Amonyak Uçuculaşması

Amonyak uçuculaşması, amonyum azotunun aşağıdaki denklemde ifade edildiği gibi gaz ve hidroksil formu ile dengede olduğu fizikokimyasal bir proeses uyarınca gerçekleşir.

NH3(s) + H2O ↔ NH4+ + OH-

Amonyak uçuculaşmasını etkileyen faktörler aşağıdaki gibi sıralanabilir (Savant ve De Datta, 1982):

• zemine ait parametreler (zemin pH’ı, alkalinite, CaCO3 içeriği, katyon değişim

kapasitesi, baskın olan değişebilir iyonlar, pH tamponlama kapasitesi, CO2

kısmi basıncı, mikrobiyolojik aktivite)

• serbest su yüzeyine ait parametreler (pH, CO2 kısmi basıncı, amonyak

konsantrasyonu, toplam alkalinite, pH tamponlama kapasitesi, sıcaklık, su hareketi ve türbülans, derinlik, alg çoğalması ve aktivitesi, fosfor konsantrasyonu)

• atmosferik parametreler (hava sıcaklığı, solar radyasyon, rüzgar hızı, amonyağın kısmi basıncı)

• diğer parametreler (azot ve su yönetimi, bitki örtüsü) 3.2 Amonifikasyon (Mineralizasyon)

Amonifikasyon ya da diğer bir adı ile mineralizasyon, organik azotun biyolojik olarak amonyağa dönüştürüldüğü bir prosestir. Organik azot, kompleks, enerji salınımının olduğu, çok kademeli biyokimyasal proseslerden geçerek amonyağa dönüşür. Bazı durumlarda bu enerji mikrobiyolojik canlıların çoğalması için kullanılır ve amonyak doğrudan mikrobiyolojik biyokütleye dahil olur. Organik azotun büyük bir fraksiyonu (%100’e kadar) hızlıca amonyağa dönüştürülür (Kadlec ve Knight, 1996).

Gerçekte amonifikasyon prosesi aminoasitlerin katabolizmasıdır ve birkaç tipte deaminasyon reaksiyonu içerdiği düşünülmektedir. Oksidatif deaminasyon aşağıdaki şekilde yazılabilir (Savant ve De Datta, 1982):

Aminoasitler ⇒ İminoasitler ⇒ Ketoasitler ⇒ NH3

ve oksitlenmiş zemin tabakasında etkili olabilir. Diğer yandan indirgeyici deaminasyon (Rose, 1976):

şeklinde ifade edilmektedir.

Kinetik olarak amonifikasyon, nitrifikasyondan daha hızlı gerçekleşir (Kadlec ve Knight, 1996). Amonifikasyon, göllenmiş zemin sistemlerinde, drene olmuş zemin sistemlerine oranla daha yavaştır (Reddy, 1982). Mineralizasyon hızları oksitlenmiş bölgede en yüksektir ve aerobikten, fakültatif anaerobik ve zorunlu anaerobik mikrofloraya doğru gittikçe mineralizasyon hızı da düşer (Reddy ve Patrick, 1984). Göllenmiş ve doygun zeminlerdeki aerobik bölgenin derinliği genellikle 1 cm’den az olduğundan, fakültatif anaerobik ve zorunlu anaerobik mineralizasyon ile karşılaştırıldığında aerobik mineralizasyonun toplam azot mineralizasyonuna katkısı oldukça düşük olacaktır (Reddy ve Graetz, 1988).

