Prosessia, jossa orgaaninen typpi muuttuu ammoniumtypeksi kutsutaan ammonifikaa- tioksi. Prosessia, jossa epäorgaaninen typpi muuttuu orgaaniseksi typeksi kutsutaan immobilisaatioksi. (Brady, 1984, s.284-313) Schmidt kutsuu ammonifikaatioksi prosessia, jossa ammoniakki muuttuu ammoniumiksi. (Schmidt, 1982, s.257)
Ammoniumin muodostuminen tapahtuu monivaiheisen reaktioketjun tuloksena.
Heterogeeniset maaperän organismit hajottavat orgaanisia typpiyhdisteitä ja kompleksiset yhdisteet saavat yksinkertaisemman muodon. Jos käytetään aminoyhdistettä esimerkkinä voidaan reaktioyhtälöt kirjoittaa seuraavasti:
entsymaattinen
R-NH2 + HÖH --- > R-OH + NH3 + Energiaa aminoyhd. hydrolyysi
2NH3 + H2C03 ---- > (NH4)2C03 <===> 2NH4+ + C032"
Reaktio etenee parhaiten hyvin kuivatetussa, ilmastoidussa maassa, mutta jonkinasteista ammoniuminmuodostusta tapahtuu lähes kaikissa olosuhteissa. Tämä johtuu siitä, että lukuisat organismit pystyvät hajottamaan orgaanista typpeä. (Brady, 1984, s.284-313) Arvioidaan, että näin syntyneestä ammoniumista vain 0-30% nitrifioituu. (Townsend, 1973, s.136)
Vapaat ammoniumkationit voivat reagoida maan orgaanisen aineksen kanssa ja muodostaa vaikeasti hajoavia yhdisteitä. Tätä kutsutaan immobilisaatioksi, mutta reaktion yksityiskohtia ei tunneta. Maan korkea pH ja hyvä ilmastus edesauttavat immobilisaation tapahtumista. (Brady, 1984, s.284-313) Ammoniumin immobilisaatio riippuu myös mikro- organismien typentarpeesta kasvua varten. (Paul&Clark, 1989, s.134-137) Jansson&
Persson määrittelevät immobilisaation siten, että se on reaktio, jossa epäorgaaniset typpiyhdisteet (NH4+, NH3, N03", Nöj) saavat orgaanisen muodon. Maan organismit assimiloivat ja käyttävät niitä solujen ja kudosten rakennusaineena. Kasvien typenotto ja typpikaasun biologinen sidonta on myös typen assimilaatiota, mutta siitä huolimatta niitä ei
määritellä typen immobilisaatioksi. (Jansson&Persson, 1982, s.230)
Nitrifikaatio on ammoniumin entsymaattinen hapetusreaktio nitriitin kautta nitraatiksi. Reaktio tapahtuu kahdessa jaksossa: ensimmäisessä jaksossa autotrofiset bakteerit Nitrosomonas , Nitrosobulus ja Nitrosospira muuttavat ammoniumin nitriitiksi, toisessa jaksossa autotrofinen bakteeri Nitrobacter hapettaa nitriitin nitraatiksi. Myös muutamat heterotrofit bakteerit, sienet ja aktinomyseetit voivat muuntaa ammoniumia nitriitiksi, mutta edellämainitut bakteerit suorittavat pääosan työstä. Reaktion ensimmäisen ja toisen jakson välinen aika on hyvin lyhyt ja näin ollen ei normaalioloissa nitriittiä keräänny maahan. Tämä on toivottavaa, sillä pienikin määrä nitriittiä on myrkyllinen korkeammille kasveille. Ympäristötekijöillä on huomattava vaikutus nitrifikaatioon. Paul&Clark:n mukaan nitrifikaatio on hidasta alle 5 °C ja yli 40 °C lämpötiloissa, optimilämpötilan ollessa 30-35
°C (Paul&Clark, 1989, s. 143). Sopivassa suhteessa annettu NPK- (typpi+fosfori+kalium)- lannoite edesauttaa nitrifikaatioon osallistuvien organismien toimintaa. Liian suuri ammoniumlannoite tosin on haitallinen Nitrobacter :lle. Nitrifikaatio-organismit ovat hyvin herkkiä tietyille pestisideille. Arvioidaan kuitenkin, että normaalitasoisella pestisidien käytöllä on vain pieniä vaikutuksia nitrifikaation kulkuun. (Brady, 1984, s.284-313) Nitraatinmuodostuksen ja pH:n välillä on selvä yhteys. Optimi-pH-arvot ovat välillä 6.6 ja 8.0. Maatalousmaissa nitrifikaatioaste pienenee huomattavasti kun pH laskee alle 6.0 ja on merkityksetön pH:n arvoilla alle 4.5. Suuret kosteuspitoisuudet vähentävät nitrifikaatiota, sillä hapen diffuusio maaperässä hidastuu. Toisaalta hyvin pienet kosteuspitoisuudet haittaavat bakteeritoimintaa. Reaktiot, jotka tuottavat ammoniumia ovat vähemmän herkkiä vedenpaineelle ja matalille lämpötiloille, mistä johtuen ammoniumia kerääntyy veden- paineenalaisiin ja kylmiin maihin. Suuret orgaanisen aineksen pitoisuudet pienentävät nitrifikaatiota. Tämä johtuu siitä, että orgaanisen aineksen hajottaminen kuluttaa epä
orgaanista typpeä ja happea, jotka näin ovat poissa nitrifikaatioon osallistuvilta organismeil
ta. (Paul&Clark, 1989, s. 143) Ammoniumin vetyionit vapautuvat nitrifikaatiossa, mikä kasvattaa maanesteen happamuutta. Mikäli maassa ei luonnostaan ole runsaasti kalsiumkarbonaattia, kasvattaa ammoniumlannoitus maan happamuutta niin paljon, että maata tulee kalkita. (Jarrell, 1990, s.389)
Termi mineralisaatio sisältää sekä ammonifikaatio- että nitrifikaatioprosessit.
