कार्बनिक नाइट्रोजन के अमोनिया नाइट्रोजन में परिवर्तन तंत्र और प्रभावकारी कारकों पर अनुसंधान

अपशिष्ट जल उपचार प्रणालियों और प्राकृतिक जलीय वातावरण के नाइट्रोजन चक्र में, कार्बनिक नाइट्रोजन का अमोनिया नाइट्रोजन में रूपांतरण मुख्य प्रक्रियाओं में से एक है। यह प्रक्रिया, जिसे अमोनीकरण के रूप में जाना जाता है, नाइट्रोजन परिवर्तन में एक मौलिक कदम के रूप में कार्य करती है, जो बाद के विनाइट्रीकरण और अन्य नाइट्रोजन हटाने की प्रतिक्रियाओं की दक्षता को सीधे प्रभावित करती है। यह जल निकायों में नाइट्रोजन प्रदूषण को नियंत्रित करने में महत्वपूर्ण भूमिका निभाता है। कार्बनिक नाइट्रोजन घरेलू सीवेज, औद्योगिक अपशिष्ट जल और प्राकृतिक जल निकायों में व्यापक रूप से मौजूद है, इसके प्राथमिक स्रोतों में नाइट्रोजन युक्त कार्बनिक यौगिक जैसे प्रोटीन, अमीनो एसिड, यूरिया, न्यूक्लिक एसिड और ह्यूमिक पदार्थ शामिल हैं। इन पदार्थों को माइक्रोबियल चयापचय प्रक्रियाओं के माध्यम से विघटित किया जाना चाहिए, अंततः अमोनिया नाइट्रोजन (सीई {एनएच 3-एन} या सीई {एनएच ^ {+} _ {4}-एन}) में परिवर्तित किया जाना चाहिए, जो बाद में नाइट्रोजन प्रवासन और परिवर्तन में भाग लेता है।
 
1. कार्बनिक नाइट्रोजन को अमोनिया नाइट्रोजन में बदलने की मुख्य प्रक्रिया-अमोनीकरण
 
अमोनीकरण उस जैव रासायनिक प्रतिक्रिया को संदर्भित करता है जिसमें कार्बनिक नाइट्रोजन यौगिकों में नाइट्रोजन युक्त समूह सूक्ष्मजीवों के उत्प्रेरण के तहत धीरे-धीरे विघटित होते हैं, अंततः अमोनिया नाइट्रोजन जारी करते हैं। शामिल सूक्ष्मजीवों के प्रकार और प्रतिक्रिया की स्थितियों के आधार पर, अमोनीकरण को एरोबिक और अवायवीय अमोनीकरण में वर्गीकृत किया जा सकता है। यद्यपि उनके प्रतिक्रिया पथ और प्रमुख सूक्ष्मजीव अलग-अलग होते हैं, अंतिम उत्पादों में मुख्य रूप से अमोनिया नाइट्रोजन होता है।
 
एरोबिक परिस्थितियों में अमोनीकरण
 
एरोबिक अमोनीकरण वह प्रक्रिया है जिसके द्वारा एरोबिक सूक्ष्मजीव ऑक्सीजन युक्त वातावरण में कार्बनिक नाइट्रोजन यौगिकों को ऑक्सीकरण और विघटित करते हैं। इसमें तीव्र प्रतिक्रिया दर और उच्च रूपांतरण दक्षता है, जो अपशिष्ट जल उपचार के एरोबिक चरण (जैसे सक्रिय कीचड़ प्रक्रिया में वातन टैंक) में कार्बनिक नाइट्रोजन परिवर्तन के प्राथमिक रूप के रूप में कार्य करता है।
 
