نیتریفیکاسیون و دنیتریفیکاسیون

نیتریفیکاسیون چیست؟

فرآیند نیتریفیکاسیون (Nitrification) شامل اکسیداسیون میکروبی چند مرحله ای آمونیاک و یا آمونیوم به هیدورکسیل آمین، نیترات و نیتریت است. این فرآیند در دو مرحله توسط باکتری های ویژه با استفاده از آنزیم های معرفی شده در واکنشهای زیر به وقوع می پیوندد:

نیتریفیکاسیون یک فرایند بیولوژیکی است که طی آن نیتروژن عنصری (N2) موجود در هوا به نیترات (NO3-) تبدیل می‌شود. این فرایند توسط دو گروه از باکتری‌های هوازی به نام‌های آزوتوسوموبات و نیترو باکتری‌ها انجام می‌شود.

آزوتوسوموبات نیتروژن عنصری را به آمونیاک (NH3) تبدیل می‌کنند. این فرایند به عنوان مرحله آمونیاک‌ سازی شناخته می‌شود. نیترو باکتری‌ها سپس آمونیاک را به نیترات تبدیل می‌کنند. این فرایند به عنوان مرحله نیترات‌ سازی شناخته می‌شود.

نیتریفیکاسیون یک فرایند مهم در چرخه نیتروژن است. این فرایند باعث می‌شود نیتروژن عنصری موجود در هوا برای گیاهان قابل استفاده شود. گیاهان از نیترات برای تولید پروتئین، DNA و سایر ترکیبات نیتروژن‌دار استفاده می‌کنند.

نیتریفیکاسیون در محیط‌های مختلف مانند خاک، آب و فاضلاب رخ می‌دهد. در خاک، نیتریفیکاسیون توسط باکتری‌های موجود در سطح خاک انجام می‌شود. در آب، نیتریفیکاسیون توسط باکتری‌های موجود در رودخانه‌ها، دریاچه‌ها و اقیانوس‌ها انجام می‌شود. در فاضلاب، نیتریفیکاسیون توسط باکتری‌های موجود در تصفیه‌خانه‌های فاضلاب انجام می‌شود.

نیتریفیکاسیون فرایندی ضروری برای زندگی است. این فرایند باعث می‌شود نیتروژن عنصری موجود در هوا برای گیاهان قابل استفاده شود. گیاهان از نیترات برای تولید پروتئین، DNA و سایر ترکیبات نیتروژن‌دار استفاده می‌کنند.

باکتری های نیترات ساز کدامند؟

باکتری های نیترات ساز، باکتری هایی هستند که قادر به تبدیل آمونیوم به نیترات هستند. این فرایند، نیتریفیکاسیون نامیده می شود و یکی از مراحل مهم چرخه نیتروژن است. باکتری های نیترات ساز دو گروه اصلی هستند:

• باکتری های اکسید کننده آمونیوم (AOB): این باکتری ها، آمونیوم را به نیتریت تبدیل می کنند.
• باکتری های اکسید کننده نیتریت (NOB): این باکتری ها، نیتریت را به نیترات تبدیل می کنند.

برخی از گونه های مهم باکتری های نیترات ساز عبارتند از:

• باکتری نیتروزوموناس (Nitrosomonas): این باکتری، گونه ای از AOB است که آمونیوم را به نیتریت تبدیل می کند.
• باکتری نیتروباکتر (Nitrobacter): این باکتری، گونه ای از NOB است که نیتریت را به نیترات تبدیل می کند.
• باکتری نیتروکوکوس (Nitrococcus): این باکتری، گونه ای از NOB است که نیتریت را به نیترات تبدیل می کند.

باکتری های نیترات ساز معمولاً در خاک، آب و محیط های جوی یافت می شوند. آنها در شرایط هوازی رشد می کنند و به مواد مغذی مانند کربن، نیتروژن و فسفر نیاز دارند.

