氮循环

氮循环1.引言氮在自然界中的循环转化过程。

是生物圈内基本的物质循环之一。

如大气中的氮经微生物等作用而进入土壤，为动植物所利用，最终又在微生物的参与下返回大气中，如此反复循环，以至无穷。

构成陆地生态系统氮循环的主要环节是：生物体内有机氮的合成、氨化作用、硝化作用、反硝化作用和固氮作用。

自从生命形成以来，氮循环就启动了。

氮是空气中含量最多的成分，是生命体内蛋白质、核酸的必需元素，是农业上重要的增产要素，也是对环境有显著影响的成分，与人类生存环境密切相关。

然而，随着科学技术的发展，人类活动从各方面干扰了氮循环的进行，在满足人类生存需求、提高人类生存质量的同时，引起了一系列环境问题，如酸雨、光化学烟雾、水体富营养化等。

为了维持氮循环的平衡，进而保护生态环境，为人类的生存发展长远考虑，有必要对生态系统中的氮循环问题进行探讨。

历史上，在生产工业化以前，氮循环系统中，氮的收支是平衡的。

随着人类社会的发展，特别是工业革命的发生，环境中的氮循环受到了巨大影响。

1908年德国化学家哈伯发明合成氨，开启了人工固氮的时代，含氮化肥的使用大大提高了农业生产率，满足了人们的生活需求。

发现豆科植物的固氮作用后，人们开始大规模种植豆科植物等有生物固氮能力的作物。

煤炭，石油等化石燃料被大量开采并投入使用，产生能量的同时也产生了大量污染物，如空气中氮氧化物导致酸雨、光化学烟雾以及臭氧层破坏，水体中氮以及其他元素超标产生的水体富营养化（如赤潮、“水华”）。

据科学估算，到1990年，全球人为活化氮（化学合成氮，化石燃料燃烧形成的氮氧化物和豆科作物及水稻扩种而增加的生物固定的氮）的数量已达到每年140TgN，而工业化前自然生物固定的氮，即通过微生物把大气中的惰性分子氮转变为活性的氨的量为每年90至130TgN。

这就是说，目前进入全球氮循环的活化氮总量比工业化前的自然生物活化的氮增加了一倍多。

氮肥的发明使全球粮食产量剧增。

大量使用氮肥却造成了全球氮循环失控，带来了许多负面影响：藻类爆发、生物多样性丧失、疾病风险增加，甚至可能加剧全球变暖。

但是为了保证全球粮食供给，我们不得不使用氮肥。

我们应如何寻找一条更可持续发展的道路，来消除氮的负面影响？2.氮循环的途径氮循环就是指氮气、无机氮化合物、有机氮化合物在自然界中相互转化的过程的总称。

包括氨化作用、硝化作用、反硝化作用、固氮作用以及有机氮化合物的合成等。

在自然界，氮元素以分子态（氮气）、无机结合氮和有机结合氮三种形式存在。

大气中含有大量的分子态氮。

但是绝大多数生物都不能够利用分子态的氮，只有象豆科植物的根瘤菌一类的细菌和某些蓝绿藻能够将大气中的氮气转变为硝态氮（硝酸盐）加以利用。

植物只能从土壤中吸收无机态的铵态氮（铵盐）和硝态氮（硝酸盐），用来合成氨基酸，再进一步合成各种蛋白质。

动物则只能直接或间接利用植物合成的有机氮（蛋白质），经分解为氨基酸后再合成自身的蛋白质。

在动物的代谢过程中，一部分蛋白质被分解为氨、尿酸和尿素等排出体外，最终进入土壤。

动植物的残体中的有机氮则被微生物转化为无机氮（氨态氮和硝态氮），从而完成生态系统的氮循环。

2.1固氮作用自然界氮（N2）的固定有两种方式：一种是非生物固氮，即通过闪电、高温放电等固氮，这样形成的氮化物很少；二是生物固氮，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物约近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。

不同固氮微生物的固氮酶均由钼铁蛋白和铁蛋白组成。

固氮酶必须在厌氧条件下，即在低的氧化还原条件下才能催化反应。

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用以下简式表示：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。

