Rozdíl mezi nitrifikací a denitrifikací

Nitrifikace

Nitrifikace je biologická přeměna amonia (NH₄⁺) na dusičnany (NO₃^-) oxidací. Oxidace je definována jako ztráta elektronů atomem nebo sloučeninou nebo zvýšení jejího oxidačního stavu. Tento proces je usnadněn dvěma typy nitrifikačních aerobních bakterií, které pro přežití vyžadují přítomnost molekul kyslíku rozpuštěného v jejich okolí. [i]

Za prvé, chemoautrofní bakterie (hlavně bakterie rodu Nitrosomonas) převést amoniak (NH₃) a amonný na dusitan (NO₂^-). „Chemoautrofní“ označuje schopnost bakterií vytvářet si vlastní živiny z anorganického zdroje, jmenovitě CO₂. Proces je reprezentován chemickou rovnicí:

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

Pak bakterie primárně z Nitrobacter skupina převádí dusitany na dusičnany v následující reakci:

 2NO₂^- + Ó₂ → 2NO₃^- + energie

Tyto reakce probíhají současně a poměrně rychle - obvykle během dnů nebo týdnů. Je důležité, aby byl dusitan v půdě úplně přeměněn na dusičnany, protože dusitan je pro život rostlin toxický.

Dusičnany přítomné v půdě jsou hlavním zdrojem dusíku používaného rostlinami. [ii] Přechod dusíku z jedné formy do druhé, známý jako cyklus dusíku, je důležitou součástí zemědělského průmyslu. [iii]

Před provedením těchto kroků se organický dusík štěpí heterotrofními bakteriemi hydrolýzou za vzniku amonia a amoniaku v procesu známém jako amoniakace. ⁱ Amoniak lze nalézt v močovině ze živočišných odpadů, kompostů a rozkladu krycích plodin nebo zbytků plodin. Amonium se nachází ve většině hnojiv.

Nitrifikační bakterie jsou citlivější na stres prostředí než jiné typy půdních bakterií. Pokud byla půda nasycena vlhkostí po delší dobu, póry půdy se naplní vodou, což omezuje přísun kyslíku. Nitrifikační bakterie vyžadují, aby fungovaly aerobní podmínky, a tak povodeň omezuje nitrifikaci.

Suché půdy mají tendenci mít vysokou koncentraci solí a výsledná slanost negativně ovlivňuje nitrifikační aktivitu bakterií. Je to proto, že zvýšená osmolarita zvyšuje množství energie potřebné mikroorganismy k pohybu vody přes jejich buněčné membrány. Voda je také nezbytná pro pohyb solutů, jako jsou dusičnany, půdou. ⁱⁱ

Nitrifikační bakterie fungují nejlépe při pH mezi 6,5 a 8,5 a při teplotách mezi 16 a 35 ° C. ⁱ Rychlosti nitrifikace jsou ve velmi kyselých půdách pomalejší, zatímco vysoká alkalita se snižuje Nitrobacter aktivita způsobující nepříznivé hromadění dusitanů v půdě.

PH půdy může být také ovlivněno konkrétním zdrojem nitrifikovaného amoniaku. Například roztok monoamonium fosfátu (MAP) je mnohem kyselejší než diamonium fosfát (DAP); použití DAP tedy vede k vyšším hodnotám nitrifikace než MAP.

Většina bakterií se nachází v horní povrchové vrstvě, takže nitrifikace klesá, pokud nejsou postupy zpracování půdy řádně zvládnuty.

Půdy s vysokým obsahem jílu mají větší částice a více mikroporézního prostoru pro bakteriální růst a také větší retenci amonia díky vyšší kapacitě výměny kationtů. ⁱⁱ Vztahy s vodou a fyzikální vlastnosti půdy lze zlepšit sníženou kultivací.

Nitrifikace může být inhibována přítomností těžkých kovů a toxických sloučenin nebo příliš vysokou koncentrací amoniaku.

Někdy může být užitečné udržovat dusík v půdě ve formě amonia. Tím se zabrání ztrátě dusíku (vyluhováním dusičnanů) a úniku dusíku (denitrifikací). Inhibitory nitrifikace používané komerčně zahrnují dikyandiamid a nitrapyrin.

Denitrifikace

Denitrifikace je biologická přeměna dusičnanů na dusíkaté plyny redukcí. Vždy to sleduje nitrifikaci ⁱ a reakční sekvence může být znázorněna následovně:

NE₃^- → NE₂^- → NE → N₂O → N₂[iv]

Tento proces je usnadněn fakultativními bakteriemi; jedná se o bakterie, které pro dýchání nevyžadují přítomnost volného kyslíku. Denitrifikační bakterie jsou heterotrofní organismy, protože k přežití potřebují zdroj biopotravin ve formě uhlíku. Denitrifikace může začít tak rychle jako minuty po stimulaci procesu.

