反硝化细菌

通常，反硝化作用是土壤、水和空气中存在的硝酸盐或亚硝酸盐通过化学反应被去除的过程。反硝化作用是固氮的关键步骤，它涉及将土壤中的硝酸盐转化为大气中的氮。反硝化作用过程由反硝化细菌进行，例如Thiobacillus denitrificans、Micrococcus以及一些Pseudomonas、Serratia和Achromobacter的物种。

在缺氧（厌氧条件）下，反硝化作用由Pseudomonas aeruginosa的反硝化细菌物种进行。反硝化作用在Pseudomonas aeruginosa发生的厌氧条件通常发生在沼泽或积水土壤中。这会减少大气中固定氮的含量50%。

硝化细菌和反硝化细菌的例子如下：

Nitrosomonas、Nitrosococcus、Nitrosolobus和Nitrosospira是进行硝化作用的主要细菌。

Pseudomonas、Thiobacillus denitrificans、Serratia、Achromobacter和Micrococcus denitrificans是一些进行反硝化作用的主要例子。

反硝化作用

反硝化细菌将硝酸盐分子还原为亚硝酸氧化物和氮分子。反应中的中间产物也充当厌氧电子受体（化合价）。

NO3- (+5) →  NO2- (+3) +  NO (+2)  +  N2O (+1)  +  N2 (0)
Nitrate    Nitrite.  Nitric Oxide.  Nitrous oxide.  Dinitrogen

在这里，从硝酸盐转化为氮分子的反硝化步骤需要四个电子传递途径。此步骤需要硝酸还原酶、亚硝酸还原酶、一氧化氮还原酶和一氧化二氮还原酶等酶。大多数反硝化菌也使用有氧呼吸产生能量，但有氧呼吸过程和反硝化作用通常是不同的，因为代谢调控存在差异。

因此，在有氧状态（存在氧气）下，编码反硝化细菌的基因会被抑制。此外，一氧化二氮还原酶对氧分子敏感，它通过改变催化铜位点的配体构型来使酶失活。

然而，几项研究表明，在低氧含量下，反硝化作用和有氧呼吸可以并存。

反硝化作用的机制

反硝化细菌利用反硝化作用过程产生能量（ATP - 三磷酸腺苷）。它将氮氧化物转化为大气中的二氮气体。

2NO3 + 10e- + 12 H+ → N2 + 6 H2O

该过程产生一分子氮和六分子水。反硝化细菌是将土壤中的硝酸盐转化为游离大气氮的细菌。上述反应代表反硝化过程的半反应。该反应可进一步分为两个不同的半反应，每个反应都涉及一种特定的酶来催化该过程。硝酸盐向亚硝酸盐的转化由**硝酸还原酶**（NAR）进行。

NO3− + 2 H+ + 2 e− → NO2− + H2O。

随后，亚硝酸还原酶将亚硝酸盐（NO2）转化为硝酸盐（NO3）。

2 NO2− + 4 H+ + 2 e− → 2 NO + 2 H2O。

此外，硝酸还原酶通过将硝酸盐转化为大气二氮来终止反应。

N2O + 2 H+ + 2 e− → N2 + H2O。

反硝化细菌的作用

反硝化细菌在甲烷氧化中起着至关重要的作用，在氧化过程中，甲烷（CH4）在淡水中转化为二氧化碳、水和能量。由于甲烷是温室气体中第二重要的污染物，其增温效应是二氧化碳的25倍。淡水是甲烷排放的主要来源。全球变暖会导致臭氧层消耗、冰盖融化等。因此，反硝化细菌对环境具有重要意义。

一项研究旨在了解反硝化细菌在欧洲湖泊中的上述作用，他们发现厌氧氧化与反硝化作用有关。它也被称为硝酸盐或亚硝酸盐依赖性厌氧甲烷氧化。甲烷集中在深湖的汇集处。人们曾认为，大部分甲烷排放是由好氧甲烷氧化细菌引起的。甲烷氧化发生在淡水湖中缺氧的区域。这项实验是使用与M.oxyfera相关的细菌进行的。这种细菌像Candidatus Methylomirabilis一样，充当反硝化甲烷氧化菌。