प्रोटीनयुक्त कार्बनिक नाइट्रोजन के परिवर्तन मार्ग
प्रोटीन जल निकायों में सबसे आम कार्बनिक नाइट्रोजन प्रदूषकों में से एक है, और अमोनिया नाइट्रोजन में इसके रूपांतरण में दो प्रमुख प्रतिक्रियाएं शामिल हैं। पहला कदम प्रोटीन हाइड्रोलिसिस है, जो एरोबिक सूक्ष्मजीवों द्वारा स्रावित प्रोटीज़ द्वारा उत्प्रेरित होता है, जो बड़े प्रोटीन अणुओं को छोटे पॉलीपेप्टाइड और अमीनो एसिड में तोड़ देता है। ट्रिप्सिन और पेप्सिन सहित प्रोटीज, प्रोटीन अणुओं के भीतर पेप्टाइड बांड को तोड़ने में विशिष्टता प्रदर्शित करते हैं। दूसरा चरण अमीनो एसिड डीमिनेशन है, अमोनीकरण की मुख्य प्रक्रिया, जहां अमीनो एसिड, डेमिनमिनस की कार्रवाई के तहत, ऑक्सीडेटिव डीमिनेशन, रिडक्टिव डीमिनेशन या हाइड्रोलाइटिक डीमिनेशन के माध्यम से अपने एमिनो समूह (एनएच₂) को खो देते हैं, इसे अमोनिया नाइट्रोजन में परिवर्तित करते हैं।
एक उदाहरण के रूप में ऑक्सीडेटिव डीमिनेशन लेते हुए, इसकी प्रतिक्रिया को इस प्रकार दर्शाया जा सकता है:
Ce{R-CH(NH2)-COOH + O2 -> R-CO-COOH + NH3}
प्रतिक्रिया से उत्पन्न अमोनिया (Ce{NH3}) पानी में हाइड्रोजन आयनों के साथ मिलकर अमोनियम आयन (Ce{NH^{+}_{4}}) बनाता है। दोनों के बीच का अनुपात पानी के पीएच पर निर्भर करता है। जब pH क्षारीय होता है, तो अमोनिया (ce{NH3}) प्रबल हो जाता है; जब पीएच अम्लीय होता है, तो अमोनियम आयन (ce{NH^{+}_{4}}) हावी हो जाते हैं।

2. यूरिया यौगिकों में कार्बनिक नाइट्रोजन के परिवर्तन पथ
यूरिया घरेलू सीवेज में कार्बनिक नाइट्रोजन का एक महत्वपूर्ण घटक है। इसकी अमोनीकरण प्रक्रिया यूरिया द्वारा उत्प्रेरित होती है, जो हल्की परिस्थितियों में होती है और एरोबिक वातावरण में तेजी से आगे बढ़ती है। यूरिया, यूरिया अणु में एमाइड बंधन को तोड़ता है, इसे सीधे अमोनियम नाइट्रोजन और कार्बन डाइऑक्साइड में विघटित करता है। प्रतिक्रिया समीकरण इस प्रकार है:
CE{CO(NH2)2 + H2O -> 2NH3 + CO2}
इस प्रतिक्रिया के लिए अमीनो एसिड मध्यवर्ती चरण की आवश्यकता नहीं होती है, यह अत्यधिक उच्च रूपांतरण दक्षता प्रदर्शित करता है, और घरेलू अपशिष्ट जल में अमोनिया नाइट्रोजन के प्राथमिक स्रोतों में से एक के रूप में कार्य करता है।

(2) अवायवीय परिस्थितियों में अमोनीकरण

अवायवीय अमोनीकरण वह प्रक्रिया है जिसके द्वारा अवायवीय या ऐच्छिक अवायवीय सूक्ष्मजीव ऑक्सीजन मुक्त वातावरण में कार्बनिक नाइट्रोजन यौगिकों को किण्वित और विघटित करते हैं, जो आमतौर पर अपशिष्ट जल उपचार (जैसे अवायवीय डाइजेस्टर), तलछट और हाइपोक्सिक जल निकायों के अवायवीय चरणों में होता है। एरोबिक अमोनीकरण की तुलना में, अवायवीय अमोनीकरण धीमी गति से आगे बढ़ता है और इसके साथ मीथेन और हाइड्रोजन सल्फाइड जैसी गैसों का उत्पादन होता है।
अवायवीय सूक्ष्मजीवों द्वारा कार्बनिक नाइट्रोजन का अपघटन प्रोटीन जैसे मैक्रोमोलेक्यूलर कार्बनिक यौगिकों के हाइड्रोलिसिस से भी शुरू होता है, जो अवायवीय प्रोटीज द्वारा अमीनो एसिड में टूट जाते हैं। इसके बाद, अमीनो एसिड रिडक्टिव डीमिनेशन या किण्वक डीमिनेशन के माध्यम से अमोनिया नाइट्रोजन छोड़ते हैं। एक उदाहरण के रूप में रिडक्टिव डीमिनेशन लेते हुए, प्रतिक्रिया समीकरण है:
Ce{R-CH(NH2)-COOH + 2H -> R-CH2-COOH + NH3}
इसके अतिरिक्त, अवायवीय वातावरण में, न्यूक्लिक एसिड और ह्यूमस जैसे जटिल कार्बनिक नाइट्रोजन यौगिकों को भी सूक्ष्मजीवों द्वारा धीरे-धीरे विघटित किया जा सकता है, जिससे अमोनिया नाइट्रोजन जारी होता है। हालाँकि, रूपांतरण प्रक्रिया अधिक जटिल है और इसमें कई एंजाइमों की सहक्रियात्मक क्रिया शामिल है।

