Денитрификация почти не идет при созревании навоза

Обновлено: 07.07.2024

Аннотация научной статьи по промышленным биотехнологиям, автор научной работы — Авдеенков Павел Павлович, Чистяков Николай Егорович

Биологическая очистка является основным барьером для биологических загрязнений. Проанализировать её работу можно только по ферментативным системам. Раньше очистные сооружения строились без учета удаления биогенных элементов. В настоящее время, если и предусмотрена очистка от биогенных элементов, то нормы для сброса в хозяйственно-питьевые водоемы не выполняются. Удаление биогенных элементов это чисто биохимический процесс. Для его понимания, возможности регулирования и контролирования необходимы знания в биохимии микроорганизмов.

DENITRIFICATION MECHANISM

Biological treatment is a major barrier to biological contamination. It is possible to analyze its work only on enzymatic systems. Previously, wastewater treatment plants were built without regard to the removal of nutrients. At present, if it is provided for purification from biogenic elements, the norms for discharge into drinking-water reservoirs are not fulfilled. Removal of biogenic elements is a purely biochemical process. To understand it, the ability to regulate and control the necessary knowledge in the biochemistry of microorganisms.

1Авдеенков Павел Павлович - магистрант;

2Чистяков Николай Егорович - доцент, кафедра водоснабжения и водоотведения, Самарский государственный технический университет Академия строительства и архитектуры, г. Самара

Аннотация: биологическая очистка является основным барьером для биологических загрязнений. Проанализировать её работу можно только по ферментативным системам. Раньше очистные сооружения строились без учета удаления биогенных элементов. В настоящее время, если и предусмотрена очистка от биогенных элементов, то нормы для сброса в хозяйственно-питьевые водоемы не выполняются. Удаление биогенных элементов - это чисто биохимический процесс. Для его понимания, возможности регулирования и контролирования необходимы знания в биохимии микроорганизмов. Ключевые слова: денитрификация, ферменты, прокариоты.

DENITRIFICATION MECHANISM Avdeenkov P.P.1, Chistyakov N.E.2

1Avdeenkov Pavel Pavlovich - Graduate Student;

2Chistyakov Nikolay Egorovich - Assistant Professor, DEPARTMENT OF WATER SUPPLY AND SEWAGE, SAMARA STATE TECHNICAL UNIVERSITY ACADEMY OF CIVIL ENGINEERING AND ARCHITECTURE, SAMARA

Abstract: biological treatment is a major barrier to biological contamination. It is possible to analyze its work only on enzymatic systems. Previously, wastewater treatment plants were built without regard to the removal of nutrients. At present, if it is provided for purification from biogenic elements, the norms for discharge into drinking-water reservoirs are not fulfilled. Removal of biogenic elements is a purely biochemical process. To understand it, the ability to regulate and control the necessary knowledge in the biochemistry of microorganisms. Keywords: denitrification, enzymes, prokaryotes.

Поглощение и усвоение азота прокариотами

Бактерии этих родов относятся по типу питания к хемолитоавтотрофам, обладающим уникальным образом жизни, свойственным только прокариотам. Такой тип питания заключается в использовании восстановленных неорганических соединений и путём окисления получают энергию и электроны, которые используются для синтеза из диоксида углерода органических веществ, необходимых для строительства клетки.

В природных условиях нитрифицирующие бактерии ассимилируют аммиак, который не использовали другие организмы. Поэтому на интенсивность нитрификации влияет соотношение содержания углерода и азота в среде. При избытке органических веществ аммиак расходуется конкурентами нитрификаторов в конструктивном обмене. Гетеротрофные микроорганизмы усиленно поглощают кислород, необходимый нитрифицирующим бактериям. В результате минерализации органических веществ накапливается аммиак, создаются благоприятные условия для развития Nitrosomonas, Nitrobacter начинает развиваться только после окисления избытка аммиака [4, с. 435].

