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硝化作用

2019-01-07
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1.定义

硝化作用(nitrification) 氨基酸脱下的氨,在有氧的条件下,经亚硝酸细菌和硝酸细菌的作用转化为硝酸的过程。氨转化为硝酸的氧化必须有02参与,通常发生在通气良好的土壤、厩肥、堆肥和活性污泥中。

2.概述

19世纪以前,人们认为土壤中的硝酸根(N03-)主要是化学作用的产物,即空气中的氧和氨经土壤催化形成,没有意识到土壤微生物活动对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结果。1877年,德国化学家T.施勒辛和A.明茨用消毒土壤的办法,证实了铵根(NH4+)被氧化为硝酸根(N03-)的确主要是生物学过程。某些特殊的条件下,化学硝化作用也可以发生,只不过因其要求的条件苛刻与微生物的硝化作用相比生成的硝酸根量很少。1891年,С.Н.维诺格拉茨基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。其作用过程如下:先是亚硝化细菌将铵根(NH4+)氧化为亚硝酸根(N02-);然后硝化细菌再将亚硝酸根氧化为硝酸根(N03-)。这两群细菌统称硝化细菌。

硝化细菌从铵或亚硝酸的氧化过程中获得能量用以固定二氧化碳,但它们利用能量的效率很低,亚硝酸菌只利用自由能的5~14%; 硝酸细菌也只利用自由能的5~10%。因此,它们在同化二氧化碳时,需要氧化大量的无机氮化合物。

土壤中硝化细菌的数量首先受铵盐含量的影响,一般耕地里,每克土中只有几千至几万个。添加铵盐即可使其数量增至几千万个。土壤中性偏碱,通气良好,水分为田间持水量的50~70%,温度为10~30℃时,最适宜硝化细菌的生长繁殖,铵盐也能迅速被转化为硝酸盐。

自然界中,除自养硝化细菌外,还有些异养细菌、真菌和放线菌能将铵盐氧化成亚硝酸和硝酸,异养微生物对铵的氧化效率远不如自养细菌高,但其耐酸,并对不良环境的抵抗能力较强,所以在自然界的硝化作用过程中,也起着一定的作用。

3.作用机理

硝化作用由自养型细菌分阶段完成。

第一阶段

第一阶段为亚硝化,即铵根(NH4+)氧化为亚硝酸根(NO2-)的阶段。参与这个阶段活动的亚

硝化作用过程

硝化作用过程

硝酸细菌主要有 5个属:亚硝化毛杆菌属(Nitrosomonas) ;亚硝化囊杆菌属(Nitrosocystis);亚硝化球菌属(Nitrosococcus);亚硝化螺菌属(Nitrosospira)和亚硝化肢杆菌属(Nitrosogloea)。其中,尤以亚硝化毛杆菌属的作用居主导地位,常见的有欧洲亚硝化毛杆菌 (Nitrosomonas europaea)等。

第二阶段

第二阶段为硝化,即亚硝酸根(NO2-)氧化为硝酸根(NO3-)的阶段。参与这个阶段活动的硝酸细菌主要有3个属:硝酸细菌属(Nitrobacter);硝酸刺菌属 (Nitrospina)和硝酸球菌属(Nitrococcus)。其中以硝酸细菌属为主,常见的有维氏硝酸细菌(Nitrobacter winogradskyi)和活跃硝酸细菌 (N. agilis)等。

其他

除上述的自养型微生物外,土壤中还有大量多种异养型微生物在培养基上,也能将氨和有机氮化物氧化为N囯或囶,但其硝化能力低于自养型硝化细菌。也有人认为,异养型硝化微生物的硝化能力虽弱,但在土壤中的数量却十分庞大,因而在硝化作用中也有相当意义。

4.影响因素

土壤硝化作用受很多因素的影响,Haynes(1986)把这些因素分为3组:(1)环境因素:底物和产物、pH值、水分和氧气含量及温度等;(2)生态因素:拮抗物质、生物对NH4的竞争等;(3)人为因素:重金属毒害、残留农药和特定抑制剂等。

底物和产物亚硝化细菌和硝化细菌都是以NH4+或N02为唯一底物的,所以NH4+或N02的浓度是影响硝化作用的重要因素。研究表明,向土壤中加入NH4+可增加亚硝化细菌和硝化细菌的数量,从而提高硝化作用能力。但NH4浓度达到400mg kg后,反而会抑制硝化作用(Malhi and Mcgill,1982)。

高浓度NH4+抑制硝化作用的原因可能是由于pH值过高,NH3达到毒害水平(Broadbett,1957)。硝化细菌比亚硝化细菌对高浓度NH4+更敏感,因此在高浓度NH4+下易造成N02积累(Jones and Hedlin,1970)。

此外,最终产物NO3-浓度过高也会抑制亚硝化细菌和硝化细菌的活性(Painter,1977; Boon, and Laudelout,1962)。

硝化作用的副产物是氧化亚氮(N2O),是重要的温室气体,其综合增温潜势(Global Warming Potential, GWP)是二氧化碳(CO2)的296倍(IPCC,2007)

土壤pH值土壤pH值是影响土壤硝化作用的重要因素,中性或碱性土壤最适宜硝化作用的进行。培养条件下,亚硝化细菌和硝化细菌的最适pH值为7-9。一般认为,土壤自养硝化作用pH的下限为4.5,而异养硝化作用能在较低的pH下进行(Haynes,1986)。

