硝化作用
硝化作用（nitrification）是指在有氧条件下，氨基酸脱下的氨经亚硝酸细菌和硝酸细菌的作用转化为硝酸的过程。根据微生物利用碳源的不同，硝化作用分为自养硝化和异养硝化。在某些特定条件下（如土壤中有NO2-的积累），化学的硝化过程也可能发生。
19世纪以前，人们把硝酸盐看作是化学作用的产物。直到1862年，L. 路易斯·巴斯德（L.Pasteur）首先指出硝酸盐的形成可能是微生物作用的结果。后来，1891年，C.H.维诺格拉茨基（Сергей Николаевич Виноградский）用无机盐培养基成功地获得了硝化细菌的纯培养，最终证实了硝化作用是由两群化能自养细菌进行的。从生物化学的角度看，硝化过程并非仅仅是氨氧化细菌将氨氮氧化成亚硝酸盐、亚硝酸盐氧化细菌将亚硝酸盐进一步氧化成硝酸盐的过程，它涉及多种酶和多种中间产物，并伴随着复杂的电子运动（能量传递）。其反应主要受铵根浓度、pH值、通气性、温度、光照和有机质等因素的影响。
硝化作用常应用在农业领域和废水处理领域。因旱作物多数是喜欢硝态氮的，硝化作用形成的硝态氮，可被作物直接吸收。废水处理过程中，其生化脱氮工艺硝化作用可以使氨氮达标排放。硝化作用所形成的硝态氮易于淋失，如进入地下水或饮用水中，不仅会引起水体“富营养化”现象，且当其含量超过一定浓度时，人畜饮用后还会导致“高铁血红蛋白症”，影响健康。
定义
在有氧条件下，氨基酸脱下的氨经亚硝酸细菌和硝酸细菌的作用转化为硝酸，这一过程称为硝化作用。也有学者提出关于广义的硝化作用的概念，是指微生物引起的将含氮有机化合物或含氮无机化合物中的还原态氮进行氧化的过程，例如，将还原态氮化物（不仅限于NH4+、NO2-）代谢生成氮氧化物、亚硝基化合物化物、硝胺、亚硝胺、、羟胺等。
相关历史
19世纪以前，人们把硝酸盐看作是化学作用的产物，即空气中的氧和氨经土壤催化形成。NO3-形成的现象在欧洲早在14世纪即已知道，当时首先用硝石或硝酸钾来制造发射药和盐溃肉类。1797年（拿破仑战争时代），法国人靠禁运制造火药所需的进口硝石过活，其生财之道是从硝石堆中制造NO3-。 他们在棚里将泥土、肥料和生石灰混合，再浇以尿及废水，并使堆肥处于通气状态，然后用热水浸提硝石。当时认为NO3-是由一个涉及到NH4+与O₂的化学反应形成的，而土壤是此反应的催化剂。
1862年，L. 路易斯·巴斯德（L.Pasteur）首先指出硝酸盐的形成可能是微生物作用的结果 。1877年，德国化学家T. 施勒辛（T.Schlesinger）和A.明茨（A. Mintz）用消毒土壤的办法，证实了氨被氧化为硝酸的确是生物学过程。1878年瓦林顿 (Warington) 指出，硝化作用是由两类微生物分两阶段进行的过程，但是，他未能分离到这些微生物。1891年，C.H.维诺格拉茨基（Сергей Николаевич Виноградский）用无机盐培养基成功地获得了硝化细菌的纯培养，最终证实了硝化作用是由两群化能自养细菌进行的。
类型
根据微生物利用碳源的不同，硝化作用分为自养硝化和异养硝化。此外，在某些特定条件下，化学的硝化过程也可能发生。
自养硝化
自养硝化指微生物以二氧化碳、碳酸或重碳酸等无机碳为碳源，通过氧化氨或亚硝酸获得还原二氧化碳和生长所需的能量。其由亚硝酸细菌进行，包括亚硝酸单胞菌属、亚硝酸球菌属、亚硝酸螺菌属、亚硝酸叶菌属和亚硝酸弧菌属等。在硝化过程中，自养微生物获得能量，用于固定CO2和其他代谢活动，同时伴随着NO和N2O的排放。
异养硝化
异养硝化作用指在好氧条件下，自然界中的一些真菌、细菌、放线菌等异养微生物以有机碳作为碳源和能源，将还原态氮转化为氧化数氮的过程。具有这一作用的细菌有产碱杆菌、节杆菌和某些放线菌，真菌中有曲霉属等。与自养硝化过程不同，在异养硝化过程中，微生物不大可能将反应过程中产生的能量作为能源，起码不是唯一能源。
化学硝化
化学的硝化过程也会在土壤发生，其先决条件是土壤中有NO2-的积累。由于土壤中NO2-的氧化比氨快得多，在一般情况下NO2-不累积。但是，当土壤中的浓度太高，或者土壤pH值较高时，NH3对亚硝酸氧化酶的抑制作用可能导致NO2-的累积。化学硝化作用过程主要有两种途径：
