氮循环各过程功能基因
《生态系统氮循环》PPT课件
小组小结
1、各个生态系统中氮的循环和转化都可分为氮的输入、转 化和输出三个部分。
2、各个生态系统氮循环的主要反应都是固氮作用、氨化作 用、硝化作用和反硝化作用。
3、不同生态系统中氮循环的主导反应不同。
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参考文献
[1]胡晓霞,丁洪等。菜地氮素循环及其环境效应研究进展[J].中国农学通报. 2010,26(10):287-294. [2]刘淼,梁正伟.草地生态系统氮循环研究进展[J].中国草地学报. 2010,32(5):91-95. [3]王晓姗,刘杰.于建生.海洋氮循环细菌研究进展[J].科学技术与工程. 2009,9(17):5057-5062. [4]张玉树,丁洪,秦胜金.农业生态系统中氮素反硝化作用与N2O排放研究进展[J]. 中国农学通报.2010,26(6):253-259. [5]陈伏生,曾德慧,何兴元.森林土壤氮素的转化与循环[J].生态学杂志. 2004,23(5):126-133. [6]周念清,王燕,钱家忠等.湿地氮循环及其对环境变化影响研究进展[J]. 同济大学学报.2010,38(6):865-869.
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结束
《生态系统氮循环》PPT 课件
主要内容
氮循环的定义及意义 生态系统中的氮循环 各生态系统氮循环及其特征
小组小结
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氮是构成蛋白质和核酸的主要元素，在生物学上具有重
要意义。正是由于地球上存在氮和其他生命必需元素的循环 ，才使地球上生命生生不息，成为太阳系中一个生机勃勃的 星球。
氮素循环：氮在大气、土壤和生物体中迁移和转化 的往返过程。
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森林生态系统中的氮循环
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森林生态系统中氮循环的特征
氮循环的五个详细过程
氮循环的五个详细过程
，有中文标点
氮循环是一套完整、持续的过程，它是植物、动物和许多微生物正常生长生存的重要物质供应系统。
本文以氮循环的五个详细过程为标题，分别为氮化作用、固氮作用、氨解作用、气态还原作用和硝化作用，着重介绍氮循环的机理特点及其在全球气候变化中的作用。
氮化作用是氮循环的起始部分，它可以将大气中的氮固定形成可以被植物利用的氮化合物。
从雷射熔融式激光谱学上可以发现，界面作用可以使h2o、co2和n2的氮化物质在土壤中的活性氮的总量翻倍以上，这类氮化作用可以来源于植物根部细菌和黏液。
固氮作用是氮循环的主要部分，它指土壤微生物转化氮化合物，将这些氮化合物固定在土壤中，植物经过吸收可以直接利用，这一作用可以增强氮资源在植物生态系统中的循环，大量研究已证实植物根系微生物体系及植物同化分泌物对固氮作用有较大的贡献。
氨解作用是氮循环中比较复杂的一部分，它指土壤中微生物将氨盐还原成氨原料，由此有利于植物吸收氮肥。
当植物群落减少或死亡时，可能会发生大量氨解作用，由此释放氮肥，有助于其他植物生长。
气态还原作用作用类似于固氮作用，它指土壤中的微生物将可以氧化的氮分子还原成氮化物，从而让植物不断地吸收可以利用的氮资源。
