Urease is het enzym dat ureum omzet in respectievelijk ammoniak en kooldioxide, bzw. in ammonium- en carbonaationen (soms ook in waterstofcarbonaationen).
Urease behoort tot de groep ammidasen en wordt vaak aangetroffen in plantenzaden, bacteriën en krabben en zeeschelpen. Plantaardige urease werkt onafhankelijk van het ureumsplitsingsmechanisme als een insecticide en veroorzaakt aggregatie van bloedplaatjes in het bloed van zoogdieren.
Met name het urease in bodembacteriën speelt namelijk een belangrijke rol in de stikstofkringloop. Zonder hen zou stikstofbemesting mogelijk zijn vanwege de ontbinding bij afwezigheid van enzymen. Resistent ureum, een bestanddeel van mest, is niet mogelijk. Aan de andere kant bevinden zich de Urease – positieve bacteriën in mest, de OORZAAK van ongewenste ammoniak Emissies in de veehouderij. In Duitsland naar schatting 490.000 van de 590.000 ton totale ammoniakuitstoot!
De katalytische activiteit van het enzym verhoogt de reactiesnelheid met een factor 10 tot de macht van 14!
Belang voor de landbouw
Urease in bodembacteriën is een voorwaarde voor de werking van uitwerpselen Stikstofmeststof, omdat alleen de hydrolytische splitsing van ureum stikstof als ammonium oplevert Maakt ionen beschikbaar voor planten! Het tussenproduct, ammoniak, is echter gasvormig en bevat slechts kleine hoeveelheden gas kan worden opgenomen door het vocht in de bodem. Er ontsnapt altijd een deel ervan Ammoniak gaat verloren als meststof. Dit aandeel is groter naarmate het geconcentreerder is De grondstof ureum is aanwezig en daardoor gaat de meeste ammoniak verloren uit stalvloeren en mest.
Omdat ammoniak ook op meerdere manieren schadelijk is voor het milieu en internationaal bekend is Na overeenstemming te hebben bereikt over het terugdringen van de uitstoot, wordt onder meer geprobeerd het probleem op te lossen met behulp van ureaseremmers – stoffen die de werking van het enzym beperken of voorkomen – en de Co2-equivalente uitstoot door de veehouderij terug te dringen.
Stikstofverlies na bemesting
Ureum is de meest gebruikte stikstofmeststof. Bij normaal gebruik als Als bestanddeel van kunstmest wordt het toegepaste ureum afgebroken door de urease-activiteit vanBodembacteriën in ammoniak en kooldioxide, waarvan een deel via de lucht ontsnapt, Dit betekent dat 15 tot 35% van de stikstof in de bodem verloren gaat! Dit kan niet door toevoeging Ureaseremmers kunnen worden verminderd. Tegelijkertijd vertragen deze de beschikbaarheid van stikstof waardoor overnitrificatie niet kan optreden!
Ammoniakemissie uit stalmest
Ammoniak is op meerdere manieren schadelijk voor het milieu en daar bestaan afspraken over Emissielimieten. Omdat ongeveer 80% van de ammoniakuitstoot afkomstig is van de landbouwveehouderij, is er een potentieel gebruik van ureaseremmers. Dit is veelbelovender dan bemesting omdat de omstandigheden in de stal beter onder controle kunnen worden gehouden. In tests is al een emissiereductie van 50% bereikt.
Urease-remmers
Ureaseremmers zijn chemische verbindingen die de ureaseactiviteit verminderen of volledig voorkomen. Chemisch gezien zijn dit ook fosfordiamiden, fosfazenen en thiolen op derivaten van hydroxaminezuur en ureum. De toepassingsgebieden liggen in de landbouw, de geneeskunde en het fundamenteel onderzoek naar het remmingsmechanisme. Ook zware metaalionen (meestal zilver, kwik, koper en kaliumazide) urease remmen. Ze kunnen niet worden gebruikt vanwege hun giftigheid! Het gebruik van ammoniumthiosulfaat mislukt omdat het afhankelijk is van de bodemeigenschappen.
