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硝化反应-最全面的干货解读·进修读本  

2016-10-12 11:29:21|  分类: 基本功·技术流 |  标签: |举报 |字号 订阅

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这篇我们来认真谈谈硝化作用的机理,补充一下基本功:

由于硝化作用是由硝化细菌来执行,因而凡是能影响硝化细菌生长的环境因子,同样也会影响硝化作用的效率。不过,同一种环境因子对硝化细菌生长的影响,以及对硝化作用效率的影响,其效率有时不一定是等值或相同的,最主要的原因是,硝化细菌的生长是各种环境因子综合影响的结果,而硝化作用的效率可以用个别环境因子来探讨。环境因子对硝化作用的影响仍然需要分开来探讨。

影响硝化作用的环境因子 - 虚骨龙 - 锦粼·極鱼-水族贸易制造

一般而言,硝化作用的效率通常由硝化酶的活性来展现,因此凡是能够影响硝化酶活性的环境因子,就能对硝化作用的效率产生影响。这些环境因子主要是:溶氧、pH、温度、有机物等。

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溶氧对硝化作用的影响

溶氧是控制硝化作用最重要的因子之一,因为硝化作用需要耗费大量的氧气才能顺利进行。例如,以第一阶段硝化作用的耗氧量来估计,大约每一毫克的氨,至少需要4.5毫克的氧气才足够。氧气可以激活菌体中硝化酶的催化能力,使氨被亚硝酸菌所氧化,如果溶氧太低,硝化作用就会受到限制。至于应该多少浓度的溶氧才足够,许多研究学者给我们的建议是:最好不要低于2ppm 充电进修班·最全面干货解读-硝化反应 - 虚骨龙 - 锦粼·極鱼-水族贸易制造

pH对硝化作用的影响

pH一方面能改变硝化作用反应基质(氨)的平衡浓度,直接影响硝化作用的效率;另一方面也会改变硝化酶的活性,使其催化反应机能受到强化或弱化,因此也会间接影响硝化作用的效率。硝化酶的活性在不同pH中均有不同的表现。在最适pH范围内,硝化酶的活性最高,若其他条件适合,硝化作用的效率也最高。最适pH范围位于7.5~8.2之间,pH6pH10,硝化酶的活性大幅降低或失活,可能导致硝化作用的终止。

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硝化酶活性与pH的关系

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温度对硝化作用的影响

温度对硝化酶的作用能产生两方面影响,一方面是当温度升高时,硝化酶的活性增强;另一方面高温也容易导致硝化酶失活。硝化酶活性最高的温度即为这两种过程平衡的结果,大约位于35~40℃之间。显然,这温度范围与硝化细菌的最适生长温度(20~30℃)有不小落差,最主要原因是,温度越高,溶氧的饱和浓度会降低,而低浓度的溶氧并不利于硝化作用,所以硝化作用,所以硝化作用仅能在温度与溶氧之间,取得一个平衡关系以获得最高的效率。

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硝化酶活性与温度的关系

有机物对硝化作用的影响

有机物从两方面影响硝化作用,一方面有机物通常是氨源的母体物质,腐生细菌消费有机物之后会排泄氨,可充分供应作硝化反应的基质;可是另一方面腐生细菌也会同时消费溶氧,短缺的溶氧可能变成了硝化反应的限制因子。由此观之,有机物对硝化作用的影响有利也有弊,如果要让硝化作用能顺利进行,似乎不能缺乏有机物,否则硝化细菌即可能面临氨源可用之窘境,不过有机物太多,又容易遭致腐生细菌对溶氧及空间的竞争。

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【知识背景】:

硝化细菌及硝化作用的由来

在探讨有关硝化细菌的问题时,绝对不能错过硝化作用这个重要的课题。事实上,硝化细菌在人类生活中的重要性,主要表现在它的消化作用上,而不是细菌本身的特征。科学家先在自然界中发现有硝化作用的存在,而后才晓得硝化细菌的由来,也因为这类微生物具有硝化作用,才引起世人的重视,尤其多数水族爱好者对硝化细菌并不陌生,因为它的硝化作用密切关系着养鱼的成败。

19世纪以前,人们普遍认为土壤中的铵盐(NH4+)之所以会逐渐转化为硝酸盐(NO3-)的原因,是铵盐受到土壤中氧的作用和土壤催化的结果,没人会料到它是一种微生物的氧化过程,不过知道它的本质是一种硝化作用。

1804~1815年,拿破仑战争时期,法国无法输入硝石以供火药之制造,曾经利用堆肥所产生的硝化作用来制造硝酸钠,这是硝化作用在人类历史上最早的应用。

1862年,法国微生物学家兼化学家巴斯德意识到硝化作用可能是由于微生物作用所致,因为他确认铵盐的化学性质相当稳定,在实验室的一般条件下很难加以氧化,以及土壤亦不具备这方面的催化能力。

