Atšķirība starp nitrifikāciju un denitrifikāciju

Nitrifikācija

Nitrifikācija ir amonija (NH₄⁺) uz nitrātu (NO₃^-) oksidējot. Oksidēšana tiek definēta kā atomu vai savienojumu elektronu zudums vai tā oksidācijas stāvokļa palielināšanās. Procesu atvieglo divu veidu nitrificējošās aerobās baktērijas, kuru izdzīvošanai ir vajadzīgas skābekļa molekulas, kas izšķīdinātas to apkārtnē. [i]

Pirmkārt, ķemoautrofās baktērijas (galvenokārt ģints baktērijas) Nitrosomonas) pārvērst amonjaku (NH₃) un amonija līdz nitrītam (NO₂^-). “Chemoautrofs” attiecas uz baktēriju spēju radīt savas barības vielas no neorganiska avota, proti, CO₂. Procesu attēlo ķīmiskais vienādojums:

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

Tad baktērijas galvenokārt no Nitrobacter grupa pārvērš nitrītu par nitrātu šādā reakcijā:

 2NO₂^- + O₂ → 2NO₃^- + enerģija

Šīs reakcijas notiek vienlaikus un diezgan ātri - parasti dienu vai nedēļu laikā. Ir svarīgi, lai augsnē nitrīti tiktu pilnībā pārveidoti par nitrātiem, jo ​​nitrīti ir toksiski augu dzīvībai.

Augos esošie nitrāti ir galvenais slāpekļa avots, ko izmanto augi. [ii] Tādējādi slāpekļa pāreja no vienas formas uz otru, kas pazīstama kā slāpekļa cikls, ir svarīga lauksaimniecības nozares sastāvdaļa. [iii]

Pirms šo darbību veikšanas heterotrofās baktērijas hidrolīzes ceļā sadala organisko slāpekli, veidojot amoniju un amonjaku procesā, kas pazīstams kā amonifikācija. ⁱ Amonjaku var atrast urīnvielā, kas iegūta no dzīvnieku atkritumiem, kompostiem un noārdāmajām kultūrām vai kultūraugu atlikumiem. Amonijs ir atrodams lielākajā daļā mēslošanas līdzekļu.

Nitrificējošās baktērijas ir jutīgākas pret vides stresu nekā citi augsnes baktēriju veidi. Kad augsne ilgstoši ir piesātināta ar mitrumu, augsnes poras piepildās ar ūdeni, ierobežojot skābekļa piegādi. Nitrificējošām baktērijām ir nepieciešami aerobie apstākļi, lai tās darbotos, tādējādi applūšana ierobežo nitrifikāciju.

Sausās augsnēs parasti ir augsta sāls koncentrācija, un iegūtais sāļums negatīvi ietekmē baktēriju nitrificējošo darbību. Tas notiek tāpēc, ka palielināta osmolaritāte palielina enerģijas daudzumu, kas mikroorganismiem vajadzīgs ūdens pārvietošanai pa viņu šūnu membrānām. Ūdens ir būtisks arī izšķīdušo vielu, piemēram, nitrātu, pārvietošanai pa augsni. ⁱⁱ

Nitrificējošās baktērijas vislabāk darbojas, ja pH ir no 6,5 līdz 8,5 un temperatūra ir no 16 līdz 35 grādiem C. ⁱ Ļoti skābās augsnēs nitrifikācijas ātrums ir lēnāks, savukārt augsta sārmainība samazina Nitrobacter aktivitāte, izraisot nelabvēlīgu nitrītu uzkrāšanos augsnē.

Augsnes pH var ietekmēt arī konkrētais nitrificētā amonija avots. Piemēram, monoammonija fosfāta (MAP) šķīdums ir daudz skābāks nekā diamonija fosfāta (DAP); tādējādi DAP izmantošana rada augstāku nitrifikācijas ātrumu nekā MAP.

Lielākā daļa baktēriju ir atrodamas augšējā virsmas slānī, līdz ar to nitrifikācija samazinās, ja zemkopības prakse netiek pareizi pārvaldīta.

