第五章微生物与生物地球化学循环之氮循环

1、微生物与生物地球 化学循环之氮循环 讲授内容 1 生物地球化学氮素循环概述 2 微生物在氮素循环不同环节中的作用 3 论文举例 1 生物地球化学氮素循环概述生物地球化学氮素循环概述 地壳 7.71014t 大气 3.91015t 陆地生物 2.51010t 有机质 1.11011t 海洋非生物活跃N 9.91011t 海洋生物N 5.2108t 海洋溶解N2 2.01013t 1.1 几类主要氮库几类主要氮库 1.2 氮素在自然界的存在形式氮素在自然界的存在形式 （1 1）气态）气态N N：N N2 2，N N2 2O O（氧化亚氮）（氧化亚氮） （2 2）无机态）无机态N N：NONO3 3

2、- -、NONO2 2- -（亚硝酸盐（亚硝酸盐 氧化态）、氧化态）、NHNH4 4+ +（还原（还原 态）态） （3 3）有机态）有机态N N：各种有机氮，如蛋白质、氨基酸、氨基糖聚物各种有机氮，如蛋白质、氨基酸、氨基糖聚物 1 生物地球化学氮素循环概述生物地球化学氮素循环概述 生物体 有机氮 NH4+ NO2- NO3-大气N2 生物 固氮 硝化作 用（1） 硝化作 用（2） 同化吸收 同化吸收 氨化作用 亚硝酸氨化 作用 异化性硝 酸盐还原 火山爆发 反硝化 1.3 自然界中的氮素循环自然界中的氮素循环 1 生物地球化学氮素循环概述生物地球化学氮素循环概述 自然界中的氮素循环 闪电电离

3、固氮菌转固氮菌转 化化 亚硝酸亚硝酸 根根 2 微生物在氮素循环不同环节中的作用微生物在氮素循环不同环节中的作用 2.1 生物固氮 2.2 氨化作用 2.3 氮化合物的生物同化 2.4 硝化作用 2.5 反硝化作用 2.1 生物固氮生物固氮 N2+能量能量NH3 微生物 （异养） 固氮酶 固氮固氮 微生物微生物 自生固氮菌 （） 共生固氮菌 联合固氮菌 2 微生物在氮素循环不同环节中的作用微生物在氮素循环不同环节中的作用 自生固氮菌（好氧） 梭状芽孢杆菌（厌氧） 自生固氮菌自生固氮菌 根瘤菌根瘤菌豆科植物的根瘤豆科植物的根瘤 共生固氮菌共生固氮菌 芽孢杆菌 拜叶林克氏菌 联合固氮菌联合固氮菌

4、2.2 氨化作用氨化作用 2 微生物在氮素循环不同环节中的作用微生物在氮素循环不同环节中的作用 氨化反应是指有机 氮经微生物的分解 而产生氨的生物反 应 第一阶段第一阶段复杂的含氮化合物分解形成简单化合物复杂的含氮化合物分解形成简单化合物氨基化氨基化 第二阶段第二阶段氨基化合物经微生物作用脱氨基，氨基化合物经微生物作用脱氨基，释放氨释放氨 合适的环境条件下合适的环境条件下 长了毛霉的豆腐 可以食用的霉豆腐 霉豆腐的加工原理 氨基化 蛋白质蛋白质RCHNH2COOH（或（或RNH2） +CO2+中间产物中间产物+能量能量 2.2 氨化作用氨化作用 第一阶段，第一阶段，氨基化氨基化 气生菌丝气生菌

5、丝 堆肥发酵 有机堆肥 堆肥发酵原理脱氨基过程 2.2 氨化作用氨化作用 第二步，脱氨基第二步，脱氨基 充分通气条件下充分通气条件下 RCHNH2COOH+O2RCOOH+ NH3+CO2+能量能量 2.2 氨化作用氨化作用 第二步，脱氨基第二步，脱氨基 厌氧条件下厌氧条件下 RCHNH2COOH+2HRC H2COOH（RCH3+CO2） +NH3+能量能量 一般水解作用一般水解作用 RCH2NH2COOH+H2O RCH2COOH（RCH2OH+CO2） +NH3+能量能量 微生物 水解酶 水分水分 温度温度 pHpH C/NC/N的影响的影响 土壤持水量土壤持水量5070，有利于氨化作用

