第五章微生物與生物地球化學(xué)循環(huán)之氮循環(huán)資料.ppt

1、微生物與生物地球化學(xué)循環(huán)之氮循環(huán),講授內(nèi)容,1 生物地球化學(xué)氮素循環(huán)概述 2 微生物在氮素循環(huán)不同環(huán)節(jié)中的作用 3 論文舉例,1 生物地球化學(xué)氮素循環(huán)概述,地殼 7.71014t,大氣 3.91015t,陸地生物 2.51010t,有機(jī)質(zhì) 1.11011t,海洋非生物活躍N 9.91011t,海洋生物N 5.2108t,海洋溶解N2 2.01013t,1.1 幾類主要氮庫,1.2 氮素在自然界的存在形式,（1）氣態(tài)N：N2，N2O（氧化亞氮） （2）無機(jī)態(tài)N：NO3-、NO2-（亞硝酸鹽 氧化態(tài)）、NH4+（還原態(tài)） （3）有機(jī)態(tài)N：各種有機(jī)氮，如蛋白質(zhì)、氨基酸、氨基糖聚物,1 生物地球化學(xué)氮

2、素循環(huán)概述,生物體有機(jī)氮,NH4+,NO2-,NO3-,大氣N2,生物固氮,硝化作用（1）,硝化作用（2）,同化吸收,同化吸收,氨化作用,亞硝酸氨化作用,異化性硝酸鹽還原,火山爆發(fā),反硝化,1.3 自然界中的氮素循環(huán),1 生物地球化學(xué)氮素循環(huán)概述,自然界中的氮素循環(huán),閃電電離,固氮菌轉(zhuǎn)化,亞硝酸根,2 微生物在氮素循環(huán)不同環(huán)節(jié)中的作用,2.1 生物固氮 2.2 氨化作用 2.3 氮化合物的生物同化 2.4 硝化作用 2.5 反硝化作用,2.1 生物固氮,N2+能量,NH3,微生物（異養(yǎng)） 固氮酶,固氮 微生物,自生固氮菌（）,共生固氮菌,聯(lián)合固氮菌,2 微生物在氮素循環(huán)不同環(huán)節(jié)中的作用,自生固

3、氮菌（好氧）,梭狀芽孢桿菌（厭氧）,自生固氮菌,根瘤菌,豆科植物的根瘤,共生固氮菌,芽孢桿菌,拜葉林克氏菌,聯(lián)合固氮菌,2.2 氨化作用,2 微生物在氮素循環(huán)不同環(huán)節(jié)中的作用,氨化反應(yīng)是指有機(jī)氮經(jīng)微生物的分解而產(chǎn)生氨的生物反應(yīng),第一階段復(fù)雜的含氮化合物分解形成簡單化合物氨基化,第二階段氨基化合物經(jīng)微生物作用脫氨基，釋放氨,合適的環(huán)境條件下,長了毛霉的豆腐,可以食用的霉豆腐,霉豆腐的加工原理氨基化,蛋白質(zhì)RCHNH2COOH（或RNH2）+CO2+中間產(chǎn)物+能量,2.2 氨化作用,第一階段，氨基化,氣生菌絲,堆肥發(fā)酵,有機(jī)堆肥,堆肥發(fā)酵原理脫氨基過程,2.2 氨化作用,第二步，脫氨基,充分通氣條

4、件下 RCHNH2COOH+O2RCOOH+ NH3+CO2+能量,2.2 氨化作用,第二步，脫氨基,厭氧條件下 RCHNH2COOH+2HRCH2COOH（RCH3+CO2）+NH3+能量,一般水解作用 RCH2NH2COOH+H2O RCH2COOH（RCH2OH+CO2）+NH3+能量,微生物水解酶,環(huán)境條件對氨化作用的影響,水分 溫度 pH C/N的影響,土壤持水量5070，有利于氨化作用的進(jìn)行,氨化作用適宜溫度為2532,中性條件的氨化作用大于酸性條件 最適pH7.27.4 堿性條件下形成的NH3易揮發(fā)（pH8）,2 微生物在氮素循環(huán)不同環(huán)節(jié)中的作用,水對濕土壤的比值,2.3 氮化合

