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(guò)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(méi)有意識(shí)到土壤微生物活動(dòng)對(duì)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(guó)化學(xué)家T.施勒辛和A.明茨用消毒土壤的辦法，證實(shí)了銨根（NH4+）被氧化為硝酸根（N03-）的確主要是生物學(xué)過(guò)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(guò)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(wú)機(jī)鹽培養(yǎng)基成功地獲得了硝化細(xì)菌的純培養(yǎng)，證實(shí)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(guò)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(chēng)硝化細(xì)菌。

硝化細(xì)菌從銨或亞硝酸的氧化過(guò)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?cè)谕趸紩r(shí)，需要氧化大量的無(wú)機(jī)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(wàn)個(gè)。添加銨鹽即可使其數(shù)量增至幾千萬(wàn)個(gè)。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(shí)，較適宜硝化細(xì)菌的生長(zhǎng)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(xiàn)菌能將銨鹽氧化成亞硝酸和硝酸，異養(yǎng)微生物對(duì)銨的氧化效率遠(yuǎn)不如自養(yǎng)細(xì)菌高，但其耐酸，并對(duì)不良環(huán)境的抵抗能力較強(qiáng)，所以在自然界的硝化作用過(guò)程中，也起著一定的作用。

3.作用機(jī)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(gè)階段活動(dòng)的亞

硝化作用過(guò)程

硝化作用過(guò)程

硝酸細(xì)菌主要有 5個(gè)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(jiàn)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(gè)階段活動(dòng)的硝酸細(xì)菌主要有3個(gè)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(jiàn)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(jī)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(duì)NH4的競(jìng)爭(zhēng)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(huì)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(guò)高，NH3達(dá)到毒害水平（Broadbett,1957）。硝化細(xì)菌比亞硝化細(xì)菌對(duì)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(guò)高也會(huì)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(shì)（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(duì)硝化細(xì)菌的活動(dòng)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(diǎn)之前，好氧的硝化細(xì)菌硝化能力隨含水量的增加而增強(qiáng)。許多研究表明，土壤含水量為田間持水量的60%左右時(shí)，硝化細(xì)菌活動(dòng)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(lái)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?yàn)槿毖?，硝化作用停止或速率很低。但在萎蔫點(diǎn)-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(qiáng)，同時(shí)伴隨著硝化的倏然加強(qiáng)和NO3的暫時(shí)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(shí)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(guò)分泌化學(xué)物質(zhì)而對(duì)其周?chē)锏幕顒?dòng)產(chǎn)生影響。一些實(shí)驗(yàn)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(duì)NH4+的競(jìng)爭(zhēng)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(lèi)共同競(jìng)爭(zhēng)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(jìng)爭(zhēng)者，所以有植被的情況下，如果土壤NH4濃度過(guò)低，硝化作用勢(shì)必會(huì)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(guò)高時(shí)，土壤硝化作用會(huì)受到抑制（Dusek,1995）。

此外，由于硝化作用的基質(zhì)（銨）有的來(lái)自周期地向土壤中施入的銨態(tài)肥料，有的來(lái)自土壤中固有的有機(jī)氨化物經(jīng)氨化作用形成的銨，基質(zhì)來(lái)源的這種差異也會(huì)對(duì)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(diǎn)（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(qiáng)降雨后或過(guò)量灌溉后，移動(dòng)到地下水的情況經(jīng)常會(huì)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?yàn)樗羞^(guò)量的硝酸根離子會(huì)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(guò)量硝酸鹽通過(guò)徑流或地下水進(jìn)入地表水，會(huì)導(dǎo)致水體的富營(yíng)養(yǎng)化，使得藍(lán)藻菌和其它藻類(lèi)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(duì)魚(yú)類(lèi)有毒，硝酸鹽可通過(guò)富營(yíng)養(yǎng)作用間接影響?hù)~(yú)類(lèi)的生存。氮素已經(jīng)導(dǎo)致了一些水體的富營(yíng)養(yǎng)化問(wèn)題。從2006年起，在英國(guó)和美國(guó)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(yíng)養(yǎng)化的水體而采取的。

6.脫氮作用

也稱(chēng)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(guò)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(chēng)為同化性硝酸還原作用：NO3-→NH4+→有機(jī)態(tài)氮。許多細(xì)菌、放線(xiàn)菌和霉菌能利用硝酸鹽做為氮素營(yíng)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(chēng)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(gè)生理群稱(chēng)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(jī)物為氮源和能源，進(jìn)行無(wú)氧呼吸，其生化過(guò)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。可進(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?dú)?，從而降低了土壤中氮素營(yíng)養(yǎng)的含量，對(duì)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(duì)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(guò)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(lèi)

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(lèi)菌均為專(zhuān)性好氣菌，在氧化過(guò)程中均以氧作為電子受體。大多數(shù)為專(zhuān)性化能自養(yǎng)型，不能在有機(jī)培養(yǎng)基上生長(zhǎng)，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(jī)培養(yǎng)基上生長(zhǎng)，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(wú)芽孢的革蘭氏陰性菌；有些有鞭毛能運(yùn)動(dòng)，如亞硝化葉菌，借周身鞭毛運(yùn)動(dòng)；有些無(wú)鞭毛不能運(yùn)動(dòng)，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。