Cornell University kemister har avslöjat en ny roll för kväveoxid som kan skicka biokemiska läroböcker tillbaka för revision.

De har identifierat ett kritiskt steg i nitrifikationsprocessen, som delvis är ansvarig för jordbrukets utsläpp av skadlig dikväveoxid och dess kemiska kusiner till atmosfären, bidra till globala klimatförändringar.

Nuvarande biokemiska modeller hävdar att oorganisk hydroxylamin är den enda mellanhand som bildas när bakterier omvandlar ammoniak - som används i kommersiella jordbruksgödselmedel - till vilande nitrit. I denna nya studie, kemisterna fann att hydroxylamin omvandlas till en annan intermediär - kväveoxid - som under normala markförhållanden fungerar som det kemiska förspelet till nitrit. Men under ofullkomliga markförhållanden, kväveoxid omvandlas till den potenta växthusgasen dikväveoxid. Verket publicerades i Proceedings of the National Academy of Sciences , 17 juli.

"Vi har hittat ett hål i kvävets kretsloppsrörledning. Eftersom det finns lustgas som flyr ut ur jorden till atmosfären, vi vet nu var hålen är, " sa medförfattaren Jonathan Caranto, postdoktor i kemi. "Kväveoxid är gjord av kväveoxid - det är den omedelbara prekursorn. Om du vet var kväveoxiden kommer ifrån, du kan göra en bra gissning om att lustgas frigörs."

Att förstå hur modellen fungerar är nyckeln till att hitta lösningar för växthusgaser. "Det här är vad forskningen ger:att hitta nya hål att plugga. Hålen i rörledningen kan tätas. Om du inte helt förstår den biokemiska vägen, du kan inte veta var föroreningarna kommer ifrån, " sa medförfattaren Kyle Lancaster, biträdande professor i kemi. "Annat, du skjuter i mörkret."

2015, lustgas utgjorde cirka 5 procent av atmosfärens utsläpp av växthusgaser, jämfört med koldioxid på 82 procent, enligt U.S. Environmental Protection Agency. lustgas, dock, är en ozonnedbrytande gas med en global uppvärmningspotential som är mer än 300 gånger större än koldioxid, sa Caranto. Kväveoxid bidrar också till marknära ozon och producerar surt regn.

Kväveoxid spelar en viktig roll inom medicinen. Journalen Vetenskap utsågs till Årets molekyl 1992 för dess mångsidighet inom hjärthälsa. Forskaren Robert F. Furchgott, som arbetade vid Cornell Medical College - nu Weill Cornell Medicine - från 1941 till 1949, vann 1998 Nobelpriset i fysiologi eller medicin för sin roll i vår förståelse av kväveoxid.

Den nya forskningen visar att kväveoxid bildas på vägen från hydroxylamin till nitrit när jordbakterier använder ammoniak som kemiskt bränsle. Tidigare, forskare hävdade att hydroxylamin direkt omvandlas till nitrit. "Denna forskning kan göra en enorm skillnad i att omarrangera prediktiva kväveflödesmodeller som forskare använder för att optimera gödslingsmetoder, sa Lancaster.

Växthusgas- och nitritproduktion är biprodukter av kommersiell gödsling, och processerna som bildar dem minskar effektiviteten av befruktning, sa Kyle. "Om du kan bromsa bildandet av dessa arter, bromsa oxidationen av ammoniak i gödselmedel, detta kommer att öka "uppehållstiden" för kväve i marken. Jordbruket blir effektivare, mer ekonomiskt och mer hållbart."

Att känna till denna kväveoxidkomponent kan bidra till att minska förhållandet mellan kostnad och nytta för bönder och andra jordbruksproducenter. Lancaster sa:"Denna nya komponent i modeller kan leda till bättre befruktningsplanering."