Microbial formation of nitrous acid and its exchange processes between soils and atmosphere

Salpetrige Säure (HONO) ist eine wichtige Form von reaktivem Stickstoff, die aufgrund ihrer Photolyse zu Stickstoffmonoxid (NO) und dem Hydroxylradikal (OH), sehr kurzlebig ist. Ein genaues Verständnis der Quellen und Senken von HONO ist eine grundlegende Voraussetzung, um dessen Einfluss auf die Umwelt zu beurteilen. Allerdings wird immer noch nach einer starken HONO-Quelle am Tag gesucht und nächtliche HONO-Deposition auf den Boden wurde bisher stets nur postuliert. Diese Dissertation folgt der Zielsetzung die Prozesse der HONO-Aufnahme und Freisetzung von Böden aufzudecken und die zugrunde liegenden Mechanismen zu verstehen.rnUm die Rolle von HONO-Bodenemissionen zu quantifizieren, wurden 17 Böden in einem dynamischen Kammersystem untersucht. Es konnten HONO-Emissionen derselben Größenordnung wie die bereits gut untersuchten NO-Emissionen festgestellt werden. Unerwarteter Weise wurden die stärksten Emissionen bei Böden mit neutralem pH aus ariden und landwirt¬schaftlichen Gebieten beobachtet. Die Temperaturabhängigkeit der Bodenemissionen von HONO und NO führten zu der Annahme einer mikrobiellen Freisetzung von HONO, welche durch Reinkulturexperimente mit dem ammoniumoxidierenden Bakterium Nitrosomonas europaea bestätigt werden konnte. Ein konzeptionelles Model für die Freisetzung reaktiver Stickstoffverbindungen aus Böden in Abhängigkeit des Bodenwassergehaltes wurde um HONO-Emissionen erweitert.rnDurch Nachweise mittels Reinkultur- und Inhibitionsexperimenten konnten weitere Untersuchungen der bakteriellen Freisetzung von HONO aus Böden zeigen, dass innerhalb der bakteriellen Nitrifikation nur ammoniumoxidierende Bakterien zur Emission von HONO fähig sind. Durch kontrolliert initiierte Zelllyse konnte gezeigt werden, dass intrazellulär akkumuliertes Hydroxylamin (NH2OH) für die HONO-Freisetzung verantwortlich sind. Zum ersten Mal wurde NH2OH in der Gasphase nachgewiesen und dass dieses über den gesamten Bodenfeuchtebereich von ammoniumoxidierenden Bakterien freigesetzt wird. Es wurde gezeigt, dass die heterogene Reaktion von NH2OH mit Wasserdampf auf einer Glasperlenoberfläche HONO bildet. Diese Reaktion erklärt die beobachtete Freisetzung von HONO bei niedrigen Bodenfeuchten, da nur dann die Oberfläche zur Reaktion zur Verfügung steht und nicht von Wasser bedeckt ist.rnEine 15N Isotopenmarkierungsmethode wurde entwickelt um isotopenmarkiertes gasförmiges HONO zu messen, was die Untersuchung der Bildungsprozesse von HONO und dessen Rolle in biogeochemischen Zyklen ermöglicht. Die Anwendung dieser neuen Methode auf eine Bodenprobe die mit 15N Harnstoff angereichert und in einem dynamischen Kammersystem untersucht wurde, bestätigt die obigen Ergebnisse einer starken mikrobiellen Beteiligung von Bodenbakterien zur HONO Freisetzung.rnBidirektionale Flüsse von HONO wurden für sechs untersuchte Bodenproben gefunden. Die Richtung der Flüsse hängt dabei vom Umgebungsmischungsverhältnis von HONO und dem Bodenwassergehalt ab. Eine wichtige Größe, die die bidirektionalen Flüsse von HONO beschreibt, ist das „Ökosystem spezifische Kompensationsmischungsverhältnis von HONO“, χcomp. Dieser neue Begriff wurde definiert und eingeführt, da die verschiedenen in den Bodenaustausch von HONO involvierten Prozesse nicht mit dem klassischen Kompensationspunktkonzept kompatibel sind. Die Untersuchungen bestätigen neueste Feldbeobachtungen, dass HONO, welches bei hohen Umgebungsmischungsverhältnissen vom Boden adsorbiert wird, bei niedrigen Mischungsverhält-nissen wieder vom Boden desorbiert wird. Folglich wird nächtlich akkumuliertes HONO tagsüber in eine Quelle für HONO umgewandelt. Vier Prozesse - Verteilung von HONO zwischen Gas- und Flüssigphase nach Henrys Gesetz, bakterielle HONO Bildung aus NH2OH, Adsorption und Desorption von HONO - und deren Dominanz in speziellen Bodenfeuchtebereichen wurden identifiziert. Dadurch wurde ein konzeptionelles Model für die Prozesse, die in Aufnahme und Freisetzung von HONO aus Böden involviert sind, als Funktion der Bodenfeuchte entwickelt.rnZusammenfassend hat diese Dissertation die entscheidenden Prozesse im Austausch von HONO zwischen Boden und Atmosphäre aufgeklärt und den der bakteriellen HONO Bildung zugrunde liegenden Mechanismus aufgedeckt. Es konnte gezeigt werden, dass Böden sowohl eine wichtige Quelle als auch eine Senke für HONO sind und sollten folglich in zukünftigen Feldmessungen stärker berücksichtigt werden.rn

