Różnica między nitryfikacją a denitryfikacją

Nitryfikacja

Nitryfikacja to biologiczna transformacja amonu (NH₄⁺) do azotanu (nie₃^-) przez utlenianie. Utlenianie jest definiowane jako utrata elektronów przez atom lub związek lub wzrost jego stanu utleniania. Proces ten ułatwia dwa rodzaje azotowania bakterii aerobowych, które wymagają obecności cząsteczek tlenu rozpuszczonych w ich otoczeniu, aby przetrwać. [I]

Po pierwsze, bakterie chemoutroficzne (głównie te z rodzaju Nitrosomonas) Konwertuj amoniak (NH₃) i amon do azotynu (nie₂^-). „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^- + 2h₂O + 4H⁺ + energia

Następnie bakterie przede wszystkim z Nitrobacter Grupa przekształca azotyn na azotan w następującej reakcji:

 2no₂^- + O₂ → 2no₃^- + energia

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

Azotany obecne w glebie są głównym źródłem azotu stosowanego przez rośliny. [ii] Zatem przejście azotu z jednej postaci do drugiej, znanej jako cykl azotu, jest ważną częścią przemysłu rolnego.[iii]

Zanim te kroki mają miejsce, azot organiczny jest rozkładany przez heterotroficzne bakterie przez hydrolizę w celu utworzenia amonu i amoniaku w procesie znanym jako amonifikacja. ^I Amoniak można znaleźć w moczniku z odpadów zwierzęcych, kompostów i rozkładających się upraw okrywowych lub resztek plonów. Amon występuje w większości nawozów.

Bakterie nitryfikujące są bardziej wrażliwe na stres środowiskowy niż inne rodzaje bakterii glebowych. Gdy gleba jest nasycona wilgocią przez przedłużone okresy, pory gleby wypełniają się wodą, ograniczając zasilanie tlenu. Bakterie nitryfikujące wymagają funkcjonowania warunków aerobowych, a tym samym powódź ogranicza nitryfikację.

Suche gleby mają zwykle wysokie stężenie soli, a wynikające z tego zasolenie negatywnie wpływa na aktywność nitryfikującą 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 przemieszczania substancji rozpuszczonych, takich jak azotany, przez glebę. ⁱⁱ

Bakterie nitryfikujące działają najlepiej przy pH między 6.5 i 8.5 i temperatury od 16 do 35 stopni C. ^I Wskaźniki nitryfikacji są wolniejsze w bardzo kwaśnych glebach, podczas gdy wysoka alkaliczność zmniejsza Nitrobacter aktywność, powodując niekorzystne gromadzenie się azotynów w glebie.

Na pH gleby może mieć również wpływ szczególne źródło nitryfikowania amonu. Na przykład roztwór fosforanu monoamoniowego (MAP) jest znacznie bardziej kwaśny niż fosforan diamoniczny (DAP); Zatem zastosowanie DAP powoduje wyższe szybkości nitryfikacji niż MAP.

Większość bakterii znajduje się w górnej warstwie powierzchniowej, a zatem nitryfikacja spadła, gdy praktyki uprawy nie są właściwie zarządzane.

Gleby o wysokiej zawartości gliny mają większe cząstki i więcej przestrzeni mikroporowej dla wzrostu bakterii, a także większe zatrzymywanie amonu z powodu wyższej zdolności wymiany kationów. ⁱⁱ Stosunki wody i właściwości fizyczne gleby można poprawić poprzez uprawę o zmniejszonej.

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

Czasami może być korzystne, aby zatrzymać azot w glebie w postaci amonu. Zapobiega to utracie azotu (przez ługowanie azotanów) i ucieczki z gazu azotu (poprzez denitryfikację). Używane komercyjnie inhibitory nitryfikacyjne obejmują cyędzie i nitrapyrynę.

Denitryfikacja

Denitryfikacja to biologiczna transformacja azotanu do gazów azotowych przez redukcję. Zawsze następuje po nitźności ^I a sekwencja reakcji może być reprezentowana w następujący sposób:

NIE₃^- → Nie₂^- → NO → N₂O → n₂[iv]

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

Denitryfikacja może być szkodliwa dla produkcji roślin, ponieważ azot, składnik odżywczy niezbędny do wzrostu roślin, jest tracony w atmosferze podczas procesu. Jest to jednak korzystne dla siedlisk wodnych oraz w oczyszczaniu ścieków przemysłowych lub ścieków, ponieważ stężenie azotanów w wodzie jest obniżane. ^I

Ługowanie lub spływy z upraw z powodu zabiegów nawozowych może powodować nadmierne ilości tego składnika odżywczego, aby skończyć w zbiornikach wodnych, gdzie związki azotowe mają różne szkodliwe skutki zarówno na życie ludzkie, jak i wodne. ^iv

Amoniak jest toksyczny dla gatunków ryb i stymuluje wzrost glonów, zmniejszając poziom tlenu w wodzie i powodując eutrofizację. Azotany powodują uszkodzenie wątroby, nowotwory i metemoglobinemia (niedobór tlenu u niemowląt), podczas gdy azotyny reagują ze związkami organicznymi zwanymi aminami z tworzenia rakotwórczych nitrozamin. ⁱⁱ