द्वितीय. अमोनीकरण में शामिल प्रमुख सूक्ष्मजीव समूह

अमोनीकरण का सार सूक्ष्मजीवों की चयापचय प्रक्रिया है, जिसमें बैक्टीरिया, कवक, एक्टिनोमाइसेट्स और अन्य सहित विभिन्न प्रकार की माइक्रोबियल प्रजातियां शामिल होती हैं। विभिन्न सूक्ष्मजीव कार्बनिक नाइट्रोजन को विघटित करने की अपनी क्षमता और पर्यावरणीय परिस्थितियों के प्रति अपनी अनुकूलन क्षमता में भिन्नता प्रदर्शित करते हैं।

```(1) जीवाणु समूह```

अमोनीकरण में बैक्टीरिया प्रमुख सूक्ष्मजीव हैं, जिन्हें मुख्य रूप से एरोबिक और एनारोबिक प्रकारों में वर्गीकृत किया गया है। एरोबिक अमोनिफाइंग बैक्टीरिया में बेसिलस, स्यूडोमोनस और प्रोटियस जैसे जेनेरा शामिल हैं, जो एरोबिक परिस्थितियों में तेजी से बढ़ते हैं और उच्च प्रोटीज और डेमिनेज गतिविधि प्रदर्शित करते हैं, जिससे कुशल प्रोटीन और अमीनो एसिड अपघटन सक्षम होता है। अवायवीय अमोनीफाइंग बैक्टीरिया को क्लोस्ट्रीडियम और मिथेनोजेन्स जैसे जेनेरा द्वारा दर्शाया जाता है। क्लोस्ट्रीडियम अमोनिया नाइट्रोजन और कार्बनिक अम्ल का उत्पादन करने के लिए अवायवीय परिस्थितियों में प्रोटीन को विघटित कर सकता है, जबकि मिथेनोजेन आगे किण्वन के लिए सरल कार्बनिक नाइट्रोजन यौगिकों का उपयोग करते हैं और अमोनीकरण प्रतिक्रियाओं में भाग लेते हैं।

(2) फंगल और एक्टिनोमाइसीट टैक्सा
 
कवक और एक्टिनोमाइसेट्स भी कार्बनिक नाइट्रोजन रूपांतरण में महत्वपूर्ण भूमिका निभाते हैं, विशेष रूप से जटिल कार्बनिक नाइट्रोजन युक्त अपशिष्ट जल के उपचार में, जैसे अपशिष्ट जल और फार्मास्युटिकल अपशिष्ट जल की छपाई और रंगाई। एस्परगिलस और पेनिसिलियम जैसे कवक सेल्युलोज और लिग्निन जैसे अड़ियल कार्बनिक यौगिकों में बंधे कार्बनिक नाइट्रोजन को विघटित करने के लिए विभिन्न बाह्य कोशिकीय एंजाइमों का स्राव कर सकते हैं; स्ट्रेप्टोमाइसेस, एक्टिनोमाइसेट्स की एक प्रजाति, में ह्यूमिक कार्बनिक नाइट्रोजन को विघटित करने की एक मजबूत क्षमता होती है। उनके चयापचय द्वारा उत्पादित एंजाइम ह्यूमिक पदार्थों की स्थिर संरचना को तोड़ सकते हैं और अमोनिया नाइट्रोजन जारी कर सकते हैं।
 
3, कार्बनिक नाइट्रोजन के अमोनिया नाइट्रोजन में रूपांतरण को प्रभावित करने वाले प्रमुख कारक
 
अमोनीकरण की दक्षता विभिन्न पर्यावरणीय कारकों और सब्सट्रेट विशेषताओं से प्रभावित होती है। सीवेज उपचार प्रणालियों में, इन कारकों को विनियमित करने से कार्बनिक नाइट्रोजन की अमोनिया नाइट्रोजन में रूपांतरण दर में प्रभावी ढंग से सुधार हो सकता है, जिससे बाद के नाइट्रीकरण और डिनाइट्रीकरण के लिए अनुकूल परिस्थितियां बन सकती हैं।
 