但是由于NO2-积累的可能性不大，因此化学硝化作用一般不重要。
作用机理
硝化作用由亚硝酸菌和硝酸菌二类化能自氧菌共同作用下完成，其分为两步进行，即氨氧化（亚硝化反应）与亚硝酸氧化（硝化反应）过程。
从生物化学的角度看，硝化过程并非仅仅是氨氧化细菌将氨氮氧化成亚硝酸盐、亚硝酸盐氧化细菌将亚硝酸盐进一步氧化成硝酸盐的过程，它涉及多种酶和多种中间产物，并伴随着复杂的电子运动（能量传递）。
根据已有的研究表明，氨氧化细菌对氨氮的转化过程为
在整个氨氮的转化过程中，氨的羟化相对比较困难，但它一旦被转化为羟胺就很容易被进一步氧化，参与羟胺氧化为亚硝酸反应的酶是羟胺氧化酶，其过程的各步反应式为：
这个过程称为氨氧化过程，其为吸热过程，由亚硝化细菌或氨氧化古菌完成。
羟胺氧化为亚硝酸的过程是放能过程，在整个过程中，有能量的净释放。
一般认为，亚硝酸氧化为硝酸的过程是一步完成的，其中的氧来自于水。催化反应的酶称为亚硝酸氧化酶（NOR），该过程的反应式为：
异养硝化过程与自养硝化过程相比，常常被认为是可以忽略的，认为只有在碳氮比超过微生物正常生长所必需的氮量时，才会发生异养硝化。异养硝化细菌不能从氨的氧化过程中获得能量，尚不知道这一过程对其本身有何好处。它们对铵的氧化效率远不如自养细菌高，在纯培养条件下亚硝酸或硝酸的产量只有自养硝化细菌的1/10，它们的作用似乎不大。但是在土壤中的实际情况尚无明确的结论。异养硝化微生物较耐酸，对不良环境抵抗力较强。已被认可的异养硝化途径有两类：一类是具有与氨氧化微生物非常相似的氨单加氧酶/羟胺氧化酶的细菌所参与的异养硝化过程；其次是硝化过程中会有有机质矿化并释放碱性物质，由真菌参与完成。
影响因素
硝化作用主要受铵根浓度、pH值、通气性、温度、光照和有机质等因子的影响。
铵离子浓度
铵是硝化作用的基质，相关研究发现，高浓的NH4+能够抑制土壤的硝化作用。其发现当NH4+-N含量从0增加400mg·kg-1时土壤的硝化作用也随之增强，但当NH4+-N含量达到2000mg·kg-1及以上时土壤硝化作用基本被抑制。也有研究认为，高浓度的 NH4+会产生较多的自由NH3，而自由NH3对氨氧化细菌（AOB）有毒害作用，从而抑制了硝化作用。
pH值
相关研究已经证明，NO3-产量与pH值之间有显著的相关性。中性或碱性土壤最适宜硝化作用的进行，最适pH值为6.6~8.8，但在酸性或极酸性土壤中也有硝化作用。例如，在农业土壤中，硝化速率在pH低于5.9时明显降低，pH低于4.5时则可忽略不计。pH值大时，NH4+抑制NO2-向NO3-的转化。
溶解氧
硝化反应必须在好氧条件下进行，所以溶解氧浓度会影响硝化反应速率。当土壤中含氧量相对为大气中氧浓度的40%~50%时，硝化作用往往最旺盛。相关资料显示，硝化过程含氧量超过有机部分氧化所耗氧3倍以上，28g氮需要128g氧才能完成硝化作用。
湿度
由于湿度影响土壤的通气状况，因此土壤水分状态也影响NO3-的产量。淹水限制O₂的扩散，因此硝化作用受到抑制。另 一个极端是水分不是抑制细菌的增殖。最适湿度因土壤而异，但大多数情况下，湿度张力在-0.1~1兆帕时，硝化作用易于进行。通常产生NH4+的总矿化反应对水分亏缺和低湿不太敏感，因此，NH4+在水分亏缺或冷性土中容易积累。
温度
硝化细菌属于中温性自养菌，最适宜的温度为30~35°C，温度不但影响硝化菌的比增长速率，而且影响硝化菌的活性。相关研究显示温度每升高10℃，最大比增长速率就增加一倍。在5~35℃ 范围内，硝化反应速率随温度的升高而加快。但到了30℃时，增加的幅度就减少，这是因为当温度超过30°C时，蛋白质的变性降低了硝化菌的活性。当温度低于5℃时，硝化细菌的生命活性几乎停止。对于同时去除有机化合物和进行硝化的系统，温度低于15℃时就发现硝化速率迅速降低。低温对硝化细菌的抑制作用更加强烈，因此在低温12~14℃时常出现亚硝酸盐的积累。
