Mikroorganisme

MIKROORGANISME: MIKROORGANISME: Katalis Reaksi-Reaksi Kimia AirKatalis Reaksi-Reaksi Kimia Air

Mikroorganisme: bakteri, jamur, dan ganggang Mikroorganisme: bakteri, jamur, dan ganggang = katalis hidup yang menyebabkan sejumlah = katalis hidup yang menyebabkan sejumlah proses kimia terjadi dlm air dan tanah.proses kimia terjadi dlm air dan tanah.

Tetapi mikroba patogen dalam air yang diproses Tetapi mikroba patogen dalam air yang diproses untuk kubutuhan domestik harus dihilangkan.untuk kubutuhan domestik harus dihilangkan.

Penelaahan umum tentang mikroba, tapi Penelaahan umum tentang mikroba, tapi perhatian khusus pd virus. Ukurannya kecil perhatian khusus pd virus. Ukurannya kecil (0,025 - 0,100 µ), ketidakstabilan biologi, serta (0,025 - 0,100 µ), ketidakstabilan biologi, serta sulit diisolasi dan dikulturkan. Maka virus sulit diisolasi dan dikulturkan. Maka virus merupakan hal yang penting dalam pengolahan merupakan hal yang penting dalam pengolahan dan penggunaan airdan penggunaan air


Jamur dan bakteri diklasifikasikan sbg reduserJamur dan bakteri diklasifikasikan sbg reduser. . Reduser memecahkan komponen kimia menjadi Reduser memecahkan komponen kimia menjadi spesi yg lebih sederhana, dan mendapatkan spesi yg lebih sederhana, dan mendapatkan energi yg dibutuhkan untuk pertumbuhan dan energi yg dibutuhkan untuk pertumbuhan dan metabolismenya.metabolismenya.

Ganggang diklasifikasikan sbg produserGanggang diklasifikasikan sbg produser, krn , krn memanfaatkan energi cahaya dan menyimpan-memanfaatkan energi cahaya dan menyimpan-nya dlm energi kimia. Tetapi dlm ketiadaan sinar nya dlm energi kimia. Tetapi dlm ketiadaan sinar matahari, ganggang menggunakan energi kimia matahari, ganggang menggunakan energi kimia untuk kebutuhan metaboliknya.untuk kebutuhan metaboliknya.


Bakteri dapat berbentuk batang, bulat dan Bakteri dapat berbentuk batang, bulat dan spiral. Ukuranya antara 0,3 - 50 µ, sering spiral. Ukuranya antara 0,3 - 50 µ, sering berkelompok 2 sampai jutaan sel.berkelompok 2 sampai jutaan sel.

– Lendir untuk melindungi dari Lendir untuk melindungi dari serangan luar selserangan luar sel

– Diding sel menjadikan bentuk Diding sel menjadikan bentuk sel dan kekakuansel dan kekakuan

– membran sitoplasma untuk membran sitoplasma untuk kontrol pengangkutan bahan kontrol pengangkutan bahan dari dan ke dalam seldari dan ke dalam sel

– Sitoplasma sbg medium Sitoplasma sbg medium proses metabolisme selproses metabolisme sel

– Badan Inti mengontrol proses Badan Inti mengontrol proses metabolisme dan reproduksimetabolisme dan reproduksi

– Inklusi sbg cadangan makanan berisi karbohidrat, lemakInklusi sbg cadangan makanan berisi karbohidrat, lemak– Flagela digunakan untuk bergerakFlagela digunakan untuk bergerak

Dinding sel

Membran sitoplasma

Sitoplasma

Badan Inti

Inklusi

FlagelaLendir

MIKROORGANISME: MIKROORGANISME: Katalis Reaksi-Reaksi Kimia AirKatalis Reaksi-Reaksi Kimia Air Jamur/Fungi (5 - 10 µ) = Jamur/Fungi (5 - 10 µ) =

• org. nonfotosintetik dan aerobik. org. nonfotosintetik dan aerobik. • Strukturnya sangat beragam. Yg sederhana Strukturnya sangat beragam. Yg sederhana

(unisel) = ragi dan yg besar dan ruwet = jamur (unisel) = ragi dan yg besar dan ruwet = jamur payung.payung.

