Chemismus a biogeochemické cykly Nitrifikace/ Denitrifikace
Jelikož se stálé množí diskuze o Nitrifikaci a Denitrifikaci dohodli jsme se s Hynkem Dařbujánem, že vám zde názorně a obsáhle popíšeme jak tomu je doopravdy. Aby jste si udělali představu jaké složité procesy se dějí ve vodním prostředí.S laskavým svolením autora zde vložím část textu, který je upraven pro zdejší potřebu. část č.1 Nitrifikace Nitrifikace je většinou definována jako biologická oxidace amoniaku na dusičnany s dusitany jako mezistupněm v sekvenci reakcí. Tato definice má určité limitace pro heterotrofní organismy, ale je adekvátní pro autotrofní organismy (Hauck 1984). Nitrifikace byla spojována s chemoautotrofními baktériemi, avšak v současné době je známo, že i heterotrofní nitrifikace může být významná (Keeney 1973, Paul a Clark 1996). Nitrifikace může probíhat v záplavové vodě, v povrchové aerobní vrstvě půdy a v blízkosti kořenů (Reddy a Patrick 1984, Reddy a Graetz 1988). Rychlost nitrifikace v mokřadních půdách je závislá na přísunu NH4+ do aerobních zón, pH, alkalitě vody, teplotě, přítomnosti nitrifikačních baktérií a velikosti aerobních zón (Savant a De Datta 1982, Reddy a Patrick 1984). Nitrifikační baktérie získávají energii z oxidace amoniakálního dusíku a/nebo dusitanového dusíku a CO2 je využíván jako zdroj uhlíku pro syntézu nových buněk. Tyto organismy vyžadují O2 pro oxidaci amoniakálního dusíku na dusitanový dusíku a jeho další oxidaci na dusičnanový dusík (rovnice 11 a 12) Oxidace amoniakálního dusíku je tedy dvoustupňový proces (Wallace a Nicholas 1969, Hauck 1984): NH4+ + 1,5 O2 ® NO2- + 2 H+ + H2O NO2- + 0,5 O2 ® NO3- _________________________________________ NH4+ + 2 O2 ® NO3- + 2 H+ + H2O První krok, oxidace amoniaku na dusitany, je uskutečňován striktně chemolitotrofními organismy, které jsou zcela závislé na oxidaci amoniaku pro získávání energie pro růst. V půdě byly identifikovány tyto rody: Nitrosospira (N. briensis ), Nitrosovibrio (N. tenuis ), Nitrosolobus (N. multiformis ) a Nitrosomonas (N. europeae ) (Schmidt 1982, Grant a Long 1985). Nitrosomonas europeae byl také nalezen ve vodách (Grant a Long 1985). Všechny tyto organismy patří mezi striktně aerobní (Laanbroek 1990). Pravdûpodobná sekvence reakcí při oxidaci amoniaku na dusitany baktériemi Nitroso-skupiny je následující (Hauck 1984): amoniak (NH3/NH4) ® hydroxylamin (NH2OH) ® nitroxyl (NOH) ® nitrohydroxylamin (NO2 . NH2OH) ® dusitan (NO2-) Uvedené mezisloučeniny NOH a NO2 . NH2OH nebyly izolovány, ale jejich přítomnost v reakční sekvenci je v souladu s předpokladem, že při každém oxidačním kroku mezi NH4+ a NO2- jsou přenášeny dva elektrony (Hauck 1984). Druhý krok v procesu nitrifikace, oxidace dusitanů na dusičnany, je uskutečňován fakultativně chemolitotrofními baktériemi, které mohou vedle dusitanů využívat také
pietro
organické sloučeniny jako zdroj energie pro svůj růst. Na rozdíl od baktérií oxidujících amoniak se v půdě a ve sladkých vodách vyskytuje pouze jeden druh bakterií oxidujících dusitany - Nitrobacter winogradskyi (Laanbroek 1990, Grant a Long 1985). Schmidt (1982) však uvádí vedle uvedeného druhu také rod Nitrospira, který je přítomen v půdě, sladké i slané vodě. Nitrococcus mobilis se vyskytuje pouze v mořské vodû (Grant a Long 1985). Na rozdíl od baktérií oxidujících amoniak mohou některé baktérie oxidující dusitany žít bez přítomnosti kyslíku (Bock et al. 1986). Nitrifikace je ovlivňována řadou faktorů, z nichž nejdůležitější jsou teplota, pH, alkalita vody, zdroj anorganického uhlíku, vlhkost, mikrobiální populace, koncentrace