Zeitschrift für mikrobielle und biochemische Technologie

Abstrakt

Schätzung der Denitrifikationsenzymaktivität in Feuchtgebietsböden mit direkter simultaner Quantifizierung von Stickstoff und Lachgas durch Membraneinlass-Massenspektrometrie

Fred J. Genthner, Dragoslav T. Marcowitsch und John C. Lehrter

Der mikrobiell vermittelte Prozess der Denitrifikation ist ein wichtiger Weg zur Entfernung von reaktivem Stickstoff, einem Schadstoff in natürlichen Umgebungen und Abfallbehandlungsanlagen. Das Denitrifikationspotenzial, gemessen als Denitrifikationsenzymaktivität (DEA), wurde in neuartigen anaeroben Kurzzeittests (4 h) quantifiziert. Dabei wurde eine empfindlichere und präzisere Technik verwendet, nämlich die Membraneinlass-Massenspektrometrie (MIMS) anstelle der herkömmlichen Headspace-Elektroneneinfang-Gaschromatographie (GC-ECD). Mithilfe von MIMS ermöglichten Modifikationen am Gerät und an der Probenhandhabung die gleichzeitige und direkte Messung der Reaktionsprodukte Distickstoffmonoxid (N2O), ein starkes Treibhausgas, und des chemisch nicht reaktiven Distickstoffs (N2). Die Raten wurden anhand der Steigung einer linearen Kurve bestimmt, die durch Aufzeichnen zunehmender Konzentrationen der Reaktionsprodukte im Zeitverlauf erstellt wurde. Ein starker Beweis für die Gültigkeit der mit MIMS gemessenen DEA-Raten wurde durch den Nachweis konsistenter, linearer Ansammlungen von N2O oder N2 und enger Übereinstimmung der Raten aus Wiederholungsreaktionen erbracht. Die Reaktionen wurden mit Feuchtgebietsböden und Kulturen von Pseudomonas aeruginosa und P. chloroaphis durchgeführt, die die Denitrifikationsendprodukte N2 bzw. N2O erzeugten. Unter Acetylenhemmung produzierte P. aeruginosa das N2O-Endprodukt mit einer Rate, die der Rate entsprach, die in der ungehemmten Reaktion erreicht wurde, bei der N2 erzeugt wurde. Es wurde kein signifikanter (p>0,05) Unterschied zwischen MIMS oder Headspace mit GC-ECD beobachtet, wobei DEA in Feuchtgebietsbodenreaktionen unter Acetylenhemmung bestimmt wurde. Aufgrund der anoxischen Bedingungen in den mit MIMS verwendeten Reaktionsgefäßen wurden nachweisbare N2O-Akkumulationsraten nur in mit Acetylen blockierten Reaktionen oder in Kulturen von P. chloroaphis beobachtet. Diese Methode hat potenzielle Anwendungen, die von nahezu Echtzeitmessungen von Abwasserbehandlungsprozessen bis hin zu Feldstudien des Stickstoffkreislaufs reichen. Die kontinuierliche Entwicklung und Anwendung dieser Art von Methoden ist erforderlich, um unser Verständnis der Mechanismen zu verbessern, die die Denitrifikation und ihre harmlosen N2- und schädlichen N2O-Endprodukte regulieren.