L'azoto potrebbe non ricevere lo stesso livello di attenzione dei suoi vicini sulla tavola periodica, carbonio e ossigeno. Ma come i suoi vicini, è un elemento senza il quale non possiamo vivere.

I composti dell'azoto hanno ruoli importanti in biologia, tra cui l'abbassamento della pressione sanguigna, l'aiuto nella trasmissione di segnali nel nostro corpo e il nutrimento per le piante. In effetti, i fertilizzanti industriali ricchi di azoto hanno effettivamente raddoppiato la capacità di coltivazione alimentare mondiale.

Eppure troppo di qualsiasi cosa può essere dannoso e l'azoto non fa eccezione. Ad esempio, quando la pioggia porta via il fertilizzante in eccesso dai campi e finisce nei laghi, nei fiumi e in altri specchi d'acqua, i composti nutrienti all'interno possono alimentare le crescenti popolazioni di microbi che possono soffocare o avvelenare gli ecosistemi naturali.

Alla base degli impatti dell'azoto, utile e dannoso allo stesso modo, c'è il cosiddetto ciclo dell'azoto. Questo è il nome collettivo dei processi chimici che i sistemi biologici e geologici della natura utilizzano per abbattere i composti dell'azoto e trasportare i prodotti attraverso l'ambiente. Sebbene la scienza abbia sviluppato gran parte del quadro generale del ciclo dell'azoto, Timothy Warren della Michigan State University e il suo team stanno ora studiando i dettagli chimici fondamentali.

Il team ha recentemente pubblicato due nuovi rapporti su questo fronte in due diverse riviste di chimica:Nature Chemistry e il Journal of the American Chemical Society (JACS ).

Ciò che Warren e il suo team hanno scoperto di recente non fornirà soluzioni immediate, ad esempio, per la produzione e l'utilizzo di fertilizzanti in un modo più sostenibile. Ma i ricercatori stanno creando una comprensione più intima del ciclo dell'azoto che potrebbe portare a soluzioni olistiche per garantire un sano equilibrio di azoto, ovunque sia necessario.

Nel frattempo, i giornali servono anche a ricordare che la natura è ancora piena di misteri conseguenti, alcuni dei quali precedono persone e piante.

"Siamo molto ispirati da ciò che troviamo in natura, ma stiamo cercando di capire i modi in cui la natura si comporta che non abbiamo ancora imparato", ha affermato Warren, Barnett Rosenberg Professor e presidente del Dipartimento di Chimica in il Collegio di Scienze Naturali.

"C'è il dogma consolidato di come funzionano le cose, ma scavando un po' più a fondo e cercando di andare oltre, apriamo la scienza alle sorprese."

Oltre a svelare alcune nuove rivelazioni, entrambi i documenti aiutano a descrivere il ciclo dell'azoto con maggiore dettaglio e precisione di quanto fosse possibile in precedenza. Nonostante le loro somiglianze, però, hanno anche diversi insiemi di implicazioni.

Chimica primordiale con una "spinta nitro"

A rischio di semplificare eccessivamente un intero campo scientifico, la chimica si occupa di come gli atomi vengono scambiati e riorganizzati quando sono coinvolti diversi partecipanti molecolari. Alcune delle interazioni più intriganti sono quelle essenziali per la vita, quelle che migliorano la qualità della nostra vita o quelle che aiutano gli scienziati a capire meglio come funziona la vita su questo pianeta.

Le reazioni del ciclo dell'azoto possono spuntare tutte e tre le caselle, come evidenziato da quelle evidenziate nei documenti del team Warren.

"Questi due rapporti forniscono nuove informazioni fondamentali sulle molecole che sono parti importanti del ciclo biogeochimico dell'azoto. Quel ciclo è fondamentale per il funzionamento e la salute degli ecosistemi", ha affermato Warren. "Quello che stiamo facendo è scrutare le molecole in nuovi modi per comprendere meglio la loro connessione a quel ciclo."

In particolare, il documento JACS del team illumina un nuovo percorso che la natura può utilizzare per convertire l'ossido nitrico in protossido di azoto, che sono entrambe molecole importanti a sé stanti.

L'ossido nitrico, composto da un atomo di azoto e un atomo di ossigeno, è stato nominato "Molecola dell'anno" nel 1992 dalla rivista Science. E le persone possono riconoscere il protossido di azoto, che contiene due atomi di azoto e un ossigeno, dal suo ruolo da protagonista nel gas esilarante o dal suo ruolo di supporto come "nitro boost" nel franchise di film "Fast and Furious".

