氮素循环和有机氮矿化很好的课件.ppt

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1、第六章 氮素循环和有机氮矿化,第六章 氮素循环和有机氮矿化,第一节 氮素循环,一、氮素在自然界的存在形式及其生物循环,1、存在形式,气态N：N2，N2O无机态N：NO3-、NO2-（氧化态）、NH4+（还原态）有机态N：各种含氮有机物，如蛋白质、氨基酸、含N碱基、氨基糖聚物等。,第一节 氮素循环一、氮素在自然界的存在形式及其生物循环1、,2、生物循环,反硝化作用,生物固氮作用,硝酸盐还原作用,亚硝化作用,硝化作用,2、生物循环反硝化作用生物固氮作用硝酸盐还原作用亚硝化作用硝,二、氮在地球上的分布与转化,岩石圈中的氮大气中的氮水圈中的氮（以海洋为例）,主要存在于地壳、地幔的火层岩中，N含量占地球

2、总N量的97.8，主要成分是NH4，因其存在于岩石的晶格中，不能被植物利用。,N2，构成大气体积的78，占地球总N量的1.9；大气中吸附在尘土上的氮化物有NH4、NO3以及颗粒状的有机氮化物，含量很小。,二、氮在地球上的分布与转化岩石圈中的氮主要存在于地壳、地幔的,岩石圈中的氮大气中的氮水圈中的氮（以海洋为例）,水圈中N的平衡：,海洋中N的来源：大气和陆地每年海洋中新形成的N量：7.81010kg支出,有机含氮物沉到海底 8.6109kg反硝化作用 7.01010kg,N2，NH4，NO3，有机氮化物; 以N2为主，占水域中总N量的97。,岩石圈中的氮水圈中N的平衡：海洋中N的来源：大气和陆地

3、有机含,生物圈中的氮（以土壤为例）,以有机态N为主（3.01014kg），其次是被粘土颗粒吸附的NH4（1.61013kg）不同类型的土壤中含氮量差异较大。一般含有机质多的粘土、壤土含N量较多；砂性土壤含N量较低。在土壤中进行年循环转化的N中约95是在土壤微生物植物体系之内进行，N在土壤中平均滞留时间为175年，在腐殖质中N平均滞留1000年左右。,生物圈中的氮（以土壤为例）以有机态N为主（3.01014k,土壤中N的得失,生物圈中的氮（以土壤为例）,吸入土壤中N的主要来源是大气（生物固氮形成NH4进入土壤，,第二节 有机氮的矿化,一、有机氮矿化及生物固结作用,有机氮矿化：有机态N经微生物分解

4、，形成无机态N（NH4，NO3）的过程。生物固结作用：微生物将有机N矿化后的产物吸入体内，形成细胞的各种含N有机物的过程。,第二节 有机氮的矿化一、有机氮矿化及生物固结作用有机氮矿化,二、土壤中有机N种类和含量,种类含量,蛋白质N：蛋白质，多肽，氨基酸非蛋白质N：尿素，尿酸，氨基糖聚合物（如肽聚糖，几丁质）,有机氮中以蛋白质为主，含量为2050,二、土壤中有机N种类和含量种类蛋白质N：蛋白质，多肽，氨基酸,三、有机质氮的分解氨化作用,微生物分解有机物释放NH4+（NH3）的过程。氨化微生物：分解蛋白质能力强的并释放出NH3的微生物。,氨化作用,酸性到中性有水环境中， NH4+形式存在；碱性环境

5、中NH3释放到空气中,NH2CONH2+H2O 2NH3+CO2,尿素酶,尿素,三、有机质氮的分解氨化作用微生物分解有机物释放NH4+（,蛋白质的氨化,参与蛋白质氨化的微生物有细菌、放线菌、真菌。,将蛋白质氨化释放NH4+的细菌称为氨化细菌。种类：,好气霉状、枯草芽孢杆菌兼性荧光假单胞菌，节杆菌，色杆菌，蜡状、肠膜芽孢杆菌厌气芽孢梭菌（以腐败芽孢梭菌为主）,参与蛋白质氨化的放线菌：1517，以小氮孢菌，诺卡氏菌为主。,参与蛋白质氨化的真菌：青霉、曲霉、毛霉、根霉、木霉、交链孢霉，是酸性土壤中进行氨化作用的优势属种。,蛋白质的氨化参与蛋白质氨化的微生物有细菌、放线菌、真菌。将蛋,蛋白质的氨化,蛋

6、白质氨化的生化途径,好气,厌气,胨：蛋白部分水解生成的各种衍生物,蛋白质的氨化蛋白质氨化的生化途径好气厌气氨基脱羧酶蛋白质多肽,氨基糖及其多聚体的氨化,氨基糖大量为多聚体，如肽聚糖、胞壁酸、几丁质等。,以几丁质为例,几丁质的结构单体：N-乙酰葡萄糖胺通过-1，4糖苷键相连的含N多聚体。分解几丁质的微生物：细菌，放线菌，真菌，以放线菌为主（9099）。,放线菌：链霉菌，诺卡氏菌，小单孢菌，孢囊链霉菌属中的种。真菌：木霉，轮枝孢霉细菌：,好气：嗜几丁质杆菌，几丁质色杆菌，枯草杆菌兼厌气：大肠杆菌，链球菌厌气：芽孢梭菌，阴沟气杆菌,氨基糖及其多聚体的氨化氨基糖大量为多聚体，如肽聚糖、胞壁酸、,分解几

