氮循环及维氏固氮菌等在自然界氮转换中的作用介绍

氮循环及维氏固氮菌等在自然界氮转换中的作用介绍

自然界中，氮的有关情况如下：氮循环是描述氮单质及含氮化合物相互间转换过程的，属于生态系统的物质循环，氮在自然界有循环转化过程，这是生物圈内基本的物质循环之一，像大气中的氮经微生物等作用进入土壤，供动植物利用，最终在微生物参与下返回大气，如此反复循环无尽。空气中约含78%氮气，氮元素占大部分，氮是许多生物过程基本元素，存在于所有构成蛋白质的氨基酸中，还是构成如DNA等核酸的四种基本元素之一。植物中，大量氮素用于制造供植物生长光合作用的叶绿素分子。加工或固定，是将气态游离态氮转变为可被有机体吸收的化合态氮的必经过程。一部分氮素由闪电固定，绝大部分由非共生或共生固氮细菌固定，这些细菌有固氮酶可促氮气和氢化合成氨，生成的氨再经一系列转化成为自身组织一部分。某些固氮细菌如根瘤菌，寄生在豆科植物如豌豆或蚕豆根瘤中，与植物建立互利共生关系，为植物生产氨换糖类，所以栽种豆科植物可使氮素贫瘠土地变肥沃，还有其他植物也可供建立这种共生关系。其他植物靠根系从土壤吸收硝酸根离子或铵离子获取氮素。动物体内所有氮素均从食物链中进食植物获得。氨来源于腐生生物分解死亡动植物器官，被用作制造铵离子(NH4+)。在富含氧气土壤中，这些离子先被亚硝化细菌转化为亚硝酸根离子(NO2-)，再被硝化细菌转化为硝酸根离子(NO3-)，铵的两步转化过程叫氨化作用。铵对鱼类剧毒，所以必须严密监控废水处理植物排放水中铵的浓度，为避免鱼类死亡损失，排放前应对水中铵进行硝化处理，在陆地为硝化细菌通风提供氧气进行硝化作用成为有效解决办法。铵离子易被固定在土壤尤其腐殖质和粘土中，而硝酸根离子和亚硝酸根离子因自身负电性更不易被固定在正离子交换点多于负离子的土壤中。雨后或灌溉后，硝酸根和亚硝酸根等可溶性离子移动而流失到地下水情况常见。地下水中硝酸盐含量提高关乎饮用水安全，因水中过量硝酸根离子会影响婴幼儿血液氧浓度导致高铁血红蛋白症或蓝婴综合征(Blue-baby )。若地下水流向溪川，富硝酸盐地下水会导致地面水体富营养化，使蓝藻菌等藻类大量繁殖，水生生物因缺氧大量死亡。硝酸盐虽不像铵对鱼类有毒，但可通过富营养化间接影响鱼类生存，氮素已导致一些水体富营养化问题。从2006年起，英国和美国对氮肥使用限制更严，磷肥使用也受同样限制，这些措施普遍被认为是为治理恢复被富营养化水体而采取的。在无氧（低氧）条件下，厌氧细菌会发生“反硝化作用”，最终将硝酸中氮成分还原成氮气归还大气。氮气(N2)转化有三种将游离态N2（大气中氮气）转化为化合态氮的方法：生物固定–一些共生细菌（主要与豆科植物共生）和一些非共生细菌能固氮并以有机氮形式吸收。工业固氮–哈伯-博施法中，N2与氢气化合生成氨(NH3)肥。化石燃料燃烧–主要由交通工具引擎和热电站以NOx形式产生。另外，闪电可使N2和O2化合形成NO，是大气化学重要过程，但对陆地和水域氮含量影响不大。因豆科植物（特别是大豆、紫苜蓿和苜蓿）广泛栽种、哈伯-博施法生产化学肥料以及交通工具和热电站释放含氮污染成分，人类使每年进入生物利用形态的氮素提高不止一倍，这导致的富营养作用已对湿地生态系统造成破坏。