Differenza tra nitrificazione e denitrificazione

nitrificazione

La nitrificazione è la trasformazione biologica dell'ammonio (NH₄⁺) al nitrato (NO₃^-) per ossidazione. L'ossidazione è definita come la perdita di elettroni da parte di un atomo o composto, o un aumento del suo stato di ossidazione. Il processo è facilitato da due tipi di batteri aerobici nitrificanti che richiedono la presenza di molecole di ossigeno disciolte nei loro dintorni, per sopravvivere. [io]

In primo luogo, i batteri chemoautrophic (principalmente quelli del genere Nitrosomonas) convertire l'ammoniaca (NH₃) e ammonio al nitrito (NO₂^-). "Chemoautrophic" si riferisce alla capacità dei batteri di creare i propri nutrienti da una fonte inorganica, vale a dire CO₂. Il processo è rappresentato dall'equazione chimica:

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

Quindi i batteri principalmente dal Nitrobacter gruppo convertire nitrito in nitrato nella seguente reazione:

 2NO₂^- + O₂ → 2NO₃^- + energia

Queste reazioni avvengono simultaneamente e abbastanza rapidamente, di solito entro giorni o settimane. È importante che il nitrito sia completamente convertito in nitrato nei terreni, dal momento che il nitrito è tossico per la vita delle piante.

I nitrati presenti nel terreno sono la principale fonte di azoto utilizzato dalle piante. [ii] Pertanto, la transizione dell'azoto da una forma all'altra, nota come ciclo dell'azoto, è una parte importante dell'industria agricola. [iii]

Prima che questi passaggi avvengano, l'azoto organico viene scomposto dai batteri eterotrofi mediante idrolisi per formare ammonio e ammoniaca in un processo noto come ammonificazione. ^io L'ammoniaca può essere trovata nell'urea da rifiuti animali, composti e colture di copertura in decomposizione o residui colturali. L'ammonio si trova nella maggior parte dei fertilizzanti.

I batteri nitrificanti sono più sensibili agli stress ambientali rispetto ad altri tipi di batteri del suolo. Quando il suolo è saturo di umidità per periodi prolungati, i pori del terreno si riempiono di acqua, limitando l'apporto di ossigeno. I batteri nitrici richiedono il funzionamento delle condizioni aerobiche, quindi l'allagamento limita la nitrificazione.

I terreni asciutti tendono ad avere un'alta concentrazione di sale e la conseguente salinità influisce negativamente sull'attività nitrificante dei batteri. Questo perché l'aumento dell'osmolarità aumenta la quantità di energia richiesta dai microrganismi per spostare l'acqua attraverso le loro membrane cellulari. L'acqua è anche essenziale per il movimento dei soluti, come i nitrati, attraverso il suolo. ⁱⁱ

I batteri nitrificanti funzionano meglio con un pH tra 6,5 ​​e 8,5 e temperature tra 16 e 35 gradi C. ^io I tassi di nitrificazione sono più lenti nei terreni molto acidi, mentre l'alta alcalinità si riduce Nitrobacter attività, causando un accumulo sfavorevole di nitrito nel suolo.

Il pH del terreno può anche essere influenzato dalla particolare fonte di ammonio nitrificato. Ad esempio, la soluzione di fosfato monoammonico (MAP) è molto più acida del fosfato biammonico (DAP); quindi l'uso di DAP porta a tassi di nitrificazione più elevati rispetto a MAP.

La maggior parte dei batteri si trova nello strato superficiale superiore, quindi la nitrificazione diminuisce quando le pratiche di lavorazione del terreno non sono gestite correttamente.

Suoli con alto contenuto di argilla hanno particelle più grandi e più spazio micropori per la crescita batterica, nonché una maggiore ritenzione di ammonio a causa della maggiore capacità di scambio cationico. ⁱⁱ Le relazioni idriche e le proprietà fisiche del suolo possono essere migliorate con la coltivazione a ciclo ridotto.

La nitrificazione può essere inibita dalla presenza di metalli pesanti e composti tossici o da concentrazioni eccessivamente elevate di ammoniaca.

A volte può essere utile mantenere l'azoto nel terreno sotto forma di ammonio. Ciò impedisce la perdita di azoto (mediante lisciviazione dei nitrati) e la fuga di gas azoto (attraverso la denitrificazione). Gli inibitori della nitrificazione usati commercialmente includono diciandiammide e nitrapirina.

denitrificazione

La denitrificazione è la trasformazione biologica del nitrato in gas azotati mediante riduzione. Segue sempre la nitrificazione ^io e la sequenza di reazione può essere rappresentata come segue:

NO₃^- → NO₂^- → NO → N₂O → N₂[Iv]

Il processo è facilitato da batteri facoltativi; questi sono batteri che non richiedono la presenza di ossigeno libero per la respirazione. I batteri denitrificanti sono organismi eterotrofi poiché hanno bisogno di una fonte di cibo biologico, sotto forma di carbonio, per sopravvivere. La denitrificazione può iniziare rapidamente come minuti dopo la stimolazione del processo.

