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
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
脫硝菌在自然界以各種形式廣泛存在，如：
- Paracoccus denitrificans（自營，氧化氫氣H2）
- Thiobacillus denitrificans（自營，氧化硫化物（S2−）或者硫代硫酸鹽（S2O32−））
- Pseudomonas stutzeri（異營，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。
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營菌，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
- 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
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