No ciclo do azoto dos sistemas de tratamento de águas residuais e dos ambientes aquáticos naturais, a conversão do azoto orgânico em azoto de amônia é um dos processos essenciais.conhecida como amonificação, serve como uma etapa fundamental na transformação de nitrogénio, influenciando diretamente a eficiência da desnitrificação subsequente e outras reações de remoção de nitrogénio.Desempenha um papel fundamental no controlo da poluição por azoto nas massas de águaO nitrogénio orgânico está amplamente presente nas águas residuais domésticas, nas águas residuais industriais e nas massas de água natural, sendo que as suas fontes primárias incluem compostos orgânicos que contêm nitrogénio, tais como proteínas,Aminoácidos, ureia, ácidos nucleicos e substâncias húmicas. Estas substâncias devem ser decompostas através de processos metabólicos microbianos, convertendo-se finalmente em nitrogénio de amônia (ce{NH3-N} ou ce{NH^{+}_{4}-N}),que, em seguida, participa na subsequente migração e transformação do azoto.
1O processo básico de conversão de nitrogênio orgânico em nitrogênio amônia
A amonificação refere-se à reação bioquímica na qual os grupos que contêm nitrogénio em compostos orgânicos de nitrogénio são gradualmente decompostos sob a catálise de microorganismos,em última análise liberando nitrogénio de amôniaDependendo dos tipos de micro-organismos envolvidos e das condições de reacção, a amonificação pode ser classificada em amonificação aeróbica e anaeróbica.Embora as suas vias de reacção e os microorganismos dominantes sejam diferentes, os produtos finais consistem principalmente em nitrogénio de amónia.
Amonificação em condições aeróbicas
A amonificação aeróbica é o processo pelo qual os microorganismos aeróbios oxidam e decompõem compostos orgânicos de nitrogênio em um ambiente rico em oxigênio.Possui velocidades de reacção rápidas e elevada eficiência de conversão, que serve como forma primária de transformação de nitrogénio orgânico na fase aeróbica do tratamento de águas residuais (como o tanque de aeração no processo de lamas activadas).
Rotas de transformação do nitrogénio orgânico proteico
A proteína é um dos poluentes orgânicos de nitrogénio mais comuns nas massas d'água e a sua conversão em nitrogénio de amónia envolve duas reacções-chave.catalisadas por proteases secretadas por microorganismos aeróbiosAs proteases, incluindo a tripsina e a pepsina, exibem especificidade na clivagem de ligações peptídicas dentro das moléculas de proteína.O segundo passo é a desaminação de aminoácidos, o processo principal de amonimificação, em que os aminoácidos, sob a ação da desaminase, perdem o seu grupo amino (NH2) através da desaminação oxidativa, da desaminação redutiva ou da desaminação hidrolítica,transformando-o em nitrogénio de amoníaco.
Tomando a desaminação oxidativa como exemplo, a sua reação pode ser representada como:
Ce{R-CH(NH2)-COOH + O2 -> R-CO-COOH + NH3}
A amônia (ce{NH3}) gerada pela reação combina-se com íons hidrogênio na água para formar íons amônia (ce{NH^{+}_{4}}). A relação entre os dois depende do pH da água.Quando o pH é alcalino, a amônia (ce{NH3}) predomina; quando o pH é ácido, os íons de amônio (ce{NH^{+}_{4}}) dominam.
2- Caminhos de transformação do nitrogénio orgânico em compostos de ureia
A ureia é um componente significativo do nitrogénio orgânico nas águas residuais domésticas.ocorrendo em condições moderadas e procedendo rapidamente num ambiente aeróbicoA urease quebra a ligação amida na molécula de ureia, decompondo-a diretamente em nitrogênio amônio e dióxido de carbono.
Ce{CO(NH2)2 + H2O -> 2NH3 + CO2}
Esta reação não requer um estágio intermediário de aminoácidos, apresenta uma eficiência de conversão extremamente alta e serve como uma das principais fontes de nitrogênio de amônia nas águas residuais domésticas.
(2) Amonificação em condições anaeróbicas
A amonificação anaeróbica é o processo pelo qual microorganismos anaeróbios ou anaeróbios facultativos fermentam e decompõem compostos orgânicos de nitrogénio num ambiente sem oxigénio,que ocorrem comumente nas fases anaeróbias do tratamento de águas residuais (como digestores anaeróbios)Em comparação com a amonificação aeróbica, a concentração de amônio é muito baixa em relação à concentração de amônio.A amonificação anaeróbica ocorre a um ritmo mais lento e é acompanhada pela produção de gases como o metano e o sulfeto de hidrogénio.
A decomposição do azoto orgânico por microorganismos anaeróbios também começa com a hidrólise de compostos orgânicos macromoleculares, tais como proteínas,que são degradados em aminoácidos por proteases anaeróbiasEm seguida, os aminoácidos liberam nitrogênio de amônia através de desaminação redutora ou de desaminação fermentativa.
