|
Artikkel asub nüüd [[Nitrifikatsioon|siin]].
''' Nitrifikatsioon ''' toimub obligaatsete [[kemolitoautotroof]]ide vahendusel, protsess on aeroobne. Esimese etapi käigus assimileeritakse süsihappegaas (CO<sub>2</sub>) ja [[ammoniaak]] (NH<sub>3</sub>) oksüdeeritakse [[nitrit]]iks (NO<sub>2</sub><sub>-</sub>) (''Nitrosomonas'', ''Nitrosococcus'', ensüüm ammoniaagi monooksügenaas). Teises etapis oksüdeeritakse nitrit [[nitraat|nitraadiks]] (NO<sub>3</sub><sub>-</sub>) (''Nitrobacter'', ''Nitrococcus'', ''Nitrospira''; ''Nitrospina''). <ref name="Mikroobid erinevate ainete ringetes">{{cite web|last1=Mikrobioloogia üldkursus|title=Nitrifikatsioon|url=http://mikroobidringetes.weebly.com/nitrifikatsioon.html|publisher=Toiduteaduse ja toiduainete tehnoloogia osakond, veterinaarmeditsiini ja loomakasvatuse instituut, Eesti Maaülikool}}</ref>
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 [[lämmastikuringe]]s. Inimtegevuse tagajärjel võib suurenenud nitrifikatsioon pärssida [[denitrifikatsioon]]i lämmastikuringes ning [[nitraat]] akumuleerub keskkonnas. Nitraadi akumuleerumine reostab põhjavett ja tekitab järvedes eutrofeerumise. Suurenenud nitrifikatsiooni kasutatakse ära reoveepuhastuses, kus on vajalik veest ammoniaagi eemaldamine. <ref name="Nitrification Network 2014">{{cite web|last1=Nitrification Network|title=Nitrification primer|url=http://nitrificationnetwork.org/Introduction.php|website=nitrificationnetwork.org|publisher=Oregon State University}}</ref>
==Ajalugu==
Nitrifikatsiooni põhjustavaks teguriks peeti 19. sajandi teise pooleni mulda kui [[katalüsaator]]it. Usuti, et NH<sub>3</sub> oksüdatsioon on keemiline reaksioon, 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 [[reovesi|reovett]]. Sealjuures oli üks torudest kuumutatud ja toru ainetele oli lisatud [[antiseptika|aktiseptikuid]]. Teine toru oli lisanditeta ning kuumutamata. [[Reovesi|Reovett]] filtreerides leiti, et teises torus, mis oli kuumutamata, vähenes ammoniakaalse lämmastiku sisaldus ning tõusis nitraatide sisaldus. Samal ajal kuumutatud kvartsklaastorus NH<sub>3</sub> [[oksüdatsioon]]i ei toimunud. Selle katse raames ei suudetud eraldada nitrifikatsiooni põhjustavaid baktereid, sest mikroobide kasvatamisel kasutati puljongsöödet.
Aastal 1890 kirjeldas vene mikrobioloog ja mullateadlane [[Sergei Vinogratski]] nitrifikatsiooni bioloogilist olemust. Ta leidis, et nitrifikaatorid ei kasva orgaanilisi aineid sisaldaval söötmel, sest on [[autotroof]]id 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 NH<sub>3</sub> oksüdatsioonist nitrititeks, samal ajal teist tüüpi mikroorganismid aga nitritite oksüdatsioonist nitraatideks. <ref name="Mikroobid erinevate ainete ringetes"/> 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 (CO<sub>2</sub>) või [[bikarbonaat|bikarbonaadist]] (HCO<sub>3</sub><sub>-</sub>).
Kogu nitrifikatsiooni protsessi võib jagada kaheks faasiks.
===I faas===
Ammoniaaki (NH<sub>3</sub>) oksüdeeriv bakter (AOB, tihti nt ''Nitrosomonas spp'') oksüdeerib [[ammoonium]]i (NH<sub>4</sub><sub>+</sub>) või ammoniaagi (NH<sub>3</sub>) nitritiooniks (NO<sub>2</sub><sub>-</sub>). I faasi protsessid võib omakorda jagada kolmeks alamprotsessiks:
'''1) NH<sub>3</sub> + O<sub>2</sub> + 2 H<sub>+</sub> + 2 e- => NH<sub>2</sub>OH + H<sub>2</sub>O'''
– ammoniaak oksüdeeritakse hüdroksüülamiiniks (NH2OH) ensüümi monooksügenaas toimel,
'''2) NH<sub>2</sub>OH + H<sub>2</sub>O => NO<sub>2</sub><sub>-</sub> + 5H<sub>+</sub> + 4e-'''
– [[hüdroksüülamiin]] oksüdeeritakse [[nitrit]]iks,
'''3) ½ O<sub>2</sub> + 2 H<sub>+</sub> + 2 e- => H<sub>2</sub>O'''
[[Hapnik]], [[elektron]]id ning vaba [[vesinik]] konverteeritakse veeks.
Kogureaktsioon '''Σ: NH<sub>3</sub> + 1.5 O<sub>2</sub> => NO<sub>2</sub><sub>-</sub> + H<sub>+</sub> + H<sub>2</sub>O'''
I faasi käigus võib toimuda keskkonna hapestumine.
