硝化作用概述,硝化作用机理,硝化氧化影响因素

硝化作用概述，硝化作用机理，硝化氧化影响因素

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。

硝化作用机理

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。

其他硝化细菌

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。

硝化氧化影响因素

土壤硝化氧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力(Painter,1977; Boon, and Laudelout,1962)。

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 V erstraete,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。

对环境和人体健康的影响

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