Gdy poziomy tlenu w glebie lub wodzie są wyczerpane (warunki anoksyczne), bakterie denitryfikacyjne rozkładają azotany w celu zastosowania jako źródło tlenu. Występuje to w glebach podmokłych, gdzie poziomy tlenu są niskie. Azotan jest redukowany do podtlenku azotu (n₂O) i jeszcze raz do gazu azotowego. Te pęcherzyki gazowe uciekają do atmosfery. ^I

Gaz utworzony przez denitryfikatory zależy od warunków w glebie lub wodzie i jakiego rodzaju społeczności drobnoustrojów jest obecna. Mniej tlenu ma tendencję do powstania większej liczby gazów azotowych, najczęstszym produktem denitryfikacji. Gaz azotu stanowi główny składnik powietrza. Drugim najczęstszym utworzonym produktem jest podtlenek azotu, gaz cieplarniany, który również eroduje warstwę ozonową Ziemi. ^iv

Bakterie denitryfikujące są mniej wrażliwe na toksyczne chemikalia niż azotki i działają optymalnie przy pH między 7.0 i 8.5 i cieplejsze temperatury między 26 a 38 stopni C. Denitryfikacja występuje głównie w glebie, w której aktywność drobnoustrojów jest najwyższa.

Denitryfikatory wymagają wystarczającego stężenia azotanów i rozpuszczalnego źródła węgla; Najwyższe szybkości występują podczas stosowania metanolu lub kwasu octowego. Węgiel organiczny można znaleźć w oborniku, kompostu, uprawach okrywowych i resztach plonów. ^I

Minimalizowanie denitryfikacji w glebach uprawnych osiąga się poprzez utrzymanie minimalnego stężenia azotanu niezbędnego do wzrostu roślin, takich jak stosowanie nawozów z uwalnianiem kontrolowanych. Inną metodą jest hamowanie nitryfikacji, co zmniejsza poziomy azotanu dostępne do denitryfikacji.

Poziomy denitryfikacji obejmują szeroko na jednej polu, ze względu na wiele czynników, takich jak właściwości gleby (w tym agregacja, makropory i wilgotność) oraz zmiany nawozu, materii organicznej i rozkładu reszt.

Doniesiono, że typy nawozów azotowych, a także metody zastosowania wpływają na denitryfikację. Na przykład, powlekane nawozy zwalniane, a także nawożenia i zastosowania transmisji, powodują niższą emisję podtlenku azotu niż suche ziarniste mocznik i stężone pasma. Głębsze umieszczanie azotu również zmniejsza te emisje.

Okresy suche, po których następuje nagłe burza, często są wyzwalaczem denitryfikacji, którą można zarządzać za pomocą systemów drenażowych i nawadniania kroplówki podpowierzchniowej. ^iv

Streszczenie

Nitryfikacja

• Następuje proces amonifikacji
• Transformacja amonu na azotan
• Reakcja utleniania
• Ułatwione przez dwa główne typy chemioagerficznych bakterii aerobowych: Nitrosomonas I Nitrobacter
• Proces dwa: konwersja amonu na azotyn, a następnie konwersja azotynu do azotanu
• Tworzy formę składników odżywczych azotu dostępna do wchłaniania przez korzenie roślinne
• Reagent (amon) znaleziony w moczniku z odpadów zwierzęcych i nawozów, kompostów i rozkładających się upraw okrywowych lub resztek plonów
• Azotki bardziej wrażliwe na stres środowiskowy
• Zahamowane przez powódź, wysokie zasolenie, wysoką kwasowość, wysokie zasadowość, nadmierne uprawę i toksyczne związki
• Faworyzowane przez warunki aerobowe, pH między 6.5 i 8.5, temperatury między 16 a 35 stopni C i wysoką zawartością gliny

Denitryfikacja

• Następuje proces nitryfikacji
• Transformacja azotanu do gazów azotowych, głównie azotu i podtlenku azotu
• Reakcja redukcji
• Ułatwione przez heterotroficzne bakterie fakultatywne
• Sekwencja kroków: konwersja azotanu do azotynu, tlenek azotu, do azotu i na koniec do azotu
• Dekontaminuje ścieki i układy wodne poprzez obniżenie poziomu azotanów
• Reagent (azotan) utworzony przez nitryfikację, podczas gdy źródła węgla dla denitryfikatorów znajdują
• Denitryfikatory mniej wrażliwe na stres środowiskowy
• Hamowane przez zmniejszone nitryfikację, obniżone poziomy azotanów, głębokie umieszczenie nawozu powlekanego kontrolowanego uwalniania i drenaż gleby

Faworyzowane przez powódź, warunki anoksyczne, pH między 7.0 i 8.5, Temperatury między 26 a 38 stopni C, wystarczająca ilość azotanów i rozpuszczalnego węgla i stężone zastosowanie pasma suchego ziarnistego mocznika.