Різниця між нітрифікацією та денітрифікацією

Нітрифікація

Нітрифікація - це біологічна трансформація амонію (NH₄⁺) до нітрату (NO₃^-) шляхом окислення. Окислення визначається як втрата електрона атомом чи сполукою, або збільшення його стану окислення. Процесу сприяють два типи нітрифікуючих аеробних бактерій, які потребують виживання молекул кисню, розчинених у їх оточенні, щоб вижити. [i]

По-перше, хемоаутрофні бактерії (в основному, роду) Нітросомонас) конвертувати аміак (NH₃) і амонію до нітриту (NO₂^-). "Хемоавтофний" означає здатність бактерій створювати власні поживні речовини з неорганічного джерела, а саме СО₂. Процес представлений хімічним рівнянням:

2NH₄+ + 3О₂ → 2NO₂^- + 2Н₂O + 4H⁺ + енергії

Тоді бактерії насамперед з Нітробактер групу перетворюють нітрит в нітрат в наступній реакції:

 2НО₂^- + О₂ → 2NO₃^- + енергії

Ці реакції відбуваються одночасно і досить швидко - зазвичай протягом днів або тижнів. Важливо, щоб нітрити повністю перетворювалися на нітрати в ґрунтах, оскільки нітрити токсичні для життя рослин.

Нітрати, присутні в ґрунті, є основним джерелом азоту, який використовують рослини. [ii] Таким чином, перехід азоту з однієї форми в іншу, відомий як цикл азоту, є важливою частиною сільського господарства. [iii]

Перш ніж пройти ці етапи, органічний азот руйнується гетеротрофними бактеріями шляхом гідролізу з утворенням амонію та аміаку в процесі, відомому як амоніфікація. ⁱ Аміак може міститись у сечовині від тваринних відходів, компостів та розкладаючих покривних культур або залишків сільськогосподарських культур. Амоній міститься в більшості добрив.

Нітрифікуючі бактерії більш чутливі до впливу навколишнього середовища, ніж інші типи ґрунтових бактерій. Коли ґрунт довгий час насичується вологою, пори ґрунту заповнюються водою, обмежуючи подачу кисню. Нітрифікуючі бактерії потребують аеробних умов, щоб функціонувати, таким чином, затоплення обмежує нітрифікацію.

Сухі ґрунти мають високу концентрацію солі, і отримана солоність негативно впливає на нітрифікуючу активність бактерій. Це пояснюється тим, що підвищена осмолярність збільшує кількість енергії, необхідної мікроорганізмам для переміщення води по своїх клітинних мембранах. Вода також важлива для переміщення розчинників, таких як нітрати, через ґрунт. ⁱⁱ

Нітрифікуючі бактерії найкраще діють при pH від 6,5 до 8,5 і температурі від 16 до 35 градусів. ⁱ У дуже кислих ґрунтах швидкість нітрифікації повільнішає, тоді як підвищена лужність знижується Нітробактер активності, викликаючи несприятливий накопичення нітриту в ґрунті.

На рН ґрунту також може впливати конкретне джерело нітрифікованого амонію. Наприклад, розчин фосфату моноамонію (MAP) набагато більш кислий, ніж фосфат діамонію (DAP); таким чином використання DAP призводить до більш високих показників нітрифікації, ніж MAP.

Більшість бактерій знаходяться у верхньому поверхневому шарі, тому нітрифікація зменшується при належному керуванні обробкою ґрунту.

Ґрунти з високим вмістом глини мають більші частинки та більше мікропорного простору для росту бактерій, а також більшу затримку амонію через більш високу здатність обміну катіонів. ⁱⁱ Водні відносини та фізичні властивості ґрунту можуть бути поліпшені за рахунок скорочення оброблюваної води.

Нітрифікація може бути пригнічена наявністю важких металів і токсичних сполук або надмірно високими концентраціями аміаку.

Іноді може бути корисним збереження азоту в ґрунті у вигляді амонію. Це запобігає втраті азоту (вилуговування нітратів) та виходу азоту (через денітрифікацію). Інгібітори нітрифікації, комерційно використовувані, включають диціандіамід та нітрапірин.

Денітрифікація

Денітрифікація - це біологічне перетворення нітратів в азотисті гази шляхом відновлення. Завжди йде нітрифікація ⁱ і реакційна послідовність може бути представлена ​​наступним чином:

НІ₃^- → НІ₂^- → НІ → Н₂O → N₂[iv]

Процесу сприяють факультативні бактерії; це бактерії, які не потребують наявності вільного кисню для дихання. Денітрифікуючі бактерії - це гетеротрофні організми, оскільки для виживання їм потрібне органічне джерело їжі у вигляді вуглецю. Денітрифікація може розпочатися так само швидко, як через кілька хвилин після стимуляції процесу.

