Stikstof krijgt misschien niet hetzelfde aandachtsniveau als zijn buren op het periodiek systeem, koolstof en zuurstof. Maar net als zijn buren is het een element waar we niet zonder kunnen.

Stikstofverbindingen spelen een belangrijke rol in de biologie, waaronder het verlagen van de bloeddruk, het helpen doorgeven van signalen in ons lichaam en het leveren van voeding aan planten. In feite hebben industrieel gemaakte meststoffen die rijk zijn aan stikstof de wereldvoedselcapaciteit verdubbeld.

Toch kan te veel van alles slecht zijn, en stikstof is geen uitzondering. Wanneer regen bijvoorbeeld overtollige mest wegspoelt van velden en in meren, rivieren en andere watermassa's, kunnen de voedzame verbindingen erin de groeiende populaties microben voeden die natuurlijke ecosystemen kunnen verstikken of vergiftigen.

De onderliggende effecten van stikstof, zowel nuttig als schadelijk, is wat bekend staat als de stikstofcyclus. Dat is de verzamelnaam voor de chemische processen die de biologische en geologische systemen van de natuur gebruiken om stikstofverbindingen af ​​te breken en de producten door de omgeving te transporteren. Hoewel de wetenschap veel van het grote geheel van de stikstofcyclus heeft ontwikkeld, verdiepen Timothy Warren en zijn team van de Michigan State University zich nu in de fundamentele chemische details ervan.

Het team heeft onlangs twee nieuwe rapporten op dat vlak gepubliceerd in twee verschillende scheikundetijdschriften:Nature Chemistry en het Journal of the American Chemical Society (JACS ).

Wat Warren en zijn team onlangs ontdekten, biedt geen directe oplossingen voor bijvoorbeeld het duurzamer maken en gebruiken van meststoffen. Maar de onderzoekers creëren een beter begrip van de stikstofcyclus, wat zou kunnen leiden tot holistische oplossingen voor een gezonde balans van stikstof, waar dat ook nodig is.

Ondertussen herinneren de kranten er ook aan dat de natuur nog steeds vol mysteries zit, waarvan sommige dateren van vóór mensen en planten.

"We zijn erg geïnspireerd door wat we in de natuur vinden, maar we proberen manieren te begrijpen waarop de natuur zich gedraagt ​​die we nog niet hebben opgepikt", zegt Warren, Barnett Rosenberg Professor en voorzitter van de afdeling Chemie in het College voor Natuurwetenschappen.

"Er is het gevestigde dogma van hoe dingen werken, maar door een beetje dieper te graven en verder te gaan, stellen we de wetenschap open voor verrassingen."

Naast het blootleggen van een paar nieuwe onthullingen, helpen beide artikelen de stikstofcyclus met meer detail en precisie te beschrijven dan voorheen mogelijk was. Ondanks hun overeenkomsten hebben ze echter ook verschillende implicaties.

Oorspronkelijke chemie met een 'nitro-boost'

Met het risico een heel wetenschappelijk veld te versimpelen, houdt chemie zich bezig met hoe atomen worden uitgewisseld en herschikt wanneer verschillende moleculaire deelnemers erbij betrokken zijn. Enkele van de meest intrigerende interacties zijn interacties die essentieel zijn voor het leven, die onze kwaliteit van leven verbeteren of die wetenschappers helpen beter te begrijpen hoe het leven op deze planeet werkt.

De reacties van de stikstofcyclus kunnen alle drie de vakjes aanvinken, zoals blijkt uit de reacties in de documenten van het Warren-team.

"Deze twee rapporten bieden fundamenteel nieuwe inzichten in moleculen die belangrijke onderdelen zijn van de biogeochemische stikstofcyclus. Die cyclus is van cruciaal belang voor ecosystemen om te werken en gezond te zijn," zei Warren. "Wat we doen is op nieuwe manieren in moleculen kijken om hun verband met die cyclus beter te begrijpen."

In het bijzonder belicht het JACS-document van het team een ​​nieuwe weg die de natuur kan gebruiken om stikstofmonoxide om te zetten in lachgas, die beide op zichzelf belangrijke moleculen zijn.

Stikstofmonoxide, gemaakt van één stikstofatoom en één zuurstofatoom, werd in 1992 door het tijdschrift Science uitgeroepen tot "Molecuul van het Jaar". En misschien herkennen mensen lachgas, dat twee stikstofatomen en één zuurstof bevat, van zijn hoofdrol in lachgas of zijn ondersteunende rol als "nitro-boost" in de "Fast and Furious" filmfranchise.