نیترات سازی یک فرایند مهم در چرخه نیتروژن است. این فرایند، نیتروژن را از شکل غیرقابل استفاده برای گیاهان به شکل قابل استفاده تبدیل می کند. نیترات، منبع اصلی نیتروژن برای گیاهان است و برای رشد و نمو آنها ضروری است.

با این حال، نیترات سازی می تواند منجر به آلودگی محیط زیست نیز شود. نیترات می تواند از طریق آبشویی به آب های زیرزمینی و سطحی نفوذ کند و باعث آلودگی آنها شود. نیترات همچنین می تواند توسط گیاهان جذب شود و در بدن انسان و حیوانات تجمع پیدا کند و باعث مشکلات سلامتی شود.

عوامل موثر در سرعت نیتریفیکاسیون

عوامل مختلفی بر سرعت نیتریفیکاسیون تأثیر می‌گذارند. این عوامل عبارتند از:

در ادامه به بررسی هر یک از این عوامل می‌پردازیم:

1. دمای خاک یا آب: دمای خاک یا آب یکی از عوامل مهم تأثیرگذار بر سرعت نیتریفیکاسیون است. نیتریفیکاسیون در دماهای بالاتر سریع‌تر انجام می‌شود. دمای مطلوب برای نیتریفیکاسیون بین 20 تا 30 درجه سانتیگراد است. در دماهای پایین‌تر، فعالیت باکتری‌های نیتریفیکاتور کاهش می‌یابد و در دماهای بالاتر، باکتری‌ها از بین می‌روند.
2. pH خاک یا آب: pH خاک یا آب نیز بر سرعت نیتریفیکاسیون تأثیر می‌گذارد. نیتریفیکاسیون در pH خنثی (7) سریع‌تر انجام می‌شود. pH مطلوب برای نیتریفیکاسیون بین 6 تا 8 است. در pH کمتر از 6، فعالیت باکتری‌های نیتریفیکاتور کاهش می‌یابد و در pH بیشتر از 8، باکتری‌ها از بین می‌روند.
3. وجود مواد مغذی: نیتریفیکاسیون به حضور مواد مغذی مانند کربن، فسفر و پتاسیم نیاز دارد. کربن برای تولید انرژی توسط باکتری‌های نیتریفیکاتور مورد نیاز است. فسفر برای رشد و تکثیر باکتری‌های نیتریفیکاتور مورد نیاز است. پتاسیم برای حفظ ساختار غشای سلولی باکتری‌های نیتریفیکاتور مورد نیاز است.
4. وجود اکسیژن: نیتریفیکاسیون یک فرایند هوازی است و به حضور اکسیژن نیاز دارد. در نبود اکسیژن، باکتری‌های نیتریفیکاتور نمی‌توانند فعالیت کنند.

عوامل محیطی ذکر شده می‌توانند بر سرعت نیتریفیکاسیون تأثیر بگذارند. کنترل این عوامل می‌تواند به بهبود سرعت نیتریفیکاسیون و در نتیجه افزایش عملکرد فرایندهای تصفیه کمک کند.

کاربردهای نیتریفیکاسیون

نیتریفیکاسیون فرایندی مهم در کشاورزی است. این فرایند باعث افزایش حاصلخیزی خاک و افزایش تولید محصولات کشاورزی می‌شود. نیتریفیکاسیون همچنین در تصفیه آب و فاضلاب نیز کاربرد دارد.

در ادامه به برخی از کاربردهای نیتریفیکاسیون اشاره می‌شود:

• کشاورزی: نیتریفیکاسیون باعث افزایش حاصلخیزی خاک و افزایش تولید محصولات کشاورزی می‌شود.
• تصفیه آب: نیتریفیکاسیون برای حذف آمونیاک از آب آشامیدنی و فاضلاب استفاده می‌شود.
• صنعت: نیتریفیکاسیون برای تولید کودهای شیمیایی، مواد منفجره و داروها استفاده می‌شود.
• محیط زیست: نیتریفیکاسیون باعث کاهش انتشار گازهای گلخانه‌ای مانند اکسید نیتروژن می‌شود.

