دانلود پایان نامه با موضوع اکسیداسیون، ایالات متحده، محصولات کشاورزی

energy واکنش 2-3 5C+4NO-3+2 H2O→2N2+4HCO3+CO2 ‌‌ واکنش2-4
در واقع نیتراتی شدن یعنی تبدیل N(- III) به N(V)، یک فرآیند معمول و بسیارمهم در آب و خاک است. نیتروژن در محیط آبی که با اتمسفر در تعادل دینامیکی قرار داشته باشد، به شکل یون NO3- یعنی N(V) است. این در حالیست که در غالب ترکیبات بیولوژیکی نیتروژن به شکل N(- III) حضور دارد که از آن جمله می‌توان NH2- موجود در اسیدهای آمینه را نام برد. به دلیل آنکه نیتروژن عمدتا به صورت نیترات برای گیاهان قابل جذب است، نیتراتی شدن یک فرایند حائزاهمیت می‌باشد.
در طبیعت، نیتراتی شدن توسط 2 گروه از باکتری‌ها سازماندهی می‌شود که عبارتند از: نیتروزوموناس و نیتروباکتر. نیتروزوموناس، آمونیاک را به نیتریت تبدیل می‌کند، در حالیکه نیتروباکترها اکسیداسیون نیتریت به نیترات را انجام می‌دهند. هر دوی اینها از انواع بسیار تخصصی باکتری‌های هوازی هستند، یعنی فقط در حضور اکسیژن مولکولی عمل می‌کنند. این باکتری‌ها در عین حال شیمیولیتوتروف هستند، بدین معنی که می‌توانند از مواد آلی قابل اکسیدشدن به عنوان دهنده‌ی الکترون در واکنش‌های اکسیداسیون استفاده نمایند و انرژی مورد نیاز خود را برای فرآیندهای متابولیکی کسب کنند. اکثر باکتری‌های شیمیولیتوتروف CO2 را به عنوان منبع کربن برای سنتز زیست‌جرم خود مورد استفاده قرار می‌دهند بنابراین اتوتروف هستند. Manahan,1937) )
نیتراتی شدن تنها در محیط‌های اکسیدان اتفاق می‌افتد. تعدادی پارامتر ثانویه هم روی نیتراتی شدن تاثیر می‌گذارند شامل دما، مقدار رطوبت ، تعداد باکتری‌های نیترات‌ساز و pH می‌باشد ( Interstate Technology and Regulatory Cooperation Work Group,2000)

2-3-3-احیاء نیترات:
عبارت “احیاء نیترات” به آن دسته از فرآیندهای میکروبی اشاره دارد که طی آنها نیتروژن موجود در ترکیبات شیمیایی، احیاء می‌شود و به درجات اکسیداسیون پایین تر می‌رسد. در غیاب اکسیژن آزاد، نیترات می‌تواند به وسیله بعضی باکتری‌ها، به عنوان گیرنده‌ی الکترون مصرف شود. کامل‌ترین احیاء ممکن است برای نیتروژن موجود در یون نیترات که مشتمل بر قبول 8 الکترون توسط اتم نیتروژن و در نتیجه تبدیل نیترات به آمونیاک است (از حالت اکسیداسیون V+ به–III ) صورت گیرد. هرگاه یون نیترات به عنوان گیرنده‌ی الکترون عمل کند، حاصل کار NO2- است. نیتریت NO2- ، نسبتا سمی است و می‌تواند از رشد بسیاری از باکتری‌ها پس از رسیدن به سطح معینی جلوگیری کند Manahan, 1937) ).

