Desnitrificación

A desnitrificación é un proceso metabólico realizado por microorganismos que usa o nitrato como aceptor terminal de electróns en condicións anóxicas (ausencia de oxíxeno) principalmente, no cal os nitratos redúcense orixinando nitróxeno gas. Isto ocorre en etapas sucesivas catalizadas por sistemas encimáticos diferentes, nas que aparecen como produtos intermedios nitritos, óxido nítrico e óxido nitroso. É un proceso respiratorio que forma parte do ciclo do nitróxeno e pode aplicarse ao tratamento de augas. As reaccións implicadas na desnitrificación poden producir o gas N2O, que é un gas de efecto invernadoiro.

Realízana exclusivamente certos microorganismos, entre os que salientan Alcaligenes, Paracoccus, Pseudomonas, Thiobacillus, Rhizobium, e Thiosphaera, entre outros.Carlson, C. A., and J. L. Ingraham. 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. Os desnitrificantes están presentes en todos os principais grupos filoxenéticos de bacterias. A maioría son especies heterótrofas, pero tamén hai algunhas autótrofas, como Thiobacillus denitrificansZumft, W. 1997. Cell biology and molecular basis of denitrification. Microbiol. Mol. Biol. Rev. 61:533-616. Xeralmente intervén no proceso máis dunha especie de bacterias para conseguir a total redución do nitrato a nitróxeno gas, e identificouse máis dunha vía encimática para esta redución.Atlas, R.M., Barthas, R. Microbial Ecology: Fundamentals and Applications. 3rd Ed. Benjamin-Cummings Publishing. ISBN 0-8053-0653-6

A redución directa de nitrato a amonio, proceso chamado redución disimilatoria do nitrato a amonio ou DNRA,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. é tamén posible para os organismos que teñen o xene nrf.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, p. 277-342." Esta é unha forma menos común de desnitrificación que se dá na maioría dos ecosistemas. Outros xenes presentes en microorganismos desnitrificantes son o nir (da nitrito redutase) e o nos (da óxido nitroso redutase) entre outros; organismos que se identificaron como posuidores destes xenes son, por exemplo, Alcaligenes faecalis, Alcaligenes xylosoxidans, moitas especies de Pseudomonas, Bradyrhizobium japonicum, e Blastobacter denitrificans.Liu, X., S. M. Tiquia, G. Holguin, L. Wu, S. C. Nold, A. H. Devol, K. Luo, A. V. Palumbo, J. M. Tiedje, and J. Zhou. 2003. Molecular Diversity of Denitrifying Genes in Continental Margin Sediments within the Oxygen-Deficient Zone off the Pacific Coast of Mexico. Appl. Environ. Microbiol. 69:3549-3560

A desnitrificación ten lugar en condicións especiais tanto en ecosistemas terrestres coma mariños.Seitzinger, S., J. A. Harrison, J. K. Bohlke, A. F. Bouwman, R. Lowrance, B. Peterson, C. Tobias, and G. V. Drecht. 2006. Denitrification Across Landscapes and Waterscapes: A Synthesis. Ecological Applications 16:2064-2090. En xeral, ocorre onde o oxíxeno, que é un aceptor de electróns máis favorable, está moi diminuído e as bacterias utilizan o nitrato como un aceptor de electróns substituto. Debido á alta concentración de oxíxeno da nosa atmosfera, a desnitrificación só ten lugar en ambientes anóxicos nos que o consumo de oxíxeno excede á súa dispoñibilidade e onde están presentes suficientes cantidades de nitrato. Estes ambientes poden ser certos solos augas subterráneas, zonas húmidas, campos petrolíferos,Cornish Shartau, S. L.; Yurkiw, M.; Lin, S.; Grigoryan, A. A.; Lambo, A.; Park, H. S.; Lomans, B. P.; Van Der Biezen, E.; Jetten, M. S. M.; Voordouw, G. (2010). "Ammonium Concentrations in Produced Waters from a Mesothermic Oil Field Subjected to Nitrate Injection Decrease through Formation of Denitrifying Biomass and Anammox Activity". Applied and Environmental Microbiology 76 (15): 4977–4987. doi:10.1128/AEM.00596-10. PMC 2916462. PMID 20562276. partes pouco ventiladas do océano e os sedimentos do leito do mar.

