氮循環

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環境中氮的流向示意圖。相關的細菌是循環中的關鍵因素,生產出不同種類的含氮化合物供更高等的生物體進行同化作用。參看條目馬爾亭烏斯·貝葉林克

氮循環(英語Nitrogen cycle)是描述自然界中單質和含氮化合物之間相互轉換過程的生態系統的物質循環

基本概念[編輯]

空氣中含有大約78%的氮氣,佔有絕大部分的氮元素。氮是許多生物過程的基本元素;它存在於所有組成蛋白質胺基酸中,是構成諸如DNA等的核酸的四種基本元素之一。在植物中,大量的氮素被用於製造可進行光合作用供植物生長的葉綠素分子。

加工,或者固定,是將氣態的游離態氮轉變為可被有機體吸收的化合態氮的必經過程。一部分氮素由閃電所固定,同時絕大部分的氮素被非共生或共生的固氮細菌所固定。這些細菌擁有可促進氮氣氫化成為固氮酶,生成的氨再被這種細菌通過一系列的轉化以形成自身組織的一部分。某一些固氮細菌,例如根瘤菌,寄生在豆科植物(例如豌豆蠶豆)的根瘤中。這些細菌和植物建立了一種互利共生的關係,為植物生產氨以換取糖類。因此可通過栽種豆科植物使氮素貧瘠的土地變得肥沃。還有一些其它的植物可供建立這種共生關係。

其它植物利用根系從土壤中吸收硝酸根離子或離子以獲取氮素。動物體內的所有氮素則均由在食物鏈中進食植物所獲得。

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氨來源於腐生生物對死亡動植物器官的分解,被用作製造離子(NH4+)。在富含氧氣的土壤中,這些離子將會首先被亞硝化細菌轉化為亞硝酸根離子(NO2),然後被硝化細菌轉化為硝酸根離子(NO3)。銨的兩步轉化過程被叫做硝化作用

銨對於魚類來說有劇毒,因此必須對廢水處理植物排放到水中的銨的濃度進行嚴密的監控。為避免魚類死亡的損失,應在排放前對水中的銨進行硝化處理,在陸地上為硝化細菌通風提供氧氣進行硝化作用成為一個充滿吸引力的解決辦法。

硝酸鹽危害[編輯]

銨離子很容易被固定在土壤中(尤其是腐殖質和粘土)。而硝酸根離子和亞硝酸根離子則因它們自身的負電性而更不容易被固定在正離子的交換點(主要是腐殖質)多於負離子的土壤中。在強降雨後或過量灌溉後,硝酸根和亞硝酸根移動到地下水的情況經常會發生。地下水中硝酸鹽含量的提高關係到飲用水的安全,因為水中過量的硝酸根離子會影響嬰幼兒血液中的氧濃度並導致高鐵血紅蛋白症或藍嬰症候群。如果過量硝酸鹽通過徑流或地下水進入地表水,會導致水體的富營養化,使得藍藻菌和其它藻類大量繁殖,導致水生生物因缺氧而大量死亡。雖然不像銨一樣對魚類有毒,硝酸鹽可通過富營養作用間接影響魚類的生存。氮素已經導致了一些水體的富營養化問題。從2006年起,在英國和美國使用氮肥將受到更嚴厲的限制,磷肥的使用也將受到了同樣的限制。這些措施被普遍認為是為了治理恢復被富營養化的水體而採取的。

在無氧或低氧條件下,厭氧細菌的「反硝化作用」將會發生。最終將硝酸中氮的成分還原成氮氣歸還到大氣中去。

氮氣(N2)的轉化[編輯]

有三種將游離態的N2(大氣中的氮氣)轉化為化合態氮的方法:

  1. 生物固定 – 一些共生細菌(主要與豆科植物共生)和一些非共生細菌能進行固氮作用並以有機氮的形式吸收。
  2. 工業固氮 – 在哈伯-博施法中,N2氣被化合生成(NH3)肥。
  3. 化石燃料燃燒 – 主要由交通工具的引擎和熱電站以NOx的形式產生。

另外,閃電亦可使N2和O2化合形成NO2,是大氣化學的一個重要過程,但對陸地和水域的氮含量影響不大。

由於豆科植物(特別是大豆紫苜蓿苜蓿)的廣泛栽種、使用哈伯-博施法生產化學肥料以及交通工具和熱電站釋放的含氮污染成分,人類使得每年進入生物利用形態的氮素提高了不止一倍。這所導致的富營養作用已經對濕地生態系統產生了破壞。

參見條目[編輯]