Kväve får kanske inte samma uppmärksamhet som sina grannar i det periodiska systemet, kol och syre. Men precis som sina grannar är det ett element som vi inte kan leva utan.

Kväveföreningar har viktiga roller inom biologin, inklusive att sänka blodtrycket, hjälpa till att förmedla signaler i våra kroppar och ge näring till växter. I själva verket har industriellt tillverkade gödselmedel rika på kväve i praktiken fördubblat världens kapacitet för livsmedelsodling.

Ändå kan för mycket av allt vara dåligt, och kväve är inget undantag. Till exempel, när regn sköljer bort överflödigt gödselmedel från åkrar och in i sjöar, floder och andra vattendrag, kan de näringsrika föreningarna inuti underblåsa växande populationer av mikrober som kan kväva eller förgifta naturliga ekosystem.

Underliggande kvävets effekter, både hjälpsamma och skadliga, är det som kallas kvävets kretslopp. Det är samlingsnamnet för de kemiska processer som naturens biologiska och geologiska system använder för att bryta ner kväveföreningar och transportera produkterna genom miljön. Även om vetenskapen har utvecklat mycket av kvävekretsloppets helhet, borrar Timothy Warren från Michigan State University och hans team nu ner i dess grundläggande kemiska detaljer.

Teamet släppte nyligen två nya rapporter om den fronten i två olika kemitidskrifter:Nature Chemistry och Journal of the American Chemical Society (JACS ).

Vad Warren och hans team nyligen hittade kommer inte att ge några omedelbara lösningar för att till exempel tillverka och använda gödningsmedel på ett mer hållbart sätt. Men forskarna skapar en mer intim förståelse av kvävets kretslopp som kan leda till holistiska lösningar för att säkerställa en hälsosam balans av kväve, varhelst det behövs.

Under tiden tjänar tidningarna också som en påminnelse om att naturen fortfarande är full av följdmysterier – av vilka några är före människor och växter.

"Vi är väldigt inspirerade av vad vi hittar i naturen, men vi försöker förstå hur naturen beter sig som vi inte har fattat ännu", säger Warren, Barnett Rosenberg-professor och ordförande för Institutionen för kemi i högskolan för naturvetenskap.

"Det finns den etablerade dogmen om hur saker fungerar, men genom att gräva lite djupare och försöka gå utöver det öppnar vi upp vetenskapen för överraskningar."

Förutom att avslöja några nya avslöjanden hjälper båda artiklarna till att beskriva kvävets kretslopp med större detalj och precision än vad som tidigare varit möjligt. Trots sina likheter kommer de också med olika uppsättningar implikationer.

Urkemi med en "nitroboost"

Med risk för att förenkla ett helt vetenskapligt område, handlar kemin om hur atomer byts ut och omordnas när olika molekylära deltagare är inblandade. Några av de mest spännande interaktionerna är de som är avgörande för livet, de som förbättrar vår livskvalitet eller de som hjälper forskare att bättre förstå hur livet på denna planet fungerar.

Kvävecykelns reaktioner kan markera alla tre rutorna, vilket framgår av de som markerats i Warren-teamets papper.

"Dessa två rapporter ger grundläggande nya insikter om molekyler som är viktiga delar av den biogeokemiska kvävecykeln. Den cykeln är avgörande för att ekosystemen ska fungera och vara friska," sa Warren. "Vad vi gör är att titta in i molekyler på nya sätt för att bättre förstå deras koppling till den cykeln."

I synnerhet belyser teamets JACS-papper en ny väg som naturen kan använda för att omvandla kväveoxid till dikväveoxid, som båda är viktiga molekyler i sina egna rättigheter.

Kväveoxid, gjord av en kväveatom och en syreatom, utsågs till "Årets molekyl" 1992 av tidskriften Science. Och folk kanske känner igen lustgas, som innehåller två kväveatomer och ett syre, från dess huvudroll i skrattagas eller dess biroll som "nitroboost" i filmserien "Fast and Furious".