• Dapat hidup dlm media lebih asam drpd bakteriDapat hidup dlm media lebih asam drpd bakteri• Lebih toleran dlm konsentrasi logam berat yg Lebih toleran dlm konsentrasi logam berat yg

lebih tinggi drpd bakterilebih tinggi drpd bakteri Fungsi penting jamur = pemecah selulose dlm Fungsi penting jamur = pemecah selulose dlm

kayu krn buangan sel jamur andalah enzim kayu krn buangan sel jamur andalah enzim cellulase.cellulase.

Walau jamur tidak tumbuh baik dlm air, tapi Walau jamur tidak tumbuh baik dlm air, tapi sejumlah besar hasilannya punya peran penting sejumlah besar hasilannya punya peran penting dlm air alami atau air limbah, misal asam humatdlm air alami atau air limbah, misal asam humat


Ganggang/algaeGanggang/algae• Organisme micro yg hidup dari makanan anorganik Organisme micro yg hidup dari makanan anorganik

menhasilkan bahan organik dari COmenhasilkan bahan organik dari CO22 dng fotosintesa. dng fotosintesa.COCO22 + H + H22O {CHO {CH22O} + OO} + O22

• Makanan umum yang dibutuhkan algae a.l. karbon Makanan umum yang dibutuhkan algae a.l. karbon (CO(CO22 dan HCO dan HCO33

--), nitrogen (NO), nitrogen (NO33--), fosfor (ortofosfat) , ), fosfor (ortofosfat) ,

belerang (SObelerang (SO442-2-) dan logam runutan termasuk Na, K, ) dan logam runutan termasuk Na, K,

Ca, Mg, Fe, Co, dan Mo.Ca, Mg, Fe, Co, dan Mo.• Dalam ketiadaan sinar mekonsumsi bahan organik Dalam ketiadaan sinar mekonsumsi bahan organik

dan Odan O2..2..Apa akibatnya di perairan banyak algae pd Apa akibatnya di perairan banyak algae pd malam hari?malam hari?

•


Organisme AutotropikOrganisme Autotropik• tidak tergantung pd bahan organik untuk pertumbuhan-tidak tergantung pd bahan organik untuk pertumbuhan-

nya, dan tumbuh subur dlm medium anorganik nya, dan tumbuh subur dlm medium anorganik sepenuhnya. sepenuhnya.

• Sebagai sumber karbon adalah COSebagai sumber karbon adalah CO22 atau CO atau CO33==. Sejumlah . Sejumlah

sumber energi dapat dipakai, tgt pd spesies bakteri.sumber energi dapat dipakai, tgt pd spesies bakteri.• Contoh: Contoh: GallionellaGallionella. Pd kondisi ada oksigen, bakteri ini . Pd kondisi ada oksigen, bakteri ini

tumbuh dlm medium yg mengnadung NH4Cl, fosfat, tumbuh dlm medium yg mengnadung NH4Cl, fosfat, garam mineral, CO2 (sbg sumber C), dan FeS padat (sbg garam mineral, CO2 (sbg sumber C), dan FeS padat (sbg sumber energi) dengan reaksi sbb:sumber energi) dengan reaksi sbb:

4 FeS + 9 O4 FeS + 9 O22 + 10 H + 10 H22O 4 Fe(OH)O 4 Fe(OH)33 + 4 SO + 4 SO44== + 8 H + 8 H++

• Algae adalah autotropik yg memakai CO2 sbg sumber C Algae adalah autotropik yg memakai CO2 sbg sumber C dan cahaya sbg sumber energi.dan cahaya sbg sumber energi.

MIKROORGANISME: MIKROORGANISME: Katalis Reaksi-Reaksi Kimia AirKatalis Reaksi-Reaksi Kimia Air Organisme HeterotropikOrganisme Heterotropik

• tergantung pd bahan organik baik sebagai sumber tergantung pd bahan organik baik sebagai sumber karbon maupun sumber energi.karbon maupun sumber energi.

