1.018/7.30J 2003年秋季 生态学基础 第9讲–氮和磷的循环 今天的提要： I. 复习生物地化循环机制和质量平衡 a. 储存库和流通量 b. 排放源和吸收汇 II. 氮 a. 在生物学中的作用 b.储存库 c. 氮的排放源 d. 氮的吸收汇 III. 磷 a. 在生物学中的作用 b. 储存库 c. 磷的排放源 d. 磷的吸收汇 学习问题： z 为什么只有原核生物才能进行固氮？为什么人类和植物没有进化出从大气中直接固 氮的功能？ z 营养元素在落叶林或针叶林中的滞留时间会更长吗？ z 现在的氮循环中固氮作用能被反硝化作用平衡吗？ [ I.复习生物地化循环机制和质量平衡 a. 储存库和流通量 输入 > 输出(吸收汇) 输入< 输出 (排放源) 质量平衡： Σ输入 – Σ输出 + Σ排放源 – Σ吸收汇 = Δ质量 稳定状态：Δ质量=0 II. 氮原子序列 7 … 14.0067 克摩尔 -1 沸点 –195.8°C a. 在生物学中的作用 N 是蛋白质、核酸和其他细胞成分的重要组成部分。 b. 库源 – 大气的79% 是N2 气体。N≡N三键较难断开，需要特殊的条件。因此大部分生态 系统是受N限制的。 N 2溶解在水里，在空气、水和活的组织间循环。 c. 氮的固定 非生物的：闪电(很高的温度和压强) 10 7 公吨年 -1 占每年固氮总量的~ 5-8% （岩石 的风化不是一个重要来源） 生物的：微生物固氮，（原核细菌）通常不是独立生活的固氮菌属（azobacter）或 与植物(如豆科植物)共生的根瘤菌（rhizobium）。生物过程固定的总N约为1.75 x10 8 公吨年 -1 。 生物固氮的机制：利用一个称为固氮酶的酶复合体，固氮酶有两个蛋白组成 – 一个铁蛋白和一 个钼铁蛋白。 N 2 + 8H + + 8e - + 16 ATP = 2NH 3 + H 2 + 16ADP + 16 Pi NH=NH NH=NH N 2 2H + 还原的钼铁蛋白 氧化的钼铁蛋白 还原的铁蛋白 氧化的铁蛋白 还原的铁氧还蛋白 氧化的铁氧还蛋白 NH 2 -NH 2 NH 2 -NH 2 NH 3 改编自http://helios.bto.ed.ac.uk/bt o/microbes/nitrogen.htm#Top 铁蛋白被铁氧还蛋白提供的电子还原。然后还原的铁蛋白结合ATP并还原钼铁蛋白，后者提供电子 给N 2，生成HN=NH。在该过程的进一步的两个循环中（每个循环都需要铁氧还蛋白提供电子）， HN=NH被还原成H 2N-NH2，接着又被还原成2NH 3。 z 铁氧还蛋白通过光合作用，呼吸或发酵产生，这取决于生物类型。 z 固氮酶在有氧气存在的情况下被抑制。固氮原核生物或者进行厌氧固氮(梭菌属Clostridium，脱 硫弧菌属Desulfovibrio，紫色硫细菌Purple sulfphur Bacteria )或者演化出特殊的机制比如极高的 呼吸速率(固氮菌属Azobacter )和/或细胞特点来限制氧气的扩散，不然就演化出共生关系，在这 种共生关系中寄主植物会清除掉氧气。蓝细菌在异形胞中保护固氮酶，异形胞只有光系统I （PS I）。 工业上：哈伯－波希制氨法（The Haber-Bosch process，1909年 ）–高压和相对的高 温，用铁作催化剂，把N 2转化成氨气（通常还要进一步加工成尿素和硝酸铵 (NH4NO3)）– 仍然是工业固氮最廉价的方法。5x10 7 公吨年 -1 。 燃烧副作用：高温和高压把N 2 氧化成 NOx 2 x10 7 公吨年 -1 。 自20世纪40年代以来，可供吸收利用的N量已经增加了两倍多。人为的N输入现在已 经与生物固氮持平了。 d. 氮循环 硝化 细菌 闪电 硝酸盐 NO 3 - 反硝化 细菌 亚硝酸盐 NO 2 - 蛋白质 （植物和 微生物） 氨气 NH 3 大气中 的N 2 生物 固氮 工业 固氮 腐烂 动物 蛋白 植物直接摄取NH 4 + 或NO 3 - 化能自养生物的硝化作用 亚硝化单胞菌属Nitrosomonas的细菌能把NH 3 氧化NO 2 - 。 硝化菌属Nitrobacter能把亚硝酸盐氧化成NO 3 - 。 