmanje povoljnih, uključuju nitrat (), nitrit (), dušik-oksid (NO), dušik-oksid (), što na kraju rezultira proizvodnjom , čime se završava ciklus dušika. Denitrificirajućim mikrobima je potrebna vrlo niska koncentracija kisika, manja od 10%, kao i organski spoj C za energiju. Budući da denitrifikacija može ukloniti NO3–, smanjujući njegovo ispiranje u podzemne vode, može se strateški koristiti za tretman otpadnih voda ili životinjskih ostataka s visokim sadržajem dušika. Denitrifikacija može propuštati N2, O, koji je supstanca koja oštećuje ozonski omotač i staklenički plin koji može znatno utjecati na globalno zagrijavanje. Procese prvenstveno izvode heterotrofne bakterije (kao što su Paracoccus denitrificans i razne pseudomonade), iako su identificirani i autotrofni denitrifikatori (npr. Thiobacillus denitrificans). Denitrifikatori su zastupljeni u svim glavnim filogenetskim grupama. Općenito, nekoliko vrsta bakterija je uključeno u potpunu redukciju do , a u procesu redukcije identifikovano je više od jednog enzimskog puta.Atlas, R.M., Barthas, R. Microbial Ecology: Fundamentals and Applications. 3rd Ed. Benjamin-Cummings Publishing. Proces denitrifikacije ne samo da organizmu obezbjeđuje energiju koja vrši redukciju nitrata u plinoviti didušik, već i neki anaerobne cilijate mogu koristiti denitrificirajuće endosimbionte, za dobijanje energije slično kao što se koriste mitohondrije kod aerobnih organizama koji udišu kisik.
Direktna redukcija nitrata do amonija, proces poznat kao disimilacijska redukcija nitrata do amonija ili DNRA, je također moguće za organizme koji imaju nrf-gen. Ovo je rjeđe od denitrifikacije u većini ekosistema kao sredstva za smanjenje nitrata. Drugi geni poznati kod mikroorganizama koji denitrificiraju uključuju nir (nitrit-reduktaza) i nos (sušik-oksid reduktazu) između ostalih; organizmi identificirani kao oni koji imaju ove gene uključuju Alcaligenes faecalis, Alcaligenes xylosoxidans, mnoge iz roda Pseudomonas, te vrsta Bradyrhizobium japonicum i Blastobacter denitrificans.
Pregled
Polureakcije Denitrifikacija se uglavnom odvija kroz neku kombinaciju sljedećih polureakcija, pri čemu enzim katalizira reakciju u zagradama: NO<sub>3</sup>− + 2 H+ + 2 e− → − + H<sub>2</sup>O (Nitrat-reduktaza) − + 2 H+ + e− → NO + H2O (Nitrit-reduktaza) 2 NO + 2 H+ + 2 e− → + H2O (dušik-oksid reduktaza) + 2 H+ + 2 e− → + H2O (sušik-oksid reduktaza) Kompletan proces se može izraziti kao neto uravnotežena redoks reakcija, gdje se nitrat (NO<sub>3</sup>−) potpuno redukuje do dinizota (N2): 2 NO<sub>3</sup>− + 10 e− + 12 H+ → N2 + 6 H2O
Uvjeti Denitrifikacija se može odvijati i u kopnenim i u morskim ekosistemima. Tipično, denitrifikacija se javlja u anoksijskim okruženjima, gdje je koncentracija rastvorenog i slobodno dostupnog kisika smanjena. U tim područjima, nitrat (NO3−) ili nitrit (−) mogu se koristiti kao zamjenski terminalni akceptor elektrona umjesto kisika (O2), energetski povoljnijeg akceptora elektrona. Terminalni akceptor elektrona je spoj koji se reducira u reakciji primanjem elektrona. Primjeri anoksijskih okruženja mogu uključivati tlo, groundwater, močvare, rezervoari nafte, slabo prozračeni uglovi okeana i sedimenti morskog dna.
Štaviše, denitrifikacija se može dogoditi i u oksijskim okruženjima. Visoka aktivnost denitrifikatora može se primijetiti u međuplimnim zonama, gdje plimni ciklusi uzrokuju fluktuacije koncentracije kisika u pjeskovitim obalnim sedimentima. Na primjer, bakterijska vrsta Paracoccus denitrificans istovremeno vrši denitrifikaciju pod oksijskim i anoksijskim uslovima. Nakon izlaganja kisiku, bakterija je u stanju da koristi dušik-oksid reduktazu, enzim koji katalizira posljednji korak denitrifikacije. Aerobni denitrifikatori su uglavnom gram-negativne bakterije u koljenu Proteobacteria. Enzimi NapAB, NirS, NirK i NosZ nalaze se u periplazmi, širokom prostoru omeđenom citoplazmatskom i vanjskom membranom kod gram-negativnih bakterija.
Različiti faktori okoline mogu utjecati na brzinu denitrifikacije na nivou cijelog ekosistema. Naprimjer, uočeno je da na brzinu denitrifikacije utječu temperatura i pH. Kod bakterijske vrste Pseudomonas mandelii, ekspresija denitrificirajućih gena smanjena je na temperaturama ispod 30 °C i pH ispod 5, dok je aktivnost uglavnom ostala nepromijenjena pH 6–8. Organski ugljik kao donor elektrona je uobičajeni ograničavajući nutrijent za denitrifikaciju, što je uočeno u bentoskim sedimentima i močvarama. Nitrati i kisik također mogu biti potencijalni ograničavajući faktori za denitrifikaciju, iako potonja ima uočeni ograničavajući učinak samo u vlažnim tlima. Kisik vjerovatno utječe na denitrifikaciju na više načina – budući da je većina denitrifikatora fakultativna, kisik može inhibirati brzinu, ali također može stimulirati denitrifikaciju olakšavajući nitrifikaciju i proizvodnju nitrata. U močvarama, kao i u pustinjama, vlaga je okolišno ograničenje brzine denitrifikacije.
