Azoto: il ciclo completo

2) IMMOBILIZZAZIONE

È definita come la trasformazione dell’azoto minerale in azoto organico. I batteri assumono azoto minerale (inorganico) per incorporarlo nella loro biomassa. L’azoto viene sottratto all’utilizzo da parte delle piante.

3) MINERALIZZAZIONE

La mineralizzazione dell’azoto è costituita da una serie di reazioni attraverso le quali l’azoto, contenuto nella sostanza organica, viene convertito in azoto inorganico. Inizialmente in forma ammoniacale e poi in quella nitrica.

Durante questo processo vengono liberati, in forma minerale, gli elementi nutritivi e l’azoto, per essere resi disponibili all’assorbimento da parte delle piante.

3a) AMMONIFICAZIONE

La prima tappa della complessa serie di reazioni che compongono la mineralizzazione viene definita ammonificazione.

Essa consiste nella trasformazione di sostanze organiche contenenti azoto, sotto forma di idrati di ammonio. L’ammonificazione ha luogo sia nel terreno che nell’acqua. In entrambe le circostanze il processo di ammonificazione è il risultato della ripartizione della materia organica, come animali morti e piante o materiali di scarto come gli escrementi.

Queste sostanze vengono decomposti da: batteri appartenenti ai generi Bacillus, Clostridium, Pseudomonas; attinomiceti del genere Streptomyces; funghi dei generi Aspergillus, Pennicillium, Fusarium.

La degradazione delle proteine porta alla formazione di ammoniaca ed ha inizio con la scissione delle proteine in aminoacidi da parte degli enzimi proteolitici (proteasi e peptidasi) emessi dai microrganismi decompositori.

Questa è la sequenza delle reazioni della proteolisi, o idrolisi enzimatica delle proteine:

                          proteasi                           peptidasi
PROTEINE ——————–> PEPTIDI ——————–> AMINOACIDI

Gli aminoacidi formati con la proteolisi subiscono a loro volta una degradazione microbica detta di deaminazione ossidativa, che consiste in una rimozione del gruppo amminico (NH₂). Il prodotto finale è l’ammoniaca, mentre gli atomi di carbonio vengono convertiti in glucosio.

L’ammoniaca (NH₃) è un composto volatile e può abbandonare il suolo o l’acqua che la contiene in soluzione (volatilizzazione), ma se viene solubilizzata dà origine allo ione ammonio (NH₄⁺), secondo la seguente reazione:  NH₄⁺ —> NH₃ + H⁺

3b) NITRIFICAZIONE

Le tappe successive della mineralizzazione prendono il nome di nitrificazione e consistono nella progressiva ossidazione dell’ammonio in nitriti, e poi nitrati, nei processi che prendono il nome di nitritazione e nitratazione, operati da alcuni tipi di batteri chemioautotrofi (Nitrosomonas e Nitrobacter principalmente).

Entrambi i processi, per realizzarsi in modo ottimale, richiedono: elevati tassi di ossigeno (saturazione superiore all’80%); specifici e limitati intervalli ottimali di pH (Nitrosomonas 7,8-8,0 – Nitrobacter 7,3-7,5); temperature ottimali da 25°C a 30°C; degradano l’attività rapidamente sotto i 10-12°C; che le reazioni avvengano in assenza di luce.

I batteri responsabili di queste trasformazioni presentano inoltre: basso tasso di riproduzione (24-36 ore); non sono sporigeni e solo i Nitrosomonas, in assenza di nutrimento, entrano in uno stato di dormienza; muoiono rapidamente in assenza di cibo; sono sensibili a shock osmotici; in acqua devono aderire ad un substrato per esercitare il loro compito ossidativo.

NITRATAZIONE

Durante la nitritazione lo ione ammonio viene trasformato in nitrito ad opera di una classe di batteri denominati batteri nitrosi che sono: Nitrosomonas, Nitrosococcus, Nitrosospira.

La reazione chimica è la seguente: NH₄⁺ + 1,5O₂ —> NH₂OH + H

La reazione trasforma l’ammoniaca dapprima in idrossilamina ed è catalizzata dall’enzima ammonio mono-ossigenasi. Poi l’idrossilamina viene trasformata in nitrito secondo una reazione catalizzata dall’enzima idrossilamina ossidoreduttasi: NH₂OH + O₂ —> H⁺ + H₂O + NO₂⁻

Come si può osservare la sequenza di queste reazioni consuma alcalinità.

Questo valore quindi, nell’acqua, deve essere necessariamente mantenuto sufficiente a garantire un suo potere tampone tale da evitare oscillazioni del pH.