• Jamur adalah heterotropik yg sumber C dan energinya Jamur adalah heterotropik yg sumber C dan energinya dari penguraian bahan organikdari penguraian bahan organik

Bakteri aerobikBakteri aerobik• membutuhkan oksigen sbg penerima elektron:membutuhkan oksigen sbg penerima elektron:

OO22 + 4 H + 4 H++ + 4 e + 4 e-- 2 H 2 H22OO Bakteri anaerobikBakteri anaerobik

• dpt berfungsi hanya pada kondisi tanpa oksigen, krn dpt berfungsi hanya pada kondisi tanpa oksigen, krn umumnya oksigen adalah racun bagi bakteri iniumumnya oksigen adalah racun bagi bakteri ini

Bakteri fakultatifBakteri fakultatif• memanfaatkan oksigen bila ada, tapi bila tidak ada mk memanfaatkan oksigen bila ada, tapi bila tidak ada mk

menggunakan bahan lain sbg penerima elektronmenggunakan bahan lain sbg penerima elektron


Pertumbuhan bakteri: dN/dt = kN atau N = NPertumbuhan bakteri: dN/dt = kN atau N = Nooeektkt

waktu

Log Kons. Sel

bakteri hidup

Fase Lag

Fase Log (eksponensial pertumbuhan)

Fase Stasioner

Fase Kematian

MIKROORGANISME: MIKROORGANISME: Katalis Reaksi RedoksKatalis Reaksi Redoks

Bakteri mendapatkan kebutuhan energinya untuk metabolisme Bakteri mendapatkan kebutuhan energinya untuk metabolisme dan reproduksinya melalui reaksi redoks.dan reproduksinya melalui reaksi redoks.

Reaksi redoks penting yg terjadi dlm air dan tanah a.l:Reaksi redoks penting yg terjadi dlm air dan tanah a.l:• Respirasi aerobikRespirasi aerobik

¼ {CH¼ {CH22O} + ¼ HO} + ¼ H22O ¼ COO ¼ CO22 + H + H++ + e (oksidasi) pE + e (oksidasi) pE00=-8.20=-8.20 ¼ O¼ O22 + H + H++ + e ½ H + e ½ H22O (reduksi) pEO (reduksi) pE00=-13.75=-13.75

• Oksidasi sulfidaOksidasi sulfida ¼ O¼ O22 + H + H++ + e ½ H + e ½ H22O (reduksi) pEO (reduksi) pE00=-13.75=-13.75 ½ HS½ HS- - + ½ H+ ½ H22O 1/8 SOO 1/8 SO44

2-2- + 9/8 H + 9/8 H++ + e (oksidasi) pE + e (oksidasi) pE00=-3.75=-3.75• FermentasiFermentasi

½{CH½{CH22O} + ½ HO} + ½ H22O ½ HCOOO ½ HCOO-- + 1½ H + 1½ H++ + e ; pE + e ; pE00=-7.68=-7.68 ½ CH½ CH22O + HO + H++ + e ½ CH + e ½ CH33OH ; pEOH ; pE00=-3.01 =-3.01

• Fiksasi NFiksasi N ¼ {CH¼ {CH22O} + ¼ HO} + ¼ H22O ¼ COO ¼ CO22 + H + H++ + e ; pE + e ; pE00=-8.20=-8.201/6 N1/6 N22 + 4/3 H + 4/3 H++ + e 1/3 NH + e 1/3 NH44

++ ; pE ; pE00=-4.68=-4.68

MIKROORGANISME: MIKROORGANISME: Bakteri MetanaBakteri Metana Bakteri pembentuk metana mengkalisa reaksi:Bakteri pembentuk metana mengkalisa reaksi:

1/8 CO1/8 CO22 + H + H++ + e 1/8 CH + e 1/8 CH44 + ¼ H + ¼ H22OO¼ {CH¼ {CH22O} + ¼ HO} + ¼ H22O ¼ COO ¼ CO22 + H + H++ + e + e