Sulakalanlardaki amonifikasyon hızı; sıcaklık, pH, C/N oranı sistemdeki kullanılabilir besi maddesinin varlığı, doku ve yapı olarak zemin şartları, proteaz gibi hücre dışı enzimlerin varlığı, mikrobiyolojik biyokütle ve zemin redoks koşullarına bağlıdır (Reddy ve Patrick, 1984; Reddy ve D’Angelo, 1997). Amonifikasyon prosesi için optimum pH aralığı 6,5 – 8,5 arasındadır. Doymuş zeminlerde pH, nötralite değerleri civarında tamponlanır iken iyi drenajlı sistemlerde zeminin pH değeri, nitrat birikmesi

ve mineralizasyon esnasında H+ _{iyonları üretimi dolayısıyla düşer. Yapılan}

çalışmalarda aerobik amonifikasyon hızının 10 o_{C’lik bir sıcaklık artışı ile iki katına}

çıktığı belirtilmektedir. Amonifikasyon için optimum sıcaklık değerleri, sulakalan

sistemlerinde görülemeyecek değerler olan 40 – 60 oC arasındadır (Vymazal, 2001).

Mineralizasyon sırasında oluşan amonyum azotu hızlı bir şekilde iki fraksiyona

ayrılır: 1) katyon değişim kompleksi üzerine adsorbe olmuş NH4+ ve 2) zemin boşluk

suyundaki NH4+ denge konsantrasyonu. Zemin boşluklarındaki su iki doğrultuda

hareket eder: 1) yüzeydeki aerobik bölge ve göllenmiş tabakada yukarı yönlü hareket 2) bitki köklerine doğru olan hareket. NH4+ hareketinin hızı ise zemin-su ara

yüzeyince oluşturulan konsantrasyon gradyanı tarafından kontrol edilmektedir. Toplam prosesi kapsayan diğer faktörler: mineralizasyon hızı, boşluk suyundaki

NH4+ konsantrasyonu, katyon değişim kapasitesi, katyon değişim kompleksi

üzerindeki diğer katyonlar ve toplam yoğunluktur (Vymazal, 2001).

3.3 Nitrifikasyon

Nitrifikasyon, amonyağın bir ara ürün olan nitrite dönüşümünün ardından nitrata biyolojik oksidasyonu olarak tanımlanır. Nitrifikasyon kemoototrofik bakterilerle birlikte düşünülse de heterotrofik nitrifikasyonun da söz konusu ve önemli olduğu bilinmektedir (Keeney, 1973; Paul ve Clark, 1996). Nitrifikasyon üst tabakayı

kaplayan su hacminde ve üst tabakayı kaplayan su hacminde ve aerobik zemin tabakası yüzeyi üzerinde ve bitki kök bölgelerinde gerçekleşebilir. Sulakalan bitki köklerinden civarlarındaki zemine oksijen difüzyonu kökler etrafında bir aerobik ortamın oluşmasını sağlar. Kökler etrafındaki bu aerobik ortam, anaerobik

bölgelerden difüzlenen NH4+’nın nitrifikasyonuna katkıda bulunur. Sulakalanlardaki

nitrifikasyon hızı; aerobik bölgeye NH4+ iletimine, suyun pH ve alkalinitesine,

sıcaklığa, nitrifikasyon bakterileri mevcudiyetine, ve aerobik zemin tabakası kalınlığına bağlıdır (Vymazal, 1995). Nitrifikasyon kemoototrofik bir prosestir. Nitrifikasyon bakterileri enerjilerini amonyak ve/veya nitrit oksidasyonundan temin

eder ve CO2’i yeni hücre sentezi için karbon kaynağı olarak kullanırlar. Bu

organizmalar amonyum azotunun nitrit azotuna ve nitrit azotunun da nitrat azotuna dönüşümünde oksijene ihtiyaç duyarlar. Amonyumun nitrata oksidasyonu iki kademeli bir prosestir:

NH4+ 1,5 O2 ⇒ NO2- + 2 H+ + H2O

NO2- + 0,5 O2 ⇒ NO3-

---

NH4+ + 2 O2 ⇒ NO3- + 2 H+ + H2O

Amonyumun nitrite dönüştürüldüğü 1.aşama zorunlu kemolitotrofik (zorunlu aerobik) bakteriler tarafından yürütülür ve bu bakteriler çoğalmaları için gerekli enerji açısından tamamıyla amonyak oksidasyonuna bağlıdırlar. Zeminde Nitrosospira (N. briensis), Nitrosovibrio (N. tenuis), Nitrosolobus (N. multiformis), Nitrosococcus (N. nitrosus) ve Nitrosomonas (N. europaea) sınıfına ait 3 türe deniz suyunda rastlanmıştır. Kemoototrofik nitrifikasyon bakterileri karbon ihtiyaçlarını büyük ölçüde karbondioksit ve karbonatlardan temin eden aeroblardır. Bununla birlikte anaerobik

