Desnitrificación: Diferenzas entre revisións

Na Galipedia, a Wikipedia en galego.
Explorar o historial de forma interactiva
← Edición máis vellaEdición máis nova →
Contido eliminado Contido engadido
VisualTexto wiki
Miguelferig (conversa | contribucións)
242.088 edicións
Miguelferig (conversa | contribucións)
242.088 edicións
Liña 21: Liña 21:
1,25 CH<sub>3</sub>COOH + 2NO<sub>3</sub><sup>-</sup> → 2,5CO<sub>2</sub> + N<sub>2</sub> + 2OH<sup>-</sup> + 1,5 H<sub>2</sub>O.
1,25 CH<sub>3</sub>COOH + 2NO<sub>3</sub><sup>-</sup> → 2,5CO<sub>2</sub> + N<sub>2</sub> + 2OH<sup>-</sup> + 1,5 H<sub>2</sub>O.


∆Gº´=-1054.8 kJ/ reacción. [Ecuación 1)
∆Gº´=-1054.8 kJ/ reacción. (Ecuación 1)


A desnitrificación heterótrofa é aplicada amplamente polo súa alta eficiencia e baixo custo. A taxa de desnitrificación heterótrofa é alta, o que permite o uso de reactores de pouco volume e baixos custos. Potén, o carbono residual deste proceso causa diversos problemas para o tratamento de augas potables, o que converte a desnitrificación autótrofa nunha boa alternativa.
A desnitrificación heterótrofa é aplicada amplamente polo súa alta eficiencia e baixo custo. A taxa de desnitrificación heterótrofa é alta, o que permite o uso de reactores de pouco volume e baixos custos. Potén, o carbono residual deste proceso causa diversos problemas para o tratamento de augas potables, o que converte a desnitrificación autótrofa nunha boa alternativa.

Revisión como estaba o 16 de xullo de 2014 ás 12:27

A desnitrificación é un proceso metabólico feito por microorganismos no que usa o nitrato como aceptor terminal de electróns en condicións anóxicas (ausencia de oxíxeno) principalmente, no cal os nitratos redúcense orixinando nitróxeno gas. Isto ocorre en etapas sucesivas catalizadas por sistemas encimáticos diferentes, nas que aparecen como produtos intermedios nitritos, óxido nítrico e óxido nitroso. Realízana exclusivamente certos microorganismos, entre os que salientan Alcaligenes, Paracoccus, Pseudomonas, Thiobacillus, Rhizobium, e Thiosphaera, entre outros. Supón unha perda de fertilidade para os solos (que depende dos nitratos), pero forma parte do ciclo do nitróxeno.

Principio básico da desnitrificación

Existen máis de 50 xéneros de bacterias que poden levar a cabo a desnitrificación.[1] A capacidade desnitrificante tamén se encontrou en arqueas e fungos.[2][3] Os xéneros de bacterias desnitrificantes máis habituais son: Alcaligenes, Paracoccus, Pseudomonas, Thiobacillus, Rhizobium, Thiosphaera, entre outros. A maioría das bacterias desnitrificantes son heterótrofas, pero algunhas poden crecer autotroficamente con hidróxeno (H2) e dióxido de carbono, con compostos sulfurados reducidos, ou con compostos de arsénico reducidos, entre outros.[4] Ademais, téñense informes de que a desnitrificación se pode levar a cabo aerobicamente, como, por exemplo, no caso de Magnetospirillum magnetotacticum, que consome O2 mentres desnitrifica.[5] A desnitrificación é un proceso que usa o nitrato como aceptor terminal de electróns en condicións anóxicas (ausencia de oxíxeno) principalmente. O proceso de redución de nitratos ata nitróxeno gas ocorre en etapas seriais, catalizadas por sistemas encimáticos diferentes, e orixínanse como produtos intermedios nitritos, óxido nítrico e óxido nitroso:

NO3- → NO2- → NO → N2O → N2

A desnitrificación require un substrato oxidable, xa sexa orgánico ou inorgánico que actúe como fonte de enerxía, polo que a desnitrificación pode levarse a cabo tanto por bacterias heterótrofas coma autótrofas. Na desnitrificación heterótrofa, un substrato orgánico, como metanol, etanol, ácido acético, glicosa, etc., actúa como fonte de enerxía (doador de electróns) e fonte de carbono. Na desnitrificación autótrofa, a fonte de enerxía é inorgánica, como hidróxeno ou compostos reducidos de xofre, ácido sulfhídrico (H2S) ou tiosulfato (S2O32-), a fonte de carbono, tamén inorgánica, é o CO2.