植物的根系和根际土壤中的微生物对气态还原作用有较大的贡献。
硝化作用是氮循环的最后一步，它指土壤中的微生物将氨解后的氮分子氧化成一种可挥发的氮态还原产物，从而使氮分子的归还大气层，而这种可挥发物是完成氮循环全过程所必需的。
总而言之，氮循环是一个紧密相连的整个过程，天然植被和活动生态系统都要依赖它来维持有机物的循环，而氮循环还可以在全球气候变化中发挥重要的作用，例如抑制由二氧化碳排放带来的全球变暖。
自然界中的氮循环
这两个过程通常在不同的环境和条件下进行，但也有可能在同一环境 中同时进行。
05
氮循环的影响因素
气候变化对氮循环的影响
气温升高
气温升高会导致土壤中氮的挥发和流失增加，影响氮 的固定和转化。
降水变化
降水量的增加或减少会影响土壤中氮的吸收和释放， 从而影响氮循环。
气形式存在。
氮循环涉及一系列生物和化学过程，包括固氮、硝化、反硝化
03
等，对维持地球生态平衡和生物多样性具有重要意义。
氮循环的环节
01
固氮
将空气中的游离态氮转化为含氮 化合物的过程，主要通过生物固 氮和工业固氮两种方式进行。
03
反硝化
将硝酸盐还原为氮气，释放到大 气中的过程，是氮循环中重要的
脱氮过程。
促进生物多样性
氮循环过程中涉及多种微生物和植物的共生关系，促进了生物多样 性的发展。
减缓全球气候变化
通过固氮作用，将大气中的氮气转化为含氮化合物，有助于减缓全球 气候变化。
02
氮的固定
自然固氮
生物固氮
通过微生物的作用，将大气中的氮气 转化为氨的过程，是自然固氮的主要 方式。
高温高压固氮
在高温高压条件下，地壳中的岩石和 矿物能够将大气中的氮气转化为氮化 合物。
反硝化作用通常发生在缺氧或 厌氧环境中，如土壤、水体等 。
反硝化作用是自然界氮循环的 另一个重要环节，能够将化合 态的氮转化为气态的氮，释放 到大气中。
硝化与反硝化的关系
01 02 03 04
硝化作用和反硝化作用是自然界氮循环的两个相互联系的环节，它们 共同维持着氮的循环和平衡。
硝化作用将氨氧化成硝酸盐，为反硝化作用提供了所需的硝酸盐。
大气中的氮循环
06
CATALOGUE
氮循环失衡的环境问题及对策
水体富营养化问题
富营养化定义
水体中氮、磷等营养物 质过多，导致藻类大量
繁殖，水质恶化。
来源
农业化肥、畜禽养殖、 生活污水等排放。
影响
破坏水生生态系统，影 响饮用水安全，增加水
处理成本。
防治措施
控制氮、磷排放，加强 污水处理，推广生态农
业。
大气氮氧化物污染问题
。
适量的氮素供应可以促进植物的 生长和发育，提高植物的产量和
品质。
缺氮会导致植物生长受阻，叶片 黄化，产量和品质下降；而过量 的氮素供应则可能导致植物过度
生长，易倒伏和感病。
对动物生存的影响
动物体内也需要一定量的氮， 用于合成蛋白质和其他含氮化 合物，维持正常的生理功能。
动物的饲料中需要含有适量的 氮素，以满足其生长发育和生 产需求。
氮的沉积
大气中的氮化合物通过干沉降和湿沉降等方式降落到地面和水体中。
02
CATALOGUE
氮固定过程
生物固氮
01
02
03
豆科植物固氮
通过根瘤菌等微生物，将 大气中的氮气转化为含氮 化合物，供给植物生长所 需。
非豆科植物固氮
部分非豆科植物也能与固 氮微生物共生，进行生物 固氮。
土壤中的固氮作用
土壤中的氮素可以通过微 生物的固氮作用得到补充 ，提高土壤肥力。
05
CATALOGUE
人类活动对氮循环的影响
工业生产排放含氮废气
化石燃料燃烧
