تحقیق در مورد مکانیسم تبدیل و عوامل موثر بر تبدیل نیتروژن آلی به نیتروژن آمونیاکی

در چرخه نیتروژن سیستم های تصفیه فاضلاب و محیط های آبی طبیعی، تبدیل نیتروژن آلی به نیتروژن آمونیاکی یکی از فرآیندهای اصلی است. این فرآیند که به عنوان آمونیفیکاسیون شناخته می شود، به عنوان یک مرحله اساسی در تبدیل نیتروژن عمل می کند و مستقیماً بر کارایی نیتروژن زدایی بعدی و سایر واکنش های حذف نیتروژن تأثیر می گذارد. نقش مهمی در کنترل آلودگی نیتروژن در آب دارد. نیتروژن آلی به طور گسترده در فاضلاب های خانگی، فاضلاب های صنعتی و آب های طبیعی وجود دارد و منابع اولیه آن شامل ترکیبات آلی حاوی نیتروژن مانند پروتئین ها، اسیدهای آمینه، اوره، اسیدهای نوکلئیک و مواد هیومیک است. این مواد باید از طریق فرآیندهای متابولیک میکروبی تجزیه شوند و در نهایت به نیتروژن آمونیاکی (ce{NH3-N} یا ce{NH^{+}_{4}-N}) تبدیل شوند، که سپس در مهاجرت و تبدیل نیتروژن بعدی شرکت می‌کند.
 
1. فرآیند اصلی تبدیل نیتروژن آلی به نیتروژن آمونیاکی - آمونیفیکیشن
 
آمونیفیکاسیون به واکنش بیوشیمیایی اطلاق می شود که در آن گروه های حاوی نیتروژن در ترکیبات آلی نیتروژن به تدریج تحت کاتالیز میکروارگانیسم ها تجزیه می شوند و در نهایت نیتروژن آمونیاکی آزاد می شود. بسته به نوع میکروارگانیسم های درگیر و شرایط واکنش، آمونیفیکیشن را می توان به آمونیفیکیشن هوازی و بی هوازی تقسیم کرد. اگرچه مسیرهای واکنش و میکروارگانیسم های غالب آنها متفاوت است، محصولات نهایی عمدتاً از نیتروژن آمونیاکی تشکیل شده اند.
 
آمونیفیکاسیون در شرایط هوازی
 
آمونیفیکاسیون هوازی فرآیندی است که طی آن میکروارگانیسم های هوازی ترکیبات نیتروژن آلی را در محیطی غنی از اکسیژن اکسید و تجزیه می کنند. دارای سرعت واکنش سریع و راندمان تبدیل بالا است که به عنوان شکل اولیه تبدیل نیتروژن آلی در مرحله هوازی تصفیه فاضلاب (مانند مخزن هوادهی در فرآیند لجن فعال) عمل می کند.
 
مسیرهای تبدیل نیتروژن آلی پروتئینی
پروتئین یکی از رایج ترین آلاینده های نیتروژن آلی در آب است و تبدیل آن به نیتروژن آمونیاکی شامل دو واکنش کلیدی است. اولین مرحله هیدرولیز پروتئین است که توسط پروتئازهای ترشح شده توسط میکروارگانیسم های هوازی کاتالیز می شود که مولکول های پروتئینی بزرگ را به پلی پپتیدها و اسیدهای آمینه کوچکتر تجزیه می کند. پروتئازها، از جمله تریپسین و پپسین، در جدا کردن پیوندهای پپتیدی در مولکول‌های پروتئین دارای ویژگی هستند. مرحله دوم دآمیناسیون اسید آمینه است، فرآیند اصلی آمونیفیکاسیون، که در آن اسیدهای آمینه، تحت عمل دآمیناز، گروه آمینو (NH2) خود را از طریق دآمیناسیون اکسیداتیو، دآمیناسیون کاهشی یا دآمیناسیون هیدرولیتیک از دست می دهند و آن را به نیتروژن آمونیاکی تبدیل می کنند.
با در نظر گرفتن دآمیناسیون اکسیداتیو به عنوان مثال، واکنش آن را می توان به صورت زیر نشان داد:
ce{R-CH(NH2)-COOH + O2 -> R-CO-COOH + NH3}
آمونیاک (ce{NH3}) تولید شده توسط واکنش با یون های هیدروژن در آب ترکیب می شود و یون های آمونیوم (ce{NH^{+}_{4}}) را تشکیل می دهد. نسبت بین این دو به pH آب بستگی دارد. هنگامی که pH قلیایی است، آمونیاک (ce{NH3}) غالب است. وقتی PH اسیدی است، یون‌های آمونیوم (ce{NH^{+}_{4}}) غالب می‌شوند.