باکتری های عامل نیتریفیکاسیون مانند باکتری های معمول دیگر موجود در فاضلاب نیستند. اغلب این باکتری ها، بر خلاف باکتری های هتروتروفیک، مواد آلی محلول را مصرف نمی کنند. در مقابل نیاز به دی اکسید کربن و هیدروژن کربنات دارند. این ترکیبات تنها منبع تامین کربن اینگونه باکتریهای هستند. آمونیوم و نیتریت منابع انرژی این باکتریها هستند. انرژی بیوشیمیایی حاصل از اکسیداسیون این مواد در وهله اول برای رشد سلول مورد استفاده قرار می گیرند. لذا می توان گفت که این باکتری ها با استفاده از مواد معدنی تولید بیومس می کنند ولی بر خلاف گیاهان سبز از انرژی اکسیداسیون (آمونیوم) استفاده می کنند.

این نوع میکرواورگانیسم ها را لیتواتروفیک و یا شیمیولیتواتوتروفیک می نامند. بخش کوچکی از آمونیوم نیز به عنوان منبع ازت برای رشد سلولی باکتری مورد استفاده قرار می گیرد. معمولا مقدار ازت موجود در ماده خشک برابر حدودا 11 درصد است. واکنش اکسیداسیون آمونیوم توسط باکتری های نیترات ساز انجام می شود. محصول میانه حاصل یعنی نیتریت توسط باکتری های دیگری تبدیل می شود.

دنیتریفیکاسیون چیست؟

دنیتریفیکاسیون یک فرایند بیولوژیکی است که طی آن نیترات (NO3-) به گاز نیتروژن (N2) تبدیل می‌شود. این فرایند توسط گروهی از باکتری‌های بی‌هوازی به نام‌های دنیتریفیکاتورها انجام می‌شود.

دنیتریفیکاتورها نیترات را به عنوان منبع الکترون استفاده می‌کنند. در این فرایند، نیترات به نیتریت (NO2-) و سپس به گازهای نیتروژن مانند اکسید نیتروژن (NO) و دی اکسید نیتروژن (NO2) تبدیل می‌شود. در نهایت، این گازها به گاز نیتروژن تبدیل می‌شوند.

دنیتریفیکاسیون یک فرایند مهم در چرخه نیتروژن است. این فرایند باعث می‌شود نیتروژن از محیط زیست بازیابی شود و دوباره برای استفاده گیاهان و سایر موجودات زنده قابل دسترس شود.

دنیتریفیکاسیون در محیط‌های مختلف مانند خاک، آب و فاضلاب رخ می‌دهد. در خاک، دنیتریفیکاسیون توسط باکتری‌های موجود در لایه‌های پایینی خاک انجام می‌شود. در آب، دنیتریفیکیکاسیون توسط باکتری‌های موجود در اعماق آب انجام می‌شود. در فاضلاب، دنیتریفیکاسیون توسط باکتری‌های موجود در تصفیه‌خانه‌های فاضلاب انجام می‌شود.

دنیتریفیکاسیون فرایندی ضروری برای زندگی است. این فرایند باعث می‌شود نیتروژن از محیط زیست بازیابی شود و دوباره برای استفاده گیاهان و سایر موجودات زنده قابل دسترس شود.

کاربردهای دنیتریفیکاسیون

همانند نیتریفیکاسیون، دنیتریفیکاسیون نیز فرایندی مهم در کشاورزی است. این فرایند باعث کاهش آلودگی ناشی از نیترات در خاک و آب می‌شود. دنیتریفیکاسیون همچنین در تصفیه آب و فاضلاب نیز کاربرد دارد.

