Kasutaja:Kkurg/Nitrifikatsioon

Nitrifikatsioon toimub obligaatsete kemolitoautotroofide vahendusel, protsess on aeroobne, selle käigus assimileeritakse CO₂ ja ammoniaak (NH₃) oksüdeeritakse nitritiks (NO_2-) (Nitrosomonas, Nitrosococcus, ensüüm ammoniaagi monooksügenaas) – nitrifikatsiooni esimene etapp ning nitrit nitraadiks (NO_3-) (Nitrobacter, Nitrococcus, Nitrospira; Nitrospina) – nitrifikatsiooni teine etapp. Nitrifikatsioon toimub igal pool, kus moodustub ammoniaak (enamasti orgaanilise aine degradatsioonil). Ammoniaak võib tekkida sellistes keskkondades nagu näiteks pinnas, setted, reovesi ja pinnavesi (k.a ookean). Nitrifikatsioon on kriitiline komponent lämmatikuringes. Inimtegevuse tagajärjel võib suurenenud nitrifikatsioon pärssida denitrifikatsiooni lämmastikuringes ning nitraat akumuleerub keskkonnas. Nitraadi akumuleerumine reostab põhjavett ja tekitab järvedes eutofeerumise. Suurenenud nitrifikatsiooni kasutatakse ära reoveepuhastuses, kus on vajalik veest ammoniaagi eemaldamine.

Ajalugu

Nitrifikatsiooni põhjustavaks teguriks peeti 19. sajandi teise pooleni mulda kui katalüüsaatorit. Usuti, et NH₃ oksüdatsioon on keemiline reaksioon, milles muld esineb katalüsaatorina, kuid 1877. aastal viidi läbi katse, mis selle väite ümber lükkas. Eksperimentaalselt tõestati, et nitrifikatsiooni põhjustavaks teguriks on hoopis mullas esinevad mikroorganismid.

Katse käigus lasti 1 meetri pikkusest kvartsklaasist, liiva ja aiamulla seguga täidetud torust läbi reovett. Sealjuures oli üks torudest kuumutatud, sisalduvale ainehulgale lisatud aktiseptikuid, kui teine oli lisanditeta ning kuumutamata. Reovett filtreerides leiti, et teises torus, mis oli kuumutamata, vähenes ammoniakaalse lämmastiku sisaldus ning tõusis nitraatide sisaldus. Samal ajal kuumutatud kvartsklaastorus NH₃ oksüdatsiooni praktiliselt ei toimunud. Selle katse raames ei suudetud eraldada nitrifikatsiooni põhjustavaid baktereid, sest mikroobide kasvatamisel kasutati puljongsöödet. Aastal 1890 kirjeldas vene mikrobioloog ja mullateadlane Sergei Vinogratski nitrifikatsiooni bioloogilist olemust. Ta leidis, et nitrifikaatorid ei kasva orgaanilisi aineid sisaldaval söötmel, sest on autotroofid ning orgaaniliste ainete suhtes söötmes väga tundlikud. Kasutades aga mineraalseid söötmeid suudeti nitrifikaatorid eraldada, rakendades ränihappe baasil valmistatud söötmeid, millele lisati ammooniumsoolasid. Selgus, et mitmed mikroorganismid saavad rakuainete sünteesiks energiat NH₃ oksüdatsioonist nitrititeks, samal ajal teist tüüpi mikroorganismid aga nitritite oksüdatsiooist nitraatideks. Just selle avastusega on Vinogratskist saanud üks esimesi keskkonnamikrobioloogia viljelejatest, sest kirjeldades nitrifikatsiooni läbiviivaid baktereid, leidis ta esimesed teadaolevad kemolitotroofid ehk mikroorganismid, kes saavad energiat keemiliste sidemete energiast, lagundades anorgaanilisi aineid.

