N-cycle 氮循环

尸体，粪便，排泄物Death死亡Death,egestion,excretion死亡,排泄Ammonificationorputrefactionbyputrefyingbacteriaandfungi腐败细菌及真菌的氨化作用或腐败作用NitrificationbyAOA&AOB硝化作用Nitrificationbynitratebacteria硝化细菌的硝化作用Nitrogenfixationbysymbioticnitrogenfixingbacteria共生固氮细菌的固氮作用Freelivingnitrogenfixingbacteria自由生活的固氮细菌Nitrogenfixation固氮作用Death死亡Lightning闪电Denitrificationbydenitrifyingbacteria反硝化细菌的反硝化作用Industrialsynthesis工业合成(fertilizers肥料)Absorption吸收Leaching淋溶N2N2fixation固氮PONOrganicNN2N2ONONO3-NO3-NH4+NH2OHNO2-NO2-NO2-OxicSuboxicAmmoniumOxidation氨氧化Anammox厌氧氨氧化Denitrification反硝化作用ReminerlizationamohaonirnorMicrobialnitrogentransformationsabove,belowandacrossanoxic/anoxicinterfaceinthemarineenvironmentN2Francisetal.,ISMEJ,2007N-CycleinOceanNitrification硝化作用NitriteOxidation亚硝酸盐氧化NH4+蓝细菌固氮作用NitrogenFixation固氮作用是分子态氮被还原成氨和其他含氮化合物的过程非生物固氮：工业固氮：哈伯-博施法N2(g)+3H2(g)→2NH3(g)200bar400℃Fe3+电离固氮：电离作用和大自然中的闪电能使空气中的N2和O2产生化合作用形成NO，NO极其不稳定，会瞬间被氧化成NO2。生物固氮：自生固氮菌：好氧细菌——固氮菌属、固氮螺菌属蓝细菌兼性厌氧菌——如克雷伯氏菌属厌氧菌——如梭状芽孢杆菌属紫细菌绿细菌产甲烷古菌共生固氮菌：根瘤菌属-豆科植物弗氏菌属-非豆科植物联合固氮：固氮菌生活在某些植物根的粘质鞘套内或皮层细胞间，不形成根瘤，但有较强的专一性，如雀稗固氮菌与点状雀稗联合硝化作用是生物用氧气将NH4+转化为NO2-继而将亚硝酸盐氧化为NO3-的作用。氨氧化NH4+NO2-AOB氨氧化细菌主要集中在几个属:亚硝化单胞菌属(Nitrosomonas),亚硝化螺菌属(Nitrosospira)和亚硝化球菌属(Nitrosococcus)AOA奇古菌Thaumarchaea亚硝酸盐氧化NO2-NO3-硝酸细菌属(Nitrobacter)；硝酸刺菌属(Nitrospina)和硝酸球菌属(Nitrococcus)。其中以硝酸细菌属为主，常见的有维氏硝酸细菌(Nitrobacterwinogradskyi)和活跃硝酸细菌(N.agilis)等。硝化作用Nitrification反硝化作用Denitrification反硝化作用指细菌将硝酸盐(NO3−)中的氮(N)通过一系列中间产物(NO2−、NO、N2O)还原为氮气分子(N2)的生物化学过程。参与这一过程的细菌统称为反硝化菌。反硝化菌在自然界以各种形式广泛存在，如：Paracoccusdenitrificans（自养，氧化氢气H2）Thiobacillusdenitrificans（自养，氧化硫化物（S2−）或者硫代硫酸盐（S2O32−））Pseudomonasstutzeri（异养，氧化有机碳）反硝化菌主要为原核生物，大量存在于在α-,β-和γ-变形菌纲中。已知的反硝化菌的属有Achromobacter,Acinetobacter,Agrobacterium,Bacillus,Chromobacterium,Flavobacterium,Spirillum,Vibrio,Halobacterium,Methanomonas,Pseudomonas等。尽管已经发现了自养反硝化菌，但上述反硝化过程主要由异养反硝化菌来完成总的反硝化过程可以用以下方程式表示：2NO3−+10e−+12H+→N2+6H2O,ΔG0=−333kJ/mol•NO3−还原为NO2−：2NO3−+4H++4e−→2NO2−+2H2O•NO2−还原为NO：2NO2−+4H++2e−→2NO+2H2O•NO还原为N2O：2NO+2H++2e−→N2O+H2O•N2O还原为N2：N2O+2H++2e−→N2+H2O以上四个反应均为放热反应，所以在无氧或缺氧条件下，细菌可以将硝酸盐（NO3−）作为电子传递链的最终电子受体（TEA,terminalelectronacceptor），来完成物质能量交换厌氧氨氧化Anammox厌氧氨氧化菌(anaerobicammoniumoxidation,Anammox)是一类细菌，属于浮霉菌门，在缺氧环境中，将铵离子(NH4+)用亚硝酸根(NO2-)氧化为氮气N2包括(CandidatusBrocadia)、(CandidatusKuenenia)和,CandidatusAnammoxoglobus,CandidatusJettenia,(CandidatusScalindua)属。