反硝化作用denitrification

硝酸盐或亚硝酸盐还原为气态氮（分子态氮和氮氧化物）的过程。分为微生物机制和化学机制两种。前者系指由反硝化细菌引起的反硝化作用，其反应过程为：NO^-3→NO^-2→NO→N²O→N²。这是土壤中反硝化作用的主要形式；后者是指亚硝酸盐在一定条件下的化学分解作用，其主要产物有分子态氮和一氧化氮等。在微生物引起的反硝化作用的产物中，氮与氧化亚氮的比例决定于嫌气的程度以及pH值和温度。在渍水土壤中，其产物几乎全部为氮气；而较低的嫌气程度，以及较低的pH值和温度等，都使氧化亚氮的比例增高。
产生反硝化作用的条件主要有：❶存在着具有硝酸盐呼吸能力的反硝化细菌，这些细菌能以硝酸盐和亚硝酸盐中的氧作为电子受体，并将它们还原为气态氮。
❷存在着适宜的电子供体，主要是易分解的有机碳化物。
❸嫌气或低的氧分压。
❹存在着硝酸盐和亚硝酸盐等氮的氧化物，以作为末端电子受体。
影响反硝化速率的因素主要有：❶有机物质的种类和数量。有机物质不仅为反硝化过程提供电子供体和能源物质，而且，微生物对其进行分解时还消耗了氧，因而它对于反硝化作用的进行有很大的促进作用。
❷通气状况。通气状况影响着氧进入土壤的量，从而影响到反硝化作用。土壤的通气状况主要决定于它的水分状况和土壤结构。渍水土壤的还原层中可以进行强烈的反硝化作用。在旱地土壤中，短时间的通气不良或在局部的嫌气环境中也可以进行这一作用。
❸硝酸盐的浓度。在硝酸盐的浓度高时，反硝化速率与硝酸盐的含量无关而为零级反应；而在硝酸盐的浓底低时，则符合一级反应动力学方程。
❹植物生长。植物根系对硝酸盐的吸收有利于降低硝酸盐的含量，从而降低反硝化速率。另一方面，根系的脱落物提供了能源物质，根系的呼吸作用又消耗了氧，这些又都有利于反硝化作用的进行。因此，植物生长对于反硝化作用的影响取决于这两方面影响的相对强弱。
❺温度。反硝化作用可以在相当宽的温度范围内进行，反硝化速率与温度的关系常用Arrhenius方程加以描述。
❻pH值大小。反硝化作用可以在相当宽的pH值范围内进行，最适的pH值约为6～8。
反硝化作用是农田土壤中氮素损失的重要机制之一，它不仅直接影响到作物对肥料氮的利用率，而且还由于其产物氧化亚氮能促进大气中臭氧层的破坏，因而受到了广泛的重视。

