أبحاث حول آلية تحويل العوامل المؤثرة على النيتروجين العضوي إلى النيتروجين الأمونيا

في دورة النيتروجين لأنظمة معالجة مياه الصرف الصحي والبيئات المائية الطبيعية، يعد تحويل النيتروجين العضوي إلى نيتروجين الأمونيا إحدى العمليات الأساسية. تعمل هذه العملية، المعروفة باسم الأمونيا، كخطوة أساسية في تحويل النيتروجين، مما يؤثر بشكل مباشر على كفاءة عملية نزع النتروجين اللاحقة وتفاعلات إزالة النيتروجين الأخرى. يلعب دورًا حاسمًا في السيطرة على تلوث النيتروجين في المسطحات المائية. يتواجد النيتروجين العضوي على نطاق واسع في مياه الصرف الصحي المنزلية، ومياه الصرف الصناعي، والمسطحات المائية الطبيعية، وتشمل مصادره الأساسية المركبات العضوية المحتوية على النيتروجين مثل البروتينات والأحماض الأمينية واليوريا والأحماض النووية والمواد الدبالية. يجب أن تتحلل هذه المواد من خلال عمليات التمثيل الغذائي الميكروبي، وتتحول في النهاية إلى نيتروجين الأمونيا (ce{NH3-N} أو ce{NH^{+}_{4}-N})، والذي يشارك بعد ذلك في هجرة النيتروجين وتحوله لاحقًا.
 
1. العملية الأساسية لتحويل النيتروجين العضوي إلى نيتروجين الأمونيا - الأمونيا
 
تشير الأمونيا إلى التفاعل الكيميائي الحيوي الذي تتحلل فيه المجموعات المحتوية على النيتروجين في مركبات النيتروجين العضوي تدريجيًا تحت تحفيز الكائنات الحية الدقيقة، مما يؤدي في النهاية إلى إطلاق نيتروجين الأمونيا. اعتمادا على أنواع الكائنات الحية الدقيقة المعنية وظروف التفاعل، يمكن تصنيف الأمونيا إلى الأمونيا الهوائية واللاهوائية. على الرغم من اختلاف مسارات التفاعل والكائنات الحية الدقيقة السائدة، إلا أن المنتجات النهائية تتكون في المقام الأول من نيتروجين الأمونيا.
 
الأمونيا تحت الظروف الهوائية
 
الأمونيا الهوائية هي العملية التي تقوم بها الكائنات الحية الدقيقة الهوائية بأكسدة وتحلل مركبات النيتروجين العضوية في بيئة غنية بالأكسجين. إنه يتميز بمعدلات تفاعل سريعة وكفاءة تحويل عالية، ويعمل كشكل أساسي لتحويل النيتروجين العضوي في المرحلة الهوائية لمعالجة مياه الصرف الصحي (مثل خزان التهوية في عملية الحمأة المنشطة).
 
مسارات التحول للنيتروجين العضوي البروتيني
يعد البروتين أحد أكثر ملوثات النيتروجين العضوية شيوعًا في المسطحات المائية، ويشتمل تحويله إلى نيتروجين الأمونيا على تفاعلين رئيسيين. الخطوة الأولى هي التحلل المائي للبروتين، الذي يتم تحفيزه بواسطة البروتياز الذي تفرزه الكائنات الحية الدقيقة الهوائية، والذي يكسر جزيئات البروتين الكبيرة إلى ببتيدات أصغر وأحماض أمينية. تُظهر البروتيازات، بما في ذلك التربسين والبيبسين، خصوصية في شق الروابط الببتيدية داخل جزيئات البروتين. الخطوة الثانية هي تمييع الأحماض الأمينية، وهي العملية الأساسية للأمنة، حيث تفقد الأحماض الأمينية، تحت تأثير ديميناز، مجموعتها الأمينية (NH₂) من خلال التمييع التأكسدي، أو التمييع الاختزالي، أو التمييع المائي، وتحويلها إلى نيتروجين الأمونيا.
بأخذ الأمينة التأكسدية كمثال، يمكن تمثيل تفاعلها على النحو التالي:
م{R-CH(NH2)-COOH + O2 -> R-CO-COOH + NH3}
تتحد الأمونيا (ce{NH3}) الناتجة عن التفاعل مع أيونات الهيدروجين في الماء لتكوين أيونات الأمونيوم (ce{NH^{+}_{4}}). وتعتمد النسبة بين الاثنين على درجة حموضة الماء. عندما يكون الرقم الهيدروجيني قلويًا، تسود الأمونيا (ce{NH3})؛ عندما يكون الرقم الهيدروجيني حمضيًا، تهيمن أيونات الأمونيوم (ce{NH^{+}_{4}}).

