Undersøgelse af forviklingerne i nitrogenkredsløbet

Nitrogen får muligvis ikke det samme niveau af opmærksomhed som sine naboer i det periodiske system, kulstof og ilt. Men ligesom sine naboer er det et element, vi ikke kan leve uden.

Nitrogenforbindelser har vigtige roller i biologien, herunder at sænke blodtrykket, hjælpe med at videresende signaler i vores kroppe og give næring til planter. Faktisk har industrielt fremstillet gødning rig på nitrogen effektivt fordoblet verdens fødevareproduktionskapacitet.

Alligevel kan for meget af noget være dårligt, og nitrogen er ingen undtagelse. For eksempel, når regn skyller overskydende gødning væk fra marker og ind i søer, floder og andre vandområder, kan de nærende stoffer indeni give næring til stigende populationer af mikrober, der kan kvæle eller forgifte naturlige økosystemer.

Underliggende nitrogens påvirkninger, både nyttige og skadelige, er det, der er kendt som nitrogenkredsløbet. Det er den fælles betegnelse for de kemiske processer, som naturens biologiske og geologiske systemer bruger til at nedbryde nitrogenforbindelser og transportere produkterne gennem miljøet. Selvom videnskaben har udviklet en stor del af nitrogenkredsløbets store billede, borer Michigan State Universitys Timothy Warren og hans team nu ned i dets grundlæggende kemiske detaljer.

Holdet udgav for nylig to nye rapporter om den front i to forskellige kemitidsskrifter:Nature Chemistry og Journal of the American Chemical Society (JACS ).

Det, Warren og hans team for nylig fandt, vil ikke give nogen umiddelbare løsninger til f.eks. fremstilling og brug af gødning på en mere bæredygtig måde. Men forskerne skaber en mere intim forståelse af nitrogenkredsløbet, der kan føre til holistiske løsninger til at sikre en sund balance af nitrogen, hvor end det er nødvendigt.

I mellemtiden tjener papirerne også som en påmindelse om, at naturen stadig er fuld af følgemysterier - hvoraf nogle går forud for mennesker og planter.

"Vi er meget inspirerede af, hvad vi finder i naturen, men vi forsøger at forstå måder, som naturen opfører sig på, som vi ikke har opfanget endnu," sagde Warren, Barnett Rosenberg-professor og formand for Institut for Kemi i højskolen for naturvidenskab.

"Der er det etablerede dogme om, hvordan tingene fungerer, men ved at grave lidt dybere og prøve at gå ud over det, åbner vi videnskaben for overraskelser."

Ud over at afsløre et par nye afsløringer hjælper begge artikler med at beskrive nitrogenkredsløbet med større detaljer og præcision, end det tidligere var muligt. På trods af deres ligheder kommer de dog også med forskellige sæt af implikationer.

Primordial kemi med et 'nitro-boost'

Med risiko for at oversimplificere et helt videnskabeligt felt er kemien optaget af, hvordan atomer udveksles og omarrangeres, når forskellige molekylære deltagere er involveret. Nogle af de mest spændende interaktioner er dem, der er afgørende for livet, dem, der forbedrer vores livskvalitet, eller dem, der hjælper videnskabsmænd med bedre at forstå, hvordan livet på denne planet fungerer.

Nitrogenkredsløbets reaktioner kan markere alle tre felter, som det fremgår af dem, der er fremhævet i Warren-teamets papirer.

"Disse to rapporter giver grundlæggende ny indsigt i molekyler, der er vigtige dele af den biogeokemiske nitrogencyklus. Den cyklus er afgørende for, at økosystemer kan fungere og være sunde," sagde Warren. "Det, vi gør, er at kigge ind i molekyler på nye måder for bedre at forstå deres forbindelse til den cyklus."

Især holdets JACS-papir belyser en ny vej, som naturen kan bruge til at omdanne nitrogenoxid til dinitrogenoxid, som begge er vigtige molekyler i deres egne rettigheder.

Nitrogenoxid, lavet af et nitrogenatom og et oxygenatom, blev kåret som "Årets molekyle" i 1992 af magasinet Science. Og folk kan genkende lattergas, som indeholder to nitrogenatomer og et oxygen, fra dets hovedrolle i lattergas eller dets birolle som "nitro boost" i filmen "Fast and Furious".