 Principio básico da desnitrificación 
Existen máis de 50 xéneros de bacterias que poden levar a cabo a desnitrificación.Delwiche CC. 1982. Denitrification, Nitrification and Atmospheric Nitrous Oxide. edition F, editor. New York, USA: John Wiley & Sons, Inc A capacidade desnitrificante tamén se encontrou en arqueas e fungos.Zumft WG. 1997. Cell biology and molecular basis of denitrification. Microbiology and Molecular Biology Reviews 61(4):533-+.Thorndycroft FH, Butland G, Richardson DJ, Watmough NJ. 2007. A new assay for nitric oxide reductase reveals two conserved glutamate residues form the entrance to a proton-conducting channel in the bacterial enzyme. Biochemical Journal 401:111-119. Os xéneros de bacterias desnitrificantes máis habituais son: Alcaligenes, Paracoccus, Pseudomonas, Thiobacillus, Rhizobium, Thiosphaera, entre outros. A maioría das bacterias desnitrificantes son heterótrofas, pero algunhas poden crecer autotroficamente con hidróxeno (H2) e dióxido de carbono, con compostos sulfurados reducidos, ou con compostos de arsénico reducidos, entre outros.Ahn YH. 2006. Sustainable nitrogen elimination biotechnologies: A review. Process Biochemistry 41(8):1709-1721. Ademais, téñense informes de que a desnitrificación se pode levar a cabo aerobicamente, como, por exemplo, no caso de Magnetospirillum magnetotacticum, que consome O2 mentres desnitrifica.Bazylinski DA, Blakemore RP. 1983. Denitrification and Assimilatory Nitrate Reduction in Aquaspirillum-Magnetotacticum. Applied and Environmental Microbiology 46(5):1118-1124. A desnitrificación é un proceso que usa o nitrato como aceptor terminal de electróns en condicións anóxicas (ausencia de oxíxeno) principalmente. O proceso de redución de nitratos ata nitróxeno gas ocorre en etapas seriais, catalizadas por sistemas encimáticos diferentes, e orixínanse como produtos intermedios nitritos, óxido nítrico e óxido nitroso:

<center>NO3- →
NO2- → NO → N2O → N2 '</center>

A desnitrificación require un substrato oxidable, xa sexa orgánico ou inorgánico que actúe como fonte de enerxía, polo que a desnitrificación pode levarse a cabo tanto por bacterias heterótrofas coma autótrofas. Na desnitrificación heterótrofa, un substrato orgánico, como metanol, etanol, ácido acético, glicosa etc., actúa como fonte de enerxía (doante de electróns) e fonte de carbono. Na desnitrificación autótrofa, a fonte de enerxía é inorgánica, como hidróxeno ou compostos reducidos de xofre, ácido sulfhídrico (H2S) ou tiosulfato (S2O32-), a fonte de carbono, tamén inorgánica, é o CO2.

O maior problema da desnitrificación biolóxica é a contaminación potencial da auga tratada con bacterias: fonte de carbono residual (desnitrificación heterótrofa) e a posibilidade de formación de nitritos, o cal fai necesario un post-tratamento. Actualmente, os procesos desenvolvidos para a desnitrificación biolóxica son diversos usando distintos substratos e diferentes configuracións de reactores. Pero hai que salientar que practicamente a totalidade dos sistemas de desnitrificación desenvolvidos se basean na desnitrificación heterótrofa e coñécese pouco e está pouco desenvolvida a desnitrificación autótrofa.(Ademais da desnitrificación, outro proceso que produce N2 a partir de compostos nitroxenados, concretamente de amonio (NH4+) e nitrito (NO2-), en condicións anaeróbicas é o proceso anammox, que realizan bacterias do filo Planctomycetes.Globalmente: :NH4+ + NO2− → N2 + 2H2O.) Desnitrificación heterótrofa 
A desnitrificación heterótrofa pode aplicarse ao tratamento de augas residuais. A desnitrificación heterótrofa é un proceso biolóxico de redución do nitrato presente nas augas residuais a nitróxeno molecular en condicións anóxicas pola acción de bacterias heterótrofas (Pseudomonas, Paraccocus, Alcaligenes, Thiobacillus, Bacillus), que usan un substrato orgánico como fonte de carbono e enerxía.

