1.定義

硝化作用（nitrification） 氨基酸脫下的氨，在有氧的條件下，經(jīng)亞硝酸細(xì)菌和硝酸細(xì)菌的作用轉(zhuǎn)化為硝酸的過程。氨轉(zhuǎn)化為硝酸的氧化必須有02參與，通常發(fā)生在通氣良好的土壤、廄肥、堆肥和活性污泥中。

2.概述

19世紀(jì)以前，人們認(rèn)為土壤中的硝酸根（N03-）主要是化學(xué)作用的產(chǎn)物，即空氣中的氧和氨經(jīng)土壤催化形成，沒有意識到土壤微生物活動對N03形成的重要性。1862年L.巴斯德首先指出N03的形成可能主要是微生物硝化作用的結(jié)果。1877年，德國化學(xué)家T.施勒辛和A.明茨用消毒土壤的辦法，證實了銨根（NH4+）被氧化為硝酸根（N03-）的確主要是生物學(xué)過程。某些特殊的條件下，化學(xué)硝化作用也可以發(fā)生，只不過因其要求的條件苛刻與微生物的硝化作用相比生成的硝酸根量很少。1891年，С.Н.維諾格拉茨基用無機鹽培養(yǎng)基成功地獲得了硝化細(xì)菌的純培養(yǎng)，證實了硝化作用是由兩群化能自養(yǎng)細(xì)菌進(jìn)行的。其作用過程如下：先是亞硝化細(xì)菌將銨根（NH4+）氧化為亞硝酸根（N02-）；然后硝化細(xì)菌再將亞硝酸根氧化為硝酸根（N03-）。這兩群細(xì)菌統(tǒng)稱硝化細(xì)菌。

硝化細(xì)菌從銨或亞硝酸的氧化過程中獲得能量用以固定二氧化碳，但它們利用能量的效率很低，亞硝酸菌只利用自由能的5～14%； 硝酸細(xì)菌也只利用自由能的5～10%。因此,它們在同化二氧化碳時，需要氧化大量的無機氮化合物。

土壤中硝化細(xì)菌的數(shù)量首先受銨鹽含量的影響，一般耕地里，每克土中只有幾千至幾萬個。添加銨鹽即可使其數(shù)量增至幾千萬個。土壤中性偏堿，通氣良好，水分為田間持水量的50～70%，溫度為10～30℃時，較適宜硝化細(xì)菌的生長繁殖，銨鹽也能迅速被轉(zhuǎn)化為硝酸鹽。

自然界中,除自養(yǎng)硝化細(xì)菌外,還有些異養(yǎng)細(xì)菌、真菌和放線菌能將銨鹽氧化成亞硝酸和硝酸，異養(yǎng)微生物對銨的氧化效率遠(yuǎn)不如自養(yǎng)細(xì)菌高，但其耐酸，并對不良環(huán)境的抵抗能力較強，所以在自然界的硝化作用過程中，也起著一定的作用。

3.作用機理

硝化作用由自養(yǎng)型細(xì)菌分階段完成。

一階段

一階段為亞硝化，即銨根（NH4+)氧化為亞硝酸根（NO2-）的階段。參與這個階段活動的亞

硝化作用過程

硝化作用過程

硝酸細(xì)菌主要有 5個屬：亞硝化毛桿菌屬(Nitrosomonas) ；亞硝化囊桿菌屬(Nitrosocystis)；亞硝化球菌屬(Nitrosococcus)；亞硝化螺菌屬(Nitrosospira)和亞硝化肢桿菌屬(Nitrosogloea)。其中，尤以亞硝化毛桿菌屬的作用居主導(dǎo)地位，常見的有歐洲亞硝化毛桿菌 (Nitrosomonas europaea)等。

二階段

二階段為硝化，即亞硝酸根（NO2-）氧化為硝酸根（NO3-）的階段。參與這個階段活動的硝酸細(xì)菌主要有3個屬：硝酸細(xì)菌屬(Nitrobacter)；硝酸刺菌屬 (Nitrospina)和硝酸球菌屬(Nitrococcus)。其中以硝酸細(xì)菌屬為主，常見的有維氏硝酸細(xì)菌(Nitrobacter winogradskyi)和活躍硝酸細(xì)菌 (N. agilis)等。

其他

除上述的自養(yǎng)型微生物外，土壤中還有大量多種異養(yǎng)型微生物在培養(yǎng)基上，也能將氨和有機氮化物氧化為N囯或囶,但其硝化能力低于自養(yǎng)型硝化細(xì)菌。也有人認(rèn)為，異養(yǎng)型硝化微生物的硝化能力雖弱，但在土壤中的數(shù)量卻十分龐大，因而在硝化作用中也有相當(dāng)意義。

4.影響因素

土壤硝化作用受很多因素的影響，Haynes(1986)把這些因素分為3組：（1）環(huán)境因素：底物和產(chǎn)物、pH值、水分和氧氣含量及溫度等；（2）生態(tài)因素：拮抗物質(zhì)、生物對NH4的競爭等；（3）人為因素：重金屬毒害、殘留農(nóng)藥和特定抑制劑等。

