Razlika med nitrifikacijo in denitrifikacijo

Nitrifikacija

Nitrifikacija je biološka transformacija amonija (NH)₄⁺) do nitrata (NO₃^-) z oksidacijo. Oksidacija je opredeljena kot izguba elektronov z atomom ali spojino ali povečanje oksidacijskega stanja. Postopek olajšata dve vrsti nitrifikacijskih aerobnih bakterij, ki potrebujejo prisotnost molekul kisika, raztopljenih v njihovi okolici, da preživijo. [jaz]

Prvič, kemoavtrofne bakterije (predvsem tiste iz rodu) Nitrosomonas) pretvori amonijak (NH)₃) in amonija do nitrita (NO₂^-). "Kemoavtrofična" se nanaša na sposobnost bakterije, da iz anorganskega vira ustvari lastna hranila, in sicer CO₂. Postopek je predstavljen s kemijsko enačbo:

2NH₄+ + 3O₂ → 2NO₂^- + 2H₂0 + 4H⁺ + energija

Potem bakterije predvsem iz Nitrobacter skupina pretvori nitrit v nitrat v naslednji reakciji:

 2NO₂^- + O₂ → 2NO₃^- + energija

Te reakcije potekajo sočasno in precej hitro - običajno v dneh ali tednih. Pomembno je, da se nitrit v tleh popolnoma pretvori v nitrate, saj je nitrit strupen za rastlinsko življenje.

Nitrati v tleh so glavni vir dušika, ki ga rastline uporabljajo. [ii] Prehod dušika iz ene oblike v drugo, imenovan dušikov cikel, je pomemben del kmetijske industrije. [iii]

Pred tem korakom organski dušik razgradijo heterotrofne bakterije s hidrolizo, da tvorijo amonij in amonijak v postopku, imenovanem amonifikacija. ^jaz Amonijak je mogoče najti v sečnini iz živalskih odpadkov, kompostov in razpadajočih pokrovnih rastlin ali ostankov pridelkov. Amonij najdemo v večini gnojil.

Nitrificirajoče bakterije so bolj občutljive na obremenitve iz okolja kot druge vrste talnih bakterij. Ko so tla dalj časa nasičena z vlago, se pore tal napolnijo z vodo, kar omejuje oskrbo s kisikom. Nitrificirajoče bakterije potrebujejo aerobne pogoje, da poplavljanje omeji nitrifikacijo.

Na suhih tleh je značilna visoka koncentracija soli in posledično slanost negativno vpliva na nitrifikacijsko aktivnost bakterij. To je zato, ker povečana osmolarnost poveča količino energije, ki jo mikroorganizmi potrebujejo za premikanje vode po celičnih membranah. Voda je prav tako nujna za gibanje topljencev, kot so nitrati, skozi tla. ⁱⁱ

Nitrifikacijske bakterije najbolje delujejo pri pH med 6,5 in 8,5 ter temperaturah med 16 in 35 stopinj C. ^jaz Stopnje nitrifikacije so pri zelo kislih tleh počasnejše, medtem ko se visoka alkalnost zmanjša Nitrobacter aktivnost, kar povzroča neugodno kopičenje nitrita v tleh.

Na pH tal lahko vpliva tudi poseben vir nitrirane amonije. Na primer, raztopina monoammonijevega fosfata (MAP) je veliko bolj kisla kot diammonijev fosfat (DAP); tako uporaba DAP povzroči višje stopnje nitrifikacije kot MAP.

Večina bakterij se nahaja v zgornjem površinskem sloju, zato nitrifikacija upade, kadar se z obdelavo tal ne upravlja pravilno.

Tla z visoko vsebnostjo gline imajo večje delce in več prostora mikropora za rast bakterij, pa tudi večje zadrževanje amonijaka zaradi večje zmogljivosti za izmenjavo kationov. ⁱⁱ Odnosi z vodo in fizikalne lastnosti tal se lahko izboljšajo z zmanjšanjem obdelovanja.

Nitrifikacija lahko zavira prisotnost težkih kovin in strupenih spojin ali prekomerno visoke koncentracije amoniaka.

Včasih je koristno, da dušik v tleh zadržujemo v obliki amonija. S tem preprečimo izgubo dušika (z izpiranjem nitratov) in izpust dušikovih plinov (z denitrifikacijo). Zaviralci nitrifikacije, ki se komercialno uporabljajo, vključujejo dikindiamid in nitrapirin.

Denitrifikacija

Denitrifikacija je biološka pretvorba nitrata v dušikove pline z redukcijo. Vedno sledi nitrifikacija ^jaz in reakcijsko zaporedje je lahko predstavljeno na naslednji način:

NE₃^- → NE₂^- → NE → N₂O → N₂[iv]

Proces olajšajo fakultativne bakterije; to so bakterije, ki ne potrebujejo prisotnosti prostega kisika za dihanje. Denitrificirajoče bakterije so heterotrofni organizmi, saj za preživetje potrebujejo organski vir hrane v obliki ogljika. Denitrifikacija se lahko začne tako hitro kot nekaj minut po stimulaciji postopka.

