A nitrifikáció, a természetben zajló kulcsfontosságú folyamat.
A nitrogén a szén után a legfontosabb makrotápanyag a természetben. Megszakítás nélküli körforgása (a nitrogénciklus) kulcsfontosságú a földi élethez. A nitrogénciklus az akváriumok egészséges működéséhez is kulcsfontosságú. A nitrogénciklus legfontosabb szakasza a nitrifikáció, amely kulcsszerepet játszik a szárazföldi és vízi ökoszisztémák nitrogénciklusában, a nitrogén legredukáltabb formáját, az NH3 / NH4 + -t a legoxidáltabb formává, NO3- -vá alakítja [ 1 ].
Nitrogénciklusban részt vevő baktériumok – nitrifikálók.
Az ammóniumionokat nitritekké, majd nitrátokká oxidálni képes baktériumokat nitrifikálóknak nevezzük, a lejátszódó átalakulásokat pedig nitrifikációnak. A nitrifikáló mikroorganizmusok az ammónia és a nitritek oxidációja során nyert energiát használják fel szerves anyagok szén-dioxidból és vízből történő szintézisére. Ezt a folyamatot kemoszintézisnek nevezzük, ezeket a mikroorganizmusokat pedig összefoglalóan kemoautotrófoknak.[2] Az ammónia nitritté oxidációját a Nitrosomonas és a Nitrosospira baktériumok végzik . Ezen mikroorganizmusok jellemző vonása, hogy a határfelületen szaporodnak, általában szilárd anyagok felületén. A talajban homokszemek és talajrögök felületén fordulnak elő. Rendkívül ellenállóak a kiszáradással szemben; például száraz talajban évekig is túlélhetnek lappangó állapotban (anabiózis). Az ezen baktériumok által termelt salétromsav mérgező rájuk nézve; 0,3 M koncentrációban 30%-kal gátolja a kemoszintézist. Az NO2 ezért felhalmozódik a sejtekben, és aktívan ki kell választani, ami jelentős energiát fogyaszt. Ezért a Nitrosomonas kemoszintézisének hatékonysága például alacsony, a fiatal telepeknél akár 20%-ot, az idősebbeknél pedig körülbelül 7%-ot ér el. A Nitrobacter és Nitrococcus baktériumok a nitritet nitráttá oxidálják . A szilárd anyagok felületéhez valamivel gyengébb kötéssel kötődnek. A nitrit nitráttá oxidációjából származó energiát felhasználva kötik meg a CO2-t ; fakultatív autotrófok, képesek heterotróf növekedésre. A szabad ammónia erősen gátolja a kemoszintézist. Már 0,001 M NH3 koncentráció is 70%-kal csökkenti a folyamat intenzitását. Ezen mikroorganizmusok kemoszintézisének hatékonysága is alacsony, körülbelül 2 és 11% között mozog. A Nitrosomonashoz és a Nitrosospirához hasonlóan ezek a baktériumok is képesek anabiózisra. Mindkét baktériumcsoport mindig együtt fordul elő, mivel a Nitrosomonas és Nitrosospira nemzetségek baktériumainak aktivitásának terméke a Nitrobacter és a Nitrococcus nemzetségek szubsztrátja [3,4].2
A nitrifikáció általános lefolyását két reakcióval lehet leírni[5]:
I. szakasz: NH4++ 2O2 →NO2–+ 2H2O (Nitrosomonas , Nitrosospira.)
II . szakasz: NO2 – + 1/2 O2 → NO3 – ( Nitrobacter , Nitrococcus )
Az oxigén jelentősége a nitrifikációs folyamatokban.
A nitrifikáló baktériumok aerob (aerob) baktériumok, amelyeknek oxigénre van szükségük a megfelelő és zavartalan anyagcseréhez. 1 g nitráttá oxidált ammónium-nitrogén 4,5 g oxigént fogyaszt, ezért a víz oxigénkoncentrációjának mindig kellően magasnak kell lennie. Bár a sztöchiometrikus analízis négyszer több oxigént igényel az I. lépésben a reakcióhoz, mint a II. lépésben, az I. lépésben a reakcióhoz körülbelül 2 mg/l O2-koncentráció elegendő, a II. lépésben a víz oxigénkoncentrációjának pedig majdnem kétszeresének kell lennie [6,9].
pH és nitrifikációs ráta.
A víz pH-értékének 5-7,5 között kell lennie. A nitrifikáció teljesen leáll pH 4-nél. A nitrifikáció lefolyása a pH változásával változik; a nitrogén átalakulásait különböző pH-értékek mellett a grafikonok mutatják be[7]:
A hőmérséklet fontossága.
A nitrifikáló baktériumok mezofil élőlények, így optimális hőmérsékletük 28 és 36 ° C között mozog. Az otthoni akváriumokban leggyakrabban előforduló hőmérsékleti viszonyok között (19-28 ° C) azonban a folyamatok majdnem ugyanolyan hatékonyak. 5 ° C alatti és 40 ° C feletti hőmérsékleten a nitrifikáció nem történik meg.[6]
A nitrifikáló baktériumok anyagcseréjét befolyásoló egyéb tényezők
A megfelelő nitrifikációhoz elegendő mennyiségű rendelkezésre álló foszfor, kalcium, magnézium, vas, mangán, réz és egyéb makro- és mikrotápanyag is szükséges a vízben és a szubsztrátumban. A környezetben található biocid anyagok, például antibiotikumok, nehézfémek, valamint a szén alapú szerves vegyületek magas felhalmozódása, többek között, gátolhatja a nitrifikációs folyamatot. A nitrifikáló baktériumok érzékenyek a fényre, különösen az ultraibolya sugárzásra. A baktériumsejteket fokozatosan károsítja az ultraibolya sugárzás, de ha a kitettség rövid, a sejtek regenerálódhatnak. A nitrifikáló baktériumok nagy toleranciát mutatnak mind az alacsony, mind a magas víz sótartalmával (magas ozmotikus nyomás) szemben, és ezek az organizmusok a sókoncentráció változásaival szemben is ellenállnak, még rövid idő alatt is [4,8,9].
[1] JI Prosser, „Autotróf nitrifikáció baktériumokban” Advances in Microbial Physiology 30. kötet, 1990, 125–181. oldal.
[2] Otis F. Daniel G. Curtis Clark „Bevezetés a növényélettanba” PWRiL 1958.
[3] Zurzycki J. Michniewicz M. "Növényfiziológia" PWRiL 1979.
[4] Kunicki-Goldfinger WJH: A baktériumok élete. PWN 1998.
[5] Richter G. „Anyaganyaki folyamatok növényekben” PWN 1975.
[6] Joanna Jeż-Walkowiak, PhD, mérnök, Łukasz Weber, MSc. "Ammóniumion eltávolítása a talajvízből", 2008.
[7] Thi Thu Huyen Le, Joachim Fettig, Günter Meon, „A nitrifikáció kinetikája és szimulációja egy szennyezett folyó különböző pH-értékeinél a trópusokon” Ecohydrology & Hydrobiology 19 (2019) 54–65 [8] Lityński T. Jurkowska H. „Talajtermékenység és növénytáplálás” PWN 1982.
[9] Alleman JE „Nitrifikáló baktériumok viselkedése és élettana”, Purdue Egyetem, West Lafayette, Indiana.