微生物生态学-6氮素循环和有机氮矿化

第六章氮素循环和有机氮矿化第一节氮素循环一、氮素在自然界的存在形式及其生物循环1、存在形式气态N：N2，N2O无机态N：NO3-、NO2-（氧化态）、NH4+（还原态）有机态N：各种含氮有机物，如蛋白质、氨基酸、含N碱基、氨基糖聚物等。2、生物循环反硝化作用生物固氮作用硝酸盐还原作用亚硝化作用硝化作用二、氮在地球上的分布与转化1.岩石圈中的氮2.大气中的氮3.水圈中的氮（以海洋为例）主要存在于地壳、地幔的火层岩中，N含量占地球总N量的97.8％，主要成分是NH4＋，因其存在于岩石的晶格中，不能被植物利用。N2，构成大气体积的78％，占地球总N量的1.9％；大气中吸附在尘土上的氮化物有NH4＋、NO3－以及颗粒状的有机氮化物，含量很小。1.岩石圈中的氮2.大气中的氮3.水圈中的氮（以海洋为例）水圈中N的平衡：a.海洋中N的来源：大气和陆地b.每年海洋中新形成的N量：7.8×1010kgc.支出有机含氮物沉到海底8.6×109kg反硝化作用7.0×1010kgN2，NH4＋，NO3－，有机氮化物;以N2为主，占水域中总N量的97％。4.生物圈中的氮（以土壤为例）以有机态N为主（3.0×1014kg），其次是被粘土颗粒吸附的NH4＋（1.6×1013kg）不同类型的土壤中含氮量差异较大。一般含有机质多的粘土、壤土含N量较多；砂性土壤含N量较低。在土壤中进行年循环转化的N中约95％是在土壤－微生物－植物体系之内进行，N在土壤中平均滞留时间为175年，在腐殖质中N平均滞留1000年左右。吸入①土壤中N的主要来源是大气（生物固氮形成NH4＋进入土壤，139×109kg/年）②降雨沉降大气中含N化合物（121～239×109kg/年）③施肥①反硝化作用（NO3－→N2）②氨的挥发③NO3－的淋溶支出土壤中N的得失4.生物圈中的氮（以土壤为例）第二节有机氮的矿化一、有机氮矿化及生物固结作用有机氮矿化：有机态N经微生物分解，形成无机态N（NH4＋，NO3－）的过程。生物固结作用：微生物将有机N矿化后的产物吸入体内，形成细胞的各种含N有机物的过程。二、土壤中有机N种类和含量1.种类2.含量蛋白质N：蛋白质，多肽，氨基酸非蛋白质N：尿素，尿酸，氨基糖聚合物（如肽聚糖，几丁质）有机氮中以蛋白质为主，含量为20～50％三、有机质氮的分解——氨化作用微生物分解有机物释放NH4+（NH3）的过程。氨化微生物：分解蛋白质能力强的并释放出NH3的微生物。1.氨化作用酸性到中性有水环境中，NH4+形式存在；碱性环境中NH3释放到空气中NH2CONH2+H2O2NH3+CO2尿素酶尿素2.蛋白质的氨化①参与蛋白质氨化的微生物有细菌、放线菌、真菌。将蛋白质氨化释放NH4+的细菌称为氨化细菌。种类：好气——霉状、枯草芽孢杆菌兼性——荧光假单胞菌，节杆菌，色杆菌，蜡状、肠膜芽孢杆菌厌气——芽孢梭菌（以腐败芽孢梭菌为主）参与蛋白质氨化的放线菌：15～17％，以小氮孢菌，诺卡氏菌为主。参与蛋白质氨化的真菌：青霉、曲霉、毛霉、根霉、木霉、交链孢霉，是酸性土壤中进行氨化作用的优势属种。2.蛋白质的氨化②蛋白质氨化的生化途径好气厌气氨基脱羧酶蛋白质多肽肽酶胨水解氨基酸RCH•NH2（胺）水解蛋白质多肽肽酶胨水解氨基酸脱氨基NH3＋CO2水解胨：蛋白部分水解生成的各种衍生物3.氨基糖及其多聚体的氨化氨基糖大量为多聚体，如肽聚糖、胞壁酸、几丁质等。以几丁质为例几丁质的结构单体：N-乙酰葡萄糖胺通过β-1，4糖苷键相连的含N多聚体。分解几丁质的微生物：细菌，放线菌，真菌，以放线菌为主（90～99％）。放线菌：链霉菌，诺卡氏菌，小单孢菌，孢囊链霉菌属中的种。真菌：木霉，轮枝孢霉细菌：好气：嗜几丁质杆菌，几丁质色杆菌，枯草杆菌兼厌气：大肠杆菌，链球菌厌气：芽孢梭菌，阴沟气杆菌分解几丁质的生化过程几丁质几丁质酶寡聚糖几丁二糖几丁二糖酶N－乙酰葡萄糖胺脱酰基葡萄糖＋乙酸脱氨基葡萄糖＋NH3•NH4＋很容易被植物和微生物同化，合成氨基酸和含氮化合物谷氨酸合成酶/谷胺酰胺合成酶作用下，把氨气加入到有机物上(铵离子浓度低，水生细菌参与)或在α-酮-羧酸分子上直接氨基化形成氨基酸4.环境条件对氨化作用的影响①水分②温度③pH④C/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（pH8）有机N化物C/N＝25:1，土壤得不到多余的无机N；C/N25:1，土壤得到多余的无机N；C/N25:1，土壤有无机N的损失。第三节硝化作用微生物将氨氧化为硝酸的生物学过程一、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.硝化作用的产物1)NO2-2)NO3-3)N2ONH4+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-NO3-二、硝化作用的微生物学1.化能自养硝化菌A.种类B.