Nogmaals, het team van Warren is op de hoogte van de toepassingen van de moleculen, maar de onderzoekers worden gedreven door wat deze reacties onthullen op een meer fundamenteel, chemisch niveau. De JACS papier onthult bijvoorbeeld dat stikstofmonoxide verrassend bedreven is in het accepteren van elektronen van andere reactanten.

Onder de juiste omstandigheden kan lachgas ook een goede elektronenacceptor zijn, maar zuurstof biedt een standvastige standaard in deze arena. Daarom noemen chemici dergelijke elektronenacceptorverbindingen oxidanten, oxidatiemiddelen en oxidatiemiddelen. Oxidatiemiddelen zorgen ervoor dat metaal roest, maar ze zijn ook cruciaal voor veel belangrijke biologische en industriële reacties.

Maar zuurstof was geen gemakkelijk verkrijgbare grondstof in de atmosfeer van de aarde totdat de planeet een paar miljard jaar oud was. Dat is het moment waarop de eerste microben het begonnen uit te zenden, en later volgden planten door middel van fotosynthese.

"De natuur deed oxidatiechemie vóór het Great Oxidation Event, voordat de fotosynthese begon", zei Warren. "Dat betekent dat zowel stikstofmonoxide als verwante stikstofverbindingen waarschijnlijk belangrijke oxidanten waren in het oorspronkelijke leven, voordat de aarde veel zuurstof had.

"Het blijkt dat de natuur enzymen heeft ontwikkeld die die oxidatiechemie met deze verbindingen kunnen doen," zei hij. "Dit artikel biedt nieuwe inzichten over hoe de natuur ze vandaag de dag gebruikt en misschien zelfs voordat zuurstof overvloedig aanwezig was."

Het verhaal van een gebroken molecuul

Natuurchemie . van het team paper concentreerde zich op een ander deel van de stikstofcyclus, een die begint met een verbinding die bekend staat als nitriet, een negatief geladen molecuul dat bestaat uit een stikstofatoom gebonden aan twee zuurstofatomen.

Nitriet komt op veel plaatsen voor, waarvan vele de dualiteit van stikstof weerspiegelen. Nitriet zit in meststoffen die planten helpen groeien. Het is ook in de afvoer die aquatische ecosystemen vervuilt.

Nitriet komt van nature in gezonde hoeveelheden voor in fruit en groenten. Tegelijkertijd raden artsen aan om onze consumptie van vleeswaren te beperken, waarin nitrietzouten in relatief hoge hoeveelheden als conserveermiddel worden gebruikt.

Als het op nitriet aankomt, is de kloof tussen zegen en last gebonden aan de dosering, maar ook aan de vraag of en hoe het wordt gemetaboliseerd of omgezet in andere verbindingen. Dat betekent dat, met een beter begrip van de stikstofcyclus, chemie zou kunnen helpen de schadelijke effecten van nitriet te verminderen door enzymen of andere katalytische hulpmiddelen te ontwikkelen die het op weg helpen naar gunstiger stroomafwaartse producten. Dat geldt met name ook voor stikstofmonoxide, de 'Molecuul van het Jaar' uit 1992.

Bodemmicroben hebben enzymen die nitriet omzetten in stikstofmonoxide in een zeer gechoreografeerde reeks chemische interacties die tegelijkertijd plaatsvinden. Warrens team heeft een manier gevonden om dat proces op te splitsen in een stapsgewijze, opeenvolgende affaire. Door deze synthetische benadering te vinden om de natuur na te bootsen, kunnen scheikundigen verschillende aspecten van de reactie beter onderzoeken.

Dit zal scheikundigen helpen bewuster te zijn bij het ontwerpen van katalysatoren die dingen kunnen doen zoals helpen bij het afbreken van voedingsstoffen voor kunstmest voordat ze natuurlijke waterwegen bereiken. Het opent ook toepassingen die verder verwijderd zijn van de rol van stikstof in de natuur, zei Warren, zoals bij de langdurige opslag van nucleair afval waar nitrieten aanwezig zijn. In hun onderzoek ontdekte het team ook een nieuwe scheikunde die zelfs zou kunnen helpen om de cijfers van niet-gegradueerden te verhogen.

"In elke algemene scheikundecursus, of je die nu aan de MSU volgt of ergens anders, leer je dat nitriet een anion is met een elektrische lading van -1. Maar als het per ongeluk een lading van -2 krijgt, hebben we een manier gevonden dat laat zien dat dit ook goed kan zijn," zei Warren.

"We hebben een nieuw fundamenteel molecuul in de natuur onthuld:nitriet met een -2-lading. Er is nog niet veel over gesproken, behalve als een vluchtige soort in nucleair afval of misschien wanneer studenten het bij het verkeerde eind hebben bij examens." + Verder verkennen

Onderzoekers pleiten voor meer werk om de stikstofcyclus in evenwicht te brengen