Ce{R-CH(NH2)-COOH + 2H -> R-CH2-COOH + NH3}
Além disso, em ambientes anaeróbicos, compostos orgânicos complexos de nitrogénio, como ácidos nucleicos e húmus, também podem ser gradualmente decompostos por microorganismos, liberando nitrogénio amônia.o processo de conversão é mais complexo e envolve a acção sinérgica de várias enzimas.
II. Principais grupos microbianos envolvidos na amonificação
A essência da amonificação é o processo metabólico dos microorganismos, envolvendo uma ampla gama de espécies microbianas, incluindo bactérias, fungos, actinomicetos e muito mais.Os diferentes microorganismos apresentam variações na sua capacidade de decompor o azoto orgânico e na sua adaptabilidade às condições ambientais.
` ` (1) Grupos bacterianos ` `
As bactérias são os microrganismos dominantes na amonificação, principalmente categorizados em tipos aeróbicos e anaeróbicos.e Proteus, que proliferam rapidamente em condições aeróbicas e apresentam elevada actividade de proteases e deaminases, permitindo uma eficiente decomposição de proteínas e aminoácidos.Bactérias amonificantes anaeróbias são representadas por gêneros como Clostridium e metanógenosO Clostridium pode decompor proteínas em condições anaeróbias para produzir nitrogénio de amônia e ácidos orgânicos.enquanto os metanógenos utilizam compostos orgânicos de nitrogénio simples para fermentação adicional e participam de reações de amonimificação.
(2) Taxa de fungos e actinomicetos
Os fungos e os actinomicetos desempenham igualmente um papel importante na conversão de nitrogénio orgânico, especialmente no tratamento de águas residuais que contenham nitrogénio orgânico complexo,como águas residuais de impressão e tingimento e águas residuais farmacêuticasOs fungos como o Aspergillus e o Penicillium podem secretar várias enzimas extracelulares para decompor o nitrogénio orgânico ligado em compostos orgânicos recalcitrantes como a celulose e a lignina;um gênero de actinomicetosAs enzimas produzidas pelo seu metabolismo podem quebrar a estrutura estável das substâncias húmicas e liberar nitrogénio de amônia.
3, Fatores-chave que afectam a conversão do azoto orgânico em azoto de amónia
A eficiência da amonificação é influenciada por vários factores ambientais e características do substrato.A regulação destes fatores pode melhorar eficazmente a taxa de conversão de nitrogénio orgânico em nitrogénio amônia, criando condições favoráveis para a subsequente nitrificação e desnitrificação.
(1) Temperatura
A temperatura é o fator central que afeta a atividade das enzimas microbianas, determinando diretamente a taxa de reação de amonimificação.A temperatura de crescimento adequada para os microorganismos amonificantes é de 20 °C a 35 °CDentro desta faixa de temperatura, a actividade enzimática é elevada e a taxa de reacção de amonificação acelera com o aumento da temperatura.A taxa metabólica dos microorganismos diminui significativamente, a actividade enzimática é inibida e a eficácia da amonificação diminui significativamente; quando a temperatura excede 40 °C, as proteínas enzimáticas das células microbianas sofrem desnaturação,levando à estagnação da reação de amonimificaçãoNo tratamento de esgotos,É frequentemente necessário prolongar o tempo de retenção hidráulica ou aumentar a concentração de lama em condições de baixa temperatura no inverno para compensar a diminuição da eficiência da amonificação..
(2) Valor do pH
O valor de pH afeta indiretamente a amonificação, influenciando o ambiente de crescimento e a atividade enzimática dos microorganismos.0, durante as quais as atividades da protease e da desaminase dos microorganismos são mais elevadas; quando o valor do pH é inferior a 5,5 ou superior a 9.0, a estrutura espacial da enzima será perturbada, o crescimento microbiano será inibido e a reação de amonimificação será dificultada.Os microorganismos amonificantes anaeróbios têm uma gama de adaptabilidade relativamente ampla aos valores de pH, com uma faixa de pH adequada de 6,0 a 7.5Um ambiente ligeiramente ácido é mais propício ao metabolismo de fermentação das bactérias amonificantes anaeróbias.que, por sua vez, afeta o fornecimento de substrato para reações subsequentes de nitrificação.