Ancora una volta, il team di Warren è a conoscenza delle applicazioni delle molecole, ma i ricercatori sono guidati da ciò che queste reazioni rivelano a un livello chimico più fondamentale. Il JACS la carta, ad esempio, rivela che l'ossido nitrico è sorprendentemente abile ad accettare elettroni da altri reagenti.

Nelle giuste condizioni, il protossido di azoto può anche essere un buon accettore di elettroni, ma l'ossigeno fornisce uno standard costante in questo campo. Ecco perché i chimici si riferiscono a tali composti accettori di elettroni come ossidanti, ossidanti e agenti ossidanti. Gli ossidanti notoriamente causano la ruggine del metallo, ma sono anche fondamentali per molte importanti reazioni biologiche e industriali.

Ma l'ossigeno non era una merce prontamente disponibile nell'atmosfera terrestre fino a quando il pianeta non aveva un paio di miliardi di anni. Fu allora che i primi microbi iniziarono a emetterlo, con le piante che in seguito seguirono l'esempio attraverso la fotosintesi.

"La natura stava facendo chimica di ossidazione prima del Grande Evento di ossidazione, prima che iniziasse la fotosintesi", ha detto Warren. "Ciò significa che sia l'ossido nitrico che i relativi composti azotati erano probabilmente importanti ossidanti nella vita primordiale, prima che la Terra avesse molto ossigeno.

"Si scopre che la natura ha sviluppato enzimi che possono fare quella chimica di ossidazione con questi composti", ha detto. "Questo documento fornisce nuovi spunti su come la natura li utilizza oggi e forse anche prima che l'ossigeno fosse abbondante."

La storia di una molecola rotta

Natura Chimica del team articolo incentrato su una parte diversa del ciclo dell'azoto, che inizia con un composto noto come nitrito, una molecola carica negativamente costituita da un atomo di azoto legato a due atomi di ossigeno.

Il nitrito si presenta in molti luoghi, molti dei quali riflettono la dualità dell'azoto. Il nitrito è nei fertilizzanti che aiutano le piante a crescere. È anche nel deflusso che inquina gli ecosistemi acquatici.

Il nitrito si trova naturalmente a livelli sani in frutta e verdura. Allo stesso tempo, i medici raccomandano di limitare il nostro consumo di carni lavorate, in cui i sali di nitrito sono usati come conservanti in quantità relativamente elevate.

Quando si tratta di nitriti, la divisione tra vantaggio e onere è legata al dosaggio, ma anche a se e come viene metabolizzato o convertito in altri composti. Ciò significa che, con una migliore comprensione del ciclo dell'azoto, la chimica potrebbe aiutare a mitigare gli effetti dannosi dei nitriti sviluppando enzimi o altri strumenti catalitici che la mettano sulla buona strada verso prodotti a valle più benefici. In particolare, ciò include l'ossido nitrico, "Molecola dell'anno" del 1992.

I microbi del suolo hanno enzimi che convertono il nitrito in ossido nitrico in un insieme altamente coreografico di interazioni chimiche che si verificano contemporaneamente. Il team di Warren ha trovato un modo per spezzare quel processo in un affare graduale e sequenziale. Trovare questo approccio sintetico per imitare la natura consentirà ai chimici di sondare meglio diversi aspetti della reazione.

Ciò aiuterà i chimici a essere più deliberati nella progettazione di catalizzatori che possono fare cose come aiutare ad abbattere i nutrienti dei fertilizzanti prima che raggiungano i corsi d'acqua naturali. Apre anche applicazioni ulteriormente rimosse dal ruolo dell'azoto in natura, ha affermato Warren, come nello stoccaggio a lungo termine di scorie nucleari dove sono presenti nitriti. Nel suo studio, il team ha anche scoperto una nuova chimica che potrebbe persino aiutare a migliorare i voti degli studenti universitari.

"In ogni corso di chimica generale, che tu lo faccia alla MSU o da qualche altra parte, impari che il nitrito è un anione con una carica elettrica di -1. Ma se gli viene accidentalmente assegnata una carica di -2, abbiamo trovato un modo questo dimostra che anche questo può essere giusto", ha detto Warren.

"Abbiamo rivelato una nuova molecola fondamentale in natura:il nitrito con una carica -2. Non se ne è parlato molto prima, tranne che come specie fugace nelle scorie nucleari o forse quando gli studenti sbagliano durante gli esami". + Esplora ulteriormente

I ricercatori chiedono più lavoro per bilanciare il ciclo dell'azoto