กระบวนการ ดีไนตริฟิเคชันเป็นกระบวนการที่อาศัยจุลินทรีย์ในการกำจัดไนเตรต ( NO₃⁻)−3ไนโตรเจน จะถูกลดลงและในที่สุดจะผลิตไนโตรเจน โมเลกุล (N₂ ₎ผ่านชุดของก๊าซไนโตรเจนออกไซด์ที่เป็นผลิตภัณฑ์ขั้นกลาง แบคทีเรียที่สามารถดำรงชีวิตได้ทั้งในสภาวะที่มีออกซิเจนและไม่มีออกซิเจนจะทำการดีไนตริฟิเคชันซึ่งเป็นรูปแบบหนึ่งของการหายใจที่ลดไนโตรเจนในรูปออกซิไดซ์เพื่อตอบสนองต่อการออกซิเดชันของตัวให้电子เช่นสารอินทรีย์ตัวรับ电子ของไนโตรเจนที่เหมาะสมที่สุดตามลำดับจากที่เหมาะสมทางอุณหพลศาสตร์มากที่สุดไปจนถึงน้อยที่สุด ได้แก่ไนเตรต ( NO₃⁻)−3ไนไตรต์ ( NO )−2กระบวนการ ดีไนตริฟิ เค_ชัน จะเกิดขึ้น เมื่อไนตริกออกไซด์ (NO) และไนตรัสออกไซด์ ( N₂O ) ตามลำดับ และสุดท้ายจะเกิดเป็นN₂ซึ่งเป็นการครบวงจร ของวัฏจักร ไนโตรเจน จุลินทรีย์ที่ทำการดีไนตริฟิเคชันต้องการความเข้มข้นของออกซิเจนต่ำมาก คือ น้อยกว่า 10% และต้องการ_{คาร์บอน}อินทรีย์เพื่อเป็นพลังงาน เนื่องจากกระบวนการดีไนตริฟิเคชันสามารถกำจัดNO ได้−3การลดการรั่วไหล ของไนโตรเจน ลงสู่แหล่งน้ำใต้ดิน ทำให้สามารถใช้กระบวนการนี้ในการบำบัดน้ำเสียหรือกากของเสียจากสัตว์ที่มีไนโตรเจนสูงได้อย่างมีประสิทธิภาพ อย่างไรก็ตาม กระบวนการดีไนตริฟิเคชันอาจทำให้เกิดการรั่วไหล_ของ N₂O ซึ่งเป็นสารที่ทำลายชั้นโอโซนและเป็นก๊าซเรือนกระจกที่ส่งผลกระทบอย่างมากต่อภาวะโลกร้อน

กระบวนการนี้ดำเนินการโดยแบคทีเรียเฮเทอโรโทรฟิก เป็นหลัก (เช่นParacoccus denitrificansและpseudomonads หลายชนิด ) ^{[ 1 ]}แม้ว่าจะมีการระบุแบคทีเรียดีไนตริไฟเออร์แบบออโตโทรฟิกด้วย (เช่นThiobacillus denitrificans ) ^{[ 2 ]}แบคทีเรียดีไนตริไฟเออร์มีอยู่ในกลุ่มวิวัฒนาการหลักทั้งหมด^{[ 3 ]}โดยทั่วไป แบคทีเรียหลายชนิดมีส่วนเกี่ยวข้องในการลดNO อย่างสมบูรณ์−3ถึงN ₂และมีการระบุเส้นทางเอนไซม์มากกว่าหนึ่งเส้นทางในกระบวนการลด^{[ 4 ]} กระบวนการดีไนตริฟิเคชันไม่เพียงแต่ให้พลังงานแก่สิ่งมีชีวิตที่ทำการลดไนเตรตเป็นก๊าซไดไนโตรเจนเท่านั้น แต่ซีลิเอตแบบไม่ใช้ออกซิเจนบางชนิดยังสามารถใช้เอนโดซิมไบออนต์ที่ทำการดีไนตริฟิเคชัน เพื่อรับพลังงานได้เช่นเดียวกับการใช้ไมโตคอนเดรียในสิ่งมีชีวิตที่หายใจด้วยออกซิเจน^{[ 5 ]}