Osim toga, okolišni faktori također mogu utjecati na to hoće li se denitrifikacija završiti, što karakterizira potpuna redukcija NO3− u N2, umjesto oslobađanja N2O kao krajnjeg proizvoda. pH vrijednost tla i tekstura su faktori koji mogu ublažiti denitrifikaciju, pri čemu viši nivoi pH ubrzavaju reakciju. Sastav hranjivih tvari, posebno odnos ugljika i dušika, snažno doprinosi potpunoj denitrifikaciji, sa odnosom C:N od 2:1, što omogućava potpunu redukciju nitrata bez obzira na temperaturu ili izvor ugljika. Bakar, kao kofaktor za nitrit-reduktazu i dušik-oksid reduktazu, također je promovirao potpunu denitrifikaciju kada se dodao kao dodatak prehrani. Pored hranjivih tvari i terena, sastav mikrobne zajednice također može utjecati na omjer potpune denitrifikacije, pri čemu su prokariotska koljena Actinomycetota i Thermoproteota odgovorna za veće oslobađanje N2 nego N2O u usporedbi s drugim prokariotima.
Denitrifikacija može dovesti do stanja koje se naziva izotopska frakcionacija u tlu. Dva stabilna izotopa dušika, 14N i 15N, nalaze se u sedimentnim profilima. Lakši izotop dušika, 14N, je preferiran tokom denitrifikacije, ostavljajući teži izotop dušika, 15N, u rezidualnoj materiji. Ova selektivnost dovodi do obogaćivanja biomase sa 14N u poređenju sa 15N.. Štaviše, relativna brojnost 14N može se analizirati kako bi se denitrifikacija razlikovala od drugih procesa u prirodi.
Upotreba u tretmanu otpadnih voda
Denitrifikacija se obično koristi za uklanjanje dušika iz kanalizacija i komunalnih otpadnih voda. Također je instrumentalni proces u izgrađenim močvarama i priobalnim zonama za sprječavanje zagađenja podzemnih voda nitratima koje nastaje usljed prekomjerne upotrebe gnojiva u poljoprivredi ili stambenim objektima. Bioreaktori za drveno triješće proučavaju se od 2000-ih i efikasni su u uklanjanju nitrata iz poljoprivrednih otpadnih voda. pa čak i stajsko gnojivo.
Redukcija pod anoksičnim uslovima može se desiti i putem procesa koji se naziva anaerobna amonijeva oksidacija (anammoks):
NH4+ + NO2− → N2 + 2 H2O
U nekim postrojenjima za prečišćavanje otpadnih voda, spojevi poput metanola, etanola, acetata, glicerina ili vlasničkih proizvoda dodaju se u otpadne vode kako bi se obezbijedio izvor ugljika i elektrona za denitrificirajuće bakterije. Mikrobna ekologija takvih inženjerskih procesa denitrifikacije određena je prirodom donora elektrona i uslovima rada procesa. Procesi denitrifikacije se također koriste u tretmanu industrijskih otpadnih voda. Mnogi tipovi i dizajni denitrifikacijskih bioreaktora komercijalno su dostupni za industrijske primjene, uključujući EBR, membranske bioreaktore (MBR) i bioreaktore s pokretnim slojem (MBBR).
Aerobna denitrifikacija, koju provode aerobni denitrifikatori, može ponuditi potencijal za eliminaciju potrebe za odvojenim spremnicima i smanjenje prinosa mulja. Postoje manje strogi zahtjevi za alkalnost jer ako je generirana tokom denitrifikacije može djelimično kompenzirati potrošnju alkalnosti u nitrifikaciji.
Nebiološka denitrifikacija
Različite nebiološke metode mogu ukloniti nitrate. To uključuje metode koje mogu uništiti dušikove spojeve, kao što su hemijske i elektrohemijske metode, i one koje selektivno prenose nitrat u koncentrirani tok otpada, kao što su ionska izmjena ili reverzna osmoza. Hemijsko uklanjanje nitrata može se dogoditi kroz napredne procese oksidacije, iako može proizvesti opasne nusproizvode. Elektrohemijske metode mogu ukloniti nitrat putem napona primijenjenog na elektrode, pri čemu se degradacija obično događa na katodi. Učinkoviti materijali za katodu uključuju prelazne metale, postprelazne metale, i poluprovodnike, poput TO2. Elektrohemijske metode često mogu izbjeći potrebu za skupim hemijskim aditivima, ali njihova efikasnost može biti ograničena pH vrijednošću i prisutnim ionima. Reverzna osmoza je vrlo učinkovita u uklanjanju malih nabijenih rastvorenih tvari poput nitrata, ali također može ukloniti poželjne hranjive tvari, stvoriti velike količine otpadnih voda i zahtijevati povećani pritisak pumpanja. Ionska izmjena može selektivno ukloniti nitrate iz vode bez velikih otpadnih tokova, ali zahtijevaju regeneraciju i mogu se suočiti s problemima s apsorpcijom neželjenih iona.
Također pogledajte Aerobna denitrifikacija Anaerobno disanje Bioremedijacija Klimatske promjene Oolinska hipoksija Fiksacija dušika Istovremena nitrifikacija-denitrifikacija
Reference
Kategorija:Biohemijske reakcije Kategorija:Okolišna mikrobiologija Kategorija:Metabolizam dušika