[科普中國]-反硝化

微生物吸收利用硝酸鹽有兩種完全不同的用途，一是利用其中的氮作為氮源，稱為同化性硝酸還原作用：NO3- →NH4+ →有機(jī)態(tài)氮。許多細(xì)菌、放線菌和霉菌能利用硝酸鹽做為氮素營養(yǎng)。

另一用途是利用NO2-和NO3-為呼吸作用的最終電子受體，把硝酸還原成氮（N2），稱為反硝化作用或脫氮作用：NO3- →NO2- →N2↑。能進(jìn)行反硝化作用的只有少數(shù)細(xì)菌，這個(gè)生理群稱為反硝化菌。大部分反硝化細(xì)菌是異養(yǎng)菌，例如脫氮小球菌、反硝化假單胞菌等，它們以有機(jī)物為氮源和能源，進(jìn)行無氧呼吸。

反應(yīng)機(jī)理總的反硝化過程可以用以下方程式表示：

2 NO3- + 10 e- + 12 H+ → N2+ 6 H2O, ΔG = ?333 kJ/mol

其中包括以下四個(gè)還原反應(yīng)還原反應(yīng)：

硝酸鹽（NO3-）還原為亞硝酸鹽（NO2-）：2 NO3-+ 4 H+ + 4 e- → 2 NO2-+ 2 H2O

亞硝酸鹽（NO2-）還原為一氧化氮（NO）：2 NO2-+ 4 H+ + 2 e- → 2 NO + 2 H2O

一氧化氮（NO）還原為一氧化二氮（N2O）：2 NO + 2 H+ + 2 e- → N2O + H2O

一氧化二氮（N2O）還原為氮?dú)猓∟2）：N2O + 2 H+ + 2 e- → N2 + H2O

以上四個(gè)反應(yīng)均為放熱反應(yīng)，所以在無氧或缺氧條件下，細(xì)菌可以將硝酸鹽（NO3-）作為電子傳遞鏈(ETC)的最終電子受體（TEA, terminal electron acceptor），來完成物質(zhì)能量交換。

參與的微生物反硝化菌在自然界以各種形式廣泛存在，如：

Paracoccus denitrificans（自養(yǎng)，氧化氫氣H2）

Thiobacillus denitrificans（自養(yǎng)，氧化硫化物（S）或者硫代硫酸鹽（S2O3））

Pseudomonas stutzeri（異養(yǎng)，氧化有機(jī)碳）

反硝化菌主要為原核生物，大量存在于在α-, β- 和γ-變形菌綱中。已知的反硝化菌的屬有Achromobacter, Acinetobacter, Agrobacterium等。

大部分反硝化細(xì)菌是異養(yǎng)菌，例如脫氮小球菌、反硝化假單胞菌等，它們以有機(jī)物為氮源和能源，進(jìn)行無氧呼吸。少數(shù)反硝化細(xì)菌為自養(yǎng)菌，如脫氮硫桿菌，它們氧化硫或硝酸鹽獲得能量，同化二氧化碳，以硝酸鹽為呼吸作用的最終電子受體。

影響反應(yīng)的因素碳源在污水生化處理過程中，能為反硝化細(xì)菌利用的碳源主要有污水中的碳源以及外加碳源。如果能夠利用污水中的有機(jī)碳作為碳源是比較經(jīng)濟(jì)的。這要求污水中的BOD5/TN值大于3-5，如果不滿足要求則需外加碳源。常用的外加碳源為甲醇，因?yàn)榧状急环纸夂笾饕啥趸己退?，不殘留任何難降解的物質(zhì)，而且反硝化速率高。

pH值pH值是反硝化過程的重要影響因素，反硝化細(xì)菌最適的pH值范圍為6.5-7.5，此時(shí)的反硝化速率最高；當(dāng)pH值不在此范圍內(nèi)時(shí)，反硝化速率明顯下降。

溶解氧反硝化細(xì)菌是異氧兼性菌，只有在無分子氧的條件下反硝化菌才能利用硝酸鹽或亞硝酸鹽中的氧進(jìn)行呼吸，使氮原子得到還原。如果反應(yīng)器中的溶解氧濃度過高，分子態(tài)氧成為供氧物質(zhì)，將使硝酸氮的還原過程受到抑制。

溫度反硝化細(xì)菌的最適生長溫度為20-40℃，低于15℃時(shí)，反硝化速率明顯降低。因此，在冬季低溫季節(jié)，為了保持一定的反硝化速率，需要提高污泥停留時(shí)間，同時(shí)降低負(fù)荷，提高污水的停留時(shí)間。1

反硝化的意義反硝化反應(yīng)在自然界具有重要意義，是氮循環(huán)的關(guān)鍵一環(huán)，可使土壤中因淋溶而流入河流、海洋中的NO3-減少，消除因硝酸積累對(duì)生物的毒害作用。它和厭氧銨氧化（Anammox）一起，組成自然界被固定的氮元素重新回到大氣中的途徑。

農(nóng)業(yè)生產(chǎn)方面，反硝化作用使硝酸鹽還原成氮?dú)?，從而降低了土壤中氮素營養(yǎng)的含量，對(duì)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)不利。農(nóng)業(yè)上常進(jìn)行中耕松土，以防止反硝化作用。

在環(huán)境保護(hù)方面，反硝化反應(yīng)和硝化反應(yīng)一起可以構(gòu)成不同工藝流程，是生物除氮的主要方法，在全球范圍內(nèi)的污水處理廠中被廣泛應(yīng)用。

利用與控制利用硝化作用和反硝化作用去除有機(jī)廢水和高含量硝酸鹽廢水中的氮，來減少排入河流的氮污染和富營養(yǎng)化問題，已是環(huán)境學(xué)家的共識(shí)。利用各種反應(yīng)器處理城市的或其他廢水時(shí)，有機(jī)廢水中的碳源可支持反硝化作用，進(jìn)行有效的生物脫氮。污水處理中所利用的反硝化菌為異養(yǎng)菌，其生長速度很快，但是需要外部的有機(jī)碳源，在實(shí)際運(yùn)行中，有時(shí)會(huì)添加少量甲醇等有機(jī)物以保證反硝化過程順利進(jìn)行。

反硝化作用能造成氮肥的巨大損失，從全球估計(jì)，反硝化作用所損失的氮大約相當(dāng)于生物和工業(yè)所固定的氮量。施用硝化抑制劑可收到良好的效果。2