[科普中國]-自然界的氮循環(huán)

蛋白質(zhì)、核酸等物質(zhì)是生命的物質(zhì)基礎(chǔ)，它們與生命及各種形式的生命活動緊密聯(lián)系在一起，蛋白質(zhì)、核酸中都含有氮，那么其中的氮從哪里來、到哪里去，又是如何被利用的呢？

植食性動物直接以植物為食，將植物體內(nèi)的有機氮同化成其體內(nèi)的有機氮；肉食性動物則通過捕食，從前一營養(yǎng)級的動物體中獲得有機氮，從而合成其體內(nèi)的有機氮，通過食物鏈?zhǔn)沟匾杂袡C物的形式在各營養(yǎng)級間流動。

植物中的蛋白質(zhì)等有機氮是如何而來的？其實，氮在自然界中有許多存在形式，如沉埋在海底的氮、蘊涵在礦物質(zhì)中的氮等，其中，大氣中的氮成分最多，占78%。但大氣中的這些氮不能被多數(shù)生物直接利用，需要借助魚腥藻、念珠藻和顫藻等固氮藍(lán)細(xì)菌中所含有的固氮酶進(jìn)行生物固氮；另外，豆科植物的根部有很多瘤狀突起，這些突起是由于根瘤菌的入侵而增殖產(chǎn)生的，根瘤菌從豆科植物根的皮層細(xì)胞中吸取糖類、礦質(zhì)鹽類及水分，以維持自身的生長繁殖，同時根瘤菌可以將空氣中游離的氮固定下來，轉(zhuǎn)變?yōu)橹参锼芾玫暮衔?，供植物生活所需?/p>

除了生物固氮途徑，自然界中的閃電、宇宙射線、火山爆發(fā)等活動，都可以將大氣中的氮轉(zhuǎn)化為硝酸鹽，并通過降水到達(dá)地面，一定程度上補充了地球可被利用的氮資源，這種途徑被稱為高能固氮。

另外，農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中植物對氮肥的需求遠(yuǎn)大于生物固氮途徑的補給，因而造成農(nóng)業(yè)中氮肥短缺。為此，科學(xué)家研究發(fā)明了化肥，從而實現(xiàn)了工業(yè)固氮。

通過上述三種固氮作用，大氣中的氮被處理和加工為可被植物所利用的硝酸鹽、氨等，從而將無機氮同化成植物體內(nèi)的有機氮。

動植物的遺體、排出物（如糞便、尿素等）和殘落物中的有機氮被微生物分解后形成氨，這一過程叫做氨化作用。在有氧的條件下，土壤中的氨或銨鹽在硝化細(xì)菌的作用下氧化成硝酸鹽，這一過程叫做硝化作用。氨化作用和硝化作用產(chǎn)生的無機氮，都能被植物吸收利用。在氧氣不足的條件下，土壤中的硝酸鹽被反硝化細(xì)菌等多種微生物還原成亞硝酸鹽，并且進(jìn)一步還原成分子態(tài)氮，分子態(tài)氮則返回到大氣中，這一過程叫做反硝化作用。大氣中的分子態(tài)氮被還原成氨，這一過程叫做固氮作用。沒有固氮作用，大氣中的分子態(tài)氮就不能被植物吸收利用。

總之，在一個生態(tài)系統(tǒng)中，氮不僅是生物體的組成成分，同時也可排放在大氣中形成非生物體系成分，氮單質(zhì)和含氮化合物之間不斷相互轉(zhuǎn)換、被循環(huán)利用的過程稱為生態(tài)系統(tǒng)的氮循環(huán)。

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