Het effect van calciumionen en alkaliën op de enzymactiviteit het urease
Een gedetailleerde analyse van de ureaseactiviteit in de veehouderij is te vinden in het proefschrift van Martin Leinker - van het Instituut voor Landbouw- en Voedingswetenschappen - Universiteit van Halle. Onderwerp: Ontwikkeling van een basisoplossing om de ammoniakemissie uit veestallen te verminderen met behulp van ureaseremmers
Citaat uit het werk:
“Voor het gebied van stabiel houden blijkt dat het urease zeer stabiel is tegen hitte en de pH-waarden van urine, uitwerpselen en vloeroppervlakken zijn optimaal wanneer ze rond de Ph 6 tot 8 zijn liggen. Vloeibare mest die voor langere tijd wordt opgeslagen, heeft doorgaans een reducerend effect op de ureaseactiviteit in de mest. Hoe ruwer en dus grover en oneffener een oppervlak is, hoe beter Op deze plaatsen kunnen ureaseproducerende micro-organismen zich vestigen. Hoe vuiler ze zijn stabiel oppervlak, hoe groter de kans op hoge urease-activiteit en dus het ureumsplitsingspotentieel, op de stalvloer!”
Citaat blz. 83:
“De initiële pH-waarde van het oppervlak van gloednieuwe vloerbedekkingen aan het begin van de test vertoonde verschillende niveaus, afhankelijk van het materiaal. Terwijl rubbervloeren en gietasfalt Ph- waarden van respectievelijk 8,7 en 8,5 werd op betonvloeren een pH-waarde van 11,2 gemeten, wat zeer alkalisch is. Vanaf de 2e dag van het experiment (na besmetting met uitwerpselen en ureum) hadden alle bodemmaterialen vervolgens een gemiddelde pH-waarde van 9,5 – 9,3 – 9,2 in afnemende volgorde van beton, rubber en gietasfalt tot ondergrond. Uitwerpselen en ureumoplossing hadden een gemiddelde pH-waarde van 6,7 en 7,8. De pH-waarden tussen 9,2 en 9,5 lagen dus in lijn met ammoniak Laat een gunstig alkalisch bereik vrij. Deze toename van de oppervlakte-Ph zou te wijten kunnen zijn aan het verhoogde effect van de ureumhydrolysereactie.
p pagina's 182 - 185 staat een verhandeling over de pH-waarde in de vloeibare fase van mest. Ook wordt de ammoniakbalans besproken, die optreedt bij hogere pH-waarden de uitstoot van ammoniakgas wordt vergroot. Dit is ook begrijpelijk want ja Hogere Ph-waarden bereiken het verzadigingsniveau van NH4+-ionen en voorkomen verdere oplossing van ammoniak.
Citaat blz. 150 – 151:
Een invloed van de toepassing van de remmer op de pH-waarde van het oppervlak kon niet worden vastgesteld. De oppervlakte-Ph-waarden van met remmer behandelde proefvelden verschilden significant van onbehandelde proefvelden. Over het geheel genomen steeg de urease-activiteit in de testvelden gedurende de gehele testperiode van ongeveer 1476 naar een niveau van 466 mg NH4+ - Nm-2h-1 (-68%) aanzienlijk verminderd.
Eigen analyse
Het proefschrift heeft betrekking op de remming van de ureaseactiviteit door remmers Ureumopslag in het enzym en daarmee de splitsing van ureum in CO2 en NH3 belemmeren. (Concurrerende reacties met ureum of verandering in sterische uitlijning van het enzym en het blokkeren van het actieve centrum rond het nikkelkation). Een andere en effectievere optie voor remming is het ingrijpen in de ammoniak Evenwicht door het verschuiven van de balans.