การลดไนเตรตโดยตรงเป็นแอมโมเนียมซึ่งเป็นกระบวนการที่เรียกว่าการลดไนเตรตแบบไม่สมบูรณ์เป็นแอมโมเนียม^{หรือ DNRA [ 6 ] ก็เป็นไปได้สำหรับสิ่งมีชีวิตที่มียีน nrf- [} 7 ] ^{[ 8 ]}วิธีนี้พบได้^{น้อยกว่าการลดไน}เตรตในระบบนิเวศส่วนใหญ่ในฐานะวิธีการลดไนเตรต ยีนอื่นๆ ที่รู้จักในจุลินทรีย์ที่ลดไนเตรต ได้แก่nir ( ไนไตรต์รีดักเทส ) และnos ( ไนตรัสออกไซด์รีดักเทส ) และอื่นๆ^{[ 3 ]}สิ่งมีชีวิตที่ระบุว่ามียีนเหล่านี้ ได้แก่Alcaligenes faecalis , Alcaligenes xylosoxidans , หลายชนิดในสกุลPseudomonas , Bradyrhizobium japonicumและBlastobacter denitrificans ^{[ 9 ]}

โดยทั่วไป กระบวนการดีไนตริฟิเคชันจะเกิดขึ้นผ่านปฏิกิริยาครึ่งหนึ่งต่อไปนี้ โดยเอนไซม์ที่เร่งปฏิกิริยาจะอยู่ในวงเล็บ:

• NO ₃ ⁻ + 2 H ⁺ + 2 e ⁻ → NO₂⁻ + H ₂ O ( ไนเตรต รีดักเทส )
• เลขที่₂⁻ + 2 H ⁺ + e ⁻ → NO + H ₂ O ( ไนไตรต์รีดักเทส )
• 2 NO + 2 H ⁺ + 2 e ⁻ → N₂O + H ₂ O ( ไนตริกออกไซด์รีดักเทส )
• เอ็น₂O + 2 H ⁺ + 2 e ⁻ → N₂+ H ₂ O ( ไนตรัสออกไซด์รีดักเทส )

กระบวนการทั้งหมดสามารถแสดงได้ในรูป ปฏิกิริยา ออกซิเดชัน- รีดักชันที่สมดุลสุทธิ โดยที่ไนเตรต (NO₃⁻ ₎ ^จะถูกรีดิวซ์อย่างสมบูรณ์จนกลายเป็นไดไนโตรเจน (N₂ ₎ :

• 2 NO ₃ ⁻ + 10 e ⁻ + 12 H ⁺ → N ₂ + 6 H ₂ O

ในธรรมชาติ การลดไนเตรตสามารถเกิดขึ้นได้ทั้งในระบบนิเวศ บนบกและ ใน ทะเล ^{[ 10 ]}โดยทั่วไป การลดไนเตรตจะเกิดขึ้นในสภาพแวดล้อมที่ปราศจากออกซิเจน ซึ่งความเข้มข้นของออกซิเจนที่ละลายและพร้อมใช้งานจะลดลง ในบริเวณเหล่านี้ ไนเตรต (NO ₃ ⁻ ) หรือไนไตรต์ ( NO )₂⁻ ) สามารถใช้เป็นตัวรับอิเล็กตรอนปลายทางทดแทนออกซิเจน (O ₂ ) ซึ่งเป็นตัวรับอิเล็กตรอนที่มีพลังงานเหมาะสมกว่า ตัวรับอิเล็กตรอนปลายทางคือสารประกอบที่ถูกลดลงในปฏิกิริยาโดยการรับอิเล็กตรอน ตัวอย่างของสภาพแวดล้อมที่ปราศจากออกซิเจน ได้แก่^{ดิน [} 11 ] ^{น้ำใต้ดิน[} 12 ] ^{พื้นที่ชุ่ม}น้ำแหล่งกักเก็บน้ำมัน^{[ 13 ]}มุมมหาสมุทรที่มีการระบายอากาศไม่ดี และ^{ตะกอน}ใต้ทะเล

