Dénitrification

La dénitrification est un processus facilité par les micro-organismes au cours duquel le nitrate ( NO₃⁻) est éliminé.−3L'azote est réduit et produit finalement de l'azote moléculaire (N₂ ₎ via une série de produits intermédiaires gazeux, les oxydes d'azote. Les bactéries anaérobies facultatives effectuent la dénitrification, un type de respiration qui réduit les formes oxydées de l'azote en réponse à l'oxydation d'un donneur d'électrons tel que la matière organique . Parmi les accepteurs d'électrons azotés préférés, classés du plus au moins favorable thermodynamiquement, figurent les nitrates ( NO₃⁻).−3), nitrite ( NO−2), l'oxyde nitrique (NO), l'oxyde nitreux ( N₂O ), aboutissant finalement à la production de N₂ , bouclant ainsi le cycle de l'azote . Les microbes dénitrifiants nécessitent une très faible concentration d' oxygène _, inférieure à 10 %, ainsi que du carbone organique pour leur énergie. La dénitrification permet d'éliminer le NO₃⁻ _.−3En réduisant son lessivage vers les eaux souterraines, elle peut être utilisée de manière stratégique pour traiter les eaux usées ou les résidus animaux à forte teneur en azote. La dénitrification peut toutefois entraîner des fuites de N₂O _, un gaz à effet de serre qui appauvrit la couche d'ozone et contribue fortement au réchauffement climatique.

Ce processus est principalement réalisé par des bactéries hétérotrophes (telles que Paracoccus denitrificans et diverses pseudomonades ) , bien que des dénitrificateurs autotrophes aient également été identifiés (par exemple, Thiobacillus denitrificans ) . Les dénitrificateurs sont représentés dans tous les principaux groupes phylogénétiques . Généralement, plusieurs espèces de bactéries sont impliquées dans la réduction complète du NO₃⁻.−3à N₂ _, et plusieurs voies enzymatiques ont été identifiées dans le processus de réduction. Le processus de dénitrification ne fournit pas seulement de l'énergie à l'organisme effectuant la réduction du nitrate en diazote gazeux, mais certains ciliés anaérobies peuvent également utiliser des endosymbiontes dénitrifiants pour obtenir de l'énergie, de manière similaire à l'utilisation des mitochondries chez les organismes respirant de l'oxygène .

La réduction directe du nitrate en ammonium , un processus connu sous le nom de réduction dissimilatrice du nitrate en ammonium ou DNRA [ également possible chez les organismes possédant le gène nrf . Ce mécanisme est moins fréquent que la dénitrification dans la plupart des écosystèmes. Parmi les autres gènes connus chez les micro-organismes dénitrifiants, on trouve notamment ( nitrite réductase ) et nos ( oxyde nitreux réductase ) . Les organismes identifiés comme possédant ces gènes incluent Alcaligenes faecalis , Alcaligenes xylosoxidans , de nombreuses espèces du genre Pseudomonas , Bradyrhizobium japonicum et Blastobacter denitrificans .

La dénitrification se déroule généralement par une combinaison des demi-réactions suivantes, l'enzyme catalysant la réaction entre parenthèses :

• NO₃⁻ ⁺ 2 H⁺ ⁺ 2 _e⁻ ^→ NO₂⁻ + H ₂ O ( Nitrate réductase )
• NON₂⁻ + 2 H ⁺ + e ⁻ → NO + H ₂ O ( Nitrite réductase )
• 2 NO + 2 H ⁺ + 2 e ⁻ → N₂O + H ₂ O ( réductase de l'oxyde nitrique )
• N₂O + 2 H ⁺ + 2 e ⁻ → N₂+ H ₂ O ( Réductase de l'oxyde nitreux )

Le processus complet peut être exprimé comme une réaction d'oxydoréduction équilibrée , où le nitrate (NO ₃ ⁻ ) est totalement réduit en diazote (N ₂ ) :

