氮循环-步骤和意义

氮在大气、生物圈和地圈之间以不同形式的运动称为氮循环，是主要的生物地球化学循环之一。

• 它也可以被认为是氮通过食物链从简单的无机化合物，主要是氨，到复杂的有机化合物的运动。
• 这个复杂的循环涉及细菌、植物和动物。
• 所有的生物都能转化氨(NH)_3.)到有机氮化合物，即含有碳氮键的化合物。然而，只有少数微生物能利用氮气(N₂)．
• 尽管N₂气体约占地球大气的80%，它是一种化学上不反应的化合物，因此，为了被生物利用，需要改变它。
• 在生物圈内，总无机氮和总有机氮之间保持着平衡。
• 有机氮向无机氮的转化是通过分解代谢、反硝化和腐烂来实现的。

图片来源:BioNinja．

氮循环的步骤

1.固氮作用

氮循环的第一个阶段是氮的减少₂气体转化为氨，这个过程叫做氮固定。

• N₂气体转化为氨的过程只有少数的微生物，被称为重氮养菌，它们有一种叫做“固氮酶”的酶，它把氮原子和氢原子结合在一起。
• 这些是一些自由生活的土壤细菌，比如克雷伯氏菌和固氮菌、蓝细菌(蓝藻)、共生细菌(主要为根瘤菌)．
• N的量₂由这些重氮营养微生物所固定的估计在10左右¹¹大约是地球新固定氮的60%
• 闪电和紫外线辐射固定了另外15%，其余来自工业过程。
• 氨也可以通过还原硝酸盐离子(NO)得到_3.^{- - - - - -})。
• 大多数植物和微生物都能进行硝酸盐还原。
• 这两个过程产生的氨可以被所有的生物体吸收。

反应:N₂+ 3 H₂- > < - 2nh_3.

• 这个过程是由一个还原酶和一个含铁钼的固氮酶组成的固氮酶复合物进行的。
• 至少16个ATP分子被水解形成两个氨分子。
• 血红蛋白是用来保护体内的固氮酶的根瘤菌由O₂．

2.硝化作用

• 硝化是一个两步过程，其中NH_3./ NH₄⁺转换为NO_3.^{- - - - - -}．
• 首先是土壤细菌亚硝基单胞菌和亚硝化菌NH转换_3.没有₂^{- - - - - -}，然后另一种土壤细菌，硝化菌属氧化不₂^{- - - - - -}没有_3.^{- - - - - -}．
• 这些细菌是从挥发性化学物质中获取能量的“化学营养体”。它们通过这些转化获得能量，这两种转化都需要氧气。

亚硝基单胞菌硝化菌属
[nh4 +]—————————> no2 -————————-> no3 -
铵pH 4 - 10亚硝酸盐pH 6 - 9硝酸盐

硝化的最佳条件:

• 充足的曝气
• 最适温度25 - 35^oC
• 充足的土壤水分
• 充足的可交换碱-特别是钙(Ca)
• 氮磷钾的可用性
• C/N要求较低

3.氮同化

• 氮循环的下一步是将无机氮同化成有机含氮化合物。
• 这是植物和动物吸收NO的过程_3.^{- - - - - -}以及通过固氮和硝化作用形成的氨。
• 所有生物都通过谷氨酸脱氢酶和谷氨酰胺合成酶催化的两个主要反应来同化氨，分别产生谷氨酸(Glu)和谷氨酰胺(Gln)氨基酸。
• 谷氨酸中的氨基氮和谷氨酰胺中的酰胺氮随后被用于进一步的生物合成反应，生成其他化合物。

谷氨酸脱氢酶

谷氨酸脱氢酶催化柠檬酸循环中间体α-酮戊二酸的还原胺化反应。虽然反应是可逆的，但生物合成反应中使用的还原剂是NADPH。这种酶也参与氨基酸的分解代谢。

谷氨酰胺合成酶

谷氨酰胺合成酶催化氨进入谷氨酰胺，从ATP水解中获得能量。这种酶被命名为合成酶，而不是合成酶，因为这种反应将ATP水解成键。相比之下，合酶不需要ATP。

• 植物通过它们的根吸收这些形式的氮，并将它们并入植物蛋白质和核酸中。然后动物就能利用植物组织中的氮。

4.加氨

• 同化作用产生大量的有机氮，包括蛋白质、氨基酸和核酸。
• 氨化作用是将有机氮转化为氨的过程。
• 在这里，来自死去的植物和土壤有机体的有机氮被转化为铵(NH)₄⁺通过矿化)。成矿作用是有机质分解成氨氮₄⁺这是一种有用的营养离子。
• 许多不同的土壤生物包括细菌和真菌都参与了氨化过程。这些土壤生物利用产生的碳和能量分解有机物，但释放氮。
• 氨也通过排泄过程释放到环境中，然后可用来硝化或同化。

5.反硝化作用

• 反硝化作用是指(通过反硝化细菌)硝酸盐转变为气态氮，如氮气(N₂)或一氧化二氮₂O)。
• 这个过程是快速和大量的N₂从土壤系统中流失，最终进入大气层。
• 这个过程只发生在几乎没有氧气的地方，比如地下水位附近的土壤深处。
• 因此，湿地等地区提供了通过反硝化过程降低过量氮水平的宝贵场所。

有利于反硝化条件:

• 缺乏足够的O₂
• 细菌需要可氧化的有机物作为能量来源
• 温暖，微酸性土壤。

氮循环的意义

氮循环说明了土壤、水、空气和生物体内不同形式的氮之间的关系。它被认为是一个循环，因为氮以不同的形式从一个地方移动到另一个地方，但总是存在的。它很重要，原因如下:

• 无论是植物还是动物都不能直接从大气中获得氮，因此都依赖于固氮过程。
• 氮(N)是DNA、RNA和蛋白质的基本成分，这些都是生命的基石。所有的生物都需要氮来生存和生长。
• 氮是氨基酸和核酸的关键组成部分，也是ATP的重要组成部分，ATP是生物的基本能量分子。

关键术语

• 固氮作用:通过闪电或细菌将氮气转化为氨的过程。
• 硝化作用:氨转化为硝酸盐和亚硝酸盐的过程。
• 氨化:死的有机体分解成氨的过程。
• 反硝化作用:把硝酸盐和亚硝酸盐转化成氮气或气态氮的过程。

工具书类

1. 大卫·海姆斯和奈杰尔·胡珀(2005)。生物化学。第三版。泰勒和弗朗西斯集团:纽约。
2. https://www.fondriest.com/news/nitrogencycle.htm
3. https://www.acs.edu.au/info/sciences/chemical-sciences/what-is-the-nitrogen-cycle.aspx
4. https://www.fondriest.com/news/nitrogencycle.htm
5. https://biologydictionary.net/nitrogen-cycle/
6. https://microbiologynotes.org/nitrogen-cycle/