นอกจากนี้ การลดไนเตรตยังสามารถเกิดขึ้นได้ในสภาพแวดล้อมที่มีออกซิเจนด้วย สามารถสังเกตกิจกรรมการลดไนเตรตในระดับสูงได้ในเขตน้ำขึ้นน้ำลง ซึ่งวัฏจักรน้ำขึ้นน้ำลงทำให้ความเข้มข้นของออกซิเจนในตะกอนทรายชายฝั่งผันผวน^{[ 14 ]}ตัวอย่างเช่น แบคทีเรียสายพันธุ์Paracoccus denitrificansมีส่วนร่วมในการลดไนเตรตภายใต้สภาวะที่มีออกซิเจนและไม่มีออกซิเจนพร้อมกัน เมื่อสัมผัสกับออกซิเจน แบคทีเรียจะสามารถใช้ไนตรัสออกไซด์รีดักเทส ซึ่งเป็นเอนไซม์ที่เร่งปฏิกิริยาขั้นตอนสุดท้ายของการลดไนเตรต^{[ 15 ]}แบคทีเรียที่ลดไนเตรตแบบใช้ออกซิเจนส่วนใหญ่เป็นแบคทีเรียแกรมลบในไฟลัม Proteobacteria เอนไซม์ NapAB, NirS, NirK และ NosZ ตั้งอยู่ในเพริพลาสม์ ซึ่งเป็นพื้นที่กว้างที่ล้อมรอบด้วยไซโตพลาสมิกและเยื่อหุ้มชั้นนอกในแบคทีเรียแกรมลบ^{[ 16 ]}

ปัจจัยด้านสิ่งแวดล้อมที่หลากหลายสามารถส่งผลต่ออัตราการดีไนตริฟิเคชันในระดับระบบนิเวศ ตัวอย่างเช่น พบว่าอุณหภูมิและค่า pH มีผลต่ออัตราการดีไนตริฟิเคชัน ในแบคทีเรียสายพันธุ์Pseudomonas mandelii การแสดงออกของยีนดีไนตริฟิเค ชันลดลงที่อุณหภูมิต่ำกว่า 30 °C และค่า pH ต่ำกว่า 5 ในขณะที่กิจกรรมส่วนใหญ่ไม่ได้รับผลกระทบระหว่างค่า pH 6–8 ^{[ 17 ]}คาร์บอนอินทรีย์ในฐานะผู้ให้อิเล็กตรอนเป็นสารอาหารจำกัดทั่วไปสำหรับการดีไนตริฟิเคชันดังที่พบในตะกอนเบนทิกและพื้นที่ชุ่มน้ำ^{[ 18 ] [ 19 ]}ไนเตรตและออกซิเจนก็อาจเป็นปัจจัยจำกัดสำหรับการดีไนตริฟิเคชันได้เช่นกัน แม้ว่าออกซิเจนจะมีผลจำกัดที่สังเกตได้เฉพาะในดินเปียกเท่านั้น^{[ 20 ]}ออกซิเจนน่าจะส่งผลต่อการดีไนตริฟิเคชันในหลายวิธี เนื่องจากแบคทีเรียดีไนตริฟิเคชันส่วนใหญ่เป็นแบบไม่จำกัด ออกซิเจนสามารถยับยั้งอัตราได้ แต่ก็สามารถกระตุ้นการดีไนตริฟิเคชันได้โดยการอำนวยความสะดวกในการเกิดไนตริฟิเคชันและการผลิตไนเตรต ในพื้นที่ชุ่มน้ำและทะเลทราย^{[ 21 ]}ความชื้นเป็นข้อจำกัดด้านสิ่งแวดล้อมต่ออัตราการเกิดดีไนตริฟิเคชัน

