硝化作用与反硝化作用的区别

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所属分类:生物学

硝化
硝化作用是通过氧化将铵(NH 4 +)生物转化为硝酸盐(NO 3 -)。氧化定义为原子或化合物对电子的损失,或其氧化态的增加。两种类型的硝化需氧细菌促进了这一过程,这些细菌需要存在溶解在其周围的氧分子才能存活。[一世]

首先,化学营养细菌(主要是亚硝化单胞菌属)将氨(NH 3)和铵转化为亚硝酸盐(NO 2 -)。“Chemoautrophic”是指细菌对由无机源,即CO创建其自己的营养物质的能力2。该过程由化学方程式表示:

2NH 4 + + 3O 2 →2NO 2 - + 2H 2 O + 4H + +能量

然后,主要来自硝化杆菌组的细菌在下列反应中将亚硝酸盐转化为硝酸盐:

2NO 2 - + O 2 →2NO 3 - +能量

这些反应同时发生并且非常迅速 - 通常在几天或几周内。重要的是亚硝酸盐在土壤中完全转化为硝酸盐,因为亚硝酸盐对植物的生命

土壤中存在的硝酸盐是植物使用的主要氮源。[ii]因此,氮从一种向另一种形式的转变,称为氮循环,是农业的重要组成部分。[III]

在这些步骤发生之前,有机氮通过水解形成铵和氨,在称为氨化的过程中被异养细菌分解。我可以在动物粪便,堆肥和腐烂的覆盖作物或作物残茬中发现尿素中的氨。大多数肥料中都含有铵。

与其他类型的土壤细菌相比,硝化细菌对环境胁迫更敏感。当土壤长时间充满水分时,土壤毛孔充满水,限制了氧气的供应。硝化细菌需要有氧条件才能发挥作用,因此水淹会限制硝化作用。

干燥的土壤倾向于具有高盐浓度,并且由此产生的盐度会对细菌的硝化活性产生负面影响。这是因为增加的渗透压增加了微生物将水移过细胞膜所需的能量。水对于溶质(例如硝酸盐)通过土壤的运动也是必不可少的。二

硝化细菌在pH值在6.5到8.5之间,温度在16到35摄氏度之间表现最佳.i在酸性土壤中硝化速率较慢,而高碱度会降低硝化杆菌活性,从而导致土壤中亚硝酸盐的不利积聚。

土壤pH也可能受到硝化铵的特定来源的影响。例如,磷酸一铵(MAP)溶液比磷酸二铵(DAP)酸性更强; 因此,使用DAP导致比MAP更高的硝化速率。

大多数细菌存在于上表层,因此当耕作方法管理不当时,硝化作用会下降。

具有高粘土含量的土壤具有更大的颗粒和更多的微孔空间用于细菌生长,以及由于更高的阳离子交换容量而更大的铵保留。ii通过减少耕种可以改善水分关系和土壤物理性质。

重金属和有毒化合物的存在或过高浓度的氨可能会抑制硝化作用。

有时,以铵的形式将氮保持在土壤中可能是有益的。这可以防止氮损失(通过硝酸盐的浸出)和氮气逸出(通过脱氮)。商业上使用的硝化抑制剂包括双氰胺和硝基吡啶。

反硝化
反硝化是通过还原将硝酸盐生物转化为含氮气体。它总是遵循硝化我和反应序列可以如下表示:

NO 3 - →NO 2 - →NO→N 2 O→N 2 [iv]

这种过程由兼性细菌促进; 这些细菌不需要存在游离氧气来进行呼吸。反硝化细菌是异养生物,因为它们需要碳的有机食物来源才能存活。反硝化可以在刺激过程后几分钟开始。

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反硝化可能对作物生产有害,因为氮是植物生长必需的营养素,在此过程中会损失到大气中。然而,由于水中的硝酸盐浓度降低,它对水生栖息地和工业或污水废水处理是有益的。一世