bir metabolizmaya sahip olan ve NH4+ varlığında elektron vericisi olarak piruvatı,

elektron alıcısı olarak ise NO2-’yi kullanan Nitrosomonas europaea, bu

mikroorganizmaların çeşitliliğini göstermektedir (Paul ve Clark, 1996). Nitroso grubu bakterilerin amonyağın nitrite oksidasyonundaki reaksiyon yolunun aşağıdaki gibi olduğu ifade edilmektedir (Hauck, 1984):

Amonyak ⇒ hidroksilamin ⇒ nitroksil ⇒ nitrohidroksilamin ⇒ nitrit (NH3/NH4) (NH2OH) (NOH) (NO2.NH2OH) (NO2-)

Nitrifikasyonun 2. aşaması olan nitritin nitrata oksidasyonu, çoğalmaları için gerekli enerjiyi nitrit yanısıra organik bileşikleri de kullanarak sağlayabilen fakültatif kemolitotrofik bakteriler tarafından gerçekleştirilir. Amonyak oksitleyen bakterilerin

aksine zemin ve tatlı sularda nitrit oksitleyen bakterilerin sadece bir türüne rastlanmıştır: Nitrobacter winogradskyi (Grant and Long, 1981).

3.4 Nitrat Amonifikasyonu

Oksijen tükendikten sonra gerçekleşen ilk anoksik oksidasyon prosesi nitratın moleküler azot ya da amonyağa indirgenmesidir. Nitratın indirgenmesi iki farklı nitrat indirgeyici bakteri grubu tarafından gerçekleştirilir: başlıca indirgenme ürünleri olarak

N2O ve N2 üreten denitrifikasyon bakterileri ve temel indirgenme ürünü olarak NH4+

üreten nitrat-amonifikasyon bakterileri. Sediment ve toprakta denitrifikasyon ve nitrat amonifikasyonu proseslerinin her ikisi de gözlenir (Keeney ve diğ., 1972; Chen ve diğ., 1971; Sorensen, 1978; Paul ve Clark, 1996). 1 molekül nitratın her iki nitrat indirgeme sistemi ile indirgenme prosesinde kullanılan elektron sayıları farklıdır. Denitrifikasyonda 5 elektron kullanılırken nitrat amonifikasyonunda 8 elektron kullanılır. Dolayısıyla nitrat amonifikasyon bakterileri her nitrat molekülü için denitrifikasyon bakterilerinden daha fazla organik madde oksitler. Ayrıca nitrat indirgenmesi genellikle, anaerobik koşullar altında çoğalmaları için nitrata ihtiyaç duymayan fermantatif bakteriler tarafından gerçekleştirilir. Sonuç olarak, nitrat kısıtlayıcı koşullar nitrat amonifikasyon bakterileri lehine olabilmektedir (Laanbroek, 1990). Bu nedenle bir sistemde karbon azot oranı nitrat-amonifikasyon veya denitrifikasyon bakterileri baskınlığını belirleyebilmektedir (Vymazal, 2001). Nitrat amonifikasyonu, Bacillus, Citrobacter ve Aeromonas gibi fakültatif anaerobik bakteriler sınıfına ait olan bakterilerce ya da Enterobacteriaceae üyeleri tarafından gerçekleştirilmektedir (Cole ve Brown, 1980; MacFarlane ve Herbert 1982). Bununla girlikte Clostridium sınıfına ait zorunlu anaerobik bakteriler de nitratı amonyağa indirgeyebilmektedirler (Caskey ve Tiedje, 1979; Vymazal, 2001).

