अनाइट्रीकरण

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नाइट्रोजन चक्र।

विनाइट्रीकरण एक माइक्रोबियल रूप से सुगम प्रक्रिया है जहाँ नाइट्रेट (NO3−) कम हो जाता है और अंततः आणविक नाइट्रोजन (N2) मध्यवर्ती गैसीय नाइट्रोजन ऑक्साइड उत्पादों की एक श्रृंखला के माध्यम से। परिणामी अवायवीय जीवाणु एक प्रकार के श्वसन के रूप में विनाइट्रीकरण करते हैं जो कार्बनिक पदार्थ जैसे इलेक्ट्रॉन दाता के ऑक्सीकरण के जवाब में नाइट्रोजन के ऑक्सीकृत रूपों को रिडॉक्स करता है। सबसे कम थर्मोडायनामिक रूप से अनुकूल के क्रम में पसंदीदा नाइट्रोजन इलेक्ट्रॉन स्वीकर्ता में नाइट्रेट (NO3−), नाइट्राट (NO2-), नाइट्रिक ऑक्साइड (NO), नाइट्रस ऑक्साइड (N2O) अंत में डाइनाइट्रोजन (N2) नाइट्रोजन चक्र पूरा करना। अनाइट्रीफाइंग रोगाणुओं को 10% से कम ऑक्सीजन सांद्रता की आवश्यकता होती है, साथ ही ऊर्जा के लिए कार्बनिक यौगिक की भी आवश्यकता होती है। चूँकि विमुद्रीकरण NO को हटा सकता है3-, इसकी लीचिंग (कृषि) को भूजल में कम करके, इसे उच्च नाइट्रोजन सामग्री के सीवेज या पशु अवशेषों के उपचार के लिए रणनीतिक रूप से उपयोग किया जा सकता है। विमुद्रीकरण एन को लीक कर सकता है2O, जो एक ओजोन-क्षयकारी पदार्थ है और एक ग्रीनहाउस गैस है जो ग्लोबल वार्मिंग पर काफी प्रभाव डाल सकती है।

प्रक्रिया मुख्य रूप से परपोषी जीवाणु (जैसे पैराकोकस डेनाइट्रिफंस और विभिन्न स्यूडोमोनाडेसी) द्वारा की जाती है,[1] हालांकि स्वपोषी denitrifiers की भी पहचान की गई है (उदाहरण के लिए, थियोबैसिलस denitrificans)।[2] सभी मुख्य फ़िलेजिनेटिक समूहों में डेनिट्रिफ़ायर का प्रतिनिधित्व किया जाता है।[3] आम तौर पर बैक्टीरिया की कई प्रजातियां नाइट्रेट की एन में पूर्ण कमी में शामिल होती हैं2, और कमी प्रक्रिया में एक से अधिक एंजाइमी मार्ग की पहचान की गई है।[4] डिनाइट्रीफिकेशन प्रक्रिया न केवल डिनाइट्रोजन गैस में नाइट्रेट की कमी करने वाले जीव को ऊर्जा प्रदान करती है, बल्कि कुछ एनारोबिक सिलिअट्स भी ऑक्सीजन के जीवों में माइटोकॉन्ड्रिया के उपयोग के समान ऊर्जा प्राप्त करने के लिए डिनाइट्रीफाइंग एंडोसिम्बियोन्ट्स का उपयोग कर सकते हैं।[5] नाइट्रेट से अमोनियम में सीधी कमी, अमोनियम या DNRA में असमान नाइट्रेट कमी के रूप में जानी जाने वाली एक प्रक्रिया,[6] एनआरएफ-जीन वाले जीवों के लिए भी संभव है।[7][8] यह नाइट्रेट की कमी के साधन के रूप में अधिकांश पारिस्थितिक तंत्रों में विनाइट्रीकरण से कम आम है। सूक्ष्मजीवों में ज्ञात अन्य जीन जो अनाइट्रीकरण करते हैं, उनमें एनआईआर (नाइट्राइट रिडक्टेस) और एनओएस (नाइट्रस ऑक्साइड रिडक्टेस) शामिल हैं;[3]इन जीनों के रूप में पहचाने जाने वाले जीवों में एल्केलिजेनस फेकैलिस, एल्केलिजेन्स ज़ाइलोसॉक्सिडैन्स, जीनस स्यूडोमोनास में कई, ब्रैडिरिज़ोबियम जपोनिकम और ब्लास्टोबैक्टर डेनिट्रिफंस शामिल हैं।[9]