另外，还有大豆等生物，跟也有固氮作用。

高能固氮也是自然固氮的一种,指通过闪电、宇宙射线火山爆发等生成氨或硝酸盐的过程，生成物随降水到达地表。

如闪电能使空气里的氮气转化为一氧化氮，其方程式如下： N2 + O2 == 2NO 2NO + O2 == 2NO2 3NO2 + H2O == 2HNO3 + NO人工固氮主要是指工业固氮，即合成氨。

合成氨是指由氮气、氢气在高温高压和催化剂条件下直接合成氨，主要用于制造氮肥、复合肥料。

2.2氨化作用氨化作用是指由微生物（氨化细菌、真菌）分解有机氮化物（氨基酸和核酸）产生氨和氨化物的过程。

产生的氨，除了可被供微生物或植物同化外，还有部分被转变成硝酸盐。

氨化作用是一个放热反应，释放的能量用于微生物的生命活动。

氨化微生物广泛分布于自然界，有氧或无氧条件下，均有不同的微生物分解蛋白质等各种含氮有机物，构成了氮循环中不可或缺的一节。

2.3硝化作用硝化作用是指氨化合物在硝化细菌（亚硝酸盐细菌、硝酸盐细菌）等微生物作用下氧化为亚硝酸盐和硝酸盐的过程,通常发生在通气良好的土壤中。

这个过程在酸性条件下分为两步，第一步是把氨或铵盐转化为亚硝酸盐，第二步是把亚硝酸盐转变为硝酸盐。

一般情况下第二步远快于第一步，因此亚硝酸态氨极少存在。

硝酸盐除被植物利用之外，还可能被微生物吸收。

微生物和植物吸收利用硝酸盐有两种完全不同的用途，一是利用其中的氮作为氮源，称为同化性硝酸还原作用。

另一用途是利用NO2-和NO3-为呼吸作用的最终电子受体，把硝酸还原成氮（N2），称为反硝化作用。

亚硝酸盐及硝酸盐还可转变为土壤腐殖质成分，或通过淋溶作用从土壤中流失并随径流到达河流、湖泊、海洋，部分氮沉积于深海而暂时脱离氮循环。

硝化作用受多种因素影响，一般地，通气良好、含水量适中、富含有机质的土壤中硝化作用较强。

2.4反硝化作用（脱氮作用）反硝化作用是指把硝酸盐等较复杂的含氮化合物转化为氮气或氮氧化物的过程，多由兼性好氧异养微生物进行，因此易在厌氧、富含有机质的土壤中发生。

反硝化作用将硝酸盐还原成氮气，降低了土壤中氮素的含量，对农业生产不利，农业上常进行中耕松土，以防止反硝化作用。

反硝化作用产生的氮氧化物还会污染大气。

然而，反硝化作用是氮素循环中不可缺少的环节，可使土壤中因淋溶而流入河流、海洋中的NO3-减少，消除因硝酸积累对生物的毒害作用。

3.氮污染与环境问题3.1人类活动对氮循环的影响人类的工业及农业生产活动以及对自然资源的开发利用，改变了自然界的氮循环。

人为活化氮数量的增长虽有助于农产品产量的提高，却会对全球生态环境产生更大压力，产生一系列环境问题。

氮污染是指由含氮化合物引起的污染，含氮化合物主要是指氮氧化物(主要为NO和N2O)进入高层大气会对臭氧层的破坏起催化促进作用，进而会引起全球气候变化等环境污染效应和生态环境改变。

水体中的氮主要来自生物体的代谢和腐败以及工业废水、生活污水的排放、氮肥的流失等。

污水中的氮有4种形态，即有机氮、氨氮、亚硝酸氮(少量)和硝酸盐氮(硝化过程的最终产物)，典型污水中总氮含量约为40～50mg/L。

水体中有过量氮会造成富营养化，使水质恶化，影响水生生物的生长与繁殖。

土壤中的固氮菌和植物的根瘤菌、蓝藻等会将空气中的单质氮转化为化合态氮(如氨、硝酸盐)，供植物作养分，但过量氨或铵盐的存在，会使土壤的土质变坏，反有害于植物生长。

此外，土壤中的硝酸盐可经反硝化作用生成一氧化二氮，进入平流层大气中，会与臭氧发生化学反应而耗损臭氧层中的臭氧；因此土壤也是产生破坏臭氧层的痕量气体的重要发生源之一。

