Różnica między nitryfikacją a denitryfikacją

Nitryfikacja

Nitryfikacja to biologiczna transformacja amonu (NH₄⁺) do azotanu (NO₃₎^-) przez utlenianie. Utlenianie jest definiowane jako utrata elektronów przez atom lub związek lub wzrost jego stanu utlenienia. Proces ten ułatwiają dwa rodzaje nitryfikujących bakterii tlenowych, które do przeżycia wymagają obecności cząsteczek tlenu rozpuszczonych w ich otoczeniu. [ja]

Po pierwsze, bakterie chemoautroficzne (głównie te z rodzaju Nitrosomonas) zamień amoniak (NH₃₎) i amonu na azotyn (NO₂₎^-). „Chemoautroficzny” odnosi się do zdolności bakterii do tworzenia własnych składników odżywczych ze źródła nieorganicznego, a mianowicie CO₂₎. Proces jest reprezentowany przez równanie chemiczne:

2NH₄+ + 3O₂₎ → 2NO₂₎^- + 2H₂₎O + 4H⁺ + energia

Następnie bakterie głównie z Nitrobacter grupowe przekształcanie azotynów w azotany w następującej reakcji:

 2NO₂₎^- + O₂₎ → 2NO₃₎^- + energia

Reakcje te zachodzą jednocześnie i dość szybko - zwykle w ciągu kilku dni lub tygodni. Ważne jest, aby azotyn całkowicie przekształcił się w azotan w glebie, ponieważ azotyn jest toksyczny dla życia roślin.

Azotany obecne w glebie są głównym źródłem azotu wykorzystywanego przez rośliny. [ii] Zatem przejście azotu z jednej formy do drugiej, zwanej cyklem azotowym, jest ważną częścią przemysłu rolnego. [iii]

Przed tymi etapami azot organiczny jest rozkładany przez bakterie heterotroficzne przez hydrolizę z wytworzeniem amonu i amoniaku w procesie znanym jako amonifikacja. ^ja Amoniak można znaleźć w moczniku z odpadów zwierzęcych, kompostów i rozkładających się roślin okrywowych lub resztek pożniwnych. Amon znajduje się w większości nawozów.

Bakterie azotujące są bardziej wrażliwe na stres środowiskowy niż inne rodzaje bakterii glebowych. Gdy gleba jest nasycana wilgocią przez dłuższy czas, pory gleby wypełniają się wodą, ograniczając dopływ tlenu. Bakterie nitryfikacyjne wymagają do działania warunków tlenowych, a zatem powódź ogranicza nitryfikację.

Sucha gleba ma zwykle wysokie stężenie soli, a uzyskane zasolenie negatywnie wpływa na aktywność nitryfikacyjną bakterii. Wynika to z faktu, że zwiększona osmolarność podnosi ilość energii wymaganej przez mikroorganizmy do przemieszczania wody przez błony komórkowe. Woda jest również niezbędna do przepływu substancji rozpuszczonych, takich jak azotany, przez glebę. ⁱⁱ

Bakterie nitryfikujące działają najlepiej przy pH między 6,5 a 8,5 i temperaturach między 16 a 35 stopni Celsjusza. ^ja Szybkość nitryfikacji jest wolniejsza w glebach bardzo kwaśnych, podczas gdy zmniejsza się wysoka zasadowość Nitrobacter aktywność, powodująca niekorzystne gromadzenie się azotynów w glebie.

Szczególne źródło nitryfikowanego amonu może również wpływać na pH gleby. Na przykład, roztwór fosforanu monoamonu (MAP) jest znacznie bardziej kwaśny niż fosforan diamonu (DAP); w związku z tym zastosowanie DAP skutkuje wyższymi szybkościami nitryfikacji niż MAP.

Większość bakterii znajduje się w górnej warstwie powierzchniowej, dlatego nitryfikacja spada, gdy praktyki uprawy roli nie są odpowiednio zarządzane.

