Verschil tussen nitrificatie en denitrificatie

Nitrificatie

Nitrificatie is de biologische transformatie van ammonium (NH₄⁺) om te nitreren (NO₃^-) door oxidatie. Oxidatie wordt gedefinieerd als het verlies van elektronen door een atoom of verbinding, of een toename in de oxidatietoestand ervan. Het proces wordt vergemakkelijkt door twee soorten nitrificerende aerobe bacteriën die de aanwezigheid van zuurstofmoleculen die in hun omgeving zijn opgelost nodig hebben om te overleven. [ik]

Ten eerste, chemoautrofische bacteriën (voornamelijk die van het geslacht Nitrosomonas) zet ammoniak (NH₃) en ammonium tot nitriet (NO₂^-). "Chemoautrophic" verwijst naar het vermogen van de bacterie om zijn eigen voedingsstoffen te maken uit een anorganische bron, namelijk CO₂. Het proces wordt weergegeven door de chemische vergelijking:

2NH₄+ + 3O₂ → 2NO₂^- + 2H₂O + 4H⁺ + energie

Dan komen bacteriën voornamelijk uit de Nitrobacter groep zet nitriet om in de volgende reactie:

 2NO₂^- + O₂ → 2NO₃^- + energie

Deze reacties vinden gelijktijdig en vrij snel plaats - meestal binnen enkele dagen of weken. Het is belangrijk dat nitriet in de bodem volledig wordt omgezet in nitraat, omdat nitriet giftig is voor de plant.

Nitraten die in de bodem aanwezig zijn, zijn de belangrijkste bron van stikstof die door planten wordt gebruikt. [ii] Dus de overgang van stikstof van de ene vorm naar de andere, bekend als de stikstofkringloop, is een belangrijk onderdeel van de landbouwindustrie. [iii]

Voordat deze stappen plaatsvinden, wordt organische stikstof afgebroken door heterotrofe bacteriën door hydrolyse om ammonium en ammoniak te vormen in een proces dat bekendstaat als ammonificatie. ^ik Ammoniak kan in ureum worden aangetroffen uit dierlijke afvallen, compost en ontbinding van overkweekgewassen of gewasresten. Ammonium komt voor in de meeste kunstmeststoffen.

Nitrificerende bacteriën zijn gevoeliger voor omgevingsstress dan andere soorten bodembacteriën. Wanneer de grond langdurig is verzadigd met vocht, vullen de poriën van de bodem zich met water, waardoor de zuurstoftoevoer wordt beperkt. Nitrificerende bacteriën vereisen aerobe omstandigheden om te functioneren, waardoor overstroming de nitrificatie beperkt.

Droge bodems hebben meestal een hoge zoutconcentratie en het resulterende zoutgehalte heeft een negatieve invloed op de nitrificerende activiteit van de bacteriën. Dit komt omdat verhoogde osmolariteit de hoeveelheid energie verhoogt die micro-organismen nodig hebben om water over hun celmembranen te verplaatsen. Water is ook essentieel voor de beweging van opgeloste stoffen, zoals nitraten, door de grond. ⁱⁱ

Nitrificerende bacteriën presteren het best bij een pH tussen 6,5 en 8,5 en temperaturen tussen 16 en 35 graden Celsius. ^ik Nitrificatiesnelheden zijn langzamer in zeer zure grond, terwijl de hoge alkaliteit vermindert Nitrobacter activiteit, veroorzaakt een ongunstige opbouw van nitriet in de bodem.

De pH van de grond kan ook worden beïnvloed door de specifieke bron van ammoniumnitrificatie. Monoammoniumfosfaat (MAP) -oplossing is bijvoorbeeld veel zuurder dan diammoniumfosfaat (DAP); dus gebruik van DAP resultaten in hogere nitrificatiesnelheden dan MAP.

De meerderheid van de bacteriën bevindt zich in de bovenste oppervlaktelaag, waardoor de nitrificatie afneemt wanneer grondbewerking niet goed wordt beheerd.