Внешняя мембрана бактериальной стенки состоит из полисахаридов. Полисахаридные цепи соединены пептидными мостиками. Основной полисахарид - пептидогликан (муреин), образует сетчатый мешок. Муреин может растягиваться и сжиматься, что делает стенку эластичной, играющей роль в поддержании осматического давления. Проникать через пептидогликановый мешок могут только молекулы очень незначительных размеров, например вода. Для переноса внутрь клетки молекул больших размеров существуют специальные гидролазы муреина, ферменты специального назначения, которые локально расширяют отверстия для прохода больших молекул. Для транспорта аммиака внутрь клетки, через её внешнюю мембрану существует фермент - транслоказа Си2+ (транслоказа содержащая медь), она называется: Ь-Аспартат:2-оксоглутарат-аминотрансфераза. Код химической классификации: ( КФ 2.6.1.1.). Одним концом транслоказа прикрепляется к внутренней поверхности муреиновой стенки, а второй конец (комплементарный), через отверстие, выходит во внешнее пространство, где улавливает молекулы аммиака и втягивает их через муреиновую перегородку внутрь стенки клетки.

Эта фаза может быть обозначена в виде следующего процесса:

ЫН4+ + 1,502 ^ Ы02 + Н20 + 2Н+; ДG = -270 кДж/моль (1) ЫН4+ переносится через ЦПМ (цито-плазматическая мембрана) с помощью фермента -медьсодержащей транслоказы и в межмембранном пространстве передается соответствующим транспортным белкам, переносящим аммиак на внутреннюю поверхность ЦПМ, где происходит его окисление. При окислении аммиака до нитрита атом азота теряет 6 электронов. Часть из этих электронов выводится из клетки и поступает на формирование электронно-транспортной системы. На первом этапе монооксигеназа катализирует присоединение к молекуле аммиака одного атома О2 в результате чего аммиак окисляется до гидроксиламина. Второй атом О2 взаимодействует с НАДН2 , что приводит к образованию Н2О по следующей схеме:

МН3 + 02 + НАД-Н2 ^ ЫН20Н + Н20 + НАД (2) Гидроксиламин далее ферментативно окисляется до нитрита по схеме:

ЫН20Н + 02 ^ Ы02 + Н20 + Н+ (3) Электроны от ЫН20Н поступают в дыхательную цепь на уровне цитохрома С и далее на терминальную оксидазу. Их транспорт сопровождается переносом двух протонов через мембрану, приводящим к созданию протонного градиента, энергия которого тратится на синтез АТФ [8, с.53].

Нитрогеназа играет главную роль в цепи ферментативных реакций, которые являются биологическим процессом восстановления азота. Активный центр этого фермента состоит из комплекса двух белков, содержащих железо, серу и молибден в соотношении

Ев : : Мо = 6 : 8:1. Выделена также ванадийсодержашая нитрогеназа, уровень активности которой на 30% ниже, чем у Мо-нитрогеназы.

Растворенный в воде азот поступает в азотфиксирующий центр, где в его активации участвуют два атома молибдена. Молибден, после взаимодействия с азотом, восстанавливается за счет электронов, поступающих в активный центр через Мо-Ев-белок и Ев-белок. Этот перенос идет с затратой энергии, т.е. сопряжен с реакцией разложения АТФ. Железосодержащий водорастворимый белок - фермент ферредоксин участвует в передаче электронов нитрогеназе, фермент гидрогеназа в активации водорода воды и переносе протонов.

Образование нитрогеназы у бактерий обусловлено наличием особых т^генов, содержащихся или в ядерной ДНК или в плазмиде, ответственной за синтез этих специфических ферментных белков.

Конечными акцепторами электронов при нитратном дыхании являются нитраты (N03) или нитриты (N02). Результатом нитратного дыхания является восстановление или до газообразных продуктов (N0, N0 или ^).Следует отметить, что к денитрификации (как, впрочем, и некоторым другим процессам азотного цикла) способны только бактерии, у эукариот эти реакции не происходят [2, с. 138].