A study on the phylogeny and the ecology of ammonia-oxidizing bacteria using a new molecular marker based on the gene amoB

L'agricultura i la industrialització han causat un augment significatiu del nombre d'ambients rics en amoni. La presència de compostos nitrogenats redueix la qualitat de l'aigua, causant problemes de toxicitat, deteriorant el medi ambient i fins i tot afectant la salut humana. En conseqüència, la nitrificació s'ha convertit en un procés global que afecta al cicle del nitrogen a la biosfera. Els bacteris oxidadors d'amoni (AOB) són els responsables de l'oxidació de l'amoni a nitrit, i juguen un paper essencial en el cicle del nitrogen. Els primers oxidadors d'amoni foren aïllats a finals del segle XIX, però la lentitud del seu creixement i les dificultats per cultivar-los feren que fins als anys 80, amb els primers estudis emprant el gen 16SrDNA, no s'assolís un coneixement complert d'aquest grup bacterià. Actualment les bases de dades contenen multitud d'entrades amb seqüències corresponents a AOB. L'objectiu d'aquest treball era trobar, desenvolupar i avaluar eines útils i fiables per a l'estudi dels AOB en mostres ambientals. En aquest treball primer descrivim la utilització de la hibridació in situ amb fluorescència (FISH), mitjançant l'aplicació de sondes amb diana en el 16SrRNA dels AOB. La FISH ens va permetre detectar i recomptar aquest grup bacterià; no obstant, aquest mètode no permetia la detecció de noves seqüències, pel que es necessitava una nova eina. Amb aquesta intenció vam aplicar la seqüència de la sonda Nso1225 en una PCR. El fet d'amplificar específicament un fragment del 16SrDNA dels AOB va suposar el desenvolupament d'una nova eina molecular que permetia detectar la presència i diversitat d'aquests bacteris en ambients naturals. Malgrat tot, algunes seqüències pertanyents a bacteris no oxidadors d'amoni del subgrup β dels proteobacteris, eren també obtingudes amb aquesta tècnica. Així mateix, un dels inconvenients de l'ús del 16SrDNA com a marcador és la impossibilitat de detectar simultàniament els AOB que pertanyen als subgrups β i γ dels proteobacteris. El gen amoA, que codifica per la subunitat A de l'enzim amoni monooxigenasa (AMO), era aleshores àmpliament utilitzat com a marcador per a la detecció dels AOB. En aquest treball també descrivim la utilització d'aquest marcador en mostres procedents d'un reactor SBR. Aquest marcador ens va permetre identificar seqüències de AOB en la mostra, però la necessitat de detectar amoA mitjançant clonatge fa que l'ús d'aquest marcador requereixi massa temps per a la seva utilització com a eina en estudis d'ecologia microbiana amb moltes mostres. Per altra banda, alguns autors han assenyalat l'obtenció de seqüències de no AOB en utilitzar amoA en un protocol de PCR-DGGE. Amb la finalitat d'obtenir una eina ràpida i rigorosa per detectar i identificar els AOB, vam desenvolupar un joc nou d'oligonucleòtids amb diana en el gen amoB, que codifica per a la subunitat transmembrana de l'enzim AMO. Aquest gen ha demostrat ser un bon marcador molecular pels AOB, oferint, sense tenir en compte afiliacions filogenètiques, una elevada especificitat, sensibilitat i fiabilitat. En aquest treball també presentem una anàlisi de RT-PCR basada en la detecció del gen amoB per a la quantificació del gènere Nitrosococcus. El nou joc d'oligonucleòtids dissenyat permet una enumeració altament específica i sensible de tots els γ-Nitrosococcus coneguts. Finalment, vam realitzar un estudi poligènic, comparant i avaluant els marcadors amoA, amoB i 16SrDNA, i vàrem construir un arbre filogenètic combinat. Com a resultat concloem que amoB és un marcador adequat per a la detecció i identificació dels AOB en mostres ambientals, proporcionant alhora agrupacions consistents en fer inferències filogenètiques. Per altra banda, la seqüència sencera del gen 16S rDNA és indicada com a marcador en estudis amb finalitats taxonòmiques i filogenètiques en treballar amb cultius purs de AOB.

