nitryfikacja
Nitryfikacja — Nitryfikacja – proces utleniania jonów amonowych do azotanów zachodzący przy udziale glebowych bakterii nitryfikacyjnych, przebiegający w dwóch etapach – pierwszy etap polega na utlenianiu jonów amonowych (NH₄⁺) do jonów azotanowych (III) (NO₂⁻) przez nitrozobakterie (np. Nitrosomonas). Drugi etap polega na utlenianiu jonów azotanowych (III) (NO₂⁻) do jonów azotanowych (V) (NO₃⁻) przez nitrobakterie (np. Nitrobacter). Nitryfikacja jest jednym z głównych procesów obiegu azotu w przyrodzie; powstałe w jej wyniku azotany stanowią główne źródło azotu dla roślin wyższych.
Obieg azotu w przyrodzie
Obieg azotu w przyrodzie (cykl azotowy) jest cyklem biogeochemicznym obejmującym przemiany związków azotowych w biosferze, dzięki któremu możliwe jest zachowanie równowagi pomiędzy atmosferą i biosferą.
Obieg azotu w przyrodzie obejmuje pięć głównych procesów, w których biorą udział organizmy żywe:
- wiązanie wolnego azotu (N₂) z atmosfery i przekształcanie go w przyswajalną formę jonów amonowych (NH₄⁺), odbywający się przy udziale bakterii azotowych (np. beztlenowych Clostridium, tlenowych Azotobacter), bakterii brodawkowych żyjących w symbiozie z roślinami z rodziny bobowatych (np. Rhizobium, Bradyrhizobium, Azorhizobium) oraz sinic (np. Nostoc)
- nitryfikacja – proces utleniania jonów amonowych (NH₄⁺) do azotanów (NO₂⁻, NO₃⁻) zachodzący przy udziale glebowych bakterii nitryfikacyjnych;
- pobieranie i przyswajanie azotu z gleby przez rośliny w postaci jonów azotanowych (NO₂⁻, NO₃⁻) bądź jonów amonowych (NH₄⁺);
- amonifikacja – proces rozkładu związków azotowych (białek, mocznika, kwasu moczowego) do amoniaku (NH₃) przy udziale bakterii amonifikujących, zachodzący w szczątkach roślinnych i zwierzęcych bądź zbędnych produktach przemiany materii organizmów żywych;
- denitryfikacja – proces redukcji azotanów (NO₃⁻) do wolnego azotu (N₂), zachodzący przy udziale beztlenowych bakterii denitryfikacyjnych (np. Thiobacillus denitrificans, Pseudomonas denitrificans).
Proces nitryfikacji
Nitryfikacja jest biologicznym procesem utleniania jonów amonowych do azotanów zachodzącym w środowisku glebowym w obecności tlenu przy udziale samożywnych (chemoautotroficznych) bakterii nitryfikacyjnych, które wykorzystują wytwarzaną w tym procesie energię do biosyntezy związków organicznych z dwutlenku węgla i wody.
Nitryfikacja jest procesem dwuetapowym. Pierwszy etap polega na utlenianiu jonów amonowych (NH₄⁺) do jonów azotanowych (III) (NO₂⁻) przez nitrozobakterie, do których zalicza się gatunki z rodzajów Nitrosomonas, Nitrococcus oraz Nitrosospira:
2 NH₄⁺ + 3 O₂ → 2 NO₂⁻ + 4 H⁺ + 2 H₂O + energia
Drugi etap polega na utlenianiu powstałych w pierwszym etapie jonów azotanowych (III) (NO₂⁻) do jonów azotanowych (V) (NO₃⁻) przez nitrobakterie, do których zalicza się gatunki z rodzaju Nitrobacter oraz Nitrospira:
2 NO₂⁻ + O₂ → 2 NO₃⁻ + energia
Prawidłowy przebieg procesu nitryfikacji zależy od:
- dostępności substratu (obecności jonów amonowych NH₄⁺);
- temperatury (temperatura optymalna wynosi 20-30°C; poniżej 15°C nitryfikacja przebiega mniej wydajnie; poniżej 5°C nitryfikacja jest bardzo ograniczona bądź całkowicie ustaje);
- wilgotności (optymalna wilgotność gleby wynosi ok. 60%; nitryfikacja nie zachodzi w suchych warunkach);
- obecności tlenu w glebie (nitryfikacja zachodzi w warunkach tlenowych);
- pH (nitryfikacja zachodzi w zakresie pH 5,5-9,0; optymalne pH wynosi 7,5; przy pH niższym niż 5,0 nitryfikacja ustaje całkowicie);
- obecności inhibitorów (bakterie nitryfikacyjne są hamowane m.in. przez obecność amoniaku).
Bakterie nitryfikacyjne
Nitrozobakterie, zwane również bakteriami utleniającymi amoniak (AOB – ang. ammonia oxidizing bacteria), odpowiedzialne są za pierwszy etap reakcji nitryfikacji, polegający na utlenianiu jonów amonowych (NH₄⁺) do jonów azotanowych (III) (NO₂⁻). Do tej grupy bakterii zaliczane są samożywne (chemoautotroficzne) bakterie tlenowe z rodzajów Nitrosomonas, Nitrococcus oraz Nitrosospira.
Nitrobakterie, zwane również bakteriami utleniającymi jony azotanowe (III) (NOB – ang. nitrite-oxidizing bacteria), odpowiedzialne są za drugi etap reakcji nitryfikacji, polegający na utlenianiu jonów azotanowych (III) (NO₂⁻) do jonów azotanowych (V) (NO₃⁻). Do tej grupy bakterii zaliczane są samożywne (chemoautotroficzne) bakterie tlenowe z rodzajów Nitrobacter oraz Nitrospira.
Bakterie nitryfikujące są bakteriami kolonijnymi, nie tworzącymi form przetrwalnikowych. Występują powszechnie w glebie, oborniku, wodach słodkich i morskich. Są obligatoryjnymi chemolitoautotrofami, ich źródłem energii jest energia chemiczna powstająca podczas utleniania jonów amonowych bądź azotanowych (III), donorem elektronów jest związek nieorganiczny, natomiast źródło węgla stanowi dwutlenek węgla.
Znaczenie nitryfikacji
Nitryfikacja ma istotne znaczenie w obiegu azotu w przyrodzie, warunkującym prawidłowe funkcjonowanie ekosystemów wodnych i lądowych, poprzez wpływ na procesy produkcji pierwotnej oraz dekompozycji.
Nitryfikacja jest procesem korzystnym dla rolnictwa. Wpływa na zatrzymywanie azotu w glebie, który w procesie rozkładu szczątków organicznych (amonifikacji) ulatnia się do atmosfery w postaci amoniaku. Powstające w wyniku reakcji nitryfikacji jony azotanowe, ze względu na niską toksyczność oraz bardzo dobrą przyswajalność, stanowią główne źródło azotu dla roślin wyższych.
Nadmierne gromadzenie się azotanów w glebie oraz w roślinach skutkuje jednak obniżeniem wartości plonów (wyższe dawki azotanów mają działanie toksyczne dla zwierząt i ludzi), zanieczyszczeniem wód gruntowych oraz eutrofizacją (zarastaniem) zbiorników wodnych.