(3) Oxigénio dissolvido (DO)
O oxigénio dissolvido é uma condição fundamental para distinguir a amonificação aeróbica da amonificação anaeróbica.A concentração de oxigénio dissolvido deve ser mantida em 2 mg/L-4 mg/L para satisfazer as necessidades respiratórias dos microorganismos de amonificação aeróbica.Neste momento, domina a amonificação aeróbica e a eficiência de conversão é elevada; quando a concentração de oxigénio dissolvido é inferior a 0,5 mg/L, a actividade dos microorganismos aeróbicos é inibida,e microorganismos amonificantes anaeróbios tornam-se o grupo microbiano dominanteNo tratamento de águas residuais, o processo sinérgico de amonificação de nitrogénio orgânico, nitrificação, nitrogénio, nitrogénio, nitrogénio, nitrogénio, nitrogénio, nitrogénio, nitrogénio, nitrogénio, nitrogénio, nitrogénio, nitrogénio, nitrogénio, nitrogénio, nitrogénio, nitrogénio, nitrogénio, nitrogénio, nitrogénio, nitrogénio, nitrogénio, nitrogénio, nitrogénio, nitrogénio, nitrogénio, nitrogénio, nitrogénio, nitrogénio, nitrogénio, nitrogénio, nitrogénio, nitrogénio, nitrogénio, nitrogénio, nitrogénio, nitrogénio, nitrogénio, nitrogénio, nitrogénio, nitrogénio, nitrogénio, nitrogénio, nitrogénio, nitrogénio, nitrogénio, nitrogénioe a desnitrificação podem ser alcançadas controlando a concentração de oxigénio dissolvido em diferentes áreas.
(4) Tipos e concentrações de substratos orgânicos de nitrogénio
O tipo e a concentração da matriz de nitrogénio orgânico afectam directamente a taxa e o grau de amonificação.As pequenas moléculas de compostos orgânicos de nitrogênio (como aminoácidos e ureia) podem ser directamente absorvidas e utilizadas pelos microorganismos, com uma taxa rápida de conversão de amonificação;Os compostos orgânicos de nitrogénio de moléculas grandes (como proteínas e ácidos nucleicos) precisam passar por reações de hidrólise para se decomporem em substâncias de moléculas pequenasAlém disso, quando a concentração de nitrogénio orgânico é demasiado elevada, pode causar um desequilíbrio na pressão osmótica das células microbianas,inibindo o crescimento microbianoQuando a concentração é demasiado baixa, não pode fornecer nutrição suficiente para os microorganismos e a eficiência da reacção de amonificação é baixa.para águas residuais de nitrogénio orgânico de alta concentração, os processos de pré-tratamento (como a acidificação por hidrólise) são frequentemente utilizados para decompor nitrogénio orgânico molecular grande em substâncias moleculares pequenas,Melhorando assim a eficiência do tratamento subsequente de amonificação.
(5) Estrutura da comunidade microbiana
A diversidade e abundância das comunidades microbianas são os principais fatores biológicos que afetam a amonimificação.Quando a variedade de microorganismos amonificantes no sistema é abundante e o número de grupos bacterianos dominantes é suficiente, a eficiência da decomposição e transformação do nitrogénio orgânico é superior;se a estrutura da comunidade microbiana for única ou se houver substâncias inibidoras (como metais pesados)A amonificação será gravemente afectada durante a fase de arranque do sistema de tratamento de águas residuais.As comunidades microbianas amonificantes eficazes podem ser rapidamente estabelecidas adicionando agentes amonificantes ou inoculando lama madura, reduzindo o ciclo de colocação em serviço do sistema.
4A importância ambiental e de engenharia da conversão de nitrogênio orgânico em nitrogênio amônia
A conversão de nitrogénio orgânico em nitrogénio amôniaco é um elo fundamental no ciclo do nitrogénio e tem uma importância significativa tanto nos ambientes naturais como nos projectos de tratamento de águas residuais.
Em corpos de água naturais, o nitrogénio de amônia produzido pela amonificação pode fornecer fontes de nitrogénio para o fitoplâncton, algas, etc., promovendo o ciclo material dos ecossistemas aquáticos.O nitrogénio de amoníaco em excesso pode conduzir à eutrofização das massas de águaNo tratamento de águas residuais, a amonificação é uma condição prévia para a desnitrificação 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)Além disso, no processo de digestão anaeróbica, o nitrogénio é eliminado completamente.O nitrogénio de amônia produzido pela amonificação pode neutralizar os ácidos orgânicos produzidos durante o processo de digestão, manter a estabilidade do valor do pH do sistema e assegurar o bom andamento da digestão anaeróbica.
V. Conclusão
A conversão de nitrogénio orgânico em nitrogénio amôniaco é um processo complexo mediado por micróbios, influenciado por múltiplos fatores como temperatura, valor de pH, oxigénio dissolvido,e propriedades do substrato. 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 efficiencyCom a melhoria contínua dos requisitos de governação do ambiente aquático, é necessário estudar ainda mais o mecanismo de regulação metabólica dos microorganismos amonificantes,Desenvolver agentes bacterianos amonificantes eficientes e estratégias de otimização de processos no futuro, e fornecer um apoio técnico mais forte para resolver o problema da poluição por azoto nas massas de água.