Denitrifikacija lahko škoduje pridelavi poljščin, saj se dušik, hranilo, ki je nujno za rast rastlin, med postopkom izgubi v ozračju. Vendar pa je koristno za vodne habitate in pri čiščenju industrijskih ali odplak, saj se koncentracija nitrata v vodi zniža.. ^jaz

Izluževanje ali odtok s pridelkov zaradi obdelave z gnojili lahko povzroči, da se presežne količine tega hranila končajo v vodnih telesih, kjer imajo dušikove spojine različne škodljive učinke tako na človeško kot vodno življenje.. ^iv

Amonijak je strupen za ribje vrste in spodbuja rast alg, zmanjšuje raven kisika v vodi in posledično evtrofikacijo. Nitrati povzročajo poškodbe jeter, raka in methemoglobinemijo (pomanjkanje kisika pri dojenčkih), nitriti pa reagirajo z organskimi spojinami, imenovanimi amini, in tvorijo kancerogene nitrozamine. ⁱⁱ

Ko se raven kisika v tleh ali vodi izčrpa (anoksične razmere), denitrificirajoče bakterije razgradijo nitrate za uporabo kot vir kisika. To se pogosto pojavlja na prenasičenih tleh, kjer je raven kisika nizka. Nitrat se reducira do dušikovega oksida (N₂O) in še enkrat do dušikovega plina. Ti plinski mehurčki pobegnejo v ozračje. ^jaz

Plin, ki ga tvorijo denitrifikatorji, je odvisen od razmer v tleh ali vodi in od vrste mikrobne skupnosti. Manj kisika ima za posledico več dušikovih plinov, ki so najpogostejši produkt denitrifikacije. Dušikov plin je glavna sestavina zraka. Drugi najpogostejši nastali produkt je dušikov oksid, toplogredni plin, ki tudi razkraja zemeljsko ozonsko plast. ^iv

Denitrifikacijske bakterije so manj občutljive na strupene kemikalije kot nitrifikatorji in optimalno delujejo pri pH med 7,0 in 8,5 ter pri toplejših temperaturah med 26 in 38 stopinj C. Denitrifikacija se dogaja večinoma v zgornjem sloju tal, kjer je aktivnost mikrobov najvišja.

Denitrifikatorji zahtevajo zadostno koncentracijo nitratov in topnega vira ogljika; najvišje stopnje se pojavijo pri uporabi metanola ali ocetne kisline. Organski ogljik je lahko v gnoju, kompostu, pokrovnih posevkih in ostankih pridelkov. ^jaz

Zmanjšanje denitrifikacije v posevkih se doseže z ohranjanjem minimalne koncentracije nitratov, ki je potrebna za rast rastlin, kot je uporaba gnojil z nadzorovanim sproščanjem. Druga metoda je zaviranje nitrifikacije, kar zmanjša ravni nitratov, ki so na voljo za denitrifikacijo.

Stopnje denitrifikacije se med posameznimi polji močno gibljejo zaradi številnih dejavnikov, kot so lastnosti tal (vključno z agregacijo, makroporami in vlažnostjo) in razlikami v gnojilih, organskih snoveh in porazdelitvi ostankov pridelkov.

Poročalo se je, da o dušikovih gnojilih in o metodah nanašanja vplivajo na denitrifikacijo. Na primer, prevlečena gnojila z nadzorovanim sproščanjem ter aplikacije za gnojenje in oddajanje povzročajo manjše emisije dušikovega oksida kot uporaba suhe granulirane sečnine in koncentriranih pasov. Globoka umestitev dušika prav tako zmanjšuje te emisije.

Suha obdobja, ki jim sledi nenadna nevihta, so pogosto povod za denitrifikacijo, kar je mogoče obvladovati z drenažnimi sistemi in podzemnim kapljičnim namakanjem. ^iv

Povzetek

Nitrifikacija

• Sledi postopek amnifikacije
• Preoblikovanje amonija v nitrat
• Reakcija oksidacije
• Omogočata dve glavni vrsti kemoautrofičnih aerobnih bakterij: Nitrosomonas in Nitrobacter
• Dvostopenjski postopek: pretvorba amonija v nitrit, nato pretvorba nitrita v nitrat
• Ustvari obliko dušikovih hranil, ki so na voljo za absorpcijo rastlinskih korenin
• Reaktant (amonij), ki ga najdemo v sečnini iz živalskih odpadkov in gnojil, kompostov in razpadajočih pokrovnih rastlin ali ostankov poljščin
• Nitrifikatorji so bolj občutljivi na obremenitve okolja
• Zavirajo jih poplave, visoka slanost, visoka kislost, visoka alkalnost, prekomerno mletje in strupene spojine
• Najljubši so aerobni pogoji, pH med 6,5 in 8,5, temperature med 16 in 35 stopinj C in visoka vsebnost gline

Denitrifikacija

• Sledi postopek nitrifikacije
• Preoblikovanje nitrata v dušikove pline, predvsem dušik in dušikov oksid
• Reakcija redukcije
• Olajšujejo ga heterotrofne fakultativne bakterije
• Zaporedje korakov: pretvorba nitrata v nitrit, dušikov oksid, dušikov oksid in nazadnje v dušik
• Dekontaminira odpadno vodo in vodne sisteme z zniževanjem ravni nitratov
• Reaktant (nitrat), ki nastane z nitrifikacijo, medtem ko se viri ogljika za denitrifikatorje nahajajo v gnoju, pokrovnih posevkih in ostankih pridelkov ali preskrbijo z metanolom ali ocetno kislino
• Denitrifikatorji manj občutljivi na obremenitve okolja
• Zavira z zmanjšano nitrifikacijo, znižano raven nitratov, globoko polaganjem prevlečenih gnojil z nadzorovanim sproščanjem in drenažo zemlje

Ugodno zaradi poplav, anoksičnih razmer, pH med 7,0 in 8,5, temperature med 26 in 38 stopinj C, zadostna oskrba z nitrati in topnim ogljikom in koncentriranimi pasovi suhe granulirane sečnine.