Денитрифицирующие бактерии - гетеротрофные организмы, использующие в качестве окислительных эквивалентов - растворенный кислород, нитриты или нитраты, а в качестве источника углерода органические соединения. В аэробных условиях денитрификаторы в первую очередь используют растворенный кислород для окисления соединений как более энергетически выгодный путь, и только при его недостатке более интенсивно восстанавливают нитраты, поэтому в присутствии кислорода денитрификация протекает медленно. В отсутствие кислорода денитрификация в сооружениях очистки сточных вод протекает быстро, поскольку это способ анаэробного дыхания бактерий-денитрификаторов, хотя он часто лимитируется недостатком доступного углеродного субстрата, необходимого для восстановления нитрата. Эффективность денитрификации зависит от источника и концентрации, соотношения количества органического углерода и нитратов, содержания нитратов, нитритов, рН, концентрации кислорода, окислительно-восстановительного потенциала, наличия токсичных веществ, температуры воды содержания солей. Эти факторы неодинаково влияют на скорость отдельных восстановительных процессов, в результате чего конечные и промежуточные продукты денитрификации имеют различный состав. Источником органического углерода при денитрификации могут быть любые легкоокисляемые органические соединения (спирты, углеводы, органические кислоты, продукты распада белков, активный ил, отходы производства гидролизного спирта и т.п.). Денитрифицирующие бактерии не образуют целлюлолитических и протеолитических ферментов, поэтому они не расщепляют целлюлозу, белки и другие природные полимеры [2, с. 211-212].

У истинных денитрификаторов нитрат последовательно восстанавливается через нитрит до газообразной закиси азота и молекулярного азота N2 по схеме:

Первый этап: восстановление нитрата до нитрита, катализируют молибденсодержащие ферменты нитратратредуктазы:

N03 + 2е- + 2Н+ ^ N0-2 + Н20

Второй этап: восстановление нитрита до оксида азота, катализируют нитритредуктазы:

N02 + е- + Н+ ^ N0 + ОН-

Третий этап: катализируют редуктазы оксида азота, восстановление нитрита до оксида азота.

2N0 + 2е- + 2Н+ ^ N20 + Н20

Четвертый этап: катализируют редуктазы закиси азота, восстановление закиси азота в молекулярный азот.:

N2O + 2е- + 2H+ ^ N2 + H2O

Общую реакцию нитратного дыхания, где конечным акцептором электронов - нитраты, а окисляемым субстратом является глюкоза, можно записать следующим образом:

C6H12O6 + 4 NO' 3 ^ 6CO2 + 6H2O + 2N2 + х (кДж)

К нитратному дыханию способное большое число родов бактерий, При этом первый этап — переход нитратов в нитриты — способны осуществлять разнообразные микроорганизмы, в том числе и эукариоты — водоросли, дрожжи и грибы. Полную денитрификацию до молекулярного азота проводят только прокариоты. Большинство из них— факультативно анаэробные хемоорганотрофы многих родов, использующие нитраты как окислители органических субстратов. При этом последние окисляются до С02 и Н20, как и в акте кислородного дыхания, а азот теряется в газообразных формах [5, с. 194].

Список литературы /References

1. Прикладная экобиотехнология. [Электронный ресурс]: учебное пособие: в 2 т. Т. 1 / А.Е. Кузнецов [и др.]. 2-е изд. (эл.). М. БИНОМ. Лаборатория знаний, 2012. 629 с.: ил. [4] с. цв. вкл. (Учебник для высшей школы).

2. Лысак В.В. Микробиология: учеб. пособие / В.В. Лысак. Минск: БГУ, 2007. 426 с.

4. Кузнецов А.Е., Градова Н.Б. Научные основы экобиотехнологии. М.: Мир, 2006. 504 с.

5. Звягинцев Д.Г., Бабьева И.П., Зенова Г.М. Биология почв: Учебник. 3-е изд., испр. и доп. М.: Изд-во МГУ, 2005. 445 с., илл. (Классический университетский учебник).

6. Чурбанова И.Н. Микробиология. М.: Высшая школа, 1987. 241 с.

8. Филина Н.Ю., Верховцева Н.В. Экологическая физиология микроорганизмов. Часть 1. Физиология микроорганизмов: Учеб. пособие / Яросл. гос. ун-т. Ярославль, 2001. 92 с.

