Denitrifikatsioon

Denitrifikatsioon on nitraadi (NO3-) ja nitriti (NO2-) gaasilisteks oksiidideks redutseerimise protsess, mis toimub mitmes etapis. Protsessi tulemusena tekivad lämmastikoksiid (NO) ja dilämmastikoksiid (N2O), mis võivad hiljem redutseeruda molekulaarseks lämmastikuks (N2). Selles protsessis on elektrondoonoriks orgaaniline aine. Denitrifikatsiooni viivad läbi denitrifitseerivad bakterid. Denitrifikatsioon toimub anoksilistes tingimustes, kus on vähe hapnikku, aga piisavalt nitraati. Selline keskkond on mulla teatud horisontides, põhjavees, märgaladel, nafta reservuaarides, aeglase veevahetusega ookeaniosades ja ookeanipõhja settekihtides. Denitrifitseerijad bakterid vajavad elamiseks hapnikuvaest keskkonda, kus ka orgaanilise süsiniku sisaldus on väike. Denitrifitseerijad on esindatud kõigis peamistes fülogeneetilistes rühmades. Üldiselt on ainult mõned bakteriliigid seotud kogu nitraadi molekulaarseks lämmastikuks redutseerimise protsessiga. Denitrifitseerivad bakterid kasutavad elektronakseptorina hapniku asemel lämmastikoksiidi. Suurem osa neist bakteritest on heterotroofid. Leidub ka autotroofe, kes kasutavad energia saamiseks vesinikku ja süsinikdioksiidi või redutseerivad väävliühendeid. On leitud ka üks fototroofne denitrifitseerivate bakterite grupp. Looduslike keskkondade kõige aktiivsemad denitrifitseerijad võivad olla Pseudomonas perekonda kuuluvad bakterid, sest neid eraldatakse kõige sagedamini nii pinnasest kui ka merelistest setetest. Samas on denitrifitseerimise võime paljudel organismidel, mistõttu pole denitrifitseerija määramine alati nii ühene ja selge. Sellele vaatamata omistatakse suurim denitrifitseerimise osatähtsus just bakteriperekondade Pseudomonas ja Alcaligenes esindajatele. Lisaks heterotroofsele denitrifikatsioonile saavad ka bakterite perekonda Nitrosomonas kuuluvad bakterid väikese hapniku kontsentratsiooniga keskkondades denitrifikatsiooni läbi viia. Nitraadi redutseerimine võib toimuda ka dissimilatoorse nitraadi redutseerimise kaudu, kuid seda esineb vähem kui denitrifikatsiooni. Denitrifiteerivate mikroorganismide nimedes sisaldub nir- (nitraadi redutseerimine) ja nos- (lämmastikoksiidi redutseerimine). Denitrifiteerivad bakterid on näiteks Achomobacter cycloclastes, Agrobacterium radiobacter, Agrobacterium tumefaciens, Alcaligenes faecalis, Alcaligenes eutrophus jne. Peamised denitrifitseerivate bakterite perekonnad on Alcaligenes, Pseudomonas ja Neisseria. Denitrifikatsioon saab toimuda nii merelistes kui ka maismaalistes ökosüsteemides, kui selleks esinevad sobivad tingimused. Tavaliselt toimub denitrifikatsioon hapnikuvaestes tingimustes, sest hapnik on energeetiliselt parem elektronakseptor kui nitraat. Hapnik takistab lämmastikoksiidi reduktaasi isegi pärast hapniku eraldamist veel 40 minutit kuni 3 tundi. Hilisemad reduktaasid on veelgi tundlikumad hapniku kontsentratsioonile. Maapinnas ja setetes sõltub hapniku kontsentratsioon hapniku tarbimise määrast, hapniku difusiooni määrast ning difusiooni geomeetrilisest eripärast. Poorsus soodustab pinnases toimuvat denitrifikatsiooni. Osad poorid on õhuga täidetud, samas kui teised on veega täidetud. Veega täidetud poorides kujuneb enam-vähem anaeroobne keskkond. Kui aeroobne keskkond muutub anaeroobseks, muutub ka absoluutne ja suhteline denitrifikatsiooni reduktaas. Kuni 3 tundi püsib aeroobsele keskkonnale omane olukord ning põhisaadud on molekulaarne lämmastik (N2). Kolme tunni möödudes on denitrifikatsiooni põhiline saadus N2O. Paari päeva pärast N2O reduktaas kasvab ning N2 on jälle põhisaadus. Selliste ruumiliste ja ajaliste eripärade tõttu on maapinna denitrifikatsiooni väga raske uurida. Orgaaniliselt süsinikult saadav elektronide hulk kontrollib olulisel määral heterotroofide aktiivsust. Denitrifitseerimise kiirus on seotud orgaanilise süsiniku kättesaadavusega (nii setetes kui ka maapinnas). Väike NO3- kontsentratsioon kontrollib denitrifikatsiooni protsessi. Kui süsteemi pole hiljuti NO3- lisandunud, pärsib see reduktaasi ja põhjustab N2O vähenemist. Optimaalne vahemik on 7,0–8,0. Jäätmetes võib denitrifikatsioon toimuda kuni pH 