CICLO DELL’AZOTO L’azoto è il principale fattore limitante della crescita delle piante  per scopi agricoli sono prodotti ogni anno 200 X 106 t NH3 Impegno economico ed energetico  impatto ambientale negativo L’azoto è presente nel suolo sotto varie forme, le principali sono: Sali inorganici (ammonio, nitrati e nitriti) altamente solubili Sostanza organica presente in organismi viventi (degradata velocemente) Humus (sostanziale e stabile riserva)

Le fasi del ciclo dell’azoto Fissazione: conversione dell’azoto molecolare in NH3; processo svolto da microrganismi (procarioti), sia liberi che in simbiosi con le piante (e in alcuni casi con animali). Ammonizzazione: Conversione dei composti organici dell’azoto in ammonio. Nitrificazione: ossidazione dell’NH4+ in ioni NO2- e NO3- Riduzione assimilativa dei nitrati: è la riduzione del nitrato a NH4+ o ad azoto amminico come costituente della cellula. Denitrificazione e riduzione dissimilativa dell’ NO3-: il nitrato funziona come accettore di elettroni

L’azotofissazione verrà approfondita nelle prossime lezioni Tutte le piante gli animali e molti microrganismi possono utilizzare solo azoto combinato Processi di combinazione dell’azoto Fissazione biologica N2 + 6 e-  2NH3 Processo Haber-Bosch (circa 14.000 kcal per Kg di azoto) Attività vulcanica, radiazioni ionizzanti e scariche elettriche. La fissazione abiotica è solo il 10-20% del totale Sono capaci di azotofissare solo i microrganismi procarioti (circa 150x106 t N all’anno) La capacità di azotofissare è distribuita tra microrganismi fisiologicamente molto diversi. La quantità di N fissato è molto variabile L’azotofissazione verrà approfondita nelle prossime lezioni

AMMONIZZAZIONE L’ammonizzazione è il processo con il quale l’azoto organico è convertito in azoto ammoniacale. Il processo di ammonizzazione può avvenire sia in condizioni di aerobiosi che di anaerobiosi ed è attuato da molti microrganismi, sia eucarioti che procarioti.

AMMONIZZAZIONE NH2 - CO - NH2 + H2O  ureasi  2NH3 + CO2 Il rilascio di ammoniaca da molecole complesse come le proteine inizia con la depolimerizzazione delle stesse in aminoacidi mediante enzimi extracellulari proteolitici: proteasi e peptidasi. PROTEINE --proteasi --> PEPTIDI--peptidasi --> AMINOACIDI Gli aminoacidi originatisi dall’azione degli enzimi extracellulari subiscono una ulteriore degradazione microbica: deaminazione ossidativa, che consiste in una rimozione del gruppo -NH2 con conseguente produzione dello ione ammonio. Il rilascio di ammoniaca da un semplice composto organico azotato quale l’urea può essere descritto con la seguente equazione: NH2 - CO - NH2 + H2O  ureasi  2NH3 + CO2

Qual è il destino dell’NH4+/NH3 prodotto dal processo di ammonizzazione? Può essere immobilizzato da microrganismi o assimilato da piante. Per quanto riguarda l’immobilizzazione nella biomassa microbica l’entità dell’immobilizzazione dipende dal rapporto C/N presente nel suolo. Più il rapporto C/N è basso (< 20) più ammonio ritroviamo, poiché la quantità di azoto disponibile è maggiore della disponibilità di carbonio organico per la comunità microbica. Può essere fissato all’argilla. Può volatilizzare come NH3 (in suoli con pH alcalini). Può essere trasformato in nitrato dai batteri nitrificanti.

Ci sono diversi passaggi intermedi NITRIFICAZIONE Per il processo della nitrificazione l’NH3 è ossidato a ione nitrito e quindi ione nitrato NH3 + 1,5 O2  NO2- + H+ + H2O Nitrosomonas, Nitrosospira, Nitrosococcus Ci sono diversi passaggi intermedi NO2- + ½ O2  NO3- Nitrobacter, Nitrospira I processi sono svolti solo da un limitato gruppo di batteri (nitrificanti) Nel suolo la nitrificazione è molto importante in quanto porta ad un cambiamento di carica dell’azoto. Gli ioni carichi negativi vengono facilmente dilavati.

I batteri nitrificanti sono chemiolitotrofi autotrofi aerobi. I due gruppi batterici vivono in consorzio: l’accumulo di nitrito inibisce le specie di Nitrosomonas (ammonio-ossidanti o nitrosanti) pertanto è importante la presenza di specie di Nitrobacter (nitrito ossidanti o nitricanti) che sono capaci di trasformare il nitrito in nitrato Alcuni microrganismi eterotrofi, in appropriate condizioni colturali, possono produrre nitrito o nitrato ma il loro contributo alla nitrificazione nei suoli agrari non è significativo mentre lo può essere nei suoli forestali

Ammoniaca mono-ossigenasi Cometabolizza: Tricloroetilene Etano clorurato Cloroformio Altri composti organici a basso peso molecolare

