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硝化菌硝化作用與影響硝化作用之關鍵因子

  1. 什麼是硝化菌之硝化作用

19世紀時在拿破崙戰爭期間,歐洲人意外發現可以利用堆肥製造出硝酸鹽,提供火藥之製造。當時知道硝酸鹽之產生係一種硝化作用(nitrification)的結果,但尚不能了解硝化作用的原因,迄至1877年始發現硝化作用乃一微生物的反應過程。1890年蘇俄微生物學家維諾格雷斯特(Winogradskyi)終於分離出硝化細菌,並確認「硝化作用」乃是一種由硝化細菌所主導的氧化作用。

簡單說,所謂硝化作用乃是一種由硝化細菌將氨,氧化為亞硝酸鹽,或將亞硝酸鹽氧化為硝酸鹽,並從中獲得賴以維生的化學能之反應過程。藉由硝化作用所獲得的能量,硝化細菌可以將無機碳合成有機碳,以及用於其他代謝作用的需求。

硝化作用分二階段進行:

第一階段是由亞硝酸菌(Nitrosomonas)所控制,它能在有氧的條件下,將氨(NH3)直接氧化成亞硝酸鹽。

第二階段是由硝酸菌(Nitrobacter)所控制,它能在類似的條件之下,將亞硝酸鹽轉化為硝酸鹽。

第一階段的硝化作用又稱為亞硝酸化作用(nitrition),因它能產生如下生化反應:

NH3 + 3/2O2 → NO2 + H2O + H ++ 84 Kcal. mol– 1    4-1

在4-1反應中,氮由氨中的負三價變成亞硝酸鹽中的正三價,並生產84Kcal.mol – 1 的熱量,這些熱量用於形成ATP(腺苷三磷酸分子)並儲存其中,從而使亞硝酸菌可得到合成有機碳所需的能量。

第二階段的硝化作用又稱為硝酸化作用(nitrition),因它能產生如下生化反應:

NO2 + 1/2 O2 → NO3 + 17.8 Kcal.mol – 1     4-2

上述反應中,氮由亞硝酸鹽中正三價變成硝酸鹽中正五價,並生產17.8Kcal.

mol – 1 的熱量,這些熱量亦用於形成ATP並儲存其中,從而使硝酸菌可以得到同化二氧化碳所需的能量。

假使把第一階段與第二階段的硝化作用聯合起來,我們可獲得一個完整的淨反應如下:

NH3 + 2O2 → NO3+ H2O + H + +101.8Kcal.mol-1   4-3

硝化作用的反應熱雖然相當大,但這些化學能僅有少部分硝化細菌所利用,例如,在第一階段的硝化作用中,亞硝酸菌僅從中獲取5~14%能量;在第二階段的硝化作用中,硝酸菌僅可利用其中5-10%能量,其餘能量皆以熱能的形式釋放出來,因此激烈的硝化作用可能會造成水溫高的現象。

硝化作用的效率係由硝化細菌來執行,而硝化細菌對於環境因子如溶氧、pH值、溫度、有機污染等之敏感性很大,此外仰制生長物質(inhibiting substances)的存在,或缺乏關鍵性的微量營養物質(key micronutrients)時,也會有很大的影響。因此這些影響硝化細菌生長的因子,也同樣會影響硝化作用的效率。

  1. 溶氧量是硝化作用影響最大的因子

溶氧(dissolved oxygen)是控制硝化作用最重要的因子之一,也是硝化細菌不可缺的生活要素。硝化細菌必須利用氧氣將氨或亞硝酸鹽氧化,以產生自製有機物所需要的能量,同時,在它們的生理代謝程序中亦不能缺少氧氣的參與,否則可能造成代謝中止或導致自窒息死亡。因此,溶氧無論對硝化作用的影響,或對硝化細菌的生長,一向都被認為是一種極重要的限制因子。

硝化作用需要消耗大量氧氣,以每公斤的氨氮核計,至少需要4.5公斤的氧氣才夠用。因此要令硝化反應順利進行,作用環境中的溶氧最好不要太低。至於應多少濃度才足夠?許多研究學者給我們的建議是:最好不要低於2pmm。然而,在一定範圍內的變化並影響其代謝活動。例如,在30℃下,水中含氧量從飽和狀態降至1ppm時,好氣性歐洲亞酸單胞菌(Nitrosomonas europaea)的硝化作用過程完全正常。

雖然溶氧對硝化作用的影響是至關重要的,且過去硝化細菌一直被視為屬於絕對好氣性細菌(absolute aerobic bacteria)種類,但是有極少數菌種已經陸續被證實在低氧或缺氧狀態亦能進行硝化作用,例如海洋亞硝酸球菌在0.08ppm的低溶氧環境中扔然有化作用之反應。甚至亦有少數其他硝化細菌種類,只要有豐富氨源存在,即使在缺氧的厭氣環境中,也能發生微弱的硝化作用之反應。

類似此種不尋常現象,其反應機制迄今依然不明,不過依筆者私下推測,在缺氧的厭氣條件下,硝化細菌用於進行硝化作用所需的溶氧,可能帶來自二氧化碳分解而來,理由是硝化細菌在自產有機碳的合成反應過程中,就類似植物的光合作用一般會釋放氧氣。惟因此種氧氣來源相當有限,因此它們在厭氣環境中的硝化作用通常並不十分明顯。

對大多數菌種而言,要硝化作用能正常進行,則仍然需要有足夠的溶氧才行。不過根據若干研究顯示,溶氧濃度太高也不行,如果濃度高於2ppm,即對許多菌種的硝化作用產生仰制作用。

