Denitryfikacja

Denitryfikacja - redukcja azotanów do amoniaku (d. częściowa), lub azotu cząsteczkowego (d. całkowita) zachodząca w warunkach beztlenowych pod wpływem niektórych gatunków bakterii glebowych i wodnych. Końcowy etap oddychania beztlenowego. Denitryfikacja całkowita jest jednym z ogniw obiegu azotu w przyrodzie, nie jest korzystna dla rolnictwa, gdyż zuboża glebę w przyswajalny dla roślin azot, użyteczna przy biologicznym oczyszczaniu ścieków o dużej zawartości azotanów [Nowa Encyklopedia Powszechna PWN tom II, Wydawnictwo Naukowe PWN, Warszawa 1997, s. 59]. Denitryfikacja jest procesem biologicznym, który odgrywa kluczową rolę w cyklu azotowym. W tym artykule omówimy różne aspekty denitryfikacji, włączając w to jej znaczenie w obiegu azotu, czynniki wpływające na ten proces oraz zastosowanie denitryfikacji w ochronie środowiska.

Bakterie denitryfikacyjne to tlenowce, które nie rosną w warunkach beztlenowych pod nieobecność azotanów. W warunkach beztlenowych i w obecności azotanu, jako jedynego akceptora wodoru, związek ten ulega redukcji do gazowego podtlenku azotu (NO2) oraz azotu atmosferycznego, które następnie są uwalniane z komórki. Do bakterii denitryfikacyjnych należą: Pseudomonas denitrificans, Paracoccus denitrificans, Thiobacillus denitrificans, Psudomonas aeruginosa i Bacillus licheniformis [Schlegel H. G., Mikrobiologia ogólna, Wydawnictwo Naukowe PWN, Warszawa 1996, s. 382]. Redukcja azotanów jest procesem przeciwstawnym nitryfikacji. Zbiałczenie azotanów następuje, gdy jon NO3 - jest zużywany do budowy komórek drobnoustrojów. Tlen zasadniczo hamuje denitryfikację.

Znaczenie denitryfikacji w przyrodzie. Denitryfikacja jest jedynym biologicznym procesem, w którym azot w formie związanej zostaje przeprowadzony do formy cząsteczkowej. W skali globalnej proces ten ma zasadnicze znaczenie dla utrzymania życia na Ziemi. W normalnie nawietrznych glebach i wodach azotany są końcowym produktem mineralizacji. Ponieważ jony azotanowe są bardzo dobrze rozpuszczalne w wodzie, a słabo wiążą się do cząsteczek gleby, mogłyby być wymywane i akumulować się w oceanach. W ten sposób azot cząsteczkowy byłby w sposób ciągły tracony z atmosfery (w procesie wiązania azotu), co w końcu doprowadziło by do zahamowania wzrostu roślin i produkcji wszelkiej biomasy na Ziemi [Schlegel H. G., Mikrobiologia ogólna, Wydawnictwo Naukowe PWN, Warszawa 1996, s. 385].

Oczyszczanie ścieków. Usuwanie azotu ze ścieków metodą nitryfikacji i denitryfikacji jest oparte na autotroficznej nitryfikacji i heterotroficznej denitryfikacji. W procesie nitryfikacji bakterie chemolitoautotroficzne prowadzą transformacje amonu do azotynów z udziałem nitrobakterii a obecne w podłożu azotyny są utleniane do azotanów. Znitryfikowane ścieki zawierające skumulowane azotany są kierowane do bioreaktora gdzie odbywa się proces denitryfikacji beztlenowych bakterii [Błaszczyk M. K., Mikroorganizmy w ochronie środowiska, Wydawnictwo Naukowe PWN, Warszawa 2009, s. 60-61].

Rola denitryfikacji w cyklu azotowym

Denitryfikacja jest jednym z procesów, które przekształcają azot w przyrodzie. Inne obiegi azotu obejmują nitryfikację, asymilację azotu i amonifikację. Nitryfikacja to proces, w którym amoniak jest przekształcany w azotany przez nitryfikujące bakterie. Asymilacja azotu polega na przekształcaniu azotanów w aminokwasy, które są następnie wykorzystywane przez rośliny do syntezy białek. Amonifikacja to proces rozkładu związanych z azotem związków organicznych, w wyniku czego powstaje amoniak. Denitryfikacja jest przeciwieństwem nitryfikacji, polega na redukcji azotanów do atmosferycznego azotu cząsteczkowego przez denitryfikujące bakterie.

