Nitrifikatsioon

Nitrifikatsioon toimub obligaatsete kemolitoautotroofide vahendusel, protsess on aeroobne. Esimese etapi käigus assimileeritakse süsihappegaas (CO₂) ja ammoniaak (NH₃) oksüdeeritakse nitritiks (NO₂₋) (Nitrosomonas, Nitrosococcus, ensüümiks ammoniaagi monooksügenaas). Teises etapis oksüdeeritakse nitrit nitraadiks (NO₃₋) (Nitrobacter, Nitrococcus, Nitrospira, Nitrospina).
Nitrifikatsioon toimub igal pool, kus moodustub ammoniaak (enamasti orgaanilise aine degradatsioonil). Ammoniaak võib tekkida sellistes keskkondades nagu näiteks pinnas, setted, reovesi ja pinnavesi (k.a ookean). Nitrifikatsioon on oluline komponent lämmastikuringes. Inimtegevuse tagajärjel võib suurenenud nitrifikatsioon pärssida denitrifikatsiooni lämmastikuringes ning nitraat akumuleerub keskkonnas. Nitraadi akumuleerumine reostab põhjavett ja tekitab järvedes eutrofeerumist. Suurenenud nitrifikatsiooni kasutatakse ära reoveepuhastuses, kus on vajalik veest ammoniaagi eemaldamine.

Ajalugu

Nitrifikatsiooni põhjustavaks teguriks peeti 19. sajandi teise pooleni mulda kui katalüsaatorit. Usuti, et NH₃ oksüdatsioon on keemiline reaktsioon, milles muld esineb katalüsaatorina, kuid 1877. aastal viidi läbi katse, mis selle väite ümber lükkas. Eksperimentaalselt tõestati, et nitrifikatsiooni põhjustavaks teguriks on hoopis mulla mikroorganismid.
Katse käigus lasti ühe meetri pikkusest kvartsklaasist, liiva ja aiamulla seguga täidetud torust läbi reovett. Sealjuures oli üks torudest kuumutatud ja toru ainetele oli lisatud antiseptikuid. Teine toru oli lisanditeta ning kuumutamata. Reovett filtreerides leiti, et teises torus, mis oli kuumutamata, vähenes ammoniakaalse lämmastiku sisaldus ning tõusis nitraatide sisaldus. Samal ajal kuumutatud kvartsklaastorus NH₃ oksüdatsiooni ei toimunud. Selle katse raames ei suudetud eraldada nitrifikatsiooni põhjustavaid baktereid, sest mikroobide kasvatamisel kasutati puljongsöödet.
Aastal 1890 kirjeldas vene mikrobioloog ja mullateadlane Sergei Vinogradski nitrifikatsiooni bioloogilist olemust. Ta leidis, et nitrifikaatorid ei kasva orgaanilisi aineid sisaldaval söötmel, sest on autotroofid ning söötme orgaaniliste ainete suhtes väga tundlikud. Kasutades aga mineraalseid söötmeid, suudeti nitrifikaatorid eraldada, rakendades ränihappe baasil valmistatud söötmeid, millele lisati ammooniumsoolasid. Selgus, et mitmed mikroorganismid saavad rakuainete sünteesiks energiat NH₃ oksüdatsioonist nitrititeks, samal ajal teist tüüpi mikroorganismid aga nitritite oksüdatsioonist nitraatideks. Just selle avastusega on Vinogratskist saanud üks esimesi keskkonnamikrobiolooge, sest kirjeldades nitrifikatsiooni läbi viivaid baktereid, leidis ta esimesed teadaolevad kemolitotroofid ehk mikroorganismid, kes saavad energiat keemiliste sidemete energiast, lagundades anorgaanilisi aineid.