土壤水分和通气状况土壤中水分与氧气的平衡状况对硝化细菌的活动影响较大。当土壤水分含量达到限制氧气传输的临界点之前,好氧的硝化细菌硝化能力随含水量的增加而增强。许多研究表明,土壤含水量为田间持水量的60%左右时,硝化细菌活动最为旺盛,硝化作用进行最快(Doran et al.,1990)。从具体的土壤水分指标来看,一般最大硝化速率发生在-10~-33KPa之间(Miller and Johnson,1964; Malhi and McGill, 1982)。在0KPa,因为缺氧,硝化作用停止或速率很低。但在永久萎蔫点-1500KPa仍可发生明显的硝化作用(Miller and Johnson,1964)。干湿交替能够引起氨化的突然加强,同时伴随着硝化的倏然加强和NO3的暂时积累(Campbell and Biederbeck,1982)。

土壤温度土壤硝化作用最适宜温度一般在25-35℃之间(Haynes 1986)。高温和低温都能抑制硝化作用的进行,一般化能自养硝化作用在0-40℃都能发生;异养硝化作用可在较高的温度下进行,在温度大于40℃甚至到50-60℃时还可存在异养硝化作用(Focht and Verstraete,1977)。

化感作用化感作用是指一种生物通过分泌化学物质而对其周围生物的活动产生影响。一些实验证明,硝化作用受植物根系分泌物的影响,一般表现为抑制作用(Moore and Waid,1971;Kholdebarin,1994)。

生物对NH4+的竞争NH4浓度是制约硝化作用的重要因素。在有植被的情况下,土壤中植物根系、硝化细菌和其他菌类共同竞争土壤溶液中有限的NH4,而在这三者中,硝化细菌是最弱的竞争者,所以有植被的情况下,如果土壤NH4浓度过低,硝化作用势必会受到抑制。

重金属和残留农药毒害土壤受到Cr、Cd、Cu、Zn、Pb、Ag、As等重金属污染和土壤农药残留量过高时,土壤硝化作用会受到抑制(Dusek,1995)。

此外,由于硝化作用的基质(铵)有的来自周期地向土壤中施入的铵态肥料,有的来自土壤中固有的有机氨化物经氨化作用形成的铵,基质来源的这种差异也会对硝化作用产生影响。

5.自然影响

硝化作用所产生的硝酸盐(NO3-),因其自身的负电性而不容易被固定在正离子交换点(主要是腐殖质)多于负离子的土壤中。尤其是在土壤大量施用铵态化学肥料(如硫铵和硝铵)以后,所产生的大量NO3-和相当数量的NO2-在强降雨后或过量灌溉后,移动到地下水的情况经常会发生。地下水中硝酸盐含量的提高关系到饮用水的安全,因为水中过量的硝酸根离子会影响婴幼儿血液中的氧浓度并导致高铁血红蛋白症或蓝婴综合征(Blue-baby Syndrome)。NO3-及NO2-还极易转化为亚硝胺(NH2NO2),它已被证明是一种致癌、致畸、甚至导致胎儿死亡的有害物质。如果过量硝酸盐通过径流或地下水进入地表水,会导致水体的富营养化,使得蓝藻菌和其它藻类大量繁殖,导致水生生物因缺氧而大量死亡。虽然不像铵一样对鱼类有毒,硝酸盐可通过富营养作用间接影响鱼类的生存。氮素已经导致了一些水体的富营养化问题。从2006年起,在英国和美国使用氮肥将受到更严厉的限制。这些措施被普遍认为是为了治理恢复被富营养化的水体而采取的。

 

6.脱氮作用

也称反硝化作用。反硝化细菌在缺氧条件下,还原硝酸盐,释放出分子态氮(N2)或一氧化二氮(N2O)的过程。微生物和植物吸收利用硝酸盐有两种完全不同的用途,一是利用其中的氮作为氮源,称为同化性硝酸还原作用:NO3-→NH4+→有机态氮。许多细菌、放线菌和霉菌能利用硝酸盐做为氮素营养。另一用途是利用NO2-和NO3-为呼吸作用的最终电子受体,把硝酸还原成氮(N2),称为反硝化作用或脱氮作用:NO3-→NO2-→N2↑。能进行反硝化作用的只有少数细菌,这个生理群称为反硝化菌。大部分反硝化细菌是异养菌,例如脱氮小球菌、反硝化假单胞菌等,它们以有机物为氮源和能源,进行无氧呼吸,其生化过程可用下式表示:

C6H12O6+12NO3-→6H2O+6CO2+12NO2-+能量

CH3COOH+8NO3-→6H2O+10CO2+4N2+8OH-+能量

少数反硝化细菌为自养菌,如脱氮硫杆菌,它们氧化硫或硝酸盐获得能量,同化二氧化碳,以硝酸盐为呼吸作用的最终电子受体。可进行以下反应:

5S+6KNO3+2H2O→3N2+K2SO4+4KHSO4

反硝化作用使硝酸盐还原成氮气,从而降低了土壤中氮素营养的含量,对农业生产不利。农业上常进行中耕松土,以防止反硝化作用。反硝化作用是氮素循环中不可缺少的环节,可使土壤中因淋溶而流入河流、海洋中的NO3-减少,消除因硝酸积累对生物的毒害作用

7.硝化细菌

硝化细菌(nitrifying bacteria )是一种好气性细菌,包括亚硝化菌和硝化菌。生活在有氧的环境中(有氧的水、土壤或砂层中),在生物圈氮循环和污水净化过程中扮演着很重要的角色。主要功能是把NH4+或N02-转变为N03-。

分类

硝化细菌绝大部分属于自养性细菌,包括两种完全不同的代谢群: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。亚硝化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。硝化菌包括硝化杆菌属、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(Ni-trosolobus)、硝化刺菌(Nitrospina)、硝化球菌(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。


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