Denitrifikace může být škodlivá pro rostlinnou výrobu, protože dusík, živina nezbytná pro růst rostlin, se během procesu ztratí do atmosféry. Pro vodní stanoviště a pro čištění průmyslových a čistíren odpadních vod je však výhodné, protože se snižuje koncentrace dusičnanů ve vodě.. ⁱ

Vyluhování nebo odtok z plodin v důsledku ošetření hnojiv může způsobit, že se nadbytečné množství této živiny dostane do vodních útvarů, kde sloučeniny dusíku mají různé škodlivé účinky na lidský i vodní život.. ^iv

Amoniak je toxický pro druhy ryb a stimuluje růst řas, snižuje hladinu kyslíku ve vodě a vede k eutrofizaci. Dusičnany způsobují poškození jater, rakoviny a methemoglobinemii (nedostatek kyslíku u kojenců), zatímco dusitany reagují s organickými sloučeninami nazývanými aminy za vzniku karcinogenních nitrosaminů. ⁱⁱ

Když je hladina kyslíku v půdě nebo vodě vyčerpána (anoxické podmínky), denitrifikační bakterie štěpí dusičnany pro použití jako zdroj kyslíku. K tomu obvykle dochází v podmáčených půdách, kde je nízká hladina kyslíku. Dusičnan je redukován na oxid dusný (N₂O) a ještě jednou na plynný dusík. Tyto plynové bubliny unikají do atmosféry. ⁱ

Plyn vytvářený denitrifikátory závisí na podmínkách v půdě nebo vodě a na tom, jaké mikrobiální společenství je přítomno. Méně kyslíku má tendenci vést k tvorbě více dusíku, což je nejčastější produkt denitrifikace. Plynný dusík tvoří hlavní složku vzduchu. Druhým nejběžnějším vytvořeným produktem je oxid dusný, skleníkový plyn, který také narušuje ozonovou vrstvu Země. ^iv

Denitrifikační bakterie jsou méně citlivé na toxické chemikálie než nitrifikátory a fungují optimálně při pH mezi 7,0 a 8,5 a teplejšími teplotami mezi 26 a 38 ° C. Denitrifikace se vyskytuje většinou v horní půdě, kde je mikrobiální aktivita nejvyšší.

Denitrifikátory vyžadují dostatečnou koncentraci dusičnanů a rozpustný zdroj uhlíku; nejvyšší hodnoty se vyskytují při použití methanolu nebo kyseliny octové. Organický uhlík se nachází v hnoji, kompostu, krycích plodinách a zbytcích plodin. ⁱ

Minimalizace denitrifikace v zemědělských půdách se dosahuje udržováním minimální koncentrace dusičnanů nezbytných pro růst rostlin, jako je použití hnojiv s řízeným uvolňováním. Další metodou je inhibice nitrifikace, která snižuje hladiny dusičnanů dostupných pro denitrifikaci.

Hladiny denitrifikace se v rámci jednoho pole pohybují široce v důsledku mnoha faktorů, jako jsou vlastnosti půdy (včetně agregace, makroporéz a vlhkosti) a rozdíly v distribuci hnojiv, organických látek a zbytků plodin..

Uvádí se, že typy dusíkatých hnojiv a metody aplikace ovlivňují denitrifikaci. Například potažená hnojiva s řízeným uvolňováním, jakož i aplikace na hnojení a přenos, způsobují nižší emise oxidu dusného než aplikace suché granulované močoviny a koncentrovaných pásů. Hlubší umístění dusíku tyto emise také snižuje.

Suchá období, po nichž následuje náhlá dešťová bouře, jsou často spouštěčem denitrifikace, kterou lze zvládnout pomocí drenážních systémů a zavlažování pod hladinou. ^iv

souhrn

Nitrifikace

• Sleduje proces amifikace
• Transformace amonia na dusičnan
• Oxidační reakce
• Usnadněno dvěma hlavními typy chemoautrofních aerobních bakterií: Nitrosomonas a Nitrobacter
• Dvoukrokový proces: přeměna amonia na dusitan, poté přeměna dusitanu na dusičnan
• Vytváří dusíkatou formu živin, která je k dispozici pro absorpci kořeny rostlin
• Činidlo (amonium), které se nachází v močovině ze živočišných odpadů a hnojiv, kompostů a rozkladu krycích plodin nebo zbytků plodin
• Nitrifikátory citlivější na environmentální zátěž
• Inhibováno záplavami, vysokou slaností, vysokou kyselostí, vysokou zásaditostí, nadměrným obděláváním a toxickými sloučeninami
• Upřednostňováno aerobními podmínkami, pH mezi 6,5 a 8,5, teplotami mezi 16 a 35 ° C a vysokým obsahem jílu

Denitrifikace

• Sleduje nitrifikační proces
• Transformace dusičnanů na dusíkaté plyny, zejména dusík a oxid dusný
• Redukční reakce
• Usnadněno heterotrofními fakultativními bakteriemi
• Posloupnost kroků: přeměna dusičnanů na dusitany, na oxid dusnatý, na oxid dusný a nakonec na dusík
• Dekontaminuje odpadní vody a vodní systémy snížením obsahu dusičnanů
• Reakční činidlo (dusičnan) tvořené nitrifikací, zatímco zdroje uhlíku pro denitrifikátory se nacházejí v hnoji, krycích plodinách a zbytcích plodin, nebo jsou poskytovány methanolem nebo kyselinou octovou
• Denitrifikátory méně citlivé na environmentální zátěž
• Inhibuje se sníženou nitrifikací, sníženými hladinami dusičnanů, hlubokým umístěním potaženého hnojiva s řízeným uvolňováním a odvodňováním půdy

Příznivé pro povodně, anoxické podmínky, pH mezi 7,0 a 8,5, teploty mezi 26 a 38 ° C, dostatečný přísun dusičnanů a rozpustného uhlíku a koncentrované pásové aplikace suché granulované močoviny.