Bodems met een hoog kleigehalte hebben grotere deeltjes en meer microporiën voor bacteriegroei, evenals een grotere retentie van ammonium als gevolg van een hogere kationuitwisselingscapaciteit. ⁱⁱ Waterverhoudingen en fysieke bodemeigenschappen kunnen worden verbeterd door minder te kweken.

Nitrificatie kan worden geremd door de aanwezigheid van zware metalen en toxische verbindingen, of te hoge concentraties ammoniak.

Soms kan het nuttig zijn om stikstof in de bodem te houden in de vorm van ammonium. Dit voorkomt stikstofverlies (door uitloging van nitraten) en stikstofgasontsnapping (door denitrificatie). Nitrificatieremmers die commercieel worden gebruikt omvatten dicyaandiamide en nitrapyrine.

denitrificatie

Denitrificatie is de biologische transformatie van nitraat naar stikstofgassen door reductie. Het volgt altijd nitrificatie ^ik en de reactievolgorde kan als volgt worden weergegeven:

NEE₃^- → NEE₂^- → NEE → N₂O → N₂[Iv]

Het proces wordt vergemakkelijkt door facultatieve bacteriën; dit zijn bacteriën die voor de ademhaling niet de aanwezigheid van vrije zuurstof vereisen. Denitrificerende bacteriën zijn heterotrofe organismen omdat ze een organische voedselbron in de vorm van koolstof nodig hebben om te overleven. Denitrificatie kan zo snel beginnen als minuten na stimulatie van het proces.

Denitrificatie kan schadelijk zijn voor de productie van gewassen, omdat stikstof, een voedingsstof die essentieel is voor plantengroei, tijdens het proces verloren gaat aan de atmosfeer. Het is echter gunstig voor aquatische habitats en voor industriële of rioolwaterzuivering, omdat de nitraatconcentratie in het water wordt verlaagd. ^ik

Uitlogen of afspoelen van gewassen als gevolg van kunstmestbehandelingen kan ertoe leiden dat overtollige hoeveelheden van deze voedingsstof in waterlichamen terechtkomen, waar stikstofverbindingen verschillende schadelijke effecten hebben op zowel het menselijk als het waterleven. ^iv

Ammoniak is giftig voor vissoorten en stimuleert de groei van algen, verlaagt het zuurstofgehalte in water en resulteert in eutrofiëring. Nitraten veroorzaken leverbeschadiging, kanker en methemoglobinemie (zuurstoftekort bij zuigelingen), terwijl nitrieten reageren met organische verbindingen die amines worden genoemd om kankerverwekkende nitrosamines te vormen. ⁱⁱ

Wanneer de zuurstofgehaltes in de bodem of in het water opraken (anoxische omstandigheden), breken denitrificerende bacteriën nitraten af ​​voor gebruik als zuurstofbron. Dit komt vaak voor in met water verzadigde bodems waar het zuurstofniveau laag is. Nitraat wordt gereduceerd tot stikstofoxide (N.₂O) en nog een keer tot stikstofhoudend gas. Deze gasbellen ontsnappen in de atmosfeer. ^ik

Het gas dat wordt gevormd door denitrificeerders hangt af van de omstandigheden in de grond of het water en wat voor soort microbiële gemeenschap er is. Minder zuurstof heeft de neiging te leiden tot de vorming van meer stikstofgas, het meest voorkomende product van denitrificatie. Stikstofgas vormt het hoofdbestanddeel van lucht. Het op één na meest voorkomende product is lachgas, een broeikasgas dat ook de ozonlaag van de aarde aantast. ^iv

Denitrificerende bacteriën zijn minder gevoelig voor toxische chemicaliën dan nitrificeerders en werken optimaal bij een pH tussen 7,0 en 8,5 en warmer temperaturen tussen 26 en 38 graden Celsius. Denitrificatie komt vooral voor in de bovengrond, waar de microbiële activiteit het hoogst is.