5、物的生物同化,微生物體,NO3-,NH4+,NO3-NH4+RCH2NHKCOOH,氨態(tài)氮、硝態(tài)氮被微生物吸收同化稱為氮素的微生物同化,2 微生物在氮素循環(huán)不同環(huán)節(jié)中的作用,同化吸收,2.4 硝化作用,2.4.1 硝化作用的底物和產(chǎn)物,（1） 硝化作用的底物是NH4+，但NH3的離子化高度依賴環(huán)境中的pH,2 微生物在氮素循環(huán)不同環(huán)節(jié)中的作用,銨態(tài)氮經(jīng)硝化細(xì)菌的氧化轉(zhuǎn)變成為硝態(tài)氮的過程稱為硝化作用,（2） 硝化作用的產(chǎn)物,NO2- NO3-,2.4 硝化作用,2.4.1 硝化作用的底物和產(chǎn)物,2 微生物在氮素循環(huán)不同環(huán)節(jié)中的作用,銨態(tài)氮經(jīng)硝化細(xì)菌的氧化轉(zhuǎn)變成為硝態(tài)氮的過程稱為硝化作用,耗氧情況

6、下,2.4.2 影響硝化作用的環(huán)境因素,（1）pH （2）O2 （3）Eh,pH 7-8.6，有利于硝化作用進(jìn)行； pH 9，造成游離的NH3過多而抑制硝化作用。,O2是自養(yǎng)硝化菌進(jìn)行硝化作用的必備條件。,400mv以上，有利于硝化作用進(jìn)行； 低于250mv時，亞硝酸細(xì)菌就不能將NH4+轉(zhuǎn)化為NO2-； 低于80mv時，硝化作用停止。,氧化還原電位,（4）溫度 （5）底物和產(chǎn)物的高濃度均能抑制硝化作用的進(jìn)行 （6）土壤肥力,440，2532為最適生長溫度 低溫能抑制硝化作用（04），因此冬季土壤中以NH4+為主，NO2-和NO3-的量很少； 不同地區(qū)硝化作用的適宜溫度范圍不同：,北美洲2025

7、 美國西南部3040 熱帶60,NH4+過多，影響環(huán)境pH; pH9，游離NH3過多，抑制硝化細(xì)菌生長。 NO3-過多，反饋抑制硝酸細(xì)菌生長，造成NO3-累積而毒害亞硝酸細(xì)菌以及污染環(huán)境。,土壤可溶性有機(jī)物含量高，能促進(jìn)硝化作用的進(jìn)行。 因有機(jī)物分解釋放出NH4+，為硝化作用提供較多的作用底物。,夏季硝態(tài)氮高,容易釋放銨離子,2.4.3 硝化作用造成的環(huán)境污染,過多硝酸鹽污染水源，引起水體富營養(yǎng)化； NO2-為致癌物質(zhì)； N2O破壞臭氧層。,2 微生物在氮素循環(huán)不同環(huán)節(jié)中的作用,2.4.4 抑制劑的施用效果,（1）選擇硝化抑制劑的基本原則 （2）硝化抑制劑的種類 （3）硝化抑制劑的效果,只抑制

8、亞硝酸細(xì)菌的生長，而對硝酸細(xì)菌和土壤的其他有益微生物無影響； 施用量少，成本低，效果明顯； 對人、畜、土壤、水域、植物無害無污染。,美國DOW公司的D-serve； Am（2-氨基-4-氯甲基吡啶）、雙氰胺 中國生產(chǎn)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 提高作物產(chǎn)量和品質(zhì),CP可降低硝化率1030，氮肥利用率提高18.7,2 微生物在氮素循環(huán)不同環(huán)節(jié)中的作用,2.5 反硝化作用,由于作用過程不同，將反硝化作用分為兩類：,植物或微生物將NO3- -N吸入體內(nèi)，通過同化型硝酸鹽還原酶的作用，將NO3-還原為NH4+，然后進(jìn)一步合成體內(nèi)含N的有機(jī)物質(zhì)的生物學(xué)過程

