Sự khác biệt giữa quá trình nitrat hóa và khử nitrat

Nitrat hóa

Nitrat hóa là sự biến đổi sinh học của amoni (NH₄⁺) thành nitrat (KHÔNG₃^-) bằng quá trình oxi hóa. Sự oxy hóa được định nghĩa là sự mất electron của một nguyên tử hoặc hợp chất, hoặc sự gia tăng trạng thái oxy hóa của nó. Quá trình này được tạo điều kiện bởi hai loại vi khuẩn hiếu khí nitrat hóa đòi hỏi sự có mặt của các phân tử oxy hòa tan trong môi trường xung quanh, để tồn tại. [Tôi]

Đầu tiên, vi khuẩn chemoautrophic (chủ yếu là vi khuẩn thuộc chi Nitrosomonas) chuyển đổi amoniac (NH₃) và amoni thành nitrit (KHÔNG₂^-). Ngay lập tức đề cập đến khả năng tạo ra chất dinh dưỡng của chính vi khuẩn từ nguồn vô cơ, cụ thể là CO₂. Quá trình này được biểu diễn bằng phương trình hóa học:

2NH₄+ + 3O₂ → 2NO₂^- + 2 giờ₂O + 4H⁺ + năng lượng

Sau đó, vi khuẩn chủ yếu từ Vi khuẩn nhóm chuyển đổi nitrit thành nitrat trong phản ứng sau:

 2NO₂^- + Ôi₂ → 2NO₃^- + năng lượng

Những phản ứng này diễn ra đồng thời và khá nhanh - thường trong vài ngày hoặc vài tuần. Điều quan trọng là nitrite được chuyển đổi hoàn toàn thành nitrat trong đất, vì nitrite gây độc cho đời sống thực vật.

Nitrat có trong đất là nguồn nitơ chính được sử dụng bởi thực vật. [ii] Do đó, quá trình chuyển đổi nitơ từ dạng này sang dạng khác, được gọi là chu trình nitơ, là một phần quan trọng của ngành nông nghiệp. [iii]

Trước khi các bước này diễn ra, nitơ hữu cơ bị phá vỡ bởi vi khuẩn dị dưỡng bằng cách thủy phân để tạo thành amoni và amoniac trong một quá trình được gọi là amoni hóa. ^Tôi Amoniac có thể được tìm thấy trong urê từ chất thải động vật, phân trộn và phân hủy cây che phủ hoặc tàn dư cây trồng. Amoni được tìm thấy trong hầu hết các loại phân bón.

Vi khuẩn nitrat nhạy cảm với áp lực môi trường hơn các loại vi khuẩn đất khác. Khi đất đã bão hòa độ ẩm trong thời gian dài, lỗ chân lông đất sẽ lấp đầy nước, hạn chế cung cấp oxy. Vi khuẩn nitrat hóa đòi hỏi điều kiện hiếu khí để hoạt động, do đó lũ lụt hạn chế quá trình nitrat hóa.

Đất khô có xu hướng có nồng độ muối cao và độ mặn ảnh hưởng tiêu cực đến hoạt động nitrat hóa của vi khuẩn. Điều này là do tính thẩm thấu tăng làm tăng lượng năng lượng cần thiết cho vi sinh vật để di chuyển nước qua màng tế bào của chúng. Nước cũng rất cần thiết cho sự di chuyển của các chất hòa tan, như nitrat, qua đất. ⁱⁱ

Vi khuẩn nitrat hóa hoạt động tốt nhất ở độ pH từ 6,5 đến 8,5 và nhiệt độ từ 16 đến 35 độ C. ^Tôi Tốc độ nitrat hóa chậm hơn trong đất rất chua, trong khi độ kiềm cao làm giảm Vi khuẩn hoạt động, gây ra sự tích tụ nitrite không thuận lợi trong đất.

Độ pH của đất cũng có thể bị ảnh hưởng bởi nguồn amoni nitrat hóa cụ thể. Ví dụ, dung dịch monoammonium phosphate (MAP) có tính axit cao hơn nhiều so với diammonium phosphate (DAP); do đó sử dụng kết quả DAP trong tỷ lệ nitrat hóa cao hơn MAP.

