Nitrifikace a denitrifikace

Nitrifikace

Nitrifikace je biologická přeměna amoniaku (NH₄⁺) na dusičnan (NO₃^–) oxidací. Oxidace je definována jako ztráta elektronů atomem nebo sloučeninou nebo zvýšením jeho oxidačního stavu. Proces je usnadněn dvěma typy nitrifikačních aerobních bakterií, které vyžadují přítomnost molekul kyslíku rozpuštěných v jejich okolí, aby přežili. [i]

Za prvé, chemoautrofní bakterie (zejména ty rodu Nitrosomonas) přeměnit amoniak (NH₃) a amoniak na dusitan (NO₂^–). "Chemoautrofická" se týká schopnosti bakterií vytvářet vlastní živiny z anorganického zdroje, a to CO₂. Proces je reprezentován chemickou rovnicí:

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

Pak bakterie primárně z Nitrobacter skupina konvertuje dusitan na dusičnan v následující reakci:

2NO₂^– + O₂ → 2NO₃^– + energie

Tyto reakce probíhají současně a poměrně rychle - obvykle během několika dní nebo týdnů. Je důležité, aby dusitany byly zcela převedeny na dusičnany v půdách, protože dusitany jsou toxické pro život rostlin.

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

Před uskutečněním těchto kroků se organický dusík štěpí heterotrofními bakteriemi hydrolýzou za vzniku amoniaku a amoniaku v procesu známém jako ammonifikace. ⁱ Amoniak lze nalézt v močovině ze zvířecích odpadů, kompostů a rozkládajících plodin nebo zbytků plodin. Amoniak se nachází ve většině hnojiv.

Nitrifikační bakterie jsou citlivější vůči stresům prostředí než jiné druhy půdních bakterií. Když je půda na dlouhou dobu nasycena vlhkostí, póry půdy se naplní vodou, což omezuje přívod kyslíku. Nitrifikační bakterie vyžadují fungování aerobních podmínek, takže zaplavení omezuje nitrifikaci.

Suché půdy mají tendenci mít vysokou koncentraci soli a výsledná slanost negativně ovlivňuje nitrifikační aktivitu bakterií. Je to proto, že zvýšená osmolarita zvyšuje množství energie, kterou mikroorganismy potřebují k přesunu vody přes své buněčné membrány. Voda je také nezbytná pro pohyb rozpuštěných látek, jako jsou dusičnany, v půdě. ⁱⁱ

Nitrifikační bakterie fungují nejlépe při pH mezi 6,5 a 8,5 a teplotám mezi 16 a 35 stupni C. ⁱ Míry nitrifikace jsou pomalejší ve velmi kyselých půdách, zatímco vysoká alkalita se snižuje Nitrobacter což způsobuje nepříznivé nahromadění dusitanů v půdě.

PH půdy může být také ovlivněno zvláštním zdrojem nitrifikovaného amoniaku. Například roztok monoamoniového fosfátu (MAP) je mnohem kyselější než fosfát diamonný (DAP); takže použití DAP má za následek vyšší míry nitrifikace než MAP.

Většina bakterií se nalézá v horní povrchové vrstvě, a proto dochází k poklesu nitrifikace, když se postupy při obdělávání půdy neuskutečňují správně.

Půdy s vysokým obsahem jílu mají větší částice a více mikropórový prostor pro růst bakterií, stejně jako větší retence amoniaku v důsledku vyšší kapacity výměny kationtů. ⁱⁱ Vztahy s vodou a fyzikální vlastnosti půdy mohou být zlepšeny kultivací sníženou kultivací.

Nitrifikace může být potlačena přítomností těžkých kovů a toxických sloučenin nebo nadměrně vysokými koncentracemi amoniaku.

Někdy může být přínosné udržovat dusík v půdě ve formě amoniaku. Zabraňuje ztrátám dusíku (vyluhováním dusičnanů) a úniku dusíku (prostřednictvím denitrifikace). Mezi komerčně používané inhibitory nitrifikace patří dikyandiamid a nitrapyrin.

Denitrifikace

Denitrifikace je biologická přeměna dusičnanů na dusíkaté plyny redukcí. Vždy následuje nitrifikace ⁱ a reakční sekvence může být znázorněna následujícím způsobem:

NE₃^– → NE₂^– → NE → N₂O → N₂[iv]

Tento proces usnadňují fakultní bakterie; to jsou bakterie, které nevyžadují přítomnost volného kyslíku pro dýchání. Denitrifikační bakterie jsou heterotrofní organismy, protože potřebují organický zdroj potravy ve formě uhlíku k přežití. Denitrifikace může začít co nejdříve po několika minutách po stimulaci procesu.