Gleby o wysokiej zawartości gliny mają większe cząstki i więcej przestrzeni mikroporów dla wzrostu bakterii, a także większą retencję amonu dzięki wyższej zdolności wymiany kationów. ⁱⁱ Stosunki wodne i właściwości fizyczne gleby można poprawić przez uprawę ograniczoną do uprawy.

Nitryfikacja może być zahamowana przez obecność metali ciężkich i związków toksycznych lub nadmiernie wysokie stężenie amoniaku.

Czasami może być korzystne utrzymanie azotu w glebie w postaci amonu. Zapobiega to utracie azotu (przez ługowanie azotanów) i ulatnianiu się azotu (przez denitryfikację). Inhibitory nitryfikacji stosowane w handlu obejmują dicyjanodiamid i nitrapyrynę.

Denitryfikacja

Denitryfikacja to biologiczna przemiana azotanu w gazy azotowe poprzez redukcję. Zawsze następuje po nitryfikacji ^ja a sekwencję reakcji można przedstawić następująco:

NIE₃₎^- → NIE₂₎^- → NIE → N₂₎O → N₂₎[iv]

Proces ten ułatwiają bakterie fakultatywne; są to bakterie, które nie wymagają obecności wolnego tlenu do oddychania. Bakterie denitryfikujące są organizmami heterotroficznymi, ponieważ do przeżycia potrzebują organicznego źródła żywności w postaci węgla. Denitryfikacja może rozpocząć się tak szybko, jak kilka minut po stymulacji procesu.

Denitryfikacja może być szkodliwa dla produkcji roślinnej, ponieważ azot, składnik odżywczy niezbędny do wzrostu roślin, jest tracony do atmosfery podczas procesu. Jest to jednak korzystne dla siedlisk wodnych i oczyszczania ścieków przemysłowych lub ściekowych, ponieważ stężenie azotanów w wodzie jest obniżone. ^ja

Wypłukiwanie lub spływanie z upraw po obróbce nawozowej może spowodować, że nadmierne ilości tego składnika pokarmowego znajdą się w zbiornikach wodnych, gdzie związki azotowe mają różne szkodliwe skutki zarówno dla ludzi, jak i organizmów wodnych. ^iv

Amoniak jest toksyczny dla gatunków ryb i stymuluje wzrost glonów, zmniejszając poziom tlenu w wodzie i powodując eutrofizację. Azotany powodują uszkodzenie wątroby, raka i methemoglobinemię (niedobór tlenu u niemowląt), podczas gdy azotyny reagują ze związkami organicznymi zwanymi aminami, tworząc rakotwórcze nitrozoaminy. ⁱⁱ

Kiedy poziom tlenu w glebie lub wodzie jest wyczerpany (warunki anoksyczne), bakterie denitryfikujące rozkładają azotany do wykorzystania jako źródło tlenu. Zdarza się to zwykle w podmokłych glebach, gdzie poziom tlenu jest niski. Azotan jest redukowany do podtlenku azotu (N₂₎O) i jeszcze raz do azotu. Te bąbelki gazu uciekają do atmosfery. ^ja

Gaz powstały w odazotownikach zależy od warunków w glebie lub wodzie i od rodzaju obecnego środowiska mikrobiologicznego. Mniej tlenu powoduje powstanie większej ilości azotu, co jest najczęstszym produktem denitryfikacji. Azot stanowi główny składnik powietrza. Drugim najczęściej powstającym produktem jest podtlenek azotu, gaz cieplarniany, który również niszczy warstwę ozonową Ziemi. ^iv

Bakterie denitryfikujące są mniej wrażliwe na toksyczne chemikalia niż nitryfikatory i działają optymalnie przy pH między 7,0 a 8,5 i wyższych temperaturach między 26 a 38 stopni C. Denitryfikacja występuje głównie w glebie, gdzie aktywność mikrobiologiczna jest najwyższa.