底物和產(chǎn)物亞硝化細(xì)菌和硝化細(xì)菌都是以NH4+或N02為底物的，所以NH4+或N02的濃度是影響硝化作用的重要因素。研究表明，向土壤中加入NH4+可增加亞硝化細(xì)菌和硝化細(xì)菌的數(shù)量，從而提高硝化作用能力。但NH4濃度達(dá)到400mg kg后，反而會抑制硝化作用（Malhi and Mcgill,1982）。

高濃度NH4+抑制硝化作用的原因可能是由于pH值過高，NH3達(dá)到毒害水平（Broadbett,1957）。硝化細(xì)菌比亞硝化細(xì)菌對高濃度NH4+更敏感，因此在高濃度NH4+下易造成N02積累（Jones and Hedlin,1970）。

此外，產(chǎn)物NO3-濃度過高也會抑制亞硝化細(xì)菌和硝化細(xì)菌的活性(Painter,1977; Boon, and Laudelout,1962)。

硝化作用的副產(chǎn)物是氧化亞氮（N2O），是重要的溫室氣體，其綜合增溫潛勢（Global Warming Potential, GWP）是二氧化碳（CO2）的296倍（IPCC，2007）

土壤pH值土壤pH值是影響土壤硝化作用的重要因素，中性或堿性土壤較適宜硝化作用的進(jìn)行。培養(yǎng)條件下，亞硝化細(xì)菌和硝化細(xì)菌的pH值為7-9。一般認(rèn)為，土壤自養(yǎng)硝化作用pH的下限為4.5，而異養(yǎng)硝化作用能在較低的pH下進(jìn)行（Haynes,1986）。

土壤水分和通氣狀況土壤中水分與氧氣的平衡狀況對硝化細(xì)菌的活動影響較大。當(dāng)土壤水分含量達(dá)到限制氧氣傳輸?shù)呐R界點之前，好氧的硝化細(xì)菌硝化能力隨含水量的增加而增強。許多研究表明，土壤含水量為田間持水量的60%左右時，硝化細(xì)菌活動旺盛，硝化作用進(jìn)行較快（Doran et al.,1990）。從具體的土壤水分指標(biāo)來看，一般較大硝化速率發(fā)生在-10～-33KPa之間（Miller and Johnson,1964; Malhi and McGill, 1982）。在0KPa，因為缺氧，硝化作用停止或速率很低。但在萎蔫點-1500KPa仍可發(fā)生明顯的硝化作用（Miller and Johnson,1964）。干濕交替能夠引起氨化的突然加強，同時伴隨著硝化的倏然加強和NO3的暫時積累（Campbell and Biederbeck,1982）。

土壤溫度土壤硝化作用宜溫度一般在25-35℃之間（Haynes 1986）。高溫和低溫都能抑制硝化作用的進(jìn)行，一般化能自養(yǎng)硝化作用在0-40℃都能發(fā)生；異養(yǎng)硝化作用可在較高的溫度下進(jìn)行，在溫度大于40℃甚至到50-60℃時還可存在異養(yǎng)硝化作用（Focht and Verstraete,1977）。

化感作用化感作用是指一種生物通過分泌化學(xué)物質(zhì)而對其周圍生物的活動產(chǎn)生影響。一些實驗證明，硝化作用受植物根系分泌物的影響，一般表現(xiàn)為抑制作用（Moore and Waid,1971;Kholdebarin,1994）。

生物對NH4+的競爭NH4濃度是制約硝化作用的重要因素。在有植被的情況下，土壤中植物根系、硝化細(xì)菌和其他菌類共同競爭土壤溶液中有限的NH4，而在這三者中，硝化細(xì)菌是較弱的競爭者，所以有植被的情況下，如果土壤NH4濃度過低，硝化作用勢必會受到抑制。

重金屬和殘留農(nóng)藥毒害土壤受到Cr、Cd、Cu、Zn、Pb、Ag、As等重金屬污染和土壤農(nóng)藥殘留量過高時，土壤硝化作用會受到抑制（Dusek,1995）。

此外，由于硝化作用的基質(zhì)（銨）有的來自周期地向土壤中施入的銨態(tài)肥料，有的來自土壤中固有的有機氨化物經(jīng)氨化作用形成的銨，基質(zhì)來源的這種差異也會對硝化作用產(chǎn)生影響。

