Nitrogen cycle

چرخه نیتروژن

چرخه نيتروژننيتروژن براي حيات ضروري بوده و يكي ار عناصر موجود در

پروتئين ها و اسيدهاي نوكليك در سلول هاي ميكروبي، حيواني اگرچه گاز نيتروژن فراوانترين گاز موجود در . و گياهي است

متاسفانه گاز نيتروژن در اغلب موجودات. هواي تنفسي ما استعلت اين. قابل استفاده نيست مگر اينكه ابتدا به آمونياك تبديل شود

.استN2امر پايداري زياد مولكول

ميكروبيولوژي چرخه نيتروژن.ميكروارگانيزمها در چرخه نيتروژن نقش اصلي را دارا مي باشند

:چرخه داراي پنج مرحله مي باشدتثبيت1.(Assimilation)جذب و مصرف 2.(Amonification)معدني شدن 3.نيتريفيكاسيون4.دنيتريفيكاسيون5.

PLANT PROTEIN

ORGANIC NITROGEN

ANIMAL PROTEIN

ORGANIC NITROGEN

ATMOSPHERIC

NITROGEN

GAS

N2

NITRATE

NO3-

NITRITE

NO2-

AMMONIUM

NH3/NH4

URINE

UREA

FECAL

MATTER

ORGANIC

N

ANIMAL FOOD

AS

SIM

ILA

TIO

N

fert

ilization

Bacterial NITRIFICATION Oxidation

DE

NIT

RI

FICATION

AM

ON

IFIC

AT

ION

Bio

logic

al decom

positio

n

N F

IXA

TIO

N

Bacte

rial and

alg

ae

منابع نیتروژنمنابع طبیعی

منابع انسانی

ميلي گرم در 15تا 5غلظت مواد نيتروژني در فاضالبهاي شهري معموال بين .ديگر نيتروژن آلي مي باشد% 40نوع آمونياكي و % 60ليتر مي باشد كه

ترکیبات نیتروژن با ظرفیتهای مختلف

ظرفيتژنتركيبات نيترو

NO3-+5

NO2-+3

NO+2

N20

N2O+1+NH3-3

NH4+-3

بیشتر در محیط وجود + 5,+3,-3ترکیباتی با درجه اکسیداسیون .دارند

, NH4++NH3( T.A.N)

Total ammonia nitrogen

, NH4+, NO3

- , NO2-+NH3T.I.N

Total inorganic nitrogen

Organic N , NH4+, NH3

+T.K.N

Total Kajedahl nitrogn

Organic N , NH4+, NH3

+

NO3- , NO2-

T.N

Total nitrogen

اثرات تخلیه مواد نیتروژنی به محیط

.اثر بر آبهای سطحی و ایجاد پدیده اتروفیکاسیون1.است ولی در آبهای آلوده mg/l1/0آمونیاک در آبهای تمیز کمتر از

3–2mg/lمی باشد

سمیت 2..شکل آمونیاک استمهمترین عامل سمیت نیتروژنی در محیط،

گاز ، DOفاکتورهای مثل غلظت باالی ،mg/l5/0<غلظت سمیت حرارت و قلیائیت بیکربناته باعث افزایشکربنیک ،

.آمونیاک می شود

اثر برکارایی کلر در گندزدایی.3کاهش اکسیژن محلول در آبهای پذیرنده. 4اثر بر بهداشت عمومی. 5

ی به دلیل وجود نیتروژن نیتراتی در آب بیمار.ماه شایع می شود6متاهموگلوبین در کودکان زیر

خوردگی. 6برسد ، میتواند باعثmg/l1<اگر غلظت آمونیاک به

. ایجاد خوردگی در لوله ها شود

وژنهاستانداردهای خروجی فاضالب برای ترکیبات نیتر

.ز آن دارداین استانداردها بستگی به منبع پذیرنده پساب و نوع استفاده مجدد ا

استاندارد خروجی نیتروژن جهت آبهای پذیرنده

تخليه به آبهاي سطحيهمواد آلوده كنند

mg/l

تخليه به چاه جاذب

mg/lNH4آمونيوم

+5/21

NO2نيتريت-

1010

NO3نيترات -

5010

کار فرایندهای که به عنوان روش اصلی حذف نیتروژن ب:گرفته می شود

نیتریفکاسیون1.

دنیتریفکاسیون2.

کلریناسیون تا نقطه شکست3.

تبادل یونی4.

Ammonia stripping))عبور دادن هوا 5.

