Dalam siklus nitrogen sistem pengolahan air limbah dan lingkungan air alami, konversi nitrogen organik menjadi nitrogen amonia adalah salah satu proses inti.yang dikenal sebagai ammonifikasi, berfungsi sebagai langkah mendasar dalam transformasi nitrogen, secara langsung mempengaruhi efisiensi denitrifikasi berikutnya dan reaksi penghapusan nitrogen lainnya.Ini memainkan peran penting dalam mengendalikan polusi nitrogen di badan airnitrogen organik secara luas terdapat di air limbah rumah tangga, air limbah industri, dan benda air alami, dengan sumber utamanya termasuk senyawa organik yang mengandung nitrogen seperti protein,asam amino, urea, asam nukleat, dan zat humik. zat-zat ini harus terurai melalui proses metabolisme mikroba, akhirnya berubah menjadi nitrogen amonia (ce{NH3-N} atau ce{NH^{+}_{4}-N}),yang kemudian berpartisipasi dalam migrasi nitrogen berikutnya dan transformasi.
1Proses inti konversi nitrogen organik menjadi amonia nitrogen
Ammonifikasi mengacu pada reaksi biokimia di mana gugus yang mengandung nitrogen dalam senyawa nitrogen organik secara bertahap terurai di bawah katalisis mikroorganisme,akhirnya melepaskan amonia nitrogenTergantung pada jenis mikroorganisme yang terlibat dan kondisi reaksi, ammonifikasi dapat diklasifikasikan menjadi ammonifikasi aerobik dan anaerobik.Meskipun jalur reaksi mereka dan mikroorganisme dominan berbeda, produk akhir terutama terdiri dari nitrogen amonia.
Ammonifikasi dalam kondisi aerobik
Ammonifikasi aerobik adalah proses di mana mikroorganisme aerobik mengoksidasi dan membongkar senyawa nitrogen organik dalam lingkungan yang kaya oksigen.Ini memiliki kecepatan reaksi yang cepat dan efisiensi konversi yang tinggi, berfungsi sebagai bentuk utama transformasi nitrogen organik pada tahap aerobik pengolahan air limbah (seperti tangki aerasi dalam proses lumpur aktif).
Jalur transformasi nitrogen organik protein
Protein adalah salah satu polutan nitrogen organik yang paling umum di badan air, dan konversinya menjadi nitrogen amonia melibatkan dua reaksi utama.dikatalisis oleh protease yang disekresikan oleh mikroorganisme aerobik, yang memecah molekul protein besar menjadi polipeptida dan asam amino yang lebih kecil.Langkah kedua adalah deaminasi asam amino, proses inti dari ammonifikasi, di mana asam amino, di bawah tindakan deaminase, kehilangan gugus amino mereka (NH2) melalui deaminasi oksidatif, deaminasi reduksi, atau deaminasi hidrolisis,mengubahnya menjadi nitrogen amonia.
Mengambil deaminasi oksidatif sebagai contoh, reaksinya dapat direpresentasikan sebagai:
ce{R-CH(NH2)-COOH + O2 -> R-CO-COOH + NH3}
Amonia (ce{NH3}) yang dihasilkan oleh reaksi ini bergabung dengan ion hidrogen dalam air untuk membentuk ion amonia (ce{NH^{+}_{4}}).Ketika pH bersifat alkali, amonia (ce{NH3}) mendominasi; ketika pH asam, ion amonia (ce{NH^{+}_{4}}) mendominasi.
2. Jalur transformasi nitrogen organik dalam senyawa urea
Urea adalah komponen penting dari nitrogen organik dalam air limbah rumah tangga.terjadi dalam kondisi ringan dan berlangsung dengan cepat di lingkungan aerobikUrease memecah ikatan amida dalam molekul urea, langsung membongkarnya menjadi amonium nitrogen dan karbon dioksida.
ce{CO(NH2)2 + H2O -> 2NH3 + CO2}
Reaksi ini tidak memerlukan tahap perantara asam amino, menunjukkan efisiensi konversi yang sangat tinggi, dan berfungsi sebagai salah satu sumber utama nitrogen amonia di air limbah rumah tangga.
(2) Ammonifikasi dalam kondisi anaerob
Ammonifikasi anaerob adalah proses di mana mikroorganisme anaerob atau fakultatif anaerob mengfermentasi dan membongkar senyawa nitrogen organik dalam lingkungan bebas oksigen,sering terjadi pada tahap anaerobik pengolahan air limbah (seperti digester anaerobik)dibandingkan dengan ammonifikasi aerobik,Ammonifikasi anaerobik berlangsung pada tingkat yang lebih lambat dan disertai dengan produksi gas seperti metana dan hidrogen sulfida.
