Ammoniumtoksisitet

Ammoniumforgiftning. Hos mange organismer slik som dyr og noen planter virker nitrogen i form ammonium og ammoniakk giftig. Ammonium(NH4+) er en redusert form av nitrogen som blir assimilert inn som en naturlig bestanddel i aminosyrer , nukleinsyrer , aminer, klorofyll og hem i planter (nitrogenassimilasjon), og ingår i nitrogenmetabolismen. Fritt ammonium er giftig og må inkorporeres inn i organiske forbindelser. Hos dyr og andre heterotrofe organismer blir nitrogen utskilt som avfallesstoff ved metabolismen.

Hos vannlevende dyr blir ammonium utskilt og fortynnet i vannmassene, men landlevende dyr skiller ut nitrogen i form av urea eller urinsyre for å unngå giftvirkningen av ammonium. Ammonium blir produsert ved katabolisme av protein og aminosyrer.

Ammoniumtoksisitet og planter

Ammoniumfølsomme (ammoniumsensitive) planter får morfologiske endringer og redusert vekst av skudd og røtter i nærvær av høye konsentrasjoner av ammonium, til forskjell fra ammoniumtolerante planter.  Planter som vokser på sur jord i barskog, slik som bartrær og lyngplanter er ammoniumspesialister som tar opp nitrogen fra jorda i form av ammonium. Grunnen til at ammonifiseringen stopper ved ammonium er liten nitrifikasjon grunnet sur humus og silikatrik podsoljord med podsolprofil med liten bufferkapasitet,  som gir dårlige vekstforhold for nitrifiserende bakterier. Nedbrytningen av organiske nitrogenforbindelser skjer vesentlig via  sopp som er mer tolerante for lav pH, men ammonium blir ikke vider oksidert til nitrat. Opptaket av ammonium gjør at jorden blir surere, i tillegg til forsuringen fra nedbrytningen av surt strøfall. Ved gjødsling av skog bruker man derfor urea som nitrogenkilde. Fra hagen er rhododendron et eksempel på en surjordsplante som ikke skal ha nitratgjødsel, men ammoniumgjødsel. 

Generelt kan bruk av urea, ammonium og ammoniakk som N-kilder gi uheldige effekter hos planter som ikke har ammoniumtoleranse. 

Et annet økosystem med lav nitrifikasjon er anaerob jord og anaerobe sedimenter uten oksygen, for eksempel i oversvømte rismarker. Nitrifikasjon er avhengig av oksygen. Det betyr at nitrogenkilden for våtlandsris blir ammonium, og derfor brukes også her urea som mineralgjødsel.  I jorden er det ekstracellulære enzymer som hydrolyserer urea ((NH2)2CO), men reaksjonen kan også skje ikke-enzymatisk :

\((NH_2)_2CO \;+\; H_2O \rightarrow \; 2\;NH_3 + \; CO_ 2\)

Det er indikasjoner på at ammoniumspesialister som gran kan akkumulere og lagre større ammonium i sure kompartementer i cellene, studier gjort med N-14 og N-15 NMR. Ris (Oryza sativa) er eksempel på en art som tåler å vokse i nærvær av høye konsentrasjoner med ammonium, men bygg (Hordum vulgare), erter (Pisum sativum) og andemat (Lemna sp.) mistrives med ammonium som eneste N-kilde.  

Ammoniakk (NH3) finnes både som gass og væske. Ammoniakk er meget flyktig og fordamper lett, i motsetning til ammonium som er i ioneform. 

NH3 + H2O ⇔ NH4+ + OH-

Den basiske ionisasjonskonstanten Kb:

\(K_b= \displaystyle\frac{ [NH_4^+] [OH^-]}{[NH_3]}\)

\(pOH = pK_b + \log_{10}\displaystyle\frac{\text{konjugert kation}}{\text{base}}= pK_b - \log_{10}\displaystyle\frac{\text{base}}{\text{konjugert kation}}\)

Væske det vil si vann (H2O) inngår ikke i likevektsuttrykket

NH4+ + H2O ⇔ NH3 + H+

\(K_a= \displaystyle\frac{ [NH_3] [H^+]}{[NH_4^+]}= 5.6\cdot 10^{-10}\)