La denitrificazione può essere dannosa per la produzione vegetale, poiché l'azoto, un nutriente essenziale per la crescita delle piante, viene perso nell'atmosfera durante il processo. Tuttavia, è vantaggioso per gli habitat acquatici e per il trattamento delle acque reflue industriali o fognarie, poiché la concentrazione di nitrati nell'acqua è ridotta. ^io

La lisciviazione o il deflusso dalle colture a causa di trattamenti con fertilizzanti può causare una quantità eccessiva di questo nutriente a finire nei corpi idrici, dove i composti azotati hanno vari effetti nocivi sulla vita sia umana che acquatica. ^iv

L'ammoniaca è tossica per le specie ittiche e stimola la crescita delle alghe, riducendo i livelli di ossigeno nell'acqua e provocando l'eutrofizzazione. I nitrati causano danni al fegato, tumori e metaemoglobinemia (carenza di ossigeno nei bambini), mentre i nitriti reagiscono con composti organici chiamati ammine per formare nitrosammine cancerogene. ⁱⁱ

Quando i livelli di ossigeno nel suolo o nell'acqua sono esauriti (condizioni anossiche), i batteri denitrificanti abbattono i nitrati per l'uso come fonte di ossigeno. Questo si verifica comunemente nei terreni saturi d'acqua in cui i livelli di ossigeno sono bassi. Il nitrato è ridotto al protossido di azoto (N₂O) e ancora una volta al gas azotato. Queste bolle di gas sfuggono nell'atmosfera. ^io

Il gas formato dai denitrificatori dipende dalle condizioni del suolo o dell'acqua e dal tipo di comunità microbica presente. Meno ossigeno tende a provocare la formazione di più gas azoto, il prodotto più comune di denitrificazione. Il gas azoto costituisce il componente principale dell'aria. Il secondo prodotto più comune formato è il protossido di azoto, un gas a effetto serra che erode anche lo strato di ozono della Terra. ^iv

I batteri denitrificanti sono meno sensibili alle sostanze chimiche tossiche dei nitrificanti e funzionano in modo ottimale a un pH compreso tra 7,0 e 8,5 e temperature più calde tra 26 e 38 gradi C. La denitrificazione avviene principalmente nel terreno vegetale, dove l'attività microbica è più elevata.

I denitrificatori richiedono una sufficiente concentrazione di nitrati e una fonte di carbonio solubile; i tassi più alti si verificano quando si utilizza metanolo o acido acetico. Il carbonio organico può essere trovato nel letame, nel compost, nelle colture di copertura e nei residui colturali. ^io

Ridurre al minimo la denitrificazione nei terreni coltivati ​​si ottiene mantenendo la concentrazione minima di nitrato necessaria per la crescita delle piante, come l'uso di fertilizzanti a rilascio controllato. Un altro metodo è l'inibizione della nitrificazione, che riduce i livelli di nitrati disponibili per la denitrificazione.

I livelli di denitrificazione variano ampiamente in un singolo campo, a causa di molti fattori come le proprietà del suolo (inclusi aggregazione, macropore e umidità) e le variazioni di fertilizzante, sostanza organica e distribuzione dei residui colturali.

È stato segnalato che i tipi di concimi azotati e i metodi di applicazione influiscono sulla denitrificazione. Per esempio, i fertilizzanti a rilascio controllato rivestiti, così come le applicazioni di fertirrigazione e trasmissione, provocano minori emissioni di protossido d'azoto rispetto all'urea granulare secca e alle applicazioni a banda concentrata. Il posizionamento più profondo dell'azoto riduce anche queste emissioni.

Periodi di siccità seguiti da un temporale improvviso sono spesso un fattore scatenante per la denitrificazione, che può essere gestita con sistemi di drenaggio e irrigazione a goccia sottosuperficiale. ^iv

Sommario

nitrificazione

• Segue il processo di ammonificazione
• Trasformazione di ammonio in nitrato
• Reazione di ossidazione
• Facilitato da due principali tipi di batteri aerobici chemoautrophic: Nitrosomonas e Nitrobacter
• Processo a due fasi: conversione dell'ammonio in nitrito, quindi conversione del nitrito in nitrato
• Crea una forma nutriente di azoto disponibile per l'assorbimento da parte delle radici delle piante
• Reattante (ammonio) trovato nell'urea da rifiuti animali e fertilizzanti, composti e colture di copertura in decomposizione o residui colturali
• Nitrifiers più sensibili agli stress ambientali
• Inibito da allagamenti, alta salinità, elevata acidità, elevata alcalinità, lavorazione eccessiva e composti tossici
• Favorito da condizioni aerobiche, pH tra 6,5 ​​e 8,5, temperature comprese tra 16 e 35 gradi C e alto contenuto di argilla

denitrificazione

• Segue il processo di nitrificazione
• Trasformazione del nitrato in gas azotati, principalmente azoto e protossido di azoto
• Reazione di riduzione
• Facilitato da batteri facoltativi eterotrofi
• Sequenza di passaggi: conversione del nitrato in nitrito, in ossido nitrico, in protossido di azoto e infine in azoto
• Decontaminazione delle acque di scarico e dei sistemi acquatici riducendo i livelli di nitrati
• Reattante (nitrato) formato dalla nitrificazione, mentre le fonti di carbonio per i denitrificatori si trovano nel letame, nelle colture di copertura e nei residui colturali o forniti da metanolo o acido acetico
• I denitrifiers sono meno sensibili agli stress ambientali
• Inibito dalla nitrificazione ridotta, dai livelli ridotti di nitrati, dal posizionamento profondo del concime a rilascio controllato rivestito e dal drenaggio del suolo

Favorito da allagamenti, condizioni anossiche, pH compreso tra 7,0 e 8,5, temperature comprese tra 26 e 38 gradi C, quantità sufficiente di nitrati e carbonio solubile e applicazioni a banda concentrata di urea granulare secca.