Bakteriel omdannelse af nitrat til atmosfærisk kvælstof

Denitrifikation er en bakteriel respirationsproces, hvor nitrat bruges som elektronacceptor på samme måde som ilt. Som resultat reduceres nitrat til N2 i følgende trin:

Denitrifikation er en bakteriel respirationsproces, hvor nitrat bruges som elektronacceptor på samme måde som ilt. Som resultat reduceres nitrat til N 2 i følgende trin:

Nitrat -> Nitrit -> Kvælstofilte -> Lattergas -> Atmosfærisk kvælstof

NO 3 - -> NO 2 - ->NO -> N 2 O -> N 2


De bakterier, der kan udføre denitrifikation, betegnes fakultative anaerobe bakterier, fordi de kan skifte mellem iltrespiration og nitratrespiration. Bakterierne ånder med ilt, når det er til stede. Hvis ilten bruges op, kan de skifte til nitratrespiration, efter at de har produceret eller aktiveret de nødvendige enzymer.
For at få afgasset nitrat som N2  til atmosfæren skal nitrat være tilstede, mens ilt ikke må forekomme. Den situation opstår i et område, som er tilpas fugtigt, vandmættet eller helt vanddækket.
Ilts egenskaber i vand er meget forskellige fra nitrats. Opløseligheden af ilt i vand er ringe og desuden temperaturafhængig.

Ilts opløselighed i vand ved forskellige temperaturer

°C

O 2 mg l -1

0

14,63

10

11,28

20

9,08

30

7,57


Samtidig er diffusionen af ilt fra luften ned i vandfasen eller vandfyldte porer i jorden meget lille, og diffusion af ilt i vand er kun 2.267 x 10- 5 cm s-1 ved 23°C mod 2.05 x 10- 2 cm s-1 i luft. I våd jord er iltdiffusionen 1 x 10- 5 cm s-1 eller mindre, hvilket er omkring 104 gange mindre end i jord med luftfyldte porer. Den lave opløselighed af ilt i vand kombineret med den lave diffusionshastighed i vand bevirker at ilten hurtigt opbruges i vådområder, da iltbehovet langt overstiger ilttilførslen. I områder med vanddækning eller vandmætning hvor ilttilførslen alene foregår ved diffusion opbruges ilten fra få millimeter til få cm under jordoverfladen. Ved tilførsel af ilt til vådområder med grundvand som massetransport kan ilten dog trænge flere meter ind i området førend det opbruges. Det kan måske undre, at der kan være ilt tilstede i et grundvandsmagasin og ikke i et vådområde, men det hænger sammen med at grundvandsmagasinet (ofte) i denne sammenhæng må betragtes som værende et meget næringsfattigt miljø, hvor iltforbruget er meget ringe sammenlignet med et ferskt vådområde.
I modsætning til ilt er både nitrats opløselighed i vand og diffusionshastighed i vand høj. Der kan f.eks. opløses 996,4 g KNO3 i 1 liter vand (dvs. ca. 140 mg NO3-N l-1), og diffusionskoefficienten er 1.846, og nitrat er derfor et glimrende alternativ for de fakultative anaerobe bakterier, såfremt der er nitrat i vandet. Specielt når nitrat føres frem til de denitrificerende områder som massetransport med grundvand eller overfladevand (lavvandede søer) ses høje denitrifikationsrater.
Energikilder - organisk stof og pyrit
Denitrifikationsprocessen er energikrævende. Derfor skal bakterierne have adgang til en let omsættelig energikilde. Den mest udbredte proces er heterotrof denitrifikation. Energikilden er i dette tilfælde organisk bundet kulstof, der oxideres til CO2 . Processen har følgende reaktionsskema:

Org. stof + Nitrat + Brintioner -> Kuldioxid + Atm. kvælstof + Vand

5(CH 2 O) + 4 NO 3 - + 4 H + -> 5 CO 2 + 2 N 2 + 7 H 2 O


Vådområder med dynd eller tørv har et stort potentiale for denitrifikation. Men man kan ikke gå ud fra, at hele mængden af organisk stof kan bruges til denitrifikation. Det organiske stof består af mange forskellige høj- og lavmolekylære stoffer, der ikke nedbrydes lige nemt. Den letomsættelige kulstofpulje er dynamisk og under stadig forandring. Der sker en vedvarende tilførsel ved henfald af levende organismer, først og fremmest primærproducenter, og en stadig fraførsel gennem nedbryderorganismer. Svært omsættelige organiske forbindelser som cellulose og lignin nedbrydes ikke under iltfrie forhold og kan således ikke udnyttes af denitrifikanterne.
Denitrifikationsprocessen kan også foregå med pyrit, FeS2, som energikilde (e- donor) gennem autotrof denitrifikation. Bakterierne behøver ikke organisk kulstof, men benytter CO2 direkte som kulstofkilde. Reaktionsligningen foregår i to trin:

Pyrit + Nitrat + Brintioner -> Atm. kvælstof + Sulfat + Ferroioner + Vand

5 FeS 2 + 14 NO 3 - + 4 H + -> 7 N 2 + 10 SO 4 2- + 5 Fe 2+ +2 H 2 O

Ferroioner + Nitrat + Vand -> Geothit + Atm. kvælstof + Brintioner

5 Fe 2+ + NO 3 - + 7 H 2 O -> 5 FeOOH + 0,5 N 2 + 9 H +


Trin 1 og 2 kan foregå uafhængigt af hinanden, og de udføres af forskellige bakterier. Autotrof denitrifikation er bedst kendt i grundvandsmagasiner, men finder også sted i vådområder. I Danmark kan man forvente at finde processen i okkerpotentielle områder i Jylland, dvs. i Sønderjylland, Vestjylland og Nordjylland. Pyritdannelsen er formentlig en langsom proces i ferske vådområder på grund af den ringe tilførsel af udgangsprodukterne (Fe og SO42- ). Derfor er pyrit som regel en begrænset ressource for denitrifikationen i modsætning til organisk stof, der hele tiden tilføres gennem primærproduktionen.
pH
Denitrifikation foregår bedst ved pH 6-8. Men der er eksempler på, at processen kan foregå ned til pH 4 og op til pH 9, afhængigt af bakterietype. Ved pH 4 skal man være opmærksom på, at en meget stor del af den nitrat der denitrificeres ender som lattergas N2O og ikke som atmosfærisk kvælstof, N2.
Sure næringsfattige miljøer er normalt uden større interesse, hvis genopretningen skal føre til fjernelse af nitrat - med mindre man kan øge pH ved at skabe iltfrie forhold som led i hævning af grundvandstanden. Ved denitrifikation med organisk stof som energikilde øges alkaliniteten. Det fører til en stigning i pH, som undertiden kan måles i den aktivt denitrificerende zone.
Ved denitrifikation med pyrit som energikilde kunne man forvente en kraftig forsuring, fordi der sker en stor produktion af brintioner (H+ ). Forsuring er endnu ikke påvist i vådområder, sandsynligvis fordi det aktivt denitrificerende område har en meget begrænset udstrækning. I øvrigt kan en stor del af ferro-ionerne bindes i jorden, så de undgår at blive iltet videre til ferri-ioner, hvorved forsuring undgås.
Temperatur
Temperaturen har stor indflydelse på denitrifikationen. Som tommelfingerregel fordobles processens hastighed hver gang, temperaturen stiger 10 °C (Q10 = 2).
Denitrifikation foregår ned til 0 °C og op til 60-70 °C. I de fleste tilfælde kan processen finde sted hele året under danske forhold. Ved undersøgelser i Fyns Amt er der registreret nitratfjernelse på 50 kg N ha-1 måned-1 ved temperaturer nær 0 °C. I grundvandsfødte vådområder ligger temperaturen altid omkring 8 °C. Her ses en konstant høj denitrifikation, hvis der ikke er andre begrænsende faktorer.