加载中…硝化与反硝化作用 Nitrification＆Denitrification
(2014-03-20 12:50:27)
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生态学氧化氮氧原子微生物生态学环境 |
分类： 学海无涯 |
硝化作用（英语：Nitrification）是一个生物用氧气将氨氧化为亚硝酸盐继而将亚硝酸盐氧化为硝酸盐的作用。将氨降解为亚硝酸盐的步骤常常是消化作用的限速步骤。硝化作用是土壤中氮循环的重要步骤。这一过程由俄国微生物学家谢尔盖·尼古拉耶维奇·维诺格拉茨基发现。
微生物学与生态学
自氨氧化为亚硝酸盐的过程是由两群微生物完成：氨氧化细菌（AOB）与氨氧化古菌（AOA）。氨氧化细菌可在变形菌门的β-变形菌纲与γ-变形菌纲中找到.目前，只分离与发现了一种氨氧化古菌——亚硝化侏儒菌属。研究最多的土壤中的氨氧化细菌属于亚硝化单胞菌属与亚硝化球菌属。尽管在土壤中氨氧化同时发生在细菌和古菌之中，但古菌的氨氧化作用却同时在土壤以及海洋环境中占首要地位，这意味着泉古菌门可能是这些环境中最大的氨氧化作用贡献者。第二步（将亚硝酸盐氧化为硝酸盐的步骤）主要是由细菌中的硝化杆菌属来完成。以上步骤都会产生能量并偶联合成腺苷三磷酸。硝化有机体都是化能自养菌并且利用二氧化碳作为他们生长的碳源。一些氨氧化细菌具有一种称为脲酶的酶，这种酶催化尿素分子分解为两分子的氨以及一分子的二氧化碳。人们发现欧洲亚硝化单胞菌与土壤生的氨氧化细菌群一样，可以通过卡尔文循环同化脲酶反应生成的二氧化碳以产生生物质能，并通过将氨（脲酶的另一产物）氧化为亚硝酸盐的过程收获能量。这一特性可解释为什么在酸性环境中存在尿素的情况下会促进氨氧化细菌的生长。
硝化作用也在城市废水脱氮过程中起着重要作用。常规的脱氮是先施以硝化作用接着再进行反硝化作用。这一过程的消耗主要是花在了曝气（将氧气带进反应器的过程）以及为反硝化作用提供额外碳源（例如甲醇）上。
硝化作用也会发生在饮用水中。在上水分配系统中，氯胺常被用于二次消毒剂，存在的自由氨可以作为氨氧化微生物的底物。这一相关的反应可以使得系统中消毒剂的残余量减少。
在多数环境中可以同时找到上述生物，它们产生的最终产物是硝酸盐。然而，可以设计一个只产生亚硝酸盐的系统（见沙伦工艺）。
硝化作用和氨化作用一起形成了无机化过程，该过程指的是将有机物完全分解并释放可用含氮化合物的过程。这一过程将氮循环补充完整。
化学
硝化作用是氮化合物氧化的过程（实际上，氮原子上丢失的电子转移到了氧原子上）：
1.NH3 CO2 1.5 O2 亚硝化单胞菌 → NO2- H2O
H
2.NO2- CO2 0.5 O2 硝化杆菌 → NO3-
3.NH3 O2 → NO2− 3H 2e−
4.NO2− H2O → NO3− 2H 2e−
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反硝化反应（Denitrification，亦称为反硝化作用）是指细菌将硝酸盐（NO3−）中的氮（N）通过一系列中间产物（NO2−、NO、N2O）还原为氮气分子（N2）的生物化学过程。参与这一过程的细菌统称为反硝化菌。
反硝化菌在无氧条件下，以将硝酸盐（NO3−）为电子受体完成呼吸作用（respiration）以获得能量。这一过程是硝酸盐呼吸（nitrate
respiration）的两种途径之一，另一种途径是另一类是硝酸异化还原成铵盐（DNRA）。
反应
总的反硝化过程可以用以下方程式表示：
2 NO3− 10 e− 12 H → N2 6 H2O, ΔG0 =
−333 kJ/mol
其中包括以下四个还原反应还原反应：
1.硝酸盐（NO3−）还原为亚硝酸盐（NO2−）：2 NO3− 4 H
4 e− → 2 NO2− 2 H2O
2.亚硝酸盐（NO2−）还原为一氧化氮（NO）：2 NO2− 4 H 2
e− → 2 NO 2 H2O
3.一氧化氮（NO）还原为一氧化二氮（N2O）：2 NO 2 H 2
e− → N2O H2O
4.一氧化二氮（N2O）还原为氮气（N2）：N2O 2 H 2 e− →
N2 H2O
以上四个反应均为放热反应，所以在无氧或缺氧条件下，细菌可以将硝酸盐（NO3−）作为电子传递链(ETC)的最终电子受体（TEA,
terminal electron acceptor），来完成物质能量交换。
反硝化菌
反硝化菌在自然界以各种形式广泛存在，如：
Paracoccus
denitrificans（自养，氧化氢气H2）
Thiobacillus
