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(1)生物固氮的概念
生物固氮是指固氮微生物将大气中的氮还原为氨的过程。
固氮微生物主要指具有固氮功能的细菌,包括具有固氮功能的蓝藻和放线菌。
(2)固氮微生物的类型
固氮生物属于微小的原核生物,因此也被称为固氮微生物。根据固氮微生物的固氮特性及其与植物的关系,固氮微生物可分为自养固氮微生物、共生固氮微生物和联合固氮微生物三种类型。
自养固氮微生物生活在土壤或培养基中时,能独立固定空气中的分子氮,不依赖于植物。常见的自养固氮微生物有以色球固氮菌为代表的好氧自养固氮菌,以梭状芽孢杆菌为代表的厌氧自养固氮菌,以鱼腥藻、念珠藻为代表的具有异型细胞(异型细胞含有固氮酶,可用于生物固氮)的固氮蓝藻。
共生固氮微生物只有与植物共生才能固定空气中的分子氮。共生固氮微生物可分为两类:一类是与豆科植物共生的根瘤菌,另一类是与桤木、杨梅、沙棘等非豆科植物共生的弗兰肯斯坦放线菌;另一种是与红萍等水生蕨类植物或罗汉松等裸子植物共存的蓝藻。蓝藻和一些真菌形成的地衣也属于这一类。
一些固氮微生物,如固氮螺菌和雀稗固氮菌,可以生活在玉米、雀稗、水稻和甘蔗根部的皮层细胞之间。这些固氮微生物与共生植物有一定的特异性,但并不形成像根瘤那样的特殊结构。这些微生物也能自身固氮,固氮特性介于自发固氮和共生固氮之间。这种固氮形式称为联合固氮。
(3)生物固氮的过程(见图)
(4)氮循环简介
氮在自然界中以多种形式存在,其中大气中的氮最为丰富,总量约为 × 1015 t,除了少数原核生物外,其他所有生物都可以 不要直接使用氮气。目前陆地生物体内储存的有机氮总量为 × 1010 ~ × 1010 t,这部分氮虽然不算太多,但可以很快循环利用,因此可以被植物反复吸收利用。土壤中存在的有机氮总量约为 ×1011 t,可分解成无机氮供植物逐年吸收利用。海洋
氮循环的主要环节有:有机氮合成、氨化、硝化、反硝化和固氮。
植物吸收土壤中的铵盐和硝酸盐,然后将这些无机氮同化为植物体内的蛋白质等有机氮。动物直接或间接地吃植物,将植物中的有机氮同化为动物体内的有机氮。这个过程叫做生物体内有机氮的合成。动植物的遗体、排泄物、残体中的有机氮被微生物分解形成氨,称为氨化作用。土壤中的氨或铵盐在硝化细菌的作用下最终被氧化成硝酸盐。这个过程叫做硝化作用。氨化和硝化作用产生的无机氮可以被植物吸收利用。在氧气不足的情况下,土壤中的硝酸盐被反硝化菌等微生物还原为亚硝酸盐,进一步还原为分子氮,返回大气。这个过程叫做反硝化作用。
大气中的分子氮被还原成氨,称为固氮。没有固氮作用,大气中的分子氮就不能被植物吸收利用。地球上的固氮有三种:生物固氮、工业固氮(氮通过高温、高压和化学催化转化为氨)和高能固氮(如闪电等高空瞬间放电产生的高能),能使空气中的氮与水中的氢结合生成氨和硝酸。根据科学家的研究。;估算,每年生物固氮的总量约占地球固氮总量的90,可见生物固氮在地球氮循环中起着非常重要的作用。
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