与厌氧氧化

（一）氨的好氧氧化（硝化作用）

1.硝化作用过程

硝化作用（nitrification）是指氨在有氧条件下，氧化形成硝酸的微生物学过程。硝化作用分为两个阶段：第一阶段为铵氧化成亚硝酸；第二个阶段为亚硝酸氧化成硝酸。

（1）亚硝酸的形成

硝化作用的第一阶段是由亚硝酸细菌催化进行的，作用的底物是铵。研究证明：1分子铵氧化为1分子亚硝酸，正好消耗1分子氧。在这个反应中，氧分子一方面直接结合于底物，另一方面作为电子受体。

硝化作用第一个阶段的产物为亚硝酸，其迁移性较强，对植物和微生物有较大的毒性。淋洗渗入地下水，可污染地下水源。在各种环境中与胺作用形成亚硝胺，有致癌作用。

（2）硝酸的形成

通常亚硝酸不会在环境中积累，因为亚硝酸细菌与硝酸细菌多相互伴生，且后者的活性较强。铵被亚硝酸细菌氧化成亚硝酸后，硝酸细菌马上可将亚硝酸氧化为硝酸。在此反应中，氧分子只作为电子受体。

2.参与硝化作用的微生物

（1）化能自养硝化细菌

硝化作用分为两个阶段。相应地，也将铵氧化为亚硝酸的细菌称为亚硝酸细菌，或铵氧化菌（ammonia oxidizer）；将亚硝酸氧化为硝酸的细菌称为硝酸细菌，或亚硝酸氧化菌（nitrite oxidizer）。两者统称为硝化细菌。

最早分离的亚硝酸细菌为亚硝化单胞菌（Nitrosomonas），是土壤中普遍存在的铵氧化菌，其标准菌种为欧洲亚硝化单胞菌（N.europaea），细胞杆状，单个存在，很少成链状，大小为（0.8～0.9）μm×（1.0～2.0）μm，具两根极生鞭毛（图10-9），严格化能无机营养，能将铵和羟胺氧化成亚硝酸，最适生长温度为25～30℃ ，最适pH值为7.5～8.0。最早定名的硝酸细菌为硝化杆菌属（Nitrobacter），标准菌种维氏硝化杆菌（N.winogradskyi），细胞杆状，在液体中生长时，细胞单个或成堆，外围有黏质呈契形或梨形，大小为（0.6～0.8）μm×（1.0～1.2）μm，通常不运动，运动时有偏极生单鞭毛。

图10-9 欧洲亚硝化单胞菌（Nitrosomonas europaea）

（引自http：／／biosol.esitpa.org／liens／filtre_2005／bactetrie.htm）

硝酸细菌生长缓慢，在实验室纯培养条件下，亚硝酸细菌的代时为12～20h，硝酸细菌的代时为8～16h。在土壤中的代时则更长。无论是亚硝酸细菌还是硝酸细菌，均从无机氮化合物的氧化中取得能量，经Calvin循环二磷酸戊糖途径同化CO2合成全部细胞结构物质，不具备完整的三羧酸循环系统。它们不需要生长因子，具有营养单一性。硝化细菌利用氧化无机物取得能量同化CO2，如用N／C表示其化学计量关系，亚硝酸细菌N／C为（14～70）∶1，硝酸细菌N／C为（76～135）∶1，表明它们需氧化大量无机氮，才能满足生长的需要。

（2）化能异养型硝化菌

自然界中除了化能自养菌为硝化作用的主要推动者外，还有化能异养菌参与硝化作用。现已证明包括细菌和真菌如黄曲霉等部分化能异养菌也具有将氨氧化为亚硝酸和硝酸的能力。异养硝化菌纯培养硝化作用的特征是：很高且范围狭窄的pH，底物浓度保持在C／H＜5，生物量与产物之比极高，且完成细胞合成之后才进行硝化作用。可能是这些特别的生理特性限制了异养菌在自然条件下的硝化作用。而在自养硝化菌不能生长的环境中，硝化作用可能是由异养菌进行的。

