نیتریفیکاسیون (تولید نیترات) و دنیتریفیکاسیون

نیتریفیکاسیون (تولید نیترات)

اصطلاح نیتریفیکاسیون مربوط به تبدیل آمونیاک به نیترات است. این عمل بوسیله باکتری های نیترات انجام می شود که اختصاصی می باشند و با اکسیداسیون آمونیاک انرژی بدست می آورند  از CO₂ به عنوان منبع کربن برای سنتز ترکیبات آلی استفاده می کنند. این دسته از ارگانیسم ها شیمیواتوتروف نامیده می شوند. آنها بوسیله اکسیداسیون شیمیایی (شیمیو) انرژی بدست می آورند و اتوتروف هستند (خودتغذیه ای) زیرا به مواد آلی از قبل تشکیل شده نیاز ندارند. اصل اکسیداسیون آمونیاک بوسیله این باکتری ها با بدست آوردن انرژی توسط انسان از اکسیداسیون قندها تفاوتی ندارد. در اصل استفاده آنها از CO₂ برای تولید مواد آلی با رفتار گیاهان تفاوتی ندارد.

باکتری های نیترات ساز در بیشتر خاک ها و آب های دارای PH متوسط وجود دارند. اما در خاک های خیلی اسیدی فعال نمی باشند. آنها تقریباً بصورت جوامعی با گونه های مختلط مشاهده می شوند. زیرا بعضی از آنها مثل نیتروزموناس بطور اختصاصی آمونیاک را به نیتریت (NO₂-) تبدیل می کنند در حالیکه بعضی دیگر مثل نیتروباکتر نیتریت را به نیترات (NO₃-) تبدیل می کنند. در حقیقت تجمع نیتریت مانع از فعالیت نیتروزموناس می شود بنابراین به نیتروباکتر نیازمند است تا نیتریت را به نیترات تبدیل کند در حالیکه نیتروباکتر به نیتروزموناس نیازمند است تا نیتریت تولید کند.

باکتری های نیترات ساز از لحاظ زیست محیطی اهمیت بسیاری دارند. زیرا آنها بخش عمده ای از آمونیاک خاک های هوازی یا آب های طبیعی را به آسانی به نیترات تبدیل می کنند. بیشتر گیاهان و میکروارگانیسم ها می توانند نیترات یا آمونیاک جذب کنند ولی فرآیند نیتریفیکاسیون عواقب نامطلوبی دارد. یون آمونیوم بار مثبت دارد و بنابراین به آسانی جذب کلوئیدهای رس با بار منفی و مواد آلی می شود و مانع از شستشوی آن از خاک بوسیله بارندگی می شوند. در مقابل یون نیترات با بار منفی در خاک حفظ نمی شود و به سمت پایین پروفیل خاک شسته می شود. این فرآیند آبشویی نامیده می شود. بدین ترتیب نیتروژن با ارزش از خاک خارج می شود و حاصلخیزی خاک کاهش پیدا می کند. سپس نیترات در آبهای زیزمینی و نهایتاً در آب آشامیدنی تجمع پیدا می کند. قوانین شدیدی برای مقدار نیترات موجود در آب آشامیدنی وجود دارد. زیرا نیترات ها می توانند بوسیله میکروارگانیسم ها در شرایط غیرهوازی روده تبدیل به نیتریت های بسیار واکنش پذیر شوند. نیتریت ها در روده جذب شده و با هموگلوبین ترکیب شده و توانایی حمل اکسیژن توسط آن را کاهش می دهند. در بچه ها این موضوع باعث مشکلات تنفسی می شود که اصطلاحاً سندرم آبی کودکسال نامیده می شود. همچنین نیتریت در روده با ترکیبات آمینو وارد واکنش شده و نیتروز آمینهای سرطان زا را تشکیل می دهند.

دنیتریفیکاسیون (نیترات زدایی)

دنیتریفیکاسیون فرآیندی است که طی آن بوسیله میکروارگانیسم ها نیترات به ترکیبات گازی (اکسید نیتریک، اکسید نیترو و نیتروژن N2) تبدیل می شود. این سلسله واکنشها شامل تولید نیتریت (NO2-) به عنوان یک مرحله متوسط است که در نمودار شماره 1 نشان داده شده است. چندین نوع باکتری وقتی بر روی مواد آلی در شرایط غیرهوازی قرار داشته باشند این تبدیل را انجام می دهند. زیرا در هنگام عدم وجود اکسیژن برای تنفس معمولی هوازی آنها بجای اکسیژن از نیترات به عنوان آخرین پذیرنده الکترون استفاده می کنند. این مرحله اصطلاحاً تنفس غیرهوازی نامیده می شود. در تنفس هوازی (همانند انسان) مولکول های آلی اکسید می شوند تا انرژی بدست آید و اکسیژن به آب احیاء شود.

در هنگام عدم وجود اکسیژن، هر گونه ماده قابل احیاء همانند نیترات (NO3-) می تواند همان نقش اکسیژن را داشته باشد و به نیتریت، اکسید نیتریک، اکسید نیترو یا N2 احیاء شود. بنابراین شرایطی که طی آن ارگانیسم ها دنیتریفیکاسیون را انجام می دهند عبارتند از: وجود مواد آلی قابل اکسید شدن، عدم وجود  اکسیژن و قابلیت دسترسی به منابع نیتروژن قابل احیاء.

در این فرایند مخلوطی از محصولات کاری نیتروژن دار تولید می شود. این موضوع بدلیل آن است که در تنفس غیرهوازی از نیترات، نیتریت، اکسید نیتریک و  اکسید نیترو به عنوان پذیرنده الکترون  استفاده می شود. باکتری های عمومی که دنیتریفیکاسیون انجام می دهند شامل چندین گونه از Alkaligenes, Pseudomonas و Bacillus می باشند و فعالیت آنها باعث تلفات قابل توجه گاز نیتروژن به داخل اتمسفر می شود.