Mineralisaatiota tapahtuu kun maan organismit käyttävät ravintonaan materiaaleja, joilla on suurempi typpipitoisuus kuin mitä organismit tarvitsevat tai voivat käyttää kyseisenä ajankohtana. (Jarrell, 1990, s.389-390) Paul&Clark antavat mineralisaatiolle toisenlaisen määritelmän (Paul&Clark, 1989, s.133): orgaanisen typen mineralisaatio on prosessi, jossa proteiinit, aminosokerit ja nukleiinihapot hajoavat muodostaen mineraalityppeä, nimenomaan ammoniumia. Ammoniumin immobilisoituminen tai akkumuloituminen riippuu mikro- organismien typentarpeesta kasvua varten. Stevenson määrittelee mineralisaation reaktioksi, jossa orgaanisessa muodossa oleva typpi muuttuu ammoniumiksi ja nitraatiksi. Reaktio orgaanisesta typestä ammoniumiksi on ammonifikaatiota ja tämän hapettuminen nitraatiksi nitrifikaatiota. (Stevenson, 1982, s.3) Jansson&Persson nimittävät mineralisaatiota
prosessiksi, jossa typpi muuttuu orgaanisesta muodosta epäorgaaniseen muotoon ammoniumiksi tai ammoniakiksi. Reaktio tapahtuu heterotrofisten maan organismien toimesta, jotka käyttävät typpipitoista orgaanista ainesta energian lähteenä. (Jansson&
Persson, 1982, s.229-230)
Useilla 2:1-tyyppisillä savimineraaleilla kuten esim. vermikuliitilla ja muutamilla smektiiteillä on kyky sitoa ammoniumia kristallikerrosten väliin. Young&Aldag jäljestävät mineraalit ammoniuminsitomiskyvyn mukaan : illiitit > vermikuliitit > smektiitit >
kaoliniitit (Young&Aldag, 1982, s.54). Näillä mineraaleilla on sisäinen negatiivinen varaus, mikä johtaa kationien sitoutumiseen hilaväleihin. (Brady, 1984, s.284-313) Ammoniumioni sitoutuu savimineraalin hilaväliin ja mikäli hilastruktuuri romahtaa esim. kuivumisen johdosta johtaa se ionin sitoutumiseen vaihtumattomassa muodossa. Näin sitoutunutta ammoniumionia ei voida vaihtaa ulos esim. uuttamalla kaliumkloridi(KCl)-liuoksella.
(Paul&Clark, 1989, s. 138) Ammoniumkationit voivat siis sitoutua joko vaihtuvaan tai vaihtumattomaan muotoon, joiden keskinäinen suhde on seuraava:
nh4+ <=====> nh4+ <==> nh4+
maaneste vaihtuva vaihtumaton
Ammoniumin sitoutuminen on yleensä runsaampaa pohjamaassa, johtuen pohjamaan suuremmasta savipitoisuudesta. Tämä sitoutunut typpi vapautuu hyvin hitaasti kasvien ja mikro-organismien käyttöön. (Brady, 1984, s.284-313 ) Monissa maissa typen määrä sitoutuneena ammoniumina on huomattavasti suurempi kuin typen määrä käyttökelpoisena.
(Young&Aldag, 1982, s.48) Nommik&Vahtras ovat luetelleet ammoniumin sitoutumiseen vaikuttavia tekijöitä. Ammoniumin sitoutumisaste on suurimmillaan heti ammoniumin lisäyksen jälkeen. Arvioidaan, että 60-90% sitoutumisesta tapahtuu ensimmäisten tuntien aikana. Sitoutuvan ammoniumin määrä kasvaa kun lisätyn ammoniumin määrää kasvatetaan.
Sitoutuvan ammoniumin prosenttiosuus taas pienenee lisätyn ammoniummäärän kasvaessa.
Maan kuivaaminen ammoniumin lisäyksen jälkeen ja ennenkaikkea maan vuorottainen kuivaaminen ja kasteleminen lisää sitoutumista. Pakastaminen poistaa maasta vettä kuten kuivaaminen ja tämän vuoksi pakastamisenkin oletetaan vaikuttavan ammoniumin sitoutumiseen. Useilla alueilla on ammoniumin sitoutumisen todettu liittyvän savifraktion olemassaoloon, mutta myös savisella siltillä ja hiedalla on kyky sitoa ammoniumia.