denitrificans（自养，氧化硫化物（S2−）或者硫代硫酸盐（S2O32−））
Pseudomonas stutzeri（异养，氧化有机碳）
反硝化菌主要为原核生物，大量存在于在α-, β-
和γ-变形菌纲中。已知的反硝化菌的属有Achromobacter, Acinetobacter, Agrobacterium,
Bacillus, Chromobacterium, Flavobacterium, Spirillum, Vibrio,
Halobacterium, Methanomonas, Pseudomonas等。
尽管已经发现了自养反硝化菌，但上述反硝化过程主要由异养反硝化菌来完成。
应用及意义
反硝化反应在自然界具有重要意义，是氮循环的关键一环，它和厌氧铵氧化（Anammox）一起，组成自然界被固定的氮元素重新回到大气中的途径。
在环境保护方面，反硝化反应和硝化反应一起可以构成不同工艺流程，是生物除氮的主要方法，在全球范围内的污水处理厂中被广泛应用。污水处理中所利用的反硝化菌为异养菌，其生长速度很快，但是需要外部的有机碳源，在实际运行中，有时会添加少量甲醇等有机物以保证反硝化过程顺利进行。
基本概念
空气中含有大约78%的氮气，占有绝大部分的氮元素。氮是许多生物过程的基本元素；它存在于所有组成蛋白质的氨基酸中，是构成诸如DNA等的核酸的四种基本元素之一。在植物中，大量的氮素被用于制造可进行光合作用供植物生长的叶绿素分子。
加工，或者固定，是将气态的游离态氮转变为可被有机体吸收的化合态氮的必经过程。一部分氮素由闪电所固定，同时绝大部分的氮素被非共生或共生的固氮细菌所固定。这些细菌拥有可促进氮气氢化成为氨的固氮酶，生成的氨再被这种细菌通过一系列的转化以形成自身组织的一部分。某一些固氮细菌，例如根瘤菌，寄生在豆科植物（例如豌豆或蚕豆）的根瘤中。这些细菌和植物建立了一种互利共生的关系，为植物生产氨以换取糖类。因此可通过栽种豆科植物使氮素贫瘠的土地变得肥沃。还有一些其它的植物可供建立这种共生关系。
其它植物利用根系从土壤中吸收硝酸根离子或铵离子以获取氮素。动物体内的所有氮素则均由在食物链中进食植物所获得。
氨
氨来源于腐生生物对死亡动植物器官的分解，被用作制造铵离子（NH4
）。在富含氧气的土壤中，这些离子将会首先被亚硝化细菌转化为亚硝酸根离子（NO2−），然后被硝化细菌转化为硝酸根离子（NO3−）。铵的两步转化过程被叫做硝化作用。
铵对于鱼类来说有剧毒，因此必须对废水处理植物排放到水中的铵的浓度进行严密的监控。为避免鱼类死亡的损失，应在排放前对水中的铵进行硝化处理，在陆地上为硝化细菌通风提供氧气进行硝化作用成为一个充满吸引力的解决办法。
硝酸盐危害
铵离子很容易被固定在土壤中（尤其是腐殖质和粘土）。而硝酸根离子和亚硝酸根离子则因它们自身的负电性而更不容易被固定在正离子的交换点（主要是腐殖质）多于负离子的土壤中。在强降雨后或过量灌溉后，硝酸根和亚硝酸根移动到地下水的情况经常会发生。地下水中硝酸盐含量的提高关系到饮用水的安全，因为水中过量的硝酸根离子会影响婴幼儿血液中的氧浓度并导致高铁血红蛋白症或蓝婴综合征。如果过量硝酸盐通过径流或地下水进入地表水，会导致水体的富营养化，使得蓝藻菌和其它藻类大量繁殖，导致水生生物因缺氧而大量死亡。虽然不像铵一样对鱼类有毒，硝酸盐可通过富营养作用间接影响鱼类的生存。氮素已经导致了一些水体的富营养化问题。从2006年起，在英国和美国使用氮肥将受到更严厉的限制，磷肥的使用也将受到了同样的限制。这些措施被普遍认为是为了治理恢复被富营养化的水体而采取的。
在无氧或低氧条件下，厌氧细菌的“反硝化作用”将会发生。最终将硝酸中氮的成分还原成氮气归还到大气中去。
氮气(N2)的转化
有三种将游离态的N2（大气中的氮气）转化为化合态氮的方法：
1.生物固定 –
一些共生细菌（主要与豆科植物共生）和一些非共生细菌能进行固氮作用并以有机氮的形式吸收。
2.工业固氮 –
在哈伯-博施法中，N2与氢气被化合生成氨（NH3）肥。
3.化石燃料燃烧 –
主要由交通工具的引擎和热电站以NOx的形式产生。
另外，闪电亦可使N2和O2化合形成NO2，是大气化学的一个重要过程，但对陆地和水域的氮含量影响不大。
由于豆科植物（特别是大豆、紫苜蓿和苜蓿）的广泛栽种、使用哈伯-博施法生产化学肥料以及交通工具和热电站释放的含氮污染成分，人类使得每年进入生物利用形态的氮素提高了不止一倍。这所导致的富营养作用已经对湿地生态系统产生了破坏。
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