硝化作用

提示：此條目的主題不是硝化反應。

硝化作用（法語：La nitrification）是一個生物用氧氣將氨氧化為亞硝酸鹽繼而將亞硝酸鹽氧化為硝酸鹽的作用。將氨降解為亞硝酸鹽的步驟常常是硝化作用的限速步驟。硝化作用是土壤中氮循環的重要步驟。這一過程由俄國微生物學家謝爾蓋·尼古拉耶維奇·維諾格拉茨基發現。

氮循環

微生物學與生態學

自氨氧化為亞硝酸鹽的過程是由兩群微生物完成：氨氧化細菌（AOB）與氨氧化古菌（AOA）^[1]。氨氧化細菌可在變形菌門的β-變形菌綱與γ-變形菌綱中找到^[2]。目前，只分離與發現了一種氨氧化古菌——亞硝化侏儒菌屬^{[3] [4]}。研究最多的土壤中的氨氧化細菌屬於亞硝化單胞菌屬與亞硝化球菌屬。儘管在土壤中氨氧化同時發生在細菌和古菌之中，但古菌的氨氧化作用卻同時在土壤以及海洋環境中占首要地位^[5][6]，這意味著泉古菌門可能是這些環境中最大的氨氧化作用貢獻者。第二步（將亞硝酸鹽氧化為硝酸鹽的步驟）主要是由細菌中的硝化桿菌屬來完成。以上步驟都會產生能量並偶聯合成腺苷三磷酸。硝化有機體都是化能自養菌並且利用二氧化碳作為他們生長的碳源。一些氨氧化細菌具有一種稱為脲酶的酶，這種酶催化尿素分子分解為兩分子的氨以及一分子的二氧化碳。人們發現歐洲亞硝化單胞菌與土壤生的氨氧化細菌群一樣，可以通過卡爾文循環同化脲酶反應生成的二氧化碳以產生生物質能，並通過將氨（脲酶的另一產物）氧化為亞硝酸鹽的過程收穫能量。這一特性可解釋為什麼在酸性環境中存在尿素的情況下會促進氨氧化細菌的生長^[7]。

硝化作用也在城市廢水脫氮過程中起著重要作用。常規的脫氮是先施以硝化作用接著再進行反硝化作用。這一過程的消耗主要是花在了曝氣（將氧氣帶進反應器的過程）以及為反硝化作用提供額外碳源（例如甲醇）上。

硝化作用也會發生在飲用水中。在上水分配系統中，氯胺常被用於二次消毒劑，存在的自由氨可以作為氨氧化微生物的底物。這一相關的反應可以使得系統中消毒劑的殘餘量減少^[8]。

在多數環境中可以同時找到上述生物，它們產生的最終產物是硝酸鹽。然而，可以設計一個只產生亞硝酸鹽的系統（見沙倫工藝）。

硝化作用和氨化作用一起形成了無機化過程，該過程指的是將有機物完全分解並釋放可用含氮化合物的過程。這一過程將氮循環補充完整。

化學

硝化作用是氮化合物氧化的過程（實際上，氮原子上丟失的電子轉移到了氧原子上）：

1. NH₃ + 1.5 O₂ + 亞硝化單胞菌 → NO₂^- + H₂O + H⁺
2. NO₂^- + CO₂ + 0.5 O₂ + 硝化桿菌 → NO₃^-
3. NH₃ + O₂ → NO₂⁻ + 3H⁺ + 2e⁻
4. NO₂⁻ + H₂O → NO₃⁻ + 2H⁺ + 2e⁻

另見

• F比
• 哈柏法
• 固氮作用
• 同步硝化反硝化
• 氮循環