2. مسیرهای تبدیل نیتروژن آلی در ترکیبات اوره
اوره جزء مهمی از نیتروژن آلی در فاضلاب خانگی است. فرآیند آمونیفیکاسیون آن توسط اوره آز کاتالیز می شود، در شرایط ملایم رخ می دهد و به سرعت در یک محیط هوازی ادامه می یابد. اوره آز پیوند آمید موجود در مولکول اوره را می شکند و مستقیماً آن را به نیتروژن آمونیوم و دی اکسید کربن تجزیه می کند. معادله واکنش به صورت زیر است:
ce{CO(NH2)2 + H2O -> 2NH3 + CO2}
این واکنش نیازی به مرحله میانی اسید آمینه ندارد، راندمان تبدیل بسیار بالایی را نشان می دهد و به عنوان یکی از منابع اولیه نیتروژن آمونیاکی در فاضلاب خانگی عمل می کند.

(2) آمونیفیکاسیون در شرایط بی هوازی

آمونیفیکاسیون بی هوازی فرآیندی است که طی آن میکروارگانیسم های بی هوازی یا اختیاری ترکیبات نیتروژن آلی را در محیطی بدون اکسیژن تخمیر و تجزیه می کنند که معمولاً در مراحل بی هوازی تصفیه فاضلاب (مانند هاضم کننده های بی هوازی)، رسوبات و توده های آبی کم اکسیژن اتفاق می افتد. در مقایسه با آمونیفیکاسیون هوازی، آمونیفیکاسیون بی هوازی با سرعت کمتری انجام می شود و با تولید گازهایی مانند متان و سولفید هیدروژن همراه است.
تجزیه نیتروژن آلی توسط میکروارگانیسم های بی هوازی نیز با هیدرولیز ترکیبات آلی درشت مولکولی مانند پروتئین ها آغاز می شود که توسط پروتئازهای بی هوازی به اسیدهای آمینه تجزیه می شوند. متعاقباً، اسیدهای آمینه از طریق دآمیناسیون احیا کننده یا دآمیناسیون تخمیری نیتروژن آمونیاکی را آزاد می کنند. با در نظر گرفتن دآمیناسیون تقلیلی به عنوان مثال، معادله واکنش به صورت زیر است:
ce{R-CH(NH2)-COOH + 2H -> R-CH2-COOH + NH3}
علاوه بر این، در محیط های بی هوازی، ترکیبات آلی نیتروژن پیچیده مانند اسیدهای نوکلئیک و هوموس نیز می توانند به تدریج توسط میکروارگانیسم ها تجزیه شوند و نیتروژن آمونیاکی آزاد کنند. با این حال، فرآیند تبدیل پیچیده تر است و شامل عملکرد هم افزایی آنزیم های متعدد است.