11-ni. pH 4,0 juures on peamine saadus N2O. pH 3,5 juures denitrifikatsioon peatub. Langev pH ja tõusev hapniku kontsentratsioon pärsivad denitrifikatsiooni. Enamus denitrifikatsiooni uurimusi on keskendunud pinnasele ning on märgatud temperatuuri mõju. Veesetete puhul mõjutab temperatuur denitrifikatsiooni vähe. Maapinna ja aktiivmuda puhul on denitrifikatsiooni toimumise maksimum 60–75 °C juures ning langeb temperatuuri edasisel tõusmisel järsult. Madalamal temperatuuril väheneb pinnase denitrifikatsioon märgatavalt. Denitrifikatsiooni reduktaasid on mitmete inhibiitorite suhtes tundlikud. Paljude inhibiitorite mehhanismid ei ole selged, eriti nende omad mis mõjutavad metabolismi. Väävel takistab NO ja N2O vähenemist ning on tõenäoliselt nende gaaside kogunemise põhjuseks teatud sulfiidsetes meresetetes. Denitrifakatsioon on osa üldisest lämmastikuringest. See on oluline protsess, kuna eemaldab taimedele kättesaadavat lämmastikku. Ulatusliku denitrifikatsiooni tõttu kaotavad subtroopilised metsad palju lämmastikku. Denitrifikatsiooni tulemusena väheneb lämmastikväetiste kasutamise efektiivsus, sest väetisena lisatud lämmastik muudetakse gaasilisteks ühenditeks, mis mullast lenduvad. Mullast väljalendunud lämmastik on põllumajanduse seisukohast kasutu. Lämmastikväetiste kasutamise tõttu satub vette palju nitraate. Nitraatidest saab vabaneda, kasutades denitrifikatsiooni protsessi. Efektiivselt saab põllumajandus vetes ja sõnnikus sisalduvatest nitraatidest vabaneda ka hakkpuidureaktoreid kasutades. Denitrifikatsioon vähendab nitraadi leostumist põhjavette, seega saab seda kasutada reovees ja loomsetes jäätmetes sisalduva lämmastiku hulga vähendamiseks. Ka anaeroobne ammooniumi oksüdeerimisprotsess (Anammox) aitab vabaneda soovimatutest nitraatidest : NH4+ + NO2-→ N2+ 2 H2O Tavaliselt lisatakse reovette pärast denitrifikatsiooni protsessi süsinikku, et vähendada NO3- N2 muutumist ja tagada denitrifitseerivate bakterite piisav süsinikuga varustatus. Süsiniku lisamise tõttu suureneb aga jääkmuda kogus ning süsihappegaasi emissioon. Reovett saab puhastada, kombineerides Anammoxi protsessi osalise denitrifikatsiooniga. Reovee puhastamine algab nitrifikatsiooniga, millele järgneb denitrifikatsioon, aga see ei ole väga efektiivne protsess, kui reovesi ei sisalda piisavalt orgaanilist süsinikku. Orgaanilise süsiniku lisamise asemel kasutatakse Anammoxi protsessi. Anammoxi esimeses etapis toodetud NO3-N viiakse kokkupuutesse osalise denitrifikatsiooniga ning sellele järgneb teine Anammoxi etapp. Denitrifikatsioon käigus redutseerivad heterotroofsed denitrifitseerivad bakterid NO3-N-i NO2-N-iks. NO2-N eemaldatakse teises Anammoxi etapis. Võrreldes täieliku denitrifikatsiooniga vajab selline kombineeritud protsess vähem orgaanilist süsinikku ning selle tulemusena tekib ka vähem jääkmuda. Sellise kombineeritud protsessi lämmastikuärastus efektiivsus on väga suur. Mikroobid, kes eraldavad reoveest süsiniku ja lämmastiku ühendeid on praktikas väga olulised. Arendatakse tehnoloogiaid, milles katoodil asuvad mikroorganismid kasutavad anoodil teiste mikroorganismide poolt oksüdeeritud atsetaadi elektrone denitrifikatsiooni läbiviimiseks. Denitrifikatsioon toimub järgmiste vaheetappide kaudu: NO3-→NO2-→ NO+N2O→ N2 Denitrifikatsiooni redoksvõrrand: 2NO3-+ 10e- + 12H+→ N2 + 6 H2O Atmosfääri suurenev süsinikdioksiidi kontsentratsioon mõjutab globaalselt aineringet, kuid ei teata veel täpselt, mil määral ja kuidas täpselt. Maapinna ja atmosfääri vahelised keemilised reaktsioonid muutuvad muutunud atmosfääri koostise tõttu. Arvatakse, et suurenenud lämmastikväetiste kasutamise tõttu väheneb süsiniku salvestamine. Linnade ja põllumajanduse heitvesi sisaldab palju lämmastikku. Heitvee kaudu jõuab see lämmastikurikas vesi aga jõgedesse ja ojadesse. Uuringud näitavad, et märkimisväärne osa atmosfääris sisalduvast lämmastikoksiidist pärinebki just sellistest jõgedest ja ojadest. Soojal aastaajal emiteerub N2O peamiselt denitrifikatsiooni tõttu. 