Augsnēs ar lielu māla saturu ir lielākas daļiņas un vairāk mikroporu vietas baktēriju augšanai, kā arī lielāka amonija aizture, pateicoties lielākai katjonu apmaiņas spējai. ⁱⁱ Ūdens attiecības un augsnes fizikālās īpašības var uzlabot, ja augsne tiek kultivēta.

Nitrifikāciju var kavēt smago metālu un toksisko savienojumu klātbūtne vai pārmērīgi augsta amonjaka koncentrācija.

Dažreiz var būt noderīgi turēt slāpekli augsnē amonija veidā. Tas novērš slāpekļa zudumus (izskalojot nitrātus) un slāpekļa gāzu izplūšanu (izmantojot denitrifikāciju). Nitrifikācijas inhibitori, ko izmanto komerciāli, ietver diciandiamīdu un nitrapirīnu.

Denitrifikācija

Denitrifikācija ir nitrātu bioloģiska pārveidošana slāpekļa gāzēs, reducējot. Tas vienmēr seko nitrifikācijai ⁱ un reakcijas secību var attēlot šādi:

NĒ₃^- → NĒ₂^- → NĒ → N₂O → N₂[iv]

Procesu veicina fakultatīvas baktērijas; šīs ir baktērijas, kurām elpošanai nav nepieciešama brīva skābekļa klātbūtne. Denitrificējošās baktērijas ir heterotrofiski organismi, jo, lai izdzīvotu, viņiem ir nepieciešams organiska pārtikas avots oglekļa formā. Denitrifikācija var sākties tikpat ātri kā minūtes pēc procesa stimulēšanas.

Denitrifikācija var kaitēt augkopībai, jo procesa laikā atmosfērā tiek zaudēts slāpeklis, kas ir augu augšanai būtiska barības viela. Tomēr tas ir labvēlīgi ūdens biotopiem un rūpniecisko vai notekūdeņu notekūdeņu attīrīšanai, jo nitrātu koncentrācija ūdenī ir zemāka. ⁱ

Ja mēslošanas līdzekļu apstrādes rezultātā notiek kultūraugu izskalošanās vai notece, pārmērīgs šīs barības vielas daudzums var nonākt ūdenstilpēs, kur slāpekļa savienojumiem ir dažāda kaitīga ietekme gan uz cilvēku, gan ūdens dzīvi.. ^iv

Amonjaks ir toksisks zivju sugām un stimulē aļģu augšanu, samazinot skābekļa līmeni ūdenī un izraisot eitrofikāciju. Nitrāti izraisa aknu bojājumus, vēzi un methemoglobinēmiju (skābekļa deficītu zīdaiņiem), bet nitrīti reaģē ar organiskiem savienojumiem, kurus sauc par amīniem, veidojot kancerogēnus nitrozoamīnus. ⁱⁱ

Kad skābekļa līmenis augsnē vai ūdenī ir noplicināts (anoksiski apstākļi), denitrificējošās baktērijas sadala nitrātus, lai tos izmantotu kā skābekļa avotu. Parasti tas notiek mitrās augsnēs, kurās ir zems skābekļa līmenis. Nitrāts tiek samazināts līdz slāpekļa oksīdam (N₂O) un vēlreiz slāpekļa gāzei. Šie gāzes burbuļi izplūst atmosfērā. ⁱ

Denitrifieru veidotā gāze ir atkarīga no apstākļiem augsnē vai ūdenī un no tā, kāda veida mikrobi ir sastopami. Ja ir mazāk skābekļa, rodas vairāk slāpekļa gāzu, kas ir visizplatītākais denitrifikācijas produkts. Slāpekļa gāze ir galvenā gaisa sastāvdaļa. Otrs izplatītākais produkts ir slāpekļa oksīds, siltumnīcefekta gāze, kas arī iznīcina Zemes ozona slāni. ^iv

Denitrificējošās baktērijas ir mazāk jutīgas pret toksiskām ķīmiskām vielām nekā nitrifikatori un optimāli darbojas, ja pH ir no 7,0 līdz 8,5 un siltākā temperatūrā no 26 līdz 38 grādiem. Denitrifikācija notiek galvenokārt augsnes virskārtā, kur mikrobu aktivitāte ir visaugstākā..

