SchulLV

Das als Zwischenprodukt auftretende Hydrazin $(N_2H_4)$ wird mithilfe des Enzyms Hydrazin-Dehydrogenase $(HDH)$ zu Stickstoff umgesetzt:

$N_2H_4 + 4\, H_2O$ $\longrightarrow$ $N_2 + 4\, H_3O^+ + 4\, e^-$

Zur Bestimmung der Aktivität der $HDH$ wurde eine bestimmte Menge dieses Enzyms mit einer hydrazinhaltigen Lösung versetzt. Das Experiment wurde in einer Atmosphäre aus $97,5\%$ Argon und $2,5\%$ Wasserstoff durchgeführt. Nach festgelegten Zeitabständen wurde jeweils die Stoffmenge an gebildetem Stickstoff bestimmt. Die Ergebnisse sind in Abbildung 1 dargestellt.

Abb. 1: Stoffmenge an gebildetem Stickstoff im Verlauf des Experiments

nach: Maalcke, W. J., Reimann, J., et al. (2016). Characterization of Anammox Hydrazine. Dehydrogenase, a Key N2-producing Enzyme in the Global Nitrogen Cycle. The Journal of biological chemistry, 291(33), 17077 - 17092

Ermittle unter Verwendung von Abbildung 1 die momentane Reaktionsgeschwindigkeit bei $t = 2 \, \text{h}$ und die durchschnittliche Reaktionsgeschwindigkeit während der ersten vier Stunden.

(6 BE)

Ein zweites Experiment wurde bei ansonsten gleichen Bedingungen in einer Atmosphäre aus $100\%$ Ethin durchgeführt. Die Reaktion im zweiten Experiment lief deutlich langsamer ab. Eine Erhöhung der Hydrazin-Konzentration konnte die verminderte Reaktionsgeschwindigkeit nicht ausgleichen.
Stelle anhand einer Modellvorstellung eine Hypothese zur Erklärung der veränderten Reaktionsgeschwindigkeit der von $HDH$ katalysierten Reaktion bei Anwesenheit von Ethin auf.

(5 BE)

Das giftige Hydrazin tritt in den Anammox-Bakterien nur in speziellen abgegrenzten Zellbereichen auf. Das $HDH$ -Molekül besitzt einen speziellen Proteinabschnitt (Abb. 2), der die Aufnahme in diese Bereiche ermöglicht.

MRKFLKVTLASALIGCGVIGTV...

Abb. 2: Aminosäuresequenz des $HDH$ -Proteinabschnitts mit Einbuchstabencode

Tab. 1: Einbuchstabencode, Trivialname und systematischer Name ausgewählter Aminosäuren

Ein-buchstaben-code	Trivial-name	Systematischer Name
A	Alanin	2-Aminopropansäure
G	Glycin	Aminoethansäure
I	Isoleucin	2-Amino-3-methylpentansäure
L	Leucin	2-Amino-4-methylpentansäure
S	Serin	2-Amino-3-hydroxypropansäure

Zeichne den Strukturformelausschnitt für den in Abbildung 2 hervorgehobenen Bereich der Aminosäuresequenz mithilfe von Tabelle 1.

(4 BE)

Beschreibe die Durchführung und die Beobachtung eines Experiments, mit dem der Proteincharakter des Enzyms $HDH$ gezeigt werden kann.

(4 BE)

Um die Menge des in Bakterien enthaltenen Hydrazins $(N_2 H_4,$ $pK_{B1}=6,$ $pK_{B2}=15)$ bestimmen zu können, wird es zunächst isoliert. Eine solche aus Bakterien gewonnene wässrige Hydrazin-Lösung $(V(N_2H_4)=30\,\text{mL})$ wird mit Salzsäure $(c(HCl) = 0,5 \,\text{mol/L})$ titriert. Bis zum Erreichen des ersten Äquivalenzpunkts werden $6\,\text{mL}$ Salzsäure verbraucht.

Formuliere die Reaktionsgleichung für diese Titration und berechne die Konzentration an Hydrazin zu Beginn der Titration.