در ادامه به برخی از کاربردهای دنیتریفیکاسیون اشاره می‌شود:

• کشاورزی: دنیتریفیکاسیون باعث کاهش آلودگی ناشی از نیترات در خاک و آب می‌شود.
• تصفیه آب: دنیتریفیکاسیون برای حذف نیترات از آب آشامیدنی و فاضلاب استفاده می‌شود.
• صنعت: دنیتریفیکاسیون برای تولید کودهای شیمیایی، مواد منفجره و داروها استفاده می‌شود.
• محیط زیست: دنیتریفیکاسیون باعث کاهش انتشار گازهای گلخانه‌ای مانند اکسید نیتروژن می‌شود.

نیتریفیکاسیون و دنیتریفیکاسیون دو فرایند مهم در چرخه نیتروژن هستند. نیتریفیکاسیون باعث تبدیل نیتروژن عنصری (N2) موجود در هوا به نیترات (NO3-) می‌شود. دنیتریفیکاسیون باعث تبدیل نیترات (NO3-) به گاز نیتروژن (N2) می‌شود.

تفاوت اصلی بین این دو فرایند در این است که نیتریفیکاسیون یک فرایند هوازی است و به حضور اکسیژن نیاز دارد. در حالی که دنیتریفیکاسیون یک فرایند بی‌هوازی است و به عدم وجود اکسیژن نیاز دارد.

تفاوت دیگر این دو فرایند در این است که نیتریفیکاسیون توسط باکتری‌های هوازی انجام می‌شود. در حالی که دنیتریفیکاسیون توسط باکتری‌های بی‌هوازی انجام می‌شود.

نیتریفیکاسیون در تصفیه فاضلاب چگونه کمک میکند؟

نیتریفیکاسیون یک فرایند مهم در تصفیه فاضلاب است. این فرایند باعث حذف آمونیاک از فاضلاب می‌شود. آمونیاک یک ماده سمی است که می‌تواند برای سلامت انسان و محیط زیست مضر باشد. در فرایند نیتریفیکاسیون، باکتری‌های هوازی آمونیاک را به نیتریت و سپس به نیترات تبدیل می‌کنند. نیتریت و نیترات مواد سمی نیستند و به راحتی توسط گیاهان جذب می‌شوند.

نیتریفیکاسیون در تصفیه فاضلاب به روش‌های مختلفی انجام می‌شود. یکی از روش‌های متداول استفاده از راکتور هوادهی است. در این روش، فاضلاب با هوا مخلوط می‌شود تا اکسیژن کافی برای رشد باکتری‌های نیتریفیکاتور فراهم شود.

روش دیگر استفاده از بستر رشد ثابت است. در این روش، فاضلاب از روی یک بستر رشد ثابت عبور می‌کند که باکتری‌های نیتریفیکاتور روی آن رشد می‌کنند.

نیتریفیکاسیون یک فرایند ضروری در تصفیه فاضلاب است. این فرایند باعث بهبود کیفیت فاضلاب تصفیه شده و کاهش خطر آلودگی آب‌های محیط زیست می‌شود.

در ادامه به برخی از مزایای نیتریفیکاسیون در تصفیه فاضلاب اشاره می‌شود:

• حذف آمونیاک: نیتریفیکاسیون باعث حذف آمونیاک از فاضلاب می‌شود. آمونیاک یک ماده سمی است که می‌تواند برای سلامت انسان و محیط زیست مضر باشد.
• کاهش BOD: نیتریفیکاسیون باعث کاهش BOD فاضلاب می‌شود. BOD نشان‌دهنده میزان مواد آلی موجود در فاضلاب است. کاهش BOD باعث بهبود کیفیت فاضلاب تصفیه شده می‌شود.
• کاهش خطر اتروفیکاسیون: اتروفیکاسیون یک فرایند است که در آن آب‌های سطحی به دلیل وجود مواد مغذی بیش از حد دچار رشد بیش از حد جلبک‌ها و گیاهان می‌شوند. نیتریفیکاسیون باعث کاهش غلظت نیترات در آب‌های محیط زیست می‌شود و در نتیجه خطر اتروفیکاسیون را کاهش می‌دهد.