Denitrifikace může být škodlivá pro rostlinnou výrobu, jelikož dusík, živina nezbytná pro růst rostlin, se během procesu ztrácí v atmosféře. Je však přínosné pro vodní prostředí a průmyslovou či odpadní vodu, protože koncentrace dusičnanů ve vodě je snížena. ⁱ

Vyluhování nebo odtok z plodin způsobené úpravou hnojiv může způsobit, že nadbytečné množství této živiny skončí ve vodních útvarech, kde dusíkaté sloučeniny 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, rakovinu a methemoglobinemii (nedostatek kyslíku u kojenců), zatímco dusitany reagují s organickými sloučeninami nazývanými aminy, čímž vytvářejí karcinogenní nitrosaminy. ⁱⁱ

Když jsou hladiny kyslíku v půdě nebo ve vodě vyčerpány (anoxické podmínky), denitrifikační bakterie rozkládají dusičnany pro použití jako zdroj kyslíku. To se obvykle vyskytuje v podzemních vodách, kde jsou nízké hladiny kyslíku. Nitrát je redukován na oxid dusný (N₂O) a ještě jednou na dusíkatý plyn. Tyto plynové bubliny uniknou do atmosféry. ⁱ

Plyn tvořený denitrifikačními látkami závisí na podmínkách v půdě nebo ve vodě a jaký druh mikrobiální komunity je přítomen. Méně kyslíku má tendenci mít za následek vznik většího množství dusíku, což je nejběžnější produkt denitrifikace. Dusík tvoří hlavní složku vzduchu. Druhým nejčastějším produktem je oxid dusný, skleníkový plyn, který rovněž eroduje ozónovou vrstvu Země. ^iv

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

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

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

Hladiny denitrifikace se v rámci jednoho pole značně liší, a to v důsledku mnoha faktorů, jako jsou vlastnosti půdy (včetně agregace, makropórů a vlhkosti) a rozdíly v rozdělování hnojiv, organické hmoty a zbytků plodin.

Zdálo se, že typy dusíku hnojiva, stejně jako způsoby aplikace, ovlivňují denitrifikaci. Například povlečená hnojiva s řízeným uvolňováním, jakož i fertigace a vysílací aplikace způsobují nižší emise oxidu dusíku než aplikace suché granulované močoviny a koncentrované aplikace. Hlubší umístění dusíku také tyto emise snižuje.

Suché období, po nichž následuje náhlá bouřka, jsou často spoušť pro denitrifikaci, kterou je možné řídit pomocí odvodňovacích systémů a podpovrchového kapajícího zavlažování. ^iv

souhrn

Nitrifikace

• Následuje proces amonifikace
• Transformace amoniaku na dusičnan
• Oxidační reakce
• Usnadňovány dvěma hlavními typy chemoautrofních aerobních bakterií: Nitrosomonas a Nitrobacter
• Dvoustupňový proces: přeměna amoniaku na dusitany a konverze dusitanu na dusičnan
• Vytvoří živnou formu dusíku, která je k dispozici pro absorpci kořenů rostlin
• Reakční činidlo (amonium) nalezené v močovině ze zvířecích odpadů a hnojiv, kompostů a rozkládajících plodin nebo zbytků plodin
• Nitrifikátory jsou citlivější vůči vlivům prostředí
• Zakázáno zaplavením, vysokou slaností, vysokou kyselostí, vysokou zásaditostí, nadměrným zpracováním a toxickými látkami
• Přednostně aerobními podmínkami, pH mezi 6,5 a 8,5, teplotami mezi 16 a 35 stupni C a vysokým obsahem jílu

Denitrifikace

• Postupuje se procesem nitrifikace
• Transformace dusičnanů na dusíkaté plyny, zejména dusík a oxid dusný
• Redukční reakce
• Usnadňovány heterotrofickými fakultními bakteriemi
• Postupnost kroků: přeměna dusičnanů na dusitany, oxid dusnatý, oxid dusný a konečně dusík
• Dekontaminuje odpadní a vodní systémy snížením obsahu dusičnanů
• Reakční činidlo (nitrát) tvořené nitrifikací, zatímco zdroje uhlíku pro denitrifikační látky se nacházejí v hnoje, pokrývají plodiny a zbytky plodin nebo se dodávají methanolem nebo kyselinou octovou
• Denitrifikátory méně citlivé na životní prostředí
• Inhibováno snížením nitrifikace, snížením koncentrace dusičnanů, hlubokým umístěním potaženého hnojiva s řízeným uvolňováním a odvodnění půdy

Vhodné jsou záplavy, anoxické podmínky, pH mezi 7,0 a 8,5, teploty mezi 26 a 38 stupni C, dostatečný přísun dusičnanů a rozpustného uhlíku a koncentrované aplikace pásky suché granulované močoviny.