1877年,德国化学家勤辛和明茨共同证实巴斯德的说法,即硝化作用的确主要是一种生物学过程,但仍不知道是由何种微生物作用所产生的。

1889年,俄国微生物学家维诺格雷斯基使用铵盐及其他无机养分,并在好养条件之下以二氧化碳作为唯一碳源时,可以培养出某些前所未有之细菌,能够将铵盐逐渐氧化成硝酸盐,而且最终证实了此种硝化作用,是由两类互不相隶属细菌进行的,即首先由第一类细菌将铵盐氧化为亚硝酸盐,然后再由第二类细菌将亚硝酸盐继续氧化为硝酸盐。他特别将第一类细菌称为亚硝酸菌,第二类细菌称为硝酸菌,以及将这两类细菌统称硝化细菌。

维诺格雷斯基当时对于硝化细菌的发现感到极为震惊,因为它们的生长方式与一般所认知的细菌极为不同,一般细菌通常必须供养有机物才能生长及增值,但是硝化细菌不能利用有机物培养,必须使用无机物才能培养,这个重大的发现随即为硝化细菌的研究掀起一股热潮。不过,这部分是属于微生物学的领域,一般人并不重视,硝化作用在人类生活中的重要性日益显著,例如,硝化作用在城市废水脱氧过程中起着重要作用,在饮用水中这个作用也可以减少氯胺发生的机会,而在水族缸养殖中更是养殖成功与否的关键等。

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硝化作用的定义及内涵

为了解硝化作用的内涵,我们有必要对硝化作用的定义作更正确的叙述。在尚未叙述其定义之前,需要理清一个疑问,及硝化作用的反应基质,究竟是铵(NH4+)还是氨(NH3)?如果不事先确定这问题,或做了错误的叙述,难免对硝化作用的探讨产生偏差,不仅易曲解其内涵,也可能使它的应用受到误导,这当然要加以避免。

回溯维诺格雷斯基当初发现硝化细菌的时候,他曾经从无机培养液之取样分析中,检验出铵盐有逐渐被细菌消耗之现象,以及被消耗的铵盐最后均转化成硝酸盐。另外,若无机培养液缺乏铵盐,则细菌分裂立即停止,因此他仍据以断定这类细菌所利用的能源,应是一种铵盐被氧化成硝酸盐所产生的化学能,从而确认硝化作用的反应基质就是铵。

维诺格雷斯基的说法被世人普遍接受约一个世纪之久,这期间所有的关于硝化作用的文献,都以铵作为反应基质来描述硝化作用。直到1980年代,若干研究学者开始质疑硝化作用的反应基质肯能是氨而非铵,理由是在培养硝化细菌时尽管都是以铵盐来操作,但是若培养液pH无法稳定控制在弱碱性范围,则难以达到目的。

为探索硝化作用的起始反应基质究竟是铵还是氨,这些研究学者乃从硝化作用的化学动力学和能量转移的比较研究中,证实它的反应基质应该是氨才对,于是大多数大学教科书随即纷纷更正过来。

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硝化作用的定义

虽然硝化作用的起始反应基质已经更正了30余年,遗憾的是,迄今有许多网络资讯仍然使用旧的说法,误认硝化作用的反应基质是铵。根据新的说法,我们可以将硝化作用的定义如下:所谓硝化作用乃是一种由硝化细菌将氨氧化为硝酸盐,或将亚硝酸盐氧化为硝酸盐,并从中获得赖以为生的化学能之反应过程。藉由硝化作用所获得的能量,硝化细菌可以供作将无机碳合成有机碳,以及用于其他代谢作用的需求。

硝化作用的内涵

已知硝化作用分为两阶段进行,第一阶段被称为亚硝酸化作用,由亚硝酸菌将氨氧化为亚硝酸盐;第二阶段被称为硝酸化作用,由硝酸菌将亚硝酸盐氧化为硝酸盐。它们的反应式分别如下:

影响硝化作用的环境因子 - 虚骨龙 - 锦粼·極鱼-水族贸易制造

硝化作用分为两个阶段进行:首先是亚硝酸化作用;其次是硝酸化作用。

NH3+3/2O2NO2-+H++84Kcal·mol-1

NO2-+1/2O2NO3-+17.8Kcal·mol-1

假使将第一阶段与第二阶段反应的硝化作用联合起来,我们可以获得一个完整的净反应如下:

NH3+2O2NO3-+H2O+H++101.8Kcal·mol-1

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硝化作用的反应热虽然很大,但这些化学能仅有少数部分被硝化细菌所利用,例如,在第一阶段硝化作用中,亚硝酸菌仅从中获取5~14%能量;在第二阶段硝化作用中,硝酸菌仅从中获取5~10%能量。其余能量皆以热能形式释放出来,因此激烈的硝化作用可能造成水温升高的现象。此外,硝化反应能释放出H+离子,所以激烈的硝化作用也可能导致pH大幅下降。

素材来源:水族箱的管理

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