amoniaku a rozpuštěného O2 (Vymazal 1995). Optimální teplota pro nitrifikaci v čistých kulturách je v rozmezí 25 až 35oC a v půdách mezi 30 a 40oC, při teplotách pod 15oC je nitrifikace již limitována a při teplotách nižších než 5oC probíhá nitrifikace jen v minimální míře (Paul a Clark 1996). Optimální pH pro nitrifikaci je pohybuje v rozmezí 6,6 a 8,0 (Paul a Clark 1996), ale v adaptovaném systému může probíhat nitrifikace i při výrazně nižším pH (Cooper et al. 1996). Na oxidaci 1 mg NH4+-N na NO3--N je potřeba přibližně 4,3 mg O2 a zároveň se spotřebovává značné možství alkality, přibližně 8,64 mg HCO3- (Cooper et al. 1996). Počty aktivních nitrifikačních baktérií se pohybují v půdách a sedimentech od 103 do 105 v 1 gramu, ale podstatně vyšší počty (107 - 108 g-1) jsou přítomny tam, kde jsou vysoké koncentrace amoniaku, např. v aktivovaném kalu (Grant a Long 1981). První zmínky o heterotrofní nitrifikaci byly se poprvé objevují již koncem 19. století, ale teprve nedávno se začal tento proces studovat intenzivněji. Heterotrofní nitrifikační baktérie mohou produkovat NO3- z jak anorganických, tak organických substrátů s meziprodukty stejnými jako v rovnici 14. Vzhledem k tomu, že řada těchto mikroorganismů jsou zároveň denitrifikační baktérie, je proces heterotrofní nitrifikace v přírodních systémech většinou podhodnocen (Focht a Verstraete 1977, Paul a Clark 1996). Mezi organismy, které mohou provádět heterotrofní nitrifikaci patří především baktérie (např. Arthrobacter globiformis, Aerobacter aerogenes, Mycobacterium phlei, Streptomyces griseus, Thiosphaera spp, Pseudomonas spp.) a předevšímhouby (např. Aspergillus flavus, Penicilium spp, Cephalosporium spp.) (Paul a Clark 1996).
9.12.2013 10:09
Nitrát-amonifikace První anaerobní proces, který se objevuje po odčerpání kyslíku, je redukce dusičnanů na molekulární dusík a amoniak. Redukce dusičnanů je uskutečňována dvěma skupinami nitrát-redukujících baktérií: denitrifikační baktérie, které vytvářejí N2O a N2 jako hlavní redukční produkty a nitrát-amonifikační baktérie, které vytvářejí NH4+ jako hlavní konečný produkt redukce dusičnanů. V sedimentech a půdách se vyskytují obě uvedené skupiny (Laanbroek 1990, Paul a Clark 1996). Je známo, že většina zelených rostlin, hub a baktérií může redukovat NO3- na NH4+ v průběhu biosyntézy aminokyselin a proteinů (Paul a Clark 1996): NO3- ® NO2- ® NH2OH ® NH4+ ® R-NH2 Při redukci jedné molekuly NO3- je využito rozdílné množství elektronů v obou nitrát-redukujících systémech: 5 v případû denitrifikace a 8 v případû amonifikace nitrátů. Z toho vyplývá, že více organické hmoty může být oxidováno (vztaženo na jednu molekulu NO3- ) v případû nitrát-amonifikačních baktérií. Navíc redukce dusičnanů je většinou uskutečňována fermentativními baktériemi, které nejsou závislé na přítomnosti dusičnanů v anaerobních podmínkách. Tím jsou nitrát-amonifikační baktérie zvýhodňovány v podmínkách limitace dusičnany (Laanbroek 1990). Poměr mezi uhlíkem a dusíkem v systému může tedy určit převahu denitrifikačních nebo nitrát-amonifikačních baktérií (Tiedje et al. 1982). Redukce dusičnaů na amoniak je prováděna fakultativně anaerobními baktériemi, které patří do rodů Bacillus, Citrobacter a Aeromonas nebo baktériemi z čeledi Enterobacteriaceae, avšak striktně anaerobní baktérie patřící do rodu Clostridium jsou také schopné redukovat dusičnany na amoniak (Grant a Long 1985). Konverze NO3- na NH4+ je vyšší s klesající hodnotou redoxního potenciálu, vyšším pH a větším množstvím snadno oxidovatelných organických látek (Buresh a Patrick 1978, 1981).
