Микробтық денитрификация процесі

Кіріспе

Микробиологиялық процесте жүзеге асырылатын құбылыс

Денитрификация – нитратты (NO3−) тотығу арқылы азайтып, газ тәрізді азот оксидтерінің аралық өнімдері арқылы молекулалық азотты (N2) құрайтын микробиологиялық процесте жүзеге асырылатын құбылыс. Факультативті анаэробты бактериялар денитрификацияны, органикалық заттар сияқты электрон донорының тотығуына жауап ретінде азоттың тотығу түрінен азайту арқылы тыныс алу түрі ретінде жүзеге асырады. Термодинамикалық тұрғыдан ең тиімдісінен ең тиімсізіне дейін азоттың электрон қабылдағыштарына нитрат (NO3−), нитрит (NO2−), азот оксиді (NO), азот тотығы (N2O) жатады, нәтижесінде азот айналымын аяқтау үшін динитроген (N2) түзіледі. Денитрификациялық микроорганизмдерге 10%-дан төмен оттегі концентрациясы және энергия үшін органикалық көміртегі (С) қажет. Денитрификация NO3−-ті жою арқылы оның жер асты суларына сіңуін азайта алады, сондықтан азоты жоғары кәріз суларын немесе жануарлар қалдықтарын өңдеу үшін стратегиялық түрде қолданылуы мүмкін. Денитрификация N2O-ны бөліп шығарады, ол озон қабатын бұзатын зат және жаһандық жылынуға елеулі әсер ететін жылыжай газы болып табылады. Бұл процесті негізінен гетеротрофты бактериялар (мысалы, Paracoccus denitrificans және әртүрлі псевдомонадтар) жүзеге асырады, бірақ автотрофты денитрификаторлар да анықталды (мысалы, Thiobacillus denitrificans). Денитрификаторлар барлық негізгі филогенетикалық топтарда кездеседі. Әдетте, нитратты N2-ге толық азайту үшін бірнеше бактерия түрлері қатысады және азайту процесінде бірнеше ферменттік жол анықталды. Денитрификация процесі нитратты динитроген газына дейін азайтатын организмге энергия берумен қатар, кейбір анаэробты кірпікшелер (цилиаттар) энергия алу үшін денитрификациялық эндосимбионттарды қолдана алады, бұл оттегімен тыныс алатын организмдердегі митохондрияны пайдалануға ұқсас. nrf генін иеленетін организмдер үшін нитраттың аммонийге тікелей тотығуы, диссимиляторлық нитраттың аммонийге тотығуы (DNRA) деп аталатын процесс мүмкін. Бұл көптеген экожүйелерде нитратты азайту құралы ретінде денитрификацияға қарағанда сирек кездеседі. Микроорганизмдерде денитрификациялайтын басқа да белгілі гендерге nir (нитрит редуктазасы) және nos (азот тотығы редуктазасы) және тағы басқалар жатады.

Denitrification is a microbially facilitated process where nitrate (NO3−) is reduced and ultimately produces molecular nitrogen (N2) through a series of intermediate gaseous nitrogen oxide products. Facultative anaerobic bacteria perform denitrification as a type of respiration that reduces oxidized forms of nitrogen in response to the oxidation of an electron donor such as organic matter. The preferred nitrogen electron acceptors in order of most to least thermodynamically favorable include nitrate (NO3−), nitrite (NO2−), nitric oxide (NO), nitrous oxide (N2O) finally resulting in the production of dinitrogen (N2) completing the nitrogen cycle. Denitrifying microbes require a very low oxygen concentration of less than 10%, as well as organic C for energy. Since denitrification can remove NO3−, reducing its leaching to groundwater, it can be strategically used to treat sewage or animal residues of high nitrogen content. Denitrification can leak N2O, which is an ozone depleting substance and a greenhouse gas that can have a considerable influence on global warming. The process is performed primarily by heterotrophic bacteria (such as Paracoccus denitrificans and various pseudomonads), although autotrophic denitrifiers have also been identified (e. g., Thiobacillus denitrificans). Denitrifiers are represented in all main phylogenetic groups. Generally several species of bacteria are involved in the complete reduction of nitrate to N2, and more than one enzymatic pathway has been identified in the reduction process. The denitrification process does not only provide energy to the organism performing nitrate reduction to dinitrogen gas, but also some anaerobic ciliates can use denitrifying endosymbionts to gain energy similar to the use of mitochondria in oxygen respiring organisms. Direct reduction from nitrate to ammonium, a process known as dissimilatory nitrate reduction to ammonium or DNRA, is also possible for organisms that have the nrf gene. This is less common than denitrification in most ecosystems as a means of nitrate reduction. Other genes known in microorganisms which denitrify include nir (nitrite reductase) and nos (nitrous oxide reductase) among others;

