第五章微生物与生物地球化学循环之氮循环资料课件

微生物与生物地球化学循环之氮循环微生物与生物地球化学循环之氮循环讲授内容1生物地球化学氮素循环概述2微生物在氮素循环不同环节中的作用3论文举例讲授内容1生物地球化学氮素循环概述1生物地球化学氮素循环概述地壳7.7×1014t大气3.9×1015t陆地生物2.5×1010t有机质1.1×1011t海洋非生物活跃N9.9×1011t海洋生物N5.2×108t海洋溶解N22.0×1013t1.1几类主要氮库1生物地球化学氮素循环概述地壳大气陆地生物有机质海洋非生物1.2氮素在自然界的存在形式（1）气态N：N2，N2O（氧化亚氮）（2）无机态N：NO3-、NO2-（亚硝酸盐氧化态）、NH4+（还原态）（3）有机态N：各种有机氮，如蛋白质、氨基酸、氨基糖聚物1生物地球化学氮素循环概述1.2氮素在自然界的存在形式（1）气态N：N2，N2O（氧生物体有机氮NH4+NO2-NO3-大气N2①生物固氮④硝化作用（1）④硝化作用（2）③同化吸收③同化吸收②氨化作用亚硝酸氨化作用异化性硝酸盐还原火山爆发⑤反硝化1.3自然界中的氮素循环1生物地球化学氮素循环概述自然界中的氮素循环闪电电离固氮菌转化亚硝酸根生物体有机氮NH4+NO2-NO3-大气N2①生物固氮④硝化2微生物在氮素循环不同环节中的作用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微生物在氮素循环不同环节中的作用2.1生物固氮2.1生物固氮N2+能量NH3微生物（异养）固氮酶固氮微生物自生固氮菌（）共生固氮菌联合固氮菌2微生物在氮素循环不同环节中的作用2.1生物固氮N2+能量NH3微生物（异养）固氮自生固氮菌自生固氮菌（好氧）梭状芽孢杆菌（厌氧）自生固氮菌自生固氮菌（好氧）梭状芽孢杆菌（厌氧）自生固氮菌根瘤菌豆科植物的根瘤共生固氮菌根瘤菌豆科植物的根瘤共生固氮菌芽孢杆菌拜叶林克氏菌联合固氮菌芽孢杆菌拜叶林克氏菌联合固氮菌2.2氨化作用2微生物在氮素循环不同环节中的作用氨化反应是指有机氮经微生物的分解而产生氨的生物反应第一阶段——复杂的含氮化合物分解形成简单化合物——氨基化第二阶段——氨基化合物经微生物作用脱氨基，释放氨合适的环境条件下2.2氨化作用2微生物在氮素循环不同环节中的作用氨化反长了毛霉的豆腐可以食用的霉豆腐霉豆腐的加工原理——氨基化蛋白质→RCHNH2COOH（或RNH2）+CO2+中间产物+能量2.2氨化作用第一阶段，氨基化气生菌丝长了毛霉的豆腐可以食用的霉豆腐霉豆腐的加工原理——氨基化蛋白堆肥发酵有机堆肥堆肥发酵原理——脱氨基过程2.2氨化作用第二步，脱氨基充分通气条件下

RCHNH2COOH+O2→RCOOH+NH3+CO2+能量堆肥发酵有机堆肥堆肥发酵原理——脱氨基过程2.2氨化作用2.2氨化作用第二步，脱氨基厌氧条件下

