En el ciclo del nitrógeno de los sistemas de tratamiento de aguas residuales y de los ambientes acuáticos naturales, la conversión del nitrógeno orgánico en nitrógeno de amoníaco es uno de los procesos centrales.conocido como amonificación, sirve como un paso fundamental en la transformación del nitrógeno, influyendo directamente en la eficiencia de la desnitrificación posterior y otras reacciones de eliminación del nitrógeno.Desempeña un papel fundamental en el control de la contaminación por nitrógeno en las masas de aguaEl nitrógeno orgánico está ampliamente presente en aguas residuales domésticas, aguas residuales industriales y cuerpos de agua naturales, y sus fuentes primarias incluyen compuestos orgánicos que contienen nitrógeno, como las proteínas,aminoácidos, la urea, los ácidos nucleicos y las sustancias húmicas. Estas sustancias deben descomponerse mediante procesos metabólicos microbianos, convirtiéndose finalmente en nitrógeno de amoníaco (ce{NH3-N} o ce{NH^{+}_{4}-N}),que luego participa en la posterior migración y transformación del nitrógeno.
1Proceso básico de conversión del nitrógeno orgánico en amoníaco
La amonificación se refiere a la reacción bioquímica en la que los grupos que contienen nitrógeno en los compuestos orgánicos de nitrógeno se descomponen gradualmente bajo la catálisis de microorganismos,en última instancia, liberando nitrógeno de amoníacoDependiendo de los tipos de microorganismos involucrados y de las condiciones de reacción, la amonificación puede clasificarse en amonificación aeróbica y anaeróbica.Aunque sus vías de reacción y los microorganismos dominantes difieren, los productos finales consisten principalmente en nitrógeno de amoníaco.
Ammonización en condiciones aeróbicas
La amonificación aeróbica es el proceso por el cual los microorganismos aeróbicos oxidan y descomponen compuestos orgánicos de nitrógeno en un ambiente rico en oxígeno.Cuenta con velocidades de reacción rápidas y alta eficiencia de conversión, que sirve como forma primaria de transformación de nitrógeno orgánico en la fase aeróbica del tratamiento de aguas residuales (como el tanque de aireación en el proceso de lodo activado).
Rutas de transformación del nitrógeno orgánico proteico
La proteína es uno de los contaminantes orgánicos de nitrógeno más comunes en las masas de agua, y su conversión en nitrógeno de amoníaco implica dos reacciones clave.catalizadas por proteasas secretadas por microorganismos aeróbicosLas proteasas, incluidas la tripsina y la pepsina, presentan especificidad en la división de enlaces peptídicos dentro de las moléculas de proteínas.El segundo paso es la desaminación de aminoácidos., el proceso básico de la amonificación, donde los aminoácidos, bajo la acción de la desaminasa, pierden su grupo amino (NH2) a través de la desaminación oxidativa, la desaminación reductora o la desaminación hidrolítica,convertido en nitrógeno de amoníaco.
Tomando como ejemplo la desaminación oxidativa, su reacción puede representarse como:
Se puede utilizar para la obtención de una mezcla de hidróxido de carbono y hidróxido de potasio.
El amoníaco (ce{NH3}) generado por la reacción se combina con iones de hidrógeno en el agua para formar iones de amonio (ce{NH^{+}_{4}}).Cuando el pH es alcalinoCuando el pH es ácido, predominan los iones de amonio (ce{NH^{+}_{4}}).
2Rutas de transformación del nitrógeno orgánico en compuestos de urea
La urea es un componente importante del nitrógeno orgánico en las aguas residuales domésticas.que se producen en condiciones suaves y se desarrollan rápidamente en un entorno aeróbicoLa ureasa rompe el enlace amida en la molécula de urea, descomponéndola directamente en nitrógeno amonio y dióxido de carbono.
El contenido de dióxido de carbono en el agua es el equivalente a la cantidad de dióxido de carbono en el agua
Esta reacción no requiere una etapa intermedia de aminoácidos, exhibe una eficiencia de conversión extremadamente alta y sirve como una de las principales fuentes de nitrógeno de amoníaco en las aguas residuales domésticas.
(2) Ammonización en condiciones anaeróbicas
La amonificación anaeróbica es el proceso por el que los microorganismos anaeróbicos o anaeróbicos facultativos fermentan y descomponen los compuestos orgánicos de nitrógeno en un ambiente sin oxígeno.que se producen comúnmente en las fases anaeróbicas del tratamiento de aguas residuales (como los digestores anaeróbicos)En comparación con la amonificación aeróbica, la concentración de amonio en el agua es mucho menor que en el agua.La amonificación anaeróbica se produce a un ritmo más lento y se acompaña de la producción de gases como el metano y el sulfuro de hidrógeno..