Keemiline olemus

Nitrifikatsioon on protsess, mille käigus toimub lämmastikuühendite oksüdatsioon (elektronide ülekanne lämmastiku aatomitelt hapniku aatomitele). Bakterid, kes seda läbi viivad on kõik kemolitoautotroofid, mis tähendab, et nende energiaallikaks on keemiline energia ning elektronide doonoriks on anorgaaniline aine. Vajalik süsinik saadakse süsinikdioksiidist (CO₂) või bikarbonaadist (HCO_3-).

Kogu nitrifikatsiooni protsessi võib jagada kaheks faasiks.

I faas

Toimub ammoniumi (NH₄₊) või ammoniaagi (NH₃) oksüdatsioon nitritiooniks (NO_2-) ammoniaaki oksüdeeriva bakteri (AOB) poolt, tihti näiteks Nitrosomonas spp. I faasi protsessid võib omakorda jagada kolmeks alam-protsessiks:

1) NH₃ + O₂ + 2 H₊ + 2 e- => NH₂OH + H₂O

- ammoniaak oksüdeeritakse hüdroksüülamiiniks (NH2OH) ensüümi monooksügenaas toimel,

2) NH₂OH + H₂O => NO_2- + 5H₊ + 4e-

- hüdroksüülamiin oksüdeeritakse nitritiks,

3) ½ O₂ + 2 H₊ + 2 e- => H₂O

Hapnik, elektronid ning vaba vesinik konverteeritakse veeks.

Kogureaktsioon Σ: NH₃ + 1.5 O₂ => NO_2- + H₊ + H₂O

I faasi käigus võib toimuda keskkonna hapestumine.

II faas

Nitriti edasine oksüdatsioon nitraadiks (NO_3-) nitriti oksüdeeriva bakteri (NOB) poolt, näiteks Nitrobacter spp. Protsessi käivitamiseks kasutab NOB ensüümi nitriti okidoreduktaas (NOR). Faasi II reaktsioone võib jagada kaheks alam-protsessiks:

1) NO_2- + H₂O => NO_3- + 2 H₊ + 2 e-

- nitrit oksüdeeritakse nitraadiks NOR ensüümi abil,

2) ½ O₂ + 2 H₊ + 2 e- => H₂O

- elektronid, prootonid ning hapnik konverteeritakse veeks.

II faasi võib kokku võtta reaktsiooniga Σ: NO_2- + ½ O₂ => NO_3-.

Liites kokku I ja II faasi reaktsioonid saame summaarse nitrifikatsiooni reaktsiooni:

NH₃ + 2 O₂ => NO_3- + H₊ + H₂O.

Nitrifikatsiooni mikrobioloogia

Bakterid, kes viivad läbi nitrifikatsiooni on kemoautotroofsed või kemolitotroofsed, saades eluks vajaliku energia nitrifikatsioonist. See hõlmab perekondi: Nitrosomonas, Nitrosococcus, Nitrobacter ning Nitrococcus.16 rRNa järjestuse põhjal moodustavad ammoniaaki oksüdeerivad bakterid fülogeneetiliselt sama rühma. Neil on kompleksed sisemised membraansüsteemid, mis on peamiste nitrifikatsiooniensüümide asukohaks. Nendeks on protsessis osalevad ensüümid - ammoniaagi monooksügeneaas (AMO), mis esineb kõigil autotroofsetel ammoniaagioksüdeerijatel ning sarnaneb metaani oksüdeerivatel bakteritel esineva metaani monooksügenaasiga, samuti hüdroksüülalamiini oksüoreduktaas ja nitriti oksidoreduktaas. Sealjuures AMO oksüdeerib ammoniaagi hüdroksüülamiiniks ning nitriti oksidoreduktaas oksüdeerib nitriti nitraadiks. Nitrifitseerijaid baktereid leidub palju pinnases ja vees, kuid enim kohtades, kus leidub väga palju ammoniaaki. See võib olla reoveepuhastites või ulatusliku valgu lagunemisega aladel. Lisaks sellele elavad need bakterid veekogudes, millesse voolaval reo- ja heitveel on suur ammoniaagisisaldus.

