Unterschied zwischen Nitrifikation und Denitrifikation

Nitrifikation

Nitrifikation ist die biologische Umwandlung von Ammonium (NH₄⁺) zu Nitrat (NO₃^-) durch Oxidation. Oxidation ist definiert als der Verlust von Elektronen durch ein Atom oder eine Verbindung oder eine Erhöhung seines Oxidationszustands. Der Prozess wird durch zwei Arten von nitrifizierenden aeroben Bakterien erleichtert, die das Überleben von Sauerstoffmolekülen erfordern, die in ihrer Umgebung gelöst sind. [ich]

Erstens chemoautrophische Bakterien (hauptsächlich die der Gattung) Nitrosomonas) Ammoniak umwandeln (NH₃) und Ammonium zu Nitrit (NO₂^-). „Chemoautrophic“ bezieht sich auf die Fähigkeit der Bakterien, eigene Nährstoffe aus einer anorganischen Quelle, nämlich CO, herzustellen₂. Der Prozess wird durch die chemische Gleichung dargestellt:

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

Dann Bakterien hauptsächlich aus der Nitrobacter Gruppe konvertieren Nitrit in Nitrat in der folgenden Reaktion:

 2NO₂^- + O₂ → 2NO₃^- + Energie

Diese Reaktionen finden gleichzeitig und ziemlich schnell statt - normalerweise innerhalb von Tagen oder Wochen. Es ist wichtig, dass Nitrit in Böden vollständig in Nitrat umgewandelt wird, da Nitrit für das Pflanzenleben toxisch ist.

Im Boden enthaltene Nitrate sind die Hauptquelle für Stickstoff, die von Pflanzen verwendet wird. [ii] Daher ist der Übergang von Stickstoff von einer Form zu einer anderen, als Stickstoffkreislauf bekannt, ein wichtiger Teil der landwirtschaftlichen Industrie. [iii]

Bevor diese Schritte stattfinden, wird organischer Stickstoff von heterotrophen Bakterien durch Hydrolyse unter Bildung von Ammonium und Ammoniak in einem als Ammonifikation bekannten Prozess abgebaut. ^ich Ammoniak kann in Harnstoff aus tierischen Abfällen, Kompost und Zersetzung von Kulturpflanzen oder Ernterückständen enthalten sein. Ammonium kommt in den meisten Düngemitteln vor.

Nitrifizierende Bakterien reagieren empfindlicher auf Umweltbelastungen als andere Arten von Bodenbakterien. Wenn der Boden längere Zeit mit Feuchtigkeit gesättigt wurde, füllen sich die Poren des Bodens mit Wasser, wodurch die Sauerstoffzufuhr eingeschränkt wird. Nitrifizierende Bakterien benötigen aerobe Bedingungen, damit die Nitrifikation eingeschränkt wird.

Trockene Böden neigen dazu, eine hohe Salzkonzentration zu haben, und der resultierende Salzgehalt beeinflusst die Nitrifikationsaktivität der Bakterien negativ. Dies liegt daran, dass eine erhöhte Osmolarität die Energiemenge erhöht, die Mikroorganismen benötigen, um Wasser über ihre Zellmembranen zu bewegen. Wasser ist auch für die Bewegung von gelösten Stoffen wie Nitraten durch den Boden unerlässlich. ⁱⁱ

Nitrifizierende Bakterien arbeiten am besten bei einem pH-Wert zwischen 6,5 und 8,5 und Temperaturen zwischen 16 und 35 ° C. ^ich Die Nitrifikationsraten sind in sehr sauren Böden langsamer, während die hohe Alkalität abnimmt Nitrobacter Aktivität, was zu einer ungünstigen Anhäufung von Nitrit im Boden führt.

Der pH-Wert des Bodens kann auch durch die bestimmte Ammoniumquelle beeinflusst werden. Beispielsweise ist Monoammoniumphosphat (MAP) -Lösung viel saurer als Diammoniumphosphat (DAP); Daher führt die Verwendung von DAP zu höheren Nitrifikationsraten als MAP.

Die Mehrzahl der Bakterien befindet sich in der oberen Oberflächenschicht. Daher sinkt die Nitrifikation, wenn die Bodenbearbeitung nicht ordnungsgemäß durchgeführt wird.