9、。,某些微生物在厭氣條件下，用NO3-中的氧、氮作為最終電子受體，進(jìn)行無氧呼吸，將NO3-還原為NO2-、N2O直至N2的生物學(xué)過程。,2 微生物在氮素循環(huán)不同環(huán)節(jié)中的作用,1）同化型硝酸鹽還原作用,2）異化型硝酸鹽還原作用（呼吸型硝酸鹽還原作用）,2.5.1 反硝化作用條件及作用菌,（1） 條件,厭氣； 適合的電子供體，如有機(jī)C化物或還原型無機(jī)硫化物（S，H2S）； 豐富的電子受體，如NO3-，NO2-； 能進(jìn)行反硝化作用的微生物。,2.5 反硝化作用,2 微生物在氮素循環(huán)不同環(huán)節(jié)中的作用,屬于特殊的兼厭氣性細(xì)菌 營養(yǎng)型 特殊的反硝化細(xì)菌,能反硝化也能發(fā)酵：芽孢桿菌屬，色桿菌屬的一些種； 能

10、反硝化也能發(fā)酵，不能行有氧呼吸：丙酸丙桿菌 能進(jìn)行反硝化也能固N(yùn)：固氮螺菌，紅色假單胞菌 化能自養(yǎng)型反硝化細(xì)菌：脫氮硫桿菌,（2）反硝化作用菌,2 微生物在氮素循環(huán)不同環(huán)節(jié)中的作用,2.5.1 反硝化作用條件及作用菌,2.5 反硝化作用,2.5.2 土壤中影響反硝化作用因素,可礦化的有機(jī)C的多少與反硝化作用關(guān)系密切,反硝化作用與O2量成反相關(guān),在田間持水量5075時，反硝化作用不明顯； 在田間持水量大于100時，反硝化作用逐步增強(qiáng)。,Eh在200mv以下，反硝化作用最強(qiáng)。,2 微生物在氮素循環(huán)不同環(huán)節(jié)中的作用,2.5 反硝化作用,（1）有機(jī)C含量的影響,（2）O2,（3）Eh,能量來源,氧氣對

11、反硝化細(xì)菌產(chǎn)生脅迫,68,pH8以上，過堿，造成NO3形成受抑制,當(dāng)土壤溶液中NO3濃度40mg/L就刺激反硝化作用的進(jìn)行。,中溫帶（年均氣溫20），最適6065,2.5.2 土壤中影響反硝化作用因素,2 微生物在氮素循環(huán)不同環(huán)節(jié)中的作用,2.5 反硝化作用,（4）pH,（5）NO3,（6）溫度,海水中的反硝化作用,廣泛存在于海水和高鹽環(huán)境中，26.7的細(xì)菌屬于反硝化細(xì)菌； 在海水無氧沉積層的剖面上有反硝化作用。,淡水中的反硝化作用,維持沉積物好氧和厭氧的交界面； 減少水中NO3的含量，降低水體富營養(yǎng)化。,2.5.2 土壤中影響反硝化作用因素,2 微生物在氮素循環(huán)不同環(huán)節(jié)中的作用,2.5 反硝

12、化作用,厭氧環(huán)境，硝酸更離子富集,海床軟泥,2.5.3 參與反硝化作用的微生物,生活于根際，絕大多數(shù)為細(xì)菌，部分放線菌、真菌。,數(shù)量：占土壤細(xì)菌總量的4065，106108個/g土 優(yōu)勢屬種：,以NO3-作電子受體的反硝化細(xì)菌最終的優(yōu)勢屬種 Pseudomonas：熒光、施氏、脫氮假單胞菌 Bacillus：地衣、巨大、堅(jiān)強(qiáng)、嗜熱脂肪芽孢桿菌 無色桿菌屬：脫氮無色桿菌 以NO2-作最終電子受體的反硝化細(xì)菌 產(chǎn)堿桿菌，黃桿菌，奈氏桿菌,同化型的硝酸還原微生物,B 異化型硝酸鹽還原微生物（一般指反硝化細(xì)菌）,2 微生物在氮素循環(huán)不同環(huán)節(jié)中的作用,2.5 反硝化作用,3 論文舉例,研究題目：長期有機(jī)污水灌溉對土壤固氮細(xì)菌種群的影響,研究目的：污染環(huán)境對功能菌群的影響,研究方法：傳統(tǒng)培養(yǎng)方法和固氮基因(nifH) PCR- DGGE 指紋圖譜分析,研究思路：有機(jī)污水灌溉土壤表層和亞表層取樣固氮細(xì)菌種群數(shù)量和多樣性,采樣點(diǎn)：A點(diǎn)為清潔土壤; B 點(diǎn)為重度有機(jī)物污染土壤, 一直污水灌溉50 a; C 點(diǎn)為中度有機(jī)物污染土壤, 污水灌溉50 a 后改清水灌溉3 a;