Jaką rolę w obiegu azotu pełnią bakterie nitryfikacyjne i denitryfikacyjne?

Azot w przyrodzie występuje w solach mineralnych. Bardzo ważne jest występowanie azotu w organizmach żywych w postaci białek. Zdecydowanie najwięcej, bo aż 78% azotu ma powietrze. Obieg azotu w przyrodzie opiera się na pięciu podstawowych procesach: pobieraniu nieorganicznych związków z podłoża, rozkładzie martwych szczątków organicznych z uwolnieniem amoniaku, wiązaniu azotu cząsteczkowego, nitryfikacji i denitryfikacji.

W krążeniu azotu w przyrodzie zawsze biorą udział jakieś bakterie. Bakterie gnilne rozkładają obumarłe szczątki roślin i zwierząt. Powstaje wtedy amoniak (NH3). W przyrodzie żyją bakterie, które mogą pobierać azot z powietrza. Są nimi bakterie tkankowe z rodzaju Azotobacter i beztlenowa z rodzaju Clostridium. Bakterie z rodzaju Rhizobium żyją w symbiozie z korzeniami roślin motylkowych i mogą przetwarzać azot atmosferyczny na aminokwasy oraz białka.

Znajdujące się w glebie sole azotowe, które pobierają rośliny i obracają na budowę cząsteczek białka, stanowią podstawowy element ciała roślin i zwierząt. Powstają w wyniku utleniania amoniaku i jego związków przez bakterie nitryfikacyjne na tlenki azotu, które z innymi związkami mineralnymi tworzą znów azotowe związki glebowe. Nazwa „nitryfikatory” pochodzi od łacińskich słów „nitrum”, czyli soda i „facio”, czyli czynię. Nitryfikacja jest procesem realizowanym głównie przez bakterie Nitrosomonas i Nitrobacter. Są to mikroorganizmy, które jako budulec własnego ciała wykorzystują podobnie jak rośliny proste związki nieorganiczne: wodę i dwutlenek węgla. Niezbędną do życia energię uzyskują natomiast w wyniku chemicznej reakcji utleniania azotu amonowego do azotynów, a następnie azotynów do azotanów.

W uproszczeniu bakterie Nitrosomonas przeprowadzają reakcję:
NH4+ + 1,5 O2 -> NO2- + 2H+ + H2O + 352 kJ
zaś bakterie Nitrobacter:
NO2- + 0,5 O2 -> NO3- + 73 kJ

W wyniku działalności tych pożytecznych mikroorganizmów następuje przekształcenie stosunkowo toksycznego azotu amonowego (NH4+ i NH3) w znacznie mniej szkodliwy azot azotanowy (NO3-). Drugi etap nitryfikacji przeprowadzany przez Nitrobacter przebiega znacznie szybciej i cały wytworzony azot azotanowy (NO2-) jest praktycznie natychmiast przetwarzany. Bakterie nitryfikacyjne bytują głównie w glebie, wzbogacając ją w azotany, najchętniej wykorzystywaną przez rośliny formę azotu. Zbyt intensywna nitryfikacja nie jest pożądana, gdyż azotany są znacznie łatwiej wypłukiwane z gleby niż jony amonowe.

Inaczej mówiąc, bakterie nitryfikacyjne utleniają amoniak wytwarzany podczas procesów gnilnych (w rozkładzie białek). Są bardzo ważnym czynnikiem obiegu związków azotowych w przyrodzie. Azotany stanowią źródło pokarmu azotowego dla roślin wyższych.

Azotany mogą być bezpośrednio wykorzystywane jako źródło azotu przez rośliny, mogą gromadzić się w glebie (np. złoża saletry chilijskiej) lub ulegać rozkładowi przez bakterie denitryfikacyjne. Denitryfikacja lub oddychanie azotanowe zachodzi przede wszystkim wtedy, kiedy stworzone są warunki beztlenowe, czyli takie, w których tlen nie występuje w formie cząsteczkowej (O2), ale jest obecny w formie związanej chemicznie np. w postaci azotanów (NO3-). W takiej sytuacji bakterie nie mogą używać do oddychania tlenu cząsteczkowego i muszą wykorzystywać ten związany chemicznie. Następuje wykorzystanie tlenu zawartego w azotanach w myśl uproszczonej reakcji:
NO3- + 0,5 H2O -> 0,5 N2 + 2,5 O + OH-

W wyniku aktywności życiowej mikroorganizmów następuje przekształcenie azotu azotanowego w formę cząsteczkową N2, który jest gazem i ulatnia się z wody w powietrze. Liczne denitryfikatory żyją w glebie i wodzie, przyczyniając się do lokalnych strat azotu glebowego, zwłaszcza w glebach słabo przewietrzanych.

Bezsprzecznie rola bakterii nitryfikacyjnych i denitryfikacyjnych jest bardzo duża. Bez ich obecności niemożliwy byłby prawidłowy obieg azotu w przyrodzie. Spowodowałoby to zaburzenie cykli biogeochemicznych i równocześnie nastąpiłoby całkowite zachwianie równowagi w środowisku naturalnym.