¼ {CH¼ {CH22O} 1/8 COO} 1/8 CO22 + 1/8 CH + 1/8 CH44 Bakteri pembentuk metana adalah anaerobik a.l:Bakteri pembentuk metana adalah anaerobik a.l:

• MethanobacteriumMethanobacterium• MethanobacillusMethanobacillus• MethanococusMethanococus• MethanosarcinaMethanosarcina

Pembentukan metana berguna untuk penguraian limbah Pembentukan metana berguna untuk penguraian limbah organik dalam jumlah besar baik di pengolahan limbah organik dalam jumlah besar baik di pengolahan limbah ataupun di alam ( di perairan dalam atau di dalam tanah).ataupun di alam ( di perairan dalam atau di dalam tanah).

Bila metana memasuki daerah aerobik maka mudah bereaksi Bila metana memasuki daerah aerobik maka mudah bereaksi dengan oksigen yang terlarut:dengan oksigen yang terlarut:CHCH44 + 2 O + 2 O22 CO CO22 + 2 H + 2 H22OO

MIKROORGANISME: MIKROORGANISME: Bakteri Yang Memanfaatkan HCBakteri Yang Memanfaatkan HC

Metana dioksidasi pada kondisi aerobik oleh banyak macam Metana dioksidasi pada kondisi aerobik oleh banyak macam bakteri a.l: bakteri a.l: MethanomonasMethanomonas. Hasil antara reaksi ini adalah . Hasil antara reaksi ini adalah metanol, formaldehid, dan asam formiat.metanol, formaldehid, dan asam formiat.

Beberapa tipe bakteri dapat menguraikan HC yg lebih tinggi, Beberapa tipe bakteri dapat menguraikan HC yg lebih tinggi, misalnya misalnya MycrococcusMycrococcus, , PseudomonasPseudomonas, , MycobacteriumMycobacterium, dan, dan NocardiaNocardia yang dapat mengurai alkana rantai panjang dengan yang dapat mengurai alkana rantai panjang dengan cara ß oksidasi. cara ß oksidasi. Pelajari reaksinya !!Pelajari reaksinya !!

Beberapa tipe mikroorganisma dapat memecahkan rantai Beberapa tipe mikroorganisma dapat memecahkan rantai aromatik, misalnya jamur aromatik, misalnya jamur CunninghameliaCunninghamelia..Pelajari reaksinya !!Pelajari reaksinya !!

Persaingan Oksidasi Bahan Organik oleh Persaingan Oksidasi Bahan Organik oleh Ion Nitrat dan Agen Pengoksidasi lainnyaIon Nitrat dan Agen Pengoksidasi lainnya

Suatu urutan yang menarik pada oksidasi bahan organik Suatu urutan yang menarik pada oksidasi bahan organik oleh Ooleh O22 terlarut, NO terlarut, NO33

-- dan SO dan SO442-2- di sedimen atau perairan di sedimen atau perairan

hipolimnion. Reaksi yg mungkin terjadi:hipolimnion. Reaksi yg mungkin terjadi:{(CH{(CH22O)O)106106(NH(NH22))1616P} + OP} + O22 CO CO22 + NO + NO33

-- + H + H22POPO44-- + H + H22O + HO + H++

{(CH{(CH22O)O)106106(NH(NH22))1616P} +P} + NONO33-- + H + H++ CO CO22 + N + N22 + H + H22POPO44

-- + H + H22OO{(CH{(CH22O)O)106106(NH(NH22))1616P} + SOP} + SO44

2-2- + H + H++ CO CO22 + NH + NH44++ + H + H22POPO44

-- + H + H22O + HO + H22OO

Berat/volum Bahan Organik Terdegradasi

Konsentrasi O

ksidan

SO42-

O2 NO3-

Nitrogen cycle

The Bio Redox Cycle for Nitrogen

Oxic

Anoxic

N2

Nitrogen Fixatione.g. Clostridium pasteurianum

NH3

N2

Nitrogen fixation e.g. Azotobacter sp.

