Nitrification
Définition
La nitrification est la transformation de l'azote, avec passage en de l'ammoniac et de ses sels en nitrates, se faisant en deux phases : nitrosation (ou nitritation) et nitratation. Cette double phase suit l'ammonification dans le cycle de l'azote, mais précède la phase de dénitrification. La nitrification existe aussi dans un sol agricole terrestre que dans les substrats de milieu aquatique : il faut que les bactéries nitrifiantes puissent se fixer sur un substrat.
La nitrification avec nitritation et nitratation :
La nitrification est l'oxydation bactérienne de l'ammoniac NH3 ou des ions ammonium NH4- pour former du nitrate NO3-. Elle se compose de deux sous-processus couplés : dans la première partie, l'ammoniac est oxydé en nitrite, qui est oxydé en nitrate dans le deuxième sous-processus.
Explications
L'oxydation de l'ammonium en nitrite et l'oxydation ultérieure en nitrate sont effectuées par deux espèces de bactéries nitrifiantes. La première étape est faite par des bactéries des genres microbiologiques Nitrosomonas et Nitrosococcus (entre autres). La deuxième étape (oxydation du nitrite en nitrate) est réalisée principalement par des bactéries du genre Nitrobacter. Dans les deux étapes, l'énergie produite est destinée à la synthèse de l'ATP. Ces micro-organismes nitrifiants sont chimioautotrophes et utilisent le dioxyde de carbone comme source de carbone pour leur croissance.
Les bactéries nitrifiantes sont les principaux acteurs de la nitrification.
La nitrification joue un rôle important dans l'élimination de l'azote organique des eaux usées, généralement par le biais de cette nitrification bactérienne suivie d'une dénitrification. Le coût de ce processus réside principalement dans l'aération (apport d'oxygène dans le réacteur) et l'ajout d'une source externe de carbone (par exemple du méthanol) pour la dénitrification.
Dans de nombreux environnements, les deux organismes sont ensemble, donnant du nitrate comme produit final. Cependant, il est possible de concevoir des systèmes dans lesquels le nitrite est formé de manière sélective (processus de Sharon).
Parallèlement à l'ammonification, la nitrification fait partie du processus de minéralisation, qui fait référence à la décomposition complète de la matière organique, avec libération de composés azotés disponibles pour les légumes (formes minérales et non organiques). Ceci termine le cycle de l'azote.
Ecologie (et microbiologie)
Dans la plupart des environnements (agricoles ou aquatiques), les organismes présents complètent les deux étapes du processus, donnant le nitrate comme produit final. Cependant, il est possible de concevoir des systèmes dans lesquels du nitrite est formé (processus de Sharon).
La nitrification est importante dans les systèmes agricoles, où les engrais sont souvent appliqués sous forme d'ammoniac. La conversion de cet ammoniac en nitrate augmente le lessivage de l'azote car le nitrate est plus soluble dans l'eau que l'ammoniac.
La nitrification joue également un rôle important dans l'élimination de l'azote des eaux usées municipales. L'élimination conventionnelle est la nitrification, suivie de la dénitrification. Le coût de ce processus réside principalement dans l'aération (apport d'oxygène dans le réacteur) et l'ajout d'une source de carbone externe (par exemple, le méthanol) pour la dénitrification.
La nitrification peut également exister dans l'eau potable. Dans les systèmes de distribution où les chloramines sont utilisées en tant que désinfectant secondaire, la présence d'ammoniac libre peut servir de substrat aux microorganismes oxydant l'ammoniac. Les réactions associées peuvent entraîner l'épuisement des résidus de désinfectant dans le système. Il a été prouvé que l'ajout d'ions chlorite à l'eau traitée à la chloramine contrôlait la nitrification.
La nitrification, associée à l'ammonification, forme un processus de minéralisation qui fait référence à la décomposition complète de la matière organique, avec libération de composés azotés disponibles. Cela reconstitue le cycle de l'azote.
Chimie
La décomposition des matières organiques azotées, globalement inverse de la réaction de photosynthèse fournit de l'énergie (ΔG < 0) et est théoriquement spontanée en présence d'oxygène. Elle suit en fait des voies biologiques : respiration, excrétion, prédation, attaque bactérienne, aboutissant à l'émission dans le milieu marin de métabolites azotés plus ou moins simples et d'ions ammonium. La transformation de l'azote organique en ammonium est appelée ammonification. L'oxydation ultérieure de l'ammonium en nitrite puis en nitrate est la nitrification.
Elle s'effectue selon la formule chimique : NH4 + 2 O2 → NO2- + 2 H+ + H2O, puis : NO2- + ~ O2 → NO3-
Les deux sous-processus donnent : NH3 + 2 O2 → NO3- + H+ + H2O
Dans cette réaction de nitrification, 311 kJ d'énergie par mole d'ammoniac oxydé sont libérés dans des conditions standard (le changement de l'énergie libre ΔG est de -311 kJ/mol).
Dans la nature, dans des conditions normales, les représentants des deux groupes bactériens, l'ammoniac et les oxydants de nitrite, coexistent et interagissent de telle manière qu'aucun nitrite ne s'accumule.
Les deux sous-processus fournissent suffisamment d'énergie pour la croissance et d'autres processus de vie pour les organismes impliqués. La nitrification joue un rôle important dans le cycle de l'azote des écosystèmes car elle convertit l'ammoniac libéré par les destructeurs de la biomasse morte en nitrate. Cela crée des nutriments minéraux contenant de l'azote pour les plantes.
Origine
Sergei Winogradsky a été le premier à réaliser que la nitrification est un processus concerté impliquant différents groupes de bactéries. Il a décrit dans son (dans la perspective d'aujourd'hui) des publications classiques sur la nitrification non seulement les sous-processus, mais aussi presque tous les genres connus ont été décrits pour la première fois. Ce faisant, Winogradsky a divisé les bactéries impliquées, les bactéries nitrifiantes, en deux groupes : le préfixe Nitroso-, qu'il a utilisé comme élément de connexion commun dans le nom générique des organismes impliqués dans le premier sous-processus; les genres du deuxième sous-processus ont reçu le préfixe nitro- dans le nom du genre.
Les bactéries nitrifiantes (Nitrosomonas, Nitrobacter) en sont les médiateurs. Elles récupèrent une partie de l'énergie de la réaction pour satisfaire leurs besoins énergétiques et sont capables d'absorber le carbone inorganique dissous pour synthétiser leurs propres structures organiques. L'activité de ces bactéries est responsable du faible niveau de l'ammonium et du nitrite dans les eaux normalement oxygénées.
Les bactéries nitrifiantes portent un métabolisme chimio-astrotrophique : les composés azotés inorganiques servent à la fois de donneur d'électrons (lithotrophie) et d'oxygène 2 en tant que source d'énergie (chimiotrophie). L'énergie libérée pendant l'oxydation est nécessaire pour la synthèse de l'ATP à partir de l'ADP et du phosphate. L'ATP est principalement utilisé pour construire de la biomasse à partir de dioxyde de carbone. Les bactéries nitrifiantes peuvent couvrir leur demande en carbone à partir du dioxyde de carbone seul. Cela signifie qu'ils sont autotropes et opèrent ce que l'on appelle la chimiosynthèse (chimiotrophie). Le dioxyde de carbone est assimilé sur le cycle de Calvin.
Synonymes, antonymes
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