硝化细菌是一种好气性细菌，其硝化作用是含氮物质彻底矿化的重要步骤，细菌的硝化作用在自然界的N素生物地球化学循环中具有重要的意义。需要指出的是，有些异养性的细菌，如产碱菌属（Alcaligenes）和节杆菌属（arthrobacter），还有真菌如曲霉菌属（AspergiILus），也具有硝化作用。相对于自养性的硝化细菌而言，异养性菌种的分解速率较低，但由于它们在环境中存在的数量往往大于自养性细菌，而且有些异养性菌种可同时进行硝化和反硝化（脱硝）作用，因此它们也是硝化作用中不可缺少的一个群体。硝化细菌包括硝化细菌和亚硝化细菌两个生理菌群，其主要特性是生长速率低，具有好氧性、依附性和产酸性等。硝化作用一般分为两个阶段，分别由硝化细菌和亚硝化细菌这两种不同的菌来完成：先由NH4+ - N氧化细菌(ammonia - oxidizing bacteria/AOB，亚硝化细菌）把NH4+-N氧化为NO2- - N，再由NO2- - N氧化细菌（nitrite - oxidizing bacteria/NOB，硝化细菌）把NO2- - N氧化为NO3- - N。

1硝化细菌的生物学特性

1.1硝化细菌的种类

硝化细菌是1889年由维诺格拉得斯基第一次分离出来的化能自养菌，包括亚硝化菌属( Nitrosomonas)和硝化杆菌属（Nitrobacter）两个生理亚群，它们归属于一个独立的科——硝化杆菌科( Nitrobacteraceae)。但从进化谱系上看，它们之间的亲缘关系并不密切。硝化杆菌科包括9个属，它们分别是：硝化杆菌属（Nitrobacter）、硝化刺菌属（Nitrospina）、硝化球菌属（Nitrococcus）、硝化螺菌属（Nitrospira）、亚硝化单胞菌属（Nitrosomonas）、亚硝化螺菌属（Nitrosospira）、亚硝化球菌属（Nitrosococcus）、亚硝化叶菌属（Nitrosolobus）、亚硝化弧菌属（Nitrosovibrio）。

1.2硝化细菌的生物学特性

1.2.1硝化细菌的大部分种类是专一性的化能自养菌，能利用亚硝态氮获得合成反应所需的化学能，在体内制造糖类，对底物的要求具有很强的专一性。

1.2.2同一生理亚群中的种类，尽管在生理学上具有共同性，但其细胞形态则多种多样，如球形、杆状、螺旋形等。有的极生鞭毛，可以游动；有的向细胞外分泌粘性物质，可以将几个细胞粘在一起形成团块，叫做菌胶团。

1.2.3是一种专性好气菌，O2是最终的电子受体。

1.2.4生长速度慢。因硝化细菌由自身合成糖类，这一过程需要相当长的时间，平均代时在10h以上。

1.2.5无芽孢，都是革兰氏阴性细菌。

1.2.6大多数种类的繁殖方式为无形的二均分裂，只有维氏硝化细菌为芽殖方式。

1.2.7在细胞结构上，大多数具有复杂的薄膜状、囊泡状、管状膜内褶结构。

1.2.8在生态分布上，有些属分布较广，有的则较局限。如硝化球菌和硝化刺菌属的种仅分布在海水中，而大多数属普遍地存在于中性或微碱性、通性良好、含氨态氮的土壤中或淡水中。

1.2.9 DNA中G+C的百分含量范围较窄，硝化细菌的含量稍高于亚硝化细菌。

1.3硝化细菌的作用原理

硝化细菌通过硝化作用氧化无机化合物从而获取能量来满足自身的代谢需求，并且以CO2作为唯一的碳源，是典型的化能无机营养菌。硝化细菌的硝化作用可以分成两个相对独立但又密切联系的阶段。第一个阶段将NH3氧化为NO2-，这个阶段称为亚硝化作用或氨氧化作用，由亚硝化细菌来完成；第二个阶段将NO2-氧化为NO3-，由硝化细菌来完成。具体反应过程概括如下：①亚硝化作用阶段：2 NH3+3O2→2HNO2+2H2O+能量；ADP+Pi+能量→ATP。在此反应中，氮由N3-→N3+，NH3失去电子，被氧化成亚硝酸。氨氧化过程中脱下的电子和H+，传给分子氧，在电子传递中形成ATP，亚硝化细菌即可得到同化二氧化碳所需要的能量，通过卡尔文循环来固定二氧化碳形成有机物。②硝化作用阶段：2HNO2+O2→
2HNO3+能量。硝化细菌利用上述反应中释放的能量形成ATP，以同化二氧化碳合成细胞内的有机物，主要是葡萄糖。硝化细菌以氨或亚硝酸作为能源物质，以二氧化碳作为碳素营养，它们不是利用光能，而是利用体外环境中物质氧化所放出的能量合成有机物，这种合成作用叫做化能合成作用。所以，硝化细菌可以在只有无机物的营养条件下生活，因此属于自养菌。

1.4影响硝化细菌性能的主要因子

1.4.1温度 温度对于硝化细菌的生长和硝化速率有着较大的影响。一般的硝化细菌是中温生长菌，其适宜的坐长温度范围为20~30℃。若温度低于10℃以下，硝化细菌的生长显著减慢，硝化作用明显减弱。若温度高于35℃，则对硝化细菌的酶系具有破坏作用，硝化细菌的生命将受到潜在威胁。硝化细菌能承受的最高温度上限为40℃。

1.4.2溶解氧 硝化细菌进行正常的代谢需要溶解氧。每毫克氮素经过硝化作用后由氨转变为硝酸根，整个过程中大约需要4.75 mg溶解氧来“清除”含氮物质释放的电子。

1.4.3 pH
硝化细菌喜欢偏碱性的环境。因此酸碱度也是影响硝化作用的重要因子之一。其适宜的pH值范围为7.5~9.0。亚硝化细菌和硝化细菌适宜的pH值略有不同，但都不超过这个范围。

1.4.4有机物 有机物本身并不影响硝化细菌的性能。有机物对于硝化细菌的影响主要是通过由它所引起的异养菌的生长而产生的。异养菌在有机物存在的情况下，与硝化菌争夺溶解氧、氨等营养物质。由于硝化细菌的生长速度缓慢，因此，异养菌很容易成为环境中的优势菌，从而不利于硝化细菌生长。

1.4.5抑制剂 很多化学物质都能对硝化细菌产生抑制作用，如乙炔，重金属，金属螯合剂，二硫化物，游离氨等。

1.4.6光照 硝化细菌的酶系在近紫外波段有一个吸收值，在紫外线的影响下可能会产生超氧化物，故而光照对硝化细菌的影响较大。受光照影响的亚硝化细菌应及时转移到暗区，并为其提供足量的功能物质。转移后大约需要几个小时才能恢复