Phần lớn các vi khuẩn được tìm thấy ở lớp bề mặt trên, do đó quá trình nitrat hóa giảm khi thực hành canh tác không được quản lý đúng cách.

Các loại đất có hàm lượng sét cao có các hạt lớn hơn và không gian micropore nhiều hơn cho sự phát triển của vi khuẩn, cũng như khả năng giữ ammonium lớn hơn do khả năng trao đổi cation cao hơn. ⁱⁱ Quan hệ nước và tính chất vật lý của đất có thể được cải thiện bằng cách giảm canh tác.

Nitrat hóa có thể bị ức chế bởi sự hiện diện của kim loại nặng và các hợp chất độc hại, hoặc nồng độ amoniac quá cao.

Đôi khi nó có thể có ích để giữ nitơ trong đất ở dạng amoni. Điều này ngăn ngừa mất nitơ (bằng cách lọc nitrat) và thoát khí nitơ (thông qua khử nitrat). Các chất ức chế nitrat hóa được sử dụng thương mại bao gồm dicyandiamide và nitrapyrin.

Khử nitơ

Khử nitrat là sự biến đổi sinh học của nitrat thành khí nitơ bằng cách khử. Nó luôn theo sau quá trình nitrat hóa ^Tôi và trình tự phản ứng có thể được trình bày như sau:

KHÔNG₃^- → KHÔNG₂^- → KHÔNG → N₂O → N₂[iv]

Quá trình này được tạo điều kiện bởi vi khuẩn khoa học; đây là những vi khuẩn không cần sự hiện diện của oxy tự do để hô hấp. Vi khuẩn khử nitrat là những sinh vật dị dưỡng vì chúng cần một nguồn thực phẩm hữu cơ, dưới dạng carbon, để tồn tại. Khử nitrat có thể bắt đầu nhanh như vài phút sau khi kích thích quá trình.

Khử nitrat có thể gây bất lợi cho sản xuất cây trồng, vì nitơ, một chất dinh dưỡng cần thiết cho sự phát triển của cây, bị mất trong khí quyển trong quá trình này. Tuy nhiên, nó có lợi cho môi trường sống dưới nước và trong xử lý nước thải công nghiệp hoặc nước thải, vì nồng độ nitrat trong nước bị hạ thấp. ^Tôi

Sự rò rỉ hoặc chảy ra từ cây trồng do xử lý phân bón có thể khiến lượng chất dinh dưỡng dư thừa này kết thúc trong các vùng nước, nơi các hợp chất nitơ có tác động có hại khác nhau đối với cả đời sống của con người và thủy sinh. ^iv

Amoniac gây độc cho các loài cá và kích thích sự phát triển của tảo, làm giảm nồng độ oxy trong nước và dẫn đến hiện tượng phú dưỡng. Nitrat gây tổn thương gan, ung thư và methemoglobinemia (thiếu oxy ở trẻ sơ sinh), trong khi nitrit phản ứng với các hợp chất hữu cơ được gọi là amin để tạo thành nitrosamine gây ung thư. ⁱⁱ

Khi nồng độ oxy trong đất hoặc nước bị cạn kiệt (điều kiện anoxic), vi khuẩn khử nitrat sẽ phân hủy nitrat để sử dụng làm nguồn oxy. Điều này thường xảy ra trong đất ngập nước nơi nồng độ oxy thấp. Nitrat bị khử thành oxit nitơ (N₂O) và một lần nữa để khí nitơ. Những bong bóng khí này thoát ra ngoài khí quyển. ^Tôi

Khí được hình thành bởi khử nitơ phụ thuộc vào điều kiện trong đất hoặc nước và loại cộng đồng vi sinh vật nào hiện diện. Ít oxy hơn có xu hướng dẫn đến nhiều khí nitơ được hình thành, sản phẩm phổ biến nhất của khử nitơ. Khí nitơ tạo thành thành phần chính của không khí. Sản phẩm phổ biến thứ hai được hình thành là oxit nitơ, một loại khí nhà kính cũng làm xói mòn tầng ozone của Trái đất. ^iv

Vi khuẩn khử nitrat ít nhạy cảm với các hóa chất độc hại hơn nitrifiers và hoạt động tối ưu ở độ pH từ 7,0 đến 8,5 và nhiệt độ ấm hơn từ 26 đến 38 độ C. Khử khử chủ yếu xảy ra ở lớp đất mặt, nơi hoạt động của vi sinh vật cao nhất.