RCHNH2COOH+2H→RCH2COOH（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2.2氨化作用第二步，脱氨基厌氧条件下RCHNH2C环境条件对氨化作用的影响水分温度pHC/N的影响土壤持水量50～70％，有利于氨化作用的进行氨化作用适宜温度为25～32℃中性条件的氨化作用大于酸性条件最适pH7.2～7.4碱性条件下形成的NH3易挥发（pH>8）有机N化物C/N＝25:1，土壤得不到多余的无机NC/N<25:1，土壤得到多余的无机NC/N>25:1，土壤有无机N的损失2微生物在氮素循环不同环节中的作用水对湿土壤的比值环境条件对氨化作用的影响水分土壤持水量50～70％，有利于氨2.3氮化合物的生物同化微生物体NO3-NH4+NO3-→NH4+→RCH2NHKCOOH氨态氮、硝态氮被微生物吸收同化称为氮素的微生物同化2微生物在氮素循环不同环节中的作用同化吸收2.3氮化合物的生物同化微生物体NO3-NH4+NO3-2.4硝化作用2.4.1硝化作用的底物和产物（1）硝化作用的底物是NH4+，但NH3的离子化高度依赖环境中的pHpH6.07.08.09.0NH3/NH4+0.11.010.050.02微生物在氮素循环不同环节中的作用铵态氮经硝化细菌的氧化转变成为硝态氮的过程称为硝化作用2.4硝化作用2.4.1硝化作用的底物和产物（1）硝（2）硝化作用的产物NO2-NO3-NH4+O2NO2-硝化作用第一阶段亚硝酸细菌硝化作用第二阶段硝酸细菌O2NO2-NO3-2.4硝化作用2.4.1硝化作用的底物和产物2微生物在氮素循环不同环节中的作用铵态氮经硝化细菌的氧化转变成为硝态氮的过程称为硝化作用耗氧情况下（2）硝化作用的产物NO2-NH4+O2NO2-硝化作用2.4.2影响硝化作用的环境因素（1）pH（2）O2（3）EhpH7-8.6，有利于硝化作用进行；pH<5.5，硝化作用受抑制；铵离子太多pH>9，造成游离的NH3过多而抑制硝化作用。O2是自养硝化菌进行硝化作用的必备条件。400mv以上，有利于硝化作用进行；低于250mv时，亚硝酸细菌就不能将NH4+转化为NO2-；低于－80mv时，硝化作用停止。氧化还原电位2.4.2影响硝化作用的环境因素（1）pHpH7-8.6（4）温度（5）底物和产物的高浓度均能抑制硝化作用的进行（6）土壤肥力4～40℃，25～32℃为最适生长温度低温能抑制硝化作用（0～4℃），因此冬季土壤中以NH4+为主，NO2-和NO3-的量很少；不同地区硝化作用的适宜温度范围不同：北美洲20～25℃美国西南部30～40℃热带60℃NH4+过多，影响环境pH;pH>9，游离NH3过多，抑制硝化细菌生长。NO3-过多，反馈抑制硝酸细菌生长，造成NO3-累积而毒害亚硝酸细菌以及污染环境。土壤可溶性有机物含量高，能促进硝化作用的进行。因有机物分解释放出NH4+，为硝化作用提供较多的作用底物。夏季硝态氮高容易释放铵离子（4）温度4～40℃，25～32℃为最适生长温度北美洲20～2.4.3硝化作用造成的环境污染过多硝酸盐污染水源，引起水体富营养化；NO2-为致癌物质；N2O破坏臭氧层。2微生物在氮素循环不同环节中的作用2.4.3硝化作用造成的环境污染过多硝酸盐污染水源，引起水2.4.4抑制剂的施用效果（1）选择硝化抑制剂的基本原则（2）硝化抑制剂的种类（3）硝化抑制剂的效果只抑制亚硝酸细菌的生长，而对硝酸细菌和土壤的其他有益微生物无影响；施用量少，成本低，效果明显；对人、畜、土壤、水域、植物无害无污染。