II. گروه های میکروبی عمده درگیر در آمونیفیکیشن

ماهیت آمونیفیکاسیون فرآیند متابولیک میکروارگانیسم ها است که شامل طیف متنوعی از گونه های میکروبی از جمله باکتری ها، قارچ ها، اکتینومیست ها و غیره است. میکروارگانیسم های مختلف در توانایی خود برای تجزیه نیتروژن آلی و سازگاری با شرایط محیطی تفاوت هایی را نشان می دهند.

```(1) گروه های باکتریایی```

باکتری ها میکروارگانیسم های غالب در آمونیفیکیشن هستند که در درجه اول به دو نوع هوازی و بی هوازی تقسیم می شوند. باکتری‌های آمونیه‌کننده هوازی شامل جنس‌هایی مانند Bacillus، Pseudomonas و Proteus هستند که به سرعت در شرایط هوازی تکثیر می‌شوند و فعالیت پروتئاز و دآمیناز بالایی از خود نشان می‌دهند و باعث تجزیه پروتئین و اسید آمینه کارآمد می‌شوند. باکتری های بی هوازی آمونیه کننده با جنس هایی مانند کلستریدیوم و متانوژن ها نشان داده می شوند. کلستریدیوم می تواند پروتئین ها را در شرایط بی هوازی تجزیه کند تا نیتروژن آمونیاکی و اسیدهای آلی تولید کند، در حالی که متانوژن ها از ترکیبات نیتروژن آلی ساده برای تخمیر بیشتر استفاده می کنند و در واکنش های آمونیفیکیشن شرکت می کنند.

(2) گونه های قارچی و اکتینومیست
 
قارچ ها و اکتینومیست ها همچنین نقش مهمی در تبدیل نیتروژن آلی به ویژه در تصفیه فاضلاب حاوی نیتروژن آلی پیچیده مانند فاضلاب چاپ و رنگرزی و فاضلاب دارویی دارند. قارچ هایی مانند آسپرژیلوس و پنی سیلیوم می توانند آنزیم های مختلف خارج سلولی را برای تجزیه نیتروژن آلی متصل در ترکیبات آلی مقاوم مانند سلولز و لیگنین ترشح کنند. استرپتومایسس، سرده ای از اکتینومیست ها، توانایی بالایی در تجزیه نیتروژن آلی هیومیک دارد. آنزیم های تولید شده توسط متابولیسم آنها می توانند ساختار پایدار مواد هیومیک را بشکنند و نیتروژن آمونیاکی را آزاد کنند.
 
3، عوامل کلیدی موثر بر تبدیل نیتروژن آلی به نیتروژن آمونیاکی
 
راندمان آمونیفیکاسیون تحت تأثیر عوامل مختلف محیطی و ویژگی های بستر است. در سیستم های تصفیه فاضلاب، تنظیم این عوامل می تواند به طور موثر نرخ تبدیل نیتروژن آلی به نیتروژن آمونیاکی را بهبود بخشد و شرایط مساعدی را برای نیتریفیکاسیون و نیترات زدایی بعدی ایجاد کند.
 
(1) دما
 
دما عامل اصلی مؤثر بر فعالیت آنزیم میکروبی است که مستقیماً میزان واکنش آمونیفیکاسیون را تعیین می کند. دمای مناسب رشد برای آمونیه کردن میکروارگانیسم ها 20 ℃ -35 ℃ است. در این محدوده دما، فعالیت آنزیم بالا است و سرعت واکنش آمونیفیکیشن با افزایش دما تسریع می‌شود. هنگامی که درجه حرارت زیر 10 درجه سانتیگراد است، سرعت متابولیسم میکروارگانیسم ها به طور قابل توجهی کاهش می یابد، فعالیت آنزیم مهار می شود و راندمان آمونیفیکاسیون به طور قابل توجهی کاهش می یابد. هنگامی که درجه حرارت از 40 درجه بالاتر می رود، پروتئین های آنزیمی در سلول های میکروبی دچار دناتوره شدن می شوند که منجر به رکود واکنش آمونیفیکیشن می شود. در تصفیه فاضلاب واقعی، اغلب لازم است که زمان نگهداری هیدرولیک افزایش یابد یا غلظت لجن در شرایط دمای پایین در زمستان افزایش یابد تا کاهش راندمان آمونیفیکیشن جبران شود.
 
