硝酸盐还原

五、硝酸盐还原

硝酸盐还原包括同化硝酸盐还原(或称硝酸盐固定)(assimilatory nitrate reduction or nitrate immobilization)和异化硝酸盐还原(dissimilatory nitrate reduction)。异化硝酸盐还原又可分为产铵异化硝酸盐还原(dissimilatory nitrate reduction to ammoniumDNRA)和反硝化作用(denitrification)，前者也称为发酵性硝酸盐还原(fermentative nitrate reduction)，后者也称为呼吸性硝酸盐还原(respiratory nitrate reduction)。

同化硝酸盐还原是硝酸盐被还原成亚硝酸盐和铵，铵被利用进入生物体成为生物量的过程。这里被还原的硝酸盐被微生物作为氮源。同化硝酸盐还原的酶系包括硝酸盐还原酶和亚硝酸还原酶，这些酶是水溶性的，不被氧抑制，但受环境中氨和还原性有机物抑制。大部分微生物更倾向于利用铵，它们对硝酸盐的吸收必须还原成铵。很多细菌、真菌和藻类具有同化硝酸盐还原能力。

产铵异化硝酸盐还原是兼性化能异养微生物在微好氧或厌氧条件下利用硝酸盐作为末端电子受体来氧化有机化合物，末端产物是铵。

这个反应中的第一步是硝酸盐被还原成亚硝酸盐，并产生能量;第二步是亚硝酸盐在依赖NADH还原酶作用下被还原成铵。已经证明在有限碳源条件下会造成亚硝酸盐积累(反硝化作用占优势)，而在丰富碳条件下铵是主要的产物(DNRA占优势);低水平可利用电子受体条件下也会选择DNRA过程。因此在富碳环境中(如不流动水、污水、高有机物沉积层和瘤胃)DNRA过程易于成为优势。这个过程受O₂的抑制，不受铵抑制。具有这种能力的细菌如表4-14所示。它们大多是发酵性而非氧化性的。

反硝化作用是兼性化能异养微生物在微好氧或厌氧条件下利用硝酸盐作为末端电子受体来氧化有机化合物，产生气态氮化物(N₂O、N₂)的过程。反硝化作用的反应如下:

以每8个电子转移所产生的能量计算反硝化过程中每分子硝酸盐还原所提供的能量比DNRA多得多。这样在碳源有限，电子受体(硝酸盐)丰富的环境中，由于可以提供比DNRA更多的能量，反硝化作用会成为更优势的过程。反硝化作用和DNRA的相互关系如图4-9所示。

表4-14　　　　　　　　　　　能进行产铵异化硝酸盐还原(DNRA)的细菌

图4-9　取决于可利用C/电子受体比率的硝酸盐在反硝化作用及DNRA中的分配

反硝化作用的4步反应如图4-10所示。反应的第一步硝酸盐还原成亚硝酸催化酶是硝酸盐还原酶，这种酶是一种膜结合钼-铁-硫蛋白，可同时见于反硝化和DNRA作用菌。硝酸盐还原酶的合成和活性受氧的抑制，这样反硝化和DNRA作用也受氧的抑制。第二步反应是亚硝酸盐还原酶催化的亚硝酸盐转变成NO的反应。亚硝酸还原酶仅存于反硝化微生物，而不存在于DNRA过程。酶见于周质中，并以含铜和血红素两种形式存在，二种形式的酶都广泛分布于环境。亚硝酸还原酶受氧抑制和硝酸盐诱导。第三步反应是一氧化氮还原酶催化NO转化成N₂O的反应。膜结合酶-氧化氮还原酶受氧的抑制，被各种氮氧化物所诱导。第四步反应是一氧化二氮还原酶催化N₂O转化成N₂的反应。这种酶是位于周质的含铜蛋白。酶受低pH值的抑制，而且对氧比反硝化途径中其他三种酶更加敏感，这样在高氧和低pH值时N₂O就可能成为反硝化的最后产物。

反硝化微生物是很独特的，生长在好氧条件下，所以反硝化潜力存在许多生境中。它们的活性主要取决三种因素，氧的限制、氮氧化物的可利用性和还原剂的可利用性。氧可以抑制反硝化过程中酶的合成和活性。一般在氧量0.5mg/L或更少时即可抑制反硝化酶的活性，而N₂O还原酶在氧量0.2gm/L或更少时即受到抑制。在土壤、沉积物等环境可以发生活跃的反硝化作用。由于厌氧微环境的存在，因此在好氧的大环境中也存在反硝化活性。反硝化作用受氧的抑制，但又依赖于氧，如没有氧的参与则不能形成反硝化作用所需的硝酸盐。反硝化的底物是硝酸盐，硝酸盐可以是硝化作用的产物，也可以来自沉积物和化肥。在很多生境中硝化作用和反硝化作用存在着一种镶嵌的关系，在厌氧区产生的氨扩散到好氧区被氧化成硝酸盐，硝酸盐又可到达厌氧区被还原。在反硝化作用过程中，有机物作为电子供体(同时提供能量)可以起到重要作用，反硝化作用能力和土壤中的水溶性有机碳具有高度相关性。反硝化微生物可以降解许多芳香化合物，因而在修复污染环境中有重要作用。

图4-10反硝化作用途径(引自Myrold，1998)

除氧压外，反硝化作用还受到其他因素的影响。NO₂^－的积累可以抑制反硝化作用，有些重金属(特别是镉50μg/ml)可以抑制反硝化过程。在低pH值(5.0)条件下，反硝化能力降低，温度对硝化作用影响明显，最适温度在15～30℃之间，低于11℃反硝化能力急剧降低，低于5℃几乎没有活性。

反硝化作用的微生物广泛分布于环境中，并展现出各种不同的代谢和活性特征。大部分反硝化微生物是异养的，其代谢有机物通过呼吸作用，这一点和异养的DNRA生物不同，后者是发酵方式。但有些反硝化微生物是自养的，有些是发酵的，而某些和氮循环的其他方面连在一起(如固氮)，反硝化细菌种属及其特征如表4-15所示。

表4-15　　　　　　　　　　反硝化细菌属及其重要特征

反硝化过程释放的N₂O可以破坏臭氧层，但研究表明产生的N₂O进入大气以前就会被还原成N₂，大多数野外测定表明N₂O的量仅占全部释放气体的10%以下。在极端高硝酸盐浓度和有机物环境中会有更多的N₂O产生。

反硝化作用的效应是造成氮损失从而降低氮肥效率，N₂O的释放可以破坏臭氧层，损失的氮可以平衡固氮过程增加的氮。

N₂O还原酶可被乙炔抑制，在反应系统中加入乙炔，并测定N₂O的积累量，从而可以测定微生物的反硝化活性。