硝化作用
氨在微生物作用下氧化为硝酸的过程。硝化细菌将氨氧化为硝酸的过程。通常发生在通气良好的土壤、厩肥、堆肥和活性污泥中。
概述
19世纪以前，人们把硝酸盐看作是化学作用的产物，即空气中的氧和氨经土壤催化形成。1862年L.巴斯德首先指出硝酸盐的形成可能是微生物作用的结果。1877年，德国化学家T.施勒辛和A.明茨用消毒土壤的办法，证实了氨被氧化为硝酸的确是生物学过程。1891年，С.Н.维诺格拉茨基用无机盐培养基成功地获得了硝化细菌的纯培养，最终证实了硝化作用是由两群化能自养细菌进行的。先是亚硝化单胞菌将铵氧化为亚硝酸；然后硝化杆菌再将亚硝酸氧化为硝酸。这两群细菌统称硝化细菌。其作用过程如下：
硝化细菌从铵或亚硝酸的氧化过程中获得能量用以固定二氧化碳，但它们利用能量的效率很低，亚硝酸菌只利用自由能的5～14％； 硝酸细菌也只利用自由能的5～10％。因此,它们在同化二氧化碳时，需要氧化大量的无机氮化合物。
土壤中硝化细菌的数量首先受铵盐含量的影响，一般耕地里，每克土中只有几千至几万个。添加铵盐即可使其数量增至几千万个。土壤中性偏碱，通气良好，水分为田间持水量的50～70％，温度为10～30℃时，最适宜硝化细菌的生长繁殖，铵盐也能迅速被转化为硝酸盐。
自然界中,除自养硝化细菌外,还有些异养细菌、真菌和放线菌能将铵盐氧化成亚硝酸和硝酸，异养微生物对铵的氧化效率远不如自养细菌高，但其耐酸，并对不良环境的抵抗能力较强，所以在自然界的硝化作用过程中，也起着一定的作用。
作用机理
硝化作用由自养型细菌分阶段完成。
第一阶段
第一阶段为亚硝化，即氨氧化为亚硝酸的阶段。参与这个阶段活动的亚硝酸细菌主要有 5个属：亚硝化毛杆菌属(Nitrosomonas) ；亚硝化囊杆菌属(Nitrosocystis)；亚硝化球菌属(Nitrosococcus)；亚硝化螺菌属(Nitrosospira)和亚硝化肢杆菌属(Nitrosogloea)。其中，尤以亚硝化毛杆菌属的作用居主导地位，常见的有欧洲亚硝化毛杆菌 (Nitrosomonas europaea)等。
第二阶段
第二阶段为硝化，即亚硝酸氧化为硝酸的阶段。参与这个阶段活动的硝酸细菌主要有3个属：硝酸细菌属(Nitrobacter)；硝酸刺菌属 (Nitrospina)和硝酸球菌属(Nitrococcus)。其中以硝酸细菌属为主，常见的有维氏硝酸细菌(Nitrobacter winogradskyi)和活跃硝酸细菌 (N. agilis)等。
其他硝化细菌
除上述的自养型微生物外，土壤中还有大量多种异养型微生物在培养基上，也能将氨和有机氮化物氧化为N囯或囶,但其硝化能力低于自养型硝化细菌。也有人认为，异养型硝化微生物的硝化能力虽弱，但在土壤中的数量却十分庞大，因而在硝化作用中也有相当意义。
影响因素
土壤中的硝化作用受pH、水分和温度等生态因子的影响。中性或碱性土壤最适宜硝化作用的进行，pH低于6.0时硝化作用速率显著下降；低于5.0则作用甚微。硝化细菌的不同种类对pH的要求也不同。通常，来自酸性土壤的种类较来自碱性土壤者能忍受较低的pH。土壤的含水量（或通气状况）和温度是硝化作用强度的函数。处于湿润状态的土壤（其含水量为最大持水量的60％左右）最适宜于硝化作用的进行，而干燥的土壤则有碍硝化细菌的存活。有利于硝化作用的温度范围为4～40℃。土壤中固有的硝化细菌对温度的适应性与其所处的气候带有关。如在热带地区土壤中，硝化作用的最适温度可高达35℃。
此外，由于硝化作用的基质（铵）有的来自周期地向土壤中施入的铵态肥料，有的来自土壤中固有的有机氨化物经氨化作用形成的铵，基质来源的这种差异也会对硝化作用产生影响。其他影响硝化作用的因素还有作物根系、微量重金属、各种除草剂和化学制剂等。
对土壤肥力和环境的影响
硝化作用所产生的 N囶，由于不能被土壤胶体所吸附,除供植物吸收外,其余部分或随水流（径流和渗漏）离开土体，或经反硝化作用而还原为N2和N2O,逸入大气之中，造成大气环境污染和土壤氮的损失。尤其是在土壤大量施用铵态化学肥料（如硫铵和硝铵）以后,所产生的大量N囶和相当数量的N囯,一旦随水流进入饮用水中，不仅会促使水质向富营养化发展，滋生大量浮生生物，一旦进入动物体内，还会发生氧化血红蛋白症，阻碍体内氧的运输，对婴儿的威胁尤为严重。N囶及N囯还极易转化为亚硝胺(NH2NO2),已证明是一种致癌、致畸、甚至导致胎儿死亡的有害物质。
