Denitrifikation
Unter Denitrifikation versteht man die Umwandlung des im Nitrat (NO3−) gebundenen Stickstoffs zu molekularem Stickstoff (N2) durch bestimmte heterotrophe und einige autotrophe Bakterien, die danach als Denitrifikanten bezeichnet werden. Bei diesem Vorgang, welcher den Bakterien zur Energiegewinnung dient, werden bei Abwesenheit von molekularem Sauerstoff (O2) (anoxische Bedingungen) verschiedene oxidierbare Stoffe (Elektronendonatoren), wie organische Stoffe, Schwefelwasserstoff (H2S) und molekularer Wasserstoff (H2), mit Nitrat als Oxidans (Oxidationsmittel) oxidiert. Der Vorgang ist also eine Möglichkeit des Energiestoffwechsels.
Inhaltsverzeichnis [Verbergen]
1 Reaktionen
2 Denitrifikanten
3 Ökologische und technische Bedeutung
4 Einzelnachweise
5 Literatur
6 Siehe auch
Reaktionen [Bearbeiten]
Der Prozess ist an Membranen der Bakterien gebundenen, in seinem Verlauf wird Energie in Form eines Protonen-Konzentrationsunterschieds zwischen den durch die Membran getrennten Räumen konserviert. Es handelt sich somit um eine Form der anaeroben Atmung, die auch als Nitratatmung bezeichnet wird.
Die einzelnen Schritte der mehrstufigen Reaktion werden durch die Metalloenzyme Nitratreduktase, Nitritreduktase, Stickstoffmonoxid-Reduktase und Distickstoffmonoxid-Reduktase katalysiert:
1.) Nitratreduktase:
2.) Nitritreduktase:
3.) Stickstoffmonoxid-Reduktase:
4.) Distickstoffmonoxid-Reduktase:
Da die Redoxpotentiale aller Einzelschritte der Denitrifikation positiv sind, können diese Bakterien Nitrat als Elektronenakzeptor (Oxidationsmittel) für ihren oxidativen Energiestoffwechsel (oxidative Phosphorylierung) nutzen, wenn kein oder nur begrenzt gelöster molekularer Sauerstoff (O2) verfügbar ist (anoxische beziehungsweise hypoxische Verhältnisse).
Die verwendeten Reduktionsäquivalente (e−), die aus der Oxidation der organischen oder anorganischen Stoffe stammen, unterscheiden sich zwischen den unterschiedlichen Enzymen und Bakterien; in der Regel dienen Chinone und Cytochrome als Elektronenüberträger. Durch die Chemiosmotische Kopplung des Elektronentransports mit der ATP-Synthese führt die Denitrifikation schließlich zur Energiekonservierung. Neben N2 wird allerdings auch immer eine kleinere Menge der (gasförmigen) Zwischenstufe N2O freigesetzt. Dieser Prozess findet in der Natur überall statt, wo Nitrat und durch Denitrifizierer oxidierbare organische Stoffe unter anoxischen oder hypoxischen Bedingungen zur Verfügung stehen (z. B. Sümpfe, Böden, Sedimente in Flüssen und Seen oder synthetische Materialien wie Siporax, oder biologischem Material gesintert Glasfilter ). Von bestimmten Bakterien können auch molekularer Wasserstoff (H2), Schwefelwasserstoff (H2S), Ammonium (NH4+), Eisen(II)-Ionen (Fe2+)[1] sowie Methan[2] mit Nitrat (NO3−) unter Bildung von molekularem Stickstoff (N2) oxidiert werden.
Denitrifikanten [Bearbeiten]
Beispiele für denitrifizierende Bakterien sind:
Paracoccus denitrificans (autotroph, Oxidation von H2 oder Thiosulfat S2O32−)
Thiobacillus denitrificans (autotroph, Oxidation von Sulfid (S2−) oder Thiosulfat (S2O32−))
Pseudomonas stutzeri (heterotroph, Oxidation von organischen Stoffen)
Allgemein ist die Fähigkeit zur Denitrifikation innerhalb der Prokaryoten weit verbreitet; Häufungen gibt es in der Alpha-, Beta- und Gamma- Klasse der Proteobakterien.
Ökologische und technische Bedeutung [Bearbeiten]
Der im Nitrat gebundene Stickstoff wird durch Denitrifikation zu molekularem Stickstoff (N2) umgesetzt, also in eine Form überführt, die weitgehend inert (lat. träge, untätig) ist und von den meisten Lebewesen nicht als Nährstoff (Stickstoffquelle) genutzt werden kann. In Gewässern und Böden ist er damit nicht mehr im Sinne eines Düngemittels verfügbar und nicht mehr umweltrelevant. Der entstandene molekulare Stickstoff (N2) entweicht größtenteils in die Atmosphäre, in der er ohnehin Hauptbestandteil ist. Die Denitrifikation und der erst in jüngerer Zeit entdeckte Anammox-Prozess sind die einzigen Stoffwechselwege, bei denen gebundener Stickstoff wieder in die molekulare Form übergeht, und sind daher ein wesentlicher Bestandteil des Stickstoffkreislaufes.
Technisch wird die Denitrifikation in der Abwasserreinigung in Kläranlagen zur Eliminierung von Nitrat eingesetzt. Sie kann auch zur Entfernung von Nitrat bei der Trinkwassergewinnung (siehe Wasseraufbereitung) verwendet werden. Als Reduktans (Elektronendonator) wird dabei oft Alkohol, seltener molekularer Wasserstoff angewandt.
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