美国DOW公司的D-serve；Am（2-氨基-4-氯甲基吡啶）、双氰胺中国生产的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产量和品质CP可降低硝化率10～30％，氮肥利用率提高18.7％2微生物在氮素循环不同环节中的作用2.4.4抑制剂的施用效果（1）选择硝化抑制剂的基本原则2.5反硝化作用由于作用过程不同，将反硝化作用分为两类：植物或微生物将NO3--N吸入体内，通过同化型硝酸盐还原酶的作用，将NO3-还原为NH4+，然后进一步合成体内含N的有机物质的生物学过程。某些微生物在厌气条件下，用NO3-中的氧、氮作为最终电子受体，进行无氧呼吸，将NO3-还原为NO2-、N2O直至N2的生物学过程。2微生物在氮素循环不同环节中的作用1）同化型硝酸盐还原作用2）异化型硝酸盐还原作用（呼吸型硝酸盐还原作用）2.5反硝化作用由于作用过程不同，将反硝化作用分为两类：2.5.1反硝化作用条件及作用菌（1）条件厌气；适合的电子供体，如有机C化物或还原型无机硫化物（S，H2S）；丰富的电子受体，如NO3-，NO2-；能进行反硝化作用的微生物。2.5反硝化作用2微生物在氮素循环不同环节中的作用2.5.1反硝化作用条件及作用菌（1）条件厌气；2.5属于特殊的兼厌气性细菌营养型特殊的反硝化细菌能反硝化也能发酵：芽孢杆菌属，色杆菌属的一些种；能反硝化也能发酵，不能行有氧呼吸：丙酸丙杆菌能进行反硝化也能固N：固氮螺菌，红色假单胞菌化能自养型反硝化细菌：脱氮硫杆菌（2）反硝化作用菌2微生物在氮素循环不同环节中的作用2.5.1反硝化作用条件及作用菌2.5反硝化作用属于特殊的兼厌气性细菌能反硝化也能发酵：芽孢杆菌属，色杆菌属2.5.2土壤中影响反硝化作用因素可矿化的有机C的多少与反硝化作用关系密切反硝化作用与O2量成反相关在田间持水量50～75％时，反硝化作用不明显；在田间持水量大于100％时，反硝化作用逐步增强。Eh在200mv以下，反硝化作用最强。2微生物在氮素循环不同环节中的作用2.5反硝化作用（1）有机C含量的影响（2）O2（3）Eh能量来源氧气对反硝化细菌产生胁迫2.5.2土壤中影响反硝化作用因素可矿化的有机C的多少与反6～8pH<6，过酸，使反硝化作用受抑制pH>8以上，过碱，造成NO3－形成受抑制当土壤溶液中NO3－浓度>40mg/L就刺激反硝化作用的进行。中温带（年均气温<20℃），最适25～30℃热带（年均气温>20℃），最适60～65℃2.5.2土壤中影响反硝化作用因素2微生物在氮素循环不同环节中的作用2.5反硝化作用（4）pH（5）NO3－（6）温度6～8pH<6，过酸，使反硝化作用受抑制当土壤溶液中NO3－海水中的反硝化作用广泛存在于海水和高盐环境中，26.7％的细菌属于反硝化细菌；在海水无氧沉积层的剖面上有反硝化作用。淡水中的反硝化作用维持沉积物好氧和厌氧的交界面；减少水中NO3－的含量，降低水体富营养化。2.5.2土壤中影响反硝化作用因素2微生物在氮素循环不同环节中的作用2.5反硝化作用厌氧环境，硝酸更离子富集海床软泥海水中的反硝化作用广泛存在于海水和高盐环境中，26.7％的细2.5.3参与反硝化作用的微生物生活于根际，绝大多数为细菌，部分放线菌、真菌。数量：占土壤细菌总量的40～65％，106～108个/g土优势属种：以NO3-作电子受体的反硝化细菌最终的优势属种Pseudomonas：荧光、施氏、脱氮假单胞菌Bacillus：地衣、巨大、坚强、嗜热脂肪芽孢杆菌无色杆菌属：脱氮无色杆菌以NO2-作最终电子受体的反硝化细菌产碱杆菌，黄杆菌，奈氏杆菌同化型的硝酸还原微生物B

