氮循環(huán)的原理及應(yīng)用

水處理微生物氮循環(huán)的原理及應(yīng)用趙敏娟副教授知識(shí)點(diǎn)主要內(nèi)容自然界中的氮素循環(huán)的原理微生物在氮素循環(huán)中的作用氮循環(huán)的原理及作用氮素是生物體合成及蛋白質(zhì)的主要成份，是構(gòu)成生物體的必需元素。所有植物、動(dòng)物和大多數(shù)微生物都不能直接利用大氣中分子態(tài)氮。初級(jí)生產(chǎn)者植物體需要的氨鹽、硝酸鹽等無(wú)機(jī)氮化物，在自然界為數(shù)不多，常常限制了植物體發(fā)展，只有將分子氮進(jìn)行轉(zhuǎn)化和循環(huán)，才能滿足植物體對(duì)氮素營(yíng)養(yǎng)的需要。氮循環(huán)的原理及作用自然界中的氮素循環(huán)的原理氮循環(huán)的原理及作用自然界中的氮素循環(huán)的原理氮素循環(huán)包括許多轉(zhuǎn)化作用：自然界的分子氮，被某些微生物固定形成氨并轉(zhuǎn)化為有機(jī)氮化物；或被微生物與植物聯(lián)合作用轉(zhuǎn)變成可供植物直接利用的氮化物形式。

氮循環(huán)的原理及作用自然界中的氮素循環(huán)的原理氮素循環(huán)包括許多轉(zhuǎn)化作用：存在于植物和微生物體內(nèi)的氮化物被動(dòng)物食用，并在動(dòng)物體內(nèi)被轉(zhuǎn)變?yōu)閯?dòng)物蛋白質(zhì)。當(dāng)動(dòng)植物，微生物尸體及排泄物等有機(jī)氮化物，主要是蛋白質(zhì)或核酸，被各種分解時(shí)以NH3的形式釋放出來(lái)供植物利用，或被氧化成為硝酸鹽供植物吸收或被進(jìn)一步還原為氣態(tài)氮返回自然界。氮循環(huán)的原理及作用自然界中的氮素循環(huán)的原理于是整個(gè)氮素循環(huán)完成，氮素循環(huán)包括固氮作用、氨化作用、硝化作用和反硝化作用。氮循環(huán)的原理及作用8有機(jī)氮無(wú)機(jī)氮無(wú)機(jī)氮無(wú)機(jī)氮氮?dú)庵参锛拔⑸锏墓潭ㄎ⑸镂⑸镂⑸镂⑸镂⑸镒匀唤缰械牡匮h(huán)的原理氮循環(huán)的原理及作用理解了自然界氮素循環(huán)的原理，將為我們?cè)诮窈髮W(xué)習(xí)含氮污染物的生物降解奠定基礎(chǔ)。氮循環(huán)的原理及作用自然界中的氮素循環(huán)的原理微生物在自然界氮循環(huán)中的作用氮循環(huán)的原理及作用微生物在自然界氮循環(huán)中的主要過(guò)程分子氮經(jīng)生物固定為氨—生物固氮；氨態(tài)氮氧化為硝酸—硝化作用；含氮有機(jī)物分解形成氨—氨化作用；硝態(tài)氮還原為氮?dú)狻聪趸饔?。氮循環(huán)的原理及作用1.氮的固定