2. مسارات تحول النيتروجين العضوي في مركبات اليوريا
تعتبر اليوريا مكونًا مهمًا للنيتروجين العضوي في مياه الصرف الصحي المنزلية. يتم تحفيز عملية الأمونيا عن طريق اليورياز، والتي تحدث في ظل ظروف معتدلة وتتم بسرعة في بيئة هوائية. يكسر اليورياز رابطة الأميد في جزيء اليوريا، ويتحللها مباشرة إلى نيتروجين الأمونيوم وثاني أكسيد الكربون. معادلة التفاعل هي كما يلي:
سي{CO(NH2)2 + H2O -> 2NH3 + CO2}
لا يتطلب هذا التفاعل مرحلة وسيطة من الأحماض الأمينية، ويظهر كفاءة تحويل عالية للغاية، ويعمل كأحد المصادر الرئيسية لنيتروجين الأمونيا في مياه الصرف الصحي المنزلية.

(2) الأمونيا تحت الظروف اللاهوائية

الأمونيا اللاهوائية هي العملية التي يتم من خلالها تخمر الكائنات الحية الدقيقة اللاهوائية أو اللاهوائية الاختيارية وتحلل مركبات النيتروجين العضوية في بيئة خالية من الأكسجين، وتحدث عادة في المراحل اللاهوائية لمعالجة مياه الصرف الصحي (مثل الهاضمات اللاهوائية)، والرواسب، والمسطحات المائية ناقصة الأكسجين. بالمقارنة مع الأمونيا الهوائية، تتم الأمونيا اللاهوائية بمعدل أبطأ ويصاحبها إنتاج غازات مثل الميثان وكبريتيد الهيدروجين.
يبدأ تحلل النيتروجين العضوي بواسطة الكائنات الحية الدقيقة اللاهوائية أيضًا بالتحلل المائي للمركبات العضوية الجزيئية الكبيرة، مثل البروتينات، والتي يتم تقسيمها إلى أحماض أمينية بواسطة البروتياز اللاهوائي. بعد ذلك، تطلق الأحماض الأمينية نيتروجين الأمونيا من خلال التخفيف الاختزالي أو التمييع المتخمر. بأخذ التخفيف الاختزالي كمثال، فإن معادلة التفاعل هي:
ص{R-CH(NH2)-COOH + 2H -> R-CH2-COOH + NH3}
بالإضافة إلى ذلك، في البيئات اللاهوائية، يمكن أيضًا أن تتحلل مركبات النيتروجين العضوية المعقدة مثل الأحماض النووية والدبال تدريجيًا بواسطة الكائنات الحية الدقيقة، مما يؤدي إلى إطلاق نيتروجين الأمونيا. ومع ذلك، فإن عملية التحويل أكثر تعقيدًا وتتضمن العمل التآزري لإنزيمات متعددة.

