《氨化與硝化反應(yīng)》課件

氨化與硝化反應(yīng)氮元素生物地球化學(xué)循環(huán)中的關(guān)鍵過程。微生物驅(qū)動的轉(zhuǎn)化反應(yīng)。農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和環(huán)境保護(hù)的基礎(chǔ)。目錄氨化反應(yīng)概述定義、重要性、微生物及過程硝化反應(yīng)概述定義、階段、微生物及條件微生物與環(huán)境因素關(guān)鍵微生物、影響因素應(yīng)用與研究進(jìn)展農(nóng)業(yè)、環(huán)境、前沿技術(shù)氨化反應(yīng)定義有機氮分解為氨微生物介導(dǎo)的生物化學(xué)過程礦質(zhì)化過程有機氮轉(zhuǎn)變?yōu)闊o機氮異養(yǎng)微生物參與獲取能量與養(yǎng)分氨化反應(yīng)的重要性植物營養(yǎng)提供可吸收氮源生態(tài)循環(huán)氮素利用關(guān)鍵步驟全球氮循環(huán)維持生物圈平衡參與氨化反應(yīng)的有機物核酸遺傳物質(zhì)降解釋放氮氨基酸脫氨基產(chǎn)生氨蛋白質(zhì)肽鍵水解后釋放氨基酸尿素尿素酶催化水解氨化反應(yīng)的微生物細(xì)菌假單胞菌芽孢桿菌放線菌真菌青霉菌曲霉菌蛋白質(zhì)降解真菌放線菌鏈霉菌諾卡氏菌分支桿菌氨化反應(yīng)的條件溫度范圍最適溫度：25-35℃活性范圍：10-40℃pH值最適pH：6-8微酸至中性環(huán)境水分與氧氣水分含量：50-70%需適宜通氣條件氨化反應(yīng)的過程大分子水解胞外酶分泌多聚物分解為單體小分子轉(zhuǎn)化氨基酸脫氨基核酸堿基分解氨的生成銨離子形成部分氨揮發(fā)氨化反應(yīng)的化學(xué)方程式1蛋白質(zhì)水解蛋白質(zhì)+H?O→氨基酸2氨基酸脫氨R-CH(NH?)-COOH+H?O→R-CH(OH)-COOH+NH?3尿素水解CO(NH?)?+H?O→CO?+2NH?氨化作用的影響因素溫度高溫加速反應(yīng)低溫抑制活性水分過濕導(dǎo)致厭氧干旱限制活性碳氮比高C/N減緩氨化低C/N促進(jìn)氨釋放pH值酸性抑制氨化堿性促進(jìn)氨揮發(fā)氨化速率的測定方法氨含量測定凱氏定氮法比色法有機氮減少量總氮測定差值計算酶活性測定蛋白酶活性氨基酸脫氨酶活性同位素示蹤15N標(biāo)記轉(zhuǎn)化率計算氨化作用在農(nóng)業(yè)中的應(yīng)用有機肥腐熟糞便發(fā)酵分解養(yǎng)分釋放與轉(zhuǎn)化秸稈還田促進(jìn)秸稈降解減少化肥使用土壤改良提高土壤肥力改善土壤結(jié)構(gòu)氨化作用在環(huán)境保護(hù)中的應(yīng)用污水處理有機氮降解前處理階段降低氮負(fù)荷堆肥處理廢棄物資源化減少環(huán)境污染產(chǎn)生有機肥料生態(tài)修復(fù)污染土壤改良提高生態(tài)系統(tǒng)功能促進(jìn)植被恢復(fù)硝化反應(yīng)定義氨的生物氧化從銨到硝酸鹽的轉(zhuǎn)變自養(yǎng)微生物參與獲取能量的化能合成過程需氧過程氧氣作為電子接受體硝化反應(yīng)的重要性植物營養(yǎng)提供優(yōu)質(zhì)氮素形態(tài)水環(huán)境質(zhì)量影響水體富營養(yǎng)化全球氮循環(huán)連接還原態(tài)和氧化態(tài)氮硝化反應(yīng)的兩個階段亞硝化NH??→NO??硝化NO??→NO??能量獲取電子傳遞鏈產(chǎn)能碳素同化CO?固定為有機物硝化細(xì)菌的種類亞硝化細(xì)菌亞硝化單胞菌屬亞硝化螺菌屬氨氧化古菌硝化細(xì)菌硝化單胞菌屬硝化螺菌屬硝化桿菌屬異養(yǎng)硝化菌假單胞菌屬芽胞桿菌屬部分真菌亞硝化過程氨單加氧酶催化NH??+O?+2H?