Nitrificació

Cicle del nitrogen.

La nitrificació és l'oxidació biològica dels derivats d'amoniaco per a donar nitrit, seguida per una segona oxidació d'eixos nitrit per a terminar formant nitrats. La nitrificació és una etapa important en el cicle del nitrogen en aigua i sols. Este procés va ser descobert pel microbiólogo rus Sergei Winogradsky. El procés de nitrificació completa sol ocórrer en dos passos. Primerament l'amoni es oxida a nitrit (NO₂^-) i despuix de la qual cosa, en un segon pas, este nitrit completa l'oxidació passant a nitrat (NO₃^-). En abdós passos intervenen numeroses bactèries presents en el sol en les aigües. Les bactèries Nitrosomonas i Nitrosococcus provoquen la transició de amoniaco a nitrit, mentres que la segona etapa de l'oxidació és mediada per les bactèries de la família Nitrobacter.

Introducció

La nitrificació, és dir, la conversió de N(-III) a N(V), és un procés molt comú i sumament important que té lloc en la naturalea, habitualment en sols, pero, també en l'aigua. La seua importància radica que, en el mig natural, el nitrogen que s'absorbix per les plantes es troba principalment en estat d'oxidació (V), és dir, com a nitrat, mentres que, en la majoria dels composts biològics (aminoàcits, proteïnes, àcits nucleicos, etc.) el nitrogen es troba en estat d'oxidació (-III), com derivats del amoniaco. La reacció química global de nitrificació

$2\mathrm{O}{\phantom{A}}_2+\mathrm{N}\mathrm{H}{\phantom{A}}_4{\phantom{A}}^{+}\stackrel{-\rightharpoonup }{\leftharpoondown -}\mathrm{N}\mathrm{O}{\phantom{A}}_3{\phantom{A}}^{-}+2\mathrm{H}{\phantom{A}}^{+}+\mathrm{H}{\phantom{A}}_2\mathrm{O}$

presenta una constant d'equilibri de 3.7 x 10⁷; és dir, el procés global és termodinámicamente molt favorable. No obstant, per a que es porte a terme és necessari que el mig siga llaugerament àcit o neutre i sobretot, que estiga airejat, per lo que la nitrificació no sol produir-se en zones profundes del sol o dels sedimentados, en ser estos mijos anaerobio. En el mig natural, l'oxidació de l'amoni a nitrit i la subsecuente oxidació a nitrat és portada a terme en el concurs de diferents espècies de bactèries nitrificantes. La primera etapa la fan bactèrias dels gèneros microbiològics Nitrosomonas i Nitrosococcus (entre uns atres). La segona etapa (oxidació de nitrit a nitrat) la fan bactèries del gènero Nitrobacter, majorment. En abdós etapes es produïx energia que es destina a la síntesis d'ATP. Estos microorganismes nitrificantes són quimioautótrofos i usen diòxit de carbono com la seua font de carbono per a créixer.

La nitrificació també juga un important paper en l'eliminació del nitrogen orgànic d'aigües residuals en les plantes de tractament. El procés té lloc quan existix una extensa aireación, és dir, en el reactor biològic de l'estació depuradora. Quan els fancs i el fango produït passen al sedimentador, en ser un mig no airejat, pero ric en matèria orgànica, es produïx el procés de desnitrificación, pel qual atres microorganismes (principalment Pseudomonas i Achromobacter) convertixen el nitrat en nitrogen molecular (N₂) que retorna a l'atmòsfera ({CH₂O} denota matèria orgànica, en general):

$4\mathrm{N}\mathrm{O}{\phantom{A}}_3{\phantom{A}}^{-}+5\{\mathrm{C}\mathrm{H}{\phantom{A}}_2\mathrm{O}\}+4\mathrm{H}{\phantom{A}}^{+}⟶2\mathrm{N}{\phantom{A}}_2+5\mathrm{C}\mathrm{O}{\phantom{A}}_2+7\mathrm{H}{\phantom{A}}_2\mathrm{O}$

D'esta manera s'evita que el nitrat present en l'efluent de la depuradora, retorne als caixers d'aigua natural o als llac, lo que generaria un sério problema d'eutrofización de les aigües, en tractar-se d'un nutrient essencial per a les plantes.