25 °C ja 40–50% veega täidetud pooride juures oli 53–56% emiteerunud N2O tekkinud denitrifikatsiooni tulemusena. Madalama pH juures kasvab denitrifikatsiooni käigus tekkinud N2O emissioon veelgi. N2O kiirguslik sund on 300 korda suurem kui CO2-l. Selle kontsentratsioon tõuseb 0,25% aastas. Dilämmastikoksiidi kontsentratsiooni tõusu põhjuseks on lämmastikväetiste massiline kasutamine. Atmosfääri emiteerunud naerugaas reageerib stratosfääri osooniga ning muudab osoonikihti õhemaks. Carlson, C. A., and J. L. Ingraham (1983). "Comparison of denitrification by Pseudomonas stutzeri, Pseudomonas aeruginosa, and Paracoccus denitrificans". {{cite journal}}: viitemall journal nõuab parameetrit |journal= (juhend)CS1 hooldus: kasutab parameetrit autorid (link) R.Knowles (1982). "Denitrification". Originaali arhiivikoopia seisuga 26. august 2021. Vaadatud 6. detsembril 2015. {{cite journal}}: viitemall journal nõuab parameetrit |journal= (juhend); eiran tundmatut parameetrit |Journal=, kasuta parameetrit (|journal=) (juhend)CS1 hooldus: kasutab parameetrit autorid (link) G.Ramanathan, C.Sales, W.Shieh. "Simultaneous autotrophic denitrification and nitrification in a low-oxygen reaction environment". {{cite journal}}: viitemall journal nõuab parameetrit |journal= (juhend); eiran tundmatut parameetrit |Journal=, kasuta parameetrit (|journal=) (juhend); eiran tundmatut parameetrit |Year=, kasuta parameetrit (|year=) (juhend)CS1 hooldus: kasutab parameetrit autorid (link) W.Zumft (1997). "Cell biology and molecular basis of denitrification". {{cite journal}}: viitemall journal nõuab parameetrit |journal= (juhend)CS1 hooldus: kasutab parameetrit autorid (link) Seitzinger, S., J. A. Harrison, J. K. Bohlke, A. F. Bouwman, R. Lowrance, B. Peterson, C. Tobias, and G. V. Drecht (2006). "Denitrification Across Landscapes and Waterscape". {{cite journal}}: viitemall journal nõuab parameetrit |journal= (juhend)CS1 hooldus: kasutab parameetrit autorid (link) "Microbial denitrication dominates nitrate losses from forest ecosystems". {{cite journal}}: viitemall journal nõuab parameetrit |journal= (juhend) J.Zhu, J.Mulder, L. Bakken et al. (2013). "The importance of denitrification for N2O emissions frem an N-saturated forest in SW China:results from in situ 15N labeling experiments". Biochemistry. {{cite journal}}: et al.-i üleliigne kasutus kohas: |authors= (juhend)CS1 hooldus: kasutab parameetrit autorid (link) Dalsgaard, T., B. Thamdrup, and D. E. Canfield (2005). "Anaerobic ammonium oxidation (anammox) in the marine environment". {{cite journal}}: viitemall journal nõuab parameetrit |journal= (juhend)CS1 hooldus: kasutab parameetrit autorid (link) R.Du,Y.Peng, S.Cao et al. (2015). "Advanced nitrogen removal from wastewater by combining anammox with partial denitrification". {{cite journal}}: viitemall journal nõuab parameetrit |journal= (juhend); et al.-i üleliigne kasutus kohas: |authors= (juhend)CS1 hooldus: kasutab parameetrit autorid (link) P.Clauwaert, K. Rabaey, P. Aelterman et al. (2007). "Biological Denitrification in Microbial Fuel Cells". Environmental Science & Technology. {{cite journal}}: et al.-i üleliigne kasutus kohas: |authors= (juhend)CS1 hooldus: kasutab parameetrit autorid (link) T.R.Sinclair (1992). "Mineral Nutrition and Plant Growth Response to Climate Change". {{cite journal}}: viitemall journal nõuab parameetrit |journal= (juhend)CS1 hooldus: kasutab parameetrit autorid (link) C. Rosenzweig, and D. Hillel (2000). "Soils and Global Climate Change: Challenges and Opportunities". {{cite journal}}: viitemall journal nõuab parameetrit |journal= (juhend)CS1 hooldus: kasutab parameetrit autorid (link) Y. Fang, K. Koba, A. Makabe, C. Takahashi, W. Zhu, T. Hayashi et al. "Microbial denitrification dominates nitrate losses from forest ecosystems". {{cite journal}}: viitemall journal nõuab parameetrit |journal= (juhend); et al.-i üleliigne kasutus kohas: |authors= (juhend)CS1 hooldus: kasutab parameetrit autorid (link) N. Morley, D. Richardson, and E.M. Baggs. "Substrate Induced Denitrification over or under Estimates Shifts in Soil N2: Discovery Service for Tartu University". {{cite journal}}: viitemall journal nõuab parameetrit |journal= (juhend)CS1 hooldus: kasutab parameetrit autorid (link)