ثانيا. المجموعات الميكروبية الرئيسية المشاركة في عملية الأمونيوم

جوهر الأمونية هو عملية التمثيل الغذائي للكائنات الحية الدقيقة، والتي تنطوي على مجموعة متنوعة من الأنواع الميكروبية، بما في ذلك البكتيريا والفطريات والفطريات الشعوية، وأكثر من ذلك. تظهر الكائنات الحية الدقيقة المختلفة اختلافات في قدرتها على تحلل النيتروجين العضوي وقدرتها على التكيف مع الظروف البيئية.

```(1) المجموعات البكتيرية```

البكتيريا هي الكائنات الحية الدقيقة المهيمنة في الأمونة، وتصنف في المقام الأول إلى أنواع هوائية ولاهوائية. تشتمل البكتيريا الأمونية الهوائية على أجناس مثل Bacillus وPseudomonas وProteus، والتي تتكاثر بسرعة في ظل الظروف الهوائية وتظهر نشاطًا عاليًا للبروتياز وdeaminase، مما يتيح تحلل البروتين والأحماض الأمينية بكفاءة. يتم تمثيل البكتيريا الأمونية اللاهوائية بأجناس مثل كلوستريديوم ومولدات الميثان. يمكن لكلوستريديوم تحلل البروتينات تحت الظروف اللاهوائية لإنتاج نيتروجين الأمونيا والأحماض العضوية، بينما تستخدم مولدات الميثان مركبات النيتروجين العضوية البسيطة لمزيد من التخمير والمشاركة في تفاعلات الأمونيا.

(2) الأصناف الفطرية والشعياتية
 
تلعب الفطريات والفطريات الشعوية أيضًا دورًا مهمًا في تحويل النيتروجين العضوي، خاصة في معالجة مياه الصرف الصحي التي تحتوي على نيتروجين عضوي معقد، مثل مياه الصرف الصحي للطباعة والصباغة ومياه الصرف الصحي الصيدلانية. يمكن للفطريات مثل Aspergillus وPenicillium أن تفرز العديد من الإنزيمات خارج الخلية لتحليل النيتروجين العضوي المرتبط بالمركبات العضوية المتمردة مثل السليلوز واللجنين؛ Streptomyces، جنس من الشعيات، لديه قدرة قوية على تحلل النيتروجين العضوي الدبالي. يمكن للإنزيمات التي تنتجها عملية التمثيل الغذائي الخاصة بها أن تكسر البنية المستقرة للمواد الدبالية وتطلق نيتروجين الأمونيا.
 
3، العوامل الرئيسية المؤثرة على تحويل النتروجين العضوي إلى نيتروجين الأمونيا
 
تتأثر كفاءة الأمونيا بالعوامل البيئية المختلفة وخصائص الركيزة. في أنظمة معالجة مياه الصرف الصحي، يمكن لتنظيم هذه العوامل أن يحسن بشكل فعال معدل تحويل النيتروجين العضوي إلى نيتروجين الأمونيا، مما يخلق ظروفًا مواتية للنترجة ونزع النتروجين لاحقًا.
 
(1) درجة الحرارة
 
درجة الحرارة هي العامل الأساسي الذي يؤثر على نشاط الإنزيم الميكروبي، حيث تحدد بشكل مباشر معدل تفاعل الأمونيا. درجة حرارة النمو المناسبة لتوليف الكائنات الحية الدقيقة هي 20 درجة مئوية -35 درجة مئوية. ضمن نطاق درجة الحرارة هذا، يكون نشاط الإنزيم مرتفعًا، ويتسارع معدل تفاعل الأمونيا مع زيادة درجة الحرارة؛ عندما تكون درجة الحرارة أقل من 10 درجة مئوية، ينخفض ​​معدل التمثيل الغذائي للكائنات الحية الدقيقة بشكل ملحوظ، ويتم تثبيط نشاط الإنزيم، وتنخفض كفاءة الأمونيا بشكل كبير؛ عندما تتجاوز درجة الحرارة 40 درجة مئوية، فإن بروتينات الإنزيم في الخلايا الميكروبية ستخضع لعملية تمسخ، مما يؤدي إلى ركود تفاعل الأمونيا. في معالجة مياه الصرف الصحي الفعلية، غالبًا ما يكون من الضروري تمديد وقت الاحتفاظ الهيدروليكي أو زيادة تركيز الحمأة في ظل ظروف درجات الحرارة المنخفضة في الشتاء للتعويض عن الانخفاض في كفاءة الأمونيا.
 
