Denitrifikation

Grundprinzip der Denitrifikation

Denitrifikation, auch Denitrifizierung genannt, ist die Umwandlung des im Nitrat (NO₃⁻) gebundenen Stickstoffs zu molekularem Stickstoff (N₂) und Stickoxiden. Sie wird von bestimmten heterotrophen und einigen autotrophen Bakterien durchgeführt, die als Denitrifikanten bezeichnet werden. Heterotrophe Bakterien nutzen dabei organische Stoffe, autotrophe Bakterien anorganische Stoffe als Energiequelle.

Der Vorgang dient den Bakterien zur Energiegewinnung und ist eine Form des oxidativen Energiestoffwechsels. Er findet statt, wenn kein oder nur begrenzt molekularer Sauerstoff (O₂) vorhanden ist. Solche Bedingungen heißen anoxisch, bei teilweise verringertem Sauerstoffgehalt auch hypoxisch. Als Elektronendonatoren, also Stoffe, die Elektronen abgeben, können organische Stoffe, Schwefelwasserstoff (H₂S) oder molekularer Wasserstoff (H₂) dienen. Nitrat wirkt als Oxidans beziehungsweise Oxidationsmittel und nimmt Elektronen auf.

Reaktionsablauf und Energiegewinnung

Die Denitrifikation ist eine mehrstufige Reaktion, die an Membranen der Bakterien gebunden ist. Dabei entsteht zwischen den durch die Membran getrennten Räumen ein Protonen-Konzentrationsunterschied. Dieser Unterschied wird zur Bildung von ATP genutzt, dem zentralen kurzfristigen Energieträger der Zellen. Deshalb handelt es sich um eine Form der anaeroben Atmung, die auch Nitratatmung genannt wird.

Die einzelnen Reaktionsschritte werden durch vier Metalloenzyme katalysiert:

• Nitratreduktase: NO₃⁻ + 2 H⁺ + 2 e⁻ → NO₂⁻ + H₂O
• Nitritreduktase: NO₂⁻ + 2 H⁺ + e⁻ → NO + H₂O
• Stickstoffmonoxid-Reduktase: 2 NO + 2 H⁺ + 2 e⁻ → N₂O + H₂O
• Distickstoffmonoxid-Reduktase: N₂O + 2 H⁺ + 2 e⁻ → N₂ + H₂O

Dabei wird Nitrat schrittweise zunächst zu Nitrit (NO₂⁻), anschließend zu Stickstoffmonoxid (NO), zu Distickstoffmonoxid beziehungsweise Lachgas (N₂O) und schließlich zu molekularem Stickstoff (N₂) reduziert. Reduktion bedeutet hier die Aufnahme von Elektronen.

Da die Redoxpotentiale aller Einzelschritte positiv sind, können Denitrifikanten Nitrat als Elektronenakzeptor für ihren oxidativen Energiestoffwechsel nutzen, wenn Sauerstoff fehlt oder nur begrenzt verfügbar ist. Bei der Oxidation von einem Mol Glucose mit Nitrat werden maximal 2670 kJ Energie frei; angegeben ist ΔG₀′ = −2670 kJ.

Die aus der Oxidation organischer oder anorganischer Stoffe stammenden Elektronen beziehungsweise der daraus stammende Wasserstoff werden durch Elektronen- und Wasserstoffüberträger weitergegeben. Je nach Enzym und Bakterium unterscheiden sich diese Überträger; in der Regel übernehmen Cytochrome und Chinone diese Aufgabe. Der Elektronentransport führt durch chemiosmotische Kopplung zur Synthese von ATP und damit zur Konservierung von Energie. Neben N₂ wird allerdings immer auch eine kleinere Menge des gasförmigen Zwischenprodukts N₂O freigesetzt.

Denitrifizierende Bakterien

Die Fähigkeit zur Denitrifikation ist innerhalb der Prokaryoten weit verbreitet. Häufungen gibt es in der Alpha-, Beta- und Gamma-Klasse der Proteobakterien.

Beispiele für Denitrifikanten sind:

• Paracoccus denitrificans: autotroph; oxidiert H₂ oder Thiosulfat (S₂O₃²⁻).
• Thiobacillus denitrificans: autotroph; oxidiert Sulfid (S²⁻) oder Thiosulfat (S₂O₃²⁻).
• Pseudomonas stutzeri: heterotroph; oxidiert organische Stoffe.
• Vogesella indigofera.
• Einige Arten von Flavobacterium.
• Azoamicus ciliaticola: mitochondrienähnliche endosymbiontische Bakterien, die ihren Wirts-Protisten ermöglichen, Nitrat statt Sauerstoff zu atmen.

Bedeutung für Stickstoffkreislauf und Technik

Durch die Denitrifikation wird der im Nitrat gebundene Stickstoff in molekularen Stickstoff (N₂) überführt. N₂ ist weitgehend inert, also träge und untätig, und kann von den meisten Lebewesen nicht als Nährstoff beziehungsweise Stickstoffquelle genutzt werden. In Gewässern und Böden steht dieser Stickstoff damit nicht mehr als Düngemittel zur Verfügung und ist dort nicht mehr umweltrelevant. Der entstandene N₂ entweicht größtenteils in die Atmosphäre, in der er ohnehin Hauptbestandteil ist.

Denitrifikation und der erst in jüngerer Zeit entdeckte Anammox-Prozess sind die einzigen Stoffwechselwege, bei denen gebundener Stickstoff wieder in die molekulare Form übergeht. Deshalb ist die Denitrifikation ein wesentlicher Bestandteil des Stickstoffkreislaufs. Sie findet überall dort statt, wo Nitrat und oxidierbare organische Stoffe unter anoxischen oder hypoxischen Bedingungen vorhanden sind, beispielsweise in Sümpfen, Böden sowie in Sedimenten von Flüssen und Seen. Bestimmte Bakterien können außerdem H₂, H₂S, Ammonium (NH₄⁺), Eisen(II)-Ionen (Fe²⁺) oder Methan mit Nitrat oxidieren und dabei N₂ bilden.

Flussauen leisten durch die dort stattfindende Denitrifikation einen wesentlichen Beitrag zur Verbesserung der Wasserqualität von Flüssen.

Technisch wird der Prozess in Kläranlagen zur Entfernung von Nitrat aus Abwasser eingesetzt. Auch bei der Trinkwassergewinnung kann Denitrifikation zur Nitratentfernung verwendet werden. Als Reduktans, also Elektronendonator, dient dabei häufig Alkohol, seltener molekularer Wasserstoff.