Rhizobium sp.

NO2-

NON2O

Denitrification Bacillus sp.

Pseudomonas sp.

NH2

NH2

Assimilation Ammonification

Assimilation

Ammonification

Protein Groups

Protein Groups

Assimilation

NitrosomonasNitrobacterNO2

-

NO3-

Nitrification

N2AnammoxBrocadia anammoxidans

Assimilation

(algae + bacteria)

Assimilation

-3 +5+4+3+2+10-1-2Oxidation state

AssimilationDenitrification

NO2N2ON2

NH4+

NO2-

MineralizationOrg-N

Main N-cycle transformations

N2 - Fixation- Soil bacteria- Cyanobacteria - Industrial activity- Sulfur bacteria

Denitrification(anoxic bacteria)

Nitrification 1(oxic bacteria)

Nitrification 2

NO3-

Ammonification

•gases

Anammox (anoxic bacteria)

Species Formula Oxydation 　　　　 number

Nitrate NO3- +V

Nitrite NO2- +III

Nitrous oxide gas N2O +I

Nitric oxide gas NO +IINitrogen gas N2 0

Ammonia (gas) NH3 -III

Ammonium (ion) NH4+ -III

Organic Amine RNH2 -III

Common species of nitrogen

• The formation of ammonia from dead organic nitrogen containing compounds.

• Rapidly recycled by microbes and plants!

AMMONIFICATION

AMMONIFICATION

Substrates Enzymes ProductsProteinsPeptides

Proteinases, proteasesPeptidases

Peptides, amino acidsAmino acids

ChitinChitobiose

ChitinaseChitobiase

ChitobioseN-acetylglucosamine

Peptidoglycan Lysozyme N-acetylglucosamine &N-acetylmuramic acid

DNA & RNA Endonucleases &Exonucleases

Nucleotides

Urea Urease NH3 & CO2

Extracellular Enzymes in AmmonificationExtracellular Enzymes in Ammonification

NH4+ is a critical control pointNH4+ is a critical control point Plant uptakePlant uptake Microbial assimilationMicrobial assimilation Held on cation exchange sitesHeld on cation exchange sites Fixed in interlayer of illite claysFixed in interlayer of illite clays Stabilized in soil organic matterStabilized in soil organic matter Volatilization of NH3Volatilization of NH3 NitrificationNitrification

Fate of NH4+Fate of NH4+

AssimilationAssimilation

GDHGDH• NAHPHNAHPH• High NH4+High NH4+

GS-GOGATGS-GOGAT• ATP usedATP used• Low NH4+Low NH4+

TransaminasesTransaminases

Net NH4+ Production/ConsumptionNet NH4+ Production/Consumption

Fungi(C:N ratio = 15)

Bacteria(C:N ratio = 5)

100 C

100 C

50 CO2-C

60 CO2-C

N Requirement = 3.3i.e., substrate C:N = 30

N Requirement = 8i.e., substrate C:N = 12.5

(Lower growth efficiency)

(Higher growth efficiency)

Nitrification

1. Nitrification•Microbial oxidation of reduced nitrogen compounds (generally NH4

+).•Catalysed by 2 physiological groups of autotrophic (ie. use CO2 as carbon source), aerobic bacteria called “nitrifiers”.

•Autotrophic NH4+ oxidisers (Nitrosomonas, Nitrosospira etc.):

•NH4+ + 2 H2O NO 2- + 8 H+ + 6 e-• 1.5 O2 + 6 H+ + 6 e- 3 H2O •NH4

+ + 1.5 O2 NO 2- + H2O + 2 H+ + 275 kJ mol-1

•Autotrophic nitrite oxidisers (Nitrobacter, Nitrospira etc.)•NO2

- + H2O NO3- + 2 H+ + 2 e-

•0.5 O2 + 2 H+ + 2 e- H2O•NO 2- + 0.5 O2 NO3

- + 74 kJ mol-1

•The energy generated in the oxidation of the nitrogen compounds (G’o) is used by the bacteria for growth.