6、的进行，有利于氨化作用的进行 氨化作用适宜温度为氨化作用适宜温度为25253232 中性条件的氨化作用大于酸性条件中性条件的氨化作用大于酸性条件 最适最适pH7.2pH7.27.47.4 碱性条件下形成的碱性条件下形成的NHNH3 3易挥发（易挥发（pH8pH8） 有机有机N N化物化物C/NC/N25:125:1，土壤得不到多余的无机，土壤得不到多余的无机N N C/N25:1C/N25:1C/N25:1，土壤有无机，土壤有无机N N的损失的损失 2 微生物在氮素循环不同环节中的作用微生物在氮素循环不同环节中的作用 水对湿土壤的比值水对湿土壤的比值 2.3 氮化合物的生物同化氮化合物的生物同

7、化 微生物体 NO3- NH4+ NO3- NH4+RCH2NHKCOOH 氨态氮、硝态氮被 微生物吸收同化称 为氮素的微生物同 化 2 微生物在氮素循环不同环节中的作用微生物在氮素循环不同环节中的作用 同同 化化 吸吸 收收 2.4 硝化作用硝化作用 （1 1） 硝化作用的底物是硝化作用的底物是NHNH4 4+ +，但，但NHNH3 3的离子化高度依赖环的离子化高度依赖环 境中的境中的pHpH pH6.07.08.09.0 NH3/NH4+0.11.010.050.0 2 微生物在氮素循环不同环节中的作用微生物在氮素循环不同环节中的作用 铵态氮经硝化细菌 的氧化转变成为硝 态氮的过程称为硝

8、化作用 （2） 硝化作用的产物硝化作用的产物 NO2- NO3- NH4+ O2 NO2- O2 NO2-NO3- 2.4 硝化作用硝化作用 2 微生物在氮素循环不同环节中的作用微生物在氮素循环不同环节中的作用 铵态氮经硝化细菌 的氧化转变成为硝 态氮的过程称为硝 化作用 耗氧情况下耗氧情况下 vpH 7-8.6，有利于硝化作用进行；，有利于硝化作用进行； vpH 9，造成游离的，造成游离的NH3过多而抑制硝化作用。过多而抑制硝化作用。 氧化还原电位氧化还原电位 p440，2532为最适生长温度为最适生长温度 p低温能抑制硝化作用（低温能抑制硝化作用（04），因此冬季土壤中以），因此冬季土壤中

9、以NH4+为主，为主， NO2-和和NO3-的量很少；的量很少； p不同地区硝化作用的适宜温度范围不同：不同地区硝化作用的适宜温度范围不同： 北美洲北美洲2025 美国西南部美国西南部3040 热带热带60 uNH4+过多，影响环境过多，影响环境pH; pH9，游离，游离NH3过多，抑制硝化细菌生长。过多，抑制硝化细菌生长。 uNO3-过多，反馈抑制硝酸细菌生长，造成过多，反馈抑制硝酸细菌生长，造成NO3-累积而毒害亚硝酸细累积而毒害亚硝酸细 菌以及污染环境。菌以及污染环境。 u土壤可溶性有机物含量高，能促进硝化作用的进行。土壤可溶性有机物含量高，能促进硝化作用的进行。 u因有机物分解释放出因

10、有机物分解释放出NH4+，为硝化作用提供较多的作用底物。，为硝化作用提供较多的作用底物。 夏季硝态氮高夏季硝态氮高 容易释放铵离子容易释放铵离子 2 微生物在氮素循环不同环节中的作用微生物在氮素循环不同环节中的作用 只抑制亚硝酸细菌的生长，而对硝酸细菌和土壤的其他有益微生物只抑制亚硝酸细菌的生长，而对硝酸细菌和土壤的其他有益微生物 无影响；无影响； 施用量少，成本低，效果明显；施用量少，成本低，效果明显； 对人、畜、土壤、水域、植物无害无污染。对人、畜、土壤、水域、植物无害无污染。 美国美国DOW公司的公司的D-serve； Am（2-氨基氨基-4-氯甲基吡啶）、双氰胺氯甲基吡啶）、双氰胺 中

