一 部分氮素由闪电所固定,同时绝大部分的氮素被非共生或共生的固氮细菌所固定。这些细 菌拥有可促进氮气和氢化和成为氨的固氮酶,生成的氨再被这种细菌通过一系列的转化以 形成自身组织的一部分。某一些固氮细菌,例如根瘤菌,寄生在豆科植物(例如豌豆或蚕 豆)的根瘤中。这些细菌和植物建立了一种互利共生的关系,为植物生产氨以换取糖类。 因此可通过栽种豆科植物使氮素贫瘠的土地变得肥沃。还有一些其它的植物可供建立这种 共生关系。 其它植物利用根系从土壤中吸收硝酸根离子或铵离子以获取氮素。动物体内的所有氮素则 均由在食物链中进食植物所获得。 氨来源于腐生生物对死亡动植物器官的分解,被用作制造铵离子(NH4+)。在富含氧气的土壤中,这些离子将会首先被亚硝化细菌转化为亚硝酸根离子(NO2-),然后被硝化细菌转化 为硝酸根离子(NO3-)。铵的两步转化过程被叫做氨化作用。 铵对于鱼类来说有剧毒,因此必须对废水处理植物排放到水中的铵的浓度进行严密的监控。 为避免鱼类死亡的损失,应在排放前对水中的铵进行硝化处理,在陆地上为硝化细菌通风 提供氧气进行硝化作用成为一个充满吸引力的解决办法。 铵离子很容易被固定在土壤尤其是腐殖质和粘土中。而硝酸根离子和亚硝酸根离子则因它 们自身的负电性而更不容易被固定在正离子的交换点(主要是腐殖质)多于负离子的土壤 中。在雨后或灌溉后,流失(可溶性离子譬如硝酸根和亚硝酸根的移动)到地下水的情况经 常会发生。地下水中硝酸盐含量的提高关系到饮用水的安全,因为水中过量的硝酸根离子 会影响婴幼儿血液中的氧浓度并导致高铁血红蛋白症或蓝婴综合征(Blue-baby Syndrome)。 如果地下水流向溪川,富硝酸盐的地下水会导致地面水体的富营养作用,使得蓝藻菌和其 它藻类大量繁殖,导致水生生物因缺氧而大量死亡。虽然不像铵一样对鱼类有毒,硝酸盐 可通过富营养作用间接影响鱼类的生存。氮素已经导致了一些水体的富营养化问题。从2006 年起,在英国和美国使用氮肥将受到更严厉的限制,磷肥的使用也将受到了同样的限制。 这些措施被普遍认为是为了治理恢复被富营养化的水体而采取的。 在无氧(低氧)条件下,厌氧细菌的“反硝化作用”将会发生。最终将硝酸中氮的成分还原 成氮气归还到大气中去。 氮气(N2)的转化 有三种将游离态的N2(大气中的氮气)转化为化合态氮的方法: 生物固定 一些共生细菌(主要与豆科植物共生)和一些非共生细菌能进行固氮作用并以有机氮的形式吸收。 工业固氮 在哈伯-博施法中,N2与氢气被化合生成氨(NH3)肥。化石燃料燃烧 主要由交通工具的引擎和热电站以NOx的形式产生。另外,闪电亦可使N2和O2化合形成NO,是大气化学的一个重要过程,但对陆地和水域的氮 含量影响不大。 由于豆科植物(特别是大豆、紫苜蓿和苜蓿)的广泛栽种、使用哈伯-博施法生产化学肥料 以及交通工具和热电站释放的含氮污染成分,人类使得每年进入生物利用形态的氮素提高 了不止一倍。这所导致的富营养作用已经对湿地生态系统产生了破坏。 全球人工固氮所产生活化氮数量的增加,虽然有助于农产品产量的提高,但也会给全球生态 环境带来压力.,使与氮循环有关的温室效应、水体污染和酸雨等生态环境问题进一步加剧. [思路分析] 氮素是构成生物体的另一种必需元素,自然界中的氮素循环包括许多转化作用。空气中的 氮气被固氮微生物及植物与微生物的共生体固定成氨态氮,经过硝化微生物的作用转化成 硝态氮,后者被植物或微生物同化成有机氮化物。动物食用含氮的植物,又转变成动物体 内的蛋白质。动物、植物、微生物的尸体及排泄物被微生物分解后,又以氨的形式释放出 来,这种过程叫做氨化作用。由硝化菌产生的硝酸盐在无氧条件下被一些微生物还原成为 氮气,重新回到大气中,开始新的氮素循环。微生物在氮素循环中的几种作用归纳为:固 氮作用、硝化作用、同化作用、氨化作用和反硝化作用。 [解题过程] 氮素在自然界中有多种存在形式.其中数量最多的是大气中的氮气,总量约3.91015t.除 了少数原核生物以外,其他所有的生物都不能直接利用氮气,必须通过以生物固氮为主的固 氮作用才能被植物吸收利用,动物直接或间接以植物为食获取氮. 构成氮循环的主要环节是:生物体内有机氨的合成,氨化作用,硝化作用,反硝化作用和固氮 作用. 植物吸收土壤中的铵盐和硝酸盐,进而将这些无机氮同化成植物体内的蛋白质等有机氮. 动物直接或间接以植物为食物,将植物体内的有机氮同化成动物体内的有机氮.这一过程叫 做生物体内有机氮的合成. 动植物的遗体,排泄物的残落物中的有机氮被微生物分解后形成氨,这一过程叫做氨化作 氨化作用和硝化作用产生的无机盐,都能被植物吸收利用.在氧气不足的条件下,土壤中的硝酸盐被反硝化细菌等多种微生物还原成亚硝酸盐,并且进一步还原成分子态氮,分子态氮 则返回到大气中,这一过程叫做反硝化作用. 大气中的分子态氮被还原成氨,这一过程叫做固氮作用.没有固氮作用,大气中的分子态氮 就不能被植物吸收利用. 地球上固氮作用的途径有三种:生物固氮,工业固氮和大气固氮.据科学家估算,每年生物固 氮的总量占地球上固氮总量的90%左右,可见,生物固氮在地球的氮循环中具有十分重要的 作用. 氮素是农作物从土壤中吸收的一种大量元素,土壤每年因此要失去大量的氮素.大量施用氮 素化肥能保证植物的生长需要,使粮食增产,但同时又造成土壤板结和环境污染.所以人们 研究生物固氮,通过生物固氮这条途径使土壤中的氮素得到补充,有利于环保和可持续发 展.