69) Денитрификация почти не идет при созревании навоза:

1) горячим способом

Холодным способом

3) неурегулированным способом

70) Ассоциативные бактерии находятся:

На поверхности корня растения

71) Ассоциативные азотфиксаторы:

Azospirillum

72) Симбиотические азотфиксаторы:

Rhizobium

73) Свободноживущие азотфиксаторы:

Clostridium

74) Источник азота азотфиксаторов:

Азот молекулярный

75) Бактерии аммонификации:

Proteus vulgaris

76) Катализирует фиксацию азота фермент:

Нитрогеназа

77) Активный центр нитрогеназы содержит:

Мо

78) Продукты аммонификации белковых веществ

в аэробных условиях:

Аммиак

3) молочная кислота

79) Соединения, используемые аммонификаторами:

1) пектиновые вещества

Белок

80) Ризоторфин (бактериальный препарат) содержит:

Rhizobium

3) Bacillus megaterium

81) Фосфобактерин (бактериальный препарат) содержит:

Bacillus megaterium

82) Бактерия – действующее начало в бактериальном препарате

Клубеньковые бактерии

83) Азотобактерин (бактериальный препарат) содержит:

Azotobacter

3) Bacillus megaterium

84) Бактериальный препарат, действующий эффективно в

защищенном грунте:

1) ризоторфин

Азотобактерин

85) Бактериальный препарат, действующий эффективно в открытом грунте:

Ризоторфин

3) азотобактерин

86)Микробный препарат для борьбы с листогрызущими вредителями овощных и плодовых культур:

1) дендробациллин

Энтобактерин

87) Явление антагонизма микроорганизмов используют в:

Консервировании сочных кормов

88)Явление антагонизма наблюдается в системах:

Молочнокислые бактерии – гнилостные бактерии

2) аммонификаторы – нитрификаторы

3) бобовые растения – азотфиксаторы

89) Явление синергизма используют для получения:

Ферментов

90) Защита растений базируется на формах взаимоотношений микроорганизмов:

Антагонизм

91) Тип проявления антагонизма у микроорганизмов:

Конкуренция за источники питания

2) использование ресурсов клеток хозяина

3) стимуляция развития других организмов

92) Русский физиолог, лауреат Нобелевской премии, разработавший фагоцитарную теорию иммунитета:

Значительная часть азота, вносимого фермерами в почву, не попадает туда, куда она должна была бы попасть. Перед тем как продукт должен попасть в растение в той форме, в которой растение сможет его усвоить, ценный азот исчезает в результате, например, улетучивания (выпущенный из почвы в атмосферу в виде газа). Другими причинами могут быть выщелачивание (проникновение азота в почву слишком глубоко, для того чтобы быть полезным для растений) и денитрификация (преобразования азота в газ под землей и его потеря).

Ограничить эти потери могут усилители эффективности азота или стабилизаторы азота. Но прежде рассмотрим, где и как теряется азот по пути к растению.

Потери вследствие улетучивания

Азот может применяться в составе мочевины. Однако она начинает разрушаться, как только оказывается на почве. Почва обычно не бывает совершенно сухой. При соприкосновении мочевины с влагой и ферментом под названием уреаза происходит реакция, в результате которой появляются аммоний и двуокись углерода. Агроном-исследователь Джон Kруз утверждает, что уреаза является ферментом, возникающим естественным образом. Аммоний, получаемый в результате реакции мочевины с ферментом уреаза, является газом. Когда реакция происходит в поверхностном слое почвы, газ аммоний выбрасывается в воздух. Такое быстрое испарение — одна из основных причин потерь азота.

Потери вследствие выщелачивания

Выщелачивание не только наносит фермерам урон в виде потери азота, но и переносит нитраты в грунтовые воды, что не лучшим образом влияет на окружающую среду.

Потери вследствие денитрификации

Денитрификация может оказаться значительной проблемой, когда удобрения применяются осенью, перед влажной весной. Это явление чаще всего происходит в тяжелых глинистых почвах.

Чтобы избежать потерь азота и устранения опасности загрязнения нитратами растений и окружающей среды, разрабатываются новые формы азотных удобрений — медленнорастворимые, капсулированные с контролируемой скоростью высвобождения азота, модифицированные ингибиторами нитрификации. Последние препараты при внесении в почву в небольших дозах тормозят нитрификацию в течение двух месяцев и сохраняют минеральный азот почвы и удобрений в аммонийной форме. Подавляя нитрификацию азота удобрений, ингибиторы снижают в 2 раза его потери в газообразной форме вследствие вымывания нитратов. В результате повышаются урожаи различных культур и эффективность азотных удобрений.