7、丁质的生化过程,分解几丁质的生化过程几丁质几丁质酶寡聚糖几丁二糖酶N乙酰葡,NH4很容易被植物和微生物同化，合成氨基酸和含氮化合物 谷氨酸合成酶/谷胺酰胺合成酶作用下，把氨气加入到有机物上(铵离子浓度低，水生细菌参与) 或在-酮-羧酸分子上直接氨基化形成氨基酸,NH4很容易被植物和微生物同化，合成氨基酸和含氮化合物,环境条件对氨化作用的影响,水分温度pHC/N的影响,土壤持水量5070，有利于氨化作用的进行。,氨化作用适宜温度为2532,中性条件的氨化作用大于酸性条件最适pH7.27.4碱性条件下形成的NH3易挥发（pH8）,环境条件对氨化作用的影响水分土壤持水量5070，有利于氨,第三节 硝

8、化作用,微生物将氨氧化为硝酸的生物学过程,一、硝化作用的底物和产物,1. 硝化作用的底物是NH4+，但NH3的离子化高度依赖环境中的pH,第三节 硝化作用微生物将氨氧化为硝酸的生物学过程一、硝化作,2. 硝化作用的产物,NO2- NO3- N2O,2. 硝化作用的产物 NO2-NH4+O2NO2-硝化作用第,二、硝化作用的微生物学,1. 化能自养硝化菌,种类硝化细菌的生理,亚硝酸细菌：硝酸细菌：,具有强自养性；对能量利用率低，细胞增殖速度很慢；代时：人工培养1014h，自然2024h,二、硝化作用的微生物学1. 化能自养硝化菌种类亚硝酸细菌：亚,二、硝化作用的微生物学,2. 异养硝化菌,种类,

9、细菌放线菌真菌,节杆菌，荧光假单胞菌，巨大芽孢杆菌等在含铵盐的有机N化物培养基上产生NO2和NO3,诺卡氏菌，链霉菌,黄曲霉，粗糙脉孢菌;在酵母膏蛋白胨葡萄糖培养基上产生NO2和NO3,异养硝化菌的硝化率,异养硝化菌的硝化作用强度不可忽视：细菌繁殖快，数量大；分布广，可在自养硝化菌不能生长的环境中进行微弱的硝化作用，如酸性（pH9）,二、硝化作用的微生物学2. 异养硝化菌种类细菌节杆菌，荧光假,3. 甲烷氧化菌的硝化作用,荚膜甲基球菌,特点,在氧化甲烷的基础上环境中有多量的NH4+存在时，通过共氧化作用可将NH4+氧化为NO2-；这种硝化作用只有在水环境中进行，而且环境中以甲基营养型的菌群为主

10、。,3. 甲烷氧化菌的硝化作用荚膜甲基球菌NH4+O2NO2-特,三、影响硝化作用的环境因素,pHO2Eh,H 7-8.6，有利于硝化作用进行；pH 9，造成游离的NH3过多而抑制硝化作用。,O2是自养硝化菌进行硝化作用的必备条件。,400mv以上，有利于硝化作用进行；低于250mv时，亚硝酸细菌就不能将NH4+转化为NO2-；低于80mv时，硝化作用停止。,三、影响硝化作用的环境因素pHpH 7-8.6，有利于硝化作,三、影响硝化作用的环境因素,温度底物和产物的高浓度均能抑制硝化作用的进行土壤肥力,440，2532为最适生长温度低温能抑制硝化作用（04），因此冬季土壤中以NH4+为主，NO2

11、-和NO3-的量很少；不同地区硝化作用的适宜温度范围不同：,北美洲2025美国西南部3040热带60,NH4+过多，影响环境pH; pH9，游离NH3过多，抑制硝化细菌生长。NO3-过多，反馈抑制硝酸细菌生长，造成NO3-累积而毒害亚硝酸细菌以及污染环境。,土壤可溶性有机物含量高，能促进硝化作用的进行。因有机物分解释放出NH4+，为硝化作用提供较多的作用底物。,三、影响硝化作用的环境因素温度440，2532为最适,四、硝化作用造成的环境污染,过多硝酸盐污染水源，引起水体富营养化；NO2-为致癌物质；N2O破坏臭氧层。,四、硝化作用造成的环境污染过多硝酸盐污染水源，引起水体富营养,五、抑制剂的施