O maior problema da desnitrificación biolóxica é a contaminación potencial da agua tratada con bacterias: fonte de carbono residual (desnitrificación heterótrofa) e a posibilidade de formación de nitritos, o cal fai necesario un post-tratamento. Actualmente, os procesos desenvolvidos para a desnitrificación biolóxica son diversos usando distintos substratos e diferentes configuracións de reactores. Pero hai que salientr que practicamente a totalidade dos sistemas de desnitrificación desenvolvidos se basean na desnitrificación heterótrofa e coñécese pouco e está pouco desenvolvida a desnitrificación autótrofa.

Desnitrificación heterótrofa

A desnitrificación heterótrofa é un proceso biolóxico de redución do nitrato presente nas augas residuais a nitróxeno molecular en condicións anóxicas pola acción de bacterias heterótrofas (Pseudomonas, Paraccocus, Alcaligenes, Thiobacillus, Bacillus), que usan un substrato orgánico como fonte de carbono e enerxía.

No proceso de desnitrificación existe ademais a posibilidade de acumulación de intermediarios (NO2–, N2O, NO) debido ao tipo e concentración do substrato empregado ou ás condicións de operación (temperatura, pH, tempo de residencia hidráulico, tempo de retención celular). Baseándose nisto, para que a transformación acabe en N2, deberán controlarse as condicións ambientais como o nivel de O2 disolvido, a fonte de carbono orgánico, a concentración de nitratos, a relación C/N, a dispoñibilidade de fósforo, pH, temperatura e a posible presenza de tóxicos.[6]

Unha das reaccións tipo que implica unha desnitrificación heterótrofa podería ser a da oxidación do ácido acético:

1,25 CH3COOH + 2NO3- → 2,5CO2 + N2 + 2OH- + 1,5 H2O.

∆Gº´=-1054.8 kJ/ reacción. (Ecuación 1)

A desnitrificación heterótrofa é aplicada amplamente polo súa alta eficiencia e baixo custo. A taxa de desnitrificación heterótrofa é alta, o que permite o uso de reactores de pouco volume e baixos custos. Potén, o carbono residual deste proceso causa diversos problemas para o tratamento de augas potables, o que converte a desnitrificación autótrofa nunha boa alternativa.

Desnitrificación autotrofa

Algunhas bacterias desnitrificantes son quimiolitoautótrofas e poden oxidar compostos inorgánicos de xofre como ácido sulfhídrico (H2S), xofre elemental (S0), tiosulfato(S2O32-) ou sulfito(SO32-) anaerobicamente a costa da redución do nitrato.[7] Entre elas hai só dous autótrofos obrigados coñecidos que crezan a pHs neutros: Thiobacillus denitrificans e Thiomicrospira denitrificans,[8] que poden levar a cabo a sulfoxidación en condicións aeróbicas ou anóxicas. Recentemente illouse Thioalkalivibrio denitrificans, un autótrofo, oxidador de xofre, que pode crecer anaerobicamente usando nitrito como aceptor de electróns a pH básico[9]

As vantaxes deste proceso respecto á heterotrofia son varias. Para o tratamento de augas residuais, evita ter que engadir materia orgánica, reducíndose así os custos, e para o tratamento de augas potables, evita o carbono residual no efluente, xa que reduce o risco de sobrecrecemento nos sistemas a tratar e de desinfección da zona polos produtos producidos debido a que os organismos autotrófos crecen máis a modo e producen menos biomasa, coa conseguinte formación de menos produtos celulares.[10] Ademais os organismos autótrofos están mellor adaptados para o tratamento de augas subterráneas porque crecen a baixas concentracións de compostos orgánicos biodegradables. Tamén posúen un grande interese comercial e desde o punto de vista da biotecnoloxía ambiental porque é un dos poucos exemplos nos que poden oxidarse bioloxicamente compostos reducidos do xofre (sulfoxidación) en ausencia de oxíxeno elemental. Pero a principal vantaxe deste proceso é a aparición da desnitrificación acoplada á oxidación de compostos reducidos do xofre, combinando a eliminación simultánea de dous tipos de contaminantes, os nitratos e os compostos reducidos do xofre (ecuación 2), tendo así grande interese polas súas aplicacións biotecnolóxicas.