(2) مقدار PH
 
مقدار pH به طور غیرمستقیم با تأثیر بر محیط رشد و فعالیت آنزیمی میکروارگانیسم ها بر آمونیفیکیشن تأثیر می گذارد. محدوده pH مناسب برای میکروارگانیسم های هوازی آمونیزه کننده 6.5-8.0 است که در طی آن فعالیت های پروتئاز و دآمیناز میکروارگانیسم ها بالاترین میزان است. هنگامی که مقدار pH کمتر از 5.5 یا بالاتر از 9.0 باشد، ساختار فضایی آنزیم مختل می شود، رشد میکروبی مهار می شود و واکنش آمونیفیکاسیون با مشکل مواجه می شود. میکروارگانیسم‌های آمونیه‌کننده بی‌هوازی دارای محدوده سازگاری نسبتاً وسیعی با مقادیر pH هستند، با محدوده pH مناسب 6.0-7.5. یک محیط کمی اسیدی برای متابولیسم تخمیر باکتری های آمونیفیک بی هوازی مساعدتر است. علاوه بر این، مقدار pH همچنین می‌تواند بر شکل نیتروژن آمونیاکی تأثیر بگذارد، که به نوبه خود بر عرضه بستر برای واکنش‌های نیتریفیکاسیون بعدی تأثیر می‌گذارد.
 
(3) اکسیژن محلول (DO)
 
اکسیژن محلول یک شرط کلیدی برای تشخیص آمونیفیکیشن هوازی از آمونیفیکیشن بی هوازی است. در یک محیط هوازی، غلظت اکسیژن محلول باید در 2mg/L-4mg/L حفظ شود تا نیازهای تنفسی میکروارگانیسم‌های آمونیفیکیشن هوازی برآورده شود. در این زمان، آمونیفیکاسیون هوازی غالب است و راندمان تبدیل بالا است. هنگامی که غلظت اکسیژن محلول کمتر از 0.5 میلی گرم در لیتر باشد، فعالیت میکروارگانیسم های هوازی مهار می شود و میکروارگانیسم های آمونیفیکیشن بی هوازی به گروه میکروبی غالب تبدیل می شوند و در نتیجه سرعت واکنش آمونیفیکیشن کندتر می شود. در فرآیندهایی مانند A²/O و خندق اکسیداسیون در تصفیه فاضلاب، فرآیند هم افزایی آمونیفیکیشن نیتروژن آلی، نیتریفیکاسیون و نیترات زدایی را می توان با کنترل غلظت اکسیژن محلول در مناطق مختلف به دست آورد.

(4) انواع و غلظت سوبستراهای نیتروژن آلی
 
نوع و غلظت ماتریس نیتروژن آلی به طور مستقیم بر سرعت و درجه آمونیفیکاسیون تأثیر می گذارد. ترکیبات نیتروژن آلی مولکولی کوچک (مانند اسیدهای آمینه و اوره) می توانند مستقیماً توسط میکروارگانیسم ها جذب و مورد استفاده قرار گیرند، با سرعت تبدیل آمونیفیکیشن سریع. ترکیبات نیتروژن آلی مولکولی بزرگ (مانند پروتئین ها و اسیدهای نوکلئیک) باید تحت واکنش های هیدرولیز قرار گیرند تا به مواد مولکولی کوچک با دوره تبدیل طولانی تر تجزیه شوند. علاوه بر این، هنگامی که غلظت نیتروژن آلی بیش از حد بالا باشد، می تواند باعث عدم تعادل در فشار اسمزی سلول های میکروبی شود و رشد میکروبی را مهار کند. وقتی غلظت خیلی کم باشد، نمی تواند تغذیه کافی برای میکروارگانیسم ها فراهم کند و راندمان واکنش آمونیفیکاسیون پایین است. در مهندسی عملی، برای فاضلاب نیتروژن آلی با غلظت بالا، فرآیندهای پیش تصفیه (مانند اسیدی شدن هیدرولیز) اغلب برای تجزیه نیتروژن آلی مولکولی بزرگ به مواد مولکولی کوچک استفاده می شود و در نتیجه کارایی عملیات آمونیفیکیشن بعدی را بهبود می بخشد.
 