De ureaseactiviteit in termen van de Ph-waarde is voldoende onderzocht en gerepliceerd in experimenten op universiteiten en scholen. Het resultaat is duidelijk. De urease ontwikkelt zijn beste activiteit bij een pH-waarde rond de 7! Omdat bij het splitsen van ureum ammoniakgas ontstaat, dat slechts in beperkte mate oplost in water en as Base kan de Ph-waarde verhogen tot 11, er kan slechts een beperkte hoeveelheid ammoniak gevormd worden. De snelheid is dus afhankelijk van de hoeveelheid ammoniakgas die in de lucht diffundeert en zo de verdere splitsing van ureum vrijmaakt. Dit proces vindt plaats op Ph 9 - 10 neemt toe zodat, zoals correct beschreven in het proefschrift, de Ph-waarde aan het oppervlak constant blijft. Hogere PH-waarden leiden tot een verlaging van de reactiesnelheid!
De Ph-waarde van ca. 9,3 wordt verklaard door de maximale concentratie NH3 en NH4+ deeltjes in chemisch evenwicht (buffergebied). Bij hogere Ph-waarden neemt het ammoniakgehalte weer af. De mogelijkheid om de reactiesnelheid te verlagen door het ammoniakevenwicht naar links te verschuiven door alkaliën toe te voegen, werd in het proefschrift niet overwogen. Maar de concentratie hydroxide-ionen wordt beïnvloed door andere basische stoffen Reagentia nemen toe, het aandeel NH4+-ionen in de oplossing neemt af en daarmee de Oploskracht van ammoniak. Tegelijkertijd neemt de reactiesnelheid en daarmee het ontsnappen van ammoniakgas af! De toegevoegde ionen veranderen dan ook de sterische uitlijning van het urease, wat leidt tot een blokkering van het actieve centrum, waarna een optimale remming wordt bereikt. Dit is de basis van een praktijkonderzoek dat wij hebben uitgevoerd.
Wanneer vaste stoffen, die in een waterige oplossing alkaliën vormen met een pH-waarde van 11 - 12, worden toegevoegd aan vloeibare mest met de bekende verhoudingen urine en water, kan het enzym geen of slechts een kleine hoeveelheid ureumsplitsing initiëren, omdat zijn activiteit is te beperkt. Het komt pas weer vrij als de pH-waarde wordt verlaagd door de oplossing met water te verdunnen - bijvoorbeeld in het veld door regen! Deze vaste stoffen – b.v. gebluste kalk forceren een pH-waarde van >12 – hebben precies dat Effecten die als remmers in de landbouw worden gezocht.
Dubbel positief geladen kationen zoals Ca2+- of Mg2+-ionen kunnen de tertiaire structuur van de enzymen veranderen wanneer de concentratie voldoende is. Dat wil zeggen, zich aanpassen aan de eiwitten om hieraan toe te voegen dat de intermoleculaire binding via waterstofbruggen plaatsvindt of de troepen van Van der Waal zijn verstoord. Dit proces is omkeerbaar, wat betekent dat als de reactieomgeving verandert, het enzym weer actief kan worden.
De invloed van ons product is op deze werking gericht, zelfs in de mest op de stalvloer. De anders stank in de dierenstallen neemt aanzienlijk af, maar dat geldt ook voor de mestkelders. Tegelijkertijd wordt de consistentie van de mest vloeibaarder. Daarnaast zorgen de additieven in het product ervoor dat het vocht in de stalvloer wordt opgenomen De absorptie van water wordt verminderd en de activiteit in de waterige oplossing wordt opnieuw beperkt.
Het remmende effect kan worden omgekeerd door de waterinname te verhogen. Omdat een deel van de gemakkelijk oplosbare loog door regen uit de mest spoelt. Dit betekent dat het urease zijn activiteit kan herwinnen nadat het op het veld is aangebracht, zodat Stikstofbemesting van de bodem kan worden toegepast.
De invloed van pH-waarden hoger dan 10 op het vermogen van bacteriën om urease te produceren is nog niet onderzocht. Experimenten hebben echter aangetoond dat dit duidelijk is beperking ontstaat.