微生物在环境物质循环和污染物转化中的作用—氮循环

自然界中的氮素循环的原理
于是整个氮素循环完成，氮素循环包括固氮作用、氨化 作用、硝化作用和反硝化作用。
自然界中的氮素循环的原理
微生物
有机氮
无机氮 微生物 无机氮
植物及微生物的固定
微生物
微生物 无机氮
微生物 氮气
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自然界中的氮素循环的原理
理解了自然界氮素循环的原理，将为我们在今后学习含 氮污染物的生物降解奠定基础。
生物固氮
生物固氮是指大气中的分子氮通过微生物固氮酶的催 化而还原成氨的过程。
生物界只有原核微生物才具有固氮能力。 每年生物固氮的总量占地球上固氮总量的90%左右。
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2. 氨化作用
有机态N被微生物降解形成NH3的过程。
蛋白酶 蛋白质 水解 肽
肽酶 水解
氨基酸 降解 NH3
尿酶
CO(NH2)2+2H2O
(NH4)2CO3
氧化、水解、 还原脱氨基作用
2NH3+CO2+H2O 15
含氮有机物主要有：蛋白质、尿素、尿酸、核酸、几丁质、 氨基酸、胆碱等。
常将有机N转化成氨态和硝态氮的过程统称为矿化作用。 氨化菌主要有：芽孢杆菌、梭菌、色杆菌、变形杆菌、假单
胞菌、放线菌以及曲霉、青霉、毛霉、根霉等。
地球上固氮作用的途径有三种：生物固氮、大气固氮和工业 固氮。
在20世纪以前，土壤中的氮都是在自然氮循环过程中来自大 气。大气中含氮78%，主要通过生物固氮和大气放电固氮进 入土壤。
闪电等高空瞬间放电产生高能，使空气中的氮与水中的氢结 合，形成氨和硝酸。
工业固氮(化学法) 是在高温、高压条件下把氮气转变为氨。 13
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3. 硝化作用
土壤或水体中的氨态氮，在有氧条件下，经自养细菌的 氧化成为硝酸态氮的作用。
分两个阶段： – 亚硝化作用：氨氧化为亚硝酸 – 硝酸化作用：亚硝酸氧化为硝酸
NH4+亚硝化细菌NO2- 硝化细菌硝 NO3-
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影响硝化作用的环境因素
(1) pH值：适宜微碱性 (2) 温度：4-40℃，最适：25-35℃ (3) 通气：需氧 (4) 湿度：过量影响通气，不足引起细胞缺水。
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反硝化作用的意义
反硝化作用引起土壤氮素损失，是土壤和氮素化肥损失的 重要原因之一。
反硝化产物(N2O或NO)有破坏O3的可能性。 但从自然界氮素循环角度看，它又是不可缺少的一种作用。 硝化和反硝化联合作用，是进行污水深度处理—生物脱氮
的原理所在。
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N循环过程
小结
微生物在自然界的氮循环中，把复杂的有机物逐步分解 为无机物，最终以无机物的形式返还给自然界。
氮循环的原理及应用
主要内容
自然界中的氮素循环的原理 微生物在氮素循环中的作用
氮素是生物体合成及蛋白质的主要成份，是构成生物体 的必需元素。所有植物、动物和大多数微生物都不能直接利 用大气中分子态氮。初级生产者植物体需要的氨盐、硝酸盐 等无机氮化物，在自然界为数不多，常常限制了植物体发展， 只有将分子氮进行转化和循环，才能满足植物体对氮素营养 的需要。
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4. 反硝化作用
反硝化作用是微生物还原硝酸为亚硝酸、气态氮化
物(N2O、 NH3或N2)的作用。
HNO3
NH3 N2O 或 N2 脱氮作用
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影响反硝化作用的环境因素
有机质及NO3-含量：有机质刺激反硝化作用 ， 土壤含水量 ：含水多或排水不良地方，反硝化作用强， 土壤通气状况：反硝化作用与O2分压成反相关 ， 土壤pH：较适宜的范围是pH 6.0以上至氮素循环的原理
氮素循环包括许多转化作用： 自然界的分子氮，被某些微生物固定形成氨并转化为有 机氮化物；或被微生物与植物联合作用转变成可供植物直接 利用的氮化物形式。
自然界中的氮素循环的原理
氮素循环包括许多转化作用： 存在于植物和微生物体内的氮化物被动物食用，并在动 物体内被转变为动物蛋白质。 当动植物，微生物尸体及排泄物等有机氮化物，主要是 蛋白质或核酸，被各种分解时以NH3的形式释放出来供植物 利用，或被氧化成为硝酸盐供植物吸收或被进一步还原为气 态氮返回自然界。
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硝化作用的意义
☺ NH4+氧化为NO3-，带负电，不被土壤颗粒吸附，易溶于水， 并随水移动，更容易被植物根系吸收利用；
☺ 硝酸溶解作用强，促进矿物、岩石风化过程，使不溶性 养料转变为可利用的形态，如使磷酸三钙转变为磷酸一 钙；
☺ 硝酸盐易溶于水，极易随水体迁移，易淋失，大大降低 氮肥的利用率；同时，导致湖泊和近海的富营养化，进 而导致“水华”、“赤潮” 。
微生物在自然界氮循环中的作用
微生物在自然界氮循环中的主要过程
分子氮经生物固定为氨—生物固氮； 氨态氮氧化为硝酸—硝化作用； 含氮有机物分解形成氨—氨化作用； 硝态氮还原为氮气—反硝化作用。
1. 氮的固定
主要由微生物完成，有的微生物游离固氮，有的微生 物与植物根形成特殊的结构——根瘤。
1. 氮的固定
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反硝化作用微生物
反硝化作用的微生物主要有：脱氮硫杆菌；地衣芽孢 杆菌；铜绿假单胞菌；螺菌属；脱氮色杆菌，能还原亚硝 酸盐为分子态氮，若与其他细菌（如大肠杆菌）共处，亦 能还原硝酸盐；斯氏无色杆菌，在嫌气条件下可还原硝酸 盐；荧光极毛杆菌，能使硝酸盐强烈的还原成分子态氮。
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反硝化作用微生物
据研究，在还原掉的硝酸盐和氧化掉的有机化合物数 量之间常有一个规律性的比率。即每氧化37.5mg葡萄糖， 即可还原100mg左右的KNO3。