5.自然影響

硝化作用所產(chǎn)生的硝酸鹽（NO3-），因其自身的負(fù)電性而不容易被固定在正離子交換點（主要是腐殖質(zhì)）多于負(fù)離子的土壤中。尤其是在土壤大量施用銨態(tài)化學(xué)肥料（如硫銨和硝銨）以后,所產(chǎn)生的大量NO3-和相當(dāng)數(shù)量的NO2-在強降雨后或過量灌溉后，移動到地下水的情況經(jīng)常會發(fā)生。地下水中硝酸鹽含量的提高關(guān)系到飲用水的安全，因為水中過量的硝酸根離子會影響嬰幼兒血液中的氧濃度并導(dǎo)致高鐵血紅蛋白癥或藍(lán)嬰綜合征（Blue-baby Syndrome）。NO3-及NO2-還極易轉(zhuǎn)化為亞硝胺(NH2NO2),它已被證明是一種致癌、致畸、甚至導(dǎo)致胎兒死亡的有害物質(zhì)。如果過量硝酸鹽通過徑流或地下水進(jìn)入地表水，會導(dǎo)致水體的富營養(yǎng)化，使得藍(lán)藻菌和其它藻類大量繁殖，導(dǎo)致水生生物因缺氧而大量死亡。雖然不像銨一樣對魚類有毒，硝酸鹽可通過富營養(yǎng)作用間接影響魚類的生存。氮素已經(jīng)導(dǎo)致了一些水體的富營養(yǎng)化問題。從2006年起，在英國和美國使用氮肥將受到更嚴(yán)厲的限制。這些措施被普遍認(rèn)為是為了治理恢復(fù)被富營養(yǎng)化的水體而采取的。

6.脫氮作用

也稱反硝化作用。反硝化細(xì)菌在缺氧條件下，還原硝酸鹽，釋放出分子態(tài)氮（N2）或一氧化二氮（N2O）的過程。微生物和植物吸收利用硝酸鹽有兩種完全不同的用途，一是利用其中的氮作為氮源，稱為同化性硝酸還原作用：NO3-→NH4+→有機態(tài)氮。許多細(xì)菌、放線菌和霉菌能利用硝酸鹽做為氮素營養(yǎng)。另一用途是利用NO2-和NO3-為呼吸作用的電子受體，把硝酸還原成氮（N2），稱為反硝化作用或脫氮作用：NO3-→NO2-→N2↑。能進(jìn)行反硝化作用的只有少數(shù)細(xì)菌，這個生理群稱為反硝化菌。大部分反硝化細(xì)菌是異養(yǎng)菌，例如脫氮小球菌、反硝化假單胞菌等，它們以有機物為氮源和能源，進(jìn)行無氧呼吸，其生化過程可用下式表示：

C6H12O6+12NO3-→6H2O+6CO2+12NO2-+能量

CH3COOH+8NO3-→6H2O+10CO2+4N2+8OH-+能量

少數(shù)反硝化細(xì)菌為自養(yǎng)菌，如脫氮硫桿菌，它們氧化硫或硝酸鹽獲得能量，同化二氧化碳，以硝酸鹽為呼吸作用的電子受體?？蛇M(jìn)行以下反應(yīng)：

5S+6KNO3+2H2O→3N2+K2SO4+4KHSO4

反硝化作用使硝酸鹽還原成氮氣，從而降低了土壤中氮素營養(yǎng)的含量，對農(nóng)業(yè)生產(chǎn)不利。農(nóng)業(yè)上常進(jìn)行中耕松土，以防止反硝化作用。反硝化作用是氮素循環(huán)中不可缺少的環(huán)節(jié)，可使土壤中因淋溶而流入河流、海洋中的NO3-減少，消除因硝酸積累對生物的毒害作用

7.硝化細(xì)菌

硝化細(xì)菌（nitrifying bacteria ）是一種好氣性細(xì)菌，包括亞硝化菌和硝化菌。生活在有氧的環(huán)境中（有氧的水、土壤或砂層中），在生物圈氮循環(huán)和污水凈化過程中扮演著很重要的角色。主要功能是把NH4+或N02-轉(zhuǎn)變?yōu)镹03-。

分類

硝化細(xì)菌絕大部分屬于自養(yǎng)性細(xì)菌，包括兩種完全不同的代謝群：亞硝酸菌屬 ( nitrosomonas ) 及硝酸菌屬 ( nitrobacter )，它們包括形態(tài)互異的桿菌、球菌和螺旋菌。亞硝化菌包括亞硝化單胞菌屬、亞硝化球菌屬、亞硝化螺菌屬和亞硝化葉菌屬中的細(xì)菌。硝化菌包括硝化桿菌屬、硝化球菌屬和硝化囊菌屬中的細(xì)菌。兩類菌均為專性好氣菌，在氧化過程中均以氧作為電子受體。大多數(shù)為專性化能自養(yǎng)型，不能在有機培養(yǎng)基上生長，例如亞硝化單胞菌（Nitrosomonas）、亞硝化螺菌（Ni-trosospira）、亞硝化球菌（Nitrosococcus）、亞硝化葉菌（Ni-trosolobus）、硝化刺菌（Nitrospina）、硝化球菌（Nitrococcus）等。只有少數(shù)為兼性自養(yǎng)型，也能在某些有機培養(yǎng)基上生長，例如維氏硝化桿菌（Nitrobacterwinogradskyi）的一些品系。從形態(tài)上看，也有多樣，如球形、桿狀、螺旋形等，但均為無芽孢的革蘭氏陰性菌；有些有鞭毛能運動，如亞硝化葉菌，借周身鞭毛運動；有些無鞭毛不能運動，如硝化刺菌。一般分布于土壤、淡水、海水中，有些菌僅發(fā)現(xiàn)于海水中，例如硝化球菌、硝化刺菌。