11、国生产的中国生产的CP（西吡）（西吡）（2-氯氯-6（三氯甲基）吡啶）（三氯甲基）吡啶） 抑制硝化作用，提高氮肥利用率抑制硝化作用，提高氮肥利用率 提高作物产量和品质提高作物产量和品质 CP可降低硝化率可降低硝化率1030，氮肥利用率提高，氮肥利用率提高18.7 2 微生物在氮素循环不同环节中的作用微生物在氮素循环不同环节中的作用 2.5 反硝化作用反硝化作用 植物或微生物将植物或微生物将NONO3 3- - -N -N吸入体内，通过同化型硝酸盐还原酶的作用，吸入体内，通过同化型硝酸盐还原酶的作用， 将将NONO3 3- -还原为还原为NHNH4 4+ +，然后进一步合成体内含，然后进一步合成

12、体内含N N的有机物质的生物学过程。的有机物质的生物学过程。 某些微生物在厌气条件下，用某些微生物在厌气条件下，用NO3-中的氧、氮作为最终电子受体，进中的氧、氮作为最终电子受体，进 行无氧呼吸，将行无氧呼吸，将NO3-还原为还原为NO2-、N2O直至直至N2的生物学过程。的生物学过程。 2 微生物在氮素循环不同环节中的作用微生物在氮素循环不同环节中的作用 2.5.1 反硝化作用条件及作用菌反硝化作用条件及作用菌 2.5 反硝化作用反硝化作用 2 微生物在氮素循环不同环节中的作用微生物在氮素循环不同环节中的作用 （2）反硝化作用菌）反硝化作用菌 2 微生物在氮素循环不同环节中的作用微生物在氮素

13、循环不同环节中的作用 2.5.1 反硝化作用条件及作用菌反硝化作用条件及作用菌 2.5 反硝化作用反硝化作用 2.5.2 土壤中影响反硝化作用因素土壤中影响反硝化作用因素 2 微生物在氮素循环不同环节中的作用微生物在氮素循环不同环节中的作用 2.5 反硝化作用反硝化作用 能量来源能量来源 氧气对反硝化细菌产生胁迫氧气对反硝化细菌产生胁迫 2.5.2 土壤中影响反硝化作用因素土壤中影响反硝化作用因素 2 微生物在氮素循环不同环节中的作用微生物在氮素循环不同环节中的作用 2.5 反硝化作用反硝化作用 海水中的反硝化作用海水中的反硝化作用 淡水中的反硝化作用淡水中的反硝化作用 2.5.2 土壤中影响

14、反硝化作用因素土壤中影响反硝化作用因素 2 微生物在氮素循环不同环节中的作用微生物在氮素循环不同环节中的作用 2.5 反硝化作用反硝化作用 厌氧环境，硝酸更离子厌氧环境，硝酸更离子 富集富集 海床软泥海床软泥 生活于根际，绝大多数为细菌，部分放线菌、真菌。生活于根际，绝大多数为细菌，部分放线菌、真菌。 数量：占土壤细菌总量的数量：占土壤细菌总量的4065，106108个个/g土土 优势属种：优势属种： Pseudomonas：荧光、施氏、脱氮假单胞菌：荧光、施氏、脱氮假单胞菌 Bacillus：地衣、巨大、坚强、嗜热脂肪芽孢杆菌：地衣、巨大、坚强、嗜热脂肪芽孢杆菌 无色杆菌属：脱氮无色杆菌无色

15、杆菌属：脱氮无色杆菌 产碱杆菌，黄杆菌，奈氏杆菌产碱杆菌，黄杆菌，奈氏杆菌 2 微生物在氮素循环不同环节中的作用微生物在氮素循环不同环节中的作用 2.5 反硝化作用反硝化作用 3 论文举例 研究题目：研究题目：长期有机污水灌溉对土壤固氮细菌种群的影响 研究目的：污染环境对功能菌群的影响研究目的：污染环境对功能菌群的影响 研究方法：研究方法：传统培养方法和固氮基因(nifH) PCR- DGGE 指 纹图谱分析 研究思路：研究思路：有机污水灌溉土壤表层和亚表层取样固 氮细菌种群数量和多样性 采样点：采样点：A点为清洁土壤; B 点为重度有机物污染土壤, 一直污 水灌溉50 a; C 点为中度有机物