Principais factores que afectan á desnitrificación

Temperatura

De acordo coa literatura, os microorganismos desnitrificantes presentan actividade entre 5 e 75 °C.[11] Viuse que non existe un cambio significativo na actividade desnitrificante entre 20 e 30 °C con consorcios que proveñen de plantas de tratamento de aguas residuais.[12]

PH

O pH óptimo para a desnitrificación está entre 7 e 8.[13][14] A valores de pH por debaixo de 6, inhíbese o encima óxido nitroso redutase e acumúlase óxido nitroso.[15][16] Na revisión de Cervantes-Carrillo et al. (2000)[17] infórmase que en cultivos continuos non se observa ningunha acumulación de intermediarios a pH de 6 a 9, pero o proceso é inhibido na súa totalidade a pH 5.

Oxíxeno

Asúmese en xeral que o encima óxido nitroso redutase (Nos) é o encima cunha maior sensibilidade á presenza de oxíxeno. En xeral os encimas redutases son inmediata ou gradualmente inactivadas pola presenza de oxíxeno. A principal razón da sensibilidade da desnitrificación á presenza de oxíxeno é a competición por electróns, xa que o oxíxeno é un aceptor de electróns termodinamicamente máis favorable que o nitrato.[18]

Fonte doadora de electróns

A capacidade que teñen os compostos orgánicos de doar electróns é un dos factores máis importantes que controlan a actividade heterotrófica e, por tanto, a actividade desnitrificante heterotrófica. Existe unha grande variedade de compostos que poden ser usados para levar a cabo a desnitrificación en augas residuais. Os principais doadores de electróns utilizados son o metanol, o etanol, a glicosa, o acetato, o ácido aspártico e o ácido fórmico, entre outros.[19] Isto non implica que soamente sexan usados substratos doadamente degradables polos microorganismos que levan a cabo a desnitrificación. Existen informes de desnitrificación con compostos como hidrocarburos, materia orgánica complexa, glicol, compostos aromáticos e celulosa.[20][21][22][23] Porén, para compostos pouco asimilables como os hidrocarburos e especialmente os compostos aromáticos, as velocidades de consumo destes compostos son o paso limitante na desnitrificación.[24] Outro grupo de microorganismos desnitrificantes, os autótrofos, utilizan compostos inorgánicos como sulfuro, hidróxeno, amonio para reducir nitratos.[25] O rendemento enerxético é menor que cos compostos orgánicos, pero os microorganismos presentan unha grande adaptabilidade dependendo das condicións ambientais dos ecosistemas.[26]

Relación C/N

A desnitrificación heterótrofa en consorcios está en grande medida determinada pola relación entre o composto orgánico doador de electróns e o nitrato (relación C/N). Segundo a literatura, obtense un proceso desnitrificante óptimo a relación estequiométrica.[27][28][29] Aínda que depende do doador de electróns, pódese considerar que cunha relación C/N menor a 5, pero superior á relación estequiométrica, o proceso desnitrificante lévase a cabo sen limitación; cunha relación entre 5 e 21,3 lévase a cabo a desnitrificación e produción de metano. A relacións C/N maiores, prodúcese metano sen que haxa a desnitrificación. Isto débese a que o proceso desnitrificante diminúe e aparece a amonificación, que pasa a ser o proceso dominante a relacións C/N maiores de 51.[30]

Aplicacións

En resposta ao problema da contaminación por nitratos, xurdiron diversas tecnoloxías para eliminalo do medio tales como intercambio iónico, osmose inversa, electrodiálise e desnitrificación biolóxica. Entre as diversas alternativas, prefírense os tratamentos biolóxicos pola súa sinxeleza, selectividade e baixo custo ante os físico-químicos, máis caros e con maior xeración de residuos tóxicos.

