吸收至生物體內(nèi)的硝酸鹽經(jīng)歷著兩種途徑的變化：其一是植物和微生物將硝酸鹽吸收至體內(nèi)后，將它們還原成銨，然后參與合成細(xì)胞的含氮組分，這個(gè)過程稱為同化型硝酸鹽還原作用（assimilatory nitrate reduction）。其二是某些微生物在無氧或微氧條件下將NO3－或NO2－作為最終電子受體進(jìn)行厭氧呼吸代謝，從中取得能量，硝酸鹽還原生成N2O，最終生成N2的過程稱為反硝化作用或脫氮作用。這個(gè)過程叫做異化型硝酸鹽還原作用（dissimilatory nitrate reduction）。

1.反硝化作用

反硝化作用需要具有反硝化微生物，適合的電子供體如含碳化合物、還原型硫化物和氫等，無氧環(huán)境條件以及含氮氧化物。

在反硝化過程中，電子從“還原性”的電子供體物質(zhì)通過一系列電子載體傳遞給一個(gè)氧化性更高的氮氧化物。當(dāng)電子傳遞給某幾個(gè)氮氧化物時(shí)，能量被電子轉(zhuǎn)移磷酸化作用形成ATP。其終產(chǎn)物則因不同的作用菌而有所不同。

NO3－→NO2－→NO→N2O→N2

硝酸鹽還可異化還原生成銨。在富含NO3－而貧碳的培養(yǎng)基中，反硝化作用占優(yōu)勢(shì)；而在富NO3－富碳的培養(yǎng)基中，則以生成NH4＋作用居主導(dǎo)。NO3－還原成NH4＋對(duì)土壤的保氮具有重要意義。

2.參與反硝化作用的微生物

能參與反硝化作用的微生物在自然界普遍存在。Ingraham（1981）指出有71個(gè)屬菌能進(jìn)行反硝化作用，它們?cè)谕寥乐泻茇S富，占細(xì)菌群落的40％ ～65％ ，細(xì)菌數(shù)高達(dá)108個(gè)／g土。到目前為止，尚未發(fā)現(xiàn)細(xì)菌以外的其他生命形式能夠進(jìn)行反硝化作用。

一般反硝化作用均以NO3－為最終電子受體，但產(chǎn)堿桿菌（Alcaligenes）和黃桿菌（Fla-vobacterium）以及奈氏菌（Neisseria）的一些種不能還原NO3－，而卻可從NO2－開始還原。

3.反硝化作用中的還原酶

（1）硝酸還原酶（NaR）

硝酸還原酶是催化NO3－還原為NO2－的專性酶。同化性和異化性的硝酸還原酶是由不同基因編碼的不同蛋白質(zhì)。異化性硝酸還原酶結(jié)合于膜的內(nèi)表面。硝酸還原酶含有鐵、硫和鉬等元素。

（2）亞硝酸還原酶（Ni R）

亞硝酸還原酶催化NO2－還原為氣態(tài)氮氧化物。亞硝酸是一個(gè)支點(diǎn)，從這一點(diǎn)可轉(zhuǎn)向同化性反硝化形成羥胺，再還原為氨。因此，亞硝酸還原酶的存在可阻止同化性反硝化的出現(xiàn)。純化的亞硝酸還原酶可分為兩種：一種為具有細(xì)胞色素cd型的血紅素蛋白，呈現(xiàn)細(xì)胞色素氧化酶活性，存在于糞產(chǎn)堿菌（Alcaligenes faecalis）等中。另一種是含銅的金屬黃素蛋白，存在于裂環(huán)無色桿菌（Achromobacter cyclolastes）等中。

（3）氧化亞氮還原酶（N2OR）

氧化亞氮還原酶定位于細(xì)菌細(xì)胞膜。在電子轉(zhuǎn)移過程中有細(xì)胞色素b和c參與。酶相對(duì)分子質(zhì)量為85kDa，不含有Mo和Fe，但含有Cu。Cu是反硝化細(xì)菌產(chǎn)堿菌在N2O下厭氧生長(zhǎng)合成氧化亞氮還原酶的制約因子。乙炔、一氧化碳、疊氮、氰化物、氧和普通鹽類都可抑制氧化亞氮還原酶的活性。

4.影響反硝化作用的一些因素

環(huán)境中的氧可以抑制氮氧化物還原酶的活性。關(guān)于氧的臨界濃度，由于各研究者采用的方法、菌種等不同而不同。在還原酶中，各種酶對(duì)O2的抑制作用反應(yīng)敏感性不一樣。在硝酸還原過程中越在后面的還原酶，對(duì)氧越敏感，在同一O2濃度時(shí)，受抑制越嚴(yán)重。

厭氧環(huán)境中的反硝化活性與環(huán)境中的有機(jī)碳含量密切相關(guān)。加入外源性有機(jī)碳常可刺激反硝化作用，不同的有機(jī)碳化合物對(duì)反硝化過程中不同還原酶的影響不一樣。在有機(jī)碳極為豐富的環(huán)境中加入外源碳對(duì)反硝化作用無多大影響，而且在這種環(huán)境中反硝化過程的終產(chǎn)物不是氣態(tài)產(chǎn)物而是NH4＋。

氣態(tài)氮氧化物（NO，N2）不影響離子型氮氧化物（NO3－，NO2－）的還原，但離子型氮氧化物的還原常優(yōu)先于氣態(tài)氮氧化物的還原，并造成反硝化中間產(chǎn)物的明顯積累。如脫氮假單胞菌中，NO2－不影響NO3－的還原速率，但可部分抑制N2O的還原。

反硝化作用最適宜的pH是在7.0～8.0之間，而且反硝化速率與pH成正相關(guān)。在低pH值時(shí)，氮氧化物還原酶，尤其是還原N2O的氧化亞氮還原酶受到明顯抑制，而使整個(gè)反硝化速率降低，N2O在產(chǎn)物中的比例增加，pH為4時(shí)N2O可能為主要產(chǎn)物。因此要降低整個(gè)反硝化速率可降低環(huán)境pH值或增加氧濃度。

反硝化作用在一定范圍內(nèi)隨溫度升高而速率提高，在10～35℃之間的Q10值為1.5～3.0，在60～75℃時(shí)速率達(dá)到最大值。超過這一范圍，Q10值呈負(fù)值，速率急劇下降，而且此時(shí)產(chǎn)物中的N2O比例極高，可能是氧化亞氮還原酶較其他還原酶對(duì)高溫更敏感。低溫時(shí)反硝化作用顯著降低，但即使在0～5℃時(shí)仍可檢測(cè)到土壤中的反硝化產(chǎn)物。

5.反硝化作用的利用與控制

利用硝化作用和反硝化作用去除有機(jī)廢水和高含量硝酸鹽廢水中的氮，來減少排入河流的氮污染和富營(yíng)養(yǎng)化問題，已是環(huán)境學(xué)家的共識(shí)。利用各種反應(yīng)器處理城市的或其他廢水時(shí)，有機(jī)廢水中的碳源可支持反硝化作用，進(jìn)行有效的生物脫氮。

反硝化作用能造成氮肥的巨大損失。從全球估計(jì)，反硝化作用所損失的氮大約相當(dāng)于生物和工業(yè)所固定的氮量。施用硝化抑制劑可收到良好的效果。