在经历人类第一世纪以来的广泛研究,现在的微生物学家仍然不能完全了解硝化作用的真正反应机构,尤其是在第一阶段的硝化反应中,最初作用基质究竟是NH4+还是NH3依旧困惑不少人(Alleman,1994)。
大部份的教科书均表示硝化反应的起始基质形式(initial substrate form)是NH4+而不是NH3,但这种说法已经受到一些研究学者的怀疑,并且强烈表示事实可能正好相反,因为他们发现亚硝酸菌代谢氨的行为与一种「甲烷营养菌」(methanotrophic)代谢甲烷的行为非常相似(Alleman,1994)。
事实上,有越来越多的研究结果暗示分子态的氨才是硝化作用的「始作俑者」(the starting point),假设这种说法是正确的,我们可以把第一阶段硝化作用之反应机构描述如下(Alleman,1994):
(1)NH3+1/2 O2→NH2OH
(2)NH2OH+1/2 O2→NOH+H2O
(3)NOH+1/2 O2 → NO2-+H+
如果把上述三阶段反应用一全反应表示可写成如下反应式:
NH3+ 3/2 O2 → NO2- + H++H2O
上述反应可放出84 kcal‧mol-1的化学能供亚硝酸菌利用。执行这个反应的细菌通常为1Nitrosomonas europea、Nitrosomonas monocella与Nitrosococcus等菌种。
第二阶段硝化反应的争议性很少,可用下式表示:
NO2-+1/2 O2→NO3-
该反应可放出17.8kcal‧mol-1的化学能供硝酸菌利用。执行这个反应的细菌主要有Nitrobacter winocpina及Nitrocystis等菌种。
假使再把第一阶段和第二阶段的硝化作用联合起来,我们可以获得一个完整的硝化反应如下:
NH3+2O2→NO3-+H++2H2O
从这个完整的硝化反应中我们可以得到若干重要结论如下:(1)这个反应系由两种不同的细菌所进行的,须密切配合,才不致使反应的中间产物-NO2-滞留累积于水中。(2)硝化反应需要耗费大量的氧,以每公斤的氨氮核计,至少约需要4.5公斤的氧才够用。(3)反应中副产酸[H+],会使养殖用水逐渐酸化。(4)反应热相当大,总计约放热101.8 kcal‧mol-1,这些化学能不可能100%被硝化细菌所利用,必有少部份以热能的形式被养殖用水所吸收,因此会提高养殖用水的温度。