Nitrifikatsiooni toimumiseks vajalikud eeldused

• Keskkonnas peab leiduma NH₃

• Keskkonnas on vajalik piisava O₂ juurdepääs, ning see peab olema mõõduka happelise reaktsiooniga

• Happelisemate muldade puhul on vajalik lupjamine, õhustamine

• Liigniiskete muldade korral vajalik põhjavee seisu alandamine

• Protsessi kiirus sõltub peamiselt NH3₃ oksüdeerumisest nitrititeni, sest selle jaoks vajatakse võrreldes nitrititest nitraatideks muundumisega palju rohkem energiat. Näiteks on nitrifikatsioon aeglane kultuuristamata muldadel, kus N₂-ühendite allikaks on lehekõdu, oksad, sest antud keskkond on väga halvasti õhustatav.

Heterotroofne nitrifikatsioon

Heterotroofne nitrifikatsioon erineb autotroofsest selle poolest, et nitriti ja nitraati produtseeritakse ainult ammoniaagist ning toimub tingimustes, mis on autotroof nitrifitseerijatele ebasoodsad. Heterotroofse nitrifikatsiooni käigus ei teki energiat. Heterotroofsed mikroorganismid vajavad oma kasvuks orgaanilise substraadi oksüdeerimist. Nende hulgas on suuremas osas seened (Aspergillus), kuid on olemas ka mõned bakterid, kes suudavad läbi viia heterotroofset nitrifikatsiooni (Thiosphera pantotropha, Alcaligenes, Arthrobacter). Heterotroofsed mikroorganismid suudavad teostada nitrifikatsiooniga samaaegselt ka denitrifikatsiooni. Võrreldes autotroofidega on heterotroofide biomass suurem. Kuigi heterotoofidest tulenev nitrifikatsioon pole võrreldav oma potentsiaalilt biomassi ühiku kohta autotroofse nitrifitseerimisega, on heterotroofsete mikroorganismide osakaalu suuruse tõttu nende poolt toimiv nitrifikatsioon suure kaaluga. Üldiselt ollakse seisukohal, et looduses on paljudes süsteemides esikohal heterotroofne nitrifikatsioon. Heterotroofne ammoniaagi oksüdatsioon on sarnane autotroofsele ammoniaagi oksüdatsioonile. Vaheühendiks on samuti hüdroksüülamiin ning oksüdatsiooniks kasutatakse samu ensüüme (ammoniaagi monooksügenaas ja hüdroksüülamiini oksüreduktaas).

NH₃ → NH₂OH → NO_2- → NO_3-

Samuti on teada ka rada, mida kasutatakse just seente hulgas ja kus toimub amiinide või amiidide oksüdatsioon.

RNH₂ → RNHOH → R-NO → RNO₃ → NO_3-

Nitrifikatsiooni kasutamine aktiivmuda protsessis

Reovee puhastamisel kasutatavad aktiivmudaprotsessid on seotud lämmastiku sidumisega, nitrifikatsiooniga. Rakendatakse olmereovees süsiniku suhtes liias olevate toitainete – fosfori ja lämmastiku – sidumiseks bioogilist protsessi. Selle jaoks kasutatakse aktiivmuda tehnoloogias lämmastiku tõhustatud eemaldamiseks nitrifikatsiooni ning denitrifkatsiooni protsesse, ehk oksüdeeritakse reovees olevad erinevad lämmastikuvormid üle nitriti nitraatideni. Paralleelselt kasutatakse ka denitrifikatsiooni omadusi, kus nitraatide koostises olevat O₂-e kasutavad mikroorganismid anoksiliseks keskkonnas orgaanilise aine oksüdeerimiseks, mille tulemusena N₂ redutseeritakse, ning N₂ erialdub atmosfääri gaasilises olekus. Selleks, et puhastusprotsess oleks aktiivmuda tehnoloogiat kasutades võimalikult efektiivne, toimub kogu juhtimine automatiseeritult, see hõlmab ka tehnoogiliste seadmete tööd. Sealjuures on seadmete töörežiimid reovee koostise ja koguse ning ilmastikuolude muutusele vastavalt muudetavad.