异化型硝酸盐还原微生物（一般指反硝化细菌）2微生物在氮素循环不同环节中的作用2.5反硝化作用2.5.3参与反硝化作用的微生物生活于根际，绝大多数为细菌3论文举例研究题目：长期有机污水灌溉对土壤固氮细菌种群的影响研究目的：污染环境对功能菌群的影响研究方法：传统培养方法和固氮基因(nifH)PCR-DGGE指纹图谱分析研究思路：有机污水灌溉→土壤表层和亚表层→取样→固氮细菌种群数量和多样性采样点：A点为清洁土壤;B点为重度有机物污染土壤,一直污水灌溉50a;C点为中度有机物污染土壤,污水灌溉50a后改清水灌溉3a;D点轻度有机物污染土壤,污水灌溉10a后改清水灌溉30a。3论文举例研究题目：长期有机污水灌溉对土壤固氮细菌种群的研究结果研究结果第五章微生物与生物地球化学循环之氮循环资料课件结论1）长期有机污水灌溉使土壤自生固氮细菌种群数量减少,经过清水灌溉后,种群数量逐渐增加。2）受长期有机污水灌溉影响后,即使清灌30a或更长时间,清灌措施也不能使固氮细菌种群结构得到完全恢复。说明长期污水灌溉对土壤固氮细菌种群的影响具有长期的生态效应,是导致土壤生态与结构功能改变的重要因素之一。结论1）长期有机污水灌溉使土壤自生固氮细菌种群数量减少,微生物与生物地球化学循环之氮循环微生物与生物地球化学循环之氮循环讲授内容1生物地球化学氮素循环概述2微生物在氮素循环不同环节中的作用3论文举例讲授内容1生物地球化学氮素循环概述1生物地球化学氮素循环概述地壳7.7×1014t大气3.9×1015t陆地生物2.5×1010t有机质1.1×1011t海洋非生物活跃N9.9×1011t海洋生物N5.2×108t海洋溶解N22.0×1013t1.1几类主要氮库1生物地球化学氮素循环概述地壳大气陆地生物有机质海洋非生物1.2氮素在自然界的存在形式（1）气态N：N2，N2O（氧化亚氮）（2）无机态N：NO3-、NO2-（亚硝酸盐氧化态）、NH4+（还原态）（3）有机态N：各种有机氮，如蛋白质、氨基酸、氨基糖聚物1生物地球化学氮素循环概述1.2氮素在自然界的存在形式（1）气态N：N2，N2O（氧生物体有机氮NH4+NO2-NO3-大气N2①生物固氮④硝化作用（1）④硝化作用（2）③同化吸收③同化吸收②氨化作用亚硝酸氨化作用异化性硝酸盐还原火山爆发⑤反硝化1.3自然界中的氮素循环1生物地球化学氮素循环概述自然界中的氮素循环闪电电离固氮菌转化亚硝酸根生物体有机氮NH4+NO2-NO3-大气N2①生物固氮④硝化2微生物在氮素循环不同环节中的作用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微生物在氮素循环不同环节中的作用2.1生物固氮2.1生物固氮N2+能量NH3微生物（异养）固氮酶固氮微生物自生固氮菌（）共生固氮菌联合固氮菌2微生物在氮素循环不同环节中的作用2.1生物固氮N2+能量NH3微生物（异养）固氮自生固氮菌自生固氮菌（好氧）梭状芽孢杆菌（厌氧）自生固氮菌自生固氮菌（好氧）梭状芽孢杆菌（厌氧）自生固氮菌根瘤菌豆科植物的根瘤共生固氮菌根瘤菌豆科植物的根瘤共生固氮菌芽孢杆菌拜叶林克氏菌联合固氮菌芽孢杆菌拜叶林克氏菌联合固氮菌2.2氨化作用2微生物在氮素循环不同环节中的作用氨化反应是指有机氮经微生物的分解而产生氨的生物反应第一阶段——复杂的含氮化合物分解形成简单化合物——氨基化第二阶段——氨基化合物经微生物作用脱氨基，释放氨合适的环境条件下2.2氨化作用2微生物在氮素循环不同环节中的作用氨化反长了毛霉的豆腐可以食用的霉豆腐霉豆腐的加工原理——氨基化蛋白质→RCHNH2COOH（或RNH2）+CO2+中间产物+能量2.2氨化作用第一阶段，氨基化气生菌丝长了毛霉的豆腐可以食用的霉豆腐霉豆腐的加工原理——氨基化蛋白堆肥发酵有机堆肥堆肥发酵原理——脱氨基过程2.2氨化作用第二步，脱氨基充分通气条件下