Denitrifiers yêu cầu đủ nồng độ nitrat và nguồn carbon hòa tan; tỷ lệ cao nhất xảy ra khi sử dụng methanol hoặc axit axetic. Carbon hữu cơ có thể được tìm thấy trong phân, phân bón, che phủ cây trồng và tàn dư cây trồng. ^Tôi

Giảm thiểu khử nitơ trong đất trồng trọt đạt được bằng cách duy trì nồng độ nitrat tối thiểu cần thiết cho sự phát triển của cây, như sử dụng phân bón giải phóng có kiểm soát. Một phương pháp khác là ức chế quá trình nitrat hóa, làm giảm mức độ nitrat có sẵn để khử nitrat.

Mức độ khử nitrat có phạm vi rộng trên một lĩnh vực, do nhiều yếu tố như tính chất của đất (bao gồm tập hợp, macropores và độ ẩm) và sự thay đổi trong phân bón, chất hữu cơ và phân bố dư lượng cây trồng.

Các loại phân bón nitơ, cũng như các phương pháp ứng dụng, đã được báo cáo ảnh hưởng đến khử nitơ. Ví dụ, phân bón được giải phóng có kiểm soát, cũng như các ứng dụng sinh sản và phát sóng, gây ra lượng khí thải nitơ oxit thấp hơn so với urê dạng hạt khô và các ứng dụng băng tập trung. Vị trí nitơ sâu hơn cũng làm giảm lượng khí thải này.

Thời kỳ khô hạn sau cơn mưa bất chợt thường là tác nhân gây khử nitơ, có thể được quản lý bằng hệ thống thoát nước và tưới nhỏ giọt dưới mặt đất. ^iv

Tóm lược

Nitrat hóa

• Theo dõi quá trình ammonization
• Sự biến đổi amoni thành nitrat
• Phản ứng oxy hóa
• Được tạo điều kiện bởi hai loại vi khuẩn hiếu khí hóa học chính: Nitrosomonas và Vi khuẩn
• Quá trình hai bước: chuyển đổi amoni thành nitrit, sau đó chuyển đổi nitrit thành nitrat
• Tạo ra một dạng dinh dưỡng nitơ có sẵn để hấp thụ bởi rễ cây
• Chất phản ứng (ammonium) được tìm thấy trong urê từ chất thải động vật và phân bón, phân hữu cơ và phân hủy cây che phủ hoặc tàn dư cây trồng
• Nitrifiers nhạy cảm hơn với căng thẳng môi trường
• Bị ức chế bởi lũ lụt, độ mặn cao, độ axit cao, độ kiềm cao, quá mức và các hợp chất độc hại
• Được ưa chuộng bởi điều kiện hiếu khí, pH từ 6,5 đến 8,5, nhiệt độ từ 16 đến 35 độ C và hàm lượng sét cao

Khử nitơ

• Theo dõi quá trình nitrat hóa
• Sự biến đổi nitrat thành khí nitơ, chủ yếu là nitơ và oxit nitơ
• Phản ứng khử
• Được tạo điều kiện bởi các vi khuẩn gây bệnh dị dưỡng
• Trình tự các bước: chuyển đổi nitrat thành nitrit, oxit nitric, oxit nitơ và cuối cùng thành nitơ
• Khử trùng hệ thống nước thải và thủy sản bằng cách hạ thấp mức nitrat
• Chất phản ứng (nitrat) được hình thành từ quá trình nitrat hóa, trong khi các nguồn carbon cho khử nitơ được tìm thấy trong phân chuồng, che phủ cây trồng và tàn dư cây trồng, hoặc được cung cấp bởi methanol hoặc axit axetic
• Denitrifiers ít nhạy cảm với căng thẳng môi trường
• Bị ức chế bởi quá trình nitrat hóa giảm, nồng độ nitrat giảm, vị trí sâu của phân bón nhả có kiểm soát và thoát nước

Được ưa thích bởi lũ lụt, điều kiện anoxic, pH từ 7,0 đến 8,5, nhiệt độ từ 26 đến 38 độ C, cung cấp đủ nitrat và carbon hòa tan và các ứng dụng dải tập trung của urê dạng hạt khô.