Den sure ionisasjonskonstenten eller likevektskonstanten Ka

\(pK_a= -\log_{10}K_a= \log_{10}5.6\cdot 10^{-10}= 9.25\)

Henderson-Hasselbach ligningen

\(pH= pK_a +\log_ {10} \displaystyle\frac{\text{konjugert base}}{\text{syre}}\)

Når det er like mengder konjugert base (NH3) som syre (NH4+) så er pH lik pKa-verdien som vist på Bjerrumdiagrammet nedenfor. Log10(1)= 0

Nitratplanter

Nitratplanter (nitrofile planter) som foretrekker nitrat som N-kilde, og som vokser på nærings- og moldrik jord med nitrifiserende bakterier, er dem som oftest ikke tåler ammonium som N-kilde. Imidlertid er det slik at de fleste planter kan bruke både ntirat og ammonium som uorganiske nitrogenkilder, og spesielt hvis det bare er lave konsentrasjoner av ammonium. Når plantene har tatt opp nitrat blir det redusert til ammonium i en nitratreduksjon. I plantene er det fler enzymsystemer som deltar i fikseringen av ammonium, slik at det ikke foreligger fritt ammonium i cellene. Ved fotorespirasjon blir det produsert ammonium, men også denne blir reassimilert. Nitratplanter kan lagre større mengder nitrat i vakuoler, men planter har ikke samme evne til å lagre ammonium, bortsett fra hos gran (Picea abies) hvor vi har funnet indikasjoner på at dette skjer. Det finnes både høyaffinitets- og lavaffinitetsopptakssystemer for nitrat, tilpasset henholdsvis lave eller høye konsentrasjoner av nitrat. På samme måte finnes det høyaffinitets- og lavaffinitetsopptakssystemer for ammonium hos ammoniumspesialistene. 

Hvorfor er ammonium giftig ?

En av forklaringene på hvorfor ammonium (NH4+) er giftig for planter som ikke er adaptert til å vokse på sur jord er at opptak av ammonium gir forsuring. Forsuringen ved ammoniumopptaket kan være betydelig hvis det er dårlig bufferkapasitet i jorden.

Ammoniumtoksisitet

Opptak av ammonium gir forsuring (NH4+ - H+ antiport), mens opptak av nitrat gir høyere pH (NO3- - H+ symport). 

Sur jord gir økt tilgang på jern, og det er en også hypotese om at for sur jord gir for mye jern slik at giftvirkningen ikke direkte er via pH, men skyldes for mye jern. Alle organismer i en oksygenatmosfære har vanskeligheter med å ta opp jern, og planter som vokser i mer basisk jord har et velutiklet opptakssystem for jern, og det er mulig at dette systemet blir overbelastet hvis pH synker.  

Den andre forklaringen er pH-likevekten mellom ammonium (NH4+) og ammoniakk (NH3).

\(NH_4 ^+ \;\; \iff\;\; NH_3 \;+\; H^+ \;\;\;\;\;\, pK_a = 9.25\;\;\;\; (20^oC)\)

Bjerrumdiagram ammonium - ammoniakk

Relativ konsentrasjon av de to nitrogenformene ammonium (NH4+) og flyktig ammoniakk (NH3) som funksjon av pH (Bjerrumdiagram).

Det betyr at når pH i cellene er høyere enn 7 så begynner noe av nitrogenet å foreligge i form av ammoniakk (NH3) som er et nøytralt molekyl, og som kan diffundere lett gjennom membraner og forstyrre H+-gradienter over membraner og membranpotensialet  Ammoniakk har stikkende lukt som advarsel om giftighet, og man kan registrere 5 mM konsentrasjoner ammoniakk i luften , jfr. utslipp fra kjøleanlegg basert på ammoniakk, samt salmiakk som rengjøringsmiddel. I husdyrgjødsel som har høy pH så vil mye av nitrogenet fordampe ut i atmosfæren som ammoniakk. Ammoniakk har også vært brukt til ensilering av gras til husdyrfor. 