光照
光对硝化微生物的生长有抑制作用。
有毒物质
对硝化反应有抑制作用的物质有：过高浓度的氨氮、重金属、有毒物质等。其对硝化作用的抑制主要有两个方面：①干扰细胞的新陈代谢，这需很长时间才能显现出来；②破坏细菌最初的氧化能力，这在短时间里就能显现出来。同样的毒物对亚硝酸菌较对硝酸菌的影响强烈。
过高浓度的氨氮对硝化反应会产生基质抑制作用。一些重金属也会对硝化作用产生抑制作用，对硝化细菌有抑制作用的重金属有：银、汞、、铬、锌等，毒性作用由强到弱，当pH由高到低时，毒性由弱到强。有毒物质主要是一些含氮、硫元素的物质，如硫、氰化物、苯胺等，其他的如酚、氟化物、CIO-、K2CrO4、三价等。一般情况下，有毒物质主要抑制亚硝酸菌的生长，个别物质主要抑制硝酸菌的生长。
有机物质
在培养基中各种有机物质都抑制自养硝化菌。有机化合物质对硝化反应的抑制有三个原因：一是有机物浓度高时，异养菌数量会大大超过硝化细菌，从而阻碍氮向硝化菌的传递，硝化菌能利用的溶解氧也因为异养菌的利用而减少。有人认为，只有在系统中有机物浓度低于20mg/L时，硝化作用才能有效地完成，同时系统的有机物浓度也应维持在较低水平。另一个原因是某些有机物对硝化菌具有有毒或者抑制作用，因为催化硝化反应的酶内含有CuⅠ-CuⅡ电子对，凡是与酶中的蛋白质竞争的铜或者嵌入酶结构的有机物，均会对硝化菌产生抑制作用。但是，在自然环境中污泥和厩肥中的有机物质并不影响消化作用的正常进行。
应用领域
农业领域
硝化作用产生的酸盐，是作物，特别是旱作物的氮素的主要来源，因旱作物多数是喜欢硝态氮的，硝化作用形成的硝态氮，可被作物直接吸收。除多雨地区、多雨季节或漏水漏肥的砂性土壤外，过分抑制土壤中的硝化作用是不好的。
废水处理
在废水处理过程中，可采用生物脱氮工艺对废水进行脱氮和除磷，其生化脱氮工艺硝化作用可以使氨氮达标排放。通常是以碳氧化、硝化和反硝化三者的组合工艺。在反硝化反应后的出水则可在好氧池中进行COD（化学需氧量，Chemical 氧 Demand）的进一步降解和硝化作用，系统中同时存在着降解有机化合物的异养型菌群、反硝化菌群及自养型硝化菌群，混合的微生物群体交替地处于好氧和缺氧的环境中，在不同的有机物浓度条件下，分别发挥不同的作用，有利于改善污泥的沉降性能及控制污泥的膨胀。此外，在NH3的净化处理中，可将NH3溶于水中成NH4+-N，通入生物滴滤池，再利用硝化作用将其氧化成NO2-和NO3-。
危害
对环境的影响
长期大量地使用氮肥特别是铵肥，铵根进入土壤后在其硝化作用的过程中释放出氢离子，使土壤逐渐酸化。硝酸是硝化作用的最终产物，它易溶于水，因此容易发生淋溶作用，并随水流失。如果长期使用化学氮肥，会引起蔬菜、水果硝酸盐超标及地下水、饮用水污染，同时硝化作用形成的硝酸盐向水体迁移，导致湖泊和近海富营养化和赤潮为害。此外，氨的硝化作用过程中有N2O产生，其是重要的温室效应气体之一。
对人类的影响
亚硝酸是氮素循环中硝化作用和反硝化作用的中间产物，可引起局部或全球的污染问题。水中的硝酸盐会被兼性厌氧微生物还原为 NO2-，被人食用后，NO₂-与血液中的氧结合，影响O₂在血液中的转移，造成高铁血红蛋白症，影响人的健康，并可导致婴儿死亡。因此，世界卫生组织规定，饮水中硝酸盐的含量应低于10mg/L。土壤中的NO₃—N 过高而植物的生长又受到不良环境（如干旱、荫蔽和多云天气）限制时， 植物中会积累过多的硝酸盐，硝酸盐含量过高的植物在青贮过程中会被反硝化细菌还原为NO₂-，并形成有毒气体在青贮窖中积累，人畜吸入后严重者可以致死。
反硝化作用
自然界中包括土壤、水体、污水及工业废水都含有硝酸盐。植物、藻类及其他微生物把硝酸盐作为氮源。它们吸收硝酸盐，通过硝酸还原酶将硝酸还原成氨，由氨合成为氨基酸、蛋白质及其他含氮物质。兼性厌氧的硝酸盐还原细菌将硝酸盐还原成氮气，这叫反硝化作用。反硝化过程先由硝酸盐转变成亚硝酸盐，方向和硝化作用完全相反，而后再由亚硝酸盐转变成分子氮释放到大气中。
参考资料
硝化作用.中国大百科全书.2024-04-11