Algunhas das aplicacións, reais ou potenciais da desnitrificación autótrofa son:

  • Control de problemas de corrosión e cheiros por sulfhídrico en sistemas de sumidoiros por medio da adicción de nitrato.[31]
  • Estimulación, mediante adición de nitratos, da degradación biolóxica do ácido sulfhídrico en salmoiras de campos petrolíferos, que reduce os problemas asociados á súa toxicidade, corrosividade e tendencia a formar compostos de metais insolubles de xofre.[32]
  • Tratamento do biogás ou gas natural para eliminar o ácido sulfhídrico presente.[33]
  • Eliminación simultánea de N e S no tratamento de augas residuais mediante recirculación dos nitratos resultantes da fase de nitrificación, a unha fase anaerobia, reducindo os nitratos e oxidando os sulfuros, obtendo un dobre beneficio nunha soa etapa.[34] Esta aproximación non é só teórica e xa se ensaiou para tratar os efluentes de produción de levaduras.[35]
  • Eliminación de nitratos da auga potable (Darbi et al, 2003) e auga residual (Gommers et al, 1988, Nugroho et al, 2002, Am et al, 2005) usando S˚.
  • Eliminación de nitrato de augas subterráneas mediante a inserción de membranas con hidróxeno e dióxido de carbono (KSHaugen. 2002), ou usando un leito mixto con sulfuro e gránulos de calcita en proporción de volume 1:1 con Thiobacillus denitrificans.[36]

En estudos realizados sobre a cinética da desnitrificación quimiolitótrofa viuse que a taxa de desnitrificación e sulfoxidación depende fortemente da fonte de xofre inorgánica usada como dador de electróns, comprobándose que é mellor o tiosulfato, seguido do sulfhídrico e por último o xofre elemental.(Beristan-Cardoso, 2006).

Un exemplo é a oxidación do tiosulfato que se axusta á seguinte ecuación:

S2O32- + 1,6 NO3- + 0,2 H2O → 2 SO42- + 0,8N2 + 0,4 H+

∆Gº´=-765.7 kJ/ reacción. (Ecuación 2)