(6 BE)

Führt man bei Titrationen kontinuierlich Messwerterfassungen durch, können diese Messwerte in Titrationskurven dargestellt werden. Abbildung 3 zeigt die Titrationskurven von drei verschiedenen Titrationen.

Abb. 3: Titrationskurven von drei verschiedenen Titrationen

Ordne die oben beschriebene Titration von Hydrazin mit Salzsäure eine der Kurven begründet zu.

(5 BE)

In herkömmlichen Kläranlagen werden Bakterien eingesetzt, die zum Abbau von Stickstoffverbindungen Sauerstoff benötigen. Um den Sauerstoff im Abwasser in ausreichendem Maß anzureichern, müssen elektrisch betriebene Umwälzpumpen eingesetzt werden. Bei Verwendung von Anammox-Bakterien sind diese nicht notwendig. Bei beiden Prozessen kann aus dem anfallenden Klärschlamm Strom erzeugt werden.
In Studien wurden beide Verfahren hinsichtlich der freigesetzten Gase sowie der entnommenen und eingespeisten elektrischen Energie verglichen.

Tab. 2: Vergleich des herkömmlichen und des Anammox-Verfahrens hinsichtlich der Emission ausgewählter Gase bezogen auf $1\,\text{m}^3$ gereinigten Abwassers

nach: Weissenbacher, N., Wett, B., et al. (2013). Hauptstromdeammonifikation in Kläranlagen, Wien.

Formeln der freigesetzten Gase	Emissionen in Gramm
Formeln der freigesetzten Gase	herkömmliches Verfahren	Anammox-Verfahren
$CH_4$	$0,7$	$0,2$
$N_2O$	$0,3$	$1,0$
$NO_2$	$0,001$	$0,001$
$CO$	$0,8$	$0,8$
$CO_2$	$550,0$	$520,0$
$SO_2$	$0,07$	$0,07$

Tab. 3: potenzieller Beitrag verschiedener Gase zum Treibhauseffekt in relativen Einheiten

Gas	Formel	potenzieller Beitrag zum Treibhauseffekt in relativen Einheiten
Kohlenstoffdioxid	$CO_2$	$1$
Methan	$CH_4$	$28$
Lachgas	$N_2O$	$265$

Tab. 4: Vergleich des herkömmlichen und des Anammox-Verfahrens hinsichtlich der entnommenen und eingespeisten elektrischen Energie bezogen auf $1\,\text{m}^3$ gereinigten Abwassers

nach: Weissenbacher, N., Wett, B., et al. (2013). Hauptstromdeammonifikation in Kläranlagen, Wien.

elektrische Energie in Wattstunden
	herkömmliches Verfahren	Anammox-Verfahren
aus dem Netz entnommen	$1,6$	$0,8$
ins Netz eingespeist	$179,0$	$209,0$

Beurteile mithilfe der Tabellen 2, 3 und 4 den Einsatz des Anammox-Verfahrens als Alternative zum herkömmlichen Verfahren bezüglich wirtschaftlicher und ökologischer Aspekte.

(6 BE)

In einer ergänzenden Versuchsreihe zum Anammox-Verfahren wurden die Emissionen von Stickstoffmonoxid $(NO)$ und Lachgas $(N_2O)$ bei verschiedenen Bedingungen genauer untersucht. Dabei wurde ein Reaktionsraum mit Abwasser und Anammox-Bakterien in drei aufeinanderfolgenden Versuchsabschnitten verschiedenen Sauerstoffkonzentrationen ausgesetzt. Die Ergebnisse der Emissionsmessungen sind in Abbildung 4 dargestellt.

Abb. 4: Konzentration von Stickstoffmonoxid (ppb, parts per billion, Teilchen pro Milliarde) und Lachgas (ppm, parts per million, Teilchen pro Million) bei unterschiedlichen Sauerstoffkonzentrationen

nach: Weissenbacher, N., Wett, B., et al. (2013). Hauptstromdeammonifikation in Kläranlagen, Wien.

Beschreibe die Ergebnisse der Versuchsreihe. Formuliere eine Fragestellung, die der durchgeführten Versuchsreihe zugrunde liegen könnte.

(4 BE)

A1 Anammox-Bakterien