硝化作用（nitrification）是指在有氧條件下，氨基酸脫下的氨經亞硝酸細菌和硝酸細菌的作用轉化為硝酸的過程。根據微生物利用碳源的不同，硝化作用分為自養硝化和異養硝化。在某些特定條件下（如土壤中有NO2-的積累），化學的硝化過程也可能發生。
19世紀以前，人們把硝酸鹽看作是化學作用的產物。直到1862年，L.?路易斯·巴斯德（L.Pasteur）首先指出硝酸鹽的形成可能是微生物作用的結果。后來，1891年，C.H.維諾格拉茨基（Сергей Николаевич Виноградский）用無機鹽培養基成功地獲得了硝化細菌的純培養，最終證實了硝化作用是由兩群化能自養細菌進行的。從生物化學的角度看，硝化過程并非僅僅是氨氧化細菌將氨氮氧化成亞硝酸鹽、亞硝酸鹽氧化細菌將亞硝酸鹽進一步氧化成硝酸鹽的過程，它涉及多種酶和多種中間產物，并伴隨著復雜的電子運動（能量傳遞）。其反應主要受銨根濃度、pH值、通氣性、溫度、光照和有機質等因素的影響。
硝化作用常應用在農業領域和廢水處理領域。因旱作物多數是喜歡硝態氮的，硝化作用形成的硝態氮，可被作物直接吸收。廢水處理過程中，其生化脫氮工藝硝化作用可以使氨氮達標排放。硝化作用所形成的硝態氮易于淋失，如進入地下水或飲用水中，不僅會引起水體“富營養化”現象，且當其含量超過一定濃度時，人畜飲用后還會導致“高鐵血紅蛋白癥”，影響健康。
定義
在有氧條件下，氨基酸脫下的氨經亞硝酸細菌和硝酸細菌的作用轉化為硝酸，這一過程稱為硝化作用。也有學者提出關于廣義的硝化作用的概念，是指微生物引起的將含氮有機化合物或含氮無機化合物中的還原態氮進行氧化的過程，例如，將還原態氮化物（不僅限于NH4+、NO2-）代謝生成氮氧化物、亞硝基化合物化物、硝胺、亞硝胺、、羥胺等。
相關歷史
19世紀以前，人們把硝酸鹽看作是化學作用的產物，即空氣中的氧和氨經土壤催化形成。NO3-形成的現象在歐洲早在14世紀即已知道，當時首先用硝石或硝酸鉀來制造發射藥和鹽潰肉類。1797年（拿破侖戰爭時代），法國人靠禁運制造火藥所需的進口硝石過活，其生財之道是從硝石堆中制造NO3-。?他們在棚里將泥土、肥料和生石灰混合，再澆以尿及廢水，并使堆肥處于通氣狀態，然后用熱水浸提硝石。當時認為NO3-是由一個涉及到NH4+與O?的化學反應形成的，而土壤是此反應的催化劑。
1862年，L.?路易斯·巴斯德（L.Pasteur）首先指出硝酸鹽的形成可能主要是微生物硝化作用的結果?。1877年，德國化學家T.?施勒辛（T.Schlesinger）和A.明茨（A. Mintz）用消毒土壤的辦法，證實了氨被氧化為硝酸的確是生物學過程。1878年瓦林頓?(Warington)?指出，硝化作用是由兩類微生物分兩階段進行的過程，但是，他未能分離到這些微生物。1891年，S.N.維諾格拉茨基（Сергей Николаевич Виноградский）用無機鹽培養基成功地獲得了硝化細菌的純培養，最終證實了硝化作用是由兩群化能自養細菌進行的。
類型
根據微生物利用碳源的不同，硝化作用分為自養硝化和異養硝化。此外，在某些特定條件下，化學的硝化過程也可能發生。
自養硝化
自養硝化指微生物以二氧化碳、碳酸或重碳酸等無機碳為碳源，通過氧化氨或亞硝酸獲得還原二氧化碳和生長所需的能量。其由亞硝酸細菌進行，包括亞硝酸單胞菌屬、亞硝酸球菌屬、亞硝酸螺菌屬、亞硝酸葉菌屬和亞硝酸弧菌屬等。在硝化過程中，自養微生物獲得能量，用于固定CO2和其他代謝活動，同時伴隨著NO和N2O的排放。
異養硝化
異養硝化作用指在好氧條件下，自然界中的一些真菌、細菌、放線菌等異養微生物以有機碳作為碳源和能源，將還原態氮轉化為氧化數氮的過程。具有這一作用的細菌有產堿桿菌、節桿菌和某些放線菌，真菌中有曲霉屬等。與自養硝化過程不同，在異養硝化過程中，微生物不大可能將反應過程中產生的能量作為能源，起碼不是唯一能源。
化學硝化
化學的硝化過程也會在土壤發生，其先決條件是土壤中有NO2-的積累。由于土壤中NO2-的氧化比氨快得多，在一般情況下NO2-不累積。但是，當土壤中的濃度太高，或者土壤pH值較高時，NH3對亞硝酸氧化酶的抑制作用可能導致NO2-的累積。化學硝化作用過程主要有兩種途徑：