Paul ve Clark (1996) hemen hemen tüm yeşil bitkilerin, mantar ve bakterilerin asetik asit ve protein biyosentezi ile nitratı amonyağa indirgeyebildiğine dikkati çekmiştir. Biyokimyasal yol aşağıdaki gibidir:

NO3- ⇒ NO2- ⇒ NH2OH ⇒ NH4+ ⇒ R-NH2

İlk üç indirgenme, nitratın amonyağa indirgenmesi sırasında belirli bakteri grubu

tarafından gerçekleştirilir. Asimilatif redüktazlar çözünebilir proteinlerdir ve NH4+

tarafından baskılanırlar; denitrifiye edici redüktazlar ise O2 tarafından baskılanırlar.

Bu durumun nedeninin NO2- nin orta derecedeki toksik etkisine karşı koruyucu bir

3.5 Denitrifikasyon

Denitrifikasyon, NO2- veya NO3-’nin N2 veya gaz formundaki diğer azot oksitlere

biyolojik indirgenmesi olarak tanımlanır (Hauck, 1984; Paul ve Clark, 1996). Bununla birlikte nitratın amonyağa asimilatif indirgenmesi ve nitrifikasyonu da aynı zamanda

azot oksitleri oluşturur (N2O ve/veya NO). Biyokimyasal bakış açısıyla

denitrifikasyon, azot oksitlerin (iyonik ve gaz formdaki) solunumla ilgili elektron taşınımı için son elektron alıcısı olarak görev yaptığı bir bakteriyel prosestir. Elektronlar, elektron verici bir substratdan farklı taşıma sistemleri ile daha çok okside olmuş azot formuna taşınırlar. Açığa çıkan serbest enerji fotofosforilasyonu takiben ATP formunda depolanır ve solunum için denitrifikasyon organizmaları tarafından kullanılır. Denitrifikasyon aşağıdaki denklem ile gösterilmektedir (Hauck, 1984):

6 (CH2O) + 4 NO3- Æ 6 CO2 + 2 N2 + 6 H2O

Bu reaksiyon tersinir olmayan bir reaksiyondur ve kullanılabilir organik substrat

varlığında, sadece O2 yerine azotun elektron alıcısı olarak kullanıldığı anaerobik

veya anoksik koşullar altında gerçekleşir. Literatürde, nitrat indirgenmesinin O2

varlığında da gerçekleşebileceğine dair saf kültür çalışmaları sonuçları verilmektedir.

Dolayısıyla, suya doymuş zeminlerde nitrat indirgenmesi O2 tükenmeden önce de

başlayabilmektedir (Kuenen ve Robertson, 1987; Laanbroek, 1990). Denitrifikasyon sırasında gaz formundaki azot üretimi aşağıdaki şekilde ifade edilebilmektedir (Hauck, 1984).

4 (CH2O) + 4 NO3- Æ 4 HCO3- + 2 N2O + 2 H2O

5 (CH2O) + 4 NO3- Æ H2CO3 + 4 HCO3- + 2 N2 + 2 H2O

Organotroflar, litotraflar, fototroflar ve diazotroflar gibi çeşitli organizmalar denitrifikasyonda rol oynamaktadır (Paul ve Clark, 1996). En fazla rastlanan denitrifikasyon bakterileri kemoheterotroflardır. Enerjilerini tamamen kimyasal reaksiyonlar yoluyla alarak elektron alıcısı ve hücresel karbon kaynağı olarak organik bileşikleri kullanırlar (Hauck, 1984). Zeminlerde en önemli olanlar Bacillus, Micrococcus ve Pseudomonas sınıfına dahil olanlar iken, Pseudomonas, Aeromonas ve Vibrio sınıfındakiler ise sudaki yaşamda önem taşıyanlardır (Grant ve

Long, 1981). Bu mikroorganizmalar O2 varlığında bir karbonhidrat substratını CO2 ve

