脱窒

脱窒は微生物によって促進されるプロセスであり、硝酸塩 (NO ₃ ⁻ ) が還元され、一連の中間ガス状窒素酸化物生成物を経て最終的に分子状窒素(N _{2 ) が生成されます。通性嫌気性細菌は、}有機物などの電子供与体の酸化に反応して窒素の酸化形態を還元する呼吸の一種として脱窒を行います。熱力学的に最も有利なものから最も不利なものの順に、好ましい窒素電子受容体には、硝酸塩(NO ₃ ⁻ )、亜硝酸塩 ( NO ₂ ⁻ )、一酸化窒素(NO)、亜酸化窒素(N _{2 O) が含まれ、最終的に}窒素循環を完了する二窒素(N ₂ )が生成されます。脱窒微生物は、エネルギーを得るために 10% 未満の非常に低い酸素濃度と有機 C を必要とします。脱窒は NO ₃ ^{− を除去して地下水への}浸出を減らすことができるため、窒素含有量の高い下水や動物残渣の処理に戦略的に使用できます。脱窒作用により、オゾン層破壊物質であり、地球温暖化に多大な影響を及ぼす 温室効果ガスである_{N2Oが漏れ出す可能性があります。}

このプロセスは主に従属栄養 細菌（ Paracoccus denitrificansやさまざまなシュードモナスなど）によって実行されますが、 ^[1]独立栄養脱窒菌も特定されています（Thiobacillus denitrificansなど）。^[2]脱窒菌はすべての主要な系統群に存在します。^{[3]一般に、硝酸塩を}_N2に完全に還元するには複数の細菌種が関与しており、還元プロセスでは複数の酵素経路が確認されています。^[4]脱窒プロセスは、硝酸塩を窒素ガスに還元する生物にエネルギーを提供するだけでなく、一部の嫌気性繊毛虫は、酸素呼吸生物のミトコンドリアの使用と同様に、脱窒する共生細菌を利用してエネルギーを得ることができます。^[5]

硝酸塩からアンモニウムへの直接還元、すなわち異化的硝酸塩還元またはDNRAとして知られるプロセスは、 nrf-遺伝子を持つ生物でも可能です。^{[7] [ 8]}これは、ほとんどの生態系において、硝酸塩還元の手段としての脱窒ほど一般的ではありません。脱窒を行う微生物で知られている他の遺伝子には、nir（亜硝酸還元酵素）やnos（亜酸化窒素還元酵素）などがあります。^{[3]これらの遺伝子を持つことが確認されている生物には、} Alcaligenes faecalis、Alcaligenes xylosoxidans 、 Pseudomonas属の多く、Bradyrhizobium japonicum、Blastobacter denitrificansなどがあります。^[9]

脱窒は一般に、括弧内の反応を触媒する酵素を伴う以下の半反応の組み合わせによって進行します。

• NO ₃ ⁻ + 2 H ⁺ + 2 e ⁻ → NO
  ₂⁻ + H ₂ O (硝酸還元酵素)
• いいえ
  ₂⁻ + 2 H ⁺ + e ⁻ → NO + H ₂ O (亜硝酸還元酵素)
• 2 NO + 2 H ⁺ + 2 e ⁻ → N
  ₂O + H ₂ O (一酸化窒素還元酵素)
• いいえ
  ₂O + 2 H ⁺ + 2 e ⁻ → N
  ₂+ H ₂ O (亜酸化窒素還元酵素)

完全なプロセスは、硝酸塩（NO ₃ ^{− ）が完全に}二窒素（N ₂ ）に還元される、純バランスのとれた酸化還元反応として表すことができます。

• 2 NO ₃ ⁻ + 10 e ⁻ + 12 H ⁺ → N ₂ + 6 H ₂ O

自然界では、脱窒は陸上生態系と海洋生態系の両方で起こり得る。^[10]通常、脱窒は、溶存酸素と自由に利用可能な酸素の濃度が枯渇した無酸素環境で起こる。これらの領域では、硝酸塩（NO ₃ ⁻）または亜硝酸塩（NO
₂⁻ ）は、よりエネルギー的に有利な電子受容体である酸素（O ₂ ）の代わりに代替末端電子受容体として使用できます。末端電子受容体は、反応中に電子を受け取ることで還元される化合物です。無酸素環境の例としては、土壌、^{[11] 、} 地下水、^{[12] 、} 湿地、石油貯留層、^{[13] 、}換気の悪い海洋の隅、海底堆積物などが挙げられます。

さらに、脱窒は好気性環境でも起こり得る。脱窒菌の活発な活動は潮間帯で観察され、潮汐周期によって砂質沿岸堆積物の酸素濃度が変動する。^[14]例えば、細菌種パラコッカス・デニトリフィカンスは、好気性および無酸素性の両方の条件下で同時に脱窒を行う。酸素にさらされると、細菌は脱窒の最終段階を触媒する酵素である亜酸化窒素還元酵素を利用することができる。 ^[15]好気性脱窒菌は主にプロテオバクテリア門のグラム陰性細菌である。酵素NapAB、NirS、NirK、およびNosZは、グラム陰性細菌の細胞質と外膜で囲まれた広い空間であるペリプラズムに位置する。^[16]

