Нитрификация — ключевой процесс в природе.
Азот, после углерода, является наиболее важным макроэлементом в природе. Его непрерывный круговорот (азотный цикл) имеет решающее значение для жизни на Земле. Азотный цикл также имеет решающее значение для здорового функционирования аквариумов. Наиболее важной стадией азотного цикла является нитрификация, которая играет ключевую роль в азотном цикле наземных и водных экосистем, превращая наиболее восстановленную форму азота, NH3 / NH4 + , в наиболее окисленную форму, NO3- [ 1 ].
Бактерии, участвующие в круговороте азота – нитрификаторы.
Бактерии, способные окислять ионы аммония до нитритов, а затем до нитратов, называются нитрификаторами, а происходящие при этом превращения называются нитрификацией. Нитрифицирующие микроорганизмы используют энергию, полученную при окислении аммиака и нитритов, для синтеза органического вещества из углекислого газа и воды. Этот процесс называется хемосинтезом, а эти микроорганизмы в совокупности называются хемоавтотрофами.[2] Окисление аммиака до нитрита осуществляется бактериями Nitrosomonas и Nitrosospira . Характерной особенностью этих микроорганизмов является их рост на границе раздела фаз, обычно на поверхности твердых веществ. В почве они встречаются на поверхностях песчинок и комков почвы. Они обладают высокой устойчивостью к высыханию; например, они могут выживать в сухой почве в течение нескольких лет в состоянии латентной жизни (анабиоз). Азотистая кислота, продуцируемая этими бактериями, токсична для них; концентрация 0,3 М ингибирует хемосинтез на 30%. Таким образом, NO2 накапливается в клетках и должен активно выводиться, что потребляет значительное количество энергии. Поэтому эффективность хемосинтеза у Nitrosomonas , например, низкая, достигая до 20% для молодых колоний и примерно 7% для более старых. Бактерии Nitrobacter и Nitrococcus окисляют нитрит до нитрата . Они связываются с поверхностью твердых веществ несколько более слабой связью. Они связывают CO2, используя энергию окисления нитрита до нитрата; они являются факультативными автотрофами, способными к гетеротрофному росту. Свободный аммиак сильно ингибирует хемосинтез. Даже концентрация NH3 0,001 М снижает интенсивность процесса на 70%. Эффективность хемосинтеза у этих микроорганизмов также низкая, составляя примерно от 2 до 11%. Подобно Nitrosomonas и Nitrosospira , эти бактерии также способны к анабиозу. Обе группы бактерий всегда встречаются вместе, поскольку продуктом активности бактерий родов Nitrosomonas и Nitrosospira является субстрат для родов Nitrobacter и Nitrococcus [3,4].
Общий ход нитрификации можно представить двумя реакциями[5]:
I стадия: NH4++ 2O2 →NO2–+ 2H2O (Nitrosomonas , Nitrosospira.)
Этап II: NO2– + 1/2O2 → NO3–(Nitrobacter, Nitrococcus)
Важность кислорода в процессах нитрификации.
Нитрифицирующие бактерии — это аэробные бактерии, которым для нормального и бесперебойного метаболизма необходим доступ к кислороду. 1 г аммонийного азота, окисленного до нитратов, потребляет 4,5 г кислорода, поэтому концентрация кислорода в воде всегда должна быть достаточно высокой. Хотя стехиометрический анализ требует в четыре раза больше кислорода для реакции на стадии I, чем на стадии II, концентрации O2 приблизительно 2 мг/л достаточно для реакции на стадии I, тогда как для реакции на стадии II концентрация кислорода в воде должна быть почти вдвое выше[6,9].
pH и скорость нитрификации.
Значение pH воды должно находиться в диапазоне 5-7,5. Нитрификация полностью прекращается при pH 4. Ход нитрификации изменяется с изменением pH; превращения азота при различных значениях pH представлены на графиках[7]:
Важность температуры.
Нитрифицирующие бактерии — мезофильные организмы, поэтому их оптимальная температура находится в диапазоне от 28 до 36°C. Однако при температурах, наиболее часто встречающихся в домашних аквариумах (от 19 до 28°C), эти процессы почти одинаково эффективны. При температурах ниже 5°C и выше 40°C нитрификация не происходит.[6]
Другие факторы, влияющие на метаболизм нитрифицирующих бактерий
Для правильной нитрификации также необходимо достаточное количество доступного фосфора, кальция, магния, железа, марганца, меди и других макро- и микроэлементов в воде и субстрате. Присутствие биоцидных веществ в окружающей среде, таких как антибиотики, тяжелые металлы и высокое накопление органических соединений на основе углерода, среди прочих факторов, может ингибировать процесс нитрификации. Нитрифицирующие бактерии чувствительны к свету, особенно к ультрафиолетовому излучению. Бактериальные клетки постепенно повреждаются ультрафиолетовым излучением, но при кратковременном воздействии клетки могут регенерировать. Нитрифицирующие бактерии обладают высокой устойчивостью как к низкой, так и к высокой солености воды (высокому осмотическому давлению), и эти организмы также устойчивы к изменениям концентрации соли, даже в течение коротких периодов времени [4,8,9].
[1] Дж. И. Проссер, «Автотрофная нитрификация в бактериях», Достижения в микробной физиологии, том 30, 1990, стр. 125-181.
[2] Отис Ф. Дэниел Г. Кертис Кларк «Введение в физиологию растений» PWRiL 1958.
[3] Зуржицкий Дж. Михневич М. «Физиология растений» PWRiL 1979.
[4] Куницки-Голдфингер WJH: Жизнь бактерий. PWN 1998.
[5] Рихтер Г. «Метаболические процессы в растениях» PWN 1975.
[6] Джоанна Еж-Валковяк, доктор философии, инженер, Лукаш Вебер, магистр, инженер. «Удаление ионов аммония из грунтовых вод», 2008 г.
[7] Тхи Тху Хуен Ле, Йоахим Феттиг, Гюнтер Меон, «Кинетика и моделирование нитрификации при различных значениях pH загрязненной реки в тропиках», Экогидрология и гидробиология 19 (2019) 54–65 [8] Литинский Т., Юрковска Х. «Плодородие почвы и питание растений», PWN 1982.
[9] Аллеман Дж. Э. «Поведение и физиология нитрифицирующих бактерий», Университет Пердью, Уэст-Лафайет, Индиана.