Нитрификация и денитрификация

нитрификация

Нитрификация представляет собой биологическую трансформацию аммония (NH₄⁺) до нитрата (NO₃^–) путем окисления. Окисление определяется как потеря электронов атомом или соединением или увеличение его состояния окисления. Этот процесс облегчается двумя типами нитрифицирующих аэробных бактерий, которые требуют наличия молекул кислорода, растворенных в их окружении, для выживания. [я]

Во-первых, химиоаурофенные бактерии (главным образом, из рода Nitrosomonas) превращают аммиак (NH₃) и аммония до нитрита (NO₂^–). «Chemoautrophic» относится к способности бактерий создавать собственные питательные вещества из неорганического источника, а именно CO₂, Процесс представлен химическим уравнением:

2NH₄+ + 3O₂ → 2NO₂^– + 2H₂O + 4H⁺ + энергия

Затем бактерии в основном из Nitrobacter группа превращает нитрит в нитрат в следующей реакции:

2NO₂^– + O₂ → 2NO₃^– + энергия

Эти реакции протекают одновременно и довольно быстро - обычно в течение нескольких дней или недель. Важно, что нитрит полностью превращается в нитрат в почвах, поскольку нитрит токсичен для жизни растений.

Нитраты, присутствующие в почве, являются основным источником азота, используемого растениями. [ii] Таким образом, переход азота из одной формы в другую, известный как азотный цикл, является важной частью сельскохозяйственной промышленности. [iii]

Прежде чем эти стадии происходят, органический азот разрушается гетеротрофными бактериями путем гидролиза с образованием аммония и аммиака в процессе, известном как аммонификация. ^я Аммиак можно найти в мочевине из отходов животных, компостов и разлагающих покрывающих культур или растительных остатков. Аммоний встречается в большинстве удобрений.

Нитрифицирующие бактерии более чувствительны к воздействию окружающей среды, чем другие типы почвенных бактерий. Когда почва насыщена влажностью в течение длительного времени, почвенные поры заполняются водой, ограничивая подачу кислорода. Нитрифицирующие бактерии требуют аэробных условий для функционирования, поэтому затопление ограничивает нитрификацию.

Сухие почвы, как правило, имеют высокую концентрацию соли, и образовавшаяся соленость отрицательно влияет на нитрификационную активность бактерий. Это связано с тем, что повышенная осмолярность повышает количество энергии, требуемой микроорганизмами для перемещения воды через их клеточные мембраны. Вода также необходима для движения растворенных веществ, таких как нитраты, через почву. ^б

Нитрифицирующие бактерии лучше всего работают при pH между 6,5 и 8,5 и температурами от 16 до 35 градусов C. ^я Скорости нитрификации медленнее в очень кислых почвах, а высокая щелочность уменьшает Nitrobacter что приводит к неблагоприятному накоплению нитрита в почве.

На рН почвы также может влиять конкретный источник нитрифицированного аммония. Например, раствор моноаммонийфосфата (MAP) является более кислой, чем диаммонийфосфат (DAP); таким образом, использование DAP приводит к более высоким показателям нитрификации, чем MAP.

Большинство бактерий обнаружено в верхнем поверхностном слое, поэтому нитрификация снижается, когда методы обработки почвы не управляются должным образом.

Почвы с высоким содержанием глины имеют более крупные частицы и более микропоры пространства для роста бактерий, а также большее удержания аммония из-за более высокую емкость обмена катионов. ^б Водные отношения и физические свойства почвы могут быть улучшены путем культивирования с уменьшенным доходом.

Нитрификация может ингибироваться присутствием тяжелых металлов и токсичных соединений или чрезмерно высокими концентрациями аммиака.

Иногда может быть полезно сохранить азот в почве в форме аммония. Это предотвращает потерю азота (путем выщелачивания нитратов) и выхода азота (через денитрификацию). Ингибиторы нитрификации, используемые коммерчески, включают дициандиамид и нитрапирин.

денитрификация

Денитрификация представляет собой биологическое превращение нитрата в азотные газы путем восстановления. Он всегда следует за нитрификацией ^я и последовательность реакции может быть представлена ​​следующим образом:

НЕТ₃^– → НЕТ₂^– → НЕТ → N₂O → N₂[IV]

Процесс облегчается факультативными бактериями; это бактерии, которые не требуют наличия свободного кислорода для дыхания. Денитрифицирующие бактерии представляют собой гетеротрофные организмы, так как они нуждаются в органическом источнике пищи в форме углерода, чтобы выжить. Денитрификация может начинаться так же быстро, как и минуты после стимуляции процесса.

