ジメチルピラゾールに基づく硝化阻害剤の作用メカニズム：キレート化の問題

農業では、微生物形質転換のために、環境では環境で窒素（N）が失われる可能性があります。環境への悪影響のため、硝酸塩（NO3-）浸出と亜酸化窒素（N2O）排出量が特に懸念されています。ジメチルピラゾール（DMP）に基づく硝化阻害剤（NIS）は、N損失を減らすために世界中に適用されます。これらの化合物は、アンモニア酸化菌（AOB）の成長を阻害することにより、アンモニウム（NH4+）酸化を遅らせます。しかし、それらの行動メカニズムは実証されていません。これは、それらを正しく使用するための知識の重要な欠如を表しています。この研究では、化学的および生物学的分析を通じて、一般的に適用される3,4-ジメチル-1H-ピラゾールジヒドロゲンリン酸（DMPP）および新しいDMPベースのNi、2-（3,4-ジメチルの作用メカニズムを明らかにします。-1H-ピラゾール-1-イル） - スッチン酸（DMPSA）。我々の結果は、DMPとDMPSAが硝化経路の不可欠な補因子である銅（Cu2+）カチオンと複合体を形成することを示しています。3つの配位化合物、すなわち[Cu（DMP）4Cl2]（CUDMP1）、[Cu（DMP）4SO4] N（CUDMP2）および[Cu（DMPSA）2]・H2O（CUDMPSA）が合成され、化学的および構造的に特性化されています。Cudmpsa複合体は、DMPリガンドを含むものよりも安定しています。ただし、両方のNISは、異なるCu含有量を持つ土壌で同じ硝化阻害効率を示しており、どちらの場合も活性な種がDMPであることを示唆しています。私たちの土壌実験は、通常の塗布用量が農業土壌に存在するCuおよびZn含有量の範囲内で硝化を阻害するのに十分であることを明らかにしていますが、それらの効果はこれらの要素の含有量によって異なります。これらのNISによるAOB阻害の結果として、N2O還元細菌は、能力の低下により、Cu制限された土壌で有益であるようです。これにより、Cu施肥によりN2Oの減少をN2に誘導する可能性が開かれます。一方、CuやZnなどの微量栄養素で受精する場合、NISの使用は、その用途に由来する硝化の増加に対抗するために有益です。

In agriculture, the applied nitrogen (N) can be lost in the environment in different forms because of microbial transformations. It is of special concern the nitrate (NO3-) leaching and the nitrous oxide (N2O) emissions, due to their negative environmental impacts. Nitrification inhibitors (NIs) based on dimethylpyrazole (DMP) are applied worldwide in order to reduce N losses. These compounds delay ammonium (NH4+) oxidation by inhibiting ammonia-oxidizing bacteria (AOB) growth. However, their mechanism of action has not been demonstrated, which represent an important lack of knowledge to use them correctly. In this work, through chemical and biological analysis, we unveil the mechanism of action of the commonly applied 3,4-dimethyl-1H-pyrazole dihydrogen phosphate (DMPP) and the new DMP-based NI, 2-(3,4-dimethyl-1H-pyrazol-1-yl)-succinic acid (DMPSA). Our results show that DMP and DMPSA form complexes with copper (Cu2+) cations, an indispensable cofactor in the nitrification pathway. Three coordination compounds namely [Cu(DMP)4Cl2] (CuDMP1), [Cu(DMP)4SO4]n (CuDMP2) and [Cu(DMPSA)2]·H2O (CuDMPSA) have been synthesized and chemical and structurally characterized. The CuDMPSA complex is more stable than those containing DMP ligands; however, both NIs show the same nitrification inhibition efficiency in soils with different Cu contents, suggesting that the active specie in both cases is DMP. Our soil experiment reveals that the usual application dose is enough to inhibit nitrification within the range of Cu and Zn contents present in agricultural soils, although their effects vary depending on the content of these elements. As a result of AOB inhibition by these NIs, N2O-reducing bacteria seem to be beneficed in Cu-limited soils due to a reduction in the competence. This opens up the possibility to induce N2O reduction to N2 through Cu fertilization. On the other hand, when fertilizing with micronutrients such as Cu and Zn, the use of NIs could be beneficial to counteract the increase of nitrification derived from their application.