Diversity and abundance of ammonia-oxidizing bacteria in eutrophic and oligotrophic basins of a shallow Chinese lake (Lake Donghu)

Classical cultivation and molecular methods based on the ammonia monooxygenase gene (amoA) were used to study the abundance and diversity of beta-proteobacterial ammonia-oxidizing bacteria (AOB) in lake sediments. The eutrophic and oligotrophic basins of a Chinese shallow lake (Lake Donghu), in terms of ammonium (NH4+) concentrations, were sampled. The AOB number was significantly lower in the oligotrophic basin, but significantly higher in the eutrophic basin. In addition, using restriction fragment length polymorphism targeting the amoA, ten restriction patterns including six unique ones were found in the eutrophic basin, while five patterns were observed in the oligotrophic basin with only one unique restriction group. Phylogenetic analysis for AOB revealed that Nitrosomonas oligotropha- and Nitrosomonas ureae-related AOB and Nitrosospira-affiliated AOB were ubiquitous; the former dominated in the eutrophic basin (87.2%), while the latter dominated in the oligotrophic basin (65.5%). Furthermore, Nitrosomonas communis-related AOB was only detected in the eutrophic basin, at a small proportion (3.2%). These results indicate significant selection and adaptation of sediment AOB in lakes with differing trophic status. (C) 2009 Elsevier Masson SAS. All rights reserved.

Effect of free ammonia and free nitrous acid concentration on the anabolic and catabolic processes of an enriched Nitrosomonas culture