工业生产中大量使用煤炭 、石油等化石燃料，燃烧 过程中产生含氮废气，如 一氧化氮、二氧化氮等。
化工生产
氮肥、硝酸、炸药等化工 产品的生产过程中，会排 放大量含氮废气。
氮的循环(一)
氮的循环(一)一、氮在自然界中循环1、氮的固定使空气中游离态的氮转化为含氮化合物的过程叫氮的固定，简称固氮。
正是通过氮的固定，开始了氮在自然界中的循环，氮的固定有自然固氮和人工固氮两种方式。
2、自然固氮(1)生物固氮：大豆、蚕豆等豆科植物的根部含有根瘤菌，能把空气中的N2转变为硝酸盐，被植物吸收。
故豆类植物不需要施用氮肥，这种固氮方式占整个自然固氮的90％。
(2)高能固氮：通过闪电等高能量途径把N2固定的方式为高能固氮。
涉及到的反应主要有：N2＋O22NO 2NO＋O2＝2NO2 3NO2＋H2O＝2HNO3＋NO可知，N2最终变成HNO3，即正常的雨水略呈酸性。
HNO3与土壤中的矿物作用，得到硝酸盐，被植物吸收，这就是“雷雨发庄稼”的科学道理。
3、人工固氮人们在工业生产中把N2转化为氮的化合物的方法为人工固氮，又叫工业固氮。
常见的方法有：(1)N2与H2合成NH3：，该反应为工业制HNO3的基础反应。
(2)仿生固氮：用某些金属有机化合物做催化剂，实现常温、常压固氮，这些金属有机物类似于根瘤菌，故又叫仿生固氮，这是目前科学界较为关注的研究性课题。
4、氮在自然界中的循环人们在生产活动中也涉及到了氮的循环，其中主要是利用N2与H2合成工业中重要的生产原料——NH3，即人工固氮。
涉及到两种很重要的物质：NH3、HNO3。
二、氮循环中的重要物质及其变化1、氮气，常况下是一种无色无味的气体，难溶于水，通常无毒。
氮气占空气体积总量的78.12%，是空气的主要成份。
氮气的化学性质很不活泼，只在特殊条件下，才能以下反应。
①与氧气反应：通常状况下氮气和氧气不反应，但在放电条件下，却可以直接化合生成NO 。
反应的化学方程式为：★N 2+O 2闪电2NO反应的化学方程式为：★N 2+ 3H 2 2NH 3 此反应是工业合成氨的反应③与金属镁反应：金属镁可以在氮气中燃烧，生成氮化镁。
反应的化学方程式为：★3Mg+N 点燃 Mg 3N 2(氮化镁)2、氮的氧化物（1）氮的氧化物简介：氮元素有+1、+2、+3、+4、+5五种正价态，对应有六种氧氮氧化物都具有不同程度的毒性，它们也是是常见的大气污染物，以一氧化氮和二氧化氮为主的氮氧化物是形成光化学烟雾和酸雨的一个重要原因。
《氮的循环》课件
硝化作用和反硝化作用之间的平衡对于维持自然界的氮素循环和 生态平衡具有重要意义。
影响因素
影响硝化作用和反硝化作用的平衡的因素包括环境条件、微生物活 性、土壤和水域的特性等。
平衡的维护
维护硝化作用和反硝化作用的平衡需要采取一系列措施，包括合理 使用化肥、控制土壤和水域的污染等。
05
氮的循环与环境
细菌完成。
氨化是将含氮有机物转化 为氨的过程，是许多植物 和微生物的重要营养来源
。
氮的循环的重要性
氮的循环对维持地球生态平衡具有重要意义 ，是生物圈中氮素循环的重要环节。
氮的循环对农业生产也具有重要意义，通过 合理利用和管理氮肥，可以提高农作物的产 量和质量。
同时，氮的循环也对全球气候变化产生影响 ，如过量排放含氮气体可能导致温室效应加 剧。
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应加剧，进而影响全球气候。
减少氮气排放、改善氮的循环利 用是减缓全球气候变化的重要措
施之一。