No proceso de desnitrificación existe ademais a posibilidade de acumulación de intermediarios (NO2–, N2O, NO) debido ao tipo e concentración do substrato empregado ou ás condicións de operación (temperatura, pH, tempo de residencia hidráulico, tempo de retención celular). Baseándose nisto, para que a transformación acabe en N2, deberán controlarse as condicións ambientais como o nivel de O2 disolvido, a fonte de carbono orgánico, a concentración de nitratos, a relación C/N, a dispoñibilidade de fósforo, pH, temperatura e a posible presenza de tóxicos.(Cervantes et al., 1999; Moratalla, 1997)

Unha das reaccións tipo que implica unha desnitrificación heterótrofa podería ser a da oxidación do ácido acético:

1,25 CH3COOH + 2NO3- → 2,5CO2 + N2 + 2OH- + 1,5 H2O.

∆Gº´=-1054.8 kJ/ reacción. (Ecuación 1)

A desnitrificación heterótrofa é aplicada amplamente pola súa alta eficiencia e baixo custo. A taxa de desnitrificación heterótrofa é alta, o que permite o uso de reactores de pouco volume e baixos custos. Porén, o carbono residual deste proceso causa diversos problemas para o tratamento de augas potables, o que converte a desnitrificación autótrofa nunha boa alternativa.

 Desnitrificación autotrofa 
Algunhas bacterias desnitrificantes son quimiolitoautótrofas e poden oxidar compostos inorgánicos de xofre como ácido sulfhídrico (H2S), xofre elemental (S0), tiosulfato (S2O32-) ou sulfito (SO32-) anaerobicamente a costa da redución do nitrato.(Kuenen et al.1992) Entre elas hai só dous autótrofos obrigados coñecidos que crezan a pHs neutros: Thiobacillus denitrificans e Thiomicrospira denitrificans,(Schedel y Truper, 1980; Kuenen et al.1992; Timmer-Ten Hoor, 1975) que poden levar a cabo a sulfoxidación en condicións aeróbicas ou anóxicas. Recentemente illouse Thioalkalivibrio denitrificans, un autótrofo, oxidante de xofre, que pode crecer anaerobicamente usando nitrito como aceptor de electróns a pH básico(Sorokin, D.Y., 2001).

As vantaxes deste proceso respecto á heterotrofia no tratamento de augas son varias. No tratamento de augas residuais evita ter que engadir materia orgánica, reducíndose así os custos, e para o tratamento de augas potables, evita o carbono residual no efluente, xa que reduce o risco de sobrecrecemento nos sistemas a tratar e de desinfección da zona polos produtos producidos debido a que os organismos autotrófos crecen máis a modo e producen menos biomasa, coa conseguinte formación de menos produtos celulares.( K.S.Haugen.2002) Ademais, os organismos autótrofos están mellor adaptados para o tratamento de augas subterráneas porque crecen a baixas concentracións de compostos orgánicos biodegradables. Tamén posúen un grande interese comercial e desde o punto de vista da biotecnoloxía ambiental, porque é un dos poucos exemplos nos que poden oxidarse bioloxicamente compostos reducidos do xofre (sulfoxidación) en ausencia de oxíxeno elemental. Pero a principal vantaxe deste proceso é a aparición da desnitrificación acoplada á oxidación de compostos reducidos do xofre, combinando a eliminación simultánea de dous tipos de contaminantes, os nitratos e os compostos reducidos do xofre (ecuación 2), tendo así grande interese polas súas aplicacións biotecnolóxicas.

 Principais factores que afectan á desnitrificación 

 Temperatura 
De acordo coa literatura, os microorganismos desnitrificantes presentan actividade entre 5 e 75 °C.Knowles R. 1982. Denitrification. Microbiological Reviews 46(1):43-70. Viuse que non existe un cambio significativo na actividade desnitrificante entre 20 e 30 °C con consorcios que proveñen de plantas de tratamento de augas residuais.enze M. 1991. C`pabilities of Biological Nitrogen Removal Processes from Waste-Water. Water Science and Technology 23(4-6):669-679.