En conjunt en l'amonificación, la nitrificació forma part del procés de mineralisació, que fa referència a la descomposició completa de matèria orgànica, en la lliberació de composts nitrogenats disponibles per als vegetals (formes minerals, no orgàniques). Açò completa el cicle del nitrogen.

Química i processos microbiològics

La nitrificació és un procés d'oxidació de composts nitrogenats, puix el pas del nitrogen en estat d'oxidació -3 (amoni) a l'estat d'oxidació +5 implica la pèrdua de 8 electrons. En este intercanvi d'electrons, l'oxigen actua com a mediador o captador d'estos electrons, com es mostra en la reacció global de nitrificació:

$\mathrm{N}\mathrm{H}{\phantom{A}}_4{\phantom{A}}^{+}(\mathrm{a}\mathrm{q})+\mathrm{O}{\phantom{A}}_2+\mathrm{H}{\phantom{A}}_2\mathrm{O}⟶\mathrm{N}\mathrm{O}{\phantom{A}}_3{\phantom{A}}^{-}(\mathrm{a}\mathrm{q})+\mathrm{H}{\phantom{A}}_3\mathrm{O}{\phantom{A}}^{+}(\mathrm{a}\mathrm{q})$

La reacció requerix un pH neutre o llaugerament àcit. En el mig ambient, les condicions ideals són un sol o mig aquàtic ben airejat en un pH comprés entre 6,5 i 8. La velocitat del procés de nitrificació decreix dràsticament quan el pH del mig és inferior a 6.La reacció té lloc en dos passos en els que intervenen diferents bactèries aerobias, que aporten les enzimes necessàries per a catalizar estes reaccions.

Oxidació de l'amoníac (nitritación)

El procés de nitrificació comença en la primera etapa d'oxidació de l'amoníac, a on l'amoníac (NH₃) o l'amoni (NH₄⁺) es convertixen en nitrit (NO₂^-). Esta primera etapa a voltes es coneix com nitritación. Moltes d'estes bactèries tenen sistemes complexos de membrana interna que són l'ubicació d'enzimes clau en la nitrificació: amoníac monooxigenasa (que oxida l'amoníac a hidroxilamina), hidroxilamina oxidorreductasa (que oxida la hidroxilamina a òxit nítric).

$2\mathrm{N}\mathrm{H}{\phantom{A}}_4{\phantom{A}}^{+}(\mathrm{a}\mathrm{q})+3\mathrm{O}{\phantom{A}}_2+2\mathrm{H}{\phantom{A}}_2\mathrm{O}⟶2\mathrm{N}\mathrm{O}{\phantom{A}}_2{\phantom{A}}^{-}(\mathrm{a}\mathrm{q})+4\mathrm{H}{\phantom{A}}_3\mathrm{O}{\phantom{A}}^{+}(\mathrm{a}\mathrm{q})$

Les bactèries oxidants d'amoníac, generalment són bactèries Gram-negativa, del gènero Nitrosomonas i Nitrococcus, d'àmplia capacitat per a utilisar amoniaco com a font d'energia i molt freqüents en una àmplia gama d'entorns, com a sols, sistemes aquàtics i plantes de tractament d'aigües residuals. Esta activitat enzimàtica és prou sensible a factors ambientals, com el pH, la temperatura i la disponibilitat d'oxigen.

Oxidació del nitrit (nitración)

El segon pas de la nitrificació és l'oxidació del nitrit a nitrat. Este procés a voltes es coneix com nitración. L'oxidació de nitrit la porten a terme bactèries oxidants de nitrit, generalment conegudes com Nitrobacter i Nitrospira, pertanyents als tàxons Nitrospirota, Nitrospinota, Pseudomonadota i Chloroflexota. Estes bactèries solen estar presents en el sol, manantiales geotèrmics, ecosistemes d'aigua dolça i marins.

$2\mathrm{N}\mathrm{O}{\phantom{A}}_2{\phantom{A}}^{-}(\mathrm{a}\mathrm{q})+\mathrm{O}{\phantom{A}}_2⟶2\mathrm{N}\mathrm{O}{\phantom{A}}_3{\phantom{A}}^{-}(\mathrm{a}\mathrm{q})$

Oxidació completa de l'amoníac

L'oxidació d'amoníac a nitrat en un sol pas, també és possible. En l'any 2006 es va predir que este procés podria produir-se en determinats organismes, descobrint-se en l'any 2015 que l'espècie Nitrospira inopinata era capaç de portar-ho a terme.