由于肥料处理,作物的浸出或径流可能导致过量的这种营养物最终进入水体,而含氮化合物对人类和水生生物都有各种有害影响。IV

氨对鱼类有毒,刺激藻类生长,降低水中的氧含量,导致富营养化。硝酸盐会导致肝损伤,癌症和高铁血红蛋白血症(婴儿缺氧),而亚硝酸盐会与称为胺的有机化合物反应形成致癌的亚硝胺。二

当土壤或水中的氧含量耗尽(缺氧条件)时,反硝化细菌会分解硝酸盐以用作氧源。这通常发生在氧气含量低的涝渍土壤中。硝酸盐被还原成一氧化二氮(N 2 O),再一次被还原为含氮气体。这些气泡逸出到大气中。一世

由反硝化菌形成的气体取决于土壤或水中的条件以及存在何种微生物群落。较少的氧气倾向于导致形成更多的氮气,这是最常见的脱氮产物。氮气是空气的主要成分。形成的第二种最常见的产品是一氧化二氮,一种温室气体,也会腐蚀地球的臭氧层。IV

反硝化细菌对有毒化学物质的敏感性低于硝化细菌,并且在pH值在7.0到8.5之间以及温度在26到38摄氏度之间时最佳地发挥作用。反硝化作用主要发生在表土中,其中微生物活性最高。

反硝化菌需要足够的硝酸盐浓度和可溶性碳源; 使用甲醇或乙酸时发生率最高。有机碳可能存在于粪肥,堆肥,覆盖作物和作物残茬中。一世

通过维持植物生长所需的最低硝酸盐浓度,例如使用控释肥料,可以最大限度地减少作物土壤中的反硝化作用。另一种方法是抑制硝化,这降低了可用于脱氮的硝酸盐水平。

由于诸如土壤特性(包括聚集,大孔和湿润)以及肥料,有机物质和作物残留物分布的变化等许多因素,反硝化水平在单个油田中广泛存在。

据报道,氮肥类型以及施用方法会影响反硝化作用。例如,涂覆的控释肥料以及灌溉施肥和广播应用导致比干燥颗粒尿素和浓缩带应用更低的一氧化二氮排放。更深的氮排放也会减少这些排放。

干旱期和突发性暴雨通常是反硝化的触发因素,可通过排水系统和地下滴灌来控制。IV

摘要
硝化

遵循氨化过程
将铵转化为硝酸盐
氧化反应
由两种主要类型的化学需氧细菌促进:亚硝化单胞菌和硝化杆菌
两步法:将铵转化为亚硝酸盐,然后将亚硝酸盐转化为硝酸盐
创造可供植物根吸收的氮营养形式
尿素中的反应物(铵)来自动物废物和肥料,堆肥和腐烂的覆盖作物或作物残留物
硝化细菌对环境压力更敏感
受到洪水,高盐度,高酸度,高碱度,过量耕作和有毒化合物的抑制
受好氧条件的影响,pH值在6.5到8.5之间,温度在16到35摄氏度之间,粘土含量高
反硝化

遵循硝化过程
硝酸盐转化为含氮气体,主要是氮和一氧化二氮
还原反应
由异养兼性细菌促进
步骤顺序:将硝酸盐转化为亚硝酸盐,转化为一氧化氮,转化为一氧化二氮,最后转化为氮气
通过降低硝酸盐含量来净化废水和水生系统
通过硝化形成反应物(硝酸盐),而反硝化菌的碳源存在于粪肥,覆盖作物和作物残留物中,或由甲醇或乙酸提供
反硝化菌对环境压力不太敏感
通过减少硝化作用,降低硝酸盐含量,涂覆控释肥料的深层放置和土壤排水来抑制

受到洪水,缺氧条件,pH值在7.0和8.5之间,温度在26到38摄氏度之间,硝酸盐和可溶性碳的充足供应以及干燥颗粒尿素的浓缩带应用的青睐。

分博士