The effects of free ammonia (FA; NH3) and free nitrous acid (FNA; HNO2) concentrations on the metabolisms of an enriched ammonia oxidizing bacteria (AOB) culture were investigated using a method allowing the decoupling of growth and energy generation processes. A lab-scale sequencing batch reactor (SBR) was operated for the enrichment of an AOB culture. Fluorescent in-situ hybridization (FISH) analysis showed that 82% of the bacterial population in the SBR bound to the NEU probe specifically designed for Nitrosomonas europaea. Batch tests were carried out to measure the oxygen and ammonium consumption rates by the culture at various FA and FNA levels, in the presence or absence of inorganic carbon (CO2, HCO3, and CO32-). It was revealed that FA of up to 16.0 mgNH(3)-N (.) L-1, which was the highest concentration used in this study, did not have any inhibitory effect on either the catabolic or anabolic processes of the Nitrosomonas culture. In contrast, FNA inhibited both the growth and energy production capabilities of the Nitrosomonas culture. The inhibition on growth initiated at approximately 0.10 mgHNO(2)-(NL-1)-L-., and the data suggested that the biosynthesis was completely stopped at an FNA concentration of 0.40 mgHNO(2)-N (.) L-1. The inhibition on energy generation initiated at a slightly lower level but the Nitrosomonas culture was still oxidizing ammonia at half of the maximum rate at an FNA concentration of 0.50-0.63 mgHNO(2)-N (.) L-1. The affinity constant of the Nitrosomonas culture with respect to ammonia was determined to be 0.36 mgNH3-N (.) L-1, independent of the presence or absence of inorganic carbon. (c) 2006 Wiley Periodicals, Inc.

Formation and surface exchange of nitrous acid

Die salpetrige Säure (HONO) ist eine der reaktiven Stickstoffkomponenten der Atmosphäre und Pedosphäre. Die genauen Bildungswege von HONO, sowie der gegenseitige Austausch von HONO zwischen Atmosphäre und Pedosphäre sind noch nicht vollständig aufgedeckt. Bei der HONO-Photolyse entsteht das Hydroxylradikal (OH) und Stickstoffmonooxid (NO), was die Bedeutsamkeit von HONO für die atmosphärische Photochemie widerspiegelt.rnUm die genannte Bildung von HONO im Boden und dessen anschließenden Austausch mit der Atmosphäre zu untersuchen, wurden Messungen von Bodenproben mit dynamischen Kammern durchgeführt. Im Labor gemessene Emissionsflüsse von Wasser, NO und HONO zeigen, dass die Emission von HONO in vergleichbarem Umfang und im gleichen Bodenfeuchtebereich wie die für NO (von 6.5 bis 56.0 % WHC) stattfindet. Die Höhe der HONO-Emissionsflüsse bei neutralen bis basischen pH-Werten und die Aktivierungsenergie der HONO-Emissionsflüsse führen zu der Annahme, dass die mikrobielle Nitrifikation die Hauptquelle für die HONO-Emission darstellt. Inhibierungsexperimente mit einer Bodenprobe und die Messung einer Reinkultur von Nitrosomonas europaea bestärkten diese Theorie. Als Schlussfolgerung wurde das konzeptionelle Model der Bodenemission verschiedener Stickstoffkomponenten in Abhängigkeit von dem Wasserhaushalt des Bodens für HONO erweitert.rnIn einem weiteren Versuch wurde zum Spülen der dynamischen Kammer Luft mit erhöhtem Mischungsverhältnis von HONO verwendet. Die Messung einer hervorragend charakterisierten Bodenprobe zeigte bidirektionale Flüsse von HONO. Somit können Böden nicht nur als HONO-Quelle, sondern auch je nach Bedingungen als effektive Senke dienen. rnAußerdem konnte gezeigt werden, dass das Verhältnis von HONO- zu NO-Emissionen mit dem pH-Wert des Bodens korreliert. Grund könnte die erhöhte Reaktivität von HONO bei niedrigem pH-Wert und die längere Aufenthaltsdauer von HONO verursacht durch reduzierte Gasdiffusion im Bodenporenraum sein, da ein niedriger pH-Wert mit erhöhter Bodenfeuchte am Maximum der Emission einhergeht. Es konnte gezeigt werden, dass die effektive Diffusion von Gasen im Bodenporenraum und die effektive Diffusion von Ionen in der Bodenlösung die HONO-Produktion und den Austausch von HONO mit der Atmosphäre begrenzen. rnErgänzend zu den Messungen im Labor wurde HONO während der Messkampagne HUMPPA-COPEC 2010 im borealen Nadelwald simultan in der Höhe von 1 m über dem Boden und 2 bis 3 m über dem Blätterdach gemessen. Die Budgetberechnungen für HONO zeigen, dass für HONO sämtliche bekannte Quellen und Senken in Bezug auf die übermächtige HONO-Photolyserate tagsüber vernachlässigbar sind (< 20%). Weder Bodenemissionen von HONO, noch die Photolyse von an Oberflächen adsorbierter Salpetersäure können die fehlende Quelle erklären. Die lichtinduzierte Reduktion von Stickstoffdioxid (NO2) an Oberflächen konnte nicht ausgeschlossen werden. Es zeigte sich jedoch, dass die fehlende Quelle stärker mit der HONO-Photolyserate korreliert als mit der entsprechenden Photolysefrequenz, die proportional zur Photolysefrequenz von NO2 ist. Somit lässt sich schlussfolgern, dass entweder die Photolyserate von HONO überschätzt wird oder dass immer noch eine unbekannte, HONO-Quelle existiert, die mit der Photolyserate sehr stark korreliert. rn rn