 PH 
O pH óptimo para a desnitrificación está entre 7 e 8.Cervantes-Carrillo F, Pérez J, Gómez J. 2000. Avances en la eliminación biológica del nitrógeno de las aguas residuales. México, D. F.: Revista Latinoamericana de Microbiología. p 73-82. A valores de pH por debaixo de 6, inhíbese o encima óxido nitroso redutase e acumúlase óxido nitroso.Delwiche CC, Bryan BA. 1976. Denitrification. Annual Review of Microbiology 30:241-262. Einsle O, Kroneck PMH. 2004. Structural basis of denitrification. Biological Chemistry 385(10):875-883. Na revisión de Cervantes-Carrillo et al. (2000) infórmase que en cultivos continuos non se observa ningunha acumulación de intermediarios a pH de 6 a 9, pero o proceso é inhibido na súa totalidade a pH 5.

 Oxíxeno 
Asúmese en xeral que o encima óxido nitroso redutase (Nos) é o encima cunha maior sensibilidade á presenza de oxíxeno. En xeral os encimas redutases son inmediata ou gradualmente inactivados pola presenza de oxíxeno. A principal razón da sensibilidade da desnitrificación á presenza de oxíxeno é a competición por electróns, xa que o oxíxeno é un aceptor de electróns termodinamicamente máis favorable que o nitrato.Cuervo-López F, Martínez Hernández S, Texier AC, Gómez J. 2009. Denitrification for Wastewater Treatment. In: Cervantes F, editor. Environmental Technologies to Treat Nitrogen Pollution, Principles and Engineering: IWA Publishing.

 Fonte doadora de electróns 
A capacidade que teñen os compostos orgánicos de doar electróns é un dos factores máis importantes que controlan a actividade heterotrófica e, por tanto, a actividade desnitrificante heterotrófica. Existe unha gran variedade de compostos que poden ser usados para levar a cabo a desnitrificación en augas residuais. Os principais doadores de electróns utilizados son o metanol, o etanol, a glicosa, o acetato, o ácido aspártico e o ácido fórmico, entre outros.Mateju V, Cizinska S, Krejci J, Janoch T. 1992. Biological Water Denitrification - A Review. Enzyme and Microbial Technology 14(3):170-183. Isto non implica que soamente sexan usados substratos doadamente degradables polos microorganismos que levan a cabo a desnitrificación. Existen informes de desnitrificación con compostos como hidrocarburos, materia orgánica complexa, glicol, compostos aromáticos e celulosa.Thalasso F, Vallecillo A, GarciaEncina P, FdzPolanco F. 1997. The use of methane as a sole carbon source for wastewater denitrification. Water Research 31(1):55-60.Davidsson TE, Leonardson LG. 1996. Effects of nitrate and organic carbon additions on denitrification in two artificially flooded soils. Ecological Engineering 7(2):139-149.Mokhayeri Y, Nichols A, Murthy S, Riffat R, Dold P, Takacs I. 2006. Examining the influence of substrates and temperature on maximum specific growth rate of denitrifiers. Water Science and Technology 54(8):155-162. Porén, para compostos pouco asimilables como os hidrocarburos e especialmente os compostos aromáticos, as velocidades de consumo destes compostos son o paso limitante na desnitrificación. Outro grupo de microorganismos desnitrificantes, os autótrofos, utilizan compostos inorgánicos como sulfuro, hidróxeno, amonio para reducir nitratos.Madigan MT, Martinko JM, Parker J. 2004. Brock, Biología de los Microorganismos. Edición D, editor. Décima Edición ed. Madrid, España: Pearson Educación, S. A., Madrid, 2004. 1011 p. O rendemento enerxético é menor que cos compostos orgánicos, pero os microorganismos presentan unha grande adaptabilidade dependendo das condicións ambientais dos ecosistemas.Conrad R. 1996. Soil microorganisms as controllers of atmospheric trace gases (H-2, CO, CH4, OCS, N2O, and NO). Microbiological Reviews 60(4):609-+.

