Nitrifikaatio ja denitrifikaatio

nitrifikaatio

Nitrifikaatio on ammoniumin biologinen transformaatio (NH₄⁺) nitraattiin (NO₃^–) hapettamalla. Hapetus määritellään elektronien menetykseksi atomilla tai yhdisteellä tai hapettumistilan lisääntymisellä. Menetelmää helpotetaan kahdentyyppisellä nitrifioivalla aerobisella bakteerilla, jotka edellyttävät niiden ympäristössä liuotettujen happimolekyylien läsnäoloa selviytymiseen. [I]

Ensinnäkin kemoautrofiset bakteerit (lähinnä suvun kaltaiset) Nitrosomonas) muuntaa ammoniakkia (NH₃) ja ammonium nitriitille (NO₂^–). "Chemoautrophic" tarkoittaa bakteerien kykyä luoda omat ravintoaineensa epäorgaanisesta lähteestä, nimittäin CO₂. Prosessia edustaa kemiallinen yhtälö:

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

Sitten bakteerit pääasiassa Nitrobacter ryhmä muuntaa nitriitin nitraatiksi seuraavassa reaktiossa:

2NO₂^– + O₂ → 2NO₃^– + energia

Nämä reaktiot tapahtuvat samanaikaisesti ja melko nopeasti - yleensä päivinä tai viikoina. On tärkeää, että nitriitti muuttuu kokonaan maaperään nitraatiksi, koska nitriitti on myrkyllistä kasvien elämälle.

Maaperässä olevat nitraatit ovat tärkeimpiä kasvien käyttämää typpilähdettä. [ii] Näin ollen typen siirtyminen yhdestä muodosta toiseen, joka tunnetaan typpisyklina, on tärkeä osa maatalousteollisuutta. [iii]

Ennen näiden vaiheiden toteutumista orgaaninen typpi hajotetaan heterotrofisilla bakteereilla hydrolyysillä ammoniakin ja ammoniakin muodostamiseksi ammonointiin tunnetussa prosessissa. ^minä Ammoniakkia voi esiintyä ureassa eläinten jätteistä, kompostoista ja hajoavista peittokasveista tai viljelyjätteistä. Ammoniumia esiintyy useimmissa lannoitteissa.

Nitrifikaat- tiset bakteerit ovat herkempiä ympäristöön kohdistuviin jännityksiin kuin muitakin maaperäbakteereja. Kun maaperä on kyllästynyt kosteudelta pitkään aikaan, maaperän huokoset täyttävät vedellä, rajoittaen hapen määrää. Nitrifikaattorit edellyttävät aerobisten olosuhteiden toimintaa, joten tulvat rajoittavat nitrifikaatiota.

Kuivilla mailla on yleensä suuri suolakonsentraatio ja tuloksena oleva suolapitoisuus vaikuttaa negatiivisesti bakteerien nitrifikaatioon. Tämä johtuu siitä, että osmolaarisuuden lisääntyminen nostaa mikro-organismin tarvitseman energian määrää veden siirtämiseen solukalvojaan. Vesi on myös välttämätön liuotettujen aineiden, kuten nitraattien, liikkumisen maaperän läpi. ⁱⁱ

Nitrifikaat- tiset bakteerit toimivat parhaiten pH-arvossa 6,5-8,5 ja lämpötiloissa välillä 16-35 ° C. ^minä Nitrifikaationopeudet ovat hitaampia erittäin happamilla maaperillä, kun taas korkea emäksisyys vähenee Nitrobacter mikä aiheuttaa nitriitin epäedullisen kasvun maaperässä.

Myös maaperän pH voi vaikuttaa tiettyyn ammonium-nitrifikoituun lähteeseen. Esimerkiksi monoammoniumfosfaatti (MAP) -liuos on paljon hapanta kuin diammoniumfosfaatti (DAP); joten DAP: n käyttö johtaa suurempaan nitrifikaatioasteeseen kuin MAP.

Suurin osa bakteereista löytyy yläpintakerroksesta, joten nitrifikaatio heikkenee, kun maanmuokkauskäytäntöjä ei hoideta kunnolla.