La descomposición del nitrógeno orgánico por microorganismos anaeróbicos también comienza con la hidrólisis de compuestos orgánicos macromoleculares, como las proteínas,que se descomponen en aminoácidos por las proteasas anaeróbicasPosteriormente, los aminoácidos liberan nitrógeno de amoníaco a través de la desaminación reductiva o la desaminación fermentativa.
Se utiliza el método de la composición de las partículas de carbono de los hidrocarburos.
Además, en entornos anaeróbicos, los compuestos orgánicos de nitrógeno complejos como los ácidos nucleicos y el humus también pueden descomponerse gradualmente por microorganismos, liberando nitrógeno de amoníaco.el proceso de conversión es más complejo e implica la acción sinérgica de múltiples enzimas.
II. Principales grupos microbianos implicados en la amonificación
La esencia de la amonificación es el proceso metabólico de los microorganismos, que involucra una amplia gama de especies microbianas, incluidas bacterias, hongos, actinomicetos y más.Los diferentes microorganismos presentan variaciones en su capacidad de descomponer nitrógeno orgánico y su adaptabilidad a las condiciones ambientales.
` ` (1) Grupos de bacterias
Las bacterias son los microorganismos dominantes en la amonificación, clasificadas principalmente en tipos aeróbicos y anaeróbicos.y Proteo, que proliferan rápidamente en condiciones aeróbicas y presentan una alta actividad de proteasas y deaminasas, lo que permite una descomposición eficiente de proteínas y aminoácidos.Las bacterias amonificantes anaeróbicas están representadas por géneros como Clostridium y metanógenosEl Clostridium puede descomponer las proteínas en condiciones anaeróbicas para producir nitrógeno de amoníaco y ácidos orgánicos.mientras que los metanógenos utilizan compuestos orgánicos simples de nitrógeno para una fermentación posterior y participan en reacciones de amonificación.
(2) Taxones de hongos y actinomicetos
Los hongos y los actinomicetos también desempeñan un papel importante en la conversión de nitrógeno orgánico, especialmente en el tratamiento de aguas residuales que contienen nitrógeno orgánico complejo,como las aguas residuales de impresión y teñido y las aguas residuales farmacéuticasLos hongos como Aspergillus y Penicillium pueden secretar varias enzimas extracelulares para descomponer el nitrógeno orgánico unido en compuestos orgánicos recalcitrantes como la celulosa y la lignina.un género de actinomicetosLas enzimas producidas por su metabolismo pueden romper la estructura estable de las sustancias húmicas y liberar nitrógeno de amoníaco.
3, Factores clave que afectan a la conversión del nitrógeno orgánico en nitrógeno amoníaco
La eficiencia de la amonificación está influenciada por diversos factores ambientales y características del sustrato.La regulación de estos factores puede mejorar eficazmente la tasa de conversión del nitrógeno orgánico en nitrógeno amoníaco, creando condiciones favorables para la posterior nitrificación y desnitrificación.
(1) Temperatura
La temperatura es el factor central que afecta a la actividad de las enzimas microbianas, determinando directamente la velocidad de la reacción de amonificación.La temperatura de crecimiento adecuada para los microorganismos amonificantes es de 20 °C a 35 °C.Dentro de este rango de temperatura, la actividad enzimática es alta y la velocidad de reacción de amoníacación se acelera con el aumento de la temperatura.la tasa metabólica de los microorganismos disminuye significativamente, la actividad enzimática se inhibe y la eficacia de la amonificación disminuye significativamente; cuando la temperatura excede los 40 °C, las proteínas enzimáticas de las células microbianas sufren desnaturalización,que conduce al estancamiento de la reacción de amonificaciónEn el tratamiento real de aguas residuales,a menudo es necesario prolongar el tiempo de retención hidráulica o aumentar la concentración de lodo en condiciones de baja temperatura en invierno para compensar la disminución de la eficiencia de la amonificación.
(2) Valor del pH
El valor del pH afecta indirectamente a la amonificación al influir en el entorno de crecimiento y la actividad enzimática de los microorganismos.0Cuando el valor del pH es inferior a 5,5 o superior a 9.0, la estructura espacial de la enzima se alterará, el crecimiento microbiano se inhibirá y la reacción de amonificación se verá obstaculizada.Los microorganismos amonificantes anaeróbicos tienen un rango de adaptabilidad relativamente amplio a los valores de pH, con un rango de pH adecuado de 6,0 a 7.5Un ambiente ligeramente ácido es más propicio para el metabolismo de fermentación de las bacterias amonificantes anaeróbicas.que a su vez afecta el suministro de sustrato para las reacciones de nitrificación posteriores.