3.硝化作用与土壤肥力及环境污染

大量施用铵盐或硝酸盐肥料，所产生的硝酸除了被植物吸收和微生物固定外，尚有相当部分随水流失。流失的硝酸不但造成氮素损失，也引起环境污染。若硝酸盐进入地下水或流入水井，则会导致饮用水中硝酸盐浓度升高。人畜饮用污染水后，硝酸将在肠胃里还原成亚硝酸。后者进入血液并与其中的血红蛋白作用而形成氧化态血红蛋白，损害机体内氧的运输，使人类患氧化血红蛋白病。3个月以下的婴儿对硝酸的毒害极为敏感。反刍动物也可因饮入过量硝酸盐而死亡。

硝酸盐流入水体，使水体营养成分增加，导致浮游生物和藻类旺盛生长，这种现象称作富营养化（eutrophication）。硝化过程也产生相当数量的N2O，是一种温室效应气体，可导致臭氧层的破坏。

（二）氨的厌氧氧化（anammox）

20世纪90年代初期，荷兰Delft工业大学Mulder等人在处理含氮废水时发现，氨在厌氧条件下也可被氧化为N2而脱氮，因而提出了氨厌氧氧化（anaerobic ammonia oxidation，简为anmmox）这一概念。继后不少研究者对此进行了深入研究，提出了氨厌氧氧化过程中，氨作为电子供体，而亚硝酸、硝酸盐则可作为电子受体，并认为N2O也可作为电子受体，N2为末端产物外，以NO2－为电子受体时还有少量硝酸盐生成，但无其他中间产物可检测到（见图10-10）。其途径是厌氧氨氧化菌首先将NO2－转化成NH2OH，再以NH2OH为电子受体将NH4＋氧化成N2H4，N2H4进一步转化成N2，并为NO2－还原成NH2OH提供电子。其反应式如下：

图10-10 氨厌氧氧化代谢的可能途径

NH4＋＋NO2－→N2＋2H2O　ΔGo＝ －357k J

现已阐明厌氧氨氧化菌形态多样，呈球形、卵形等，直径0.8～1.1μm，G－。细胞外无荚膜。细胞壁表面有火山口状结构，少数有菌毛。细胞内分隔成三部分：厌氧氨氧化体（anam-moxsome）、核糖细胞质（riboplasm）及外室细胞质（paryphoplasm）。核糖细胞质中含有核糖体和拟核，大部分DNA存在于此。出芽生殖。现已分离获得9个种，分属于5个属。如厌氧氨氧化布罗卡德氏菌（Brocadia anammoxidans）是一个能厌氧氧化氨、在系统发育上归属于细菌的浮霉状菌目（Planctomyc et ales）成员，缺乏肽聚糖，细胞内含有由膜构成的密闭间隔结构，其中存在进行厌氧氨氧化反应的厌氧氨氧化体（anammoxosome）（图10-11所示，此菌为自养型细菌，可以CO2为唯一碳源、NO2－为电子供体进行生长：

图10-11 Brocadia anammoxidans的细胞结构

（a）有膜包围的细胞器（Z）；纤维状拟核（N）；类似核糖体的颗粒（R） （b）箭头所指为2个厌氧氨氧化体， C为部分水解的细胞 （c）箭头所指的小黑点为负染后细胞表面的火山口样结构。

（引自郑平等，2004）

CO2＋2NO2－＋H2O→CH2O＋2NO3－。

富含厌氧氨氧化菌的污泥呈红色，富含细胞色素C。

典型的厌氧氨氧化菌生长十分缓慢，活性较低，只有在细胞浓度达到108或1010／mL以上才具有明显的厌氧氨氧化活性。目前在运用分子生物学技术鉴定这一特异性微生物方面已有进展，但有待进一步深入研究。

人们陆续在海洋、河流、湖泊底泥等自然环境中检测出厌氧氨氧化反应。厌氧氨氧化在氮素生物地球化学循环中起着举足轻重的作用。据估计，其氮气产量占海洋氮气释放量的30％ ～50％ 。厌氧氨氧化反应已成功地应用于废水生物脱氮处理工程。