Korkean saviasteen maaperällä on suurempia hiukkasia ja enemmän mikropään tilaa bakteerikasvulle sekä korkeampi kationin vaihtokapasiteetista johtuva ammoniumin pidättyminen. ⁱⁱ Veden suhdetta ja maaperän fysikaalisia ominaisuuksia voidaan parantaa vähennetyn viljelyn avulla.

Nitrifikaatiota voidaan estää raskasmetallien ja myrkyllisten yhdisteiden läsnäololla tai liiallisesti suurilla ammoniakkipitoisuuksilla.

Joskus voi olla hyödyllistä pitää typpi maaperässä ammoniumina. Tämä estää nitraattien (nitraattien huuhtelemisen) ja typpikaasun poistumisen (denitrifikaation kautta). Kaupallisesti käytettyjä typpioksidaation estäjiä ovat disyaanidiamidi ja nitrapyriini.

denitrifikaatio

Denytrifikaatio on nitraatin biologinen muutos typpipitoisiin kaasuihin pelkistämällä. Se seuraa aina nitrifikaatiota ^minä ja reaktiosekvenssi voi olla esitetty seuraavasti:

EI₃^– → EI₂^– → EI → N₂O → N₂[Iv]

Prosessia helpottavat kasvavat bakteerit; nämä ovat bakteereja, jotka eivät vaadi vapaan hapen läsnäoloa hengityksessä.Denitrifioivat bakteerit ovat heterotrofisia organismeja, koska ne tarvitsevat orgaanista ruoanlähdettä, hiilen muodossa, selviytyäkseen. Denytrifikaatio voi alkaa nopeasti kuin minuutit prosessin stimuloinnin jälkeen.

Denitrifikaatio voi haitata kasvintuotantoa, koska typpi, kasvien kasvun kannalta oleellinen ravinto, menetetään ilmakehään prosessin aikana. Kuitenkin se on edullista vesiympäristöille ja teollisuus- tai jätevedenpuhdistamolle, koska nitraattipitoisuus vedessä laskee. ^minä

Lannoitekäsittelyt johtuvat lietteestä tai juoksutuksesta sadoista, jotka saattavat aiheuttaa ylimääräisiä määriä tätä ravintoainetta päätyä vesistöihin, joissa typpipitoisilla yhdisteillä on erilaisia ​​haitallisia vaikutuksia sekä ihmisen että vesiympäristön hoidossa. ^iv

Ammoniakki on myrkyllistä kalalajille ja stimuloi levien kasvua, vähentää happea vedessä ja johtaa rehevöitymiseen. Nitraatit aiheuttavat maksavaurioita, syöpiä ja methemoglobinemiaa (hapenpuutos imeväisillä), kun taas nitriitit reagoivat orgaanisten yhdisteiden kanssa, joita kutsutaan amiineiksi syöpää aiheuttavien nitrosamiinien muodostamiseksi. ⁱⁱ

Kun happea maaperässä tai vedessä tyhjennetään (anoksiset olosuhteet), denitrifioivat bakteerit hajottavat nitraatteja käytettäväksi hapen lähteenä. Tämä tapahtuu yleisesti vesittyneillä maaperillä, joissa happitaso on alhainen. Nitraatti pelkistyy typpioksiduiksi (N₂O) ja vielä kerran typpikaasuun. Nämä kaasukuplat päästävät ilmakehään. ^minä

Denitrifiereistä muodostuva kaasu riippuu maaperän tai veden olosuhteista ja millaista mikrobiyhteisöä esiintyy. Vähemmän happea johtaa yleensä enemmän typpikaasua muodostuva, denitrifikaation yleisimpiä tuotteita. Typpikaasu muodostaa ilman pääkomponentin. Toinen yleisin tuote on dityppioksidi, kasvihuonekaasu, joka myös heikentää maapallon otsonikerrosta. ^iv

Denytrifioivat bakteerit ovat vähemmän herkkiä myrkyllisille kemikaaleille kuin nitrifierejä ja toimivat optimaalisesti pH: ssa 7,0-8,5 ja lämpimimmissä lämpötiloissa välillä 26-38 ° C. Denitrifikaatio tapahtuu enimmäkseen maaperässä, jossa mikrobien aktiivisuus on korkein.

