A nitrificação é um processo fundamental no mundo natural.
O nitrogênio, depois do carbono, é o macronutriente mais importante na natureza. Sua circulação ininterrupta (o ciclo do nitrogênio) é crucial para a vida na Terra. O ciclo do nitrogênio também é crucial para o funcionamento saudável dos aquários. A etapa mais importante do ciclo do nitrogênio é a nitrificação, que desempenha um papel fundamental no ciclo do nitrogênio dos ecossistemas terrestres e aquáticos, convertendo a forma mais reduzida do nitrogênio, NH3 / NH4 + , na forma mais oxidada, NO3- [ 1 ].
Bactérias do ciclo do nitrogênio – nitrificantes.
As bactérias capazes de oxidar íons amônio a nitritos e, em seguida, a nitratos são chamadas de nitrificantes, e as transformações que ocorrem são chamadas de nitrificação. Os microrganismos nitrificantes utilizam a energia obtida durante a oxidação da amônia e dos nitritos para sintetizar matéria orgânica a partir de dióxido de carbono e água. Esse processo é chamado de quimiossíntese, e esses microrganismos são coletivamente chamados de quimioautotróficos.[2] A oxidação da amônia a nitrito é realizada pelas bactérias Nitrosomonas e Nitrosospira . Uma característica desses microrganismos é o seu crescimento na interface, geralmente na superfície de sólidos. No solo, eles ocorrem nas superfícies dos grãos de areia e torrões de solo. São altamente resistentes à dessecação; por exemplo, podem sobreviver em solo seco por vários anos em estado de vida latente (anabiose). O ácido nitroso produzido por essas bactérias é tóxico para elas; uma concentração de 0,3 M inibe a quimiossíntese em 30%. O NO2 se acumula nas células e, portanto, precisa ser excretado ativamente, o que consome uma quantidade significativa de energia. Consequentemente, a eficiência da quimiossíntese em Nitrosomonas , por exemplo, é baixa, atingindo até 20% em colônias jovens e aproximadamente 7% em colônias mais antigas. As bactérias Nitrobacter e Nitrococcus oxidam nitrito a nitrato . Elas se ligam à superfície de sólidos com uma ligação ligeiramente mais fraca. Utilizando a energia da oxidação do nitrito a nitrato, elas se ligam ao CO2; são autotróficas facultativas, capazes de crescimento heterotrófico. A amônia livre inibe fortemente a quimiossíntese. Mesmo uma concentração de 0,001 M de NH3 reduz a intensidade do processo em 70%. A eficiência quimiossintética desses microrganismos também é baixa, variando de aproximadamente 2 a 11%. Assim como Nitrosomonas e Nitrosospira , essas bactérias também são capazes de anabiose. Ambos os grupos de bactérias ocorrem sempre juntos porque o produto da atividade das bactérias dos gêneros Nitrosomonas e Nitrosospira é um substrato para os gêneros Nitrobacter e Nitrococcus [3,4].
O curso geral da nitrificação pode ser representado por duas reações[5]:
Estágio I: NH4++ 2O2 →NO2–+ 2H2O (Nitrosomonas , Nitrosospira.)
Estágio II: NO2– + 1/2O2 →NO3–(Nitrobacter, Nitrococcus)
A importância do oxigênio nos processos de nitrificação.
As bactérias nitrificantes são bactérias aeróbicas que necessitam de acesso a oxigênio para um metabolismo adequado e ininterrupto. 1 g de nitrogênio amoniacal oxidado a nitratos consome 4,5 g de oxigênio, portanto, a concentração de oxigênio na água deve ser sempre suficientemente alta. Embora a análise estequiométrica exija quatro vezes mais oxigênio para a reação no estágio I do que no estágio II, uma concentração de O2 de aproximadamente 2 mg/l é suficiente para a reação no estágio I, a concentração de oxigênio na água deve ser quase duas vezes maior para a reação no estágio II [6,9].
pH e taxa de nitrificação.
O pH da água deve estar na faixa de 5 a 7,5. A nitrificação para completamente em pH 4. O curso da nitrificação muda com as mudanças de pH; as transformações de nitrogênio em diferentes valores de pH são apresentadas nos gráficos[7]:
A importância da temperatura.
As bactérias nitrificantes são organismos mesófilos, portanto, sua temperatura ideal varia de 28 a 36°C. No entanto, nas condições de temperatura mais comumente encontradas em aquários domésticos (19 a 28°C), os processos são quase igualmente eficazes. Em temperaturas abaixo de 5°C e acima de 40°C, a nitrificação não ocorre.[6]
Outros fatores que influenciam o metabolismo das bactérias nitrificantes
A nitrificação adequada também requer quantidades suficientes de fósforo, cálcio, magnésio, ferro, manganês, cobre e outros macro e micronutrientes disponíveis na água e no substrato. A presença de substâncias biocidas no ambiente, como antibióticos, metais pesados e um alto acúmulo de compostos orgânicos à base de carbono, entre outros fatores, pode inibir o processo de nitrificação. As bactérias nitrificantes são sensíveis à luz, particularmente à radiação ultravioleta. As células bacterianas são gradualmente danificadas pela radiação ultravioleta, mas se a exposição for curta, as células podem se regenerar. As bactérias nitrificantes exibem alta tolerância a salinidades da água baixas e altas (alta pressão osmótica), e esses organismos também são resistentes a mudanças na concentração de sal, mesmo em curtos períodos de tempo [4,8,9].
[1] JI Prosser, "Nitrificação autotrófica em bactérias" Advances in Microbial Physiology Volume 30, 1990, Páginas 125-181.
[2] Otis F. Daniel G. Curtis Clark "Introdução à Fisiologia Vegetal" PWRiL 1958.
[3] Zurzycki J. Michniewicz M. "Fisiologia Vegetal" PWRiL 1979.
[4] Kunicki-Goldfinger WJH: A vida das bactérias. PWN 1998.
[5] Richter G. "Processos metabólicos em plantas" PWN 1975.
[6] Joanna Jeż-Walkowiak, PhD, Eng., Łukasz Weber, MSc, Eng. "Remoção de íon amônio das águas subterrâneas", 2008.
[7] Thi Thu Huyen Le, Joachim Fettig, Günter Meon, "Cinética e simulação da nitrificação em vários valores de pH de um rio poluído nos trópicos" Ecohydrology & Hydrobiology 19 (2019) 54–65 [8] Lityński T. Jurkowska H. "Fertilidade do solo e nutrição das plantas" PWN 1982.
[9] Alleman JE "Comportamento e fisiologia de bactérias nitrificantes", Universidade Purdue West Lafayette, Indiana.