A nitrogén-ciklus

Általános leírás

A növényi tápanyagokat a vizekben elsősorban a szervetlen formában található nitrogén és foszfor oldott formában levő sói jelentik. A foszforral kapcsolatos részleteket a következő fejezet tárgyalja.

A növények a nitrogént elemi formában nem tudják felvenni, erre csak egyes baktériumok és kékalgák képesek (az újabb felfogás szerint a kékalgák is baktériumok).

A nitrogén-ciklus kezdő lépése a vizekben a nitrogén asszimilációja. Az eukarióta növények (algák és magasabb rendű, edényes növények egyaránt) a nitrogén vízben oldott sóit képesek csak hasznosítani (ammónium, nitrit és nitrát sók). A biológiailag kötött nitrogén a szerves anyagok bomlása, ammonifikációja révén kerül a víztérbe, ammónia formájában (25. ábra).

 

25. ábra: Az ammonifikáció, nitrifikáció, denitrifikáció és a nitrogénmegkötés lépései

A természetes eredetű szerves anyagok mellett a másik, sok esetben jóval jelentősebb és nagyobb környezetterhelést jelentő nitrogénforrások a tisztítatlan vagy részlegesen tisztított kommunális és termelési szennyvizek, valamint a mezőgazdasági eredetű diffúz források (pl. műtrágya).

A lebontó baktériumok a nitrogén egy részét felhasználják saját növekedésükhöz. A többi ammónia a nitrifikáció során nitritté, majd nitráttá alakul a nitrifikáló baktériumok tevékenysége révén, ezekben a formákban hozzáférhetővé válik a vízinövények számára is. Anaerob (anoxikus) körülmények között a nitrátot a denitrifikáló baktériumok kétatomos elemi nitrogénné redukálják, így a növények számára hasznosíthatatlanná válik. A vízi nitrogénciklus elvi folyamatait a 26. ábra szemlélteti.

26. ábra: A nitrogéntranszport főbb modellezett folyamatai

Az asszimiláció és a nitrifikáció aerob folyamatok, tehát helyileg a vizek oxigénben gazdag rétegeiben zajlanak. A denitrifikáció anaerob folyamat, amely anoxikus körülményeket kíván meg. Ezek a körülmények az üledékekben, illetve az élőbevonatban található baktériumfilmekben állnak fent.

Az ammónia mérleg

Az ammónia mérleget befolyásoló folyamatok a következők:

1. A biológiailag bontható szerves anyagok degradációja (BOI bomlás), amely ammonifikációval, azaz ammónia keletkezésével jár együtt, és szoros kapcsolatban áll a BOI mérleggel.

2. A bakteriális nitrogénfelvétel, amely szintén a baktériumok heterotróf asszimilációs folyamatainak alapvető részeként szerepel. Természetesen ez a folyamat a szervetlen nitrogénformák fogyásával jár.

3. A magasabb rendű növények mind a fotoszintetikus autotróf asszimilációjuk, mind disszimilációjuk, azaz légzésük révén vesznek fel nitrogénformákat a vízből Az oxigén nettó produkciója során állandó mennyiségű ammónia keletkezik, egy gramm oxigénhez viszonyítva (nettó oxigénprodukció = fotoszintetikus bruttó oxigénprodukció - a növényi disszimiláció során felhasznált oxigénmennyiség).  Egy konstans mennyiségű ammónia felvett egy gramm nettó termelési oxigént (fotoszintézis mínusz légzés). Az éjszaka folyamán az ammónia-nitrogén felvételének ütemét állandónak feltételezzük.

4. A nitrifikációs folyamatok során a víztérben történő ammóniafogyasztás, amikor kémiai folyamatok, elsősorban biokémiai oxidáció során az ammónia nitritté, majd nitráttá alakul. A nitrifikációs folyamatok főleg az aljzaton, köveken, a vízinövények szárain és levelein kialakuló baktériumfilmben zajlanak le, ezért nagyban függenek az élőbevonatban történő transzportfolyamatoktól, ill. az élőbevonatnak ezekkel szemben tanúsított ellenállásától.

5. A denitrifikáció amely a nitrátot szabad kétatomos légköri nitrogéngázzá alakítja át. A denitrifikáció anaerob folyamat, amely elsősorban a növények és az aljzat felületén található élőbevonatban (baktériumfilmben), valamint az üledékekben zajlik le.

A denitrifikáció hőmérsékletfüggő, elsőfokú reakció, de a baktériumfilm anyagtranszporttal szembeni ellenállását is figyelembe véve exponenciális függvényként írható le. Természetesen ezen kívül még meg kell határozni az ide vonatkozó Arrhenius-féle hőmérsékleti együtthatót is.

A tápanyagforgalom modellezésében a sztöchiometriai feltételek határozzák meg a szereplő paraméterek számát. Ezeket a paramétereket a növények és a baktériumok ammónia-felvétele határozza meg.

A ammóniaképződés biodegradációja függ a kérdéses lebomló szerves anyagtól. A szerves anyagok a legtöbb esetben kezelt vagy kezeletlen szennyvízzel kerülnek az élővizekbe.

A szennyvíz nitrogéntartalma függ a szennyvízkezelés minőségi és mennyiségi módszereitől is.