Böden mit hohem Tongehalt haben größere Partikel und mehr Mikroporenraum für das Bakterienwachstum sowie eine höhere Rückhaltung von Ammonium aufgrund einer höheren Kationenaustauschkapazität. ⁱⁱ Die Wasserbeziehungen und die physikalischen Eigenschaften des Bodens können durch Anbau mit geringem Boden verbessert werden.

Die Nitrifikation kann durch die Anwesenheit von Schwermetallen und toxischen Verbindungen oder übermäßig hohen Ammoniakkonzentrationen gehemmt werden.

Manchmal kann es vorteilhaft sein, Stickstoff in Form von Ammonium im Boden zu halten. Dies verhindert den Stickstoffverlust (durch Auslaugen von Nitraten) und den Austritt von Stickstoffgas (durch Denitrifikation). Kommerziell verwendete Nitrifikationsinhibitoren umfassen Dicyandiamid und Nitrapyrin.

Denitrifikation

Denitrifikation ist die biologische Umwandlung von Nitrat in stickstoffhaltige Gase durch Reduktion. Es folgt immer der Nitrifikation ^ich und die Reaktionsfolge kann wie folgt dargestellt werden:

NEIN₃^- → NEIN₂^- → NEIN → N₂O → N₂[iv]

Der Prozess wird durch fakultative Bakterien erleichtert; Hierbei handelt es sich um Bakterien, die keinen freien Sauerstoff für die Atmung benötigen. Denitrifizierende Bakterien sind heterotrophe Organismen, da sie zum Überleben eine organische Nahrungsquelle in Form von Kohlenstoff benötigen. Die Denitrifikation kann bereits wenige Minuten nach der Stimulation des Prozesses beginnen.

Die Denitrifikation kann sich nachteilig auf die Pflanzenproduktion auswirken, da Stickstoff, ein für das Pflanzenwachstum wesentlicher Nährstoff, während des Prozesses in die Atmosphäre verloren geht. Es ist jedoch vorteilhaft für aquatische Lebensräume und für die Behandlung von Abwässern in Industrie und Abwasser, da die Nitratkonzentration im Wasser verringert wird. ^ich

Auslaugen oder Abfließen von Kulturpflanzen durch Düngemittelbehandlungen können dazu führen, dass überschüssige Mengen dieses Nährstoffs in Gewässern landen, wo stickstoffhaltige Verbindungen verschiedene schädliche Auswirkungen auf das Leben von Menschen und Wasser haben. ^iv

Ammoniak ist für Fischarten toxisch und stimuliert das Algenwachstum, reduziert den Sauerstoffgehalt im Wasser und führt zur Eutrophierung. Nitrate verursachen Leberschäden, Krebs und Methämoglobinämie (Sauerstoffmangel bei Säuglingen), während Nitrite mit organischen Verbindungen, den Aminen, reagieren und krebserregende Nitrosamine bilden. ⁱⁱ

Wenn der Sauerstoffgehalt in Böden oder Wasser erschöpft ist (anoxische Bedingungen), bauen denitrifizierende Bakterien Nitrate ab, um sie als Sauerstoffquelle zu verwenden. Dies tritt im Allgemeinen in feuchten Böden auf, wo der Sauerstoffgehalt niedrig ist. Nitrat wird zu Lachgas reduziert (N₂O) und noch einmal zu stickstoffhaltigem Gas. Diese Gasblasen entweichen in die Atmosphäre. ^ich

Das von Denitrifikatoren gebildete Gas hängt von den Bedingungen im Boden oder im Wasser und von der Art der mikrobiellen Gemeinschaft ab. Weniger Sauerstoff neigt dazu, mehr Stickstoffgas zu bilden, das häufigste Produkt der Denitrifikation. Stickstoffgas bildet den Hauptbestandteil der Luft. Das zweithäufigste gebildete Produkt ist Lachgas, ein Treibhausgas, das auch die Ozonschicht der Erde abträgt. ^iv

Denitrifizierende Bakterien sind gegenüber toxischen Chemikalien weniger empfindlich als Nitrifizierer und funktionieren optimal bei einem pH-Wert zwischen 7,0 und 8,5 und wärmeren Temperaturen zwischen 26 und 38 ° C. Die Denitrifikation tritt hauptsächlich im Oberboden auf, wo die mikrobielle Aktivität am höchsten ist.