Fattori che influenzano la nitrificazione Disponibilità di substrato. In condizioni normali il nitrito non si accumula nel suolo, quindi il fattore limitante è la conversione dell’ammonio in nitrito (in molti suoli l’ammonio è presente in bassa concentrazione). Il nitrito formato viene rapidamente trasformato in nitrato, salvo nei suoli a pH alcalini poiché l’ammoniaca è tossica per Nitrobacter O2 e umidità. La nitrificazione è un processo aerobico quindi umidità e struttura del suolo influenzano indirettamente tale processo controllando la diffusione dell’O2. Temperatura. I valori di temperatura ai quali avviene la nitrificazione nel suolo sono diversi da quelli riscontrati in colture di laboratorio (ottimo di temperatura per l’ossidazione del nitrito è 30-35°C), pertanto i microrganismi devono mettere in azione dei meccanismi che consentono loro di svolgere comunque tale processo. pH . In coltura pura la nitrificazione diminuisce a pH < 6 e praticamente non si riscontra a pH 5.5-5. I valori ottimali sono compreso tra 6.6 e 8.

Nitrificazione a valori di pH minori di 6 Microambienti Microrganismi acidofili non coltivabili Nitrificazione eterotrofa. Numerose specie di microrganismi sia procarioti che eucarioti possono produrre nitriti o nitrati a partire da ammoniaca. A differenza degli autotrofi nitrificanti, gli eterotrofi nitrificanti non ottengono energia nella formazione di nitriti e nitrati e devono utilizzare carbonio organico. Il loro sviluppo avviene in condizioni proibitive per la nitrificazione autotrofa ed il meccanismo biochimico è completamente diverso. La nitrificazione eterotrofa assume importanza nei suoli forestali. Infatti, sebbene le quantità di azoto nitrico prodotte tramite la nitrificazione eterotrofa siano molto più piccole di quelle dovute alla nitrificazione autotrofa, l’apporto nel suolo forestale da parte di microrganismi eterotrofi, funghi (Aspergillus) e batteri (Arthrobacter, Pseudomonas) può superare quello prodotto autotroficamente.

Anammox

ICM, intracytoplasmic membrane; AM, anammoxosome membrane ICM, intracytoplasmic membrane; AM, anammoxosome membrane. Arrows indicate iron-storage particles. Scale bar, 200 nm. Biochemical Society Transactions (2011) 39, 1805-1810 - Sarah Neumann, Mike S.M. Jetten and Laura van Niftrik www.biochemsoctrans.org

Destino del nitrato trasformato per opera di microrganismi, assimilato da microrganismi e piante, rimosso mediante lisciviazione

RIDUZIONE DEI NITRATI Riduzione assimilativa Riduzione dissimilativa Denitrificazione

Riduzione assimilativa NO3-  nitrati e nitriti riduttasi NH4+ La reazione avviene in presenza di cofattori ridotti incluso il NADPH. La riduzione assimilativa non avviene in presenza di alte concentrazioni extracellulari di ioni ammonio.

Riduzione dissimilativa Riduzione dissimilativa ad ammonio (batteri enterici, Campylobacter, Clostridium, ecc.) Nitrato  Nitrito -----solo alcuni -ammonio La riduzione del nitrato a nitrito è connessa alla produzione di energia Non vi è connessione con la produzione di energia nella riduzione del nitrito ad ammonio (eliminare gli effetti tossici del nitrito?) Denitrificazione non respiratoria Microrganismi che producono ossido nitroso in condizioni di aerobiosi senza guadagno di energia

Denitrificazione In assenza di ossigeno il nitrato può essere usato come accettore di elettroni. Batteri denitrificanti: Paracoccus denitrificans, Thiobacillus denitrificans (nel suolo, varie Pseudomonas, Azospirillum, Rhizobium ecc.) NO3- NO2- NO N2O N2 Contemporaneamente alla riduzione dei nitrati vengono ossidati composti organici. C6H12O6  4NO3- CO2 6H2O 2N2 Gli enzimi coinvolti sono completamente inibiti dall’ossigeno ma non dall’ammonio al contrario degli enzimi per la riduzione assimilativa che sono inibiti dall’ammonio e non inibiti dall’ossigeno.

Denitrificazione Ogni stadio del processo di denitrificazione è catalizzato da un enzima distinto, che trasferisce elettroni dalla catena al particolare intermedio della denitrificazione

Human Impact FERTILIZERS! Extra nitrogen fertilizer can runoff, where it contaminates surface water or infiltrates into ground water. In drinking water, excess nitrogen can lead to cancer in humans and respiratory distress in infants.

Human Impact In surface waters, extra nitrogen can lead to nutrient over-enrichment. This leads to fish-kills, harmful algal blooms, and species shifts in aquatic and land ecosystems.

Human Impact Some forms of nitrogen (like NO3- and NH4+) can also enter the atmosphere to become: smog- nitric oxide (NO) Greenhouse gas- nitrous oxide (N2O) Acid Rain- (nitrogen oxides)

Deposizione dell’azoto (mg N m-2 anno-1)