نقش میکروارگانیسم ها در چرخه های بیوژئوشیمیایی

فرمت: pdf   تعداد صفحات: 14

فهرست:

• چرخه نیتروژن
• تثبیت نیتروژن
• جذب نیتروژن
• فاکتورهای کنترل کننده فرایند نیتریفیکاسیون
• پارامترهای تاثیرگذار بر وقوع فرآیند نیتروفیکاسیون یا نیترات زایی
• حذف نیتروژن در تصفیه خانه های فاضلاب
• اثرات مضر خروجی های نیتروژن از تصفیه خانه های فاضلاب
• چرخه فسفر، سولفور، کربن
• حذف سولفور از زغال سنگ ها

چرخه نیتروژن (Nitrogen Cycle)

نیتروژن به عنوان یک عنصر ضروری برای زندگی محسوب می شود، با توجه به اینکه این عنصر یک جزء ساختاری مهم پروتئین ها و اسیدهای نوکلوئیک در سلول های میکروبی، حیوانی و گیاهی است. ممکن است عجیب به نظر برسد که گاز نیتروژن که غالب ترین گاز (٪۷۰ < اتمسفر) در هوای تنفسی ما است، هنوز به عنوان یک نوترینت محدودکننده در محیط های آبی و زمین های کشاورزی مطرح بوده و منجر به فقر پروتئین در بین میلیون ها نفر در کشورهای در حال توسعه شده است. متأسفانه گاز نیتروژن نمی تواند توسط اغلب ارگانیسم ها استفاده شود، مگر اینکه این ترکیب در ابتدا تبدیل به آمونیاک شود. این مسئله از آنجا ناشی می شود که N2 یک مولکول بسیار پایدار بوده که تنها تحت شرایط خاص دچار تغییرات یا دگرگونی می شود (نظير تخلیه الکتریکی و فشار و درجه حرارت های بالا).

میکروبیولوژی چرخه نیتروژن شامل پنج مرحله است: تثبیت نیتروژن، جذب، معدنی سازی، نیتریفیکاسیون و دنیتریفیکاسیون.

تثبیت نیتروژن (Nitrogen Fixation)

احياء شیمیایی نیتروژن بسیار پرهزینه و انرژی گیر است. با توجه به احیاء بیولوژیکی نیتروژن، تنها گونه های اندکی از باکتری ها و سیانوباکترها (جلبکهای سبز – آبی) قادر به تثبیت نیتروژن هستند که نهایتا منتهی به تشکیل آمونیاک میگردد. تثبیت جهانی نیتروژن به طریقه بیولوژیکی تقریبا تن 10⁸×2 N2 تن/سال است.

میکروارگانیسم های تثبیت کننده نیتروژن

دو گروه از میکروارگانیسم های تثبیت کننده نیتروژن عبارتند از:

Nonsymbiotic nitrogen-Fixing microorganisms: اینها شامل ازتوباکتر (نظير A.vinelandi ،A.agilis ،A.choococcum) یک باکتری گرم منفی با قابلیت تشکیل کیست هستند که می توانند نیتروژن را در خاک و سایر محيط ها تثبیت کنند. دیگر میکروارگانیسم های تثبیت کننده نیتروژن کلبسیلا او كلوستریدیوم (باکتری بی هوازی، اسپورزا و فعال در رسوبات) و سیانوباکترها (نظیر آنا بناو نوستوک) می باشند. مورد آخر، نیتروژن را در آب های طبیعی و خاک تثبیت می کنند و سرعت تثبیت آنها ۱۰ برابر بیشتر از دیگر میکروارگانیسم های تثبیت کننده نیتروژن آزاد در خاک است. سایت تثبیت نیتروژن در سیانوباکترها یک سلول خاص با عنوان heterocyst است.

:Symbiotic Nitrogen – Fixing microorganisms: ممکن است برخی پروکاریوتها وارد یک رابطه همزیستی با گیاهان بزرگتر جهت تثبیت نیتروژن شوند، نظیر رابطه و همزیستی Legume – Rhizobium . تثبیت نیتروژن توسط آنزیمی با عنوان نیتروژناز انجام می پذیرد. این آنزیم از پروتئین های آهن – سولفید و مولیبد و آهن که هر دو به اکسیژن حساس هستند، ساخته شده است. این آنزیم از توانایی احیاء مولکول باند شده (سه باندی) N2 به NH4 برخوردار بوده و نیازمند 2+Mg و انرژی به شکل ATP ا (۲۰-۱۵ مولکول ATP/N2) است. بیوسنتز این آنزیم توسط گونه های nif انجام می پذیرد.

تثبیت نیتروژن با استفاده از تکنیک احياء استیلن تعیین می شود. این تکنیک شامل اندازه گیری احياء استیلن (C2H2) به اتیلن (C2H4) است. مقدار نیتروژن تثبیت شده با استفاده از معادله زیر قابل حصول است:(معادله در فایل پیوستی)

جذب نیتروژن (Nitrogen assimilation)

میکروارگانیسم های اتوتروفیک و هتروتروفیک NH4 و No3 را سپس از احیاء به و NH4 جذب می کنند. بخشی از حذف نیتروژن در تصفیه خانه های فاضلاب به جذب (assimilation) نسبت داده می شود. سلول های گیاهی و  جلبکی نیتروژن را ترجیحا در شکل +NH4 جذب می کنند. کودهای بارورکننده با مبنای +NH4 به  انواع نیتراته (No3) جهت کاربرد در خاک کشاورزی ترجیح داده میشود. بدین ترتیب ازت آمونیاکی راحت ترین شکل ازت جهت استفاده باکتری ها به عنوان منبع نیتروژن است.

