1. 硝化细菌概述
硝化细菌 ( Nitrifying bacteria ) 是一类好氧性细菌，包括亚硝酸菌和硝酸菌。生活在有氧的水中或砂层中，在氮循环水质净化过程中扮演着很重要的角色。硝化细菌属于自养型细菌，原核生物，形态多样如球形、杆状、螺旋形等，但均为无芽孢的革兰氏阴性菌；有些具鞭毛能运动，如亚硝化叶菌，借周身鞭毛运动；有些无鞭毛不能运动，如硝化刺菌。一般分布于土壤、淡水及海水中，部分菌种仅在海水中发现，如硝化球菌、硝化刺菌。
硝化细菌主要包括两种完全不同的代谢群，亚硝酸菌属( nitrosomonas ) 及硝酸菌属( nitrobacter )，亚硝酸菌包括亚硝化单胞菌属、亚硝化球菌属、亚硝化螺菌属和亚硝化叶菌属；硝酸菌包括硝化杆菌属、硝化球菌属和硝化囊菌属。两类菌均为专性好氧菌，在氧化过程中均以氧作为最终电子受体。大多数为专性化能合成自养型，不能在有机培养基上生长，如亚硝化单胞菌（Nitrosomonas）、亚硝化螺菌（Ni-trosospira）、亚硝化球菌（Nitrosococcus）、亚硝化叶菌（Ni-trosolobus）、硝化刺菌（Nitrospina）、硝化球菌（Nitrococcus）等。只有少数为兼性自养型，可以在某些有机培养基上生长，如维氏硝化杆菌（Nitrobacterwinogradskyi）的一些品系。
硝化细菌的生命活动：
亚硝酸细菌（又称氨氧化菌），将氨氧化成亚硝酸。
反应式：2NH3+3O2→2HNO2+2H2O
硝酸细菌（又称亚硝酸氧化菌），将亚硝酸氧化成硝酸。
反应式：HNO2 + 1/2 O2→HNO3
2. 硝化细菌与农业
亚硝酸细菌与硝酸细菌能分别从以上氧化过程中获得生长所需要的能量，但其能量利用率却不高，故生长较为缓慢，其平均代时（即细菌繁殖一代所需要的时间）在10小时以上。这两类菌通常生活在一起，可以有效避免亚硝酸盐在土壤中的积累，有利于机体正常生长。土壤中的氨或铵盐需在以上两类细菌的共同作用下才能转变为硝酸盐，从而增加植物可利用的氮素营养。时至今日，人们尚未发现一种硝化细菌能够直接把氨转变成硝酸，换言之，硝化作用必须通过这两类菌的共同作用才能完成。众所周知亚硝酸对于人体来说是有害的，这是因为亚硝酸与一些金属离子结合以后可以形成亚硝酸盐，而亚硝酸盐又可以和胺类物质结合，形成具有强烈致癌作用的亚硝胺。然而土壤中的亚硝酸转变成硝酸后，很容易形成硝酸盐，从而成为可以被植物吸收利用的营养物质。在硝化细菌的作用下土壤中往往会出现较多的酸性物质，这些酸性物质可以提高多种磷肥在土壤中的速效性和持久性，可以防治马铃薯疮痂病等植物病害，甚至可以使碱性土壤得到一定程度的改良。农业上可通过深耕、松土来提高细菌活力，从而增加土壤肥力。但硝酸盐也极易通过土壤渗漏进入地下水，成为一种潜在的污染源，对人类健康造成威胁。因此，农业上既可采用深耕、松土的方法提高细菌活力，亦可通过用施入氮肥增效剂（即硝化抑制剂），以降低土壤硝化细菌的活动，减低土壤氮肥的损失和对环境的污染。
3. 硝化细菌与水产养殖业
3.1 硝化细菌在水产的应用