Ammoniumforgfitning hos dyr

Ammonium som blir produsert i katabolismen av aminosyrer, puriner og pyrimidiner må bli fjernet for å unngå skade. Dyr som lever akvatisk i saltvann (marint) eller ferskvann (limnisk) skiller ut ammonium ut i vannmassene hvor det blir fortynnet (ammonoteliske dyr). Terrestriske pattedyr skiller ut ammonium som urea (ureoteliske dyr), mens fugler og krypdyr (reptiler) skiller ut nitrogen i form av urinsyre.Ammonium og ammoniakk er giftig for alle virveldyr (vertebrater) og påvirker nervessystemet ved depolarisering av membranpotensialet i  nevroner via endringer av transport av kalium (K+) og kalsium (Ca2+) gjennom spennings- og ligandregulerte ionekanaler, samt påvirker nevrotransmittorer som NMDA glutamatreseptorer. Dyr i vann kan kvitte seg med ammonium ved å skille det ut i vannet, men fisk som lever tett sammen i oppdrettsanlegg eller akvarier kan bli utsatt for giftige konsentrasjoner med ammonium. En annen strategi er å omdanne ammonium til urea og/eller urinsyre.

Aminosyren glutatmat kan omdannes til glutamin i en glutamat-glutaminsyklus i astrocytter (stjerneformete gliceller) og neuroner hjernen.

Alle organismer inneholder enzymet glutamin syntetase som katalyserer en reaksjon mellom aminosyren glutamat og ammonium hvor aminosyren glutamin blir dannet:

glutatmat + NH4+ + ATP → glutamin + ADP + Pi + H+

Dette er en viktig enzym i assimilasjonen av ammonium i bakterier og planter, men hos pattedyr deltar det i avgiftningen av ammonium hvor glutamin kan fraktes via blodet til videre omsetning i lever og nyrer. 

Glutamat og gamma-aminosmørsyre (GABA) er viktige nevrotransmittorer i hjernen, og hører til glutamatfamilien av aminosyrer hvor ammonium er en av metabolttene som må holdes under kontroll. Det betyr at det må opprettholdes en ammoniumlikevekt (ammoniahomeostase). Ammoniakk (NH3) kan diffundere lett over lipidmembranene i hjernen. Aminosyretransportører, og en rekke forskjellige enzymer deltar i omsetningen (e.g. transaminaser, glutamat dehydrogenase).

Ammoniumforgiftning hos mennesker

Det er lave konsentrasjoner av ammonium i blod (< 50 µM), men 0.1 mM NH4+ kan føre til forgiftning og bevisstløshet (hjernen er meget følsom for ammonium). Giftvirkningen av ammonium og ammoniakk (NH3) kan muligens skyldes interferering med trasport av kalium (K+) som blir forstyrret når ammoniakk forstyrrer pH-gradienter og membranpotensial.  Ammonium fra metabolismen blir omsatt i leveren til urea som blir utskilt med urinen. 

Genmodifiserte planter og ammonium

Aminosyren glutamat (glutaminsyre) spiller en essensiell rolle ved assimilasjonen av ammonium i planter. Det bredspektrede ugrasmiddelet glufosinat (phosphinothricin) hemmer ammoniumassimilasjonen hos både enfrøbladete og tofrøbladete planter. Glufosinat som selges under handelsnavnet Basta®  er en naturlig aminosyre med en fosforgruppe, finnes i aktinobakterier av slekten Streptomyces, blant annet i tripeptidet bialaphos, Glufosinat (phosphinothricin) hemmer enzymet glutamin syntetase i plantene. Blokkering av glutamin syntetase gir opphopning av ammonium i plantevevet som gir giftvirkning, samt mangel på de andre aminosyrene dannet fra glutamat og glutamin, som resulterer at planten dør.   Ved å sette inn genet for phosphinothricin acetyltransferase, isolert fra aktinobakteriern Streptomyces viridochromogenes , som lager proteinet som  inaktiverer phosphinotricin, gjorde Bayer det mulig å lage genmodifiserte planter som tåler sprøytemiddelet, og derved kan opprettholde ammoniumassimilasjonen.

Tilbake til hovedside

Publisert 10. feb. 2020 09:33 - Sist endret 14. juli 2020 12:17