سلول ها NO3- یا NH4+ را به پروتئین تبدیل نموده و تا حدی که نیتروژن به یک عامل محدود کننده تبدیل شود، رشد می کنند. به ازاء هر ۱۰۰ واحد کربن جذب شده، سلول ها تقریبا به ۱۰ واحد نیتروژن (۱۰) نیاز دارند.

معدنی شدن یا آمونیاک سازی نیتروژن (Nitrogen: mineralization or Ammonification)

أمونیفیکاسیون، عبارتست از تغییر شکل ترکیبات آلی نیتروژنه به اشکال غیرآلی. این فرآیند توسط طیف گسترده ای از میکروارگانیسم ها (باکتری ها، اکتینومیست ها، قارچ ها) انجام می پذیرد. برخی ترکیبات نیتروژنه ألى در برابر تجزیه بیولوژیکی مقاوم هستند، چرا که تشکیل کمپلکس هایی را با فنل ها یا پلی فنل ها و یا هر دو می دهند پروتئین ها مطابق فرمول زیر به NH4+ تبدیل می شوند (معدنی می شوند):

دی آمیناسیون به NH4 → اسیدهای آمینه → پروتئین ها

یک مثال در زمینه، تغییر شکل اوره به آمونیوم است:

O=C (NH2) + H2O → 2NH3 + Co2

پروتئین ها توسط آنزیم های خارج سلولی پروتئولیتیک به پپتیدها و اسیدهای آمینه تبدیل می شوند.

در محیط های آبی با pH اسیدی و خنثی، +NH4 شکل غالب است. با افزایش pH، مقدار NH3 غالب شده و به آتمسفر رها می شود. پدیده آمونیفیکاسیون عمدتا توسط گروهی از باکتری ها تحت عنوان میکروکوکسی انجام می پذیرد.

نیتریفیکاسیون (Nitrification)

نیتریفیکاسیون یا نیترات سازی (شوره زانی) به مفهوم تغییر شکل آمونیوم به نیترات تحت عمل میکروارگانیسم ها است. این فرایند توسط دو گروه از میکروارگانیسم ها انجام می شود:

تبدیل NH به NG

نيتروزوموناس ها (از قبیل N.eurpaea N.oligocarbogens) باکتری های هوازی، میله ای متحرک، اتوتروفیک گرم منفی و بدون اسپور هستند که از طریق هیدروکسیل آمین (NH4oH) آمونیوم را به نیتریت اکسید می کنند. دیگر اکسید کننده های آمونیوم شامل نیتروسپیرا (Nitrosospira)، نیتروکوکوس (Nitrosococcus)، نیترولوبوس (Nitrosolobus) و نیتروزوویبریو (Nitrosovibrio) هستند.

* تبدیل -NO2 به -NO3 نیتروباکترها (نظیر N.winogradski N.agilis) نیتریت را به نیترات اکسید می کنند. نیتروباکترها میله ای شکل، گرم منفی، غیرمتحرک، بدون اسپور و هوازی مطلق هستند.

No2 + 0.5 O2→ No3- + 75kJ

دیگر اکسید کننده های نیتریت شامل Nitrospira و Nitrococcus هستند.

اکسیداسیون آمونیوم به نیتریت و سپس به نیترات یک فرآیند انرژی زا است. میکروارگانیسم ها از انرژی تولیدی به منظور جذب Co2 استفاده می کنند. احتياجات کربن نیتریفایرها توسط دی اکسیدکربن، بی کربنات یا کربنات تأمین می شود. نیتریفیکاسیون مطلوب در حضور اکسیژن و قلیائیت کافی به منظور خنثی سازی یون هیدروژن تولیدی در طی فرآیند اکسیداسیون انجام می پذیرد. بطور تئوریکی به ازاء هر میلی گرم +NH4 اکسید شده به -NO3 حدود 4.6 میلی گرم اکسیژن نیاز است. اگرچه نیتریفایرها هوازی های اجباری هستند، اما نسبت به باکتری های هتروتروفیک هوازی تمایل کمتری به اکسیژن دارند pH بهینه برای رشد نیتروباکتر 7.8-7.2 است. اسید تولیدی در طی فرآیند نیتریفیکاسیون می تواند منجر به بروز مشکلاتی در فاضلاب های با قدرت بافری کم شود.

اگرچه نیتریفایرهای اتوتروفیک در طبیعت غالب هستند، اما نیتریفیکاسیون ممکن است توسط باکتری های هتروتروفیک (نظير Arthrobacter) و قارچ ها (نظیر Aspergillus) انجام پذیرد. این میکروارگانیسم ها منابع کربن آلی را مصرف کرده و آمونیوم را به نیترات اکسید می نمایند.

ادامه مطلب را با دانلود کتاب مشاهده کنید.

حتما بخوانید:

⇐ طبقه بندی متابولیکی میکروارگانیسم ها

⇐ میکروبیولوژی لجن

⇐ میکروبیولوژی تصفیه آب و فاضلاب