Chemolithotrophic Nitrifying BacteriaChemolithotrophic Nitrifying Bacteria

Nitrite oxidizers• Nitrobacter• Nitrospina• Nitrococcus• Nitrospira

Ammonia oxidizersAmmonia oxidizers NitrosomonasNitrosomonas NitrosococcusNitrosococcus NitrosospiraNitrosospira NitrosolobusNitrosolobus NitrosovibrioNitrosovibrio

NitrificationNitrification

NH4+ NH2OH [HNO] NO2

- NO3-

NO

NO

NO2NHOH

N2O

NO

Ammonia monooxygenaseAmmonia monooxygenase Endergonic, cometabolic enzyme, inhibited by acetyleneEndergonic, cometabolic enzyme, inhibited by acetylene

NHNH33 + O + O22 + 2H+ 2e- + 2H+ 2e- NH NH22OH + HOH + H22OO

Hydroxylamine oxidoreductaseHydroxylamine oxidoreductase ExergonicExergonic

NHNH22OH + HOH + H22O O NO NO22- + 5H+ + 4e-- + 5H+ + 4e-½O½O22 + 2H+ + 2e- + 2H+ + 2e- H H22OO

NO from intermediate oxidation of NH2OHNO from intermediate oxidation of NH2OH NN22O produced by nitrite reductaseO produced by nitrite reductase Net production of 2HNet production of 2H++ per NH per NH44

++ oxidized oxidized

Ammonia OxidationAmmonia Oxidation

Nitrite OxidationNitrite Oxidation

Nitrite oxidoreductase (nitrite Nitrite oxidoreductase (nitrite dehydrogenase)dehydrogenase)

Exergonic, inhibited by chlorateExergonic, inhibited by chlorateNONO22

-- + H2O + H2O NO NO33-- + 2H+ +2e- + 2H+ +2e-

½O½O22 + 2H+ + 2e- + 2H+ + 2e- H H22OO

About 1/3 the energy as ammonia oxidationAbout 1/3 the energy as ammonia oxidation

Heterotrophic NitrificationHeterotrophic Nitrification

Heterotrophic Heterotrophic bacteria and fungi bacteria and fungi oxidize NHoxidize NH44

++ or or organic N to NOorganic N to NO22

-- or or NONO33

--

No energy producedNo energy produced Important in some Important in some

habitatshabitats

0

0.5

1

1.5

2

2.5

Clear-cut ForestSiteN

itrat

e pr

oduc

ed(m

g N

/kg

soil)

Total nitrateproducedAmmoniumoxidized

Factors Affecting NitrificationFactors Affecting Nitrification

NITRIFICATIONPROBABLE

NITRIFICATIONIMPROBABLENitrifiers present?

Aerobic conditions?

NH4+ availability

Temperature, pH, nutrients, inhibitors, etc.

NO

YES

LOW

HIGH

YES

NO

NO

YESpH : 6.6 – 6.8T : 30 -35 0C

Nitrification InhibitorsNitrification Inhibitors

N-serve (nitrapyrin)N-serve (nitrapyrin) DCD (dicyandiamide)DCD (dicyandiamide) Dwell (etridiazole)Dwell (etridiazole) Wax-coated calcium carbideWax-coated calcium carbide

Fate of NO3-Fate of NO3- NO3- is a critical control pointNO3- is a critical control point Plant uptakePlant uptake

• Differ in preference for NH4+ and NO3-Differ in preference for NH4+ and NO3- Microbial assimilationMicrobial assimilation

• Regulated by NH4+ and organic NRegulated by NH4+ and organic N LeachingLeaching

• Anion, very mobileAnion, very mobile• Associated cations leachAssociated cations leach• 10 mg NO3-–N l-1 standard10 mg NO3-–N l-1 standard

Gaseous loss via denitrificationGaseous loss via denitrification Dissimilatory reduction to NH4+Dissimilatory reduction to NH4+