(3) Oxígeno disuelto (DO)
El oxígeno disuelto es una condición clave para distinguir la amonificación aeróbica de la amonificación anaeróbica.La concentración de oxígeno disuelto debe mantenerse en 2 mg/L-4 mg/L para satisfacer las necesidades respiratorias de los microorganismos de amonificación aeróbica.En este momento, predomina la amonificación aeróbica y la eficiencia de conversión es alta; cuando la concentración de oxígeno disuelto es inferior a 0,5 mg/L, se inhibe la actividad de los microorganismos aeróbicos.y los microorganismos amonificantes anaeróbicos se convierten en el grupo microbiano dominanteEn procesos como el A 2/O y la fosa de oxidación en el tratamiento de aguas residuales, el proceso sinérgico de amonificación de nitrógeno orgánico, nitrificación,y la desnitrificación se puede lograr controlando la concentración de oxígeno disuelto en diferentes áreas.
(4) Tipos y concentraciones de sustratos orgánicos de nitrógeno
El tipo y la concentración de la matriz de nitrógeno orgánico afectan directamente a la tasa y al grado de amonificación.Los compuestos orgánicos de nitrógeno de moléculas pequeñas (como los aminoácidos y la urea) pueden ser absorbidos y utilizados directamente por los microorganismos, con una velocidad de conversión de amonificación rápida;Los compuestos orgánicos de nitrógeno de moléculas grandes (como las proteínas y los ácidos nucleicos) deben someterse a reacciones de hidrólisis para descomponerse en sustancias de molécula pequeñaAdemás, cuando la concentración de nitrógeno orgánico es demasiado alta, puede causar un desequilibrio en la presión osmótica de las células microbianas,Inhibición del crecimiento microbianoCuando la concentración es demasiado baja, no puede proporcionar suficiente nutrición a los microorganismos y la eficiencia de la reacción de amonificación es baja.para aguas residuales de nitrógeno orgánico de alta concentración, los procesos de pretratamiento (como la acidificación por hidrólisis) se utilizan a menudo para descomponer el nitrógeno orgánico molecular grande en sustancias moleculares pequeñas,Mejora de la eficiencia del tratamiento de amonificación posterior.
(5) Estructura de las comunidades microbianas
La diversidad y abundancia de las comunidades microbianas son los principales factores biológicos que afectan a la amonificación.Cuando la variedad de microorganismos amonificantes en el sistema es abundante y el número de grupos bacterianos dominantes es suficiente, la eficiencia de la descomposición y transformación del nitrógeno orgánico es mayor.si la estructura de la comunidad microbiana es única o hay sustancias inhibidoras (como metales pesados)En la fase de puesta en marcha del sistema de tratamiento de aguas residuales, la amonificación se verá gravemente afectada por la contaminación de las aguas residuales por compuestos orgánicos tóxicos que causan la muerte de las comunidades microbianas dominantes.Se pueden establecer rápidamente comunidades microbianas amonificantes eficientes mediante la adición de agentes amonificantes o la inoculación de lodos maduros., acortando el ciclo de puesta en marcha del sistema.
4, La importancia ambiental e ingeniería de la conversión de nitrógeno orgánico en nitrógeno de amoníaco
La conversión de nitrógeno orgánico en nitrógeno amoníaco es un eslabón clave en el ciclo del nitrógeno y tiene una importancia significativa tanto en los entornos naturales como en los proyectos de tratamiento de aguas residuales.
En las masas de agua naturales, el nitrógeno de amoníaco producido por la amonificación puede proporcionar fuentes de nitrógeno para el fitoplancton, las algas, etc., promoviendo el ciclo material de los ecosistemas acuáticos.el nitrógeno de amoníaco excesivo puede provocar la eutrofización de las masas de aguaEn la ingeniería de tratamiento de aguas residuales, la amonificación es un paso previo para la desnitrificación biológica. Only by efficiently converting organic nitrogen into ammonia nitrogen can sufficient substrates be provided for subsequent nitrification reactions (ammonia nitrogen converted to nitrate nitrogen) and denitrification reactions (nitrate nitrogen converted to nitrogen)Además, en el proceso de digestión anaeróbica,el nitrógeno de amoníaco producido por la amonificación puede neutralizar los ácidos orgánicos producidos durante el proceso de digestión, mantener la estabilidad del valor del pH del sistema y garantizar el fluido desarrollo de la digestión anaeróbica.
V. Conclusión
La conversión del nitrógeno orgánico en nitrógeno amoníaco es un proceso complejo mediado por microbios, influenciado por múltiples factores como la temperatura, el valor del pH, el oxígeno disuelto,y propiedades del sustrato. A deep understanding of the mechanism and influencing factors of ammonification has important theoretical and practical significance for optimizing sewage treatment processes and improving biological nitrogen removal efficiencyCon la mejora continua de los requisitos de gobernanza del medio ambiente acuático, es necesario estudiar más a fondo el mecanismo de regulación metabólica de los microorganismos amonificantes.desarrollar en el futuro agentes bacterianos amonizantes eficientes y estrategias de optimización de procesos, y proporcionar un mayor apoyo técnico para resolver el problema de la contaminación por nitrógeno en las masas de agua.