(Nommik&Vahtras, 1982, s.132-139)
Kemiallisista ominaisuuksistaan johtuen nitraatin vuorovaikutus saven ja orgaanisen materiaalin kanssa on vähäistä. Poikkeuksen muodostaa savimateriaali, jolla on merkittävä anioninvaihtokapasiteetti. Tällaisia savia ovat amorfiset aluminosilikaatit ja alumiini- tai rautahydroksidit, joita löytyy erittäin rapautuneusta maista kuten trooppisista oksisoleista.
(Jarrell, 1990, s.390)
Myös ammoniakkia adsorboituu maan orgaaniseen ainekseen tai maan mineraaliainekseen. Mikäli ammoniakkia lisätään kosteaan maahan, sopivaan syvyyteen on sorptio lähes täydellinen. Jos maa on hyvin kuivaa tai hyvin karkearakeista ammoniakki
haihtuu suurimmaksi osaksi. Ammoniakin sitoutumista on toistaiseksi tutkittu vain laboratoriomittakaavassa, joten sen merkitystä käytännön maataloudessa ei tunneta.
(Nommik&Vahtras, 1982, s. 152,165)
Denitrifikaatio on nitraatin pelkistysreaktio, jonka lopputuotteena syntyy typpikaasuja, jotka voivat poistua maasta ilmakehään. Se on tyyppillisin typen volatilisaation muoto. Reaktio on lähinnä mikrobiologinen vaikka myös kemiallista pelkistystä tapahtuu.
Mikro-organismit, jotka osallistuvat denitrifikaatioon, ovat tavallisia fakultatiivisen anaerobeja, jotka normaaliolosuhteissa suosivat happea 02. Mikäli ilmastus kuitenkin on riittämätön, käyttävät ne nitraatissa olevaa happea. Reaktion yksityiskohtainen kulku on vielä tuntematon, mutta yleisesti reaktioketju voidaan kirjoittaa seuraavasti:
2 NO3" --- > 2 N02" ... > 2 NO ... > N20 ---> N2
Jokaisen reaktioaskeleen katalysoi spesifinen pelkistysentsyymi. Luonnollisessa pelto- ympäristössä typpidioksidia ja typpikaasua syntyy runsaasti. (Brady, 1984, s.284-313) Typpidioksidia syntyy silloin kun olosuhteet ovat lievästi anaerobiset kun taas typpikaasua syntyy kun olosuhteet ovat voimakkaasti pelkistävät. (Jarrell, 1990, s.396) Typpioksidin tappiot eivät ole niin huomattavat ja sitä esiintyy yleensä lähinnä happamissa olosuhteissa.
Denitrifikaatiota tapahtuu nimenomaan maissa, joiden kuivatus on heikko ja joiden ilmastus näin ollen on puutteellinen. (Brady, 1984, s.284-313) Denitrifikaatioaste kasvaa kun nitraatin konsentraatio kasvaa, kun käyttökelpoisen hiilen määrä kasvaa ja lämpötila nousee.
(Jarrell, 1990, s.396) Aktiivista denitrifikaatiota tapahtuu myös maan pohjakerroksissa, selvästi juuristokerroksen alapuolella, mikäli hiilen lähde suotautuu nitraatin ohella maaprofiilissa alaspäin. (Paul&Clark, 1989, s. 12) Suurin osa denitrifikaatioon osallistuvista organismeista on heterotrofisia bakteereja, jotka ovat hyvin riippuvia hiilen lähteen olemassa
olosta. Denitrifikaatiota ei tapahdu, jos hiilipitoisuus on alle 1 % (Firestone, 1982, s.306) Maaperän vesipitoisuus vaikuttaa denitrifikaation kulkuun silloin, kun veden määrä haittaa hapen diffuusiota. Maan vesipitoisuuden ja maan happipitoisuuden keskinäiseen suhteeseen vaikuttavat myös maan aggregaattien, huokosten ja käytävien koko, muoto ja lukumäärä.
(Firestone, 1982, s.311) Useimmat denitrifikaatiobakteerit kasvavat parhaiten kun pH on välillä 6 ja 8 (Firestone, 1982, s.317). Lämpötilan vaikutus denitrifikaatioon on sekä suora että epäsuora. Suoraan lämpötila vaikuttaa siten, että mikrobien aktiviteetti kasvaa ekspo
nentiaalisesti Arrheniuksen yhtälön mukaan lämpötilan noustessa. Epäsuorasti lämpötila vaikuttaa siten, että lämpötilalla on vaikutus hapen liukenemiseen ja hapen diffuusioon vedessä. Denitrifikaatiota ei tapahdu alle 5 °C:n lämpötilassa. (Paul&Clark, 1989, s. 155- 157) Stevensonin mukaan denitrifikaatio hidastuu huomattavasti kun lämpötila laskee alle 20
°C ja lakkaa kun lämpötila on 2 °C. (Stevenson, 1982, s.22)