硝化菌的反应原理

——XRT@硝化菌

 硝化菌（Nitrifying bacteria），是指将氨氮氧化成为亚硝酸盐和硝酸盐的作用的菌种的总称。是一种专性好氧菌，包含亚硝化菌和硝化菌，生活在水中、沙层中等，在氮循环水质净化过程中扮演着非常重要的角色。

硝化细菌分类：硝化细菌属于自养性细菌，包括两种完全不同的代谢菌群：亚硝酸菌属(nitrosomonas) 及硝酸菌属(nitrobacter )，它们包括形态互异的杆菌、球菌和螺旋菌。亚硝酸菌包括亚硝化单胞菌属、亚硝化球菌属、亚硝化螺菌属和亚硝化叶菌属中的细菌。硝酸菌包括硝化杆菌属、硝化球菌属和硝化囊菌属中的细菌。两类菌均为专性好气菌，在氧化过程中均以氧作为最终电子受体。大多数为专性化能自养型，不能在有机培养基上生长，例如亚硝化单胞菌（Nitrosomonas）、亚硝化螺菌（Ni-trosospira）、亚硝化球菌（Nitrosococcus）、亚硝化叶菌属（Ni-trosolobus）、硝化刺菌属（Nitrospina）、硝化球菌属（Nitrococcus）等。只有少数为兼性自养型，也能在某些有机培养基上生长，例如维氏硝化杆菌（Nitrobacterwinogradskyi）的一些品系。从形态上看，也有多样，如球形、杆状、螺旋形等，但均为无芽孢的革兰氏阴性菌；有些有鞭毛能运动，如亚硝化叶菌，借周身鞭毛运动；有些无鞭毛不能运动，如硝化刺菌。一般分布于土壤、淡水、海水中，有些菌仅发现于海水中，例如硝化球菌、硝化刺菌。

亚硝酸细菌（又称氨氧化菌），将氨氧化成亚硝酸。反应式：

2NH3+3O2→2HNO2+2H2O+158kcal(655kJ)。

硝酸细菌（又称亚硝酸氧化菌），将亚硝酸氧化成硝酸。反应式：

HNO2 + 1/2 O2 = HNO3+18kcal(75kJ)。

这两类菌能分别从以上氧化过程中获得生长所需要的能量，但其能量利用率不高，故生长较缓慢，其平均代时（即细菌繁殖一代所需要的时间）在10小时以上。硝化细菌在自然界氮素循环中具有重要作用。这两类菌通常生活在一起，避免了亚硝酸盐在土壤中的积累，有利于机体正常生长。土壤中的氨或铵盐必需在以上两类细菌的共同作用下才能转变为硝酸盐，从而增加植物可利用的氮素营养。时至今日，人们尚未发现一种硝化细菌能够直接把氨转变成硝酸，所以说，硝化作用必须通过这两类菌的共同作用才能完成。我们知道，亚硝酸对于人体来说是有害的，这是因为亚硝酸与一些金属离子结合以后可以形成亚硝酸盐，而亚硝酸盐又可以和胺类物质结合，形成具有强烈致癌作用的亚硝胺。然而，土壤中的亚硝酸转变成硝酸后，很容易形成硝酸盐，从而成为可以被植物吸收利用的营养物质。在硝化细菌的作用下，土壤中往往出现较多的酸性物质。这些酸性物质可以提高多种磷肥在土壤中的速效性和持久性，可以防治马铃薯疮痂病等植物病害，甚至可以使碱性土壤得到一定程度的改良。所以说，硝化细菌与人类的关系十分密切。农业上可通过深耕、松土提高细菌活力，从而增加土壤肥力。但硝酸盐也极易通过土壤渗漏进入地下水，成为一种潜在的污染源，造成对人类健康的威胁。因此农业上既可采用深耕、松土的方法提高细菌活力，亦可通过用施入氮肥增效剂（即硝化抑制剂），以降低土壤硝化细菌的活动，减低土壤氮肥的损失和对环境的污染。

硝化菌，需要确保的只有它们得具有适当的黏着性质，以能保留在它们需要停留的地方，并攫取它们所需要的生存资源，因此新尔特产品中负载着比表面积大的无机载体，既能为硝化菌提供长久赖以生存的环境，又不会对其造成伤。新型的无机载体为硝化菌创造了一个“温馨的家庭”。

　　除了栖息环境要求高以外，硝化细菌的生殖很慢，也是一项非常不利的弱点。硝化细菌作过生长及繁殖速度的测定，结果发现一些常见的亚硝酸菌种平均要花上26小时才能增殖一倍，而硝酸菌种生殖的周期更长，平均要花上60小时才能增殖一倍。硝化细菌在养殖池中的低生殖率，使它们在微生物的生态系中仅占有一个相当低的百分率。

　　另外，就环境因子而言，影响硝化细菌最重要的因子主要有光线、pH值及温度的变化等，它们仅能在合适的环境因子中生长及繁衍，如果这些因子的变化超出了它们所能忍受的范围，就很容易受到伤害，严重的话，将引起死亡。下面的论述将以这三个因子为主题，来谈它们脆弱的一面。

　　光对硝化细菌的不良影响是一般人很难想象的，从许多的相关研究中均显示光对硝化细菌的生长及繁殖均有抑制的现象。亚硝酸菌对近紫外线的可见光非常敏感，但太阳光中普遍含有这种光谱。紫外线对硝化细菌的伤害更大。因此在生态上，硝化细菌均有避光现象。光线对硝化细菌所造成之负面冲击的真正原因尚未查出，不过已知只要将光线减弱，则亚硝酸细菌的活性又会逐渐增强，因此可推测硝化作用在黑暗中的效率应该比在光照中还要得高。

　　当外界的pH值发生变化时，某些硝化细菌（如N. europaea）可以借着调节细胞内（intracelluar）的pH 值作良好的适应，但大部份对pH值的改变颇为敏感。对亚硝酸菌而言，最佳的pH值通常是7.8，其生长和活性则随pH值的减少而降低，这种现在低于pH=7时就表现得特别明显，如果pH值降到低于6以下，可能对硝化细菌造成直接的伤害。

在温度的适应方面，一般认为最适合硝化细菌生长的温度是25℃，理由是硝化作用所产生之化学能与进行生理代谢所消耗之化学能两者相抵消，在这个温度之下可能有最大的净余值。至于温度的变化对硝化活性之影响，也有多位学者加以研究，发现在温度低于5℃或高于42℃时，硝化作用已经无法进行，后又发现硝酸菌忍耐高温的门坎（threshold）要比亚硝酸菌高约7℃，原因是亚硝酸菌的活性若从7℃开始测定，则随温度之升高越来越强，并呈现一种直线正比关系向上攀升，直到达35℃后随即开始急速下降，但硝酸菌的活性必须高至42℃后才有急速下降的情形。硝化细菌在低温无法进行硝化作用之原因，可能是由于生理代谢受到低温的干扰发生代谢失常的现象，而在高温可能是由于高温使细胞内的 发生瓦解（disruption）之故。