主要由微生物完成，有的微生物游離固氮，有的微生物與植物根形成特殊的結(jié)構(gòu)——根瘤。氮循環(huán)的原理及作用13地球上固氮作用的途徑有三種：生物固氮、大氣固氮和工業(yè)固氮。在20世紀(jì)以前，土壤中的氮都是在自然氮循環(huán)過(guò)程中來(lái)自大氣。大氣中含氮78%，主要通過(guò)生物固氮和大氣放電固氮進(jìn)入土壤。閃電等高空瞬間放電產(chǎn)生高能，使空氣中的氮與水中的氫結(jié)合，形成氨和硝酸。工業(yè)固氮(化學(xué)法)是在高溫、高壓條件下把氮?dú)廪D(zhuǎn)變?yōu)榘薄?.氮的固定氮循環(huán)的原理及作用14生物固氮是指大氣中的分子氮通過(guò)微生物固氮酶的催化而還原成氨的過(guò)程。生物界只有原核微生物才具有固氮能力。每年生物固氮的總量占地球上固氮總量的90%左右。生物固氮氮循環(huán)的原理及作用15有機(jī)態(tài)N被微生物降解形成NH3的過(guò)程。蛋白質(zhì)蛋白酶水解肽肽酶水解氨基酸降解NH3氧化、水解、還原脫氨基作用2.氨化作用CO(NH2)2+2H2O(NH4)2CO3尿酶2NH3+CO2+H2O氮循環(huán)的原理及作用16含氮有機(jī)物主要有：蛋白質(zhì)、尿素、尿酸、核酸、幾丁質(zhì)、氨基酸、膽堿等。常將有機(jī)N轉(zhuǎn)化成氨態(tài)和硝態(tài)氮的過(guò)程統(tǒng)稱為礦化作用。氨化菌主要有：芽孢桿菌、梭菌、色桿菌、變形桿菌、假單胞菌、放線菌以及曲霉、青霉、毛霉、根霉等。氮循環(huán)的原理及作用173.硝化作用土壤或水體中的氨態(tài)氮，在有氧條件下，經(jīng)自養(yǎng)細(xì)菌的氧化成為硝酸態(tài)氮的作用。分兩個(gè)階段：亞硝化作用：氨氧化為亞硝酸硝酸化作用：亞硝酸氧化為硝酸NH4+

NO2-NO3-硝

亞硝化細(xì)菌氮循環(huán)的原理及作用硝化細(xì)菌18影響硝化作用的環(huán)境因素

(1)pH值：適宜微堿性

(2)溫度：4-40℃，最適：25-35℃(3)通氣：需氧

(4)濕度：過(guò)量影響通氣，不足引起細(xì)胞缺水。氮循環(huán)的原理及作用19硝化作用的意義

NH4+氧化為NO3-，帶負(fù)電，不被土壤顆粒吸附，易溶于水，并隨水移動(dòng)，更容易被植物根系吸收利用；硝酸溶解作用強(qiáng)，促進(jìn)礦物、巖石風(fēng)化過(guò)程，使不溶性養(yǎng)料轉(zhuǎn)變?yōu)榭衫玫男螒B(tài)，如使磷酸三鈣轉(zhuǎn)變?yōu)榱姿嵋烩}；硝酸鹽易溶于水，極易隨水體遷移，易淋失，大大降低氮肥的利用率；同時(shí)，導(dǎo)致湖泊和近海的富營(yíng)養(yǎng)化，進(jìn)而導(dǎo)致“水華”、“赤潮”。氮循環(huán)的原理及作用20反硝化作用是微生物還原硝酸為亞硝酸、氣態(tài)氮化物(N2O、NH3或N2)的作用。HNO3N2O或N2NH34.反硝化作用脫氮作用氮循環(huán)的原理及作用21影響反硝化作用的環(huán)境因素有機(jī)質(zhì)及NO3-含量：有機(jī)質(zhì)刺激反硝化作用，土壤含水量：含水多或排水不良地方，反硝化作用強(qiáng)，土壤通氣狀況：反硝化作用與O2分壓成反相關(guān)，土壤pH：較適宜的范圍是pH6.0以上至微堿性。氮循環(huán)的原理及作用22反硝化作用的微生物主要有：脫氮硫桿菌；地衣芽孢桿菌；銅綠假單胞菌；螺菌屬；脫氮色桿菌，能還原亞硝酸鹽為分子態(tài)氮，若與其他細(xì)菌（如大腸桿菌）共處，亦能還原硝酸鹽；斯氏無(wú)色桿菌，在嫌氣條件下可還原硝酸鹽；熒光極毛桿菌，能使硝酸鹽強(qiáng)烈的還原成分子態(tài)氮。反硝化作用微生物氮循環(huán)的原理及作用23據(jù)研究，在還原掉的硝酸鹽和氧化掉的有機(jī)化合物數(shù)量之間常有一個(gè)規(guī)律性的比率。即每氧化37.5mg葡萄糖，即可還原100mg左右的KNO3。反硝化作用微生物氮循環(huán)的原理及作用24反硝化作用的意義

反硝化作用引起土壤氮素?fù)p失，是土壤和氮素化肥損失的重要原因之一。反硝化產(chǎn)物(N2O或NO)有破壞O3的可能性。但從自然界氮素循環(huán)角度看，它又是不可缺