Vibration-rotation spectra of nitrous acid, HONO

High-resolution Fourier-transform infrared spectra have been recorded and analyzed for the nu4, nu5, and nu6 fundamental bands of trans-HONO, and for the nu4 fundamental of cis-HONO. The spectral resolution was better than 0.01/cm, and the rotational structure has been analyzed to give improved ground-state and excited-state rotational constants, with a standard deviation of the fit to the observed line positions of around 0.0006/cm. Two Coriolis interactions have been analyzed between the nu5 and nu6 bands of trans-HONO.

The reaction of flavanols with nitrous acid protects against N-nitrosamine formation and leads to the formation of nitroso derivatives which inhibit cancer cell growth

Studies have suggested that diets rich in polyphenols Such as flavonoids may lead to a reduced risk of gastrointestinal cancers. We demonstrate the ability of monomeric and dimeric flavanols to scavenge reactive nitrogen species derived from nitrous acid. Both epicatechin and dimer B2 (epicatechin dimer) inhibited nitrous acid-induced formation of 3-nitrotyrosine and the formation of the carcinogenic N-nitrosamine, N-nitrosodimethylamine. The reaction of monomeric and dimeric epicatechin with nitrous acid led to the formation of mono- and di-nitroso flavanols, whereas the reaction with hesperetin resulted primarily in the formation of nitrated products. Although, epicatechin was transferred across the jejunum of the small intestine yielding metabolites, its nitroso form was not absorbed. Dimer B2 but not epicatechin monomer inhibited the proliferation of, and triggered apoptosis in, Caco-2 cells. The latter was accompanied by caspase-3 activation and reductions in Akt phosphorylation, suggesting activation of apoptosis via inhibition of prosurvival signaling. Furthermore, the dinitroso derivative of dimer B2, and to a lesser extent the dinitroso-epicatechin, also induced significant toxic effects in Caco-2 cells. The inhibitory effects on cellular proliferation were paralleled by early inhibition of ERK 1/2 phosphorylation and later reductions in cyclin D I levels, indicating modulation of cell cycle regulation in Caco-2 cells. These effects highlight multiple routes in which dietary derived flavanols may exert beneficial effects in the gastrointestinal tract. (c) 2005 Elsevier Inc. All rights reserved.

