6.3.2 Нитрификация

Нитрификация – процесс окисления аммиака до азотистой, а затем азотной кислоты. Процесс в природе происходит в две фазы, каждая из которых осуществляется специфическими группами бактерий. Первая фаза нитрификации – окисление аммонийных солей до солей азотистой кислоты (нитритов) осуществляется нитритными бактериями – представителями родов Nitrosomonas, Nitrosocystis, Nitrosospira, Nitrosovibrio, Nitrosolobus:

2 NH₃ + 3 О₂ → 2 НNO₂ + H₂O + Эн. (148 ккал)

Вторая фаза нитрификации – окисление нитритов в нитраты осуществляется нитратными бактериями – представителями родов Nitrobacter, Nitrococcus, Nitrospira:

2 НNO₂ + О₂ → 2 НNO₃ + Эн. (48 ккал)

Нитрифицирующие бактерии открыл в 1889 г. С.Н. Виноградский. В настоящее время они объединены в семейство Nitrobacteriaceae. Это грамотрицательные микроорганизмы, облигатные аэробы или микроаэрофилы. Большинство их являются облигатными автотрофами, которые при наличии органических веществ не размножаются. Лишь некоторые из них включают в состав своих клеток углерод отдельных органических соединений (глюкозы, аминокислот). Основным источником углерода для нитрифицирующих бактерий является СО₂ воздуха, а энергия поступает в результате окисления аммиака.

Нитрификация происходит в почвах, озерах, морях, океанах. Она имеет как положительное значение, являясь важным этапом в круговороте азота в природе, так и отрицательное - может привести к обеднению почв азотом в результате вымывания нитратов. С целью регуляции этого процесса вносят препараты, ингибирующие нитрификацию.

Образовавшиеся при нитрификации нитраты подвергаются в почве дальнейшим превращениям: 1) они могут быть использованы высшими растениями; 2) могут вымываться в водоемы; 3) закрепляться в клетках микроорганизмов, которые используют нитраты в качестве источника азота; 4) восстанавливаться микроорганизмами до молекулярного азота и аммиака.

6.3.3 Денитрификация

Денитрификация – это восстановление, в результате которого азот переходит в менее окисленную форму, чем в нитратах. При денитрификации происходит восстановление нитратов до нитритов и далее до молекулярного азота:

NO₃^- → NO₂^- → NO → N₂O → N₂

Этот перенос приводит к потере определенного количества почвенного азота и возврату его в атмосферу. В зависимости от того, какие микроорганизмы принимают участие6 в процессе денитрификации, различают прямую и косвенную денитрификацию.

Прямая денитрификация осуществляется непосредственно микроорганизмами, способными восстанавливать нитраты, используя их в качестве акцептора водорода при окислении ими органических веществ. Способностью к прямой денитрификации обладают многие почвенные микроорганизмы. Наиболее активными среди них являются бактерии рода Micrococcus (M. deni-trificans), некоторые бациллы.

Микроорганизмы-денитрификаторы имеют две ферментные системы денитрификации: цитохромную (диссимиляционную) и флавопротеидную (ассимиляционную). Наличие этих систем обеспечивает два пути восстановления нитратов: ассимиляционный (неспецифический) и диссимиляционный (специфический).

Ассимиляционная денитрификация приводит к образованию аммиака, который ассимилируется организмом и включается в метаболизм. Нитраты здесь используются как источники азота. Диссимиляционная денитрификация осуществляется микроорганизмами для получения энергии и ее конечным продуктом является молекулярный азот.

4Н гидроксиламин Н₂ Ассимиляционная

→ NН₂OH → NH₃ + Н₂O денитрификация

Н₂ Н₂ ∕

NO₃ → NO₂ → NO

\ - Н₂О Н₂ Диссимиляционная

нитрат нитрит оксид → N₂O → N₂ + Н₂O денитрификация

азота (II) оксид

азота (I)

Большинство денитрификаторов хемоорганотрофы. Использование в качестве конечного акцептора электронов нитратов позволяет им окислять органические субстраты до СО₂ и воды. Однако есть один вид денитрификаторов, который способен усваивать СО₂ воздуха. Это Thiobacillus denitrificans. В отсутствие органических соединений он окисляет серу до серной кислоты за счет кислорода нитратов и полученную энергию использует для синтеза органических соединений из СО₂ воздуха.

Денитрифицирующие бактерии – факультативные анаэробы, переключающиеся на денитрификацию только в отсутствие кислорода. В аэробных условиях эти микроорганизмы окисляют органические вещества. В клетках денитрификаторов есть ферментная система, активизирующая кислород нитратов – нитратаза, и система, активизирующая молекулярный кислород. В анаэробных условиях функционирует первая ферментная система, в аэробных – вторая.

Косвенная денитрификация – чисто химический процесс, реакция восстановления, происходящая при взаимодействии нитратов с аминосоединениями, которые образуются в процессе жизнедеятельности различных микроорганизмов. В результате таких реакций тоже образуется молекулярный азот:

НNO₂ + R-CHNH₂COOH → R-CHOHCOOH + N₂ + Н₂O

Микроорганизмам в этой реакции принадлежит косвенная роль, они образуют исходные продукты реакции – нитриты и аминосоединения.

Косвенная денитрификация имеет место только в кислой среде и значение ее невелико, так как окультуренные почвы не кислые. Более распространена в природе прямая денитрификация. В целом же денитрификация - широко распространенный процесс, в результате которого в атмосферу ежегодно поступает свыше 300млн. т азота. Особенно активно денитрификация протекает в ризосфере растений, где имеются органические вещества.

Денитрификации способствует слабая аэрация, высокая влажность, наличие достаточного количества органических соединений.

Денитрификацию не следует рассматривать как процесс, всегда приводящий к уменьшению азота в почве. Обычно в почве этот процесс до конца не доходит, так как растения усваивают образующиеся промежуточные продукты, возвращая их в круговорот. В настоящее время установлена даже положительная роль денитрификаторов в ризосфере растений, так как они способны кроме денитрификации одновременно осуществлять синтез веществ, стимулирующих рост растений.