微生物对氮的转化常被描述为一个循环，由六个不同氮转化过程组成，分别为同化、氨化、硝化、反硝化、厌氧氨氧化和固氮。氮转化过程的通量有很大的不同，氮循环并非是平衡的。

本文将介绍微生物对氮化合物的转化反应。

图1 氮转化流程图

固氮酶普遍分布在细菌和古生菌中，这使它们在生物可利用氮被消耗的环境中存在非常有利的竞争优势。总共有三种类型的固氮酶：铁-铁 (FeFe)、钒-铁 (VFe) 和钼-铁 (MoFe) 固氮酶，所有的固氮酶都是有两种物质组成，它们有相似的序列、结构和功能特性，但它们的金属辅因子不同。anfDGK，vnfDGK或nifDK分别编码含铁、钒或钼的固氮酶的催化成分。此外，anfH、vnfH或nifH 还编码含铁的电子转运蛋白。

图2 固氮反应催化酶

所有已知的好氧氨氧化细菌和古菌都是利用氨单加氧酶 (AMO) 将氨氧化为羟胺来激活氨。大多数氨氧化细菌属于β-变形菌和丙型变形菌纲，是能将氨氧化为亚硝酸盐的化能自养生物。许多氨氧化菌，如Nitrososphaera viennensis，也可以降解有机氮化合物。

氨的好氧氧化生成羟胺是一种吸能反应，好氧氨氧化细菌可以利用羟胺脱氢酶(HAO)将羟胺氧化成亚硝酸盐。研究表明，HAO的产物不是亚硝酸盐，而是一氧化氮，一氧化氮被一种未知的酶进一步氧化为亚硝酸盐。所有氨氧化细菌，包括新发现的能将氨氧化为硝酸盐的硝化螺旋菌，都含有AMO和HAO。

亚硝酸盐氧化是产生硝酸盐的主要生化途径，由亚硝酸盐氧化还原酶 (NXR)催化。好氧亚硝酸盐氧化细菌通过NXR直接将亚硝酸盐氧化，从而保存能量，而厌氧亚硝酸盐氧化细菌则不是这样。此外，厌氧氨氧化细菌可能耦合厌氧亚硝酸盐氧化和碳固定。亚硝酸盐氧化细菌在代谢上是万能的，可以在亚硝酸盐以外的基质上生长。

来自所有三个生命领域的微生物都能将硝酸盐异化还原为亚硝酸盐。反应由膜结合硝酸还原酶 (NAR) 或周质硝酸还原酶 (NAP) 催化。许多生物，包括Paracoccus denitrificans，同时含有NAP和NAR。NAR降低了细胞质中的硝酸盐，并向细胞周质释放质子，从而通过质子动力节约能源。与之相对，NAP在周质中将硝酸盐还原为亚硝酸盐，因此不转运质子。

图3 酶催化硝酸盐还原反应

大多数细菌谱系都能将亚硝酸盐异化还原为铵，该反应是由nrfAH编码的周质细胞色素c亚硝酸盐还原酶 (ccNIR)、八血红素亚硝酸还原酶 (ONR) 或八面体血红素连四硫酸盐还原酶 (OTR) 催化的。厌氧氨氧化细菌K. stuttgartiensis可以将亚硝酸盐还原为铵，但缺乏已知的产铵亚硝酸盐还原酶。推测亚硝酸盐还原为铵可能是由一种类HAO蛋白完成的。

许多微生物具有将亚硝酸盐还原为一氧化氮的能力，这些微生物存在于硝酸盐可利用且含氧量低的环境中。该反应可由两种位于细胞周质的酶催化:含血红素的cd1亚硝酸盐还原酶 (cd1-NIR;由nirS编码) 和含铜的亚硝酸盐还原酶 (Cu-NIR;由nirK编码)，两者在细菌和古菌中广泛存在。在环境研究中，nirS和nirK通常作为反硝化菌的基因标记。

一氧化氮是一种信号分子，一种毒素，也是反硝化、硝化和厌氧氨氧化过程的中间体。此外，执行氧反硝化作用的细菌可以将两分子的一氧化氮变成一分子的氮气和一分子的氧气。微生物一氧化氮的还原是一氧化二氮的主要来源，一氧化二氮是一种强大的温室气体(比二氧化碳温室效应强烈310倍)，也是臭氧层的主要破坏物质。

微生物将氧化亚氮还原为氮气是这种强大的温室气体的主要吸收源。唯一已知的催化这一反应的酶是一氧化二氮还原酶(NOS)，位于周质。长期以来，人们认为NOS对氧、pH和硫化物的敏感性高于其他氮氧化物还原酶。基于这种明显的敏感性，氧化亚氮向环境中的排放完全归因于在能够使硝酸盐被还原为氮气的完全反硝化菌生物体内NOS的活性被抑制。

人们普遍认为只有氧气才能激活氨气，而生物可利用氮的损失只有通过反硝化作用被转化为氮气。然而最近以亚硝酸盐作为终端电子受体转化成氮气的厌氧氨氧化反应却推翻了这两种观点。HZS是唯一已知的可以厌氧激活氨的酶，也是唯一已知的可以使两种离散的氮化合物形成N-N化合键的酶，在两步反应中会产生中间产物联氨。而联氨合成的假设机制是从一氧化氮还原为羟胺开始的，然后羟胺和氨反应产生联氨。在这种反应中，羟胺从一个活动位点转移到另一个活动位点，这样在联氨合成酶HZS的作用下消耗羟胺。联氨脱氢酶 (HDH) 可以将联氨氧化成氮气。

图4 酶参与联氨合成和氧化为氮气过程

确定形成氮转化网络的因素需要对相关微生物的生理学有更深入的了解，并对其生态学和进化有更深入的了解。毫无疑问，根据经典的六个氮循环过程来分类生物将变得越来越困难，微生物的代谢具有复杂性，为了生存，他们将不惜一切代价。