Denitrifiery wymagają wystarczającego stężenia azotanów i rozpuszczalnego źródła węgla; najwyższe prędkości występują przy stosowaniu metanolu lub kwasu octowego. Węgiel organiczny można znaleźć w oborniku, kompoście, roślinach okrywowych i resztkach pożniwnych. ^ja

Minimalizację denitryfikacji w glebach uprawnych osiąga się poprzez utrzymanie minimalnego stężenia azotanu niezbędnego do wzrostu roślin, takiego jak stosowanie nawozów o kontrolowanym uwalnianiu. Inną metodą jest hamowanie nitryfikacji, co zmniejsza poziomy azotanów dostępnych do denitryfikacji.

Poziom denitryfikacji waha się w szerokim zakresie na jednym polu ze względu na wiele czynników, takich jak właściwości gleby (w tym agregacja, makropory i wilgotność) oraz zmiany w nawozie, materii organicznej i rozkładzie resztek pożniwnych.

Doniesiono, że rodzaje nawozów azotowych, a także metody aplikacji mają wpływ na denitryfikację. Na przykład powlekane nawozy o kontrolowanym uwalnianiu, a także zastosowania do fertygacji i transmisji, powodują niższą emisję podtlenku azotu niż suchy granulowany mocznik i skoncentrowane opaski. Głębsze umieszczenie azotu również zmniejsza te emisje.

Okresy suche, po których następuje nagła burza, często wyzwalają denitryfikację, którą można zarządzać za pomocą systemów odwadniających i nawadniania podpowierzchniowego. ^iv

streszczenie

Nitryfikacja

• Następuje proces amonifikacji
• Przekształcenie amonu w azotan
• Reakcja utleniania
• Ułatwiony przez dwa główne typy chemoautroficznych bakterii tlenowych: Nitrosomonas i Nitrobacter
• Proces dwuetapowy: konwersja amonu do azotynu, a następnie konwersja azotynu do azotanu
• Tworzy azotową formę odżywczą dostępną do absorpcji przez korzenie roślin
• Reagent (amon) znajdowany w moczniku z odpadów zwierzęcych i nawozów, kompostów i rozkładających się roślin uprawnych lub resztek pożniwnych
• Nitrifiery bardziej wrażliwe na stres środowiskowy
• Hamowany przez powodzie, wysokie zasolenie, wysoką kwasowość, wysoką zasadowość, nadmierną uprawę i toksyczne związki
• Sprzyjają warunki tlenowe, pH między 6,5 a 8,5, temperatury między 16 a 35 stopni C i wysoka zawartość gliny

Denitryfikacja

• Następuje proces nitryfikacji
• Przekształcenie azotanu w gazy azotowe, głównie azot i podtlenek azotu
• Reakcja redukcji
• Ułatwione przez heterotroficzne bakterie fakultatywne
• Kolejność etapów: konwersja azotanu w azotyn, tlenek azotu, tlenek azotu i wreszcie azot
• Odkaża ścieki i systemy wodne poprzez obniżenie poziomu azotanów
• Reagent (azotan) powstały w wyniku nitryfikacji, podczas gdy źródła węgla do odtłuszczaczy znajdują się w oborniku, pokrywają uprawy i resztki pożniwne lub są dostarczane przez metanol lub kwas octowy
• Denitrifiers mniej wrażliwy na stres środowiskowy
• Hamowany przez zmniejszoną nitryfikację, obniżony poziom azotanów, głębokie umieszczanie powlekanego nawozu o kontrolowanym uwalnianiu i drenaż gleby

Sprzyja temu zalanie, warunki beztlenowe, pH między 7,0 a 8,5, temperatury między 26 a 38 stopni C, wystarczająca podaż azotanów i rozpuszczalnego węgla oraz skoncentrowane zastosowania suchego granulowanego mocznika.