Перевод Владимира Францкевича

Академик Д. Н. Прянишников подчеркивал, что во все времена и на любых почвах продуктивность растений в значительной степени определяется уровнем азотного питания. В среднем 1 кг действующего вещества азота при обычной культуре земледелия обеспечивает окупаемость зерном в количестве 6 кг, а при высокой — 8–10 и даже 12 кг зерна на килограмм действующего вещества удобрений. Кроме того, дифференцированное применение азотных удобрений позволяет нивелировать влияние предшественников на урожайность озимой пшеницы.

Средние потери азота вследствие вымывания из корнеобитаемого слоя почвы могут составлять до 30% от общего количества, содержащегося в удобрениях. Потери из-за улетучивания азота в воздух в силу теплой и сухой погоды могут составить до 16%. Процент поглощения азота микроорганизмами при разложении соломы и прочих органических веществ составляет до 10% от внесенного количества.

Азот, содержащийся в растительных остатках, тканях животных, микроорганизмах, почвенном гумусе и вносимый с навозом, зеленым удобрением и т. д., обычно находится в органических соединениях.

Микрофлора разлагает его органические формы и переводит в доступное для растений состояние. Процессу аммонификации подвергаются азотсодержащие соединения с различной структурой — белки, аминокислоты, гликопептиды, нуклеиновые кислоты, амиды, алкалоиды, амины и др. Наиболее интенсивно протекает аммонификация белков. При гидролизе простые белки распадаются на аминокислоты, а сложные, кроме этого, — на другие органические и неорганические соединения. Основными конечными продуктами аэробного разложения белков являются СO₂, аммиак, сульфаты и вода. При анаэробном разложении образуются аммиак, амины, органические кислоты, индол, скатол, сероводород, СO₂ и др. Аммонификация протекает с участием бактерий родов Bacteroides и Bacillus. К особенно активным аммонификаторам относятся В. megaterium, В. mycoides, В. mesentericus к Proteus Vulgaris родов Pseudomonas, Clostridium и др.

Белки разлагаются под действием протеолитических экзоферментов, рибонуклеазы и дезоксирибонуклеазы, которые синтезируются микроорганизмами. Аммонификация азотсодержащих органических веществ — это микробиологический процесс.

Аммиак, образующийся в почве при аммонификации, адсорбируется обменными ионами или используется микроорганизмами и снова переходит в органическую форму, т. е. иммобилизуется. В зависимости от свойств почвы при участии нитрифицирующих бактерий он может окисляться сначала до азотистой, а затем азотной кислот (нитрификация), часть образовавшихся нитратов восстанавливается в молекулярный азот (денитрификация) с последующим уходом его в атмосферу.

Аммонифицирующие бактерии при помощи ферментов, выделяемых ими в почву, разлагают сложные белковые молекулы на более простые соединения. Эти соединения осмотическим путем проникают в клетки микроорганизмов и под действием внутриклеточных ферментов подвергаются дезаминированию, при котором высвобождается аммиак.

Если в почве содержится много углерода, аммонификация протекает довольно интенсивно, но высвобождается мало аммиака, поскольку при наличии высокого количества богатой углеродом органической массы создаются условия для активного развития микроорганизмов, расходующих аммиачный азот для формирования клеток. Азот переходит в органическую форму, т. е. иммобилизуется, и не выделяется в почву.

Аммонификация — важное звено круговорота азота, которая протекает в почве в больших масштабах. Высвобождающийся аммиачный азот не вымывается, а связывается почвенно-поглощающим комплексом в количествах, зависящих от ионообменной способности почв. В нейтральных и хорошо аэрированных почвах значительная часть аммонийного азота быстро подвергается нитрификации. При неблагоприятных для нитрификации условиях (кислая реакция, плохая аэрация) процесс аммонификации протекает очень интенсивно, приводя к потере азота из-за улетучивания аммиака. Высокие потери могут происходить при наличии в почве легкоминерализующихся, богатых азотом органических веществ, при благоприятной влажности и температуре почвы и т. д., поскольку в этом случае процесс аммонификации органических азотных соединений протекает с высокой скоростью.