但是由于NO2-積累的可能性不大，因此化學硝化作用一般不重要。
作用機理
硝化作用由亞硝酸菌和硝酸菌二類化能自氧菌共同作用下完成，其分為兩步進行，即氨氧化（亞硝化反應）與亞硝酸氧化（硝化反應）過程。
從生物化學的角度看，硝化過程并非僅僅是氨氧化細菌將氨氮氧化成亞硝酸鹽、亞硝酸鹽氧化細菌將亞硝酸鹽進一步氧化成硝酸鹽的過程，它涉及多種酶和多種中間產物，并伴隨著復雜的電子運動（能量傳遞）。
根據已有的研究表明，氨氧化細菌對氨氮的轉化過程為
在整個氨氮的轉化過程中，氨的羥化相對比較困難，但它一旦被轉化為羥胺就很容易被進一步氧化，參與羥胺氧化為亞硝酸反應的酶是羥胺氧化酶，其過程的各步反應式為：
這個過程稱為氨氧化過程，其為吸熱過程，由亞硝化細菌或氨氧化古菌完成。
羥胺氧化為亞硝酸的過程是放能過程，在整個過程中，有能量的凈釋放。
一般認為，亞硝酸氧化為硝酸的過程是一步完成的，其中的氧來自于水。催化反應的酶稱為亞硝酸氧化酶（NOR），該過程的反應式為：
異養硝化過程與自養硝化過程相比，常常被認為是可以忽略的，認為只有在碳氮比超過微生物正常生長所必需的氮量時，才會發生異養硝化。異養硝化細菌不能從氨的氧化過程中獲得能量，尚不知道這一過程對其本身有何好處。它們對銨的氧化效率遠不如自養細菌高，在純培養條件下亞硝酸或硝酸的產量只有自養硝化細菌的1/10，它們的作用似乎不大。但是在土壤中的實際情況尚無明確的結論。異養硝化微生物較耐酸，對不良環境抵抗力較強。已被認可的異養硝化途徑有兩類：一類是具有與氨氧化微生物非常相似的氨單加氧酶/羥胺氧化酶的細菌所參與的異養硝化過程；其次是硝化過程中會有有機質礦化并釋放堿性物質，由真菌參與完成。
影響因素
硝化作用主要受銨根濃度、pH值、通氣性、溫度、光照和有機質等因子的影響。
銨離子濃度
銨是硝化作用的基質，相關研究發現，高濃的NH4+能夠抑制土壤的硝化作用。其發現當NH4+-N含量從0增加400mg·kg-1時土壤的硝化作用也隨之增強，但當NH4+-N含量達到2000mg·kg-1及以上時土壤硝化作用基本被抑制。也有研究認為，高濃度的 NH4+會產生較多的自由NH3，而自由NH3對氨氧化細菌（AOB）有毒害作用，從而抑制了硝化作用。
pH值
相關研究已經證明，NO3-產量與pH值之間有顯著的相關性。中性或堿性土壤最適宜硝化作用的進行，最適pH值為6.6~8.8，但在酸性或極酸性土壤中也有硝化作用。例如，在農業土壤中，硝化速率在pH低于5.9時明顯降低，pH低于4.5時則可忽略不計。pH值大時，NH4+抑制NO2-向NO3-的轉化。
溶解氧
硝化反應必須在好氧條件下進行，所以溶解氧濃度會影響硝化反應速率。當土壤中含氧量相對為大氣中氧濃度的40%~50%時，硝化作用往往最旺盛。相關資料顯示，硝化過程含氧量超過有機部分氧化所耗氧3倍以上，28g氮需要128g氧才能完成硝化作用。
濕度
由于濕度影響土壤的通氣狀況，因此土壤水分狀態也影響NO3-的產量。淹水限制O?的擴散，因此硝化作用受到抑制。另?一個極端是水分不是抑制細菌的增殖。最適濕度因土壤而異，但大多數情況下，濕度張力在-0.1~1兆帕時，硝化作用易于進行。通常產生NH4+的總礦化反應對水分虧缺和低濕不太敏感，因此，NH4+在水分虧缺或冷性土中容易積累。
溫度
硝化細菌屬于中溫性自養菌，最適宜的溫度為30~35°C，溫度不但影響硝化菌的比增長速率，而且影響硝化菌的活性。相關研究顯示溫度每升高10℃，最大比增長速率就增加一倍。在5~35℃ 范圍內，硝化反應速率隨溫度的升高而加快。但到了30℃時，增加的幅度就減少，這是因為當溫度超過30°C時，蛋白質的變性降低了硝化菌的活性。當溫度低于5℃時，硝化細菌的生命活性幾乎停止。對于同時去除有機化合物和進行硝化的系統，溫度低于15℃時就發現硝化速率迅速降低。低溫對硝化細菌的抑制作用更加強烈，因此在低溫12~14℃時常出現亞硝酸鹽的積累。