+2e?→NH?OH+H?O羥胺氧化NH?OH+H?O→NO??+5H?+4e?電子傳遞產(chǎn)生質(zhì)子動力勢合成ATP硝化過程亞硝酸鹽氧化NO??+0.5O?→NO??能量獲取電子傳遞鏈磷酸化產(chǎn)生ATP二氧化碳固定Calvin循環(huán)合成有機物硝化細(xì)菌的特征化能自養(yǎng)型無機氮氧化獲能CO?作為碳源嚴(yán)格需氧氧氣作為電子受體氧濃度影響活性生長緩慢世代時間長產(chǎn)能效率低環(huán)境敏感易受抑制恢復(fù)能力弱硝化反應(yīng)的條件溫度最適溫度：25-30℃pH值最適pH：7.5-8.52溶解氧大于2mg/L水分60-80%最大持水量硝化作用的影響因素硝化作用的抑制因素高濃度銨游離氨抑制細(xì)菌活性有機污染物抑制酶活性重金屬汞、銅、鋅等毒害作用低氧或厭氧限制電子受體硝化速率的測定方法1氧氣消耗測定呼吸計測定耗氧率亞硝酸鹽測定重氮偶聯(lián)比色法硝酸鹽測定紫外分光光度法同位素示蹤15N稀釋法硝化作用在農(nóng)業(yè)中的應(yīng)用氮肥管理控制硝化速率減少氮素流失土壤肥力增加有效氮改善植物生長作物輪作調(diào)節(jié)土壤氮素形態(tài)提高氮利用效率硝化作用在環(huán)境保護(hù)中的應(yīng)用污水處理二級處理階段銨氮轉(zhuǎn)化為硝態(tài)氮為反硝化提供底物水產(chǎn)養(yǎng)殖生物濾器轉(zhuǎn)化有毒氨維持水質(zhì)平衡地下水保護(hù)緩沖帶設(shè)計減少氮素污染保護(hù)水資源氨化與硝化的關(guān)系底物供應(yīng)氨化提供硝化底物轉(zhuǎn)化連接微生物群落協(xié)同速率平衡影響氮素積累形態(tài)環(huán)境調(diào)控共同受環(huán)境因子影響氨化-硝化耦合過程有機氮蛋白質(zhì)、氨基酸、核酸銨態(tài)氮NH??亞硝態(tài)氮NO??硝態(tài)氮NO??土壤中的氨化與硝化根際效應(yīng)根系分泌物影響微生物活性增強養(yǎng)分循環(huán)殘體分解氮素礦化與轉(zhuǎn)化植物吸收不同氮形態(tài)吸收影響植物生長水體中的氨化與硝化有機污染物氮素輸入氮轉(zhuǎn)化微生物介導(dǎo)富營養(yǎng)化藻類過度繁殖氨化與硝化在生態(tài)系統(tǒng)中的作用生態(tài)系統(tǒng)健康維持生物多樣性初級生產(chǎn)力影響植物生長元素循環(huán)調(diào)節(jié)氮素流動水體平衡影響水質(zhì)狀況氨化作用的微生物種群假單胞菌屬廣泛分布、降解能力強芽孢桿菌屬耐逆性強、產(chǎn)酶多樣真菌適應(yīng)酸性環(huán)境、分解復(fù)雜有機物硝化作用的關(guān)鍵微生物亞硝化單胞菌屬銨氧化為亞硝酸鹽硝化螺菌屬亞硝酸鹽氧化為硝酸鹽氨氧化古菌極端環(huán)境中發(fā)揮作用分子生物學(xué)技術(shù)在研究中的應(yīng)用PCR技術(shù)功能基因擴增微生物種群鑒定基因測序全基因組分析功能基因注釋微陣列基因表達(dá)譜分析代謝通路研究氨化作用的動力學(xué)模型底物濃度一級動力學(xué)Monod模型硝化作用的動力學(xué)模型pH值亞硝化速率硝化速率氨化與硝化過程的能量學(xué)氨化過程異養(yǎng)代謝有機物提供能量分解作用為主硝化過程自養(yǎng)代謝無機氮氧化獲能ATP產(chǎn)生效率低電子傳遞鏈質(zhì)子梯度形成ATP合成酶作用產(chǎn)生代謝能量氨氧化酶系統(tǒng)3亞基數(shù)量α、β、γ三種亞基組成27kDaα亞基分子量含有活性中心38%銅含量催化活性必需4電子傳遞步驟復(fù)雜的電子傳遞過程亞硝酸鹽氧化酶系統(tǒng)亞硝酸鹽氧化還原酶細(xì)胞周質(zhì)位置含銅和鐵輔基細(xì)胞色素電子傳遞載體c型和a型細(xì)胞色素ATP合成系統(tǒng)利用質(zhì)子動力勢產(chǎn)生代謝能量氨化與硝化過程的基因調(diào)控氨單加氧酶基因amoA、amoB、amoC編碼酶系統(tǒng)組分基因簇組織亞硝酸鹽氧化基因nxrA、nxrB編碼催化亞基進(jìn)化保守性高調(diào)控基因轉(zhuǎn)錄因子信號傳導(dǎo)系統(tǒng)響應(yīng)環(huán)境變化環(huán)境因子對基因表達(dá)的影響溫度響應(yīng)熱休克蛋白調(diào)節(jié)1pH應(yīng)激酸堿平衡維持2氧氣水平氧敏感調(diào)控因子3碳氮比代謝通路調(diào)控4氨化與硝化在廢水處理中的應(yīng)用預(yù)處理去除固體物質(zhì)活性污泥法好氧微生物作用生物膜法附著生長微生物出水處理消毒與排放新型脫氮工藝傳統(tǒng)硝化反硝化需大量有機碳源短程硝化反硝化節(jié)約能源和碳源厭氧氨氧化完全自養(yǎng)脫氮全程自養(yǎng)脫氮一步法工藝氨化與硝化在堆肥過程中的作用時間(天)溫度(℃)氨濃度(mg/kg)硝酸鹽(mg/kg)氨化與硝化對土壤酸化的影響氨化作用釋放NH??和OH?短期提高pH微堿性環(huán)境硝化作用消耗NH??釋放H?導(dǎo)致土壤酸化緩沖體系土壤膠體吸附碳酸鹽緩沖維持pH平衡氨揮發(fā)與硝化作用的關(guān)系銨形成氨化作用產(chǎn)物1氨揮發(fā)堿性條件促進(jìn)硝化消耗減少揮發(fā)基質(zhì)酸化抑制硝化降低pH硝化抑制劑的應(yīng)用二氯異氰尿酸(DCD)抑制氨單加氧酶水溶性高硝基吡啶抑制硝化細(xì)菌生長持效期長噻唑選擇性抑制低毒低殘留3,4-二甲基吡唑磷新型高效抑制劑環(huán)境友好氨化與硝化在氮肥管理中的應(yīng)用氨化與硝化過程的同位素示蹤技術(shù)115N標(biāo)記跟蹤氮素轉(zhuǎn)化途徑精確量化轉(zhuǎn)化率218O標(biāo)記研究氧原子來源區(qū)分不同氧化過程313C標(biāo)記追蹤碳源利用研究碳氮耦合氨化與硝化過程的原位監(jiān)測技術(shù)微電極技術(shù)微尺度分辨率實時動態(tài)監(jiān)測熒光探針特異性標(biāo)記可視化觀察在線分析自動采樣系統(tǒng)連續(xù)數(shù)據(jù)記錄氨化與硝化過程的數(shù)學(xué)模擬DNDC模型脫氮-硝化模型預(yù)測氮素動態(tài)評估環(huán)境影響CENTURY模型生態(tài)系統(tǒng)尺度長期氮循環(huán)模擬氣候變化影響評估微觀動力學(xué)模型微生物過程描述機理性模擬環(huán)境因子響應(yīng)氣候變化對氨化與硝化的影響溫度升高加速微生物活性降水變化影響土壤水分CO?濃度增加改變植物根系分泌氨化與硝化在水稻田中的特點淹水環(huán)境形成氧化-還原梯度根際氧化層支持根際硝化作用氮素形態(tài)轉(zhuǎn)換銨態(tài)氮為主導(dǎo)甲烷產(chǎn)生與氮循環(huán)相互作用氨化與硝化在畜禽糞便處理中的應(yīng)用好氧堆肥熱滅活病原體氮素轉(zhuǎn)化穩(wěn)定液態(tài)糞便厭氧消化產(chǎn)沼氣回收能量固液分離提高處理效率減少環(huán)境負(fù)擔(dān)氨化與硝化在生物修復(fù)中的應(yīng)用石油污染提供氮素營養(yǎng)促進(jìn)微生物降解碳氮平衡調(diào)節(jié)重金屬污染改變金屬形態(tài)影響生物有效性共代謝過程有機污染物共降解作用微生物群落調(diào)整代謝網(wǎng)絡(luò)重構(gòu)氨化與硝化過程的微生物組學(xué)研究1宏基因組學(xué)全部基因信息宏轉(zhuǎn)錄組學(xué)基因表達(dá)分析宏蛋白組學(xué)蛋白質(zhì)功能研究4宏代謝組學(xué)代謝物組成分析氨化與硝化過程的代謝組學(xué)研究GC-MS技術(shù)分析揮