RCHNH2COOH+O2→RCOOH+NH3+CO2+能量堆肥发酵有机堆肥堆肥发酵原理——脱氨基过程2.2氨化作用2.2氨化作用第二步，脱氨基厌氧条件下

RCHNH2COOH+2H→RCH2COOH（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2.2氨化作用第二步，脱氨基厌氧条件下RCHNH2C环境条件对氨化作用的影响水分温度pHC/N的影响土壤持水量50～70％，有利于氨化作用的进行氨化作用适宜温度为25～32℃中性条件的氨化作用大于酸性条件最适pH7.2～7.4碱性条件下形成的NH3易挥发（pH>8）有机N化物C/N＝25:1，土壤得不到多余的无机NC/N<25:1，土壤得到多余的无机NC/N>25:1，土壤有无机N的损失2微生物在氮素循环不同环节中的作用水对湿土壤的比值环境条件对氨化作用的影响水分土壤持水量50～70％，有利于氨2.3氮化合物的生物同化微生物体NO3-NH4+NO3-→NH4+→RCH2NHKCOOH氨态氮、硝态氮被微生物吸收同化称为氮素的微生物同化2微生物在氮素循环不同环节中的作用同化吸收2.3氮化合物的生物同化微生物体NO3-NH4+NO3-2.4硝化作用2.4.1硝化作用的底物和产物（1）硝化作用的底物是NH4+，但NH3的离子化高度依赖环境中的pHpH6.07.08.09.0NH3/NH4+0.11.010.050.02微生物在氮素循环不同环节中的作用铵态氮经硝化细菌的氧化转变成为硝态氮的过程称为硝化作用2.4硝化作用2.4.1硝化作用的底物和产物（1）硝（2）硝化作用的产物NO2-NO3-NH4+O2NO2-硝化作用第一阶段亚硝酸细菌硝化作用第二阶段硝酸细菌O2NO2-NO3-2.4硝化作用2.4.1硝化作用的底物和产物2微生物在氮素循环不同环节中的作用铵态氮经硝化细菌的氧化转变成为硝态氮的过程称为硝化作用耗氧情况下（2）硝化作用的产物NO2-NH4+O2NO2-硝化作用2.4.2影响硝化作用的环境因素（1）pH（2）O2（3）EhpH7-8.6，有利于硝化作用进行；pH<5.5，硝化作用受抑制；铵离子太多pH>9，造成游离的NH3过多而抑制硝化作用。O2是自养硝化菌进行硝化作用的必备条件。400mv以上，有利于硝化作用进行；低于250mv时，亚硝酸细菌就不能将NH4+转化为NO2-；低于－80mv时，硝化作用停止。氧化还原电位2.4.2影响硝化作用的环境因素（1）pHpH7-8.6（4）温度（5）底物和产物的高浓度均能抑制硝化作用的进行（6）土壤肥力4～40℃，25～32℃为最适生长温度低温能抑制硝化作用（0～4℃），因此冬季土壤中以NH4+为主，NO2-和NO3-的量很少；不同地区硝化作用的适宜温度范围不同：北美洲20～25℃美国西南部30～40℃热带60℃NH4+过多，影响环境pH;pH>9，游离NH3过多，抑制硝化细菌生长。