氮循环中的生物化学知识

氮在自然界中的循环转化过程。是生物圈内基本的物质循环之一。大气中的氮经微生物等作用而进入土壤，为动植物所利用，最终又在微生物的参与下返回大气中，如此循环往复，维持自然界中氮元素的相对稳定。

氮是许多生物过程的基本元素，它存在于所有组成蛋白质的氨基酸中，是构成诸如DNA等核酸的基本元素之一。在植物中，大量的氮素被用于合成可进行光合作用供植物生长的叶绿素分子。

空气中含有大约78%的氮气，占有绝大部分的氮元素。大气中的分子态氮被还原成氨，这一过程叫做固氮作用。没有固氮作用，大气中的分子态氮就不能被植物吸收利用。固氮作用是将气态的游离态氮转变为可被有机体吸收的化合态氮的过程。其中一部分氮素由人工固定，还有一部分氮素由闪电等高能作用固定，绝大部分的氮素被共生或非共生的固氮微生物固定。这些微生物（主要是细菌，此外还包括少数蓝藻和放线菌）拥有可促进氮气和氢气合成为氨的固氮酶，生成的氨再被这种细菌或植物通过一系列的转化形成自身组织的一部分。例如根瘤菌，寄生在豆科植物的根瘤中。这些细菌和植物建立了一种互利共生的关系，为植物生产氨以换取糖类。其它植物则利用根系从土壤中吸收硝酸根离子或铵离子以获取氮素。动物体内的所有氮素均直接或间接通过植物获得。

氨或NH4+来源于腐生生物对死亡动植物器官的分解。动植物的遗体，排泄物以及残落物中的有机氮被微生物分解后形成氨，这一过程叫做氨化作用。在富含氧气的土壤中，这些离子将首先被亚硝化细菌转化为亚硝酸根离子(NO2-)，然后被硝化细菌转化为硝酸根离子(NO3-)。这一过程叫做硝化作用。氨化作用和硝化作用产生的无机盐，都能被植物吸收利用。在氧气不足的条件下，土壤中的硝酸盐被反硝化细菌等多种微生物还原成亚硝酸盐，并且进一步还原成分子态氮，分子态氮则返回到大气中，这一过程叫做反硝化作用。

铵离子很容易被固定在土壤尤其是腐殖质和粘土中。而硝酸根离子和亚硝酸根离子则因它们自身的负电性而不容易被固定在正离子的交换点（主要是腐殖质）多于负离子的土壤中。在雨后或灌溉后，流失可溶性离子（如硝酸根和亚硝酸根)到地下水的情况经常会发生。地下水中硝酸盐含量的提高关系到饮用水的安全，因为水中过量的硝酸根离子会影响婴幼儿血液中的氧浓度并导致高铁血红蛋白症或蓝婴综合征(Blue-baby Syndrome)。如果地下水流向溪川，富硝酸盐的地下水会导致地面水体的富营养作用，使得蓝藻菌和其它藻类大量繁殖，导致水生生物因缺氧而大量死亡。此外富营养作用还可破坏生物多样性，同时由于微生物的活动产生有毒代谢产物影响水生生物的生存。近来频出的赤潮和水华现象就是水中N、P含量超标所致。

具体来说，固氮作用一般有以下几条途径：生物固氮――固氮微生物把大气中的N2还原NH3的过程。据科学家估算，每年生物固氮的总量占地球上固氮总量的90%左右。可见，生物固氮在地球的氮循环中具有十分重要的作用；工业固氮――N2与H2在高温高压催化剂的作用下生成氨(NH3)。后者再进一步生产各种化学肥料 ；化石燃料燃烧 ――主要由交通工具的引擎和热电站以NOX的形式产生；另外，闪电亦可使N2和O2化合形成NO，后者进一步转化为NO2和HNO3，此过程是大气化学的一个重要过程，但对陆地和水域的氮含量影响不大。

全球人工固氮所产生活化氮数量的增加，虽然有助于农产品产量的提高，但也会给全球生态环境带来压力。使与氮循环有关的水体污染、酸雨和温室效应等生态环境问题进一步加剧，同时又造成土壤板结和环境污染。所以人们研究生物固氮，通过生物固氮这条途径使土壤中的氮素得到补充，有利于环保和可持续发展。