सिंहावलोकन

आधी प्रतिक्रियाएं

विनाइट्रीकरण आम तौर पर निम्नलिखित आधी प्रतिक्रियाओं के कुछ संयोजन के माध्यम से आगे बढ़ता है, जिसमें एंजाइम कोष्ठक में प्रतिक्रिया को उत्प्रेरित करता है:

पूरी प्रक्रिया को शुद्ध संतुलित रेडॉक्स प्रतिक्रिया के रूप में व्यक्त किया जा सकता है, जहां नाइट्रेट (NO3−) डाइनाइट्रोजन में पूरी तरह से अपचित हो जाता है (N2):

  • 2 सं3− + 10 और- + 12 एच+ → एन2 + 6 एच2हे

अनाइट्रीकरण की शर्तें

प्रकृति में, विनाइट्रीकरण स्थलीय और समुद्री पारिस्थितिक तंत्र दोनों में हो सकता है।[10] विशिष्ट रूप से, विनाइट्रीकरण अनॉक्सी वातावरण में होता है, जहां घुलित और मुक्त रूप से उपलब्ध ऑक्सीजन की सांद्रता कम हो जाती है। इन क्षेत्रों में नाइट्रेट (NO3−) या नाइट्राइट (NO
2−) का उपयोग ऑक्सीजन के बजाय एक स्थानापन्न टर्मिनल इलेक्ट्रॉन स्वीकर्ता के रूप में किया जा सकता है (O2), एक अधिक ऊर्जावान रूप से अनुकूल इलेक्ट्रॉन स्वीकर्ता। टर्मिनल इलेक्ट्रॉन स्वीकर्ता एक यौगिक है जो इलेक्ट्रॉन प्राप्त करके प्रतिक्रिया में कम हो जाता है। अनॉक्सी वातावरण के उदाहरणों में मिट्टी शामिल हो सकती है,[11] भूजल,[12] आर्द्रभूमि, तेल जलाशय,[13] समुद्र के खराब हवादार कोने और समुद्र तल तलछट।

इसके अलावा, विमुद्रीकरण ऑक्सी वातावरण में भी हो सकता है। इंटरटाइडल ज़ोन में डेनिट्रिफ़ायर की उच्च गतिविधि देखी जा सकती है, जहाँ ज्वारीय चक्र रेतीले तटीय तलछट में ऑक्सीजन सांद्रता के उतार-चढ़ाव का कारण बनते हैं।[14] उदाहरण के लिए, जीवाणु प्रजाति Paracoccus denitrificans एक साथ ऑक्सी और एनोक्सिक दोनों स्थितियों के तहत विनाइट्रीकरण में संलग्न है। ऑक्सीजन के संपर्क में आने पर, बैक्टीरिया नाइट्रस-ऑक्साइड रिडक्टेस का उपयोग करने में सक्षम होता है, एक एंजाइम जो विनाइट्रीकरण के अंतिम चरण को उत्प्रेरित करता है।[15] एरोबिक डेनाइट्रिफ़ायर मुख्य रूप से फ़ाइलम प्रोटोबैक्टीरिया में ग्राम-नकारात्मक बैक्टीरिया हैं। एंजाइम एनएपीएबी, एनआईआरएस, एनआईआरके और एनओएसजेड पेरिप्लासम में स्थित हैं, साइटोप्लाज्मिक और ग्राम-नेगेटिव बैक्टीरिया में बाहरी झिल्ली से घिरा एक विस्तृत स्थान है।[16] विनाइट्रीकरण से मिट्टी के वातावरण में आइसोटोप विभाजन नामक स्थिति हो सकती है। नाइट्रोजन के दो स्थिर समस्थानिक, 14एन और 15एन दोनों तलछट प्रोफाइल में पाए जाते हैं। नाइट्रोजन का हल्का समस्थानिक, 14N, विनाइट्रीकरण के दौरान पसंद किया जाता है, जिससे भारी नाइट्रोजन समस्थानिक निकल जाता है, 15N, अवशिष्ट पदार्थ में। यह चयनात्मकता के संवर्धन की ओर जाता है 14एन की तुलना में बायोमास में 15एन.[17] इसके अलावा, की सापेक्ष बहुतायत 14एन का विश्लेषण प्रकृति में अन्य प्रक्रियाओं से विमुद्रीकरण को अलग करने के लिए किया जा सकता है।