通过实验，他们得出结论：湖泊中硝酸盐的含量随着甲烷含量的下降而下降。

参与反硝化作用的物种

反硝化细菌占土壤、水和沉积物中细菌总数的10-15%。它们使用不同类型的无机和有机碳作为其碳源和能源。这些细菌的磷酸化效率为67-71%。超过50个细菌属表现出反硝化作用。大多数反硝化细菌属于变形菌门的α、β、γ、ε亚类以及低GC含量和高GC含量的革兰氏阳性菌。

反硝化菌包括多种多样的生物，如Alcaligenes、Pseudomonas sp.、Bacillus species和Actinobacter。它们通常存在于土壤表层，并在根部周围积累。在寒冷季节数量最多。有趣的是，反硝化菌也被发现在真菌群中。

大多数独特的反硝化菌属于镰刀菌属。它们也存在于相关的完壁型真菌，如Gibberella和Nectria，以及半壁型真菌，如Cylindrocarpon和Trichoderma。一些反硝化菌也被发现属于壶状菌纲，如Talomyces flavus。在67株酵母菌中，有16株，如Candida、Sacchromycopsis和Trichosporon，能够产生N2O。酵母菌是落叶的主要定殖者，它们利用糖（单糖）作为营养和生长。由于大多数反硝化菌属于真菌和放线菌群，它们不能将N2O转化为N2分子。这可能会对这些生物丰富的森林产生影响。

反硝化细菌利用三种类型的碳来获取能量：有机碳（嗜有机菌）化合物、无机物（嗜无机菌）和光（嗜光菌）。大多数反硝化菌属于嗜有机菌，如Pseudomonas和Alcaligenes。此外，一些反硝化菌利用或发酵H2、硫和NH+4作为能源。一些也被发现是固氮菌，与植物有共生关系，如根瘤菌属的成员。然而，目前尚不清楚这些细菌菌株中的许多是否能仅以NO3-作为电子受体生长。大量的反硝化菌是化能自养菌，如Nitrosomonas europea。它们被认为是硝化微生物。

硝化反硝化作用的作用

硝化反硝化作用是硝化机制的一部分，通过氨（NH3）氧化为亚硝酸盐（NO2-），然后将亚硝酸盐还原为一氧化氮、一氧化二氮和氮分子。所有这些转化都由自养硝化菌完成。

反硝化细菌的目标

反硝化细菌的主要目标是通过转化硝酸盐和亚硝酸盐来生成氮气，以便氮气重新进入环境，再次进行下一个循环。这种大气氮气通过肥料进一步进入海洋，在那里它进入水生食物网。

反硝化细菌在废水处理中的应用

反硝化细菌在废水处理系统中发挥着重要作用。因为废水含有高浓度的铵或硝酸盐形式的氮。众所周知，如果不进行处理，氮会对人类健康有害并破坏生态系统。可以通过物理、化学和生物方法等多种方式处理废水，从污染水中去除含氮化合物。

氨氧化细菌所进行的生物过程就是一个例子，它通过与其他氮循环代谢活动（如亚硝酸盐氧化和反硝化作用）以及在活性污泥中从水中去除氮的代谢活动协同作用。

由于反硝化细菌是异养的，它们依赖于有机碳源，在缺氧环境中供应有机碳源有助于去除氮。

在缺氧区域，反硝化细菌利用硝酸盐化合物中存在的氧气来氧化碳，碳随后将硝酸盐转化为氮气。然后，氮气通过冒泡上升到表面并从废水中释放出来。

如果自然界的反硝化过程停止会发生什么？

因为它是将硝酸盐和亚硝酸盐转化为氮分子的过程。如果反硝化作用不发生，氮分子将不会被循环利用，因此下一个循环将不会进行，因为氮气不会进入大气。然而，它将导致现有的氮被固定，并且不会产生新的氮用于生态过程。