Денитрификация может нанести ущерб растениеводству, поскольку азот, питательный материал, необходимый для роста растений, теряется в атмосфере во время процесса. Тем не менее, это полезно для водных сред обитания, а также для очистки промышленных сточных вод или сточных вод, поскольку концентрация нитратов в воде снижается. ^я

Выщелачивание или сток из сельскохозяйственных культур в результате обработки удобрений может привести к избыточному количеству этого питательного вещества в конечном итоге в водоемах, где азотистые соединения оказывают различное вредное воздействие как на человека, так и на водную флору. ^IV

Аммиак является токсичным для видов рыб и стимулирует рост водорослей, снижает уровень кислорода в воде и приводит к эвтрофикации. Нитраты вызывают повреждение печени, рак и метгемоглобинемию (дефицит кислорода у младенцев), тогда как нитриты реагируют с органическими соединениями, называемыми аминами, с образованием канцерогенных нитрозаминов. ^б

Когда уровни кислорода в почвах или воде истощаются (аноксические условия), денитрифицирующие бактерии разрушают нитраты для использования в качестве источника кислорода. Это обычно происходит в заболоченных почвах, где уровни кислорода низки. Нитрат восстанавливается до закиси азота (N₂O) и еще раз азотистым газом. Эти газовые пузырьки выходят в атмосферу. ^я

Газ, образованный денитрификаторами, зависит от условий в почве или воде, и какое микробное сообщество присутствует. Меньше кислорода, как правило, приводит к образованию большего количества образующегося азота, самого общего продукта денитрификации. Азотный газ образует основной компонент воздуха. Вторым наиболее распространенным продуктом является закись азота, парниковый газ, который также разрушает озоновый слой Земли. ^IV

Денитрифицирующие бактерии менее чувствительны к токсичным химикатам, чем нитрификаторы, и оптимально функционируют при рН между 7,0 и 8,5 и более теплыми температурами от 26 до 38 градусов Цельсия. Денитрификация происходит главным образом в верхнем слое почвы, где микробная активность является самой высокой.

Для денитрификаторов требуется достаточная концентрация нитратов и источник растворимого углерода; самые высокие показатели происходят при использовании метанола или уксусной кислоты. Органический углерод можно найти в навозе, компосте, покрытии культур и растительных остатках. ^я

Минимизация денитрификации в сельскохозяйственных культурах достигается за счет поддержания минимальной концентрации нитрата, необходимой для роста растений, например, использования удобрений с контролируемым высвобождением. Другим методом является ингибирование нитрификации, что снижает уровень нитрата, доступного для денитрификации.

Уровни денитрификации широко варьируются в пределах одного поля из-за многих факторов, таких как свойства почвы (включая агрегацию, макропоры и влажность) и изменения в распределении удобрений, органических веществ и культур.

Сообщалось, что типы азотных удобрений, а также методы применения влияют на денитрификацию. Например, удобрения с контролируемым высвобождением с покрытием, а также фертигация и широковещательные применения вызывают более низкие выбросы закиси азота, чем сухие гранулированные мочевины и концентрированные полосы. Более глубокое размещение азота также снижает эти выбросы.

Сухие периоды, сопровождаемые внезапным ливнем, часто являются спусковым крючком для денитрификации, которым можно управлять с помощью дренажных систем и подповерхностного капельного орошения. ^IV

Резюме

нитрификация

• Следит за процессом аммонификации
• Трансформация аммиака до нитрата
• Реакция окисления
• Облегчено двумя основными типами химиоатрофных аэробных бактерий: Nitrosomonas а также Nitrobacter
• Двухступенчатый процесс: превращение аммония в нитрит, затем превращение нитрита в нитрат
• Создает азотную питательную форму, доступную для поглощения корнями растений
• Реагент (аммоний), который содержится в мочевине из отходов животных и удобрений, компостов и разлагающих покрывающих культур или растительных остатков
• Нитритримеры более чувствительны к воздействию окружающей среды
• Ингибируется затоплением, высокой соленостью, высокой кислотностью, высокой щелочностью, чрезмерным количеством и токсичными соединениями
• В зависимости от аэробных условий, рН от 6,5 до 8,5, температуры от 16 до 35 градусов C и высокого содержания глины

денитрификация

• Следит за процессом нитрификации
• Трансформация нитратов в азотные газы, в основном азот и закись азота
• Реакция восстановления
• Облегчено гетеротрофными факультативными бактериями
• Последовательность этапов: превращение нитрата в нитрит, оксид азота, закись азота и, наконец, азот
• Обеззараживание сточных вод и водных систем путем снижения уровня нитратов
• Реагент (нитрат), образованный нитрификацией, в то время как источники углерода для денитрификаторов находятся в навозе, покрывают культуры и растительные остатки или получают метанолом или уксусной кислотой
• Денситрификаторы менее чувствительны к воздействию окружающей среды
• Задерживается уменьшенной нитрификацией, пониженными уровнями нитратов, глубоким размещением удобрений с контролируемым высвобождением с покрытием и дренажом почвы

В зависимости от наводнений, аноксических условий, рН от 7,0 до 8,5, температуры от 26 до 38 градусов C, достаточного количества нитратов и растворимого углерода и концентрированных ленточных применений сухой гранулированной мочевины.