Нитрификация — процесс, связанный с накоплением нитратного азота в почве. От его интенсивности зависит азотный режим почвы — один из основных факторов почвенного плодородия.

Нитрификация в почве подробно изучена Виноградским (1952). При окислении аммиака нитрифицирующими бактериями выделяется энергия, используемая ими для синтеза органических веществ. Окисление аммиака происходит в два этапа: на первом — до азотистой, на втором — до азотной кислоты. В первом этапе нитрификации принимают участие бактерии рода Nitrosomonas, Nitrosocystis, Nitrosospira и Nitrosolobus, во втором — Nitrobacter, Nitrospina и Nitrococcus.

Нитрифицирующие бактерии чувствительны к окружающей среде. Они используют лишь до 9% энергии, выделяемой при окислительных процессах аммонификации, и реагируют на изменение почвенной реакции, не развиваясь при pH ниже 6. В их клетки могут легко проникать токсические вещества, это свойство используют при применении ингибиторов нитрификации в почвах. В нейтральные, хорошо аэрированные почвы в результате нитрификации ежегодно поступает в среднем 300 кг/га азотной кислоты, которая содействует повышению растворимости фосфатов и поступлению более высоких количеств усвояемого растениями фосфора в почву.

В Болгарии проведены подробные исследования интенсивности процессов аммонификации и нитрификации в почвах. В черноземах аммонификация происходит интенсивно, за исключением летнего периода. Минерализация органического азота активно осуществляется осенью, в карбонатных и типичных черноземах — весной, а в выщелоченных черноземах — в течение почти всего года. Активность нитрифицирующих микроорганизмов в черноземах высока, хотя носит сезонный характер. Летом при высокой температуре создаются оптимальные условия для поступления нитратов в почву, поскольку этот период совпадает с вегетационным периодом сельскохозяйственных культур. Нитрификация протекает наиболее интенсивно в обрабатываемых почвах, особенно в черноземах; в оподзоленных черноземах накапливается больше нитратного азота.

Серые лесные почвы в течение всего вегетационного периода при оптимальной влажности обогащаются аммонийным азотом. При этом процесс нитрификации интенсивно протекает в темно-серых лесных почвах и сильно снижается в кислых светло-серых лесных почвах. Поскольку процессы аммонификации преобладают над нитрификацией, в кислых серых почвах накапливается аммиачный азот.

В смолницах оба процесса — аммонификация и нитрификация — идут интенсивно, причем в периоды с высокой температурой (весна, лето) преобладает нитрификация.

В луговых коричневых почвах аммонификация протекает интенсивнее, значительно слабее в выщелоченных и особенно в псевдо подзол истых (оподзоленных) лесных почвах. В этих почвах процесс нитрификации слабее по сравнению с черноземами и резко тормозится при низкой влажности летом. В псевдо подзолистых коричневых лесных почвах процесс нитрификации обычно подавлен.

Необходимо подчеркнуть, что в почвах с нейтральной или слабощелочной реакцией накапливается нитратный азот. В кислых почвах (светлосерые, оподзоленные, коричневые и оподзоленные черноземы) после внесения азотных удобрений в аммонийной форме, особенно карбамида, может развиться аммонийная токсичность, усиливающаяся в периоды с высокой влажностью и низкой температурой. В почвах с повышенной интенсивностью процессов нитрификации накапливается значительное количество нитратов, тем самым создавая условия, благоприятные для денитрификации, которая приводит к невозвратимым потерям газообразного азота. В Болгарии это может происходить на почвах с нейтральной реакцией (карбонатные и типичные черноземы, типичные и слабовыщелоченные коричневые лесные почвы и т. д.). Знание динамики роста микроорганизмов и интенсивности прохождения аммонификации и нитрификации позволит регулировать эти процессы и установить в зависимости от почвы дозы, сроки и виды азотных удобрений. Этим обусловливается полное использование вносимых туков и снижение потерь при их применении.

Если вы нашли ошибку, пожалуйста, выделите фрагмент текста и нажмите Ctrl+Enter.