NH4++NO2-→N2+2H2O,ΔGo=-357kJ/mol在厌氧氨氧化过程中，羟胺(NH2OH)和肼(N2H4)作为代谢过程的中间体。AOB依据16SrRNA基因序列构建的氨氧化细菌的系统发育董莲华等，应用生态学报，2008AOAPesteretal.,CurrentOpinioninMicrobiology,2011氨单加氧酶(ammoniamonooxygenase,AMO)及其基因amoAMO是由3个不同亚基组成的三聚体膜结合蛋白,3个亚基的分子量分别为27×103(AmoA)、38×103(AmoB)和31.4×103(AmoC).AMO只能催化非离子氨(NH3)氧化,而不能催化离子氨(NH4+)氧化,而在环境中NH4+与NH3的动态平衡中,倾向于NH4+的方向,使得NH3的浓度很低,这也是在硝化作用中氨的氧化成为限速步骤的原因；此外,AMO催化NH3氧化过程中,只能将O2中的一个O原子加入到NH3中形成羟氨(NH2OH),另一个O原子形成H2O,因此需要提供额外的一对电子。除了NH3外,AMO还可以氧化C-H键和C=C键。编码AMO的基因簇amo至少含有3个基因(amoA,amoB和amoC),它们位于一个操纵子中,其排列顺序为amoC、amoA、amoB.不同种之间的amo基因的排列相同且具有很高的相似性,在一个细胞中一般含有3个拷贝的amo,且不同拷贝之间具有很高的保守性(99%).在欧洲亚硝化单胞菌中,amo基因的转录有3种不同的mRNA产物,其一对应于amoC,其二对应于amoAB,其三对应于amoCAB,或是源于mRNA的加工过程,或是源于不同的转录起始位点.通过突变研究表明,amo基因的3个拷贝都是功能型的,但表达的程度不同.这些基因受氨及亚硝酸的诱导表达.羟氨氧化还原酶(hydroxylamineoxidoreductase,HAO)HAO是一种有相同亚基(Mr=64×103)构成的三聚体细胞周质蛋白,它可以氧化羟氨(NH2OH),并释放出2对电子,其中一对直接用于NH3的氧化过程,另一对用于细胞物质的合成以及ATP的产生对于羟氨氧化酶基因(hao)研究得较为详细的是欧洲亚硝化单胞菌的hao基因,长度为1710bp,受氨及亚硝酸的诱导表达,转录为一个单顺反子的mRNA,与其他细胞周质蛋白一样,该基因也编码有一个18~24氨基酸残基序列的前导肽,该前导肽在HAO的转运和成熟过程中被切除欧洲亚硝化单胞菌中含有3个hao基因拷贝,且它们相距甚远；除了一个拷贝的一个核苷酸外,3个拷贝的编码区域的核苷酸序列完全一样,只是在它们的编码区上游的序列有些差异从AMO和HAO两种酶的作用特性可以预见亚硝化过程的低速和产能的低效率,由此极大地限制了亚硝化细菌生长的速率.亚硝酸还原酶(NiRs)亚硝酸还原酶(NiRs)是反硝化过程中的关键作用酶,它使NO2−转变成NO根据辅基的不同,NiRs分为血红素cd1型亚硝酸还原酶(cd1-NiRs)和铜型亚硝酸还原酶(Cu-NiRs)两种。Cu-NiRs呈三聚体结构,每个单体都含有两种类型的铜原子,它们在酶催化过程中起着传递电子的重要作用。在催化过程中,Cu-NiRs中部分残基的结构变化有利于催化反应的进行。Cu-NiR由nirK基因编码,该基因已从Pseudomonasaureofaciens中分离并测序,nirK编码含有363个氨基酸的多肽,该多肽含有一段由24个氨基酸组成的起蛋白输出作用的信号肽Cu-NiR的晶体结构,每个单体由两个亚单位组成胡朝松等，微生物学通报，2008NOR也是由3个不同亚基组成的三聚体膜结合蛋白复合体,3个亚基的Mr分别为116×103(NorA),65×103(NorB)和32×103(NorX)NOR复合体还含有铁、钼、硫和铜离子NOR可以催化亚硝酸盐的氧化,也可以催化硝酸盐的还原NOR在亚基组成和催化硝酸盐还原上与异化硝酸盐还原酶非常相似。nor基因簇中含有3个基因(norA,norB和norX),DNA序列分析表明,他们在染色体上相邻排列:norA、norX、norB,组成一个操纵子,受亚硝酸及硝酸诱导表达。norA约为3000bp、norX为648bp、norB为1539bp.由norB推测的NorB含有4个与细菌的铁氧化还原蛋白的铁-硫中心非常同源的半胱氨酸残基串.norA和norB与大肠杆菌的异化硝酸盐还原酶基因nrA、nrZ的A亚基和B亚基有较高的相似性,在氨基酸序列上分别可以达到60%和65%的相似性.亚硝酸盐氧化还原酶(nitriteoxidoreductase,NOR)DavidA.andStahl,TheAnnualReviewofMicrobiology,2012PossiblemechanismofmarineAOBandAOAN.MaritimusstrainSCM1DavidA.andStahl,TheAnnualReviewofMicrobiology,2012NXOR硝酰氧化还原酶nitricreducation反硝化作用OUTIN影响氨氧化的因素环境因素AOAAOB土壤中的NH4+浓度高浓度铵态氮抑制嗜温硝化古菌同化CO2的能力，暗示高浓度铵态氮可能抑制其氨氧化能力铵浓度的增加可以直接导致数量的增加土壤pH负相关amoA基因与pH关系？最佳硝化pH8.0-8.4温度对温度具有较强的耐受性受温度影响小硝化活性最高15-20℃O2浓度需氧需氧盐度间接影响NH4+的浓度高盐度抑制了AOB的硝化活性!