Nitrifikatsiooni ja denitrifikatsiooni erinevus

Nitrifikatsioon

Nitrifikatsioon on ammooniumi (NH₄⁺) nitraadiks (NO₃^-) oksüdeerimise teel. Oksüdeerumist defineeritakse kui aatomi või ühendi elektronide kadu või selle oksüdatsiooni oleku suurenemist. Protsessi hõlbustavad kahte tüüpi nitrifitseerivad aeroobsed bakterid, mille ellujäämiseks on vaja ümbritsevas keskkonnas lahustunud hapniku molekule. [i]

Esiteks kemoautroofsed bakterid (peamiselt perekonnast Nitrosomonas) muundavad ammoniaagi (NH₃) ja ammoonium nitritiks (NO₂^-). “Kemoautroofne” viitab bakteri võimele luua oma toitaineid anorgaanilisest allikast, nimelt CO₂. Protsessi esindab keemiline võrrand:

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

Siis bakterid peamiselt Nitrobakter rühm teisendada nitrit nitraadiks järgmises reaktsioonis:

 2NO₂^- + O₂ → 2NO₃^- + energia

Need reaktsioonid toimuvad samaaegselt ja üsna kiiresti - tavaliselt päevade või nädalate jooksul. On oluline, et nitrit muutuks mullas täielikult nitraadiks, kuna nitrit on taimede jaoks mürgine.

Mullas olevad nitraadid on taimede peamine lämmastikuallikas. [ii] Seega on lämmastiku üleminek vormilt teisele, mida nimetatakse lämmastiku tsükliks, põllumajanduse oluliseks osaks. [iii]

Enne nende toimingute toimel lagundatakse orgaaniline lämmastik heterotroofsete bakterite toimel hüdrolüüsi teel, moodustades ammooniumiks ammoniaagi ja ammoniaagi.. ⁱ Ammoniaaki võib leida loomsetest jäätmetest, kompostidest ja lagunevatest kattekultuuridest või põllukultuuride jääkidest pärit karbamiidist. Ammooniumi leidub enamikus väetistes.

Nitrifitseerivad bakterid on keskkonna stressidele tundlikumad kui muud tüüpi mullabakterid. Kui muld on pikema aja jooksul küllastunud niiskusega, täituvad mulla poorid veega, piirates hapnikuvarustust. Nitrifitseerivad bakterid vajavad toimimiseks aeroobseid tingimusi, seega piirab üleujutus nitrifikatsiooni.

Kuival pinnasel on tavaliselt kõrge soolakontsentratsioon ja sellest tulenev soolasus mõjutab negatiivselt bakterite nitrifitseerivat aktiivsust. Selle põhjuseks on asjaolu, et suurenenud osmolaarsus suurendab energiakogust, mida mikroorganismid vajavad vee liikumiseks läbi nende rakumembraanide. Vesi on oluline ka lahustunud ainete, näiteks nitraatide liikumiseks pinnases. ⁱⁱ

Nitrifitseerivad bakterid toimivad kõige paremini pH väärtusel 6,5–8,5 ja temperatuuril 16–35 kraadi C. ⁱ Nitrifikatsiooni määr on väga happeliste muldade puhul aeglasem, samas vähendab kõrge leeliselisus Nitrobakter aktiivsus, põhjustades ebasoodsa nitriti kogunemise pinnasesse.

Pinnase pH-d võib mõjutada ka nitrifitseeritud ammooniumiallikas. Näiteks monoammooniumfosfaadi (MAP) lahus on palju happelisem kui diammooniumfosfaat (DAP); seega annab DAP kasutamine kõrgema nitrifikatsiooni määra kui MAP.

Enamik baktereid leidub ülemises pinnakihis, mistõttu nitrifikatsioon väheneb, kui maaharimise tavasid ei korraldata õigesti.

Suure savisisaldusega muldadel on suuremad osakesed ja rohkem mikropoori ruumi bakterite paljunemiseks, samuti on katioonivahetuse suurema võime tõttu suurem ammooniumi peetus. ⁱⁱ Pinnaseharimisega saab parandada veesidemeid ja mulla füüsikalisi omadusi.