9.12.2013 10:11
Denitrifikace Denitrifikace je většinou definována jako biochemická redukce NO2- a NO3- na N2 nebo plynné oxidy dusíku (Hauck 1984, Johnston 1991). Hauck (1984) připomíná, že asimilační redukce NO3- na NH4+ a nitrifikace také produkují oxidy dusíku (N2O a/nebo NO), a tudíž je žádoucí tuto definici upřesnit. Z biochemického hlediska je denitrifikace bakteriální proces, při kterém oxidy dusíku (v iontové a plynné formě) vystupují jako koncové akceptory elektronů při respiračním elektronovém transportu. Elektrony jsou přenášeny z elektronových donorů (většinou, ale ne ve všech případech to jsou organické sloučeniny) pomocí několika systémů na více oxidované formy dusíku. Výsledná volná energie je uchovávána v ATP vytvářeném při fosforylaci a je využita denitrifikačními organismy při respiraci. Denitrifikaci lze vyjádřit následující rovnicí (Hauck 1984): (CH2O) + 4 NO3- ® 6 CO2 + 2 N2 + 6 H2O
9.12.2013 10:29
Tato reakce je nevratná a probíhá v přítomnosti dostupného organického substrátu v anaerobních nebo anoxických podmínkách (Eh = + 350 až + 100 mV), kde dusík je využíván jako akceptor elektronů (Reddy a Patrick 1984, Johnston 1991). Mnohé výsledky z čistých kultur ukazují na skutečnost, že redukce dusičnanů probíhá i v přítomnosti kyslíku (Kuenen a Robertson 1987). Z toho vyplývá, že v zaplavených půdách může denitrifikace začít již před úplným odčerpáním kyslíku (Laanbroek 1990). Produkce plynných forem dusíku při denitrifikaci je popsána rovnicemi (Hauck 1984): (CH2O) + 4 NO3- ® 4 HCO3- + 2 N2O + 2 H2O (CH2O) + 4 NO3- ® H2CO3 + 4 HCO3- + 2 N2 + 2 H2O Denitrifikační schopnost má celá řada organismů litotrofních, fototrofních a diazotrofních (Paul a Clark 1996). Většina denitrifikačních baktérií jsou chemoheterotrofní organismy, které získávají energii pouze z chemických reakcí, přičemž využívají organické sloučeniny jako donory elektronů a jako zdroj buněčného uhlíku (Hauck 1984). Rody Bacillus, Micrococcus a Pseudomonas jsou pravděpodobně nejdůležitější v půdách; Pseudomonas, Aeromonas a Vibrio ve vodních systémech (Grant a Long 1981). Denitrifikační baktérie lze nalézt i v rodech Agrobacterium, Alcaligenes, Azospirillum, Paracoccus nebo Thiobacillus (Knowles 1982). Kompletní seznam bakteriálních rodů, které se účastní denitrifikace, publikovali např. Focht a Verstraete (1977) nebo Paul a Clark (1996). V mokřadních půdách probíhá denitrifikace v anaerobní půdě pod aerobní vrstvou a ve vrstvě tlející vegetace ležící na povrchu půdy. Běžně je možno izolovat až 106 denitrifikačních baktérií v jednom gramu půdy nebo sedimentu (Grant a Long 1981). Jestliže je dostupný kyslík, pak tyto organismy oxidují karbohydráty na CO2 a H2O (Reddy a Patrick 1984). Aerobní respirace s využitím kyslíku jako elektronového akceptoru nebo anaerobní respirace s využitím dusíku jsou uskutečňovány u denitrifikačních baktérií stejnou sérií v systému transportu elektronů. Tato vlastnost, chovat se jako aerobní i anaerobní organismus, umožňuje nástup denitrifikace krátce