Notas

  1. ↑ Delwiche CC. 1982. Denitrification, Nitrification and Atmospheric Nitrous Oxide. edition F, editor. New York, USA: John Wiley & Sons, Inc
  2. ↑ Zumft WG. 1997. Cell biology and molecular basis of denitrification. Microbiology and Molecular Biology Reviews 61(4):533-+.
  3. ↑ Thorndycroft FH, Butland G, Richardson DJ, Watmough NJ. 2007. A new assay for nitric oxide reductase reveals two conserved glutamate residues form the entrance to a proton-conducting channel in the bacterial enzyme. Biochemical Journal 401:111-119.
  4. ↑ Ahn YH. 2006. Sustainable nitrogen elimination biotechnologies: A review. Process Biochemistry 41(8):1709-1721.
  5. ↑ Bazylinski DA, Blakemore RP. 1983. Denitrification and Assimilatory Nitrate Reduction in Aquaspirillum-Magnetotacticum. Applied and Environmental Microbiology 46(5):1118-1124.
  6. ↑ (Cervantes et al., 1999; Moratalla, 1997)
  7. ↑ (Kuenen et al.1992)
  8. ↑ (Schedel y Truper, 1980; Kuenen et al.1992; Timmer-Ten Hoor, 1975)
  9. ↑ (Sorokin, D.Y., 2001).
  10. ↑ ( K.S.Haugen.2002)
  11. ↑ Knowles R. 1982. Denitrification. Microbiological Reviews 46(1):43-70.
  12. ↑ enze M. 1991. C`pabilities of Biological Nitrogen Removal Processes from Waste-Water. Water Science and Technology 23(4-6):669-679.
  13. ↑ Ahn YH. 2006. Sustainable nitrogen elimination biotechnologies: A review. Process Biochemistry 41(8):1709-1721.
  14. ↑ Cervantes-Carrillo F, Pérez J, Gómez J. 2000. Avances en la eliminación biológica del nitrógeno de las aguas residuales. México, D. F.: Revista Latinoamericana de Microbiología. p 73-82.
  15. ↑ Delwiche CC, Bryan BA. 1976. Denitrification. Annual Review of Microbiology 30:241-262. Einsle O, Kroneck PMH. 2004. Structural basis of denitrification. Biological Chemistry 385(10):875-883.
  16. ↑ Knowles R. 1982. Denitrification. Microbiological Reviews 46(1):43-70.
  17. ↑ Cervantes-Carrillo F, Pérez J, Gómez J. 2000. Avances en la eliminación biológica del nitrógeno de las aguas residuales. México, D. F.: Revista Latinoamericana de Microbiología. p 73-82.
  18. ↑ Cuervo-López F, Martínez Hernández S, Texier AC, Gómez J. 2009. Denitrification for Wastewater Treatment. In: Cervantes F, editor. Environmental Technologies to Treat Nitrogen Pollution, Principles and Engineering: IWA Publishing.
  19. ↑ Mateju V, Cizinska S, Krejci J, Janoch T. 1992. Biological Water Denitrification - A Review. Enzyme and Microbial Technology 14(3):170-183.
  20. ↑ Ahn YH. 2006. Sustainable nitrogen elimination biotechnologies: A review. Process Biochemistry 41(8):1709-1721.
  21. ↑ Thalasso F, Vallecillo A, GarciaEncina P, FdzPolanco F. 1997. The use of methane as a sole carbon source for wastewater denitrification. Water Research 31(1):55-60.
  22. ↑ Davidsson TE, Leonardson LG. 1996. Effects of nitrate and organic carbon additions on denitrification in two artificially flooded soils. Ecological Engineering 7(2):139-149.
  23. ↑ Mokhayeri Y, Nichols A, Murthy S, Riffat R, Dold P, Takacs I. 2006. Examining the influence of substrates and temperature on maximum specific growth rate of denitrifiers. Water Science and Technology 54(8):155-162.
  24. ↑ Cuervo-López F, Martínez Hernández S, Texier AC, Gómez J. 2009. Denitrification for Wastewater Treatment. In: Cervantes F, editor. Environmental Technologies to Treat Nitrogen Pollution, Principles and Engineering: IWA Publishing.
  25. ↑ Madigan MT, Martinko JM, Parker J. 2004. Brock, Biología de los Microorganismos. Edición D, editor. Décima Edición ed. Madrid, España: Pearson Educación, S. A., Madrid, 2004. 1011 p.
  26. ↑ Conrad R. 1996. Soil microorganisms as controllers of atmospheric trace gases (H-2, CO, CH4, OCS, N2O, and NO). Microbiological Reviews 60(4):609-+.
  27. ↑ Cervantes FJ, De la Rosa DA, Gomez J. 2001. Nitrogen removal from wastewaters at low C/N ratios with ammonium and acetate as electron donors. Bioresource Technology 79(2):165-170.
  28. ↑ Cuervo-Lopez FM, Martinez F, Gutierrez-Rojas M, Noyola RA, Gomez J. 1999. Effect of nitrogen loading rate and carbon source on denitrification and sludge settleability in upflow anaerobic sludge blanket (UASB) reactors. Water Science and Technology 40(8):123-130.
  29. ↑ ena-Calva A, Olmos-Dichara A, Viniegra-Gonzalez G, Cuervo-Lopez FM, Gomez J. 2004. Denitrification in presence of benzene, toluene, and m-xylene - Kinetics, mass balance, and yields. Applied Biochemistry and Biotechnology 119(3):195-208.
  30. ↑ Rustrian E, Delgenes JP, Bernet N, Moletta R. 1997. Nitrate reduction in acidogenic reactor: Influence of wastewater COD/N-NO3 ratio on denitrification and acidogenic activity. Environmental Technology 18(3):309-315.
  31. ↑ (Carpenter,1932, Allen.1949, Bentzen et al.,1995)
  32. ↑ (Jenneman et al., 1999, Reinsel et al., 1996)
  33. ↑ (Kleerebezem and Mendez, 2002).
  34. ↑ (Gommers et al, 1988, Reyes- Avila et al, 2004, Sierra- Álvarez et al., 2005)
  35. ↑ (Gommers, 1988), aguas residuales urbanas(Yang, X.S., 1993) e mesmo ten posible aplicación a augas potables (Flere, J.M., and T.C.Zhang, 1999).
  36. ↑ (Van der Hoek et al., 1992)

Véxase tamén

Outros artigos

Traído desde «https://gl.wikipedia.org/w/index.php?title=Desnitrificación&oldid=3316594»