反硝化反應

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(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脫氮細菌

氮循環.

脫硝化菌在無氧條件下,以將硝酸鹽(NO3)為電子受體英語Electron acceptor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

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

  1. 硝酸鹽(NO3)還原為亞硝酸鹽(NO2):2 NO3 + 4 H+ + 4 e → 2 NO2 + 2 H2O
  2. 亞硝酸鹽(NO2)還原為一氧化氮(NO):2 NO2 + 4 H+ + 2 e → 2 NO + 2 H2O
  3. 一氧化氮(NO)還原為一氧化二氮(N2O):2 NO + 2 H+ + 2 e → N2O + H2O
  4. 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

脫硝菌在自然界以各種形式廣泛存在,如:

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

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

參見

外部連結