(2) قيمة الرقم الهيدروجيني
 
تؤثر قيمة الرقم الهيدروجيني بشكل غير مباشر على الأمونيا من خلال التأثير على بيئة النمو ونشاط إنزيم الكائنات الحية الدقيقة. نطاق الأس الهيدروجيني المناسب للكائنات الحية الدقيقة الأمونية الهوائية هو 6.5-8.0، حيث تكون أنشطة الأنزيم البروتيني ونازعة الأمين للكائنات الحية الدقيقة في أعلى مستوياتها؛ عندما تكون قيمة الرقم الهيدروجيني أقل من 5.5 أو أعلى من 9.0، سيتم تعطيل البنية المكانية للإنزيم، وسيتم تثبيط نمو الميكروبات، وسيتم إعاقة تفاعل الأمونيا. تمتلك الكائنات الحية الدقيقة الأمونية اللاهوائية نطاقًا واسعًا نسبيًا من القدرة على التكيف مع قيم الأس الهيدروجيني، مع نطاق مناسب من الأس الهيدروجيني يتراوح بين 6.0-7.5. تعتبر البيئة الحمضية قليلاً أكثر ملاءمة لعملية استقلاب التخمير للبكتيريا الأمونية اللاهوائية. بالإضافة إلى ذلك، يمكن أن تؤثر قيمة الرقم الهيدروجيني أيضًا على شكل نيتروجين الأمونيا، والذي يؤثر بدوره على إمداد الركيزة لتفاعلات النترجة اللاحقة.
 
(3) الأكسجين المذاب (DO)
 
يعد الأكسجين المذاب شرطًا أساسيًا للتمييز بين الأمونيا الهوائية والأمونيا اللاهوائية. في البيئة الهوائية، يجب الحفاظ على تركيز الأكسجين المذاب عند 2 ملجم / لتر - 4 ملجم / لتر لتلبية احتياجات الجهاز التنفسي للكائنات الحية الدقيقة الأمونيا الهوائية. في هذا الوقت، تهيمن الأمونيا الهوائية وكفاءة التحويل عالية؛ عندما يكون تركيز الأكسجين المذاب أقل من 0.5 ملجم/لتر، يتم تثبيط نشاط الكائنات الحية الدقيقة الهوائية، وتصبح الكائنات الحية الدقيقة الأمونية اللاهوائية هي المجموعة الميكروبية المهيمنة، مما يؤدي إلى معدل تفاعل أبطأ للأمونيا. في عمليات مثل A²/O وخندق الأكسدة في معالجة مياه الصرف الصحي، يمكن تحقيق العملية التآزرية لأمونيا النيتروجين العضوي والنترجة ونزع النتروجين من خلال التحكم في تركيز الأكسجين المذاب في مناطق مختلفة.

(4) أنواع وتركيزات ركائز النيتروجين العضوي
 
يؤثر نوع وتركيز مصفوفة النيتروجين العضوي بشكل مباشر على معدل ودرجة الأمونيا. يمكن امتصاص مركبات النيتروجين العضوية الجزيئية الصغيرة (مثل الأحماض الأمينية واليوريا) مباشرة واستخدامها بواسطة الكائنات الحية الدقيقة، مع معدل سريع لتحويل الأمونيا؛ تحتاج مركبات النيتروجين العضوية ذات الجزيئات الكبيرة (مثل البروتينات والأحماض النووية) إلى الخضوع لتفاعلات التحلل المائي لتتحلل إلى مواد جزيئية صغيرة، مع فترة تحويل أطول. بالإضافة إلى ذلك، عندما يكون تركيز النيتروجين العضوي مرتفعًا جدًا، فإنه يمكن أن يسبب خللاً في الضغط الاسموزي للخلايا الميكروبية، مما يمنع نمو الميكروبات؛ عندما يكون التركيز منخفضًا جدًا، لا يمكنه توفير التغذية الكافية للكائنات الحية الدقيقة، وتكون كفاءة تفاعل الأمونيا منخفضة. في الهندسة العملية، بالنسبة لمياه الصرف الصحي ذات التركيز العالي من النيتروجين العضوي، غالبًا ما تستخدم عمليات المعالجة المسبقة (مثل تحمض التحلل المائي) لتحليل النيتروجين العضوي الجزيئي الكبير إلى مواد جزيئية صغيرة، وبالتالي تحسين كفاءة معالجة الأمونيا اللاحقة.
 