Denitrifiëringsmiddelen vereisen voldoende nitraatconcentratie en een oplosbare koolstofbron; de hoogste percentages komen voor bij gebruik van methanol of azijnzuur. Organische koolstof kan worden gevonden in mest, compost, dekkingsgewassen en gewasresten. ^ik

Het minimaliseren van denitrificatie in gewasbodems wordt bereikt door het handhaven van de minimale concentratie van nitraat die nodig is voor plantengroei, zoals het gebruik van kunstmest met gecontroleerde afgifte. Een andere methode is het tegengaan van nitrificatie, die de nitraatniveaus die beschikbaar zijn voor denitrificatie vermindert.

Denitrificatieniveaus variëren sterk over een enkel veld, vanwege vele factoren zoals bodemeigenschappen (inclusief aggregatie, macroporiën en nattigheid) en variaties in meststof, organische stof en verdeling van gewasresten.

Van stikstofmeststoftypen, evenals van toepassingsmethoden, is gemeld dat ze denitrificatie beïnvloeden. Gecoate kunstmeststoffen met gereguleerde afgifte, evenals fertigatie- en broadcasttoepassingen veroorzaken bijvoorbeeld lagere stikstofoxide-emissies dan droge granulaire ureum- en geconcentreerde bandtoepassingen. Door een diepere stikstofplaatsing wordt ook deze uitstoot verminderd.

Droge periodes gevolgd door een plotselinge regenbui zijn vaak een trigger voor denitrificatie, die kan worden beheerd met drainagesystemen en ondergrondse druppelirrigatie. ^iv

Samenvatting

Nitrificatie

• Volgt ammonificatieproces
• Transformatie van ammonium in nitraat
• Oxidatiereactie
• Gefaciliteerd door twee hoofdtypen chemoautrofische aerobe bacteriën: Nitrosomonas en Nitrobacter
• Tweestaps proces: omzetting van ammonium in nitriet, vervolgens omzetting van nitriet in nitraat
• Creëert een stikstofvoedingsstof die beschikbaar is voor opname door plantenwortels
• Reactant (ammonium) in ureum uit dierlijke afvallen en meststoffen, compost en ontbinding van cover crops of crop restues
• Nitrificeerders gevoeliger voor omgevingsstress
• Onderdrukt door overstroming, hoog zoutgehalte, hoge zuurgraad, hoge alkaliteit, overmatige bewerking en toxische verbindingen
• Gunstig door aerobe omstandigheden, pH tussen 6,5 en 8,5, temperaturen tussen 16 en 35 graden C en hoog kleigehalte

denitrificatie

• Volgt het nitrificatieproces
• Transformatie van nitraat naar stikstofgassen, voornamelijk stikstof en lachgas
• Reductiereactie
• Gefaciliteerd door heterotrofe facultatieve bacteriën
• Volgorde van stappen: omzetting van nitraat in nitriet, in stikstofoxide, in lachgas en uiteindelijk in stikstof
• Ontsmet afvalwater en aquatische systemen door het nitraatgehalte te verlagen
• Reagens (nitraat) gevormd door nitrificatie, terwijl koolstofbronnen voor denitrificeerders worden aangetroffen in mest, bedekkingsgewassen en gewasresten, of geleverd door methanol of azijnzuur
• Denitrifiers minder gevoelig voor omgevingsstress
• Wordt geremd door verminderde nitrificatie, verlaagde nitraatgehaltes, diepe plaatsing van gecoate kunstmest met gecontroleerde afgifte en bodemafwatering

Begunstigd door overstroming, zuurstofarme omstandigheden, pH tussen 7,0 en 8,5, temperaturen tussen 26 en 38 graden C, voldoende toevoer van nitraten en oplosbare koolstof en geconcentreerde bandtoepassingen van droog granulair ureum.