Nitrate ReductionNitrate Reduction

Process Products EnergyConserved

Regulation Soil Condition

Assimilatory NO3

- assimilation NH4+ No NH4

+, organic N Low NH4+

Dissimilatory NO3

- respiration

DNRA Denitrification

NO2-

NH4+>>N2O

N2>N2O>NO

YesSomeYes

O2

O2

O2

AnaerobicAnaerobicAnaerobic

Dissimilatory Reduction of NODissimilatory Reduction of NO33--

Process Energy gained (ΔG0´, kcal mol-1) e- acceptedper NO3

-e- NO3-

DNRA NO3

- + 10H+ + 8e- NH4+ + 3H2O -17.9 -143.3 8

Denitrification 2NO3

- + 12H+ + 10e- N2 + 6H2O -26.8 -133.9 5

DNRADNRA

Wide range of bacteriaWide range of bacteria• Aerobes: Bacillus, PseudomonasAerobes: Bacillus, Pseudomonas• Microaerophiles: CampylobacterMicroaerophiles: Campylobacter• Facultative anaerobes: Citrobacter, KlebsiellaFacultative anaerobes: Citrobacter, Klebsiella• Obligate anaerobes: Clostridium, DesulfovibrioObligate anaerobes: Clostridium, Desulfovibrio

Little ATP generated; detoxify NOLittle ATP generated; detoxify NO22-- and/or and/or

regenerate NADregenerate NAD Associated with energy-rich (C-rich), low NOAssociated with energy-rich (C-rich), low NO33

-- environmentsenvironments

Denitrification• Anoxic process (ie. occurs in absence of oxygen)• Catalysed by facultative anaerobes called “denitrifiers” - a diverse group

of heterotrophic bacteria.

• Electron acceptor: NO3-, NO2- and nitrogen oxides• Electron donor: Organic carbon source (e.g. acetate, glucose etc.) (i.e.

COD)• Biological reduction of NO3- and NO2- to gaseous N2 is a four-step

process:

NO3- NO2- NO (g) N2O (g) N2 (g)(+5) (+3) (+2) (+1) (0)

• Not all denitrifiers contain all the enzymes needed entire reduction is carried out by different microorganisms.

Denitirification• Reduction of nitrate to nitrite

NO3 - + 2 H+ + 2 e- NO 2- + H2O (nitrate reductase)

• Reduction of nitrite to nitric oxideNO 2- + 2 H+ + e- NO + H2O (nitrite reductase)

• Reduction of nitric oxide to nitrous oxide 2 NO + 2 H+ + 2 e- N2O + H2O (nitric oxide reductase)

• Reduction of nitrous oxide to dinitrogen gas N2O + 2 H+ + 2 e- N2 + H2O (nitrous oxide reductase)

• Most denitrifiers will use O2 (if available) to oxidise their carbon source, in preference to NO3- as the electron acceptor. This is possiby because slightly more energy is available from the reduction using oxygen as the e- acceptor (G’o = - 78.6 kJ mol-1) instead of nitrate (G’o = - 72.1 kJ mol-1).

• Whether denitrification can occur in presence of O2 is unclear

Denitrification pathway

Denitrifying EnzymesDenitrifying Enzymes

Dissimilatory NODissimilatory NO33-- reductase (Nar) reductase (Nar)

Mo & Fe; ATP production; regulated by OMo & Fe; ATP production; regulated by O22

Common to all that dissimilate NOCommon to all that dissimilate NO33--

NONO22-- reductase (Nir) reductase (Nir)

Defining enzyme; regulated by ODefining enzyme; regulated by O22• Heme-Nir: 2/3 of denitrifiers (Pseudomonas, Alcaligenes, Heme-Nir: 2/3 of denitrifiers (Pseudomonas, Alcaligenes,

Paracoccus, Thiobacillus)Paracoccus, Thiobacillus)• Cu-Nir: 1/3 of denitrifiers (Bacillus, Rhizobium)Cu-Nir: 1/3 of denitrifiers (Bacillus, Rhizobium)

