Nitrifikation
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Als Nitrifikation bezeichnet man die bakterielle Oxidation von Ammoniak (NH3) bzw. Ammonium-Ionen (NH4+) zu Nitrat (NO3−).
Die Nitrifikation ist ein Teilprozess des Stickstoffkreislaufs in Ökosystemen. Das durch Destruenten aus abgestorbener Biomasse frei gesetzte Ammoniak bzw. Ammonium wird durch nitrifizierende Bakterien in zwei Schritten zu Nitrat oxidiert. Dazu ist Sauerstoff (O2) aus der Umgebung erforderlich.
- Im ersten Schritt nehmen Nitritbakterien (Nitrosofizierer, z. B. der Gattungen Nitrosomonas, Nitrosospira oder Nitrosococcus), aus der Umgebung Ammoniak auf und oxidieren es zu Nitrit-Ionen, die nach außen abgegeben werden:
- Unter Standardbedingungen (siehe Energiestoffwechsel) je Mol umgesetztes Ammoniak frei werdende Energie entsprechend der Änderung der Freien Energie: ΔG°' = −235 kJ/mol.
- Im zweiten Schritt nehmen Nitratbakterien (Nitrifizierer, z. B. der Gattungen Nitrobacter, Nitrospira oder Nitrococcus), welche mit den Nitritbakterien oft vergesellschaftet auftreten, die Nitrit-Ionen auf und oxidieren diese zu Nitrat-Ionen. Nach Ausscheidung der Nitrat-Ionen stehen diese den Pflanzen als stickstoffhaltiger Mineralnährstoff zur Verfügung:
- Unter Standardbedingungen je Mol umgesetztes Nitrit frei werdende Energie entsprechend der Änderung der Freien Energie:
- ΔG°' = −76 kJ/mol.
- Diese beiden Schritte ergeben in der Summe:
ΔG°' = −311 kJ/mol
Die nitrifizierenden Bakterien (Nitrifikanten) führen einen chemo-litho-autotrophen Stoffwechsel: Die anorganischen Stickstoff-Verbindungen dienen sowohl als Elektronendonator (Lithotrophie) als auch zusammen mit Sauerstoff O2 als Energiequelle (Chemotrophie). Die bei der Oxidation frei werdende Energie wird zur Synthese von ATP aus ADP und Phosphat benötigt. ATP wird wiederum zum Aufbau von Biomasse aus Kohlenstoffdioxid eingesetzt. Die nitrifizierenden Bakterien können ihren Kohlenstoffbedarf aus Kohlenstoffdioxid allein decken. Das bedeutet, sie sind autotroph und betreiben sogenannte Chemosynthese. Das Kohlenstoffdioxid wird über den Calvin-Zyklus assimiliert.
Bei der Nitrifikation fällt ein Sauerstoffverbrauch von 4,33 g O2 je g NO3-N an (Sauerstoff dient als Elektronenakzeptor). Es wächst Nitrifikatenbiomasse im Ausmaß von 0,24 g CSB je g NO3-N zu (Zellertrag, engl. yield). 1,42 Gramm CSB (Chemischer Sauerstoffbedarf) entsprechen einem Gramm organischer Trockenmasse.
Die Nitrifikation ist mit einer Produktion von Säure (H+-Bildung) verbunden, der pH-Wert wird abgesenkt. Das belastet die Pufferkapazität des Wassers und kann das Wasser bzw. den Boden versäuern. Da Nitrifizierer nur im neutralen bis leicht alkalischen Bereich stoffwechseln, kann durch die Versäuerung die vollständige Umwandlung des fischtoxischen Ammoniums/Ammoniak in Abwasser-Kläranlagen verhindert werden (Autoinhibition).