Denitrifizierungsmittel erfordern eine ausreichende Nitratkonzentration und eine lösliche Kohlenstoffquelle; Die höchsten Raten treten bei der Verwendung von Methanol oder Essigsäure auf. Organischer Kohlenstoff kann in Mist, Kompost, Kulturpflanzen und Pflanzenresten vorkommen. ^ich

Eine Minimierung der Denitrifikation in Kulturböden wird erreicht, indem die für das Pflanzenwachstum erforderliche Mindestkonzentration an Nitrat aufrechterhalten wird, beispielsweise durch Verwendung von Düngemitteln mit kontrollierter Freisetzung. Eine andere Methode ist die Inhibierung der Nitrifikation, wodurch die für die Denitrifikation verfügbaren Nitratkonzentrationen reduziert werden.

Die Denitrifikationsgrade variieren in einem einzigen Feld aufgrund zahlreicher Faktoren wie Bodeneigenschaften (einschließlich Aggregation, Makroporen und Nässe) und Schwankungen in der Verteilung von Düngemitteln, organischen Stoffen und Ernterückständen.

Es wurde berichtet, dass Stickstoffdüngerarten sowie Aufbringungsmethoden die Denitrifikation beeinflussen. Zum Beispiel verursachen beschichtete Düngemittel mit kontrollierter Freisetzung sowie Fertigation- und Broadcast-Anwendungen geringere Stickoxidemissionen als trockene körnige Harnstoff- und konzentrierte Bandanwendungen. Eine tiefere Stickstoffplatzierung verringert auch diese Emissionen.

Trockenperioden, gefolgt von einem plötzlichen Regen, sind oft ein Auslöser für die Denitrifikation, die mit Drainagesystemen und Tropfbewässerung unter der Oberfläche bewältigt werden kann. ^iv

Zusammenfassung

Nitrifikation

• Folgt dem Ammonifizierungsprozess
• Umwandlung von Ammonium in Nitrat
• Oxidationsreaktion
• Erleichtert durch zwei Hauptarten von chemoautrophen aeroben Bakterien: Nitrosomonas und Nitrobacter
• Zweischrittverfahren: Umwandlung von Ammonium in Nitrit, dann Umwandlung von Nitrit in Nitrat
• Erzeugt eine Stickstoff-Nährstoffform, die von Pflanzenwurzeln aufgenommen werden kann
• Reaktant (Ammonium), das in Harnstoff aus tierischen Abfällen und Düngemitteln, Kompost und Zersetzung gefunden wird, deckt Kulturen oder Ernterückstände ab
• Nitrifikatoren empfindlicher gegen Umweltbelastungen
• Durch Fluten gehemmt, hoher Salzgehalt, hoher Säuregehalt, hohe Alkalität, übermäßiges Abbauen und toxische Verbindungen
• Begünstigt durch aerobe Bedingungen, pH zwischen 6,5 und 8,5, Temperaturen zwischen 16 und 35 ° C und hoher Tongehalt

Denitrifikation

• Folgt dem Nitrifikationsprozess
• Umwandlung von Nitrat in Stickstoffgase, hauptsächlich Stickstoff und Lachgas
• Reduktionsreaktion
• Erleichtert durch heterotrophe fakultative Bakterien
• Schrittfolge: Umwandlung von Nitrat zu Nitrit, zu Stickoxid, zu Distickstoffmonoxid und schließlich zu Stickstoff
• Dekontaminiert Abwasser und aquatische Systeme durch Senkung des Nitratgehalts
• Reaktant (Nitrat), gebildet durch Nitrifikation, während Kohlenstoffquellen für Denitrifizierungsmittel in Dung, in Kulturpflanzen und Pflanzenresten oder in Methanol oder Essigsäure enthalten sind
• Denitrifier weniger empfindlich gegen Umweltbelastungen
• Hemmung durch reduzierte Nitrifikation, erniedrigte Nitratgehalte, tiefes Einbringen von Düngemittel mit kontrollierter Freisetzung und Bodendrainage

Begünstigt durch Fluten, anoxische Bedingungen, pH zwischen 7,0 und 8,5, Temperaturen zwischen 26 und 38 ° C, ausreichende Zufuhr von Nitraten und löslichem Kohlenstoff sowie konzentrierte Bandapplikationen von trockenem körnigem Harnstoff.