最严重的影响是水体富营养化造成的“死亡水域”。

氮流入到河流湖泊中后，为水域中藻类植物提供了丰富的营养，导致其快速生长，消耗了水中大部分的氧气，任何水生动物都因缺氧而无法生存，以至于该水域成为“死水”。

在墨西哥海湾密西西比河的入海口处就有一片面积达8000平方英里的“死亡水域”（约20480平方公里）。

据统计，全世界约有400块这样的区域，总面积高达24.5万平方公里。

3.2酸雨、温室效应、臭氧层破坏大气中的氮氧化物不仅造成酸雨，还是温室效应和臭氧层破坏的重要影响因素。

大气中的碳氧化物还会随降水进入水体造成富营养化，使生态系统产生灾难。

3.3氮循环与生物多样性破坏氮循环不平衡对某些种类的生物的生长繁殖有利，同时却影响了其他物种的发展，生态失衡的后果是整个生态系统中生物多样性降低。

此外，一些含氮化合物会危害生物健康，富集在食物链顶层，甚至造成生物大量死亡，最终导致物种灭绝。

3.4硝态氮对人类健康影响水体和土壤中的硝态氮可通过饮用水和蔬果等食物进入人体而过量摄入硝态氮对人体有害。

摄入的硝酸盐在人体肠胃中被细菌还原为亚硝酸盐，又将血红蛋白中的二价铁氧化为三价铁，使其失去携氧能力，造成人组织缺氧，即高铁血红蛋白血症的发生，严重时可致死。

4.氮污染防治措施氮污染主要原因是活化氮的增多所致，减少活化氮就成为防治氮污染的重要举措。

反硝化作用则是减少活化氮的途径。

4.1转变能源利用方式大气中的氮氧化物来源主要是矿石燃料的燃烧，因此，使用水能、风能、太阳能、地热能等清洁能源可以大大减少氮氧化物的排放，从而减少活化氮的排放。

4.2保护植被由于植被可以吸收包括氮素在内的矿质元素，改变其在自然生态系统中的循环路径，利用植物美化环境、调节气候，吸收大气中的NOx，改善氮循环不平衡的问题。

4.3合理施用氮肥合理使用化肥,可以大力推广有机无机复合肥等新型肥料,继续发展绿肥种植;在专用肥的基础上提倡使用有机肥,达到减少化肥使用量、减少环境污染的目的;推广肥料的精准化技术,包括品种、用量、营养元素和施肥技术的精准化,做到肥料减量、定性、定量化使用。

4.4污水处理——生物脱氮一般生活污水及工业废水在进行生化处理后,出水中仍含有少量有机质以及各种无机物质。

在无机物中,尤其以氮、磷含量偏高。

因此在排放前,要先设法除去氮、磷。

氮的除去法有脱氮法、用沸石吸附法、氯气处理法和生物学脱氮等,反硝化作用就经常被用于污水的生物脱氮方法中。

利用反硝化作用脱氮,即是在二级生化处理后加一个脱氮槽,利用反硝化细菌,在厌氧条件下,使硝酸盐转化为分子氮逸至大气中。

反硝化细菌是化能异养型的微生物,需要有易于被吸收的有机碳源作为供氢体,因而在处理中常加入甲醇以补充所需。

如果污水中氨的含量高，可以先经过硝化处理使之形成NO3-，然后经过多次氧化，使之形成NH4+、NO2-、NO3-，继而在厌氧条件下经反硝化作用从而实现脱氮。

实践证明，生物脱氮是高效的污水脱氮技术，而且经济实用。

4.5生态工程技术利用生态工程技术治理污染是近年发展起来的,既能取得良好的治污效果,又能获得生态效益。