Microbial activities in boreal soils: Biodegradation of organic contaminants at low temperature and ammonia oxidation

This thesis deals with the response of biodegradation of selected anthropogenic organic contaminants and natural autochthonous organic matter to low temperature in boreal surface soils. Furthermore, the thesis describes activity, diversity and population size of autotrophic ammonia-oxidizing bacteria (AOB) in a boreal soil used for landfarming of oil-refinery wastes, and presents a new approach, in which the particular AOB were enriched and cultivated in situ from the landfarming soil onto cation exchange membranes. This thesis demonstrates that rhizosphere fraction of natural forest humus soil and agricultural clay loam soil from Helsinki Metropolitan area were capable of degrading of low to moderate concentrations (0.2 50 µg cm-3) of PCP, phenanthrene and 2,4,5-TCP at temperatures realistic to boreal climate (-2.5 to +15 °C). At the low temperatures, the biodegradation of PCP, phenanthrene and 2,4,5-TCP was more effective (Q10-values from 1.6 to 7.6) in the rhizosphere fraction of the forest soil than in the agricultural soil. Q10-values of endogenous soil respiration (carbon dioxide evolution) and selected hydrolytic enzyme activities (acetate-esterase, butyrate-esterase and β-glucosidase) in acid coniferous forest soil were 1.6 to 2.8 at temperatures from -3 to +30 °C. The results indicated that the temperature dependence of decomposition of natural autochthonous soil organic matter in the studied coniferous forest was only moderate. The numbers of AOB in the landfarming (sandy clay loam) soil were determined with quantitative polymerase chain reaction (real-time PCR) and with Most Probable Number (MPN) methods, and potential ammonium oxidation activity was measured with the chlorate inhibition technique. The results indicated presence of large and active AOB populations in the heavily oil-contaminated and urea-fertilised landfarming soil. Assessment of the populations of AOB with denaturing gradient gel electrophoresis (DGGE) profiling and sequence analysis of PCR-amplified 16S rRNA genes showed that Nitrosospira-like AOB in clusters 2 and 3 were predominant in the oily landfarming soil. This observation was supported by fluorescence in situ hybridization (FISH) analysis of the AOB grown on the soil-incubated cation-exchange membranes. The results of this thesis expand the suggested importance of Nitrosospira-like AOB in terrestrial environments to include chronically oil-contaminated soils.

The infrared vibration-rotation spectrum of trans and cis nitrous acid

Infrared spectra of the trans and the cis isomers of nitrous acid, both HONO and DONO, have been observed in the gas phase using a Fourier transform interferometer with a resolution of about 0.05 cm−1 from 4000 to 500 cm−1. Rotational analyses are reported on eleven of the fundamentals and some overtones.

Vibrationally mediated photodissociation of nitrous acid

Hitherto unobserved overtone and combination bands of nitrous acid have been investigated by Fourier-transform infrared absorption spectroscopy and through the resonance enhancements they provide in the two-photon excition spectrum for forming OH(X) photofragments. Analysis of the band profiles associated with the second and third O—H stretching overtones of trans-HONO, and of the energy disposal into the OH(X) fragments resulting from two-photon dissociation mediated by these overtone levels, provide some clues as to the mechanism for intramolecular vibrational energy redistribution (IVR) within these vibrationally excited molecules. The work serves to highlight further the extreme sensitivity of vibrationally mediated photodissociation (VMP) as a means of revealing weak O—H stretching overtones, even in situations (as here) where the species of interest is but a minor constituent of an equilibrium mixture.

Atmospheric emission of reactive nitrogen during biofuel ethanol production

This paper evaluates emissions to the atmosphere of biologically available nitrogen compounds in a region characterized by intensive sugar cane biofuel ethanol production. Large emissions of NH(3) and NO,, as well as particulate nitrate and ammonium, occur at the harvest when the crop is burned, with the amount of nitrogen released equivalent to similar to 35% of annual fertilizer-N application. Nitrogen oxides concentrations show a positive association with fire frequency, indicating that biomass burning is a major emission source, with mean concentrations of NO, doubling in the dry season relative to the wet season. During the dry season biomass burning is a source of NH3, with other sources (wastes, soil, biogenic) predominant during the wet season. Estimated NO(2)-N, NH(3)-N, NO(3)(-)-N and NH(4)(+)-N emission fluxes from sugar cane burning in a planted area,of ca. 2.2 x 10(6) ha are 11.0, 1.1, 0.2, and 1.2 Gg N yr(-1), respectively.