:فرایندهای متفرقه حذف نیتروژن شاملانعقاد فرایندهای کربن فعال ، الکترودیالیز ، اسمز معکوس ،

شیمیایی

فرایند های موجود در چرخه نیتروژن

Nitrogen fixationتثبیت

نیتروژن گازینیتروژن آلی

لبسيال، ميكروارگانيسمهاي مثل ازتوباكترها، كرينوباكتريوم، ك.ي دهندكلستريديوم ،آنابنا ، ريزيوبيوم اين فرايند را انجام م

فرایند های موجود در چرخه نیتروژن

Nitrogen fixationتثبیت

آنزيم دخيل در تثبيت نيتروژننيتروژنازجلبك )تنها تعداد كمي از گونه هاي باكتريها و سيانوباكتريها

.قادر به تثبيت نيتروژن هستند( آبي-هاي سبززيستميكروارگانيسمهاي تثبيت كننده نيتروژن غيرهم( الفميكروارگانيسمهاي تثبيت كننده نيتروژن همزيست( ب

نيتروژن ميكروارگانيسمهاي تثبيت كننده( الفغيرهمزيست

ست و باكتريهاي گرم منفي تشكيل دهنده كي)ازتو باكترها(تثبيت كننده نيتروژن در خاك و محيط هاي ديگر

كلبسيال رسوبات باكتريهاي بي هوازي مولد اسپور كه در) كلستريديوم

(فعال هستند (مثل آنابنا، نوستوك)سيانوباكتريها

نيتروژن ميكروارگانيسمهاي تثبيت كننده( الفغيرهمزيست

ر از ميزان تثبيت توسط سيانوباكترها ده برابر بيشتدر خاك ميكروارگانيسم هاي تثبيت كننده نيتروژن آزاد موجود

.هستي موسوم به محل تثبيت نيتروژن سيانوباكتريها در سلول خاص

(Heterocyst) هتروسيت همكاري )سيانوباكتريها گاهي با گياهان آبي همكاري مي كننند

(آزوال-آنابنا

تروژن ميكروارگانيسمهاي تثبيت كننده ني( بهمزيست

همكاري بين پروكاريوت ها و گياهان عاليترره در نظير همكاري بين ريزوبيوم و بقوالت كه ايجاد يك گ

ريشه گياه توسط ريزوبيوم براي تثبيت نيتروژننظير همكاري بين فرانكيا و ريشه گياهان با دوام چوبي (

(تشكيل گره ريشه بين آزواسپيريلوم و( بدون تشكيل گره)نظير همكاري

. هاي ذرت و علف هاي گرمسيري

روژنميكروارگانيسم هاي تثبيت كننده نيت

نميكروارگانيسمهاي آزادزي تثبيت كننده نيتروژ( الف ازتوباكترهوازي ها

بيجرنيكيا آزوسپيريلومميكروآئروفيليك

كورينه باكتريوم كلبسيالبي هوازي هاي اختياري

اروينيا كلستريديومبي هوازي ها

دسولفوويبريو

روژنميكروارگانيسم هاي تثبيت كننده نيت

روابط همزيستي( بريزوبيوم+ بقوالت گياهان عالي -ميكروب

آزوال+ آنابنا علفهاي آبي -سيانوباكتريها

اانتروباكتره+ ترميتس سايرين

آمونيفيكاسيونAmmonification

( nitrogen mineralization)

پروتئين هاي آلي و ازت آلي NH3 , NH4+

جذب نيتروژنAssimilationNitrogen

به پروتئين آمونياك يا تركيبات نيترات توسط گياهان جذب و تبديلوفيك همچنين اين عمل توسط ميكروارگانيسم هاي اتوتر. مي شود

.و هتروتروفيك انجام مي شود,NO3پروتئين آلي NH4

+

واحد نیتروژن نیاز 10واحد کربن جذب شده، به 100سلولها به ازای هر

(C/N=10نسبت .)دارند

(آمونياك سازي)معدني شدن نيتروژن(Ammonification)

تبديل تركيبات نيتروژن آلي به اشكال غيرآلي است. تري، باك)اين فرآيند توسط انواع زيادي از ميكروارگانيسم ها

.انجام مي شود( اكتينوميست ها، قارچها پروتئين ها طبق مراحل زير بهNH4

:معدني مي شود +پروتئين به

NH4آمين زدايي و تبديل به اسيدهاي آمينه پروتئين +

NH4در محيط هاي آبي اسيدي و خنثي غلبه دارد كه با +

. غلبه يافته و در اتمسفر آزاد مي شودpH ،NH3افزايش

Nitrificationنیتریفکاسیون

ر حضور دراين فرايند تعدادي از باكتريهاي شيميواتوتروف ، يونهاي آمونيوم را د.اكسيژن به نيتريت و نهايتا به نيترات تبديل مي كنند

