反硝化反应

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反硝化反应Denitrification,亦称为反硝化作用)是指细菌将硝酸盐(NO3)中的(N)通过一系列中间产物(NO2、NO、N2O)还原为氮气分子(N2)的生物化学过程。参与这一过程的细菌统称为反硝化菌

反硝化菌在无氧条件下,以将硝酸盐(NO3)为电子受体完成呼吸作用(respiration)以获得能量。这一过程是硝酸盐呼吸(nitrate respiration)的两种途径之一,另一种途径是另一类是硝酸异化还原成铵盐(DNRA)。

反应[编辑]

总的反硝化过程可以用以下方程式表示:

2 NO3 + 10 e + 12 H+ → N2 + 6 H2O, ΔG0 = −333 kJ/mol

其中包括以下四个还原反应还原反应:

  1. 硝酸盐(NO3)还原为亚硝酸盐(NO2):2 NO3 + 4 H+ + 4 e → 2 NO2 + 2 H2O
  2. 亚硝酸盐(NO2)还原为一氧化氮(NO):2 NO2 + 4 H+ + 2 e → 2 NO + 2 H2O
  3. 一氧化氮(NO)还原为一氧化二氮(N2O):2 NO + 2 H+ + 2 e → N2O + H2O
  4. 一氧化二氮(N2O)还原为氮气(N2):N2O + 2 H+ + 2 e → N2 + H2O

以上四个反应均为放热反应,所以在无氧或缺氧条件下,细菌可以将硝酸盐(NO3)作为电子传递链(ETC)的最终电子受体(TEA, terminal electron acceptor),来完成物质能量交换。

反硝化菌[编辑]

反硝化菌在自然界以各种形式广泛存在,如:

反硝化菌主要为原核生物,大量存在于在α-, β- 和γ-变形菌纲中。已知的反硝化菌的属有Achromobacter, Acinetobacter, Agrobacterium, Bacillus, Chromobacterium, Flavobacterium, Spirillum, Vibrio, Halobacterium, Methanomonas, Pseudomonas等。

尽管已经发现了自养反硝化菌,但上述反硝化过程主要由异养反硝化菌来完成。

应用及意义[编辑]

反硝化反应在自然界具有重要意义,是氮循环的关键一环,它和厌氧铵氧化(Anammox)一起,组成自然界被固定的氮元素重新回到大气中的途径。

在环境保护方面,反硝化反应和硝化反应一起可以构成不同工艺流程,是生物除氮的主要方法,在全球范围内的污水处理厂中被广泛应用。污水处理中所利用的反硝化菌为异养菌,其生长速度很快,但是需要外部的有机碳源,在实际运行中,有时会添加少量甲醇等有机物以保证反硝化过程顺利进行。

参考文献[编辑]

  • W. G. Zumft: Cell biology and molecular basis of denitrification. In: Microbiology and Mololecular Biology Reviews. Bd. 61, 1997, P. 533-616. PMID 9409151 PDF (freier Volltextzugriff)
  • W. Reineke, M. Schlömann: Umweltmikrobiologie, 2007, P223-224

参见[编辑]