2-3-4- نیترات‌زدایی:

احیای زیست‌شیمیایی نیتروژن نیتراتی به نیتروژن گازی را نیترات‌زدایی گویند که در غیاب اکسیژن اتفاق می‌افتد. نیترات‌زدایی، یک فرآیند طبیعی مهم است. این فرآیند مکانیسمی است که سبب می‌شود نیتروژن تثبیت شده مجددا به اتمسفر بازگردد. در سیستم‌های پیشرفته‌ی تصفیه‌ی آب نیز از این فرآیند برای حذف نیتروژن مغذی استفاده می‌شود. وارد کردن نیتروژن به اتمسفر می‌تواند از طریق تشکیل گازهای NO و N2O توسط باکتری‌ها صورت گیرد. انواع متعددی از باکتری ها فرآیند تشکیل گازهای NO و N2O از نیترات و نیتریت را کاتالیز می‌کنند. NO وN2O در فرآیندهای شیمیایی اتمسفری دخالت دارند و افزایش تولید این گازها در اثر مصرف روزافزون نیتروژن تثبیت شده در کودهای شیمیایی می‌تواند مهم باشد Manahan, 1937) ).

2-4-منابع نیترات :
نیتروژن آزاد شده از طریق نیترات‌زدایی به حفظ غلظت‌های نسبتا کم در آب‌های سطحی و زیرزمینی کمک می‌کند. در بیشتر محیط‌های طبیعی موجود، غلظت‌های نیترات در آب زیرزمینی معمولا mg/l3› است (Smith et al., 1987).
به طور کلی غلظت‌های بالای نیترات در آب زیرزمینی معمولا به کود‌دهی بیش از حد محصولات کشاورزی، دفع نامناسب پسماند حیوانی و انسانی و پسماند مایع صنعتی ارتباط داده می‌شود.
نیترات درآب زیرزمینی عمدتا از منابع نیترات در سطح زمین یا درون خاک و یا مناطق زیر سطحی کم عمق که آب غنی از نیتروژن وارد آنها شده است منشا می‌گیرد. در بعضی مناطق نیترات وارد شده به سیستم آب زیرزمینی حاصل از نیترات موجود در آنها یا کودهایی است که روی سطح زمین‌های کشاورزی برای تقویت مورد استفاده قرار می‌گیرند. در این حالت NO3- از طریق تبدیل نیتروژن آلی یا آمونیوم در مناطقی از خاک که تحت تاثیر فعالیت‌های انسان قرار دارد، ایجاد می‌گردد.
میزان اکسید نیتروژن گزارش شده توسط EPA که روزانه از طریق تنفس جذب بدن انسان می‌شود، در حدود µ 75-25 می‌باشد. غذا منبع اصلی دریافت نیترات و نیتریت برای انسان است. میزان تخمین زده شده‌ی نیتراتی که می‌تواند از طریق تغذیه جذب بدن انسان شود، mg/day 100 می‌باشد (90-85% از سبزی‌ها، کرفس، کاهو، اسفناج و 9% از گوشت).
در افراد بزرگسال اگر غلظت نیترات و نیتریت در آب آشامیدنی بیش از میانگین نباشد، منبع اصلی ورود نیترات و نیتریت به بدن غذا است. مصرف 1.5 لیتر آب آشامیدنی حاوی نیترات در غلظت های بیش از 30 میلی‌گرم در لیتر سهمی بیش از 50% کل جذب روزانه 99 میلی‌گرم را دارد (44.3 از غذا و 45 میلی‌گرم از آب آشامیدنی).
اگرغلظت نیترات در آب زیرزمینی به بیش از mg/l10 برسد، به منابع مختلف نیتروژن نسبت داده می‌شود. این منابع عبارتند از:

2-4-1-پسماندهای انسانی و حیوانی:

پسماندهای تولید شده توسط انسان و حیوانات منابع مهم نیترات در هر منطقه است که به واسطه ازدحام زیاد حیوانات و یا انسان مشخص شده است. نیترات چنین پسماندی می‌تواند نشان دهنده‌ی ویژگی‌های منبع آلودگی اعم از نقطه‌ای و گسترده باشد. منابع نقطه‌ای در خود محل به عنوان مثال در محل دفع پسماند یا نزدیک آن واقع می‌شوند و معمولا غلظت‌های بالایی از نیترات یا آمونیوم در یک منطقه محاط شده را نشان می‌دهند. منابع گسترده بر روی منطقه وسیعی پخش شده‌اند (به عنوان مثال کوددهی ) و آبخوان‌های متاثرشده اغلب به واسطه‌ی غلظت‌های کمتر نیترات ( اما هنوز بیش از mg/l 10 ) بر حسب نیتروژن مشخص شده است. (Interstate Technology and Regulatory Cooperation Work Group, 2000)
Puckett, 1994 منبع اولیه نیترات آب زیرزمینی را دفع فاضلاب برجای خانگی و کودها می‌داند.
نیترات حاصل از پسماند انسانی عمدتا از چاه‌های جذبی یا کارخانه تصفیه پساب شهری منشا می‌گیرد. معمولا مقدار نیتروژن پساب چنین سیستم‌هایی حدود mg/l 60 -30نیتروژن کل است که آمونیوم اکثریت این مقدار را به خود اختصاص می‌دهد Minnesota Extension Service 1994) ). مقدار نیتروژن این پساب‌ها بسته به شرایط سیستم و نوع پسماند گستره‌ی وسیعی دارد.
به طور معمول، چاه‌های جذبی استفاده شده در مزارع کشاورزی و کارهای روستایی بزرگ‌ترین نگرانی در بیشتر مناطق کشاورزی ایالات متحده شده است. با این وجود افزایش وسعت زمین‌های غیرکشاورزی در حاشیه شهر منجر به تراکم بیشتر سیستم‌های دفع درخود محل شده است که 25% از جمعیت ایالات متحده در این مناطق سکونت دارند. برای %75 مابقی جمعیت ایالات متحده سیستم‌های تصفیه پساب شهری استفاده می‌شود. باز هم مقدار نیتروژن پساب سیستم‌های شهری بسته به ماهیت و طبیعت جریان پسماند واردشونده و نوع و شرایط سیستم تغییر می‌کند. با این حال بازهم بعد از دفع اولیه لجن فعال شده، پساب به طور معمول حاوی حدود mg/l 35- 15 نیتروژن کل است؛ اما اکثر سیستم‌های پیشرفته می‌تواند این مقدار را به حدود mg/l 10-2 کاهش دهد (EPA, 1993).
پسماندهای لبنیات‌سازی، محل‌هایی که به حیوانات غذا می‌دهند، طویله‌ها و دیگر تاسیسات پرورش و نگهداری حیوانات نیز از منابع مستعد برای دیگر گونه‌های نیتروژن است.
معمولا غلظت نیتروژن کل در پساب کارخانه لبنیات‌سازی از 15 تا 500 میلی‌گرم در لیتر متغیر است. در حالی که نگرانی عمومی پسماند حیوانی شامل مسائلی چون بو، مگس‌ها، اثراتی که روی ارزش اموال و دارایی و نیزبر روی آب‌های سطحی می‌گذارند می‌باشد، این تاسیسات منبع عظیمی از نیتروژن و دیگر ورودی‌های مغذی به آب زیرزمینی است (Interstate Technology and Regulatory Cooperation Work Group, 2000)

2-4-2-کودها:

نیتروژن معمول‌ترین عنصر استفاده شده به عنوان مکمل کود است و به عنوان یک ماده مغذی (کود) به مقدار زیاد در چمنزار و باغات و محصولات کشاورزی استفاده شده است Manahan,1937) ).
به دلیل افزایش تصاعدی جمعیت، نیاز به تولید غذا بیشتر شده و در نتیجه این امرمساحت زمین‌های زیر کشت افزایش یافته و به دنبال آن استفاده از کودهای شیمیایی و سموم زیاد شده که همه اینها باعث بیشتر شدن محصول مزارع شده است Mosier,2004))، تاحدی که بیش از 75% از اسیدنیتریک تولید شده در جهان صرف تولید کودهای شیمیایی می‌شود UNIDO,1979))؛ بنابراین تولید غذا در 50 سال اخیر 3 برابر شده است و حدود 50 % از کل نیتروژن استفاده شده برای فعالیت کشاورزی را به خود اختصاص می‌دهد. همچنین در جاهایی مانند شالیزارهای شمال کشور که از کودهای ازته به مقدار خیلی زیادی استفاده می‌شود، مقدار ازت ورودی به آب‌ها تا10 برابر بیشتر شده است (حاج کتابی، 1389).
اجزای اصلی کودهای غلات نیتروژن، فسفر و پتاسیم می‌باشد. کودها را با اعدادی مانند 8- 12- 6 مشخص می‌کنند که از چپ به راست نشان دهنده‌ی درصد نیتروژن بر حسب N، فسفر بر حسب P2O5 و پتاسیم بر حسب K2O است. کود حیوانی معادل یک کود 0.5-0.24-0.5 می‌باشد. حین استفاده از کودهای آلی نظیر کود حیوانی بایستی این کودها دستخوش فرآیند تجزیه قرار گیرند تا بتوانند گونه‌های معدنی ساده ( K+ ،HXPO4X-3 ، NO3-) قابل جذب توسط گیاهان را آزاد نمایند Manahan,1937) ).
بر اساس مطالعات انجام شده درحوضه زهکشی Prescott کود خوک تقریبا غنی از نیتروژن است در حالیکه نیتروژن کودهای مورد استفاده در کشاورزی حداقل مقدار 15N را دارد.کمترین مقدار نیترات ورودی به حوضه در آب باران است که نقش آلاینده را بازی نمی‌کند. در مجموع تغییر غلظت نیترات و مقادیر15N با گذشت زمان رابطه معکوسی را بین غلظت نیترات و مقادیر15N نشان می‌دهد. (Interstate Technology and Regulatory Cooperation Work Group, 2000)
سایر ترکیباتی که به عنوان کود نیتروژنه به کار می‌روند عبارتند از: نیترات سدیم، نیترات کلسیم، نیترات پتاسیم و فسفات‌های آمونیوم.
علاوه بر کود، نیتروژن در خاک به فرم آلی از تجزیه گیاهان و حیوانات به وجود می‌آید. فرم‌های مختلف نیتروژن در خاک توسط باکتری‌ها به نیترات (یون NO3-) تبدیل می‌شود. مطلوب این است که نیتروژن به فرم نیترات جذب گیاهان شود. به هر حال نیترات، به راحتی با عبور آب از لایه‌های خاک به زمین نفوذ کرده و در اثر بارش یا آبیاری‌های شدید، به ریشه گیاهان و نهایتا به آب‌های زیرزمینی می‌رسد.
بنابرمطالب ذکر شده کشاورزی و سامانه‌های مرتبط با آن علاوه بر آثار مفید می‌توانند منجر به اثرات منفی روی کیفیت آب و زيست‌بوم شوند. غنی شدن (Eutrophication) آب های سطحی به واسطه تخليه زه آب حاصل از آبشويی کودهای حاوی نيتروژن، فسفر و پتاسيم صورت می‌گيرد.
فرار مواد مغذی به درون زه‌آب علاوه بر ايجاد معضلات زيست‌محيطی، باعث تخريب و تغيير زيست‌بوم منطقه و نیز تهديد سلامت انسان شده و از ديدگاه زراعی و اقتصادی نيز منجر به کاهش کارايی توليد محصول می‌گردد. اين مسأله هم‌چنين افزايش هزينه راهبری در تأسيسات تأمين آب آشاميدنی شهرها و گرفتگی کانال‌های آبياری را در پی خواهد داشت.
از اواخر دهه ١٩٦٠ زيان‌های ناشی از نيتروژن زمين‌های زراعی که از طريق زهكش‌های سطحی يا زيرزمينی به آب‌های سطحی می‌پيوستند، يک نگرانی بين‌المللی بوده است. مطالعات بسياری نشان از عامليت بخش کشاورزی بر وجود منابع فراوان نيتروژن و فسفر در آب‌های سطحی دارند.
منبع نيتروژنه کود مصرفی، بر ميزان و نوع نيتروژن موجود در