(5) هيكل المجتمع الميكروبي
 
إن تنوع ووفرة المجتمعات الميكروبية هي العوامل البيولوجية الأساسية التي تؤثر على الأمونيا. عندما يكون تنوع الكائنات الحية الدقيقة الأمونية في النظام وفيرًا ويكون عدد المجموعات البكتيرية السائدة كافيًا، تكون كفاءة تحلل النيتروجين العضوي وتحوله أعلى؛ على العكس من ذلك، إذا كانت بنية المجتمع الميكروبي منفردة أو كانت هناك مواد مثبطة (مثل المعادن الثقيلة والمركبات العضوية السامة) تتسبب في موت المجتمعات الميكروبية المهيمنة، فإن الأمونيا سوف تتأثر بشدة. خلال مرحلة بدء تشغيل نظام معالجة مياه الصرف الصحي، يمكن إنشاء مجتمعات ميكروبية فعالة تعمل على الأمونيا بسرعة عن طريق إضافة عوامل الأمونيا أو تلقيح الحمأة الناضجة، مما يؤدي إلى تقصير دورة تشغيل النظام.
 
4، الأهمية البيئية والهندسية لتحويل النيتروجين العضوي إلى نيتروجين الأمونيا
 
يعد تحويل النيتروجين العضوي إلى نيتروجين الأمونيا حلقة رئيسية في دورة النيتروجين وله أهمية كبيرة في كل من البيئات الطبيعية ومشاريع معالجة مياه الصرف الصحي.
في المسطحات المائية الطبيعية، يمكن لنيتروجين الأمونيا الناتج عن الأمونيا أن يوفر مصادر النيتروجين للعوالق النباتية والطحالب وما إلى ذلك، مما يعزز الدورة المادية للنظم البيئية المائية؛ ومع ذلك، يمكن أن يؤدي الإفراط في نيتروجين الأمونيا إلى إثراء المسطحات المائية، مما يسبب مشاكل بيئية مثل ازدهار الطحالب والمد والجزر الحمراء. في هندسة معالجة مياه الصرف الصحي، تعتبر الأمونيا خطوة ضرورية لإزالة النتروجين البيولوجي. فقط من خلال تحويل النيتروجين العضوي بكفاءة إلى نيتروجين الأمونيا يمكن توفير ركائز كافية لتفاعلات النترجة اللاحقة (تحويل نيتروجين الأمونيا إلى نيتروجين النترات) وتفاعلات نزع النتروجين (تحويل نيتروجين النترات إلى نيتروجين)، وتحقيق الإزالة الكاملة للنيتروجين. بالإضافة إلى ذلك، في عملية الهضم اللاهوائي، يمكن لنيتروجين الأمونيا الناتج عن الأمونيا تحييد الأحماض العضوية المنتجة أثناء عملية الهضم، والحفاظ على استقرار قيمة الرقم الهيدروجيني للنظام، وضمان التقدم السلس للهضم اللاهوائي.

خامسا الاستنتاج
 
يعد تحويل النيتروجين العضوي إلى نيتروجين الأمونيا عملية معقدة بوساطة ميكروبية، وتتأثر بعوامل متعددة مثل درجة الحرارة وقيمة الرقم الهيدروجيني والأكسجين المذاب وخصائص الركيزة. إن الفهم العميق للآلية والعوامل المؤثرة في الأمونيا له أهمية نظرية وعملية مهمة لتحسين عمليات معالجة مياه الصرف الصحي وتحسين كفاءة إزالة النيتروجين البيولوجي. مع التحسين المستمر لمتطلبات إدارة البيئة المائية، من الضروري إجراء مزيد من الدراسة لآلية تنظيم التمثيل الغذائي لتسليخ الكائنات الحية الدقيقة، وتطوير عوامل بكتيرية فعالة للتوليف واستراتيجيات تحسين العملية في المستقبل، وتوفير دعم فني أقوى لحل مشكلة تلوث النيتروجين في المسطحات المائية.