12、用效果,选择硝化抑制剂的基本原则硝化抑制剂的种类硝化抑制剂的效果,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；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。,美国DOW公司的D-serve；Am（2-氨基-4-氯甲基吡啶）、双氰胺中国生产的CP（西吡）（2-氯-6（三氯甲基）吡啶）,抑制硝化作用，提高氮肥利用率提高作物产量和品质,CP可降低硝化率1030，氮肥利用率提高18.7,五、抑制剂的施用效果选择硝化抑制剂的基本原则只抑制亚硝酸细菌,第四节 硝酸盐还原和反硝化作用,反硝化作用,广义：凡是将NO3-从氧化态变为还原态（NO2-，N2O，NO，N2，

13、NH4+），不管产物是什么都统称为反硝化作用。,第四节 硝酸盐还原和反硝化作用反硝化作用广义：凡是将NO3,由于作用过程不同，将反硝化作用分为两类：,同化型硝酸盐还原作用异化型硝酸盐还原作用（呼吸型硝酸盐还原作用）,植物或微生物将NO3- -N吸入体内，通过同化型硝酸盐还原酶的作用，将NO3-还原为NH4+，然后进一步合成体内含N的有机物质的生物学过程。,某些微生物在厌气条件下，用NO3-中的氧作为最终电子受体，进行无氧呼吸，将NO3-还原为NO2-、N2O直至N2的生物学过程。,由于作用过程不同，将反硝化作用分为两类：同化型硝酸盐还原作用,反硝化作用的影响,有利有害,受NO3-污染的环境通过

14、反硝化作用可减少NO3-的含量；,对于农业生产，反硝化作用是一个造成有效N损失的途径。反硝化作用的中间产物N2O破坏O3层。,反硝化作用的影响有利受NO3-污染的环境通过反硝化作用可减少,一、反硝化作用条件及作用菌,1. 条件,厌气；适合的电子供体，如有机C化物或还原型无机硫化物（S，H2S）；丰富的电子受体，如NO3-，NO2-；能进行反硝化作用的微生物。,一、反硝化作用条件及作用菌1. 条件厌气；,一、反硝化作用条件及作用菌,2. 参与反硝化作用的微生物,同化型的硝酸还原微生物异化型硝酸盐还原微生物（一般指反硝化细菌）,生活于根际，绝大多数为细菌，部分放线菌、真菌。,一、反硝化作用条件及作

15、用菌2. 参与反硝化作用的微生物同化型,同化型的硝酸还原微生物异化型硝酸盐还原微生物（一般指反硝化细菌）,数量：占土壤细菌总量的4065，106108个/g土优势属种：,以NO3-作最终电子受体的反硝化细菌的优势属种Pseudomonas：荧光、施氏、脱氮假单胞菌Bacillus：地衣、巨大、坚强、嗜热脂肪芽孢杆菌无色杆菌属：脱氮无色杆菌以NO2-作最终电子受体的反硝化细菌产碱杆菌，黄杆菌，奈氏杆菌,同化型的硝酸还原微生物数量：占土壤细菌总量的4065，1,一、反硝化作用条件及作用菌,3. 反硝化细菌的生理特点,属于特殊的兼厌气性细菌营养型特殊的反硝化细菌,好气：O2作最终电子受体进行好氧呼吸

16、厌气：以NO3-或NO2-中的N作为最终电子受体进行无氧呼吸,大部分为有机营养,NO3 NO2 NO N2O N2，不发酵,一、反硝化作用条件及作用菌3. 反硝化细菌的生理特点属于特殊,属于特殊的兼厌气性细菌营养型特殊的反硝化细菌,能反硝化也能发酵：芽孢杆菌属，色杆菌属的一些种；能反硝化也能发酵，不能行有氧呼吸：丙酸丙杆菌能进行反硝化也能固N：固氮螺菌，红色假单胞菌化能自养型反硝化细菌：脱氮硫杆菌,属于特殊的兼厌气性细菌能反硝化也能发酵：芽孢杆菌属，色杆菌属,二、土壤中影响反硝化作用因素,有机C含量的影响O2Eh,可矿化的有机C的多少与反硝化作用关系密切,反硝化作用与O2量成反相关,在田间持水

17、量5075时，反硝化作用不明显；在田间持水量大于100时，反硝化作用逐步增强。,Eh在200mv以下，反硝化作用最强。,二、土壤中影响反硝化作用因素有机C含量的影响可矿化的有机C的,HNO3温度,68,H8以上，过碱，造成NO3形成受抑制,当土壤溶液中NO3浓度40mg/L就刺激反硝化作用的进行。,中温带（年均气温20），最适6065,H68pH6，过酸，使反硝化作用受抑制当土壤溶液中NO,海水中的反硝化作用,广泛存在于海水和高盐环境中，26.7的细菌属于反硝化细菌；在海水无氧沉积层的剖面上有反硝化作用。,淡水中的反硝化作用,维持沉积物好氧和厌氧的交界面；减少水中NO3的含量，降低水体富营养化。,海水中的反硝化作用广泛存在于海水和高盐环境中，26.7的细,