(5) ساختار جامعه میکروبی
 
تنوع و فراوانی جوامع میکروبی عوامل بیولوژیکی اصلی موثر بر آمونیاکاسیون هستند. هنگامی که تنوع میکروارگانیسم‌های آمونیه‌کننده در سیستم فراوان باشد و تعداد گروه‌های باکتریایی غالب کافی باشد، بازده تجزیه و تبدیل نیتروژن آلی بالاتر است. برعکس، اگر ساختار جامعه میکروبی منفرد باشد یا مواد بازدارنده (مانند فلزات سنگین، ترکیبات آلی سمی) وجود داشته باشد که باعث مرگ جوامع میکروبی غالب شود، آمونیفیکاسیون به شدت تحت تاثیر قرار خواهد گرفت. در طول مرحله راه اندازی سیستم تصفیه فاضلاب، جوامع میکروبی آمونیفیک کارآمد را می توان به سرعت با افزودن عوامل آمونیفیک یا تلقیح لجن بالغ ایجاد کرد و چرخه راه اندازی سیستم را کوتاه کرد.
 
4، اهمیت زیست محیطی و مهندسی تبدیل نیتروژن آلی به نیتروژن آمونیاکی
 
تبدیل نیتروژن آلی به نیتروژن آمونیاکی یک پیوند کلیدی در چرخه نیتروژن است و هم در محیط های طبیعی و هم در پروژه های تصفیه فاضلاب اهمیت قابل توجهی دارد.
در آب های طبیعی، نیتروژن آمونیاکی تولید شده توسط آمونیاکاسیون می تواند منابع نیتروژن را برای فیتوپلانکتون ها، جلبک ها و غیره فراهم کند و چرخه مواد اکوسیستم های آبی را ارتقا دهد. با این حال، نیتروژن آمونیاک بیش از حد می تواند منجر به اوتروفیکاسیون بدنه های آبی شود و باعث ایجاد مشکلات زیست محیطی مانند شکوفایی جلبک ها و جزر و مد قرمز شود. در مهندسی تصفیه فاضلاب، آمونیفیکاسیون یک مرحله پیش نیاز برای نیترات زدایی بیولوژیکی است. تنها با تبدیل مؤثر نیتروژن آلی به نیتروژن آمونیاکی می توان بسترهای کافی برای واکنش های نیتریفیکاسیون بعدی (نیتروژن آمونیاکی تبدیل به نیتروژن نیترات) و واکنش های نیتروژن زدایی (نیتروژن نیترات تبدیل به نیتروژن) فراهم کرد و به حذف کامل نیتروژن دست یافت. علاوه بر این، در فرآیند هضم بی‌هوازی، نیتروژن آمونیاکی تولید شده توسط آمونیفیکاسیون می‌تواند اسیدهای آلی تولید شده در طول فرآیند هضم را خنثی کند، ثبات pH سیستم را حفظ کرده و از پیشرفت روان هضم بی‌هوازی اطمینان حاصل کند.

V. نتیجه گیری
 
تبدیل نیتروژن آلی به نیتروژن آمونیاکی یک فرآیند پیچیده میکروبی است که تحت تأثیر عوامل متعددی مانند دما، مقدار pH، اکسیژن محلول و خواص بستر قرار دارد. درک عمیق مکانیسم و ​​عوامل تأثیرگذار آمونیفیکاسیون اهمیت نظری و عملی مهمی برای بهینه‌سازی فرآیندهای تصفیه فاضلاب و بهبود راندمان حذف بیولوژیکی نیتروژن دارد. با بهبود مستمر الزامات حاکمیت محیط آبی، مطالعه بیشتر مکانیسم تنظیم متابولیک میکروارگانیسم‌های آمونیه‌کننده، توسعه عوامل باکتریایی آمونیفی‌کننده کارآمد و استراتژی‌های بهینه‌سازی فرآیند در آینده، و ارائه پشتیبانی فنی قوی‌تر برای حل مشکل آلودگی نیتروژن در بدنه‌های آبی ضروری است.