硝化作用

19世紀以前，人們認為土壤中的硝酸根（N0₃^-）主要是化學作用的產物，即空氣中的氧和氨經土壤催化形成，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果。1877年，德國化學家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^-）的確主要是生物學過程。某些特殊的條件下，化學硝化作用也可以發生，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基成功地獲得了硝化細菌的純培養，最終證實了硝化作用是由兩羣化能自養細菌進行的。其作用過程如下：先是亞硝化細菌將銨根（NH₄⁺）氧化為亞硝酸根（N0₂^-）；然後硝化細菌再將亞硝酸根氧化為硝酸根（N0₃^-）。這兩羣細菌統稱硝化細菌。

硝化細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。

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

自然界中,除自養硝化細菌外,還有些異養細菌、真菌和放線菌能將銨鹽氧化成亞硝酸和硝酸，異養微生物對銨的氧化效率遠不如自養細菌高，但其耐酸，並對不良環境的抵抗能力較強，所以在自然界的硝化作用過程中，也起着一定的作用。

硝化作用由自養型細菌分階段完成。

第一階段為亞硝化，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酸細菌主要有 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地位，常見的有歐洲亞硝化毛桿菌 (Nitrosomonas europaea)等。

第二階段為硝化，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菌主要有3個屬：硝酸細菌屬(Nitrobacter)；硝酸刺菌屬 (Nitrospina)和硝酸球菌屬(Nitrococcus)。其中以硝酸細菌屬為主，常見的有維氏硝酸細菌(Nitrobacter winogradskyi)和活躍硝酸細菌 (N. agilis)等。

除上述的自養型微生物外，土壤中還有大量多種異養型微生物在培養基上，也能將氨和有機氮化物氧化為N囯或囶,但其硝化能力低於自養型硝化細菌。也有人認為，異養型硝化微生物的硝化能力雖弱，但在土壤中的數量卻十分龐大，因而在硝化作用中也有相當意義。

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）環境因素：底物和產物、pH值、水分和氧氣含量及温度等；（2）生態因素：拮抗物質、生物對NH4的競爭等；（3）人為因素：重金屬毒害、殘留農藥和特定抑制劑等。

底物和產物亞硝化細菌和硝化細菌都是以NH4+或N02為唯一底物的，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+可增加亞硝化細菌和硝化細菌的數量，從而提高硝化作用能力。但NH4濃度達到400mg kg後，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於pH值過高，NH3達到毒害水平（Broadbett,1957）。硝化細菌比亞硝化細菌對高濃度NH4+更敏感，因此在高濃度NH4+下易造成N02積累（Jones and Hedlin,1970）。

此外，最終產物NO3-濃度過高也會抑制亞硝化細菌和硝化細菌的活性(Painter,1977; Boon, and Laudelout,1962)。

硝化作用的副產物是氧化亞氮（N2O），是重要的温室氣體，其綜合增温潛勢（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，中性或鹼性土壤最適宜硝化作用的進行。培養條件下，亞硝化細菌和硝化細菌的最適pH值為7-9。一般認為，土壤自養硝化作用pH的下限為4.5，而異養硝化作用能在較低的pH下進行（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菌的活動影響較大。當土壤水分含量達到限制氧氣傳輸的臨界點之前，好氧的硝化細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，硝化細菌活動最為旺盛，硝化作用進行最快（Doran et al.,1990）。從具體的土壤水分指標來看，一般最大硝化速率發生在-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。但在永久萎蔫點-1500KPa仍可發生明顯的硝化作用（Miller and Johnson,1964）。乾濕交替能夠引起氨化的突然加強，同時伴隨着硝化的倏然加強和NO3的暫時積累（Campbell and Biederbeck,1982）。

土壤温度土壤硝化作用最適宜温度一般在25-35℃之間（Haynes 1986）。高温和低温都能抑制硝化作用的進行，一般化能自養硝化作用在0-40℃都能發生；異養硝化作用可在較高的温度下進行，在温度大於40℃甚至到50-60℃時還可存在異養硝化作用（Focht and Verstraete,1977）。

化感作用化感作用是指一種生物通過分泌化學物質而對其周圍生物的活動產生影響。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，硝化細菌是最弱的競爭者，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。

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

此外，由於硝化作用的基質（銨）有的來自週期地向土壤中施入的銨態肥料，有的來自土壤中固有的有機氨化物經氨化作用形成的銨，基質來源的這種差異也會對硝化作用產生影響。

硝化作用所產生的硝酸鹽（NO3-），因其自身的負電性而不容易被固定在正離子交換點（主要是腐殖質）多於負離子的土壤中。尤其是在土壤大量施用銨態化學肥料（如硫銨和硝銨）以後,所產生的大量NO3-和相當數量的NO2-在強降雨後或過量灌溉後，移動到地下水的情況經常會發生。地下水中硝酸鹽含量的提高關係到飲用水的安全，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並導致高鐵血紅蛋白症或藍嬰綜合徵（Blue-baby Syndrome）。NO3-及NO2-還極易轉化為亞硝胺(NH2NO2),它已被證明是一種致癌、致畸、甚至導致胎兒死亡的有害物質。如果過量硝酸鹽通過徑流或地下水進入地表水，會導致水體的富營養化，使得藍藻菌和其它藻類大量繁殖，導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作用間接影響魚類的生存。氮素已經導致了一些水體的富營養化問題。從2006年起，在英國和美國使用氮肥將受到更嚴厲的限制。這些措施被普遍認為是為了治理恢復被富營養化的水體而採取的。

也稱反硝化作用。反硝化細菌在缺氧條件下，還原硝酸鹽，釋放出分子態氮（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+→有機態氮。許多細菌、放線菌和黴菌能利用硝酸鹽做為氮素營養。另一用途是利用NO2-和NO3-為呼吸作用的最終電子受體，把硝酸還原成氮（N2），稱為反硝化作用或脱氮作用：NO3-→NO2-→N2↑。能進行反硝化作用的只有少數細菌，這個生理羣稱為反硝化菌。大部分反硝化細菌是異養菌，例如脱氮小球菌、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

少數反硝化細菌為自養菌，如脱氮硫桿菌，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最終電子受體。可進行以下反應：

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的含量，對農業生產不利。農業上常進行中耕鬆土，以防止反硝化作用。反硝化作用是氮素循環中不可缺少的環節，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

硝化細菌（nitrifying bacteria ）是一種好氣性細菌，包括亞硝化菌和硝化菌。生活在有氧的環境中（有氧的水、土壤或砂層中），在生物圈氮循環和污水淨化過程中扮演着很重要的角色。主要功能是把NH4+或N02-轉變為N03-。

硝化細菌絕大部分屬於自養性細菌，包括兩種完全不同的代謝羣：亞硝酸菌屬 ( nitrosomonas ) 及硝酸菌屬 ( nitrobacter )，它們包括形態互異的桿菌、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菌。兩類菌均為專性好氣菌，在氧化過程中均以氧作為最終電子受體。大多數為專性化能自養型，不能在有機培養基上生長，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。只有少數為兼性自養型，也能在某些有機培養基上生長，例如維氏硝化桿菌（Nitrobacterwinogradskyi）的一些品系。從形態上看，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。一般分佈於土壤、淡水、海水中，有些菌僅發現於海水中，例如硝化球菌、硝化刺菌。