• 2 NO₃⁻ ₊ 10 ^{e⁻ +} 12 H⁺ ^→ N₂ + _{6 H₂O}

Dans la nature, la dénitrification peut avoir lieu dans les écosystèmes terrestres et marins . Typiquement, elle se produit dans des environnements anoxiques, où la concentration d'oxygène dissous et disponible est faible. Dans ces milieux, les nitrates (NO₃⁻ ₎ ou les nitrites ( ^{NO₂⁻ ) se transforment en nitrates (} NO₃⁻).₂^{L'anion (} O₂ ) peut être utilisé comme accepteur d'électrons terminal de substitution à l' oxygène (O₂ ₎ , un accepteur d'électrons plus favorable énergétiquement. Un accepteur d'électrons terminal est un composé qui est réduit lors de la réaction en captant des électrons. Parmi les exemples de milieux anoxiques, on peut citer les sols , les eaux souterraines , les zones humides , les réservoirs pétroliers les zones mal ventilées des océans et les sédiments marins .

De plus, la dénitrification peut également se produire en milieu oxygéné. Une forte activité des dénitrifiants est observée dans les zones intertidales, où les cycles de marée entraînent des fluctuations de la concentration en oxygène dans les sédiments côtiers sableux . Par exemple, l'espèce bactérienne Paracoccus denitrificans réalise la dénitrification simultanément en conditions oxygénées et anoxiques. En présence d'oxygène, la bactérie est capable d'utiliser la protoxyde d'azote réductase , une enzyme qui catalyse la dernière étape de la dénitrification . Les dénitrifiants aérobies sont principalement des bactéries Gram négatif appartenant au phylum des Protéobactéries. Les enzymes NapAB, NirS, NirK et NosZ sont localisées dans le périplasme, un vaste espace délimité par les membranes cytoplasmique et externe chez les bactéries Gram négatif

Divers facteurs environnementaux peuvent influencer le taux de dénitrification à l'échelle d'un écosystème. Par exemple, la température et le pH ont un impact sur ce taux. Chez la bactérie Pseudomonas mandelii , l'expression des gènes de dénitrification est réduite à des températures inférieures à 30 °C et à un pH inférieur à 5, tandis que l'activité reste globalement inchangée entre 6 et 8 pH . Le carbone organique, en tant que donneur d'électrons, est un nutriment limitant fréquent pour la dénitrification, comme observé dans les sédiments benthiques et les zones humides l'oxygène peuvent également être des facteurs limitants potentiels, bien que ce dernier n'ait un effet limitant observé que dans les sols humides . L'oxygène influence probablement la dénitrification de plusieurs manières : la plupart des dénitrifiants étant facultatifs, l'oxygène peut inhiber le processus, mais il peut aussi le stimuler en facilitant la nitrification et la production de nitrates. Dans les zones humides comme dans les déserts, l'humidité est une limitation environnementale des taux de dénitrification.

De plus, des facteurs environnementaux peuvent influencer la dénitrification, c'est-à-dire son aboutissement, caractérisé par la réduction complète du NO₃⁻ ^en _N₂ plutôt _que par la libération de N₂O _comme produit final. Le pH et la texture du sol sont deux facteurs qui modulent la dénitrification : un pH plus élevé favorise la réaction jusqu'à son terme . La composition en nutriments, et notamment le rapport carbone/azote, contribue fortement à la dénitrification complète , un rapport C/N de 2:1 permettant une réduction totale des nitrates, indépendamment de la température ou de la source de carbone . Le cuivre, cofacteur de la nitrite réductase et de la protoxyde d'azote réductase , favorise également la dénitrification complète lorsqu'il est ajouté comme supplément . Outre les nutriments et le terrain, la composition de la communauté microbienne peut aussi affecter le taux de dénitrification complète. Les phylums procaryotes Actinomycetota et Thermoproteota sont responsables d'une plus grande libération de N₂ _que de N₂O _, comparativement aux autres procaryotes.