Denitrifieriem nepieciešama pietiekama nitrātu koncentrācija un šķīstoša oglekļa avots; lielākās likmes rodas, lietojot metanolu vai etiķskābi. Organisko oglekli var atrast kūtsmēslos, kompostā, pārseguma kultūrās un kultūraugu atlikumos. ⁱ

Denitrifikācijas samazināšana kultūraugu augsnēs tiek panākta, saglabājot minimālo nitrātu koncentrāciju, kas nepieciešama augu augšanai, piemēram, izmantojot kontrolētas izdalīšanās mēslošanas līdzekļus. Vēl viena metode ir nitrifikācijas kavēšana, kas samazina denitrifikācijai pieejamo nitrātu līmeni.

Denitrifikācijas līmeņi vienā laukā ir ļoti atšķirīgi daudzu faktoru, piemēram, augsnes īpašību (ieskaitot augsnes agregāciju, makroporas un mitrumu) un mēslojuma, organisko vielu un kultūraugu atlieku sadalījuma atšķirību dēļ..

Ir ziņots, ka slāpekļa mēslojuma veidi, kā arī pielietošanas metodes ietekmē denitrifikāciju. Piemēram, pārklāti kontrolētas izdalīšanās mēslošanas līdzekļi, kā arī mēslošanas un izplatīšanas programmas rada mazākas slāpekļa oksīda emisijas nekā sausa granulēta urīnviela un koncentrētas joslas. Arī dziļāks slāpekļa izvietojums samazina šīs emisijas.

Sausie periodi, kam seko pēkšņa lietusgāze, bieži izraisa denitrifikāciju, ko var pārvaldīt ar kanalizācijas sistēmām un zemūdens pilienveida apūdeņošanu.. ^iv

Kopsavilkums

Nitrifikācija

• Seko amonifikācijas procesam
• Amonija pārveidošana nitrātā
• Oksidācijas reakcija
• Atvieglojas diviem galvenajiem ķīmijas aerobo baktēriju veidiem: Nitrosomonas un Nitrobacter
• Divpakāpju process: amonija pārvēršana nitrītā, pēc tam nitrīta pārvēršana nitrātā
• Izveido slāpekļa barības formu, kas pieejama augu sakņu absorbcijai
• Reaģents (amonijs), kas atrodams urīnvielā no dzīvnieku atkritumiem un mēslošanas līdzekļiem, kompostiem un noārdošām pārseguma kultūrām vai kultūraugu atlikumiem
• Pagarinātāji, kas jutīgāki pret vides stresu
• Inhibicē plūdi, augsts sāļums, augsts skābums, augsta sārmainība, pārmērīga augsnes apstrāde un toksiski savienojumi
• Labvēlīgi ir aerobie apstākļi, pH līmenis no 6,5 līdz 8,5, temperatūra no 16 līdz 35 grādiem C un augsts māla saturs

Denitrifikācija

• Seko nitrifikācijas process
• Nitrātu pārveidošana slāpekļa gāzēs, galvenokārt slāpekļa un slāpekļa oksīdā
• Samazināšanas reakcija
• Atvieglo heterotrofiskas fakultatīvas baktērijas
• Soļu secība: nitrāta pārvēršana nitrītā, slāpekļa oksīdā, slāpekļa oksīdā un visbeidzot slāpeklī
• Notekūdeņu un ūdens sistēmu dekontaminācija, pazeminot nitrātu līmeni
• Reaģents (nitrāts), kas izveidojies nitrifikācijas laikā, savukārt denitrifentu oglekļa avoti ir atrodami kūtsmēslos, pārseguma kultūrās un kultūraugu atlikumos vai arī tos nodrošina metanols vai etiķskābe
• Denitrifieri, kas ir mazāk jutīgi pret vides stresu
• Inhibē samazināta nitrifikācija, pazemināts nitrātu līmenis, pārklāta kontrolētas izdalīšanās mēslojuma dziļa iestrāde un augsnes notekas

Atbalstīti plūdi, anoksiski apstākļi, pH diapazonā no 7,0 līdz 8,5, temperatūra no 26 līdz 38 grādiem C, pietiekama nitrātu un šķīstošā oglekļa padeve un sausas, granulētas urīnvielas koncentrētas joslas..