光照
光對硝化微生物的生長有抑制作用。
有毒物質
對硝化反應有抑制作用的物質有：過高濃度的氨氮、重金屬、有毒物質等。其對硝化作用的抑制主要有兩個方面：①干擾細胞的新陳代謝，這需很長時間才能顯現出來；②破壞細菌最初的氧化能力，這在短時間里就能顯現出來。同樣的毒物對亞硝酸菌較對硝酸菌的影響強烈。
過高濃度的氨氮對硝化反應會產生基質抑制作用。一些重金屬也會對硝化作用產生抑制作用，對硝化細菌有抑制作用的重金屬有：銀、汞、、鉻、鋅等，毒性作用由強到弱，當pH由高到低時，毒性由弱到強。有毒物質主要是一些含氮、硫元素的物質，如硫、氰化物、苯胺等，其他的如酚、氟化物、CIO-、K2CrO4、三價等。一般情況下，有毒物質主要抑制亞硝酸菌的生長，個別物質主要抑制硝酸菌的生長。
有機物質
在培養基中各種有機物質都抑制自養硝化菌。有機化合物質對硝化反應的抑制有三個原因：一是有機物濃度高時，異養菌數量會大大超過硝化細菌，從而阻礙氮向硝化菌的傳遞，硝化菌能利用的溶解氧也因為異養菌的利用而減少。有人認為，只有在系統中有機物濃度低于20mg/L時，硝化作用才能有效地完成，同時系統的有機物濃度也應維持在較低水平。另一個原因是某些有機物對硝化菌具有有毒或者抑制作用，因為催化硝化反應的酶內含有CuⅠ-CuⅡ電子對，凡是與酶中的蛋白質競爭的銅或者嵌入酶結構的有機物，均會對硝化菌產生抑制作用。但是，在自然環境中污泥和廄肥中的有機物質并不影響消化作用的正常進行。
應用領域
農業領域
硝化作用產生的酸鹽，是作物，特別是旱作物的氮素的主要來源，因旱作物多數是喜歡硝態氮的，硝化作用形成的硝態氮，可被作物直接吸收。除多雨地區、多雨季節或漏水漏肥的砂性土壤外，過分抑制土壤中的硝化作用是不好的。
廢水處理
在廢水處理過程中，可采用生物脫氮工藝對廢水進行脫氮和除磷，其生化脫氮工藝硝化作用可以使氨氮達標排放。通常是以碳氧化、硝化和反硝化三者的組合工藝。在反硝化反應后的出水則可在好氧池中進行COD（化學需氧量，Chemical 氧 Demand）的進一步降解和硝化作用，系統中同時存在著降解有機化合物的異養型菌群、反硝化菌群及自養型硝化菌群，混合的微生物群體交替地處于好氧和缺氧的環境中，在不同的有機物濃度條件下，分別發揮不同的作用，有利于改善污泥的沉降性能及控制污泥的膨脹。此外，在NH3的凈化處理中，可將NH3溶于水中成NH4+-N，通入生物滴濾池，再利用硝化作用將其氧化成NO2-和NO3-。
危害
對環境的影響
長期大量地使用氮肥特別是銨肥，銨根進入土壤后在其硝化作用的過程中釋放出氫離子，使土壤逐漸酸化。硝酸是硝化作用的最終產物，它易溶于水，因此容易發生淋溶作用，并隨水流失。如果長期使用化學氮肥，會引起蔬菜、水果硝酸鹽超標及地下水、飲用水污染，同時硝化作用形成的硝酸鹽向水體遷移，導致湖泊和近海富營養化和赤潮為害。此外，氨的硝化作用過程中有N2O產生，其是重要的溫室效應氣體之一。
對人類的影響
亞硝酸是氮素循環中硝化作用和反硝化作用的中間產物，可引起局部或全球的污染問題。水中的硝酸鹽會被兼性厭氧微生物還原為?NO2-，被人食用后，NO?-與血液中的氧結合，影響O?在血液中的轉移，造成高鐵血紅蛋白癥，影響人的健康，并可導致嬰兒死亡。因此，世界衛生組織規定，飲水中硝酸鹽的含量應低于10mg/L。土壤中的NO?—N 過高而植物的生長又受到不良環境（如干旱、蔭蔽和多云天氣）限制時，?植物中會積累過多的硝酸鹽，硝酸鹽含量過高的植物在青貯過程中會被反硝化細菌還原為NO?-，并形成有毒氣體在青貯窖中積累，人畜吸入后嚴重者可以致死。
反硝化作用
自然界中包括土壤、水體、污水及工業廢水都含有硝酸鹽。植物、藻類及其他微生物把硝酸鹽作為氮源。它們吸收硝酸鹽，通過硝酸還原酶將硝酸還原成氨，由氨合成為氨基酸、蛋白質及其他含氮物質。兼性厭氧的硝酸鹽還原細菌將硝酸鹽還原成氮氣，這叫反硝化作用。反硝化過程先由硝酸鹽轉變成亞硝酸鹽，方向和硝化作用完全相反，而后再由亞硝酸鹽轉變成分子氮釋放到大氣中。
參考資料 >
硝化作用.中國大百科全書.2024-04-11