Denytrifikaattorit vaativat riittävästi nitraattipitoisuutta ja liukoista hiilenlähdettä; korkeimmat hinnat esiintyvät käytettäessä metanolia tai etikkahappoa. Orgaanista hiiltä voi esiintyä lannassa, kompostoinnissa, peittämässä kasveja ja viljelyjäännöksiä. ^minä

Denitrifikaation minimointi viljelymailla saavutetaan ylläpitämällä kasvien kasvulle välttämättömän nitraatin vähimmäispitoisuus, kuten kontrolloidusti vapauttavien lannoitteiden käyttö. Toinen menetelmä on estää nitrifikaatio, mikä vähentää denitrifikaatiolle käytettävissä olevaa nitraattia.

Denytrifikaatiotasot vaihtelevat laajasti yhdestä kentästä johtuen monista tekijöistä, kuten maaperän ominaisuuksista (mukaan lukien aggregaatiosta, makrohuokosista ja kosteudesta) sekä lannoitteen, orgaanisen aineksen ja viljelyjäännösjakauman vaihteluista.

Typen lannoitetyypit sekä käyttömenetelmät on raportoitu vaikuttavan denitrifikaatioon. Esimerkiksi päällystetyt, kontrolloidusti vapauttavat lannoitteet sekä hedelmällisyys- ja lähetyssovellukset aiheuttavat alemman typpioksidipäästöjä kuin kuivarakeista ureaa ja konsentroituja kaistaleita. Typen syvempi sijoittaminen vähentää myös näitä päästöjä.

Kuivat jaksot, joita seuraa äkillinen sateinen myrsky, ovat usein denitrifikaation laukaisu, jota voidaan hallita tyhjennysjärjestelmillä ja pinnankorkealla tippuviljelyllä. ^iv

Yhteenveto

nitrifikaatio

• Seuraa ammonifiointiprosessia
• Ammonin muuttaminen nitraatiksi
• Hapetusreaktio
• Helpotetaan kahta tärkeintä kemoautrofista aerobista bakteeria: Nitrosomonas ja Nitrobacter
• Kaksisuuntainen prosessi: ammoniumin muuntaminen nitriittiin, sitten nitriitin muuntaminen nitraatiksi
• Luo typen ravinnemuodon, joka on käytettävissä kasvien juurille imeytymiseen
• Reaktantti (ammoniumi), joka löytyy ureasta eläinten jätteistä ja lannoitteista, kompostoista ja hajoamispeitteistä tai viljelyjätteistä
• Nitrifierejä, jotka ovat herkempiä ympäristöön kohdistuviin rasituksiin
• Estää tulvat, korkea suolapitoisuus, korkea happamuus, korkea emäksisyys, liiallinen tilling ja myrkyllisiä yhdisteitä
• Suosittu aerobisissa olosuhteissa, pH 6,5 ja 8,5, lämpötilat välillä 16 ja 35 astetta C ja korkea savi sisältöä

denitrifikaatio

• Seuraa nitrifikaatioprosessia
• Nitraatin muuntaminen typpikaasuksi, pääasiassa typpi ja typpioksidi
• Vähennysreaktio
• Edistetään heterotrooppisilla fakultatiivisilla bakteereilla
• Vaihejärjestys: nitraatin muuntaminen nitriitiksi, typpioksidiksi, typpioksiduiksi ja lopuksi typeksi
• Dekontaminoi jätevesi- ja vesijärjestelmät alentamalla nitraattipitoisuuksia
• Nitrifikaation avulla muodostunut reaktantti (nitraatti), kun taas Denitrifiereiden hiilen lähteet löytyvät lannasta, peittävät kasvit ja viljelyjätteet tai saadaan metanolista tai etikkahaposta
• Denitrifiers vähemmän herkkä ympäristörasituksille
• Kielletty vähentää nitrifikaatiota, alentunut nitraattipitoisuus, päällystetyn, kontrolloidusti vapauttavan lannoitteen syvä sijoittaminen ja maaperän kuivatus

Suosimalla tulvat, anoksiset olosuhteet, pH välillä 7,0 ja 8,5, lämpötilat välillä 26-38 astetta C, riittävä tarjonta nitraatteja ja liukoisia hiili- ja konsentroituja kaistaleita kuivan rakeisen urean.