 Relación C/N 
A desnitrificación heterótrofa en consorcios está en grande medida determinada pola relación entre o composto orgánico doante de electróns e o nitrato (relación C/N). Segundo a literatura, obtense un proceso desnitrificante óptimo a relación estequiométrica.Cervantes FJ, De la Rosa DA, Gomez J. 2001. Nitrogen removal from wastewaters at low C/N ratios with ammonium and acetate as electron donors. Bioresource Technology 79(2):165-170.Cuervo-Lopez FM, Martinez F, Gutierrez-Rojas M, Noyola RA, Gomez J. 1999. Effect of nitrogen loading rate and carbon source on denitrification and sludge settleability in upflow anaerobic sludge blanket (UASB) reactors. Water Science and Technology 40(8):123-130.ena-Calva A, Olmos-Dichara A, Viniegra-Gonzalez G, Cuervo-Lopez FM, Gomez J. 2004. Denitrification in presence of benzene, toluene, and m-xylene - Kinetics, mass balance, and yields. Applied Biochemistry and Biotechnology 119(3):195-208. Aínda que depende do doante de electróns, pódese considerar que cunha relación C/N menor a 5, pero superior á relación estequiométrica, o proceso desnitrificante lévase a cabo sen limitación, e cunha relación entre 5 e 21,3 lévase a cabo a desnitrificación e produción de metano. A relacións C/N maiores, prodúcese metano sen que haxa desnitrificación. Isto débese a que o proceso desnitrificante diminúe e aparece a amonificación, que pasa a ser o proceso dominante a relacións C/N maiores de 51.Rustrian E, Delgenes JP, Bernet N, Moletta R. 1997. Nitrate reduction in acidogenic reactor: Influence of wastewater COD/N-NO3 ratio on denitrification and acidogenic activity. Environmental Technology 18(3):309-315.

 Aplicacións 

En resposta ao problema da contaminación por nitratos, xurdiron diversas tecnoloxías para eliminalo do medio tales como intercambio iónico, osmose inversa, electrodiálise e desnitrificación biolóxica. Entre as diversas alternativas, prefírense os tratamentos biolóxicos pola súa sinxeleza, selectividade e baixo custo aos tratamentos físico-químicos, máis caros e con maior xeración de residuos tóxicos.

Algunhas das aplicacións, reais ou potenciais da desnitrificación autótrofa son:
 Control de problemas de corrosión e cheiros por sulfhídrico en sistemas de sumidoiros por medio da adición de nitrato.(Carpenter,1932, Allen.1949, Bentzen et al.,1995)
 Estimulación, mediante adición de nitratos, da degradación biolóxica do ácido sulfhídrico en salmoiras de campos petrolíferos, que reduce os problemas asociados á súa toxicidade, corrosividade e tendencia a formar compostos de metais insolubles de xofre.(Jenneman et al., 1999, Reinsel et al., 1996)
 Tratamento do biogás ou gas natural para eliminar o ácido sulfhídrico presente.(Kleerebezem and Mendez, 2002).
 Eliminación simultánea de N e S no tratamento de augas residuais mediante recirculación dos nitratos resultantes da fase de nitrificación, a unha fase anaerobia, reducindo os nitratos e oxidando os sulfuros, obtendo un dobre beneficio nunha soa etapa.(Gommers et al, 1988, Reyes- Avila et al, 2004, Sierra- Álvarez et al., 2005) Esta aproximación non é só teórica e xa se ensaiou para tratar os efluentes de produción de lévedos.(Gommers, 1988), aguas residuales urbanas(Yang, X.S., 1993) e mesmo ten posible aplicación a augas potables (Flere, J.M., and T.C.Zhang, 1999).
 Eliminación de nitratos da auga potable (Darbi et al, 2003) e auga residual (Gommers et al, 1988, Nugroho et al, 2002, Am et al, 2005) usando S0.
 Eliminación de nitrato de augas subterráneas mediante a inserción de membranas con hidróxeno e dióxido de carbono (KSHaugen. 2002), ou usando un leito mixto con sulfuro e gránulos de calcita en proporción de volume 1:1 con Thiobacillus denitrificans''.(Van der Hoek et al., 1992)

En estudos realizados sobre a cinética da desnitrificación quimiolitótrofa viuse que a taxa de desnitrificación e sulfoxidación depende fortemente da fonte de xofre inorgánica usada como dador de electróns, comprobándose que é mellor o tiosulfato, seguido do sulfhídrico e por último o xofre elemental.(Beristan-Cardoso, 2006).

Un exemplo é a oxidación do tiosulfato que se axusta á seguinte ecuación:

S2O32- + 1,6 NO3- + 0,2 H2O → 2 SO42- + 0,8N2 + 0,4 H+

∆Gº´=-765,7 kJ/ reacción. (Ecuación 2)

 Notas 

 Véxase tamén 
 Outros artigos 
 Nitrificación
 Martinus Willem Beijerinck

Categoría:Ciclos bioxeoquímicos
Categoría:Metabolismo do nitróxeno