Igen er Warrens team klar over molekylernes anvendelser, men forskerne er drevet af, hvad disse reaktioner afslører på et mere fundamentalt, kemisk niveau. JACS papir, for eksempel, afslører, at nitrogenoxid er overraskende dygtig til at acceptere elektroner fra andre reaktanter.

Under de rette forhold kan lattergas også være en god elektronacceptor, men ilt giver en stabil standard på denne arena. Det er derfor, kemikere henviser til sådanne elektronacceptorforbindelser som oxidanter, oxidationsmidler og oxidationsmidler. Oxidationsmidler får metal til at ruste, men de er også kritiske for mange vigtige biologiske og industrielle reaktioner.

Men ilt var ikke en let tilgængelig vare i Jordens atmosfære, før planeten var et par milliarder år gammel. Det var da de første mikrober begyndte at udsende det, og planter fulgte senere trop gennem fotosyntese.

"Naturen lavede oxidationskemi før den store oxidationsbegivenhed, før fotosyntesen startede," sagde Warren. "Det betyder, at både nitrogenoxid og beslægtede nitrogenforbindelser sandsynligvis var vigtige oxidanter i det oprindelige liv, før Jorden havde meget ilt.

"Det viser sig, at naturen har udviklet enzymer, der kan lave den oxidationskemi med disse forbindelser," sagde han. "Dette papir giver ny indsigt i, hvordan naturen bruger dem i dag og måske endda før ilt var rigeligt."

Historien om et ødelagt molekyle

Holdets Naturkemi papir fokuseret på en anden del af nitrogenkredsløbet, en der starter med en forbindelse kendt som nitrit, et negativt ladet molekyle bestående af et nitrogenatom bundet til to oxygenatomer.

Nitrit dukker op mange steder, hvoraf mange afspejler dualiteten af ​​nitrogen. Nitrit er i gødning, der hjælper planter med at vokse. Det er også i afstrømningen, der forurener akvatiske økosystemer.

Nitrit findes naturligt i sunde niveauer i frugt og grøntsager. Samtidig anbefaler læger at begrænse vores forbrug af forarbejdet kød, hvori nitritsalte bruges som konserveringsmidler i forholdsvis høje niveauer.

Når det kommer til nitrit, er skellet mellem velsignelse og byrde bundet til doseringen, men også i om og hvordan det metaboliseres eller omdannes til andre forbindelser. Det betyder, at med en bedre forståelse af nitrogenkredsløbet, kan kemi hjælpe med at afbøde nitrits skadelige virkninger ved at udvikle enzymer eller andre katalytiske værktøjer, der sætter det på vej mod mere gavnlige nedstrømsprodukter. Det inkluderer især nitrogenoxid, 1992's "Molecule of the Year."

Jordmikrober har enzymer, der omdanner nitrit til nitrogenoxid i et højt koreograferet sæt af kemiske interaktioner, der sker på samme tid. Warrens team har fundet en måde at bryde denne proces fra hinanden i en trinvis, sekventiel affære. At finde denne syntetiske tilgang til at efterligne naturen vil give kemikere mulighed for bedre at undersøge forskellige aspekter af reaktionen.

Dette vil hjælpe kemikere med at være mere bevidste i at designe katalysatorer, der kan gøre ting som at hjælpe med at nedbryde gødningsnæringsstoffer, før de når naturlige vandveje. Det åbner også op for applikationer, der er længere væk fra nitrogens rolle i naturen, sagde Warren, såsom i langtidsopbevaring af nukleart affald, hvor nitritter er til stede. I sin undersøgelse opdagede holdet også noget ny kemi, der endda kunne hjælpe med at øge bachelorkaraktererne.

"I ethvert almindeligt kemikursus, uanset om du tager det på MSU eller et andet sted, lærer du, at nitrit er en anion med en elektrisk ladning på -1. Men hvis den ved et uheld tildeles en ladning på -2, har vi fundet en måde det viser, at det også kan være rigtigt," sagde Warren.

"Vi har afsløret et nyt fundamentalt molekyle i naturen:nitrit med en -2 ladning. Der har ikke været meget diskussion om det før, undtagen som en flygtig art i atomaffald eller måske når eleverne tager fejl til eksamen." + Udforsk yderligere

Forskere efterlyser mere arbejde for at balancere nitrogenkredsløbet