:نيتريفكاسيون داراي دو مرحله استNH4

+ + 1.5O2 NO2- + 2H+ + H2O PH= 7.5 – 8

NO2- + 0.5 O2 NO3

-

:معاد الت رشد سنيتكي يا سنتزي باكتريهاي نيترات ساز4 CO2 +HCO3 + NH4

+ + H2O C5H7O2N +5 O2

NH4+ + 1.83 O2 + 1.98 HCO3

- 0.021C5H7O2N + 0.98 NO3

- + 1.88H2CO3 +1.041 H2O

نيتريفيكاسيونرات توسط عمل نيتريفيكاسيون عبارت است از تبديل آمونيوم به نيت

.ميكروبها:اين فرايند توسط دو دسته ميكروارگانيزمها انجام مي شود

NO2به NH4تبديل 1.

2NH4 + O2 2NH2OH + 2H NH4+ 1.5 O2 NO2+2H+H2O+275kj

تروزوسپيرا، اکسيد کننده شامل نيتروزوموناس، نيتروزوکوکوس، نينيتروزولوبوس و نيتروباکتر

NO3به NO2تبدیل . 2

NO2+ 0.5 O2 N03+75KJ

نیتروباکتر، نیتروسپیرا و نیتروکوکوس

:هندميكرو ارگانسيم هاي كه مي توانند عمل نيتريفكاسيون را انجام د

باسيلوسآرتوباكتركلرالنوكاردياوم مايكو باكتري

آسپرژيلوسويبريوسودوموناسنيتروزموناسنيتروباكتر

و نیتروباکترترکیب ساختار اصلی و اساس فیزیولوژیکی نیتروزوموناس

نيتروباكترنيتروزوموناسمشخصهCO2: مواد غير آليCO2: مواد غير آليمنبع كربن

(مارپيچي) كوكوس(لميله اي شك) باسيلوس شكل سلول1-5/05/0–5/1اندازه سلول

نداردداردتحرك

هوازي محضهوازي محضاكسيژن مورد نياز

PH5/8–8/55/8–5/6محدوده

جوانه زدنتقسيم دوتايينوع توليد مثل

درجه سانتي گراد5–40درجه سانتي گراد5–30محدوده درجه حرارت

04/0–13/0لجن توليده شده NH4پوند از سلول در اكسيداسيون

+

07/0–02/0NH4پوند از سلول در اكسيداسيون

+

نیتریفکاسیوننابراين مرحله ب. ميزان رشد نيتروباكتر باالتر از نيتروزوموناس است

ك به محدود كننده در واكنش نيتريفكاسيون تبديل آمونيا.نيتريت توسط نيتروزوموناس است

ظت باكتريهاي نيترات نسبت به مقدار موجود مواد غذايي، غليتريت اكسيژن و وجود مواد سمي حساسترند ولي باكتريهاي ن

.به كاهش دما حساسيت بيشتري نشان مي دهنده در واحدهاي تصفيه خانه فاضالب اكسيژن عامل محدود كنند

.است ، كه رشد نيترات سازها را كنترل مي نمايد

در محيط هاي درحال نيترات سازي ، نيتروزموناس به تعداد .بيشتري نسبت به نيتروباكتر وجود دارد

نیتریفکاسیونك فرآيند اكسيداسيون آمونيوم به نيتريت و سپس به نيترات ي

اين انرژي جهت جذب و مصرف دي . انرژي زا است.اكسيدكربن به كار مي روند

ن، بي كربن مورد نياز براي نيترات سازها توسط دي اكسيدكرب.كربنات و يا كربنات تامين مي شود

براي خنثي سازي نيتريفيكاسيون با حضور اكسيژن و قليائيت كافي.يونهاي هيدروژن توليدشده مي شود

به ازاي ( ميليگرم4/57)ميليگرم4/6اكسيژن مورد نياز تئوريكي، .مي باشد(برحسب نيتروژن)هر ميلي گرم آمونيوم

نیتریفکاسیوننيترات سازها هوازي اجباري هستند، هرچند در مقايسه با

.يژن دارندباكتريهاي هتروتروفيك هوازي تمايل كمتري به اكسن عمل اكثر نيترات سازي توسط اتوتروف ها انجام مي شود اما اي

ر نظي)در مقياس كمتر توسط باكتريهاي هتروتروفيك .انجام مي شود( مثال آسپرژيلوس)و قارچها ( آرتروباكتر