  1. ph值對硝化作用的影響

水環境中的Ph值對硝化作用的反應速率也有很大的影響,首先它能改變環境中硝化作用反應基質的可利用性,即它能影響水環境中分子性氨(NH3)及離子性銨(NH4+)的關係,並決定其相對濃度。在這兩種氮化合物中可能只有分子性氨可被用於硝化作用中作為反應基質,離子性銨則否。

雖然硝化作用的意義已經知悉,但是在經歷類一個世紀以來的廣泛研究,科學家仍然不能完全了解硝化作用的真正反應機構,尤其是在第一步驟的硝化反應中,最初作用基質究竟是分子性氨或離子性銨,迄今無法證實。但根據越來越多的間接證據顯示,硝化作用的起始基質應是氨而非銨。因此,目前大多數教科書已將其反應的起始基質形式,由離子性銨更為分子性氨。

由於Ph值可以控制氨及銨在水中的平衡關係,從而影響它們的存在比例,即在總氨量(氨與銨之總和)為一定的情況下,pH值可以決定何者量多或何者量少。例如當Ph值高時,氨的比例越高,銨越低。反之,正好相反。

氨的比例越高,表示用於硝化作用中作為反應基質的濃度就越高,則硝化作用反應速率就越快。因此,當Ph值高時,對硝化作用的影響較有利。換言之,硝化作用在中性或鹼性環境遠比在酸性環境中更能快速進行,酸性環境反而有仰制硝化作用之傾向。

pH值對硝化作用的反應速率造成另一個重要影響的是:Ph會直接影響硝化酶(nitrifying enzyme)的活性,使其催化反應的機能受到強化或弱化,因此會也間接影響硝化作用的效率。

硝化酶的活性在不同的Ph值中均有不相同的表現,基本上在pH-硝化酶的曲線圖中,隨Ph值由低而高,呈現出鐘形曲線變化。曲線的最高點對應之Ph值,稱為硝化酶活性的最適Ph值。在最適Ph值範圍內,硝化酶的活性最高,若其他條件適合,硝化作用速率也最高。

通常硝化酶活性的最適Ph值,位於7.5~8.2之間,依溫度不同而異。若pH值低於6,或高於9,則已經超過硝化酶正常的作用範圍。

由於硝化作用過程中會生產硝酸,因此會造成水質酸化,使Ph值降低,這種現象必然也會影響硝化作用的反應速率造。一般而言,水體中皆存在有某種濃度的鹼度,但鹼度可因水質酸化被耗盡。所以在水中必須有足夠的鹼度,以平衡硝化作用產生的酸度,否則硝化作用亦會受到仰制。

  1. 溫度對硝化作用的影響

溫度是水體中極為重要的環境因子之一,硝化細菌的生命過程都受到溫度的影響。溫度之高低會影響硝化細菌體內代謝強度的大小,更會影響硝化作用的速率。

溫度對硝化作用速率的影響,主要原因是與催化硝化反應速率的硝化酶活性有關。溫度對硝化酶活性的影響基本上呈一種鐘形曲線,有一個最是溫度(optimum temperature) 位於曲線最高峰,它是硝化酶反應速率最快的區間。

溫度對硝化酶活性的影響有兩方面:一方面是當溫度升高時,酶的催化活性也增強,這與一般生化反應一樣。另一方面,高溫會使酶蛋白質容易失去活性,隨溫度升高使酶逐步變性而喪失活性,硝化作用速率也跟著下降。硝化酶最適溫度即為這兩種過程平衡之後的結果。

硝化酶最適溫度一般在35℃至40之間。但這不表示溫度越高越好,因為溫度越高,溶氧的飽和度會降低,因此硝化作用僅能在溫度與溶氧之間取得一個平衡關係以獲得最高的效率。一般以不超過30℃,不低於20℃為原則。大部分硝化酶在低於5℃以下或高於60℃以上即喪失其活性。

  1. 有機污染對硝化作用的影響

有機污染對硝化作用所產生抑制現象可以偵測得到,但其真正原因迄今依然不明。一般推測,有機污染不致對硝化酶的活性造成直接傷害,有機污染所表現的仰制性,可能是間接的,亦可能因腐生細菌消化有機物而將氧氣耗盡所致。有關這方面的推論,主要來自於利用各種相關生物過濾器,研究有機污染對硝化作用的實驗所納歸出來的結果。

長期以來,各種生物過濾器常被用作研究有機污染對硝化作用的有效利器,這種實驗可在硝化細菌培養槽上安置一生物過濾器,然後在硝化細菌培養液中加入不同濃度的溶解性有機質,如易消化性蛋白質,牛肉萃等,藉以觀測生物過濾器的硝化作用的效率。

由硝化細菌培養液中硝酸鹽含量的檢測值相比較,可顯示不同實驗條件之下的硝化作用效率,結果發現它們的硝化作用效率通常與進流水的有機濃度高低有關,例如,在完全相同的操作條件下,引進過濾器中的進流水,若水中有機濃度較高時,則其硝化作用的效率總是較低,因此讓我們聯想到,這可能是有機污染對硝化作用造成間接性仰制現象有密切關係。

究其原因,可能與有機污染引起不同程度的競爭性排除作用有關,結果導致過濾器中的硝化細菌數量減少,因而影響整體硝化作用的效率。這種情況曾經在2-3節有詳細的說明過。

另一種比較特殊情況是,當進流水被引進過濾器中時,好氣性腐生細菌迅速消化其中的有機物,並不斷地急速消耗水體中溶氧。雖然在消化食物過程中所釋放出來的氨,可充分供作硝化反應的基質,但所短少的溶氧卻變成了硝化反應速率的限制因子,使硝化作用受到溶氧不足的限制而難以進行,因此氨也無法在生物過濾器中被硝化細菌充分氧化成硝酸鹽。

摘綠自硝化細菌與水族缸