นอกจากนี้ ปัจจัยด้านสิ่งแวดล้อมยังสามารถส่งผลต่อว่ากระบวนการดีไนตริฟิเคชันจะดำเนินไปจนเสร็จสมบูรณ์หรือไม่ ซึ่งมีลักษณะเฉพาะคือการลด NO ₃ ⁻ให้เป็น N ₂ อย่างสมบูรณ์ แทนที่จะปล่อย N ₂ O ออกมาเป็นผลิตภัณฑ์สุดท้าย ค่า pH และเนื้อดินเป็นปัจจัยที่สามารถควบคุมกระบวนการดีไนตริฟิเคชันได้ โดยค่า pH ที่สูงขึ้นจะทำให้ปฏิกิริยาเกิดขึ้นอย่างสมบูรณ์มากขึ้น^{[ 22 ]}องค์ประกอบของสารอาหาร โดยเฉพาะอัตราส่วนของคาร์บอนต่อไนโตรเจน เป็นปัจจัยสำคัญที่ทำให้กระบวนการดีไนตริฟิเคชันสมบูรณ์^{[ 23 ]}โดยอัตราส่วน C:N 2:1 สามารถช่วยให้การลดไนเตรตสมบูรณ์ได้โดยไม่คำนึงถึงอุณหภูมิหรือแหล่งคาร์บอน^{[ 24 ]}ทองแดง ซึ่งเป็นโคแฟคเตอร์สำหรับไนไตรต์รีดักเทสและไนตรัสออกไซด์รีดักเทสยังช่วยส่งเสริมกระบวนการดีไนตริฟิเคชันให้สมบูรณ์เมื่อเติมเป็นสารเสริม^{[ 25 ]}นอกจากสารอาหารและภูมิประเทศแล้ว องค์ประกอบของชุมชนจุลินทรีย์ยังสามารถส่งผลต่ออัตราส่วนของการลดไนเตรตอย่างสมบูรณ์ โดยไฟลัมโปรคาริโอตActinomycetotaและThermoproteotaมีส่วนรับผิดชอบต่อการปล่อย N ₂มากกว่า N ₂ O เมื่อเทียบกับโปรคาริโอตอื่นๆ^{[ 26 ]}

กระบวนการดีไนตริฟิเคชันสามารถนำไปสู่สภาวะที่เรียกว่าการแยกไอโซโทปในสภาพแวดล้อมของดิน ไอโซโทปเสถียรสองชนิดของไนโตรเจน ได้แก่^14Nและ^15Nพบได้ในโปรไฟล์ตะกอน ไอโซโทปไนโตรเจนที่เบากว่า^14Nจะถูกเลือกใช้ในระหว่างกระบวนการดีไนตริฟิเคชัน ทำให้ไอโซโทปไนโตรเจนที่หนักกว่า 15N เหลืออยู่^{ใน สารตกค้าง ความสามารถในการเลือกนี้ทำให้ 14N}มีความเข้มข้น ในชีว มวลมากกว่า^{15N [ 27 ]}นอกจากนี้ ยังสามารถวิเคราะห์ความอุดมสมบูรณ์สัมพัทธ์ของ^14Nเพื่อแยกแยะกระบวนการดีไนตริฟิเคชันออกจากกระบวนการอื่นๆ ในธรรมชาติได้

การลดไนเตรตมักใช้เพื่อกำจัดไนโตรเจนจากน้ำเสียและน้ำทิ้ง จากเทศบาล นอกจากนี้ยังเป็นกระบวนการสำคัญในพื้นที่ชุ่มน้ำที่สร้างขึ้น^{[ 28 ]}และเขตริมน้ำ^{[ 29 ]}เพื่อป้องกันมลพิษของน้ำใต้ดิน จากไนเตรตที่เกิดจาก การใช้ปุ๋ยทางการเกษตรหรือปุ๋ยเคมีมากเกินไป^{[ 30 ]}เครื่องปฏิกรณ์ชีวภาพจากเศษไม้ได้รับการศึกษามาตั้งแต่ปี 2000 และมีประสิทธิภาพในการกำจัดไนเตรตจากน้ำไหลบ่าทางการเกษตร^{[ 31 ]}และแม้กระทั่งปุ๋ยคอก^{[ 32 ]}

การลดลงภายใต้สภาวะไร้ออกซิเจนยังสามารถเกิดขึ้นได้ผ่านกระบวนการที่เรียกว่าการออกซิเดชันแอมโมเนียมแบบไม่ใช้ออกซิเจน ( anammox ): ^{[ 33 ]}