آمونيوم اين ميكروارگانيسم ها منابع كربن آلي را استفاده كرده و.را به نيترات اكسيد مي كنند

شرایط بهینه جهت نیتریفکاسیون

محدوده مناسب شرايطPH8/4–7/2دامنه 15–35درجه سانتي گرادمحدوده دما 30درجه سانتي گراددماي بهينه

1<اكسيژن محلول در حداكثر جريان

MLVSS mg/l1500-12005كمتر از فلزات سنگين ممانعت كننده

mg/l4/6اكسيژن مورد نياز

عوامل کنترل کننده نيتريفيكاسيون

غلظت آمونياك به نيتريت-غلظت اکسيژن--PHدرجه حرارت-BOD5/TKNنسبت-

مواد شيميايي سمي-

عال بخوبي اكسيژن بايستي در تانك هوادهي يك سيستم لجن ف.دميلي گرم بر ليتر باش2پخش شده و مقدار آن نبايد كمتر از

ائيت از در اثر اكسيداسيون آمونياك توسط نيترات سازها، قلي.بين مي رود

ميليگرم 7/14به ازاء هر ميلي گرم ازت به شكل آمونيوموم وجود پس لز. قليائيت برحسب كربنات كلسيم الزم است

.) ريفيكاسيونقليائيت براي متعادل كردن اسيديته توليدي در نيت(مي باشد10در عمل

افتpH را مي توان توسط هوادهي و حذفco2 جبرانكرد

ر استسميت مواد براي نيتروزموناس بيشتر از نيتروباكت.

BOD5/TKNنسبت

مي با افزايش اين قسمت بخش ارگانيزم هاي نيترات ساز كاهش.يابد

فيكاسيون نيتري-اين نسبت در فرايندهاي مركب اكسيداسيون كربن. مي باشد5بزرگتر از

3نه كمتر از اين نسبت در فرايندهاي نيتريفيكاسيون با مرحله جداگا. مي باشد

نیتریفکاسیونك فرآيند اكسيداسيون آمونيوم به نيتريت و سپس به نيترات ي

اين انرژي جهت جذب و مصرف دي . انرژي زا است.اكسيدكربن به كار مي روند

ن، بي كربن مورد نياز براي نيترات سازها توسط دي اكسيدكرب.كربنات و يا كربنات تامين مي شود

براي خنثي سازي نيتريفيكاسيون با حضور اكسيژن و قليائيت كافي.يونهاي هيدروژن توليدشده مي شود

ميليگرم به ازاي هر ميلي گرم 4/6اكسيژن مورد نياز تئوريكي، .مي باشد(برحسب نيتروژن)آمونيوم

دنیتریفکاسیونDenitrification

ورت ازت يك فرايند بيولوژيكي است كه در اين فرايند نيترات به ص.احيا مي شود و در يك شرايط بي هوازي صورت مي گيرد

NO3- + 0.33 CH3OH NO2

- + 0.33 CO2 + 0.67 H2O

NO2- + 0.5 CH3OH 0.5 N2 + 0.52 CO2 + 0.5 H20 + OH-

.توليد مي شود-OHدر فرايند دي نيتريفكاسيون قليائيت بيشتر مي شود چون mg/l3/6 قليائيتCaco3به ازايmg 1در.)نيترات حذف شده توليد ميشود

(ريفيكاسيونمي باشد يعني توليد نصف قليائيت مصرفي در طي نيت3عمل . دآزاد شدن گاز ازت محصول اغلب فرآيندهاي دنيتريفيكاسيون مي باش

دنيتريفيكاسيون

ميكروبيولوژي دنيتريفيكاسيونرات جذب شده بوسيله اين مكانيسم نيت: احياء اسيميالتوري نيترات-

ونيوم تبديل توسط گياهان و ميكروارگانيزمها به نيتريت و سپس امو استفاده از آن در ساختمان پروتئين ها و اسيدهاي. مي شود

نوکلئيکبي هوازي اين فرايند يک تنفس: احياء ديسيميالتوري نيترات-

.ندبعنوان پذيرنده الكترون عمل مي کNO3است که بوسيله آن

مراحل دنيتريفيكاسيون

No3 NO2 NO N2O N2

نوزا، فلورنس، آئروژي)شايع ترين جنس هاي شامل پسودوموناس .و آلكالي ژنز مي باشد( دنيتريفيكانس

عوامل کنترل کننده دنيتريفيكاسيون

غلظت نيترات-شرايط بي اکسيژن-وجود مواد آلي-PHمقدار -

دما-مواد شيميايي سمي-تاثير فلزات ناچيز-

چرخه نیتروژن

چرخه نیتروژن