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反硝化作用denitrification

兼嫌气性微生物将氮氧化物还原为含氮气体的生化过程。又称脱氮作用。产生反硝化作用的条件是：❶具有代谢能力的反硝化细菌；
❷适宜的电子供体，如有机碳化物、还原态硫化物或分子态氢；
❸氮的氧化物，如NO^-₃、NO^-₂、N₂O等，以作为末端电子受体；
❹嫌气或低的氧分压。人们早已发现硝态氮还原成气态氮从土壤中挥发损失的现象，并视之为化学过程。至1886年盖恩等(Gayen & Oupeti)于无氧条件下的试验，才确认其为生物学过程。至1895年瓦格纳(Wagner)指出，这一过程从土壤损失相当大量的氮，并认为厩肥是反硝化菌的来源。后来人们发现土壤中无处不有使硝酸盐还原的微生物。反硝化作用产生的NO、N₂O和N₂等气体逸入大气造成肥料氮的损失，通常损失的氮占加入氮的10%～40%或以上，损失量因土壤性质、肥料种类和施肥方法而异。反硝化作用产生的NO和N₂O等上升至同温层可与臭氧结合而破坏臭氧层。以致因受紫外线直接照射，人类皮肤癌患者比例上升，植物生长受阻。反硝化作用也并不都是毫无益处的，从消除NO-3对水质的污染和减少N₂O对大气的潜在危害考虑，终产物为N₂的反硝化作用有时是必须的。要做到既避免因N₂O破坏臭氧层，又能减少NO^-3浓度，保持水的可饮性，这就是反硝化作用在氮循环中具有重要生态学意义的原因。
过程与机理 催化反硝化作用的是菌体产生的各种还原酶。还原过程中电子经过一系列电子传递链传至硝酸还原酶，亚硝酸还原酶或N₂O还原酶，使NO-3得到还原。其生化反应过程为：由NO^-₃还原成NO^-₂为硝酸还原酶所引起；由NO^-₂还原成NO是亚硝酸还原酶的作用；由NO还原成N₂O是NO还原酶的作用；N₂O还原酶将N₂O还原成N₂。参与催化NO^-₃或NO^-₂还原的还原酶统称异化硝酸还原酶(DNR)或叫硝酸还原酶A，其特征随产生酶的菌和纯化方法的不同而有所不同，共同的特征是，均有很多亚单位组成的含钼、铁和不稳定的硫化物基团，估计其分子量为165000～193000，它从细胞色素b接受电子。已报道的亚硝酸还原酶，有两种类型，一种为含铜的蛋白；另一种为细胞色素c、d，它含有两个已鉴定的亚单位，每个亚单位含一个c型和一个d型血红素，分子量约为120000。它们从细胞色素c接受电子。
反硝化菌及其还原酶 绝大多数化能异养菌能进行反硝化作用，但不是反硝化作用专性细菌。当氧存在时，它们以氧作为最终电子受体，进行有氧呼吸；而在缺氧时，以NO^-₃为电子受体，进行硝酸盐呼吸，使NO^-₃还原为N₂。土壤中绝大多数细菌在特定条件下均可能产生反硝化作用，主要的细菌有假单胞菌属、色杆菌属和脱硫杆菌属等。不同的菌株具有不同的反硝化酶，其末端产物各异。有的菌株只有硝酸还原酶，NO^-₂是其终产物；有的具有还原NO^-₃成N₂所需的各种还原酶；有的缺乏N₂O还原酶，N₂O是其末端产物；另一些虽具有N₂O还原酶，但不能以NO-3或NO-2为电子受体产生N₂O，还有些菌株具有异化还原NO^-₃成NH⁺₄的酶活性。有的自养菌也能进行反硝化作用，如硝化硫杆菌是一种氧化硫的化能自养菌，它利用亚硫酸盐、硫磺或硫代硫酸盐为能源，将底物氧化成硫酸，将NO^-₃还原成N₂。
影响因素 ❶水分含量，土壤含水量低于田间持水量60%时，一般反硝化损失的氮很少； 在含水量为田间持水量的90%或饱和含水量时，加入的硝酸盐大部分还原为气态氮； 相对较低的无氧程度下，反硝化产物中N2O的比例增高。
❷有机物质，含有机质少的土壤中反硝化作用远低于富含有机质的土壤； 特别是可矿化的或水溶性有机碳含量高，会增强反硝化损失；有机质分解过程降低了氧分压，亦有利于反硝化作用。
❸NO3-浓度，在NO3-浓度低(1%～2%)的环境中，假单胞菌是优势菌，反硝化过程符合一级反应动力学；NO3-浓度高时，芽孢杆菌占优势，反硝化作用遵循零级反应；当NO3-浓度超过电子供体时，反硝化产物中N2O的相对比例较大。
❹pH，在pH3.5～11.2的范围内都能进行反硝化作用，适宜的pH范围是6～8。在pH值低于6.0的环境中，反硝化产物主要是N₂O; 在中性或碱性条件下，N2是优势产物。
❺温度，在2～65℃范围内均可进行反硝化作用，最适温度是25℃左右； 在60～65℃条件下，仍发生反硝化作用，并分离出嗜温反硝化细菌； 在低温下，N₂O的比例增高。
❻作物生长，作物根系吸收硝酸盐，降低硝酸盐的含量，有碍反硝化作用； 但是，根系的脱落物、分泌物为反硝化菌提供了能源和碳源，根系呼吸作用又消耗了氧，这些又都有利于反硝化作用。因此，作物生长对反硝化作用的影响，取决于二者影响的相对强弱。

反硝化作用denitrification

又称异化型硝酸盐还原、脱氮作用。在厌氧条件下，某些细菌进行呼吸作用时以NO₃-或NO₂-代替氧作为最终电子受体，使其还原产生N₂O，最终生成氮的过程。这种作用在农田土壤中能造成氮肥的巨大损失，损失量为施入氮肥的25%～30%，最高可达70%。另一方面，反硝化作用能解除土壤和水域中因硝酸盐积累过量造成的隐患，但这一过程中间产物NO和N₂O也可造成大气污染。

反硝化作用

又称“硝酸还原作用”。微生物，尤其是反硝化细菌在缺氧的条件下将硝酸盐还原为氨及游离氮的过程。是生物圈内氮素循环的一个环节，也是土壤，尤其是水田土壤氮素损失的主要途径之一。