硝化细菌的生理①亚硝酸细菌：②硝酸细菌：亚硝酸单孢菌属；亚硝酸叶状菌属亚硝酸螺菌属亚硝酸球菌属主要分布于海水中，数量不多硝酸杆菌属硝酸刺菌属硝酸球菌属主要分布于海洋中，数量少①具有强自养性；②对能量利用率低，细胞增殖速度很慢；③代时：人工培养10～14h，自然20～24h二、硝化作用的微生物学2.异养硝化菌A.种类细菌放线菌真菌节杆菌，荧光假单胞菌，巨大芽孢杆菌等在含铵盐的有机N化物培养基上产生NO2－和NO3－诺卡氏菌，链霉菌黄曲霉，粗糙脉孢菌;在酵母膏＋蛋白胨＋葡萄糖培养基上产生NO2－和NO3－B.异养硝化菌的硝化率硝化率＝原始土壤中的NO2-含量原始土壤中的NO2-含量－培养后土壤中剩余的NO2-含量×100％异养硝化菌的硝化作用强度不可忽视：细菌繁殖快，数量大；分布广，可在自养硝化菌不能生长的环境中进行微弱的硝化作用，如酸性（pH5.5）、碱性（pH9）3.甲烷氧化菌的硝化作用荚膜甲基球菌NH4+O2NO2-特点在氧化甲烷的基础上环境中有多量的NH4+存在时，通过共氧化作用可将NH4+氧化为NO2-；这种硝化作用只有在水环境中进行，而且环境中以甲基营养型的菌群为主。三、影响硝化作用的环境因素1.pH2.O23.EhpH7-8.6，有利于硝化作用进行；pH5.5，硝化作用受抑制；pH9，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。三、影响硝化作用的环境因素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;pH9，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。四、硝化作用造成的环境污染1.过多硝酸盐污染水源，引起水体富营养化；2.NO2-为致癌物质；3.N2O破坏臭氧层。五、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A.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；B.施用量少，成本低，效果明显；C.对人、畜、土壤、水域、植物无害无污染。A.美国DOW公司的D-serve；B.Am（2-氨基-4-氯甲基吡啶）、双氰胺C.中国生产的CP（西吡）（2-氯-6（三氯甲基）吡啶）A.抑制硝化作用，提高氮肥利用率B.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％第四节硝酸盐还原和反硝化作用反硝化作用广义：凡是将NO3-从氧化态变为还原态（NO2-，N2O，NO，N2，NH4+），不管产物是什么都统称为反硝化作用。由于作用过程不同，将反硝化作用分为两类：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）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。反硝化作用的影响有利有害受NO3-污染的环境通过反硝化作用可减少NO3-的含量；A.对于农业生产，反硝化作用是一个造成有效N损失的途径。B.反硝化作用的中间产物N2O破坏O3层。一、反硝化作用条件及作用菌1.条件a)厌气；b)适合的电子供体，如有机C化物或还原型无机硫化物（S，H2S）；c)丰富的电子受体，如NO3-，NO2-；d)能进行反硝化作用的微生物。一、反硝化作用条件及作用菌2.参与反硝化作用的微生物A.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）生活于根际，绝大多数为细菌，部分放线菌、真菌。A.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）数量：占土壤细菌总量的40～65％，106～108个/g土优势属种：①以NO3-作最终电子受体的反硝化细菌的优势属种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②以NO2-作最终电子受体的反硝化细菌产碱杆菌，黄杆菌，奈氏杆菌一、反硝化作用条件及作用菌3.反硝化细菌的生理特点①属于特殊的兼厌气性细菌②营养型③特殊的反硝化细菌好气：O2作最终电子受体进行好氧呼吸厌气：以NO3-或NO2-中的N作为最终电子受体进行无氧呼吸大部分为有机营养NO3－→NO2－→NO→N2O→N2↑，不发酵①属于特殊的兼厌气性细菌②营养型③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：脱氮硫杆菌二、土壤中影响反硝化作用因素1.有机C含量的影响2.O23.Eh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。4.pH5.NO3－6.温度6～8pH6，过酸，使反硝化作用受抑制pH8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℃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。