目前的水产养殖特别是高密度养殖过程中，由于水中有机污染物含量过高、消毒杀菌剂消耗了大量硝化细菌生长所需的无机营养盐等因素，常常会导致水体中硝化细菌的数量严重不足。亚硝化细菌虽然也会面临同样的问题，但由于亚硝化细菌生长速率较快，所以当水体中的不利因素消除后，亚硝化细菌的数量很快就能得到恢复，因此一般情况下水体中并不缺乏。反之，硝化细菌的生长则很慢，一般繁殖一代约需20~40 h，依靠自然生长无法满足养殖水体的净化需求，因此需要人为补充。硝化细菌制剂可分为活菌及休眠菌两种，活菌制剂见效较迅速，适用于处理氨氮浓度较高的紧急情况，但是活菌需要在氧气充足的条件下才能生存，更由于硝化细菌不产生芽孢或孢子，如果制成液体或普通固体制剂，菌体很快就会死亡，对保存条件要求很高，保质期也很短。与活菌相比休眠菌制剂的保存期限则更长，且易于存储，使用方便，但是由于硝化细菌繁殖较慢，投放后可能需要4~5 h才可见效，所以休眠菌制剂更适合日常的水质管理或根据需要提前施加。硝化细菌使用前不需活化，也不需要用葡萄糖、红糖等来扩大培养，用水稀释后泼洒使用即可。
高密度高负荷的水产养殖环境下，很难防止养殖水体中过量氨氮的产生，通过提高硝化细菌的数量并保持其活性，可以有效消耗掉水体中大量的氨氮，从而保持养殖水环境的健康。硝化细菌安全无毒的特点不会对养殖环境和养殖动物构成任何威胁。通过有效保持水体中有益微生物的活力，氨氮等有害物质就不会大量累积，养殖水生态系统的稳定性就能获得保证。
3.2 硝化细菌生长的影响因素
影响硝化细菌生长速率的主要因素包括温度、溶氧量、pH值、有机污染物和无机营养盐含量等。硝化细菌在中性或弱碱性环境中生长情况最好，在酸性水质中的效果会变差，最适宜的pH值范围为7.5到9.0，最适宜的温度则是20℃~30℃之间。由于硝化反应是需氧反应，因此溶氧量低的池塘使用硝化细菌后应注意补充溶氧。硝化细菌生长除需要亚硝酸盐外，也需要其它无机营养盐与微量元素，如果水体长期没有补充过无机盐与微量元素，在使用硝化细菌前应进行适量补充。在池塘中施用硝化细菌后4~5 d内最好不要排水或减少排水。硝化细菌有附着于固定物表面的习性，投放的前几天细菌的繁殖还未进入高峰期，池壁等处附着的细菌量也较少，这时排水会排走大量的硝化细菌，影响净水效果。也可人工投入载体，如在投放硝化细菌时配合颗粒型底质改良剂同时泼洒，可使硝化细菌附着于载体上快速沉在水底而不易随水排走。
3.3 硝化细菌使用注意事项
首先，硝化细菌不能与消毒杀菌药剂同时使用。消毒剂在水产养殖过程中被广泛用来杀灭有害细菌，但目前常用的消毒剂均为广谱型杀菌剂，在杀灭有害细菌的同时，也会杀灭大量的有益菌，其中也包括硝化细菌。其它微生物如亚硝化细菌等由于生长速度较快，依靠自身繁殖短时间内数量便可恢复。但与之相比硝化细菌的生长速度则慢得多，养殖池塘水环境又不完全适合硝化细菌的生长，因此，硝化细菌生长所需的时间会更长。在养殖过程中如必须使用杀菌药剂，建议在消毒3~7 d后再添加硝化细菌，以维持水体中有益菌群的平衡。
其次，硝化细菌不能与化学增氧剂同时使用，如过氧化钙或过碳酸钠。这类强氧化剂会在水中分解出氧化性较强的氧原子，具有很强的杀菌作用，硝化细菌会被大量杀死，因此，在使用增氧剂1 d后再添加硝化细菌较为适宜。
最后，不同菌种的混合使用，维持水体健康的有益微生物种类很多，虽然硝化细菌可以和大多数微生物配合使用，但也有一些不适于一同使用的种类。要同时放养不同的净水细菌时，应该注意细菌之间的共容性。例如硝化细菌和光合细菌净化水质的过程互有抑制作用，硝化细菌为好氧菌而光合细菌为厌氧菌，一同使用可能会降低净化效果；蛭弧菌在消灭有害细菌的同时对硝化细菌也有裂解作用，也不可同时使用；另外芽孢杆菌、光合细菌等繁殖都很快，会增大菌种之间的营养成分竞争。如需共同使用这些微生物应根据需求分开投放，以减轻不利因素对其活性的影响。