Nitrifikatsiooni võib pärssida raskmetallide ja mürgiste ühendite olemasolu või liiga kõrge ammoniaagi kontsentratsioon.

Mõnikord võib olla kasulik hoida lämmastikku mullas ammooniumi vormis. See hoiab ära lämmastiku kadu (nitraatide leostumisega) ja lämmastiku gaasi väljapääsu (denitrifikatsiooni kaudu). Kaubanduslikult kasutatavad nitrifikatsiooni inhibiitorid hõlmavad ditsüaandiamiidi ja nitrapüriini.

Denitrifikatsioon

Denitrifikatsioon on nitraadi bioloogiline muundamine lämmastiku gaasiks redutseerimise teel. See järgneb alati nitrifikatsioonile ⁱ ja reaktsiooni järjestust võib esitada järgmiselt:

EI₃^- → EI₂^- → EI → N₂O → N₂[iv]

Protsessi hõlbustavad fakultatiivsed bakterid; need on bakterid, mis ei vaja hingamiseks vaba hapniku olemasolu. Denitrifitseerivad bakterid on heterotroofsed organismid, kuna nad vajavad ellujäämiseks orgaanilise toidu allikat süsiniku kujul. Denitrifikatsioon võib alata nii kiiresti kui mõni minut pärast protsessi stimuleerimist.

Denitrifikatsioon võib kahjustada taimekasvatust, kuna lämmastik, taimede kasvu jaoks oluline toitaine, läheb protsessi käigus atmosfääri. Siiski on see kasulik vee-elupaikadele ja tööstus- või kanalisatsiooni reoveepuhastusele, kuna nitraatide kontsentratsioon vees on madalam. ⁱ

Põllukultuuride leostumine või äravool väetistöötluse tagajärjel võib selle toitaine liigse koguse sattuda veekogudesse, kus lämmastikuühenditel on mitmesugused kahjulikud mõjud nii inimeste kui veeorganismidele. ^iv

Ammoniaak on kalaliikidele mürgine ja stimuleerib vetikate kasvu, vähendades vees hapniku taset ja põhjustades eutrofeerumist. Nitraadid põhjustavad maksakahjustusi, vähkkasvajaid ja methemoglobineemiat (imikute hapnikupuudus), samas kui nitritid reageerivad orgaaniliste ühenditega, mida nimetatakse amiinideks, moodustades kantserogeenseid nitrosamiine. ⁱⁱ

Kui mullas või vees on hapniku tase kahanenud (anoksilised tingimused), lagundavad denitrifitseerivad bakterid nitraate hapnikuallikana kasutamiseks. See juhtub tavaliselt niisketes muldades, kus hapnikusisaldus on madal. Nitraat redutseeritakse dilämmastikoksiidiks (N₂O) ja veel kord lämmastiku gaasiks. Need gaasimullid pääsevad atmosfääri. ⁱ

Kustutajate moodustatud gaas sõltub pinnase või vee tingimustest ja sellest, millist mikroobset kooslust seal on. Vähem hapnikku põhjustab rohkem lämmastiku moodustumist, mis on denitrifikatsiooni kõige tavalisem saadus. Gaasiline lämmastik on õhu põhikomponent. Teine levinum moodustunud toode on dilämmastikoksiid, kasvuhoonegaas, mis erodeerib ka Maa osoonikihti. ^iv

Denitrifitseerivad bakterid on toksiliste kemikaalide suhtes vähem tundlikud kui nitriteerijad ja toimivad optimaalselt, kui pH on vahemikus 7,0–8,5 ja soojematel temperatuuridel vahemikus 26–38 kraadi. Denitrifikatsioon toimub enamasti pinnasel, kus mikroobide aktiivsus on kõige suurem.