अपशिष्ट जल उपचार में प्रयोग करें

Further information: Sewage treatment

मल और नगरपालिका अपशिष्ट जल से नाइट्रोजन को हटाने के लिए आमतौर पर विमुद्रीकरण का उपयोग किया जाता है। यह निर्मित आर्द्रभूमि में एक सहायक प्रक्रिया भी है[18] और नदी तट जोन[19] अत्यधिक कृषि या आवासीय उर्वरक उपयोग से उत्पन्न नाइट्रेट के साथ भूजल प्रदूषण की रोकथाम के लिए।[20] वुडचिप्स # बायोरिएक्टर का 2000 के दशक से अध्ययन किया गया है और कृषि अपवाह से नाइट्रेट को हटाने में प्रभावी हैं[21] और खाद भी।[22] अवायवीय अमोनियम ऑक्सीकरण (anamox ) नामक प्रक्रिया के माध्यम से अनॉक्सी परिस्थितियों में कमी भी हो सकती है:[23]

एनएच4+ + नहीं2− → एन2 + 2 एच2हे

कुछ सीवेज उपचार में, मेथनॉल, इथेनॉल, एसीटेट, ग्लिसरीन, या मालिकाना उत्पादों जैसे यौगिकों को अपशिष्ट जल में जोड़ा जाता है ताकि बैक्टीरिया को नष्ट करने के लिए कार्बन और इलेक्ट्रॉन स्रोत प्रदान किया जा सके।[24] इस तरह के इंजीनियर डिनाइट्रीफिकेशन प्रक्रियाओं की माइक्रोबियल पारिस्थितिकी इलेक्ट्रॉन दाता की प्रकृति और प्रक्रिया संचालन स्थितियों द्वारा निर्धारित की जाती है।[25][26] औद्योगिक अपशिष्ट जल के उपचार में विमुद्रीकरण प्रक्रियाओं का भी उपयोग किया जाता है।[27] इलेक्ट्रो-बायोकेमिकल रिएक्टर | इलेक्ट्रो-बायोकेमिकल रिएक्टर (ईबीआर), मेम्ब्रेन बायोरिएक्टर (एमबीआर), और मूविंग बेड बायोरिएक्टर (एमबीबीआर) सहित औद्योगिक अनुप्रयोगों के लिए कई डिनाइट्रीफाइंग बायोरिएक्टर प्रकार और डिज़ाइन व्यावसायिक रूप से उपलब्ध हैं।

एरोबिक विनाइट्रीकरण, एरोबिक डेनिट्रिफायर द्वारा संचालित, अलग टैंकों की आवश्यकता को समाप्त करने और कीचड़ उपज को कम करने की क्षमता प्रदान कर सकता है। कम कठोर क्षारीय आवश्यकताएं हैं क्योंकि विमुद्रीकरण के दौरान उत्पन्न क्षारीयता आंशिक रूप से नाइट्रीकरण में क्षारीयता की खपत के लिए क्षतिपूर्ति कर सकती है।[16]


