[自然科学]氮素的地球循环

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1、氮素的地球循环课题组成员www.themegallery.comCompanyLogo氮素的地球循环总体上来讲，地球氮循环的主要环节包括①大气中的氮气可通过三条途径被“固定”。②生物群落中的氮素传递，是以有机氮形式通过生物的同化作用实现的。③动植物遗体、排出物(如尿素等)、残落物中的有机氮，通过微生物的氨化作用及硝化作用转变成为植物再度利用的形式。④在氧气不足的条件下，土壤中的硝酸盐被反硝化细菌等多种微生物还原成亚硝酸盐，并且进一步还原成分子态氮，分子态氮则返回到大气中。www.themegallery.comCompanyLogoCont

2、ents固氮作用1氮素在动植物体内的动态变化2微生物的氨化、硝化与反硝化作用3生物脱氮作用4在此氮素流动过程的基础上结合不同生物类别的不同角色,并且结合环境工程专业的应用来综合考虑,可以从以下四个方面介绍：www.themegallery.comCompanyLogo固氮作用生态系统含氮化合物分子态氮自然界中的氮素主要以分子氮的形式存在，分子氮(N2)在大气中的含量很丰富，约占78％(V(N2)／V(空气))但绝大多数生物无法直接利用。只有当游离氮被“固定”成为含氮化合物后才能被这些生物吸收利用，使氮成为活细胞的一部分并进入生态系统中的食物

3、链。固氮作用www.themegallery.comCompanyLogo固氮人工固氮天然固氮生物固氮www.themegallery.comCompanyLogo天然固氮大自然中的一些自然现象也为固氮作用提供了条件，雷雨天气的闪电，通过电离作用，使大气中的氮氧化成硝酸盐，硝酸盐由雨水带入土壤。研究表明，一次闪电能够产生80～1500kg的一氧化氮。另外，当火山喷发时喷射出的岩浆，由于处于高温条件下也可以固定大气中部分的氮。www.themegallery.comCompanyLogo人工固氮工业上通常用H2和N2在催化剂、高温、高压下合成

4、氨卢嘉锡合成氨主要消费部门为化肥工业高分子化工、火炸药工业目前,合成氨年总消费量(以N计)约为78.2Mt，其中工业用氨量约为10Mt，约占总氨消费量的12％www.themegallery.comCompanyLogo生物固氮生物固氮：即分子态氮在生物体内还原为氨的过程。大气中90％以上的分子态氮都是通过固氮微生物的作用被还原为氨的。生物固氮是固氮微生物的一种特殊的生理功能，已知具固氮作用的微生约近50个属。包括细菌、放线菌和蓝细菌（即蓝藻）。它们的生活方式、固氮作用类型有较大区别，但细胞内都具有固氮酶。细菌放线菌蓝细菌固氮酶www.th

5、emegallery.comCompanyLogo生物固氮另外根据固氮微生物与高等植物的关系，可分为自生固氮菌、共生固氮菌以及联合固氮菌。其所进行的固氮作用分别称为自生固氮，共生固氮或联合固氮。共生固氮菌自生固氮菌克雷伯氏菌属联合固氮菌www.themegallery.comCompanyLogo固氮酶还原分子氮成为氨的作用是由双组分固氮酶(dnitroRenase)复合体催化的，其中一种组分为固氮酶，经测定含有铁(Fe)和钼(Mo)，因此一般认为不同固氮微生物的固氮酶均由钼铁蛋白和铁蛋白组成。另外一种组分为固氮酶还原酶，经测定只含有铁(F

6、e)，而没有钼。特别指明的是固氮酶对氧极其敏感，所以固氮需要有严格厌氧的微环境。另外，固氮时还需要有Mg2+的存在。应该指出，固氮酶对N2不是专一的，它也可还原其他一些化合物，如C2H2→C2H4；2H+N20→N2十H20；HCN→CH4十NH3十[CH3NH2]。特别是其中还原乙炔的反应，灵敏度高，测定简便，只要将样品(可以是土壤、水、培养物或细胞提取物)与乙炔一起保温，然后用气相色谱分析所产生的乙烯就可测知酶活力。所以乙炔还原法成了当今固氮研究中测定纯酶制剂固氮活力和天然固氮系统固氮活力的一种常规方法。www.themegallery

7、.comCompanyLogo固氮反应固氮是还原分子氮的过程，所以需要消耗大量的能量和还原力。固氮所需要的能量是以ATP形成供应的。固定1mol分子氮需耗费18—24nol/l的ATP。还原力(H)以还原型吡啶核苷酸[NAD(P)H+H+]或者铁氧还蛋白(Fd.2H)的形式提供。能量与还原力由有氧呼吸、无氧呼吸、发酵或光合作用提供。固氮作用过程十分复杂，目前还不完全清楚。各种固氮微生物进行固氮作用的总反应可以用下式表示固氮酶www.themegallery.comCompanyLogo固氮过程目前一般认为可以把固氮分为以下两个阶段：固氮酶的

8、形成：①还原型吡啶核苷酸的电子经载体黄素氧还蛋白传递到组分Fe-蛋白的铁原子上形成还原型Fe-蛋白.②它先与ATP—Mg结合生成变构的Fe-蛋白—Mg-ATP复合物；③然后再与此