Keemiline olemus

Nitrifikatsioon on protsess, mille käigus toimub lämmastikuühendite oksüdatsioon (elektronide ülekanne lämmastiku aatomitelt hapniku aatomitele). Seda läbi viivad bakterid on kõik kemolitoautotroofid, mis tähendab, et nende energiaallikas on keemiline energia ning elektronide doonor on anorgaaniline aine. Vajalik süsinik saadakse süsinikdioksiidist (CO₂) või bikarbonaadist (HCO₃₋).
Kogu nitrifikatsiooni protsessi võib jagada kaheks faasiks.

I faas

Ammoniaaki (NH₃) oksüdeeriv bakter (AOB, tihti nt Nitrosomonas spp) oksüdeerib ammooniumi (NH₄₊) või ammoniaagi (NH₃) nitritiooniks (NO₂₋). I faasi protsessid võib omakorda jagada kolmeks alamprotsessiks:
1)NH₃ + O₂ + 2 H₊ + 2 e- => NH₂OH + H₂O
– ammoniaak oksüdeeritakse hüdroksüülamiiniks (NH2OH) ensüümi monooksügenaas toimel,
2)NH₂OH + H₂O => NO₂₋ + 5H₊ + 4e-
– hüdroksüülamiin oksüdeeritakse nitritiks,
3)½ O₂ + 2 H₊ + 2 e- => H₂O
Hapnik, elektronid ning vaba vesinik konverteeritakse veeks.
Kogureaktsioon Σ: NH₃ + 1.5 O₂ => NO₂₋ + H₊ + H₂O
I faasi käigus võib toimuda keskkonna hapestumine.

II faas

Nitriti oksüdeeriv bakter (NOB, tihti nt Nitrobacter spp) oksüdeerib nitriti nitraadiks (NO₃₋). Protsessi alustamiseks kasutab NOB ensüümi nitriti okidoreduktaas (NOR). II faasi reaktsioone võib jagada kaheks alamprotsessiks:
1)NO₂₋ + H₂O => NO₃₋ + 2 H₊ + 2 e-
–nitrit oksüdeeritakse nitraadiks NOR-ensüümi abil,
2)½ O₂ + 2 H₊ + 2 e- => H₂O
–elektronid, prootonid ning hapnik konverteeritakse veeks.
II faasi võib kokku võtta reaktsiooniga Σ: NO₂₋ + ½ O₂ => NO₃₋.
Liites kokku I ja II faasi reaktsioonid, saab summaarse nitrifikatsiooni reaktsiooni:
NH₃ + 2 O₂ => NO₃₋ + H₊ + H₂O.

Nitrifikatsiooni mikrobioloogia

Nitrifikatsiooni läbi viivad bakterid on kemoautotroofsed või kemolitotroofsed, saades eluks vajaliku energia nitrifikatsioonist. See hõlmab perekondi Nitrosomonas, Nitrosococcus, Nitrobacter ning Nitrococcus. 16 rRNA järjestuse põhjal moodustavad ammoniaaki oksüdeerivad bakterid fülogeneetiliselt sama rühma. Neil on komplekssed sisemised membraansüsteemid, mis on peamiste nitrifikatsiooniensüümide asukohaks. Nendeks on protsessis osalevad ensüümid: ammoniaagi monooksügeneaas (AMO), mis esineb kõigil autotroofsetel ammoniaagioksüdeerijatel ning sarnaneb metaani oksüdeerivatel bakteritel esineva metaani monooksügenaasiga, samuti hüdroksüülalamiini oksüoreduktaas ja nitriti oksidoreduktaas. Sealjuures AMO oksüdeerib ammoniaagi hüdroksüülamiiniks ning nitriti oksidoreduktaas oksüdeerib nitriti nitraadiks.
Nitrifitseerijaid baktereid leidub palju pinnases ja vees, kuid enim kohtades, kus leidub väga palju ammoniaaki. Nii võib olla reoveepuhastites või ulatusliku valgu lagunemisega aladel. Lisaks sellele elavad need bakterid veekogudes, millesse voolaval reo- ja heitveel on suur ammoniaagisisaldus.

