硝化作用

硝化作用是将氨或铵氧化为亚硝酸盐，继而氧化为硝酸盐的生物过程。它是氮循环的重要组成部分，既发生于自然环境，也发生于人工处理系统。通常，这一过程由两类微生物分工完成：氨氧化微生物产生亚硝酸盐，亚硝酸盐氧化微生物产生硝酸盐。某些微生物则能独自完成两个阶段。常规硝化作用是一个需氧过程，涉及氧以及属于细菌和古菌的微生物。(nature.com)

化学转化

硝化作用包括两个总的氧化还原反应。以铵为起始物质，不考虑氮被微生物同化并进入生物量的情况，反应可写为：

氨氧化为亚硝酸盐

\mathrm{NH_4^+ + \tfrac{3}{2}O_2 \rightarrow NO_2^- + 2H^+ + H_2O}

亚硝酸盐氧化为硝酸盐

\mathrm{NO_2^- + \tfrac{1}{2}O_2 \rightarrow NO_3^-}

因此，总反应为：

\mathrm{NH_4^+ + 2O_2 \rightarrow NO_3^- + 2H^+ + H_2O}

这些方程式描述的是净转化，而不是各个酶促反应步骤。它们表明，硝化作用会消耗氧并释放氢离子，从而降低碱度，并可能使酸碱度中的 pH 值下降。仅考虑氧化过程时，按化学计量学计算，每氧化 1 克铵态氮约需 4.57 克氧，同时消耗的碱度相当于每克氮对应 7.14 克碳酸钙。这里的数值以氮的质量为基准，而不是整个铵离子的质量。氮被同化进入生物量后，实际需求量会有所改变。(epa.gov)

氨和铵在水溶液中可以相互转化，两者的相对比例取决于 pH。因此，可利用的底物以及未离子化氨造成抑制的可能性都会随环境条件变化。虽然总反应方程式和分析报告通常使用铵，但这并不意味着每个分子层面的反应步骤都直接作用于铵离子。(epa.gov)

微生物与代谢

氨氧化细菌和古菌

氨氧化细菌简称 AOB，包括亚硝化单胞菌属（Nitrosomonas）、亚硝化螺菌属（Nitrosospira）和亚硝化球菌属（Nitrosococcus）等属的成员。氨氧化古菌简称 AOA，属于另一个独立的演化类群。2005 年报道的海洋古菌 Nitrosopumilus maritimus 的培养研究表明，好氧氨氧化并非细菌独有的能力。(epa.gov)

许多常规硝化微生物通过氧化无机氮化合物获取能量，并利用无机碳进行碳固定。这种代谢方式称为化能无机自养。因此，它们的生长既不依赖光，也不以有机碳作为主要碳源。氨氧化涉及专门的酶，包括氨单加氧酶；编码其一个亚基的 amoA 基因被广泛用于研究氨氧化微生物群落。(nature.com)

AOB 和 AOA 在生态功能上并不能相互替代。对 N. maritimus 的测定显示，它对氨具有很高的亲和力，为底物可利用性有助于解释细菌和古菌生态位分化提供了实验证据。不过，不应将某一种已培养微生物的特征视为所有氨氧化古菌的普遍属性。(nature.com)

亚硝酸盐氧化细菌

亚硝酸盐氧化细菌简称 NOB，负责第二阶段的反应，包括硝化杆菌属（Nitrobacter）、硝化螺菌属（Nitrospira）、硝化刺菌属（Nitrospina）和硝化球菌属（Nitrococcus）等属的微生物。它们的活动将亚硝酸盐的产生与硝酸盐的形成连接起来。氨氧化与亚硝酸盐氧化之间的平衡十分重要：当亚硝酸盐的产生量超过消耗量时，它就可能积累，亚硝酸盐氧化微生物受到抑制时也会出现这种情况。(epa.gov)

完全氨氧化

完全氨氧化通常称为 comammox，是由单一微生物将氨转化为硝酸盐的过程。2015 年发表的两项独立研究证实，硝化螺菌属（Nitrospira）的细菌具有这种能力。它们的基因组包含完成氨氧化和亚硝酸盐氧化所需的整套分子机制，培养实验也证实了两种氧化活动可由同一微生物完成。(nature.com)

完全氨氧化并没有省去亚硝酸盐这一化学中间产物，而是改变了这条途径在生物层面的分工方式：两个阶段在同一个生物体内完成，而不必由两类微生物分别承担。此外，仅将某种微生物鉴定为硝化螺菌属，并不足以证明它能进行完全氨氧化，因为该属也包含常规的亚硝酸盐氧化微生物。(nature.com)

异养硝化作用

异养硝化作用是指依赖有机碳的生物所参与的氮氧化过程，这些生物包括某些细菌和真菌。其底物可以是无机氮，也可以是有机氮，且不同于经典的化能无机自养途径。土壤同位素示踪实验已证实有机氮氧化对这一过程的贡献，并表明植物活动和可利用的有机底物能够影响这些转化。具体途径及其重要性因生物和环境而异。(nature.com)

环境影响因素

硝化作用取决于物理、化学和生物条件的相互作用，并不存在单一、普遍适用的最适条件。重要的影响因素包括：

氧的可利用性。 常规硝化作用需要氧；供氧不足可能限制整个过程。
底物供应。 氨或铵的可利用性制约氨氧化，而亚硝酸盐的可利用性制约第二阶段。
pH 和碱度。 pH 影响微生物活动以及氨的存在形态。缓冲能力不足时，硝化作用产生的酸性会抑制后续活动。
温度。 温度影响生长和反应速率，从而影响不同季节的硝化表现。
抑制性物质。 高浓度游离氨及各种工业污染物可能抑制特定的硝化微生物种群。
微生物的截留。 在处理系统中，硝化微生物必须在系统内停留足够长的时间，才能生长并维持具有活性的种群。(epa.gov)

氨氧化和亚硝酸盐氧化对这些因素的响应可能不同。因此，某个系统可能在去除铵的同时积累亚硝酸盐，而不是完成氧化并生成硝酸盐。土壤实验还表明，铵的吸附以及游离氨暴露可影响亚硝酸盐的积累和相关气态氮产物的生成。(nature.com)

在氮循环中的作用

硝化作用改变的是氮的化学形态；它本身并不将这些氮转化为大气中的氮气。应将它与以下几个相互关联的过程区分开来：

过程	主要转化
[[nitrogen-fixation	固氮]]
[[ammonification	氨化作用]]
硝化作用	将氨或铵经亚硝酸盐氧化为硝酸盐。
[[denitrification	反硝化作用]]

这些过程将陆地和水生系统中的氮供应、生物吸收、循环利用与流失联系起来。(nature.com)

在土壤中，硝化作用可将肥料或有机质分解所提供的氮转化为可供植物吸收的硝酸盐。然而，超过生物需求的硝酸盐可能通过淋失或反硝化作用而损失。被输送至根区以下的硝酸盐可进入地下水，随后流入河流或其他水生环境。其最终去向取决于水的运动、生物吸收以及后续的微生物转化。(nature.com)

硝化作用也与一氧化二氮的排放有关，后者是一种温室气体。氨氧化及相关反应过程中可能产生一氧化二氮，而硝化作用提供的硝酸盐又可支持后续的反硝化作用。硝化作用的两个阶段并不总是以相同速率进行，亚硝酸盐积累可能伴随一氧化二氮产量增加。因此，仅凭硝化速率不足以确定由此产生的气体排放量。(nature.com)

应用与管理

废水处理

在废水处理中，硝化作用将铵转化为氧化态氮。它通常与反硝化作用配合使用，使氮以氮气形式从液相中去除。因此，单独的硝化作用并不等同于总氮去除：除非有其他过程将其去除，否则大部分氮仍会以亚硝酸盐或硝酸盐的形式留在水中。(epa.gov)

硝化微生物可以保留在悬浮生长系统中，也可以附着于生物膜中。处理效果取决于充足的氧、适宜的化学条件和足够的停留时间。由于常规硝化细菌的生长速度比许多消耗有机质的细菌更慢，其生长需求往往决定处理厂好氧阶段的设计。(epa.gov)

农业中的硝化抑制

硝化抑制剂是用于减缓农业土壤中铵氧化的物质。研究和应用这类物质的目的在于延缓硝酸盐形成，并改变氮的损失情况。其效果并不一致：针对抑制剂 3,4-二甲基吡唑磷酸盐（DMPP）的实验发现，它对不同土壤中硝化作用和一氧化二氮排放的影响存在显著差异。由于不同土壤的响应各异，无法用单一的抑制系数描述所有应用情形。(nature.com)

饮用水配水系统

在饮用水配水系统中，硝化作用可能是不利的，尤其是在使用氯胺作为二次消毒剂的系统中。可利用的氨能够支持硝化微生物生长，导致亚硝酸盐和硝酸盐形成、消毒剂余量更快衰减，以及微生物或生物膜生长发生变化。因此，硝化作用在这类系统中是运行管理中需要关注的水质问题，与其在废水处理中的有益作用不同。(epa.gov)

历史发展与测定

1877 年，泰奥菲尔·施勒辛和阿希尔·蒙茨通过实验确立了硝化作用的生物学本质。随后，罗伯特·沃林顿在洛桑研究所研究了这一过程。约在 1890 年，谢尔盖·维诺格拉茨基分离出了分别负责两个氧化阶段的微生物，推动建立了两类微生物协同作用的经典模型。后来，2005 年发现的氨氧化古菌和 2015 年发现的完全氨氧化微生物进一步拓展了这一模型。(repository.rothamsted.ac.uk)

研究硝化作用的方法包括化学测定、培养、同位素示踪和分子方法。氮-15 示踪可以区分同时发生的不同氮转化过程，而对 amoA 和 nxrB 等基因的调查可用于表征具有氨氧化或亚硝酸盐氧化潜力的微生物。基因丰度本身并不是对反应速率的直接测量。同样，硝酸盐积累反映的是同时发生的生成和消耗过程所造成的净变化，并不一定能揭示总硝化量。因此，在将硝化作用归因于特定微生物或途径时，将过程测定与微生物鉴定结合起来十分重要。(nature.com)