《氮素平衡》PPT课件.pptx

土壤化学 Soil Chemistry 第十二章土壤氮的转化 Chapter Seven Transformation of Nitrogen in Soil 主要营养元素的来源 碳来自大气的CO2 氢氧来自水 氮来自土壤 植物需要的氮量 碳、氧各约占植物干重的45% ，氢占6%. 共占96%以上 氮的需求量位于这些元素之后 ，居第四。仅占1.5% 农作物含氮量高于此，均在2% 以上 自然界中的氮 和土壤中的氮 自然界中的氮 11017 t (98%) 3.91015 t (1.9%) 2.31013 t 3.5109 t 生 物 圈 气圈 土圈 水圈 概况 N素非常活跃，在地球各个圈层之间不断的 进行着交换。在土壤内部，各种形态之间 互相转化，决定着土壤的供氮能力。 土壤N素的平衡 土壤有机氮的矿化氨化作用 土壤铵的生物氧化硝化作用 NO3-N的反硝化作用 一、 土壤N素的平衡 1 土壤N素之含量： 全N范围0.02-0.50%，表层与底层差异大。 心土一般旱地。 旱地土壤（pH5.0）,Eh350 mv, NO3-N累积；而 Eh 8.2,反硝 化又减弱。 3、温度：5-35oC, 温度升高，反硝化增强。 由此得出：水旱轮作、松土、氮肥深施 等，能减少反硝化。 L o g o Company Logo 五、固氮作用 生态系统 含氮化合物 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 食物链。 L o g o Company Logo 固氮 人工固氮 天然固氮 生物固氮 L o g o Company Logo 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801500kg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。 L o g o Company Logo 人工固氮 工业上通常用H2和N2 在催化剂、高温、高压下合成氨 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 L o g o Company Logo 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 L o g o Company Logo 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 L o g o Company Logo 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(Fe)，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 C2H2C2H4； 2H+ N20N2十H20； HCNCH4十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。 L o g o Company Logo 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1824nol/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 L o g o Company Logo 固氮过程 目前一般认为可以把固氮分为以下两个阶段： 固氮酶的形成： 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. 它先与ATPMg结合生成变构的 Fe-蛋白Mg-ATP复合物； 然后再与此时已与Fe -Mo蛋白(氧 化型)一起形成1：1的复合物固 氮酶； 固氮阶段： 固氮酶分子的一个电子从Fe-蛋白 MgATP复合物转移到组分Fe - Mo蛋白的铁原子上。 电子转移给钼结合的活化分子氮 。通过6次这样的电子转移，将1分 子氮还原成2分子NH3。 Fe-蛋白MgATP复合物转移掉电子以后恢 复成其氧化型，同时ATP水解成为ADP十Pi。 实际上，在1分子氮还原形成2分子NH3的过程 中有8个电子转移，其中的2个电子以氢气的形 式用去，但其原因尚不清楚，不过有证据表明 ，H2的产生是固氮酶反应机制中一个不可分 割的组成部分。 L o g o Company Logo 生物固氮研究的进展 人类对生物固氮研究已有一百多年，我国对生物的 互利共生固氮现象也进行了长达六十余年的探索性研究 。通过生物技术改造固氮微生物和现有的农作物，使生 物固氮工程的研究已经进入一个新的历史阶段。扩大生 物间互利共生固氮范围和将豆科植物的固氮能力转移到 非豆科植物中的研究已呈现出希望之光。将逐步实现禾 本科农作物与固氮微生物共生结瘤固氮的美好愿望。当 前在生物固氮研究中的重大突破是已经能将固氮基因插 入到非豆科植物例如谷物中以及大肠杆菌中。 可以预料，将固氨酶系统的DNA转移到高 等植物中显然会遇到更复杂的问题，但随着基 因工程知识的增长，将会得到最终的解决。 如果将固氮酶移植到叶绿体当中，那么一 株植物就能够在进行光合作用的同时进行生物 固氮。这样，人类能够利用的资源总量将会有 极大的飞跃，这对于即将出现“能源危机”的人类 来讲具有极大的现实意义。 六.氨的化学转化与挥发损失 土壤中氮的三种形态：NH4-N，NO3-N， NO2-N都是不稳定的，在土壤中易转化损 失。 1、氨的挥发损失 NH4-N + OH- = NH3 + H2O 在石灰性土壤上强度较大！ 六.氨的化学转化与挥发损失 2、NO2-N与NH3的氧化还原反应（Van Slyke 反应） NH3 + HNO2 /NH4+ + NO2- -N2 + H2O RNH2 + HNO2 /RNH3 + NO2- -N2 + H2O + ROH 以上两反应均在酸性下进行，中、碱性下 反应不强。 六.氨的化学转化与挥发损失 3.亚硝酸的分解 2HNO2NO十NO2+H2O 亚硝酸分解的pH条件一般为pH5-7 七、土壤对氮的吸附与固定 1、土壤固相部分对氮的吸附和固定 l物理吸附 土壤固体部分对氨态氮的物理吸附， 包括氨分子(NH3)和铵离子(NH4+)的吸附 ，可通过分子引力或氢键进行(和水分子 的吸附相似)，而无需在固体上存在着氢 离子。 七、土壤对氮的吸附与固定 1、土壤固相部分对氮的吸附和固定 l物理吸附 物理吸附的能量较小，也易于可逆. 物理吸附量的大小和固体部分的表面积有 关。表面积大的粘质土壤，物理吸附量也 较大 . 物理吸附量还和胶体的种类有关。 物理吸附量还随溶液中氨或铵的浓度而增加. 七、土壤对氮的吸附与固定 l化学吸附和物理化学吸附 1. 氨分子和粘粒矿物或有机物上的氢离子 结合，而形成铵离子。 2. 铵的代换吸附。 3.铵的固定 。 4.蛋白质的吸附固定。 七、土壤对氮的吸附与固定 图4.8 蛋白质与粘粒矿物复合体的分解速率 六、土壤对氮的吸附与固定 图7.9 pH对斑脱土吸附明胶量的影响 七、土壤对氮的吸附与固定 2、土壤中的生物固氮 固氮的生物化学过程可认为当N2被吸收后，两 个N原子之间的键被破坏，然后被氢化成氨。在这 个过程中，氮气被固氮酶(N-ase)活化，同时被铁蛋 白(Fd还原型)所还原，其中固氮酶-氮气的复合体从 ATP中获得能量，而释出。 lFd还原型+N-ase+N2Fd+N2Nase还原型 lN2-Nase（还原型）+NatpNase + NH3 + Nap + nPi 影响生物固氮强度的土壤条件 l土壤温度.一般自生固氮菌的适宜温度约为30 l土壤酸度.自生固氮菌的适宜反应约在中性左右 l通气条件.固氮菌有好气、嫌气等类型 l养分条件.一般植物的营养元素，对固氮微生物也同样 是需要的，其中磷、钾对固氮作用有明显的影响。 l能源.固氮作用是一项耗费能量的过程 L o g o Company Logo 氮素的地球循环 总体上来讲，地球氮循 环的主要环节包括 大气中的氮气可通过三条 途径被“固定”。 生物群落中的氮素传递，