Denitrifiers vajavad piisavat nitraatide kontsentratsiooni ja lahustuvat süsinikuallikat; kõrgeimad määrad esinevad metanooli või äädikhappe kasutamisel. Orgaanilist süsinikku võib leida sõnnikust, kompostist, kattekultuuridest ja põllukultuuride jääkidest. ⁱ

Denitrifikatsiooni minimeerimine põllumuldadel saavutatakse minimaalse nitraadikontsentratsiooni säilitamisega taimede kasvatamiseks, näiteks kontrollitud vabanemisega väetiste kasutamisega. Teine meetod on nitrifikatsiooni pärssimine, mis vähendab denitrifikatsiooniks saadaolevate nitraatide taset.

Denitrifikatsiooni tasemed varieeruvad ühel põllul suuresti, tulenevalt paljudest teguritest, näiteks mulla omadustest (sealhulgas pinnase moodustumine, makropoorid ja niiskus) ning väetise, orgaanilise aine ja põllukultuuride jääkide jaotumise muutustest.

On teatatud, et lämmastikväetiste tüübid ja nende levitamise meetodid mõjutavad denitrifikatsiooni. Näiteks kaetud kontrollitud vabanemisega väetised, aga ka väetamine ja levitamine põhjustavad lämmastikoksiidi heitkoguseid madalamal kui kuiva graanuliga karbamiid ja kontsentreeritud ribad. Lämmastiku sügavam paigutamine vähendab ka neid heitkoguseid.

Kuivad perioodid, millele järgneb järsk vihmasadu, on sageli denitrifikatsiooni esilekutsujaks, mida saab juhtida drenaažisüsteemide ja maapinna tilguti niisutamise abil. ^iv

Kokkuvõte

Nitrifikatsioon

• Järgneb ammonifitseerimisprotsessi
• Ammooniumi muundamine nitraadiks
• Oksüdatsioonireaktsioon
• Hõlbustatud kahe peamise tüübi kemoautroofsete aeroobsete bakteritega: Nitrosomonas ja Nitrobakter
• Kahes etapis toimuv protsess: ammooniumi muundamine nitritiks, seejärel nitriti muundamine nitraadiks
• Loob lämmastiku toitainete vormi, mis on imenduv taimede juurte poolt
• Loomsetest jäätmetest ja väetistest, kompostidest ning lagunevatest kattekultuuridest või põllukultuuride jääkidest leitud reagent (ammoonium)
• Keskkonnamõjude suhtes tundlikumad nitritid
• Pärsitud üleujutuse, kõrge soolsuse, kõrge happesuse, kõrge leeliselisuse, liigse muldamise ja toksiliste ühenditega
• Soodsad on aeroobsed tingimused, pH vahemikus 6,5 kuni 8,5, temperatuurid vahemikus 16 kuni 35 kraadi C ja kõrge savisisaldus

Denitrifikatsioon

• Järgib nitrifikatsiooniprotsessi
• Nitraadi muundamine lämmastiku gaasideks, peamiselt lämmastiku ja dilämmastikoksiidiks
• Redutseerimisreaktsioon
• Hõlbustatud heterotroofsete fakultatiivsete bakteritega
• Etappide jada: nitraadi muundamine nitritiks, lämmastikoksiidiks, dilämmastikoksiidiks ja lõpuks lämmastikuks
• Desinfitseerib reovee ja veesüsteemi, alandades nitraaditaset
• Reaktiiv (nitraat), mis on moodustunud nitrifikatsiooni teel, samal ajal kui denitifikaatorite süsinikuallikad on sõnnikus, kattekultuurides ja põllukultuuride jääkides või neid pakuvad metanool või äädikhape
• Keskkonnamõjude suhtes vähem tundlikud puhastajad
• Pärsitud vähendatud nitrifikatsiooni, madalama nitraadisisalduse, kaetud kontrollitud vabanemisega väetise sügava paigutamise ja pinnase kuivendamise kaudu

Soosivad üleujutused, hapnikuvabad tingimused, pH vahemikus 7,0–8,5, temperatuur vahemikus 26–38 kraadi C, nitraatide ja lahustuva süsiniku piisav varustamine ning kuiva granuleeritud karbamiidi kontsentreeritud ribad.