(1) तापमान
 
तापमान माइक्रोबियल एंजाइम गतिविधि को प्रभावित करने वाला मुख्य कारक है, जो सीधे अमोनीकरण प्रतिक्रिया की दर निर्धारित करता है। अमोनीकरण करने वाले सूक्ष्मजीवों के लिए उपयुक्त वृद्धि तापमान 20 ℃ -35 ℃ है। इस तापमान सीमा के भीतर, एंजाइम गतिविधि अधिक होती है, और बढ़ते तापमान के साथ अमोनीकरण प्रतिक्रिया दर तेज हो जाती है; जब तापमान 10 ℃ से नीचे होता है, तो सूक्ष्मजीवों की चयापचय दर काफी कम हो जाती है, एंजाइम गतिविधि बाधित हो जाती है, और अमोनीकरण की दक्षता काफी कम हो जाती है; जब तापमान 40 ℃ से अधिक हो जाता है, तो माइक्रोबियल कोशिकाओं में एंजाइम प्रोटीन विकृतीकरण से गुजरेंगे, जिससे अमोनीकरण प्रतिक्रिया रुक जाएगी। वास्तविक सीवेज उपचार में, अमोनीकरण दक्षता में कमी की भरपाई के लिए हाइड्रोलिक अवधारण समय को बढ़ाना या सर्दियों में कम तापमान की स्थिति के तहत कीचड़ एकाग्रता को बढ़ाना अक्सर आवश्यक होता है।
 
(2) पीएच मान
 
पीएच मान अप्रत्यक्ष रूप से सूक्ष्मजीवों के विकास वातावरण और एंजाइम गतिविधि को प्रभावित करके अमोनीकरण को प्रभावित करता है। एरोबिक अमोनिफाइंग सूक्ष्मजीवों के लिए उपयुक्त पीएच रेंज 6.5-8.0 है, जिसके दौरान सूक्ष्मजीवों की प्रोटीज और डेमिनमिनस गतिविधियां उच्चतम होती हैं; जब पीएच मान 5.5 से नीचे या 9.0 से ऊपर है, तो एंजाइम की स्थानिक संरचना बाधित हो जाएगी, माइक्रोबियल विकास बाधित हो जाएगा, और अमोनीकरण प्रतिक्रिया बाधित हो जाएगी। एनारोबिक अमोनिफाइंग सूक्ष्मजीवों में पीएच मानों के लिए अपेक्षाकृत व्यापक अनुकूलन क्षमता होती है, उपयुक्त पीएच रेंज 6.0-7.5 होती है। थोड़ा अम्लीय वातावरण अवायवीय अमोनीफाइंग बैक्टीरिया के किण्वन चयापचय के लिए अधिक अनुकूल है। इसके अलावा, पीएच मान अमोनिया नाइट्रोजन के रूप को भी प्रभावित कर सकता है, जो बदले में बाद की नाइट्रीकरण प्रतिक्रियाओं के लिए सब्सट्रेट आपूर्ति को प्रभावित करता है।
 
(3) घुलित ऑक्सीजन (डीओ)
 
घुलित ऑक्सीजन एरोबिक अमोनीकरण को अवायवीय अमोनीकरण से अलग करने के लिए एक महत्वपूर्ण शर्त है। एरोबिक वातावरण में, एरोबिक अमोनीकरण सूक्ष्मजीवों की श्वसन आवश्यकताओं को पूरा करने के लिए घुलनशील ऑक्सीजन सांद्रता को 2mg/L-4mg/L पर बनाए रखने की आवश्यकता होती है। इस समय, एरोबिक अमोनीकरण हावी है और रूपांतरण दक्षता अधिक है; जब घुलित ऑक्सीजन की सांद्रता 0.5mg/L से कम होती है, तो एरोबिक सूक्ष्मजीवों की गतिविधि बाधित हो जाती