Denitryfikacja odgrywa kluczową rolę w cyklu azotu, ponieważ przyczynia się do utrzymania równowagi azotu w ekosystemach. Proces ten ma wpływ na dostępność azotu dla roślin, a co za tym idzie, na ich wzrost i rozwój. Ponadto, denitryfikacja ma istotne konsekwencje dla rozwoju ekosystemów. W wyniku tego procesu uwalniany jest azot w postaci gazowej, co prowadzi do straty tego pierwiastka z ekosystemu. Denitryfikacja jest również odpowiedzialna za zjawisko azotanowe, które jest związane z emisją tlenku azotu do atmosfery. Tlenek azotu jest gazem cieplarnianym i szkodliwym dla środowiska, dlatego istotne jest zrozumienie tego zjawiska i jego skutków dla ekosystemów.

Warto również wspomnieć o czynnikach, zarówno naturalnych, jak i antropogenicznych, które wpływają na proces denitryfikacji. Przykłady naturalnych czynników obejmują temperaturę, wilgotność, dostępność substratów i pH. Czynniki antropogeniczne, takie jak zanieczyszczenie powietrza i gleby, mogą również mieć wpływ na aktywność denitryfikacyjnych bakterii. Zrozumienie tych czynników jest kluczowe dla skutecznego zarządzania denitryfikacją i ochrony środowiska.

Czynniki wpływające na proces denitryfikacji

Wpływ czynników środowiskowych na proces denitryfikacji jest niezwykle istotny. pH ma znaczący wpływ na aktywność bakterii denitryfikacyjnych. Optymalny zakres pH dla denitryfikacji wynosi zazwyczaj od 6,5 do 8,0. Warto zauważyć, że pH może różnić się w zależności od rodzaju substratów i warunków środowiskowych, dlatego konieczne jest dostosowanie pH do warunków lokalnych w celu optymalizacji procesu denitryfikacji.

Temperatura jest kolejnym czynnikiem wpływającym na proces denitryfikacji. Szybkość denitryfikacji zazwyczaj wzrasta wraz ze wzrostem temperatury, jednak istnieje optymalna temperatura dla rozwoju bakterii denitryfikacyjnych. Wartość ta zależy od gatunku bakterii i zazwyczaj mieści się w zakresie od 20°C do 40°C. Przy niskich temperaturach denitryfikacja może być znacznie ograniczona lub całkowicie zahamowana.

Dostępność substratów, takich jak azotany i związki organiczne, jest kluczowa dla procesu denitryfikacji. Bakterie denitryfikacyjne wykorzystują azotany jako źródło azotu do redukcji. Związki organiczne, takie jak łatwo rozkładające się materiały organiczne, mogą służyć jako źródło węgla dla tych bakterii. Jednakże, nadmiar związków organicznych może prowadzić do zakłócenia równowagi w procesie denitryfikacji.

Tlenek azotu pełni istotną rolę w procesie denitryfikacji. Jest on produktem ubocznym denitryfikacji i jednocześnie działa jako inhibitor tego procesu. Wysokie stężenie tlenku azotu może zahamować aktywność denitryfikacyjnych bakterii i prowadzić do zmniejszenia efektywności denitryfikacji. Zrozumienie tego związku jest kluczowe dla optymalizacji procesu denitryfikacji i minimalizacji emisji tlenku azotu.

Warto również poruszyć temat różnic między denitryfikacją w warunkach naturalnych a denitryfikacją w technologiach oczyszczania ścieków. W warunkach naturalnych denitryfikacja odbywa się w glebie, wodzie i ekosystemach, gdzie jest naturalnym procesem biologicznym. Natomiast w technologiach oczyszczania ścieków denitryfikacja jest stosowana do usuwania azotu z odpadów, takich jak ścieki komunalne. W tym przypadku denitryfikacja jest kontrolowana i optymalizowana w celu efektywnego usuwania azotu z odpadów.

Denitryfikacja — artykuły polecane

Fermentacja — Katabolizm — Mineralizacja — Biokatalizatory — Hydroliza — Maderyzacja — Anabolizm — Inhibitory — Paliwa kopalne

Bibliografia

• Błaszczyk M. (2009), Mikroorganizmy w ochronie środowiska, Wydawnictwo Naukowe PWN, Warszawa
• PWN (2004), Nowa encyklopedia powszechna PWN, Wydawnictwo Naukowe PWN, Warszawa
• Schlegel H. G., Mikrobiologia ogólna, Wydawnictwo Naukowe PWN, Warszawa 1996
• Zmysłowska I. (red.) (2003), Mikrobiologia ogólna i środowiskowa, Wydawnictwo Uniwersytetu Warmińsko-Mazurskiego, Olsztyn

Autor: Michał Kluza