NITRATAZIONE

Durante la nitratazione le molecole del nitrito vengono convertite in nitrato ad opera dei batteri nitrici: Nitrobacter, Nitrospira, Nitrococcus, secondo la reazione, catalizzata dall’enzima nitrito ossidoreduttasi: NO₂⁻ + 0,5O₂ —> NO₃⁻

Questi batteri non utilizzano tutta l’ammoniaca come fonte di energia. Parte di questa infatti viene dirottata per la sintesi cellulare. Considerando questo fatto, la reazione complessiva della nitrificazione risulta essere la seguente: NH₄⁺ + 1,863 O₂ + 0,098 CO₂ —> 0,0916 C₅H₇NO₂ + 0,98 NO₃^– + 1,98 H⁺ + 1,98 H₂O

Mentre per il processo di formazione di nuove cellule la reazione sarà: NH₄⁺ + 2HCO₃^– + 2O₂ —> NO₂^– + 2CO₂ + H₂O

4) DENITRIFICAZIONE

La denitrificazione consiste nella riduzione dei nitrati e dei nitriti in composti gassosi come l’azoto bimolecolare (N₂) o il protossido di azoto (N₂O).

Diversamente da quanto accade per la nitrificazione, numerosi sono i ceppi di batteri che possono dare luogo alla denitrificazione. Questi organismi capaci di utilizzare nitrati e/o nitriti per la respirazione cellulare, sono in gran parte eterotrofi e facoltativi.

Sono eterotrofi in quanto necessitano, per il loro metabolismo, di una fonte organica di carbonio, ad esempio gli zuccheri, e facoltativi perchè possono utilizzare, come accettore di elettroni, indifferentemente sia l’ossigeno che l’azoto nitrico/nitroso.

In ogni caso la compresenza di ossigeno e nitrati vede il consumo preferenziale dell’ossigeno perchè energeticamente più favorevole al metabolismo batterico.

Il processo di denitrificazione è attuato da diversi batteri, dei quali, alcuni partecipano a tutto il processo, ed altri solo a determinate fasi. Essi possono essere suddivisi in tre gruppi:

1) Batteri che possono solo ridurre il nitrato NO₃^– a nitrito NO₂^– ;

2) Batteri che possono ridurre il nitrito ma non il nitrato poichè sono mancanti dell’enzima nitrato reduttasi;

3) Batteri che riducono il nitrato ad ossido nitroso N₂O secondo tre vie: in anaerobiosi per riduzione dei nitrati; in anaerobiosi durante l’assimilazione del nitrato; in anaerobiosi durante l’ossidazione di ammoniaca NH₄⁺ a nitrato NO₃^–

Esistono due differenti tipi di denitrificazione:

DENITRIFICAZIONE ASSIMILATIVA

(avviene nei vegetali superiori, alghe, batteri, ed alcuni funghi): l’NH₄⁺ viene ottenuto, in condizioni aerobiche, dall’uso del nitrato come fonte di azoto per la sintesi delle proteine. Non causa una perdita di azoto, ma una temporanea immobilizzazione;

DENITRIFICAZIONE DISSIMILATIVA

detta anche denitrificazione vera. Il nitrato NO₃^– viene usato come accettore di elettroni in reazioni di ossidazione. È la vera denitrificazione, dove il nitrato sostituisce l’O₂ in un meccanismo respiratorio.

Il processo è dovuto all’azione di alcuni batteri eterotrofi facoltativi anaerobi dei generi: Pseudomonas, Bacillus, Spirillum, Hyphomicrobium, Agrobacterium, Acinetobacter, Propionobacterium, Rhizobium, Cornebacterium, Cytophata, Thiobacillus,Moraxella, Neisseria, Vibrio, Flavobacterium e Alcaligenes.

Questi sono batteri che in condizioni di mancanza di ossigeno atmosferico utilizzano per la loro respirazione l’ossigeno contenuto nei nitrati.

Nitrati così ridotti a protossido di azoto ed azoto elementare che, essendo per loro natura dei gas, si liberano nell’atmosfera.

I batteri denitrificanti possono essere autotrofi oppure eterotrofi.

I primi comprendono Micrococcus denitrificans (autotrofo facoltativo) e Thiobacillus denitrificans. I secondi comprendono numerosi generi tra i quali Micrococcus, Pseudomonas, Achromobacter e Bacillus.

La denitrificazione ha luogo secondo quattro stadi di trasformazione chimica catalizzati da differenti enzimi:

stadio 1 – NO3− +2e− +2H+ —> NO2− + H2O

stadio 2 – 2NO2- + 4H+ + 2e− —> 2NO2− + 2H20

stadio 3 – 2NO + 2H+ + 2e− —> N2O + H20

stadio 4 – N2O + 2H+ + 2e− —> N2 + H20

La reazione di denitrificazione complessiva (esclusa la degradazione delle molecole organiche eventualmente associata) è la seguente: 2NO₃^– + 12H⁺ + 10_e- —> N₂ + 6H₂0

A differenza delle reazioni di nitrificazione, la denitrificazione nel suo complesso è un processo che restituisce alcalinità all’acqua (o al terreno) dalla quale è stata sottratta durante le precedenti reazioni ossidative dell’ammonio.

I batteri denitrificanti (facoltativi anaerobi) svolgono la loro attività: a intervalli di pH compresi tra 7,0 e 9,0;  in quasi totale assenza di ossigeno; senza essere influenzati dalla luce solare; a temperature dai 20 ai 33°C; sotto i 5°C muoiono;  con tempi di riproduzione di 15-30 minuti; sono sporigeni ed ubiquitari; sono scarsamente sensibili agli shock osmotici; in acqua non devono aderire ad un substrato per essere attivi metabolicamente.

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