氮的循环与水体富营养化
水体富营养化是指水体中营养物质（如氮、磷等）过多，导致水生生物大量繁殖的 现象。
氮的循环过程中，过量的氮气排放和流失会导致水体富营养化。
控制氮的排放和合理利用是防治水体富营养化的重要措施之一。
硝酸盐
氨在有氧条件下被氧化成硝酸盐 ，这是植物生长所需的氮肥之一
，对农业非常重要。
硝酸
氨氧化成硝酸的过程会产生大量能 量，这是人类利用能源的一种方式 ，如通过汽车尾气中的一氧化氮和 氧气反应生成硝酸。
氮气
在自然环境中，氨通过生物固氮作 用和闪电等自然现象转化成氮气， 重新回到大气中，完成氮的循环。
04
反硝化作用
01
氮循环(Nitrogen Cycle)
氮循环（Nitrogen Cycle）氮是自然界中的丰富元素，主要以氮气(N2)的形式存在于大气中，以有机氮的形式存在于沉积物中，以溶解氮的形式存在于海水中。
这三种氮的量的变动都很小。
其他形态的氮则不停地进行着复杂的流动和交换，而且受人类活动的强烈影响。
自然界中氮的分布和氮的流动交换情况见表1和表2。
氮气占大气总体积的78％以上。
氮在大气中主要以氮的分子态存在,还以氨（NH3）、一氧化氮(NO)、二氧化氮(NO2)等氮的化合态的形式存在。
这些化合态的氮在云、气溶胶粒子、雨滴中转化为铵(NH嬃)和硝酸根(NO婣)，随降水降落地面。
大气中的N2和 O2可在雷电作用下反应生成NO婣。
土壤和水体中某些细菌和微生物也可吸取大气中的氮，并把它和氢结合成为氨。
这样生成的氨以及大气中降落的铵类化合物在微生物的硝化作用下，最终变为硝酸盐。
硝酸盐很容易被植物根系吸收，在植物体内合成多种有机化合物如蛋白质。
然后通过食物链的传递成为动物体的蛋白质。
动、植物死亡后，残体被微生物分解，氮又以氨的形式回到土壤和水体中。
动物排出的粪便含尿素和氨，尿素也可被微生物转变为氨。
土壤中的硝酸盐在微生物的反硝化作用下还原为氮和氧化亚氮 (N2O)而逸入大气中。
氨也可由于挥发而进入大气。
土壤中的硝酸盐和氨极易溶于水，所以很容易随地表径流和地下水排入水体中。
人类活动的干预：指人为的固氮作用，即化学氮肥的生产和应用，大规模种植豆科植物等有生物固氮能力的作物,以及燃烧矿物燃料生成NO和NO2。
人为的固氮量是很大的，估计约占全球年总固氮量的20～30％。
随着世界人口的增多，这一比例将会继续上升。
农田大量施用氮肥,使排入大气的N2O不断增多。
在没有人为干预的自然条件下，反硝化作用产生并排入大气的N2和N2O,与生物固氮作用吸收的N2和平流层中被破坏的N2O是相平衡的。
N2O是一种惰性气体,在大气中可存留数年之久。
它进入平流层大气中以后，会消耗其中的臭氧，从而增加到达地面的紫外线辐射量。
氮气循环–过程,步骤–说明
氮气循环–过程，步骤–说明氮是蛋白质和核酸的基础。
它是所有生命形式不可或缺的一部分。
大气中氮含量丰富。
为了将其用于各种生物过程，需要将其从惰性大气分子转化为有用的形式。
氮从大气分子形式转化为对生物有用的形式的过程称为氮循环。
氮循环的阶段是什么？1. 固定-大气中的氮气为惰性形式，只有少数生物可以从中受益。
为了使其对所有生命形式都有用，应将其转换为固定形式或有机形式。
因此，该过程称为固氮。
固氮过程包括以下内容：1. 氮通过沉淀沉积。
它来自大气，并沉积在土壤和水的表面。
2. 一旦沉积成功，氮将发生一些变化。
两个氮原子分离并与氢结合形成氨。
有三种生物负责该作用-藻类，游离厌氧细菌以及与某些类型的植物共生的细菌。