गैर-जैविक विनाइट्रीकरण

विभिन्न प्रकार के गैर-जैविक तरीके नाइट्रेट को हटा सकते हैं। इनमें ऐसी विधियाँ शामिल हैं जो नाइट्रोजन यौगिकों को नष्ट कर सकती हैं, जैसे कि रासायनिक और विद्युत रासायनिक विधियाँ, और वे जो चुनिंदा रूप से नाइट्रेट को एक केंद्रित अपशिष्ट धारा में स्थानांतरित करती हैं, जैसे आयन एक्सचेंज या रिवर्स ऑस्मोसिस। नाइट्रेट का रासायनिक निष्कासन उन्नत ऑक्सीकरण प्रक्रियाओं के माध्यम से हो सकता है, हालांकि यह खतरनाक उप-उत्पादों का उत्पादन कर सकता है।[28] आमतौर पर कैथोड पर होने वाली गिरावट के साथ इलेक्ट्रोकेमिकल तरीके इलेक्ट्रोड पर लगाए गए वोल्टेज के माध्यम से नाइट्रेट को हटा सकते हैं। प्रभावी कैथोड सामग्री में ट्रांज़िशन मेटल्स, पोस्ट ट्रांज़िशन मेटल्स शामिल हैं,[29] और सेमी-कंडक्टर जैसे TiO2।[30] इलेक्ट्रोकेमिकल तरीके अक्सर महंगे रासायनिक योजक की आवश्यकता से बच सकते हैं, लेकिन पीएच और आयनों की उपस्थिति से उनकी प्रभावशीलता को बाधित किया जा सकता है। रिवर्स ऑस्मोसिस नाइट्रेट जैसे छोटे आवेशित विलेय को हटाने में अत्यधिक प्रभावी है, लेकिन यह वांछनीय पोषक तत्वों को भी हटा सकता है, अपशिष्ट जल की बड़ी मात्रा बना सकता है, और पंपिंग दबावों में वृद्धि की आवश्यकता होती है। आयन एक्सचेंज बड़ी अपशिष्ट धाराओं के बिना पानी से नाइट्रेट को चुनिंदा रूप से हटा सकता है, <रेफ नाम = क्रूगर 1949 पीपी। 482-487 >Krueger, Gordon M. (1949). "शिशु फार्मूले में उपयोग करने से पहले पानी से नाइट्रेट निकालने की एक विधि". The Journal of Pediatrics. Elsevier BV. 35 (4): 482–487. doi:10.1016/s0022-3476(49)80063-1. ISSN 0022-3476.</ref> लेकिन पुनर्जनन की आवश्यकता होती है और अवांछित आयनों के अवशोषण के साथ चुनौतियों का सामना करना पड़ सकता है।

यह भी देखें

संदर्भ

  1. ↑ Carlson, C. A.; Ingraham, J. L. (1983). "स्यूडोमोनस स्टुट्ज़ेरी, स्यूडोमोनास एरुगिनोसा, और पैराकोकस डेनिट्रिफंस द्वारा विनाइट्रीकरण की तुलना". Appl. Environ. Microbiol. 45 (4): 1247–1253. Bibcode:1983ApEnM..45.1247C. doi:10.1128/AEM.45.4.1247-1253.1983. PMC 242446. PMID 6407395.
  2. ↑ Baalsrud, K.; Baalsrud, Kjellrun S. (1954). "थियोबैसिलस डेनिट्रिफंस पर अध्ययन". Archiv für Mikrobiologie. 20 (1): 34–62. doi:10.1007/BF00412265. PMID 13139524. S2CID 22428082.
  3. ↑ 3.0 3.1 Zumft, W G (1997). "कोशिका जीव विज्ञान और विनाइट्रीकरण का आणविक आधार". Microbiology and Molecular Biology Reviews. 61 (4): 533–616. doi:10.1128/mmbr.61.4.533-616.1997. PMC 232623. PMID 9409151.
  4. ↑ Atlas, R.M., Barthas, R. Microbial Ecology: Fundamentals and Applications. 3rd Ed. Benjamin-Cummings Publishing. ISBN 0-8053-0653-6
  5. ↑ Graf, Jon S.; Schorn, Sina; Kitzinger, Katharina; Ahmerkamp, Soeren; Woehle, Christian; Huettel, Bruno; Schubert, Carsten J.; Kuypers, Marcel M. M.; Milucka, Jana (3 March 2021). "अवायवीय एंडोसिम्बियोनेट डिनाइट्रीफिकेशन द्वारा सिलियेट होस्ट के लिए ऊर्जा उत्पन्न करता है". Nature. 591 (7850): 445–450. Bibcode:2021Natur.591..445G. doi:10.1038/s41586-021-03297-6. PMC 7969357. PMID 33658719.
  6. ↑ An, S.; Gardner, WS (2002). "Dissimilatory nitrate reduction to ammonium (DNRA) as a nitrogen link, versus denitrification as a sink in a shallow estuary (Laguna Madre/Baffin Bay, Texas)". Marine Ecology Progress Series. 237: 41–50. Bibcode:2002MEPS..237...41A. doi:10.3354/meps237041.
  7. ↑ Kuypers, MMM; Marchant, HK; Kartal, B (2011). "The Microbial Nitrogen-Cycling Network". Nature Reviews Microbiology. 1 (1): 1–14. doi:10.1038/nrmicro.2018.9. hdl:21.11116/0000-0003-B828-1. PMID 29398704. S2CID 3948918.
  8. ↑ Spanning, R., Delgado, M. and Richardson, D. (2005). "The Nitrogen Cycle: Denitrification and its Relationship to N2 Fixation". Nitrogen Fixation: Origins, Applications, and Research Progress. pp. 277–342.