Денитрификациялау шарттары

Табиғатта денитрификация құрлықтағы және теңіздегі экожүйелерде де жүруі мүмкін. Әдетте, денитрификация азотты ортада, еріген және еркін қол жетімді оттегінің концентрациясы төмендегенде пайда болады. Мұндай аймақтарда нитрат (NO3−) немесе нитрит (−) оттегі (O2) орнына, яғни энергия жағынан тиімдірек электрон қабылдағыш ретінде, терминалдық электрон қабылдағышы болып қолданылуы мүмкін. Терминалдық электрон қабылдағыш – реакцияда электрондарды қабылдап, тотығуға ұшырайтын қосылыс. Аноксиялық ортаға топырақ, жер асты сулары, батқылықтар, мұнай кендері, мұхиттың нашар желдетілетін бөліктері және теңіз түбіндегі шөгінділер жатады. Сонымен қатар, денитрификация оксидті ортада да болуы мүмкін. Су-құрлық аймақтарында денитрификаторлардың жоғары активтілігі байқалады, онда су тасқыны циклдары құмды жағалау шөгінділеріндегі оттегі концентрациясының өзгеруіне себеп болады. Мысалы, Paracoccus denitrificans бактериясы оксидті және аноксидті жағдайларда бір мезгілде денитрификацияға қатысады. Оттегіге ұшырағанда бактерия азот оксиді редуктазасын пайдалана алады, бұл фермент денитрификацияның соңғы сатысын катализдейді. Аэробты денитрификаторлар негізінен протеобактериялар класына жататын грам-теріс бактериялар болып табылады. NapAB, NirS, NirK және NosZ ферменттері грам-теріс бактериялардың цитоплазмалық және сыртқы мембраналары арасындағы кең кеңістік – периплазмада орналасқан. Экожүйедегі денитрификация жылдамдығына әр түрлі қоршаған орта факторлары әсер ете алады. Мысалы, температура мен pH денитрификация жылдамдығына әсер ететіні байқалды. Pseudomonas mandelii бактериясында денитрификациялық гендердің экспрессиясы 30 °C-тан төмен температурада және 5-тен төмен pH-та төмендесе, ал 6-8 pH аралығында белсенділігі айтарлықтай өзгермейді. Органикалық көміртек электрон доноры ретінде бентосты шөгінділерде және батқылықтарда байқалғандай, денитрификацияның шектеуші факторы болып табылады. Нитрат пен оттегі де денитрификацияны шектеуші факторлар болуы мүмкін, бірақ соңғысы ылғалды топырақта ғана шектеуші әсерін көрсетеді. Оттегі денитрификацияға бірнеше жолмен әсер етеді – көптеген денитрификаторлар факультативті болғандықтан, оттегі жылдамдықты тежеуі мүмкін, бірақ ол нитрат өндірісін жеңілдетіп, денитрификацияны ынталандыруы да мүмкін. Батқылықтар мен шөлдерде ылғал денитрификация жылдамдығына экологиялық шектеу болып табылады. Сонымен қатар, қоршаған орта факторлары денитрификацияның аяқталуына да әсер етеді, яғни соңғы өнім ретінде N2O шығарудың орнына NO3-ті N2-ге толық тотығуына. Топырақтың pH және құрамы денитрификацияны реттейтін факторлар болып табылады, pH деңгейі жоғары болғанда реакция толық аяқталуға бейімделеді. Қоректік заттардың құрамы, әсіресе көміртек пен азоттың арақатынасы, толық денитрификацияға үлкен үлес қосады, ал C:N 2:1 арақатынасы температураға немесе көміртек көзіне қарамастан толық нитратты тотықтыруға мүмкіндік береді. Мыс, нитрит редуктазасы мен азот оксиді редуктазасының кофакторы ретінде, қосымша ретінде қосылғанда толық денитрификацияны ынталандырады. Қоректік заттар мен жер бедерінен басқа, микробтық қоғамдастықтың құрамы да толық денитрификацияның арақатынасына әсер ете алады, ал Актиномицеттер және Термопротеоттар филаларына жататын прокариоттар басқа прокариоттарға қарағанда N2O-дан гөрі N2 көп шығаруға жауапты. Денитрификация топырақ ортасында изотоптық фракциялау деп аталатын құбылысқа әкелуі мүмкін. Шөгінді профильдерінде азоттың 14N және 15N тұрақты изотоптары табылады. Денитрификация кезінде азоттың жеңіл изотобы 14N артықшылыққа ие болады, ал қалдық затта ауыр азот изотобы 15N қалады. Бұл таңдаулық биомассадағы 14N-нің 15N-мен салыстырғанда байыуына әкеледі. Сонымен қатар, 14N-нің салыстырмалы мөлшерін талдау арқылы табиғаттағы басқа процестерден денитрификацияны ажыратуға болады.