Återigen är Warrens team medvetna om molekylernas tillämpningar, men forskarna drivs av vad dessa reaktioner avslöjar på en mer fundamental, kemisk nivå. JACS papper, till exempel, avslöjar att kväveoxid är förvånansvärt skickligt på att ta emot elektroner från andra reaktanter.

Under rätt förutsättningar kan lustgas också vara en bra elektronacceptor, men syre ger en stadig standard på denna arena. Det är därför kemister refererar till sådana elektronacceptorföreningar som oxidanter, oxidationsmedel och oxidationsmedel. Oxidatorer får metall att rosta, men de är också avgörande för många viktiga biologiska och industriella reaktioner.

Men syre var inte en lättillgänglig vara i jordens atmosfär förrän planeten var ett par miljarder år gammal. Det var då de första mikroberna började avge det, med växter som senare följde efter genom fotosyntes.

"Naturen gjorde oxidationskemi före den stora oxidationshändelsen, innan fotosyntesen startade," sa Warren. "Det betyder att både kväveoxid och relaterade kväveföreningar förmodligen var viktiga oxidanter i urlivet, innan jorden hade mycket syre.

"Det visar sig att naturen har utvecklat enzymer som kan göra den oxidationskemin med dessa föreningar," sa han. "Det här dokumentet ger nya insikter om hur naturen använder dem idag och kanske till och med innan syre var rikligt."

Berättelsen om en trasig molekyl

Teamets Naturkemi papper fokuserade på en annan del av kvävecykeln, en som börjar med en förening som kallas nitrit, en negativt laddad molekyl som består av en kväveatom bunden till två syreatomer.

Nitrit dyker upp på många ställen, varav många återspeglar dualiteten av kväve. Nitrit finns i gödselmedel som hjälper växter att växa. Det är också i avrinningen som förorenar akvatiska ekosystem.

Nitrit finns naturligt i hälsosamma nivåer i frukt och grönsaker. Samtidigt rekommenderar läkare att vi begränsar vår konsumtion av bearbetat kött, där nitritsalter används som konserveringsmedel i jämförelsevis höga nivåer.

När det gäller nitrit är skillnaden mellan välsignelse och börda kopplad till doseringen, men också i om och hur det metaboliseras eller omvandlas till andra föreningar. Det betyder, med en bättre förståelse av kvävets kretslopp, kan kemi hjälpa till att mildra nitrits skadliga effekter genom att utveckla enzymer eller andra katalytiska verktyg som sätter den på väg mot mer fördelaktiga nedströmsprodukter. Det inkluderar kväveoxid, 1992 års "Molecule of the Year."

Jordmikrober har enzymer som omvandlar nitrit till kväveoxid i en mycket koreograferad uppsättning kemiska interaktioner som sker samtidigt. Warrens team har hittat ett sätt att bryta isär den processen till en stegvis, sekventiell affär. Att hitta denna syntetiska metod för att efterlikna naturen kommer att göra det möjligt för kemister att bättre undersöka olika aspekter av reaktionen.

Detta kommer att hjälpa kemister att vara mer medvetna när de utformar katalysatorer som kan göra saker som att hjälpa till att bryta ner gödselnäringsämnen innan de når naturliga vattendrag. Det öppnar också upp applikationer längre bort från kvävets roll i naturen, sade Warren, till exempel vid långtidslagring av kärnavfall där nitriter är närvarande. I sin studie upptäckte teamet också en del ny kemi som till och med kan hjälpa till att öka betygen på grundutbildningen.

"I varje allmän kemikurs, oavsett om du tar den på MSU eller någon annanstans, lär du dig att nitrit är en anjon med en elektrisk laddning på -1. Men om den av misstag tilldelas en laddning på -2, har vi hittat ett sätt det visar att det här också kan vara rätt," sa Warren.

"Vi har avslöjat en ny grundläggande molekyl i naturen:nitrit med en -2-laddning. Det har inte diskuterats så mycket tidigare, förutom som en flyktig art i kärnavfall eller kanske när eleverna har fel på tentor." + Utforska vidare

Forskare efterlyser mer arbete för att balansera kvävets kretslopp