<ref name="nitrification.org">{{cite web|last1=Nitrification|title=Home|url=http://nitrification.org/}}</ref>
===II faas===
Nitriti oksüdeeriv bakter (NOB, tihti nt ''Nitrobacter spp'') oksüdeerib nitriti nitraadiks (NO<sub>3</sub><sub>-</sub>). Protsessi alustamiseks kasutab NOB ensüümi nitriti okidoreduktaas (NOR). II faasi reaktsioone võib jagada kaheks alamprotsessiks:
'''1) NO<sub>2</sub><sub>-</sub> + H<sub>2</sub>O => NO<sub>3</sub><sub>-</sub> + 2 H<sub>+</sub> + 2 e-'''
– nitrit oksüdeeritakse nitraadiks NOR-ensüümi abil,
'''2) ½ O<sub>2</sub> + 2 H<sub>+</sub> + 2 e- => H<sub>2</sub>O'''
– elektronid, prootonid ning hapnik konverteeritakse veeks.
II faasi võib kokku võtta reaktsiooniga '''Σ: NO<sub>2</sub><sub>-</sub> + ½ O<sub>2</sub> => NO<sub>3</sub><sub>-</sub>'''.
Liites kokku I ja II faasi reaktsioonid, saab '''summaarse nitrifikatsiooni reaktsiooni''':
'''NH<sub>3</sub> + 2 O<sub>2</sub> => NO<sub>3</sub><sub>-</sub> + H<sub>+</sub> + H<sub>2</sub>O'''.
<ref name="nitrification.org" />
==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 [[nitrifikatsiooniensüümid]]e asukohaks. Nendeks on protsessis osalevad ensüümid: [[ammoniaagi monooksügeneaas]] (AMO), mis esineb kõigil autotroofsetel ammoniaagioksüdeerijatel ning sarnaneb metaani oksüdeerivatel bakteritel esineva [[metaani monooksügenaas]]iga, samuti hüdroksüülalamiini oksüoreduktaas ja nitriti oksidoreduktaas. Sealjuures AMO oksüdeerib ammoniaagi hüdroksüülamiiniks ning nitriti oksidoreduktaas oksüdeerib nitriti nitraadiks. <ref name="Vee-ja mullamikrobioloogia loengud 2005">{{cite web|last1=Vee-ja mullamikrobioloogia loengud 2005|website=http://gt.inkblue.net/Vee-%20ja%20mullamikrobioloogia/loeng4.pdf}}</ref>
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 NH<sub>3</sub>
• Keskkonnas on vajalik piisava O<sub>2</sub> juurdepääs ja see peab olema mõõduka happelise reaktsiooniga
• Happelisemate muldade puhul on vajalik lupjamine, õhustamine
• Liigniiskete muldade korral tuleb alandada põhjavee seisu <ref name="Mikroobid erinevate ainete ringetes"/>
• Protsessi kiirus sõltub peamiselt NH<sub>3</sub> oksüdeerumisest [[nitrit]]iteni, sest selle jaoks vajatakse võrreldes nitrititest nitraatideks muundumisega palju rohkem energiat. Näiteks on nitrifikatsioon aeglane kultuuristamata muldadel, kus N<sub>2</sub>-ühendite allikaks on lehekõdu ja oksad, sest selline keskkond on väga halvasti õhustatav. <ref name="Mikroobid erinevate ainete ringetes"/>
==Heterotroofne nitrifikatsioon==
[[Heterotroof]]ne nitrifikatsioon erineb autotroofsest selle poolest, et nitritit ja nitraati produtseeritakse ainult [[ammoniaak|ammoniaagist]] ning see toimub tingimustes, mis on [[autotroof|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 [[denitrifikatsioon]]i.
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).
'''NH<sub>3</sub> → NH<sub>2</sub>OH → NO<sub>2</sub><sub>-</sub> → NO<sub>3</sub><sub>-</sub>'''
Samuti on teada ka reaktsioonid, mida kasutatakse just seente hulgas ja kus toimub [[amiinid]]e või [[amiidid]]e oksüdatsioon.
'''RNH<sub>2</sub> → RNHOH → R-NO → RNO<sub>3</sub> → NO<sub>3</sub><sub>-</sub>'''
<ref name="Vee-ja mullamikrobioloogia loengud 2005" />
==Nitrifikatsiooni kasutamine [[aktiivmudaprotsess]]is==
Reovee puhastamisel kasutatavad aktiivmudaprotsessid on seotud [[lämmastik]]u sidumisega, nitrifikatsiooniga. Nitrifikatsiooni rakendatakse [[olmereovesi|olmereovees]] süsiniku suhtes liias olevate toitainete – [[fosfor]]i ja lämmastiku – bioloogilisse protsessi sidumiseks. Selle jaoks kasutatakse [[aktiivmuda]]tehnoloogias lämmastiku tõhustatud eemaldamiseks nitrifikatsiooni ning denitrifkatsiooni protsesse ehk oksüdeeritakse reovee lämmastikuvormid nitritite abil nitraatideks. Paralleelselt kasutatakse ka denitrifikatsiooni omadusi, kus nitraatide koostises olevat O<sub>2</sub> kasutavad mikroorganismid [[anoksiline|anoksilises]] keskkonnas orgaanilise aine oksüdeerimiseks, mille tulemusena N<sub>2</sub> redutseeritakse ning N<sub>2</sub> eraldub atmosfääri gaasilises olekus. Selleks, et puhastusprotsess oleks aktiivmudatehnoloogiat kasutades võimalikult efektiivne, toimub kogu juhtimine automatiseeritult, see hõlmab ka tehnoogiliste seadmete tööd. Sealjuures on seadmete töörežiimid reovee koostisele ja kogusele ning ilmastikuolude muutusele vastavalt muudetavad. <ref name="Reoveepuhastustehnoloogiad">{{cite web|last1=OÜ Alkranel|title=Reoveepuhastustehnoloogiad|url=http://www.alkranel.ee/failid/projekt/projekteerimine_info.pdf|website=http://www.alkranel.ee/|publisher=OÜ Alkranel}}</ref>
==Viited==
| 