है, और अवायवीय अमोनीकरण सूक्ष्मजीव प्रमुख माइक्रोबियल समूह बन जाते हैं, जिसके परिणामस्वरूप अमोनीकरण प्रतिक्रिया दर धीमी हो जाती है। सीवेज उपचार में ए ²/ओ और ऑक्सीकरण खाई जैसी प्रक्रियाओं में, विभिन्न क्षेत्रों में घुलनशील ऑक्सीजन एकाग्रता को नियंत्रित करके कार्बनिक नाइट्रोजन अमोनीकरण, नाइट्रीकरण और डिनाइट्रिफिकेशन की सहक्रियात्मक प्रक्रिया प्राप्त की जा सकती है।

(4) कार्बनिक नाइट्रोजन सब्सट्रेट्स के प्रकार और सांद्रता
 
कार्बनिक नाइट्रोजन मैट्रिक्स का प्रकार और सांद्रता सीधे अमोनीकरण की दर और डिग्री को प्रभावित करती है। छोटे अणु कार्बनिक नाइट्रोजन यौगिकों (जैसे अमीनो एसिड और यूरिया) को अमोनीकरण रूपांतरण की तेज दर के साथ सूक्ष्मजीवों द्वारा सीधे अवशोषित और उपयोग किया जा सकता है; बड़े अणु कार्बनिक नाइट्रोजन यौगिकों (जैसे प्रोटीन और न्यूक्लिक एसिड) को लंबी रूपांतरण अवधि के साथ छोटे अणु पदार्थों में विघटित होने के लिए हाइड्रोलिसिस प्रतिक्रियाओं से गुजरना पड़ता है। इसके अलावा, जब कार्बनिक नाइट्रोजन की सांद्रता बहुत अधिक होती है, तो यह माइक्रोबियल कोशिकाओं के आसमाटिक दबाव में असंतुलन पैदा कर सकता है, जिससे माइक्रोबियल विकास बाधित हो सकता है; जब सांद्रता बहुत कम होती है, तो यह सूक्ष्मजीवों को पर्याप्त पोषण प्रदान नहीं कर पाती है, और अमोनीकरण प्रतिक्रिया की दक्षता कम होती है। व्यावहारिक इंजीनियरिंग में, उच्च सांद्रता वाले कार्बनिक नाइट्रोजन अपशिष्ट जल के लिए, पूर्व-उपचार प्रक्रियाओं (जैसे हाइड्रोलिसिस अम्लीकरण) का उपयोग अक्सर बड़े आणविक कार्बनिक नाइट्रोजन को छोटे आणविक पदार्थों में विघटित करने के लिए किया जाता है, जिससे बाद के अमोनीकरण उपचार की दक्षता में सुधार होता है।
 
(5) माइक्रोबियल समुदाय संरचना
 
सूक्ष्मजीव समुदायों की विविधता और प्रचुरता अमोनीकरण को प्रभावित करने वाले मुख्य जैविक कारक हैं। जब प्रणाली में अमोनीकरण करने वाले सूक्ष्मजीवों की विविधता प्रचुर मात्रा में होती है और प्रमुख जीवाणु समूहों की संख्या पर्याप्त होती है, तो कार्बनिक नाइट्रोजन अपघटन और परिवर्तन की दक्षता अधिक होती है; इसके विपरीत, यदि माइक्रोबियल समुदाय संरचना एकल है या निरोधात्मक पदार्थ (जैसे भारी धातु, विषाक्त कार्बनिक यौगिक) हैं जो प्रमुख माइक्रोबियल समुदायों की मृत्यु का कारण बनते हैं, तो अमोनीकरण गंभीर रूप से प्रभावित होगा। सीवेज उपचार प्रणाली के स्टार्ट-अप चरण के दौरान, सिस्टम कमीशनिंग चक्र को छोटा करते हुए, अमोनिफाइंग एजेंटों को जोड़कर या परिपक्व कीचड़ को टीका लगाकर कुशल अमोनिफाइंग माइक्रोबियल समुदायों को जल्दी से स्थापित किया जा सकता है।
 