po přechodu prostředí do redukčního stavu (redoxní potenciál přibližně +300 mV) beze změny v mikrobiální populaci (Hauck 1984). Protože denitrifikace je uskutečňována téměř výhradně fakultativně anaerobními baktériemi, které nahrazují O2 oxidovanými formami dusíku jako akceptor elektronů v respiračním procesu, je nesprávné hovořit o denitrifikaci jako anaerobním procesu, ale je nutné hovořit o procesu, který se uskutečňuje za anaerobních (případně anoxických) podmínek (Hauck 1984). Všeobecně se předpokládá, že skutečná sekvence biochemických změn dusičnanů na elementární dusík je následující (Payne 1981, Grant a Long 1981, Hauck 1984):
9.12.2013 10:30
2 NO3- ® 2 NO2- ® 2 NO ® N2O ® N2 Denitrifikace je ovlivňována celou řadou faktorů, z nichž nejdůležitější jsou přítomnost O2, redoxní potenciál, půdní vlhkost, teplota, pH, typ půdy, koncentrace dusičnanů a organické hmoty (Focht a Verstraete 1977, Knowles 1982, Vymazal 1995). Množství N2O uvolněného během denitrifikace je závislé na množství denitrifikovaného dusíku a poměru N2 : N2O, které jsou produkovány (Terry a Tate 1980). Tento poměr je ovlivňován také stupněm aerace, pH, teplotou a poměrem mezi amoniakem a dusičnany v denitrifikačním systému (Terry a Tate 1980, Hauck 1984). Při hodnotách pH < 4,5 je denitrifikace relativně pomalá a je uvolňován pouze N2O; při pH > 5 je N2 hlavním produktem denitrifikace v podmínkách nízkého redoxního potenciálu a relativní důležitost N2O klesá, jestliže podmínky jsou méně anaerobní (Armentano a Verhoeven 1990). Rychlost emise N2O stoupá se zvyšujícím se obsahem vlhkosti v půdě a se stoupající teplotou až do 37 oC (Freney et al. 1979). Denitrifikační rychlost v různých typech mokřadů silně kolísá a pohybuje od 0,002 do 134 g N m-2 rok-1 (Vymazal 2001). Nitrifikace a denitrifikace probíhají současně v zaplavených půdách, kde existují jak aerobní tak anaerobní zóny. Kombinací obou těchto pochodů dostáváme následující výslednou rovnici (Reddy a Patrick 1984): 24 NH4+ + 48 O2 ® 24 NO3- + 24 H2O + 48 H+ 24 NO3- + 5 C6H12O6 + 24 H+ ® 12 N2 + 30 CO2 + 42 H2O __________________________________________________________ 24 NH4+ + 5 C6H12O6 + 48 O2 ® 12 N2 + 30 CO2 + 66 H2O + 24 H+ Difúze amoniaku a rychlost nitrifikace limitují ztráty dusíku z mokřadních půd, zatímco difúze dusičnanů a denitrifikace probíhají většinou rychle a ve většině případů nejsou tedy limitující pro celkový proces.
9.12.2013 10:31
Fixace Fixací dusíku se rozumí konverze plynného dusíku (N2) na amoniak. Fixace dusíku vyžaduje přítomnost enzymového komplexu nitrogenázy, který obsahuje Fe, S a Mo a je sensitivní na kyslík. Tento komplex redukuje i další sloučeniny obsahující trojnou kovalentní vazbu, např. acetylen, kyanidy nebo oxid dusný. Redukce acetylenu na ethylen a jednoduché oddělení obou látek na plynové chromatografii se používá jako standardní postup při stanovení fixace dusíku (South a Whittick 1987).
Autor textu: Chemismus a biogeochemické cykly. Jan Vymazal
9.12.2013 11:44
Přeji hezké počteníčko HD