La dénitrification peut induire un fractionnement isotopique dans le sol. Les deux isotopes stables de l'azote, ^¹⁴N et ^¹⁵ N, sont présents dans les profils sédimentaires. L'isotope le plus léger, ^¹⁴ N, est favorisé lors de la dénitrification, laissant l'isotope le plus lourd, ^¹⁵N, dans la matière résiduelle. Cette sélectivité entraîne un enrichissement en ^{¹⁴ N par rapport à ¹⁵} N dans la biomasse De plus, l'abondance relative de ^¹⁴ N peut être analysée pour distinguer la dénitrification des autres processus naturels.

La dénitrification est couramment utilisée pour éliminer l'azote des eaux usées domestiques et municipales . C'est également un procédé essentiel dans les zones humides artificielles et les zones riveraines pour prévenir la pollution des eaux souterraines par les nitrates résultant d'une utilisation excessive d'engrais agricoles ou résidentiels . Les bioréacteurs à copeaux de bois sont étudiés depuis les années 2000 et se sont révélés efficaces pour éliminer les nitrates des eaux de ruissellement agricoles et même du fumier

La réduction dans des conditions anoxiques peut également se produire par un processus appelé oxydation anaérobie de l'ammonium ( anammox ) :

NH₄⁺ ⁺ NO₂⁻ ^→ N₂ + 2 _{H₂O​​​}

Dans certaines stations d'épuration , des composés tels que le méthanol , l'éthanol , l'acétate , la glycérine ou des produits brevetés sont ajoutés aux eaux usées afin de fournir une source de carbone et d'électrons aux bactéries dénitrifiantes. L'écologie microbienne de ces procédés de dénitrification est déterminée par la nature du donneur d'électrons et les conditions opératoires. Les procédés de dénitrification sont également utilisés pour le traitement des eaux usées industrielles . De nombreux types et modèles de bioréacteurs dénitrifiants sont disponibles sur le marché pour les applications industrielles, notamment les réacteurs électro-biochimiques (REB) , les bioréacteurs à membrane (BRM) et les bioréacteurs à lit mobile (BLM).

La dénitrification aérobie, réalisée par des dénitrificateurs aérobies, pourrait permettre de se passer de bassins séparés et de réduire la production de boues. Les exigences en alcalinité sont moins strictes car l'alcalinité générée lors de la dénitrification peut compenser partiellement la consommation d'alcalinité pendant la nitrification.

Diverses méthodes non biologiques permettent d'éliminer les nitrates. Parmi celles-ci figurent les méthodes de destruction des composés azotés, telles que les méthodes chimiques et électrochimiques, et celles qui transfèrent sélectivement les nitrates vers un flux de déchets concentré, comme l'échange d'ions ou l'osmose inverse. L'élimination chimique des nitrates peut être réalisée par des procédés d'oxydation avancée, bien qu'elle puisse générer des sous-produits dangereux . Les méthodes électrochimiques permettent d'éliminer les nitrates par l'application d'une tension entre des électrodes, la dégradation se produisant généralement à la cathode. Les matériaux cathodiques efficaces comprennent les métaux de transition, les métaux post-transition et les semi-conducteurs comme le TiO₂ _[ Les méthodes électrochimiques permettent souvent d'éviter l'utilisation d'additifs chimiques coûteux, mais leur efficacité peut être limitée par le pH et la concentration en ions. L'osmose inverse est très efficace pour éliminer les solutés chargés de petite taille comme les nitrates, mais elle peut également éliminer des nutriments essentiels, générer d'importants volumes d'eaux usées et nécessiter des pressions de pompage plus élevées. L'échange d'ions peut éliminer sélectivement les nitrates de l'eau sans générer de grands flux de déchets, mais nécessite une régénération et peut rencontrer des difficultés avec l'absorption d'ions indésirables.