NO3-过多，反馈抑制硝酸细菌生长，造成NO3-累积而毒害亚硝酸细菌以及污染环境。土壤可溶性有机物含量高，能促进硝化作用的进行。因有机物分解释放出NH4+，为硝化作用提供较多的作用底物。夏季硝态氮高容易释放铵离子（4）温度4～40℃，25～32℃为最适生长温度北美洲20～2.4.3硝化作用造成的环境污染过多硝酸盐污染水源，引起水体富营养化；NO2-为致癌物质；N2O破坏臭氧层。2微生物在氮素循环不同环节中的作用2.4.3硝化作用造成的环境污染过多硝酸盐污染水源，引起水2.4.4抑制剂的施用效果（1）选择硝化抑制剂的基本原则（2）硝化抑制剂的种类（3）硝化抑制剂的效果只抑制亚硝酸细菌的生长，而对硝酸细菌和土壤的其他有益微生物无影响；施用量少，成本低，效果明显；对人、畜、土壤、水域、植物无害无污染。美国DOW公司的D-serve；Am（2-氨基-4-氯甲基吡啶）、双氰胺中国生产的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产量和品质CP可降低硝化率10～30％，氮肥利用率提高18.7％2微生物在氮素循环不同环节中的作用2.4.4抑制剂的施用效果（1）选择硝化抑制剂的基本原则2.5反硝化作用由于作用过程不同，将反硝化作用分为两类：植物或微生物将NO3--N吸入体内，通过同化型硝酸盐还原酶的作用，将NO3-还原为NH4+，然后进一步合成体内含N的有机物质的生物学过程。某些微生物在厌气条件下，用NO3-中的氧、氮作为最终电子受体，进行无氧呼吸，将NO3-还原为NO2-、N2O直至N2的生物学过程。2微生物在氮素循环不同环节中的作用1）同化型硝酸盐还原作用2）异化型硝酸盐还原作用（呼吸型硝酸盐还原作用）2.5反硝化作用由于作用过程不同，将反硝化作用分为两类：2.5.1反硝化作用条件及作用菌（1）条件厌气；适合的电子供体，如有机C化物或还原型无机硫化物（S，H2S）；丰富的电子受体，如NO3-，NO2-；能进行反硝化作用的微生物。2.5反硝化作用2微生物在氮素循环不同环节中的作用2.5.1反硝化作用条件及作用菌（1）条件厌气；2.5属于特殊的兼厌气性细菌营养型特殊的反硝化细菌能反硝化也能发酵：芽孢杆菌属，色杆菌属的一些种；能反硝化也能发酵，不能行有氧呼吸：丙酸丙杆菌能进行反硝化也能固N：固氮螺菌，红色假单胞菌化能自养型反硝化细菌：脱氮硫杆菌（2）反硝化作用菌2微生物在氮素循环不同环节中的作用2.5.1反硝化作用条件及作用菌2.5反硝化作用属于特殊的兼厌气性细菌能反硝化也能发酵：芽孢杆菌属，色杆菌属2.5.2土壤中影响反硝化作用因素可矿化的有机C的多少与反硝化作用关系密切反硝化作用与O2量成反相关在田间持水量50～75％时，反硝化作用不明显；在田间持水量大于100％时，反硝化作用逐步增强。Eh在200mv以下，反硝化作用最强。2微生物在氮素循环不同环节中的作用2.5反硝化作用（1）有机C含量的影响（2）O2（3）Eh能量来源氧气对反硝化细菌产生胁迫2.5.2土壤中影响反硝化作用因素可矿化的有机C的多少与反6～8pH<6，过酸，使反硝化作用受抑制pH>8以上，过碱，造成NO3－形成受抑制当土壤溶液中NO3－浓度>40mg/L就刺激反硝化作用的进行。中温带（年均气温<20℃），最适25～30℃热带（年均气温>20℃），最适60～65℃2.5.2土壤中影响反硝化作用因素2微生物在氮素循