Nitrificación y denitrificación

La nitrificación es la reacción por medio de la cual se describen dos procesos biológicos, donde el amonio (NH₄⁺) es oxidado a nitrito (NO₂) y posteriormente este es nuevamente oxidado a nitrato (NO₃^-). Este proceso es llevado a cabo por bacterias nitrificantes autótrofas, las cuales emplean el carbono inorgánico (CO₂ o HCO₃^-) como fuente de carbono.

Ambos procesos son llevados a cabo por dos grupos de microorganismos distintos:

2NH₄⁺ + 3O₂ → 2NO₂^- + 4H⁺ + 2H₂O

Bacterias amonio oxidadoras, género principalmente reportado: Nitrosomonas

2NO₂^- + O₂ → 2NO₃^-

Bacterias nitrito oxidadoras, género principalmente reportado: Nitrobacter

Reacción de oxidación total:

NH₄⁺ + 2O₂ → NO₃^- + 2H⁺ + H₂O

Otros géneros microbianos autótrofos capaces de oxidar el NH₄⁺ a NO₂ son: Nitrosococcus, Nitrosospira y Nitrosolobus, aparte de Nitrobacter. También están los géneros Nitrococcus y Nitrospira.

La reacción global teniendo en cuenta la biomasa (C₅H₇NO₂) de los microorganismos implicados en el proceso de nitrificación se representa en la reacción (Claros, 2012).

4CO₂ + HCO₃^- + 22NH₄⁺ + 37O₂ → C₅H₇NO₂ + 21NO₃^- + 20H₂O + 42H⁺

El proceso de oxidación del amonio a nitrito se compone de dos reacciones catalizadas por dos enzimas diferentes. La enzima amonio monooxigenasa, ubicada en la membrana bacteriana, cataliza la transformación del NH₄⁺ a hidroxilamina (NH2OH), mientras que la enzima hidroxilamina oxidoreductasa, ubicada en el periplasma celular, cataliza la conversión de la hidroxilamina (NH₂OH) a NO₂^- (Madigan et al., 2003).

Para disminuir la concentración de nitrógeno en el agua tratada biológicamente, es necesario pasar de la nitrificación a una segunda etapa conocida como denitrificación. La denitrificación es un proceso mediante el cual el NO₃^- es reducido a NO₂^-, y posteriormente, a compuestos de nitrógeno gaseoso (óxido nítrico NO, óxido nitroso N₂O y nitrógeno diatómico N₂). Este proceso se realiza bajo condiciones anaerobias, es decir, en ausencia de oxígeno por lo cual, el NO₂^- y el NO₃^- son tomados por las bacterias denitrificantes como aceptores finales de electrones (Crites, 2000).

NO₃^- → NO₂^- → NO → N₂O → N₂

Las fuentes de carbono orgánico que pueden servir como sustrato para el proceso de denitrificación de aguas residuales pueden ser metanol (CH3OH), etanol (C2H5OH) y ácido acético (CH-COOH), entre otros. Igualmente, en algunos procesos donde se lleva a cabo este proceso, estas fuentes de carbono pueden ser adicionadas para mejorar la eficiencia del sistema (Claros, 2012).

NO₃^- + 0.33CH₃OH → NO₂^- + 0.33CO₂ + 0.6H₂O

Los microorganismos son del tipo bacteria, que pueden ser heterótrofas o autotrofas. Algunos géneros que pueden llevar a cabo este proceso son: Achromobacter, Acinetobacter, Agrobacterium, Alcaligenes, Arthrobacter, Bacillus, Chromobacterium, Corynebacterium, Flavobacterium, Hypomicrobium, Moraxella, Aracoccus, Pseudomonas, Rhizobium, Rhodospeudomonas, entre otros. La mayoría de estos microorganismos son aerobios facultativos, es decir, organismos capaces de usar oxígeno y NO₃^- o NO₂^- bajo algunas condiciones ambientales (disminución de la concentración del oxígeno), incluso, en algunas ocasiones pueden llevar a cabo la fermentación de ciertos compuestos en ausencia de los anteriormente mencionados.

La reacción de global para la denitrificación teniendo en cuenta la materia orgánica biodegradable (C₁₀N₁₉NO₃) en el agua residual es:

C₁₀N₁₉NO₃ + 10NO₃^- → 5N₂ + 10CO₂^- + NH₃ + 3H₂O + 10OH^-

Proceso de oxidación anaerobio de amonio (Anammox)

Es un proceso anaerobio en el cual el amonio es convertido a nitrógeno atmosférico debido a una reacción de oxidoreducción, donde la oxidación del amonio es acoplado a la reducción del nitrito.

NH₄^- + NO₂^- → N₂ + 2H₂O

Algunas de las bacterias autótrofas que pueden llevar a cabo esta reacción son “Candidatus Brocadia”, “Candidatus Kuenenia”, “Candidatus Scalindua”, “Candidatus Anammoxoglobus” y “Candidatus Jettenia” (Zanabria & Bedoya, 2009).