In nature, denitrification can take place in both terrestrial and marine ecosystems. Typically, denitrification occurs in anoxic environments, where the concentration of dissolved and freely available oxygen is depleted. In these areas, nitrate (NO3−) or nitrite (−) can be used as a substitute terminal electron acceptor instead of oxygen (O2), a more energetically favourable electron acceptor. Terminal electron acceptor is a compound that gets reduced in the reaction by receiving electrons. Examples of anoxic environments can include soils, groundwater, wetlands, oil reservoirs, poorly ventilated corners of the ocean and seafloor sediments. Furthermore, denitrification can occur in oxic environments as well. High activity of denitrifiers can be observed in the intertidal zones, where the tidal cycles cause fluctuations of oxygen concentration in sandy coastal sediments. For example, the bacterial species Paracoccus denitrificans engages in denitrification under both oxic and anoxic conditions simultaneously. Upon oxygen exposure, the bacteria is able to utilize nitrous oxide reductase, an enzyme that catalyzes the last step of denitrification. Aerobic denitrifiers are mainly Gram negative bacteria in the phylum Proteobacteria. Enzymes NapAB, NirS, NirK and NosZ are located in the periplasm, a wide space bordered by the cytoplasmic and the outer membrane in Gram negative bacteria. A variety of environmental factors can influence the rate of denitrification on an ecosystem wide scale. For example, temperature and pH have been observed to impact denitrification rates. In the bacterial species, Pseudomonas mandelii, expression of denitrifying genes was reduced at temperatures below 30 °C and a pH below 5, while activity was largely unaffected between a pH of 6 8. Organic carbon as an electron donor is a common limiting nutrient for denitrification as observed in benthic sediments and wetlands. Nitrate and oxygen can also be potential limiting factors for denitrification, although the latter only has an observed limiting effect in wet soils. Oxygen likely affects denitrification in multiple ways—because most denitrifiers are facultative, oxygen can inhibit rates, but it can also stimulate denitrification by facilitating nitrification and the production of nitrate. In wetlands as well as deserts, moisture is an environmental limitation to rates of denitrification. Additionally, environmental factors can also influence whether denitrification proceeds to completion, characterized by the complete reduction of NO3 to N2 rather than releasing N2O as an end product. Soil pH and texture are both factors that can moderate denitrification, with higher pH levels driving the reaction more to completion. Nutrient composition, particularly the ratio of carbon to nitrogen, is a strong contributor to complete denitrification, with a 2:1 ratio of C:N being able to facilitate full nitrate reduction regardless of temperature or carbon source. Copper, as a co factor for nitrite reductase and nitrous oxide reductase, also promoted complete denitrification when added as a supplement. Besides nutrients and terrain, microbial community composition can also affect the ratio of complete denitrification, with prokaryotic phyla Actinomycetota and Thermoproteota being responsible for greater release of N2 than N2O compared to other prokaryotes. Denitrification can lead to a condition called isotopic fractionation in the soil environment. The two stable isotopes of nitrogen, 14N and 15N are both found in the sediment profiles. The lighter isotope of nitrogen, 14N, is preferred during denitrification, leaving the heavier nitrogen isotope, 15N, in the residual matter. This selectivity leads to the enrichment of 14N in the biomass compared to 15N. Moreover, the relative abundance of 14N can be analyzed to distinguish denitrification apart from other processes in nature.