さまざまな環境要因が、生態系全体の脱窒速度に影響を与える可能性があります。たとえば、温度とpHは脱窒速度に影響を与えることが観察されています。細菌種であるPseudomonas mandeliiでは、脱窒遺伝子の発現は30℃未満の温度と5未満のpHで減少しましたが、活性はpH6〜8の間ではほとんど影響を受けませんでした。^[17]電子供与体としての有機炭素は、底生堆積物や湿地で観察されるように、脱窒の一般的な制限栄養素です。^{[18] [19]}硝酸塩と酸素も脱窒の潜在的な制限要因になる可能性がありますが、後者は湿った土壌でのみ制限効果が観察されています。^[20]酸素はおそらく複数の方法で脱窒作用に影響を与える。ほとんどの脱窒菌は通性であるため、酸素は速度を阻害することができるが、硝化と硝酸塩の生成を促進することで脱窒を刺激することもできる。湿地でも砂漠でも、^[21]水分は脱窒速度に対する環境的制限である。

さらに、環境要因も、脱窒が完了するまで進行するかどうかに影響を及ぼす可能性があります。完了するまでは、最終生成物としてN ₂ Oを放出するのではなく、 NO ₃ ^-からN ₂への完全な還元が行われます。土壌のpHと質感はどちらも脱窒を緩和する要因であり、pHレベルが高いほど反応がより完了します。^[22]栄養成分、特に炭素と窒素の比率は、完全な脱窒に大きく貢献し、^[23]温度や炭素源に関係なく、C：Nの比率が2：1であれば、完全な硝酸塩還元を促進できます。^{[24 ]}亜硝酸還元酵素と亜酸化窒素還元酵素の補因子である銅も、サプリメントとして添加すると完全な脱窒を促進しました。^[25]栄養素と地形に加えて、微生物群集の構成も完全な脱窒の比率に影響を与える可能性があり、原核生物門の放線菌門と熱原生動物門は、他の原核生物と比較して、 N _{2 OよりもN 2}の放出が多くなります。^[26]

脱窒は、土壌環境において同位体分別と呼ばれる状態を引き起こす可能性があります。窒素の2つの安定同位体である¹⁴ Nと¹⁵ Nは、どちらも堆積物プロファイルに含まれています。脱窒時には軽い窒素同位体である¹⁴ Nが優先され、重い窒素同位体である^{15 Nが残留物に残ります。この選択性により、 15} Nと比較してバイオマス中の¹⁴ Nが濃縮されます。 ^{[27]さらに、 14} Nの相対的な存在量を分析することで、脱窒を自然界の他のプロセスと区別することができます。

脱窒は、下水や都市排水から窒素を除去するために一般的に使用されています。また、人工湿地^[28]や河川沿岸地帯^{[29]では、過剰な農業用または家庭用}肥料の使用に起因する硝酸塩による地下水汚染を防ぐための手段的なプロセスでもあります。 ^[30]木材チップバイオリアクターは2000年代から研究されており、農業用排水^[31]や肥料から硝酸塩を除去するのに効果的です。^[32]

無酸素条件下での還元は、嫌気性アンモニウム酸化（アナモックス）と呼ばれるプロセスによっても起こる可能性がある。 ^[33]

NH ₄ ⁺ + NO ₂ ⁻ → N ₂ + 2 H ₂ O

一部の廃水処理場では、メタノール、エタノール、酢酸、グリセリンなどの化合物や独自の製品が廃水に添加され、脱窒細菌の炭素源と電子源を提供します。^[34]このような人工脱窒プロセスの微生物生態は、電子供与体の性質とプロセスの動作条件によって決まります。^{[35] [36]脱窒プロセスは、}産業廃水 の処理にも使用されます。^[37]電気生化学リアクター（EBR）、膜分離活性汚泥法（MBR）、移動床分離活性汚泥法（MBBR） など、多くの脱窒バイオリアクターの種類と設計が産業用途で市販されています。

好気性脱窒菌による好気性脱窒は、別個のタンクの必要性を排除し、汚泥収量を削減する可能性を秘めている。脱窒中に生成されるアルカリ度は硝化におけるアルカリ度の消費を部分的に補うことができるため、アルカリ度要件はそれほど厳しくない。^[16]

硝酸塩を除去するには、さまざまな非生物学的方法があります。これには、化学的方法や電気化学的方法などの窒素化合物を破壊する方法や、イオン交換や逆浸透などの濃縮廃棄物に硝酸塩を選択的に移す方法が含まれます。硝酸塩の化学的除去は高度酸化プロセスで行うことができますが、有害な副産物が発生する可能性があります。^[38]電気化学的方法は、電極間に電圧を印加することで硝酸塩を除去でき、分解は通常カソードで発生します。効果的なカソード材料には、遷移金属、ポスト遷移金属、^{[39]および TiO} ₂などの半導体があります。^[40]電気化学的方法は、多くの場合、高価な化学添加物を必要としませんが、その有効性は pH と存在するイオンによって制限される可能性があります。逆浸透は、硝酸塩などの小さな電荷を帯びた溶質の除去に非常に効果的ですが、望ましい栄養素も除去し、大量の廃水を生み出し、ポンプ圧の増加が必要になる場合があります。イオン交換は、大量の廃棄物を出さずに水から硝酸塩を選択的に除去することができるが^[41]、再生が必要であり、望ましくないイオンの吸収に課題が生じる可能性がある。

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