NH₄⁺ ⁺ NO₂⁻ ^→ N₂ + 2H₂O_​​​​

ในโรงบำบัดน้ำเสีย บางแห่ง จะมีการเติมสารประกอบต่างๆ เช่นเมทานอลเอทานอลอะซิเตตกลีเซอรีน หรือผลิตภัณฑ์เฉพาะลงในน้ำเสียเพื่อเป็นแหล่งคาร์บอนและอิเล็กตรอนสำหรับแบคทีเรียที่ทำหน้าที่ดีไนตริฟิเคชัน ^{[ 34 ]}ระบบนิเวศของจุลินทรีย์ในกระบวนการดีไนตริฟิเคชันที่ได้รับการออกแบบนั้นขึ้นอยู่กับลักษณะของตัวให้อิเล็กตรอนและสภาวะการทำงานของกระบวนการ^{[ 35 ] [ 36 ]} กระบวนการดีไนตริ ฟิ เคชันยังใช้ในการบำบัดน้ำเสียจากอุตสาหกรรม อีกด้วย ^{[ 37 ]}มีเครื่องปฏิกรณ์ชีวภาพดีไนตริฟิเคชันหลายประเภทและหลายแบบวางจำหน่ายในเชิงพาณิชย์สำหรับการใช้งานในอุตสาหกรรม รวมถึงเครื่องปฏิกรณ์ชีวเคมีไฟฟ้า (EBRs)เครื่องปฏิกรณ์ชีวภาพแบบเมมเบรน (MBRs) และเครื่องปฏิกรณ์ชีวภาพแบบเตียงเคลื่อนที่ (MBBRs)

การลดไนเตรตแบบใช้ออกซิเจน ซึ่งดำเนินการโดยแบคทีเรียที่ลดไนเตรตแบบใช้ออกซิเจน อาจมีศักยภาพในการกำจัดความจำเป็นในการใช้ถังแยกและลดปริมาณตะกอนที่เกิดขึ้น ข้อกำหนดเกี่ยวกับความเป็นด่างมีความเข้มงวดน้อยลง เนื่องจากความเป็นด่างที่เกิดขึ้นระหว่างการลดไนเตรตสามารถชดเชยการใช้ความเป็นด่างในกระบวนการไนตริฟิเคชันได้บางส่วน^{[ 16 ]}

วิธีการที่ไม่ใช่ชีวภาพหลากหลายวิธีสามารถกำจัดไนเตรตได้ ซึ่งรวมถึงวิธีการที่สามารถทำลายสารประกอบไนโตรเจน เช่น วิธีทางเคมีและทางไฟฟ้าเคมี และวิธีการที่ถ่ายโอนไนเตรตไปยังกระแสน้ำเสียที่มีความเข้มข้นสูงอย่างเลือกสรร เช่น การแลกเปลี่ยนไอออนหรือรีเวิร์สออสโมซิส การกำจัดไนเตรตทางเคมีสามารถเกิดขึ้นได้ผ่านกระบวนการออกซิเดชันขั้นสูง แม้ว่าอาจจะก่อให้เกิดผลพลอยได้ที่เป็นอันตรายก็ตาม^{[ 38 ]}วิธีการทางไฟฟ้าเคมีสามารถกำจัดไนเตรตได้โดยใช้แรงดันไฟฟ้าที่ใช้กับอิเล็กโทรด โดยปกติการย่อยสลายจะเกิดขึ้นที่แคโทด วัสดุแคโทดที่มีประสิทธิภาพ ได้แก่ โลหะทรานซิชัน โลหะหลังทรานซิชัน^{[ 39 ]}และสารกึ่งตัวนำ เช่น TiO ₂ ^{[ 40 ]} วิธีการทางไฟฟ้าเคมีมักจะหลีกเลี่ยงการใช้สารเคมีเติมแต่งที่มีราคาแพง แต่ประสิทธิภาพของ วิธีการนี้อาจถูกจำกัดด้วยค่า pH และไอออนที่มีอยู่ รีเวิร์สออสโมซิสมีประสิทธิภาพสูงในการกำจัดสารละลายที่มีประจุขนาดเล็ก เช่น ไนเตรต แต่ก็อาจกำจัดสารอาหารที่ต้องการ สร้างน้ำเสียปริมาณมาก และต้องใช้แรงดันสูบน้ำที่เพิ่มขึ้น การแลกเปลี่ยนไอออนสามารถกำจัดไนเตรตออกจากน้ำได้อย่างเลือกสรรโดยไม่ต้องมีของเสียจำนวนมาก^{[ 41 ]}แต่จำเป็นต้องมีการสร้างใหม่และอาจเผชิญกับความท้าทายในการดูดซับไอออนที่ไม่ต้องการ

• การลดไนเตรตแบบใช้ออกซิเจน
• การหายใจแบบไม่ใช้ออกซิเจน
• การบำบัดทางชีวภาพ
• การเปลี่ยนแปลงสภาพภูมิอากาศ
• ภาวะขาดออกซิเจน (จากสิ่งแวดล้อม)
• การตรึงไนโตรเจน
• กระบวนการไนตริฟิเคชัน-ดีไนตริฟิเคชันพร้อมกัน