4, कार्बनिक नाइट्रोजन को अमोनिया नाइट्रोजन में बदलने का पर्यावरण और इंजीनियरिंग महत्व
 
कार्बनिक नाइट्रोजन का अमोनिया नाइट्रोजन में रूपांतरण नाइट्रोजन चक्र की एक महत्वपूर्ण कड़ी है और प्राकृतिक वातावरण और अपशिष्ट जल उपचार परियोजनाओं दोनों में इसका महत्वपूर्ण महत्व है।
प्राकृतिक जल निकायों में, अमोनीकरण द्वारा उत्पादित अमोनिया नाइट्रोजन फाइटोप्लांकटन, शैवाल आदि के लिए नाइट्रोजन स्रोत प्रदान कर सकता है, जो जलीय पारिस्थितिक तंत्र के भौतिक चक्र को बढ़ावा देता है; हालाँकि, अत्यधिक अमोनिया नाइट्रोजन से जल निकायों का यूट्रोफिकेशन हो सकता है, जिससे शैवाल खिलना और लाल ज्वार जैसी पर्यावरणीय समस्याएं पैदा हो सकती हैं। सीवेज उपचार इंजीनियरिंग में, जैविक विनाइट्रीकरण के लिए अमोनीकरण एक पूर्व अपेक्षित कदम है। केवल कार्बनिक नाइट्रोजन को अमोनिया नाइट्रोजन में कुशलतापूर्वक परिवर्तित करके ही बाद की नाइट्रीकरण प्रतिक्रियाओं (अमोनिया नाइट्रोजन को नाइट्रेट नाइट्रोजन में परिवर्तित किया जाता है) और डिनाइट्रीकरण प्रतिक्रियाओं (नाइट्रेट नाइट्रोजन को नाइट्रोजन में परिवर्तित किया जाता है) के लिए पर्याप्त सब्सट्रेट प्रदान किया जा सकता है, जिससे नाइट्रोजन का पूर्ण निष्कासन हो सके। इसके अलावा, अवायवीय पाचन प्रक्रिया में, अमोनीकरण द्वारा उत्पादित अमोनिया नाइट्रोजन पाचन प्रक्रिया के दौरान उत्पादित कार्बनिक एसिड को बेअसर कर सकता है, सिस्टम पीएच मान की स्थिरता बनाए रख सकता है, और अवायवीय पाचन की सुचारू प्रगति सुनिश्चित कर सकता है।

वी. निष्कर्ष
 
कार्बनिक नाइट्रोजन का अमोनिया नाइट्रोजन में रूपांतरण एक जटिल माइक्रोबियल मध्यस्थता प्रक्रिया है, जो तापमान, पीएच मान, घुलित ऑक्सीजन और सब्सट्रेट गुणों जैसे कई कारकों से प्रभावित होती है। तंत्र की गहरी समझ और अमोनीकरण के कारकों को प्रभावित करने से सीवेज उपचार प्रक्रियाओं को अनुकूलित करने और जैविक नाइट्रोजन हटाने की दक्षता में सुधार के लिए महत्वपूर्ण सैद्धांतिक और व्यावहारिक महत्व है। जल पर्यावरण प्रशासन आवश्यकताओं में निरंतर सुधार के साथ, भविष्य में अमोनीकरण करने वाले सूक्ष्मजीवों के चयापचय विनियमन तंत्र का और अध्ययन करना, कुशल अमोनीकरण जीवाणु एजेंटों और प्रक्रिया अनुकूलन रणनीतियों को विकसित करना और जल निकायों में नाइट्रोजन प्रदूषण की समस्या को हल करने के लिए मजबूत तकनीकी सहायता प्रदान करना आवश्यक है।