反硝化作用 假单胞菌属Psuedomonas，产碱菌属Alkaligenes和杆菌属Bacillus A的几种细菌能在无 氧呼吸过程中把NO 3 - 还原成二氮气体。 人为的N来源: 肥料，豆科农作物，大气沉降，排污，森林砍伐，湿地排干。 肥料使用的趋势 中南美洲 全世界 大洋洲 非洲 亚洲 欧洲 北美洲 （百万公吨） 改编自联合国粮农组织（the Food and Agriculture Organization of the United Nations, (FAO)）, FAOSTAT Statistical Database (FAO, Rome, 1997). N的命运？在大多数陆地和淡水生态系统中，N是限制性营养元素，能被有效的循环。当 植物有足够的N（如N:P比大于16:1）时会发生什么呢？ 冲刷/侵蚀–河流中过滤到地下水中的溶解的物质和颗粒物质(溶解的无机DIN，溶解的有机 氮DON，总氮TN,，有机N) –NO 3 - 是一种阴离子，不容易吸附到粘土上，水溶性强。当生态 系统中的N达到饱和时，多余的N会以硝酸盐的形式脱离系统。 可挥发有机物，反硝化作用，燃烧，迁移，收获。 N负荷增加的影响： 水域生态系统的富营养化，沿海的藻类水华和“死亡区”，鱼类死亡，混浊度增加， 陆地生态系统中对物种稀少的草原和森林有利的选择性压力。 硝酸盐最大污染物浓度（MCL） – 10毫克升 -1 … 一氧化氮– 酸雨和烟雾的前体 氧化亚氮 –长寿命的温室气体，保存的热量是CO 2的20倍。 III. 磷 – 原子序数 # 15 … 30.97 克摩尔 -1 沸点 280 °C P 很活泼，不以纯的单质形式存在。与空气接触后形成磷酸根PO 4 3- 。在水中磷酸根被质子 化形成HPO 4 2- ，H 2 PO 4 - 和H 3 PO 4 。 PO 4 3- 正磷酸根是磷酸最简单的分子形式，是在非常碱性的条件下水中的形式。 HPO 4 2- ：在碱性的条件下水中的形式 H 2 PO 4 - ：在中性的条件下水中的形式 H 3 PO 4 ：在非常酸性的条件下水中的形式 a. 生物学中的作用 离子PO 4 3- 和HPO 4 2- 形式的磷是植物和动物的一种重要营养成分。它存在于DNA分子（它与脱氧核糖 结合一起组成了DNA分子的骨架），ATP和ADP，以及脂质细胞膜（磷脂）。P还是像骨骼和牙齿这 样的组织的基本组成。 b.储存库 – 不像C、N和其他重要的生物元素，P在一般的环境温度和气压下不 以气体的状态存在。在水（溶解的有机磷DOP和溶解的无机磷DIP）、土壤和沉积 物（吸收到矿石的表面）以及有机体的组织/腐殖质中存在。 活性P 5.5·10 12 克/年P活性 风力输入的P 0.95·10 12 克/年P包括 0.2·10 12 克/年P活性 总沉积储存库：4·10 21 克P 可开采的：2·10 15 克P 人工开采的：1.4·10 12 克/年P 10% 90% 土壤 总河流输入P： 22·10 12 克/年P包括 来自人为污染的13.5·10 12 克/年P 碎屑P 16.5·10 12 克/年P碎屑 埋藏于大陆架的P活性 2.85·10 12 克/年P 埋藏于海洋盆地的P活性 2.85·10 12 克/年P 96.8·10 12 克/年P 102.5·10 12 克/年P 海平面 c. 磷的排放源 – 存在于沉积岩如磷灰石Ca x(OH)y(PO4)z)、化石骨骼或鸟粪、陆地 岩石层中的磷酸盐矿石的风化和一些海洋沉积物(PO 4可溶于H 2O)中。以肥料为目的 的鸟粪（吃鱼的鸟类的排泄物）开采和污水、以及历史上的去污剂都含有Na 3PO4， 虽然较新的去污剂不含磷。 d. 磷的吸收汇 –正磷酸盐通过植物的根被植物吸收，然后整合到植物组织和异养生 物组织中，通过微生物矿化过程的降解又使P回到水和土壤中；它最终被冲到海洋 中，沉到海底 (成为石灰石) ，几百万年都不能被循环。 磷循环 消费 动物 地表 湖泊 径流 &河流 代谢 吸收 植物 分解 无机磷 PO 4 3- ATP 岩石& 土壤 改编自：http://www.starsandseas.com/SAS%20Ecology/SAS%20chemcycles/cycle_phosphorus.htm