H2O’ya oksitlerlerler (Reddy ve Patrick, 1984). Elektron alıcısı olarak O2 kullanımı ile

aerobik solunum ya da azot kullanımı ile anaerobik solunum aynı elektron taşınım sistemi ile denitrifikasyon bakterileri tarafından gerçekleştirilir. Aerob ve anaerob olarak fonksiyonunu devam ettiren bu proses oldukça büyük önem taşır çünkü bu

durum mikrobiyal popülasyonda bir değişiklik olmadan anoksik koşulların başlangıcının hemen ardından denitrifikasyonun başlamasını mümkün kılar (Hauck, 1984). Denitrifikasyon için biyokimyasal değişimleri içeren yol aşağıdaki gibidir ve Şekil 3.2’de zamana bağlı olarak oluşan ürünlerin değişimi görülmektedir.

2 NO3- ⇒ 2 NO2- ⇒ 2 NO ⇒ N2O ⇒ N2

Knowles (1982), Focht ve Verstrate (1977) ve Vymazal (1995) O2 eksikliği, redoks

potansiyeli, zeminin nemlilik derecesi, sıcaklık, pH, denitrifikasyon bakterileri varlığı, zemin tipi, organik madde, nitrat konsantrasyonu ve aşırı derecede bulunan (yüzeyi kaplayan) su miktarının denitrifikasyon hızını etkileyen faktörler arasında sayılacağını vurgulamışlardır.

Şekil 3.2 : Denitrifikasyon sırasında ardışık olarak oluşan ürünlerin zamana bağlı değişimi (Vymazal, 2001).

Denitrifikasyon, yapay sulak alanlarda genel olarak baskın olan azot giderim

prosesidir ve nitratın bakteriler tarafından N2O ve N2 gazlarına dönüştürülmesini

içerir. Denitrifikasyon bakterileri organik maddelerin oksidasyonu esnasında anoksik şartlarda NO3 ve NO2 kullanan fakültatif heterotraflardır. Her ne kadar seyrek olarak

doğrudan ölçülse de, mevcut kanıtlar bu yolun yapay sulak alanlardan % 40-90 azot gideriminde etkin olduğunu gösterir (Tanner, 2004). Azotu ksmen inert, atmospherik

yapıdaki dinitrojen (N2) formuna getirdiği için genel olarak ideal, sürdürülebilir

giderim prosesi olarak görülür. Ancak, denitrifiye olan (ve nitrifiye olan) azotun bir

kısmı nitrus oksit (N2O) olarak salınabilir ki bu bileşik atmosferde sera gazı etkisi

3.6 Azot Sabitlenmesi

Azot sabitlenmesi (fiksasyonu), azot gazının (N2) amonyağa dönüşümüdür. Azot

sabitlenmesi, demir, sülfür ve molibden içeren enzim kompleksi olan nitrojenaz varlığında gerçekleşir. Nitrojenaz ayrıca üçlü kovalent bağlar içeren azotoksit, siyanür veya asetilen gibi diğer substratların da indirgenmesini sağlar.

Gaz azotun amonyağa (NH3) indirgenmesi çok hızlı bir şekilde gerçekleşir. Bu

nedenle reaksiyondaki tekil adımlar çok detaylı olarak incelenememiştir. Toplam reaksiyonun 3 adımlı, her adım için 2 elektron içeren bir reaksiyon olduğu düşünülmektedir (Vymazal, 2001; Tanner, 2004).

Sulakalanlarda biyolojik azot sabitlenmesi yüzey üzerindeki su tabakasında, aerobik veya anaerobik suya batık haldeki zeminde, bitki köklerinde ve bitki yaprak ve gövde yüzeylerinde gerçekleşebilir. Sulakalanlarda azot sabitlenmesinde, çok çeşitli simbiyotik ve asimbiyotik organizma grubu rol oynar (Buresh ve diğ., 1980a; Buresh ve diğ., 1980b Johnston, 1991).

Prokaryotlar, azot sabitlenmesini yürüten nitrojenaz enzimini içerirler. Bu diazotlar; organotrofları, fototrofik sülfür bakterilerini ve siyanobakterileri (mavi-yeşil algler) içerirler.