NO reductase (Nor)NO reductase (Nor) Forms NForms NN bond; regulated by ON bond; regulated by O22; induced by N oxides; induced by N oxidesNN22O reductase (Nos)O reductase (Nos) Cu; ATP production; regulated by OCu; ATP production; regulated by O22; induced by N oxides; induced by N oxides Most sensitive to OMost sensitive to O22 and low pH and low pH

Denitrifier GeneraDenitrifier GeneraGenus CharacteristicOrganotrophs Alcaligenes Bacillus Flavobacterium Pseudomonas Rhizobium

CommonSpore-formerCommonCommonN2-fixer

Phototrophs Rhodopseudomonas Anaerobe, reduce SO4

2-

Lithotrophs Alcaligenes Nitrosomonas Paracoccus Thiobacillus

H2 oxidizer, also organotroph

NH3 oxidizer

H2 oxidizer, also organotroph

S oxidizer

Factors Regulating DenitrificationFactors Regulating Denitrification

Aeration (inhibited by OAeration (inhibited by O2 2 not ammonia)not ammonia) NONO33

-- availability availability C availability C availability

(4NO(4NO33 + C + C66HH1212OO66 2N 2N22 + 6 H + 6 H22O)O) pHpH TemperatureTemperature

Anammox

Anaerobic Ammonium Oxidation (Anammox)

The oxidation of ammonium to dinitrogen gas (N2) with nitrite as the electron acceptor by autotrophic bacteria.

Discovered at the Kluyver Laboratory, Delft, The Netherlands in 1995.

For the first time, ammonium was discovered to be oxidised in the absence of oxygen by a rare species of bacteria Planctomycetes, Candidatus Brocadia anammoxidans.

NH4+ + NO 2- N2 + 2 H2O (Go’ = -357 kJ mol-1)

Ammonium can be oxidised directly to dinitrogen gas, without the need for the multi-step process of aerobic nitrification and heterotrophic denitrification.

Anammox

The electron donor is ammonium, the electron acceptor is nitrite.

Ammonium (ox. state -3) gets oxidised to N2 (0), and nitrite (+3) is reduced to N2.

Autotrophic avoids the need for addition of a carbon source, which is sometimes a cost in conventional systems.

All original attempts to isolate the responsible microorganism failed; organism grows extremely slowly (max = 0.003 h-1), probably lives in nature at the oxic/anoxic interface.

Advent of molecular microbiological techniques, eg. molecular probing greater insight into natural habitats.

Anammox 4.3.1

Process only known from one species: chemolitho-autotrophic planctomycete Brocadia anammoxidansEnergy generation: NH4

+ + NO2- N2 + 2 H2O

Carbon fixation: CO2 + 2 NO2

- + H2O CH2O + 2 NO3-

Measured overall growth at r = 0.0014 h-1 (Strous, 2000): 1 NH4

+ + 1.32 NO2- + 0.066 HCO3

- + 0.13 H+ 1.02 N2 + 0.26 NO3

- + 0.066 CH2O0.5N0.15 + 2.03 H2OKnown: N2 comes from NH4

+ and NO2-

N in biomass comes from NH4+

Cannon

CANON (Completely Autotrophic Nitrogen removal Over Nitrite)Cooperation between aerobic and anaerobic ammonium oxidisers under oxygen limitation.Completely autotrophic promising opportunity for wastewaters with a very low organic carbon content (eg. landfill leachates, aquaculture waste).• Ammonium is oxidised to nitrite by aerobic ammonium oxidisers (Nitrosomonas, Nitrosospira etc.); NH4+ + 1.5 O2 NO2- + 2 H+ + H2O• The nitrite produced can be used by anammox; NH4+ + 1.3 NO 2- N2 + 2 H2O • Overall nitrogen removal by CANON:1 NH4+ + 0.75 O2 0.5 N2 + 1.5 H2O + H+Advantages of CANON system; low aeration costs (60% less than traditional systems), requires no addition of a carbon source (process is autotrophic) and the only end product is N2.

Mikroorganisme

Documents

Transcript of Mikroorganisme