Application of Mediated Electrochemical Analysis to Study Humics Driven Anoxic Nitrogen Cycling

Abstract

Natürliches organisches Material (NOM) fungiert als Elektronenakzeptor und Elektronendonor in Böden und Grundwasserleitern. Es besitzt redox-aktive Komponenten, die einen großen Bereich an Standard-Redoxpotentialen überspannen. Den Elektronentransfer von und zu NOM in biogeochemischen Redoxprozessen nachzuweisen ist jedoch eine analytische Herausforderung. Neuere Entwicklungen in der elektrochemischen Analyse haben die Quantifizierung der Redoxeigenschaften (d.h. Elektronen Abgabe Kapazität (EDC), Elektronen Aufnahme Kapazität (EAC)) von NOM jedoch erheblich verbessert. Gleichwohl wird diese Technik bei Untersuchungen von mikrobiellen Prozessen zum NOM Redoxkreislauf nur selten angewendet. Der Zusammenhang zwischen anoxischem Stickstoffkreislauf (N) und NOM Redoxtransformationen ist bislang nur ungenügend untersucht in Bezug auf Elektronentransfermechanismen und ökologische Nischen. Das vorrangige Ziel meiner Arbeit war die elektrochemische Analytik weiter zu optimieren um den durch Huminstoffe (HS, größte Fraktion von NOM) angetriebenen mikrobiellen N Kreislauf in anoxischen Systemen zu untersuchen. Im ersten Kapitel der Arbeit habe ich den Stand der Forschung bezüglich der Anwendung der elektrochemischen Analyse für die Untersuchung von des mikrobiellen NOM Kreislaufs zusammengetragen. Hierbei wurde der Vorteil der mediierten elektrochemischen Analyse gegenüber traditionellen chemischen Methoden und direkter elektrochemischen Analyse herausgearbeitet. Weiterhin habe ich das Potenzial der mediierten elektrochemischen Analyse für biogeochemische Untersuchungen veranschaulicht. Hierfür wurden mehrere bislang noch nicht beschriebene Zusammenhänge zwischen mikrobellem NOM Redoxkreislauf und C und N Emissionen evaluiert. Abschließend stellte ich Strategien vor um die Problematik, die durch redoxaktive Intermediate entstehen und folglich die Anwendung der vermittelnden elektrochemischen Analyse in mikrobiellen Systemen beeinträchtigen zu überwinden. Meine Arbeit zeigte, dass die Anwesenheit von Nitrit (NO2─) , ein im N-Kreislauf wichtiges Zwischenprodukt, mit der elektrochemischen Bestimmung der Elektronen Akzeptor Kapazität interferiert. Zur Lösung wurde ein Protokoll mittels Amidosulfonsäure wurde etabliert. Zudemkpnnte nachweisen, dass Zellen von Geobacter sulfurreducens in der mediierten elektrochemischen Analyse elektroaktivität zeigen in Abhängigkeit ihrers Zytochrom Gehalts. Ein Protokoll um die durch Geobacter sulfurreducens Zellen hervorgerufen Interferenzen zu eliminieren muss jedoch noch entwickelt werden. Im zweiten Teil der Dissertation entwickelte ich einen Bioassay für die Eliminierung von Nitrit aus Huminstoff-Proben mittels des denitrifizierenden Bakteriums Pseudomonas nitroreducens. Mittels Zellsuspensionen von P. nitroreducens konnte NO2─ (Konzentration von 1, 2, 5 mM) vollständig aus HS Proben (1g HA/L) mit unterschiedlichen Redoxstatus entfernt werden. Da P. nitroreducens nicht in der Lage ist, Elektronen mit gelösten HS auszutauschen, erlaubt das Protokoll eine akkurate und präzise Bestimmung der EAC in Huminsäure Proben auch in Gegenwart von Nitrit. Weitere Ergebnisse des Zellsuspensionsexperiments bestätigten, dass P. nitroreducens weder EDC noch EAC von Huminsäuren verändert. Der Denitrifikationsassay stellt eine robuste Methode dar, die bei circumneutralem pH durchgeführt wird. Daher können pH-induzierte Nebenreaktionen von Nitrit mit Huminstoffen vermieden werden, welche im sauren Milieu auftreten könnten. Im dritten Teil meiner Arbeit fokussierte ich mich auf die Untersuchung der mikrobiellen HS Oxidation gekoppelt mit der N2O Reduktion (nicht-denitrifizierende N2O Reduktion und vollständige Denitrifikation). Mechanistische Untersuchungen der nicht-denitrifizierenden N2O Reduktion sind rar. In meiner Studie habe ich mit drei N2O reduzierenden Bakterienkulturen untersucht ob , die N2O Reduktion mit der Oxidation eines elektrochemisch reduzieren Hydroquinons (AH2QDS; Anthrahydroquinone-2,6-disulfonat) gekoppelt werden kann. AH2QDS ist eine gut wasserlösliche Modellsubstanz für Huminstoffe. Bei den untersuchten Stämmen handelt es sich um den vermeintlich nicht-denitrifizierende N2O Reduzierer Desulfitobacterium hafniense Y51 und die vollständig denitrifizierenden Stämme Paracoccus denitrificans und Thiobacillus denitrificans. Die Ergebnisse der Zellsuspensionsexperimente zeigten, dass keiner der Stämme Elektronen für die N2O Veratmung aus dem extrazellulären Hydroquinon AH2QDS gewinnen konnte. Der Stamm P. denitrificans oxidierte jedoch AH2QDS im Zuge der Denitrifikation zu N2O. Eine weitere Reduktion von N2O zu N2 blieb jedoch aus. Es zeigte sich das weder zugebenes N2O noch biogenes N2O für die Oxidation des Hydroquinons verwendet wurde. In Folgestudien sollten die Inkubationsbedingungen weiter optimiert werden um weitere Einblicke in die Zusammenhänge zwischen mikrobiellen HS Oxidation und N2O Reduktion zu erlangen. Neben Model Substanzen sollten komplexere HS Proben als potenzielle Elektonendonoren3 untersucht werden. Zur Quantifizierung der Redoxeigenschaften der HS- Proben steht die vermittelnde elektrochemische Analyse zur Verfügung. Diese Arbeit erweitert den Anwendungsbereich der mediierten elektrochemischen Analyse für Untersuchungen zum Huminstoff-beeinflussten anoxischen Stickstoff Kreislaufs (z.B. N-Oxid Reduktion) in anoxischen Systemen.