微生物与生物地球化学循环之氮循环资料.pptx

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,#,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,1,生物地球化学氮素循环概述,地壳,7.710,14,t,大气,3.910,15,t,陆地生物,2.510,10,t,有机质,1.110,11,t,海洋非生物活跃,N,9.910,11,t,海洋生物,N,5.210,8,t,海洋溶解,N,2,2.010,13,t,1.1,几类主要氮库,1.2,氮素在自然界的存在形式,（,1,）气态,N,：,N,2,，,N,2,O,（氧化亚氮）,（,2,）无机态,N,：,NO,3,-,、,NO,2,-,（亚硝酸盐 氧化态）、,NH,4,+,（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,生物体有机氮,NH,4,+,NO,2,-,NO,3,-,大气,N,2,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,亚硝酸氨化作用,异化性硝酸盐还原,火山爆发,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,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,2.1,生物固氮,N,2,+,能量,NH,3,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,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,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,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,RCHNH,2,COOH,（或,RNH,2,）,+CO,2,+,中间产物,+,能量,2.2,氨化作用,第一阶段，,氨基化,气生菌丝,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,RCHNH,2,COOH+O,2,RCOOH+NH,3,+CO,2,+,能量,2.2,氨化作用,第二步，脱氨基,厌氧条件下,RCHNH,2,COOH+2HRCH,2,COOH,（,RCH,3,+CO,2,）,+NH,3,+,能量,一般水解作用,RCH,2,NH,2,COOH+H,2,O RCH,2,COOH,（,RCH,2,OH+CO,2,）,+NH,3,+,能量,微生物水解酶,环境条件对氨化作用的影响,水分,温度,pH,C/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,NH,3,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,2.3,氮化合物的生物同化,微生物体,NO,3,-,NH,4,+,NO,3,-,NH,4,+,RCH,2,NHKCOOH,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,2.4,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,NH,4,+,，但,NH,3,的离子化高度依赖环境中的,pH,pH,6.0,7.0,8.0,9.0,NH,3,/NH,4,+,0.1,1.0,10.0,50.0,2,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,（,2,）硝化作用的产物,NO,2,-,NO,3,-,NH,4,+,O,2,NO,2,-,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,O,2,NO,2,-,NO,3,-,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,2.4.2,影响硝化作用的环境因素,（,1,）,pH,（,2,）,O,2,（,3,）,Eh,pH 7-8.6,，有利于硝化作用进行；,pH 9,，造成游离的,NH,3,过多而抑制硝化作用。,O,2,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,NH,4,+,转化为,NO,2,-,；,低于,80mv,时，硝化作用停止。,氧化还原电位,（,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,NH,4,+,为主，,NO,2,-,和,NO,3,-,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,NH,4,+,过多，影响环境,pH;pH9,，游离,NH,3,过多，抑制硝化细菌生长。,NO,3,-,过多，反馈抑制硝酸细菌生长，造成,NO,3,-,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,NH,4,+,，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,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；,NO,2,-,为致癌物质；,N,2,O,破坏臭氧层。,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,）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,2.5,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,NO,3,-,-N,吸入体内，通过同化型硝酸盐还原酶的作用，将,NO,3,-,还原为,NH,4,+,，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,NO,3,-,中的氧、氮作为最终电子受体，进行无氧呼吸，将,NO,3,-,还原为,NO,2,-,、,N,2,O,直至,N,2,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）,2.5.1,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,，,H,2,S,）；,丰富的电子受体，如,NO,3,-,，,NO,2,-,；,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,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,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,O,2,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,）,O,2,（,3,）,Eh,能量来源,氧气对反硝化细菌产生胁迫,6,8,pH8,以上，过碱，造成,NO,3,形成受抑制,当土壤溶液中,NO,3,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,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,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,NO,3,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,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,，,10,6,10,8,个,/g,土,优势属种：,以,NO,3,-,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,NO,2,-,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,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,50 a;C,点为中度有机物污染土壤,污水灌溉,50 a,后改清水灌溉,3 a;D,点轻度有机物污染土壤,污水灌溉,10 a,后改清水灌溉,30 a,。,研究结果,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,30 a,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。,