要记住什么？•植物没有使用大气氮的能力。
他们需要固氮细菌的帮助。
•种植豆类和苜蓿等农作物可以弥补土壤中的氮消耗。
•氮可以通过人为的过程进行固定，例如制造氮肥和氨肥。
在固氮过程中起作用的微生物是什么？•原核生物•非生物手段，例如闪电或某些工业干预，例如燃烧化石燃料。
•三叶草，豌豆和大豆等豆类植物的根系分泌物•有氧和厌氧固氮菌•光养和化学养分细菌2. 硝化作用-一些工厂使用氨水。
但是，在某些类型的细菌（称为硝化细菌）的帮助下，植物吸收的大部分氮都从氨转化为亚硝酸盐并转化为硝酸盐。
例如：1. 亚硝化单胞菌2. 亚硝基螺菌3. 硝化螺菌4. 硝基球菌5. 硝化细菌6. 硝化菌7. 硝基球菌3. 同化–在此阶段，植物从土壤中吸收了各种形式的氮。
它们将用于形成植物和动物蛋白。
4. 氨化–植物和动物降解或排放废物后，氮会重新进入土壤，分解剂会分解土壤。
分解过程导致产生氨，氨将用于其他生物过程。
5. 反硝化–在此阶段，氮气返回大气。
硝酸盐形式转化回气态氮。
反硝化阶段发生在潮湿的土壤中，微生物无法进入其中。
反硝化细菌是负责处理硝酸盐以获取氧气的细菌，使氮气成为该过程的副产品。
在反硝化中起重要作用的微生物是：1. 芽孢杆菌2. 假单胞菌3. 副球菌人类影响氮循环的两种方式是什么？人类对氮循环有很大的影响。
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氮循环各过程功能基因
一、氮的固定过程
氮的固定是指将大气中的氮气转化成可供植物利用的氨或硝酸盐的过程。
氮的固定可以通过物理方式（如闪电放电）或生物方式（如植物共生菌）进行。
在生物方式中，一些细菌和蓝藻通过固定酶催化将氮气转化成氨，这一过程称为生物固氮。
生物固氮的关键基因是nif基因，包括nifH、nifD和nifK等亚基。
这些基因编码了固氮酶的组成部分，参与氮的固定过程。
二、氮的硝化过程
氮的硝化是指将氨氮转化成硝酸盐的过程，包括氨氧化和亚硝化两个步骤。
在氨氧化过程中，氨氧化细菌（如亚硝酸盐氧化细菌）将氨氮氧化生成亚硝酸盐。
氨氧化细菌中关键的基因是amo基因和hao基因，分别编码氨单加氧酶和氧化亚硝酸盐还原酶。
在亚硝化过程中，亚硝酸盐细菌将亚硝酸盐氧化成硝酸盐。
亚硝酸盐细菌中关键的基因是nxr基因和nir基因，分别编码亚硝酸盐氧化酶和亚硝酸盐还原酶。
三、氮的还原过程
氮的还原是指将硝酸盐还原成氨氮的过程，包括硝酸盐还原和亚硝酸盐还原两个步骤。
在硝酸盐还原过程中，硝酸盐还原细菌将硝酸盐还原成亚硝酸盐。
硝酸盐还原细菌中关键的基因是nar基因和
nap基因，分别编码硝酸盐还原酶和硝酸盐还原酶。
在亚硝酸盐还原过程中，亚硝酸盐还原细菌将亚硝酸盐还原成氨氮。
亚硝酸盐还原细菌中关键的基因是nir基因和nor基因，分别编码亚硝酸盐还原酶和亚硝酸盐还原酶。
四、氮的脱氮过程
氮的脱氮是指将氮气释放到大气中的过程，包括反硝化和固氮细菌的脱氮两个过程。
在反硝化过程中，反硝化细菌将硝酸盐还原成氮气。
反硝化细菌中关键的基因是nos基因和nir基因，分别编码一氧化氮还原酶和亚硝酸盐还原酶。
固氮细菌的脱氮过程是指一些细菌将固氮酶中的亚基分解释放出氮气。
固氮细菌中关键的基因是vnf基因和anf基因，分别编码固氮酶的亚基。
氮循环的各个过程都涉及到多个功能基因的参与，这些基因编码了关键酶的组成部分，参与氮的转化过程。
通过研究这些功能基因的结构和功能，可以更好地理解氮循环的调控机制，为生态系统的管理和保护提供科学依据。