Nitrifikatsiooni toimumiseks vajalikud eeldused

• Keskkonnas peab leiduma NH₃
• Keskkonnas on vajalik piisava O₂ juurdepääs ja see peab olema mõõduka happelise reaktsiooniga
• Happelisemate muldade puhul on vajalik lupjamine, õhustamine
• Liigniiskete muldade korral tuleb alandada põhjavee seisu 
• Protsessi kiirus sõltub peamiselt NH₃ oksüdeerumisest nitrititeni, sest selle jaoks vajatakse võrreldes nitrititest nitraatideks muundumisega palju rohkem energiat. Näiteks on nitrifikatsioon aeglane kultuuristamata muldadel, kus N₂-ühendite allikaks on lehekõdu ja oksad, sest selline keskkond on väga halvasti õhustatav.

Heterotroofne nitrifikatsioon

Heterotroofne nitrifikatsioon erineb autotroofsest selle poolest, et nitritit ja nitraati produtseeritakse ainult ammoniaagist ning see toimub tingimustes, mis on autotroofsetele nitrifitseerijatele ebasoodsad. Heterotroofse nitrifikatsiooni käigus ei teki energiat.
Heterotroofsed mikroorganismid vajavad oma kasvuks orgaanilise substraadi oksüdeerimist. Nende hulgas on suuremas osas seened (Aspergillus), kuid on olemas ka mõned bakterid, kes suudavad läbi viia heterotroofset nitrifikatsiooni (Thiosphera pantotropha, Alcaligenes, Arthrobacter). Heterotroofsed mikroorganismid suudavad teha nitrifikatsiooniga samaaegselt ka denitrifikatsiooni.
Võrreldes autotroofidega on heterotroofide biomass suurem. Kuigi heterotoofidest tulenev nitrifikatsioon pole võrreldav oma potentsiaalilt biomassi ühiku kohta autotroofse nitrifitseerimisega, on heterotroofsete mikroorganismide osakaalu suuruse tõttu nende toimiv nitrifikatsioon suure kaaluga. Üldiselt ollakse seisukohal, et looduses on paljudes süsteemides esikohal heterotroofne nitrifikatsioon.
Heterotroofne ammoniaagi oksüdatsioon on sarnane autotroofse ammoniaagi oksüdatsiooniga. Vaheühendiks on samuti hüdroksüülamiin ning oksüdatsiooniks kasutatakse samu ensüüme (ammoniaagi monooksügenaas ja hüdroksüülamiini oksüreduktaas).
NH₃ → NH₂OH → NO₂₋ → NO₃₋
Samuti on teada ka reaktsioonid, mida kasutatakse just seente hulgas ja kus toimub amiinide või amiidide oksüdatsioon.
RNH₂ → RNHOH → R-NO → RNO₃ → NO₃₋

Nitrifikatsiooni kasutamine aktiivmudaprotsessis

Reovee puhastamisel kasutatavad aktiivmudaprotsessid on seotud lämmastiku sidumisega, nitrifikatsiooniga. Nitrifikatsiooni rakendatakse olmereovees süsiniku suhtes liias olevate toitainete – fosfori ja lämmastiku – bioloogilisse protsessi sidumiseks. Selle jaoks kasutatakse aktiivmudatehnoloogias lämmastiku tõhustatud eemaldamiseks nitrifikatsiooni ning denitrifkatsiooni protsesse ehk oksüdeeritakse reovee lämmastikuvormid nitritite abil nitraatideks. Paralleelselt kasutatakse ka denitrifikatsiooni omadusi, kus nitraatide koostises olevat O₂ kasutavad mikroorganismid anoksilises keskkonnas orgaanilise aine oksüdeerimiseks, mille tulemusena N₂ redutseeritakse ning N₂ eraldub atmosfääri gaasilises olekus. Selleks, et puhastusprotsess oleks aktiivmudatehnoloogiat kasutades võimalikult efektiivne, toimub kogu juhtimine automatiseeritult, see hõlmab ka tehnoloogiliste seadmete tööd. Sealjuures on seadmete töörežiimid reovee koostisele ja kogusele ning ilmastikuolude muutusele vastavalt muudetavad.