Von der Natur abgeschaut: Japanischen Forschern gelingt „sanfter“ Nitratabbau

Stickstoff ist ein wichtiges Element verschiedener biologischer Prozesse und es ist oft notwendig, ihn in die eine oder andere Form umzuwandeln. Im Stickstoffkreislauf der Natur übernehmen normalerweise Bakterien und Mikroorganismen diese Aufgabe. Der übermäßige Einsatz von Dünger überfordert jedoch die natürlichen Prozesse.

Abwässer aus der Landwirtschaft und ablaufendes Oberflächenwasser von Feldern können zu einer Nitratbelastung des Trinkwassers und zu übermäßigem Algenwachstum in Seen und Sümpfen führen, daher ist es notwendig, die Nitratbelastung in der Umwelt zu verringern.

Wissenschaftler des Center for Sustainable Resource Science in Japan (CSRS) und des Korean Basic Science Institute haben von der Natur gelernt und fanden einen Katalysator, der Nitrat (NO₃⁻) effizient in Nitrit (NO₂⁻) umwandelt, ohne dass hohe Temperaturen oder starke Säuren erforderlich sind. Ihre Ergebnisse veröffentlichten sie in der internationalen Ausgabe der Fachzeitschrift „Angewandte Chemie“.

Künstliche Natur ermöglicht sanfte Nitrat-Behandlung

Derzeit helfen Mikroben bei der Reinigung nitrathaltiger Abwässer. Dies ist jedoch nicht immer möglich, da eine zu hohe NO₃⁻-Konzentration das Überleben der Mikroorganismen unmöglich machen kann. Technische Prozesse, die die gleiche Aufgabe erfüllen, erfordern Katalysatoren aus seltenen Metallen, hohe Temperaturen, starke Strahlung oder eine stark saure Umgebung. Ziel der Forscher war es daher, die Technik zu vereinfachen, sodass die Umwandlung kostengünstig bei Umgebungstemperaturen durchführbar ist.

Das internationale Team unter der Leitung von Ryuhei Nakamura (CSRS) nutzt die gleiche Methode wie die natürliche Nitratreduktase. Sie ersetzten die dabei verwendeten Enzyme durch oxohaltiges Molybdänsulfid. Mit dieser sauerstoffreichen Molybdän-Schwefel-Verbindung gelang es ihnen, Nitrat in einem wässrigen Elektrolyten bei neutralem pH-Wert zu Nitrit zu katalysieren.

Bereits zuvor identifizierten die Forscher die Verbindung als einen vielversprechenden Kandidaten und wussten, dass es besser als andere Katalysatoren funktioniert. Warum, wussten sie aber nicht.

Weitere Untersuchungen zeigten, „dass die Oxo-Molybdänsulfid-Katalysatoren aktive Stellen haben könnten, die denen in Enzymen ähnlich sind“, sagte Studienautor Yamei Li.

Molybdän und Sauerstoff beschleunigen Nitratabbau

Um diese Hypothese zu testen, haben Li und seine Kollegen beobachtet, wie sich die chemischen Spezies auf der Katalysatoroberfläche verändern. Schließlich fanden sie heraus, dass fünfwertiges Molybdän mit Sauerstoffliganden – eines der Zwischenprodukte – als aktive Spezies fungierte, die die Reaktion beschleunigte. Diese Verbindung weist zudem eine ähnliche Struktur wie der aktive Kern der natürlichen Nitratreduktase auf.

„Dieses Ergebnis zeigt, dass Nitrat-Ionen in einer milden Umgebung umgewandelt werden können, ohne auf Katalysatoren für seltene Metalle angewiesen zu sein“, fasste Studienleiter Nakamura die Ergebnisse zusammen. „Wir hoffen, dass dies die Entwicklung einer neuen Technologie für die Synthese von Ammoniak aus Abwässern ermöglicht“.

(Mit Material des RIKEN Center for Sustainable Resource Science)