Penguraian nitrogen organik oleh mikroorganisme anaerob juga dimulai dengan hidrolisis senyawa organik makromolekuler, seperti protein,yang dipecah menjadi asam amino oleh protease anaerobSelanjutnya, asam amino melepaskan nitrogen amonia melalui deaminasi reduksi atau deaminasi fermentasi.
ce{R-CH(NH2)-COOH + 2H -> R-CH2-COOH + NH3}
Selain itu, dalam lingkungan anaerobik, senyawa nitrogen organik kompleks seperti asam nukleat dan humus juga dapat secara bertahap terurai oleh mikroorganisme, melepaskan nitrogen amonia.proses konversi lebih kompleks dan melibatkan tindakan sinergis dari beberapa enzim.
II. Kelompok Mikrobial Utama yang Terlibat dalam Ammonifikasi
Inti dari ammonifikasi adalah proses metabolisme mikroorganisme, yang melibatkan berbagai spesies mikroba, termasuk bakteri, jamur, aktinomiset, dan banyak lagi.Mikroorganisme yang berbeda menunjukkan variasi dalam kemampuan mereka untuk memecah nitrogen organik dan kemampuan mereka untuk beradaptasi dengan kondisi lingkungan.
` ` (1) Kelompok bakteri ` `
Bakteri adalah mikroorganisme dominan dalam ammonifikasi, terutama dikategorikan menjadi jenis aerobik dan anaerobik.dan Proteus, yang berkembang biak dengan cepat dalam kondisi aerobik dan menunjukkan aktivitas protease dan deaminase yang tinggi, memungkinkan dekomposisi protein dan asam amino yang efisien.Bakteri ammonifikasi anaerob diwakili oleh genus seperti Clostridium dan methanogensClostridium dapat membongkar protein dalam kondisi anaerob untuk menghasilkan nitrogen amonia dan asam organik,sementara methanogens menggunakan senyawa nitrogen organik sederhana untuk fermentasi lebih lanjut dan berpartisipasi dalam reaksi ammonifikasi.
(2) Takson jamur dan aktinomisit
Jamur dan aktinomiset juga memainkan peran penting dalam konversi nitrogen organik, terutama dalam pengolahan air limbah yang mengandung nitrogen organik kompleks,seperti air limbah pencetakan dan pewarnaan dan air limbah farmasiJamur seperti Aspergillus dan Penicillium dapat mengeluarkan berbagai enzim ekstraseluler untuk memecah nitrogen organik yang terikat ke dalam senyawa organik yang keras kepala seperti selulosa dan lignin; Streptomyces,genus actinomycetesEnzim yang dihasilkan oleh metabolisme mereka dapat memecah struktur stabil zat humik dan melepaskan nitrogen amonia.
3Faktor utama yang mempengaruhi konversi nitrogen organik menjadi nitrogen amoniac
Efisiensi ammonifikasi dipengaruhi oleh berbagai faktor lingkungan dan karakteristik substrat.Mengatur faktor-faktor ini dapat secara efektif meningkatkan tingkat konversi nitrogen organik menjadi nitrogen amonia, menciptakan kondisi yang menguntungkan untuk nitrifikasi dan denitrifikasi berikutnya.
(1) Suhu
Suhu adalah faktor inti yang mempengaruhi aktivitas enzim mikroba, secara langsung menentukan laju reaksi ammonifikasi.Suhu pertumbuhan yang cocok untuk mikroorganisme amonifikasi adalah 20 °C -35 °CDalam kisaran suhu ini, aktivitas enzim tinggi, dan laju reaksi ammonifikasi dipercepat dengan meningkatnya suhu.tingkat metabolisme mikroorganisme menurun secara signifikan, aktivitas enzim terhambat, dan efisiensi ammonifikasi menurun secara signifikan; Ketika suhu melebihi 40 °C, protein enzim dalam sel mikroba akan mengalami denaturasi,menyebabkan stagnasi reaksi ammonifikasiDalam pengolahan limbah yang sebenarnya,sering diperlukan untuk memperpanjang waktu retensi hidraulik atau meningkatkan konsentrasi lumpur dalam kondisi suhu rendah di musim dingin untuk mengkompensasi penurunan efisiensi ammonifikasi.
(2) Nilai PH
Nilai pH secara tidak langsung mempengaruhi ammonifikasi dengan mempengaruhi lingkungan pertumbuhan dan aktivitas enzim mikroorganisme.0, di mana aktivitas protease dan deaminase mikroorganisme tertinggi; Ketika nilai pH di bawah 5,5 atau di atas 9.0, struktur spasial enzim akan terganggu, pertumbuhan mikroba akan terhambat, dan reaksi ammonifikasi akan terhambat.Mikroorganisme ammonifikasi anaerob memiliki rentang adaptasi yang relatif luas terhadap nilai pH, dengan rentang pH yang cocok 6,0-7.5. Lingkungan yang sedikit asam lebih kondusif untuk metabolisme fermentasi bakteri ammonifikasi anaerob. Selain itu nilai pH juga dapat mempengaruhi bentuk nitrogen amonia,yang pada gilirannya mempengaruhi pasokan substrat untuk reaksi nitrifikasi berikutnya.