Денітрифікація може завдати шкоди виробництву сільськогосподарських культур, оскільки азот, поживна речовина, необхідна для росту рослин, втрачається в атмосфері під час процесу. Однак це корисно для водних місць існування та для очищення стічних вод промислових чи стічних вод, оскільки концентрація нітратів у воді знижується. ⁱ

Вилуговування або стікання з сільськогосподарських культур через обробку добривами може призвести до надмірної кількості цієї поживної речовини у водоймах, де азотисті сполуки мають різний шкідливий вплив як на життя людини, так і на водний світ.. ^iv

Аміак токсичний для видів риб і стимулює ріст водоростей, знижуючи рівень кисню у воді і призводячи до евтрофікації. Нітрати викликають ураження печінки, рак і метгемоглобінемію (дефіцит кисню у немовлят), а нітрити реагують з органічними сполуками, званими амінами, утворюючи канцерогенні нітрозаміни. ⁱⁱ

Коли рівень кисню в ґрунтах чи воді знижується (аноксичні умови), денітрифікуючі бактерії розщеплюють нітрати для використання в якості джерела кисню. Це зазвичай відбувається на заболочених грунтах, де рівень кисню низький. Нітрат зводиться до оксиду азоту (N₂О) і ще раз до азотистого газу. Ці газові бульбашки вириваються в атмосферу. ⁱ

Газ, що утворюється денітрифікаторами, залежить від умов у ґрунті чи воді та того, який тип мікробіологічної спільноти присутній. Менше кисню, як правило, призводить до утворення більше азотного газу, найпоширенішого продукту денітрифікації. Газ азоту утворює основний компонент повітря. Другим найпоширенішим продуктом, що утворюється, є оксид азоту, парниковий газ, який також розмиває озоновий шар Землі. ^iv

Денітрифікуючі бактерії менш чутливі до токсичних хімічних речовин, ніж нітрифікатори і оптимально функціонують при рН між 7,0 та 8,5 та теплішими температурами між 26 і 38 градусами С. Денітрифікація відбувається в основному у верхньому ґрунті, де активність мікробів найвища.

Денітрифікатори вимагають достатньої концентрації нітратів та розчинного джерела вуглецю; найвищі показники мають місце при використанні метанолу або оцтової кислоти. Органічний вуглець може знаходитись у гної, компості, покривних культурах та рослинних рештках. ⁱ

Мінімізація денітрифікації в посівах ґрунтів досягається за рахунок підтримки мінімальної концентрації нітратів, необхідної для росту рослин, наприклад використання добрив з контрольованим вивільненням. Інший спосіб - це інгібування нітрифікації, що знижує рівні нітратів, доступних для денітрифікації.

Рівні денітрифікації широко варіюються в одному полі за рахунок багатьох факторів, таких як властивості ґрунту (включаючи агрегацію, макропори та вологість) та зміни в добривах, органічній речовині та розподілі залишків врожаю..

Повідомлялося, що типи азотних добрив, а також способи застосування впливають на денітрифікацію. Наприклад, добрива з контрольованим вивільненням з покриттям, а також застосування для підживлення та трансляції спричиняють менші викиди оксиду азоту, ніж застосування сухих гранульованих сечовин та концентрованих смуг. Поглиблене розміщення азоту також зменшує ці викиди.

Сухі періоди, що супроводжуються раптовою дощовою бурею, часто є поводом для денітрифікації, яку можна управляти за допомогою дренажних систем та підземного крапельного зрошення.. ^iv

Підсумок

Нітрифікація

• Слідкує за процесом амонізації
• Перетворення амонію в нітрат
• Реакція окислення
• Сприяють два основні типи хіміоавтофних аеробних бактерій: Нітросомонас і Нітробактер
• Двоступеневий процес: перетворення амонію в нітрит, потім перетворення нітриту в нітрат
• Створює азотну поживну форму, доступну для поглинання корінням рослин
• Реактант (амоній), знайдений у сечовині від тваринних відходів та добрив, компостів та розкладаючих покривних культур або рослинних залишків
• Нітрифікатори більш чутливі до впливу навколишнього середовища
• Інгібується затопленням, високою засоленістю, підвищеною кислотністю, високою лужністю, надмірною оброблюваністю та токсичними сполуками
• Вигідний аеробним умовам, pH від 6,5 до 8,5, температурі між 16 і 35 градусами С та високим вмістом глини

Денітрифікація

• Слідкує за процесом нітрифікації
• Трансформація нітрату до азотистих газів, переважно азоту та закису азоту
• Реакція відновлення
• Полегшені гетеротрофними факультативними бактеріями
• Послідовність етапів: перетворення нітрату в нітрит, в оксид азоту, в оксид азоту і, нарешті, в азот
• Обеззаражує стічні води та водні системи шляхом зниження рівня нітратів
• Реагент (нітрат), утворений нітрифікацією, в той час як джерела вуглецю для денітрифікаторів знаходяться в гною, покривних культурах та рослинних залишках або забезпечуються метанолом або оцтовою кислотою
• Денітрифікатори менш чутливі до впливу навколишнього середовища
• Пригнічується зниженою нітрифікацією, зниженим рівнем нітратів, глибоким розміщенням покритих добрив з контрольованим викидом та дренажу ґрунту

Вигідний від затоплення, аноксичних умов, рН між 7,0 та 8,5, температури між 26 і 38 градусами С, достатня подача нітратів та розчинного вуглецю та концентрованих смуг із застосуванням сухої гранульованої сечовини.