(3) Oksigen terlarut (DO)
Oksigen terlarut adalah kondisi kunci untuk membedakan ammonifikasi aerobik dari ammonifikasi anaerobik.konsentrasi oksigen terlarut harus dipertahankan pada 2mg/L-4mg/L untuk memenuhi kebutuhan pernapasan mikroorganisme ammonifikasi aerobikPada saat ini, ammonifikasi aerobik mendominasi dan efisiensi konversi tinggi; Ketika konsentrasi oksigen terlarut di bawah 0,5 mg/L, aktivitas mikroorganisme aerobik terhambat,dan mikroorganisme ammonifying anaerobik menjadi kelompok mikrobial dominanDalam proses seperti A 2/O dan saluran oksidasi dalam pengolahan air limbah, proses sinergis dari ammonifikasi nitrogen organik, nitrifikasi,dan denitrifikasi dapat dicapai dengan mengontrol konsentrasi oksigen terlarut di area yang berbeda.
(4) Jenis dan konsentrasi substrat nitrogen organik
Jenis dan konsentrasi matriks nitrogen organik secara langsung mempengaruhi tingkat dan tingkat ammonifikasi.Senyawa nitrogen organik molekul kecil (seperti asam amino dan urea) dapat langsung diserap dan dimanfaatkan oleh mikroorganisme, dengan laju konversi ammonifikasi yang cepat;Senyawa nitrogen organik molekul besar (seperti protein dan asam nukleat) perlu mengalami reaksi hidrolisis untuk terurai menjadi zat molekul kecilSelain itu, ketika konsentrasi nitrogen organik terlalu tinggi, hal ini dapat menyebabkan ketidakseimbangan tekanan osmotik sel mikroba,menghambat pertumbuhan mikrobaKetika konsentrasi terlalu rendah, ia tidak dapat memberikan nutrisi yang cukup untuk mikroorganisme, dan efisiensi reaksi ammonifikasi rendah.untuk air limbah nitrogen organik konsentrasi tinggi, proses pra-pengolahan (seperti pengasaman hidrolisis) sering digunakan untuk memecah nitrogen organik molekul besar menjadi zat molekul kecil,dengan demikian meningkatkan efisiensi pengolahan ammonifikasi berikutnya.
(5) Struktur komunitas mikroba
Keanekaragaman dan kelimpahan komunitas mikroba adalah faktor biologis inti yang mempengaruhi ammonifikasi.Ketika berbagai mikroorganisme amonifikasi dalam sistem berlimpah dan jumlah kelompok bakteri dominan cukup, efisiensi dekomposisi nitrogen organik dan transformasi lebih tinggi; Sebaliknya,jika struktur komunitas mikroba tunggal atau ada zat penghambat (seperti logam berat), senyawa organik beracun) yang menyebabkan kematian komunitas mikroba yang dominan, ammonifikasi akan sangat terpengaruh.Komunitas mikroba ammonifikasi yang efisien dapat dengan cepat didirikan dengan menambahkan agen ammonifikasi atau menjinakkan lumpur dewasa, memperpendek siklus pengoperasian sistem.
4, Pentingnya Lingkungan dan Teknik Konversi nitrogen organik menjadi nitrogen amonia
Konversi nitrogen organik menjadi nitrogen amonia adalah tautan kunci dalam siklus nitrogen dan memiliki kepentingan yang signifikan baik di lingkungan alam maupun proyek pengolahan air limbah.
Di badan air alami, nitrogen amonia yang dihasilkan oleh amonifikasi dapat menyediakan sumber nitrogen untuk fitoplankton, ganggang, dll., Mempromosikan siklus material ekosistem air; Namun,nitrogen amonia yang berlebihan dapat menyebabkan eutrofiasi badan airDalam teknik pengolahan air limbah, ammonifikasi adalah langkah prasyarat untuk denitrifikasi biologis. 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)Selain itu, dalam proses pencernaan anaerob,nitrogen amonia yang dihasilkan oleh ammonifikasi dapat menetralisir asam organik yang dihasilkan selama proses pencernaan, menjaga stabilitas nilai pH sistem, dan memastikan kemajuan lancar pencernaan anaerob.
V. Kesimpulan
Konversi nitrogen organik menjadi nitrogen amonia adalah proses mikroba yang rumit, dipengaruhi oleh banyak faktor seperti suhu, nilai pH, oksigen terlarut,dan sifat substrat. 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 efficiencyDengan peningkatan yang terus menerus dari persyaratan tata kelola lingkungan air, perlu untuk mempelajari lebih lanjut mekanisme regulasi metabolisme mikroorganisme ammonifikasi,mengembangkan agen bakteri ammonifikasi yang efisien dan strategi optimasi proses di masa depan, dan memberikan dukungan teknis yang lebih kuat untuk memecahkan masalah polusi nitrogen di badan air.
