主要内容
氮循环
微生物在固氮中的关键作用。含氮化肥的过度使用可能导致藻类过度繁殖。
要点
- 氮是生物体的关键组成部分。氮原子存在于所有蛋白质和start text, D, N, A, end text中。
- 氮在大气层中作为start text, N, end text, start subscript, 2, end subscript气体存在。在固氮作用中，细菌将start text, N, end text, start subscript, 2, end subscript转化成氨。这种形式的氮可以被植物利用。当动物吃掉植物时，它们便获得了可用的氮化合物。
- 氮是自然和农业中一种常见的限制性营养。限制性营养是供应最少并限制生长的营养。
- 当含氮和磷的肥料流向湖泊和河流时，它们会导致藻类大量繁殖，这就是所谓的富营养化。
介绍
到处都有氮！实际上，按体积算，start text, N, end text, start subscript, 2, end subscript气体组成了地球大气的78%，远远超过我们通常认为是“空气”的start text, O, end text, start subscript, 2, end subscriptstart superscript, 1, end superscript。
但是拥有氮和能利用它是两件不同的事。你的身体以及其他植物和动物的身体没有办法将start text, N, end text, start subscript, 2, end subscript转化成可用的形式。我们动物——以及植物同胞——只是没有合适的酶去捕获、或固定、大气氮。
然而，你的 start text, D, N, A, end text和蛋白质含有相当多的氮。这些氮来自何处？在自然世界中，它们来自细菌！
细菌在氮循环中发挥关键作用。
氮通过细菌和其他单细胞的原核生物进入生物世界。它们将大气氮—start text, N, end text, start subscript, 2, end subscript—通过 固氮作用 转化成生物可用的形式。一些固氮细菌在土壤或水中自由生活，而另一些是活在植物内部的有益共生体。
固氮微生物捕获大气氮将其转化成氨—start text, N, H, end text, start subscript, 3, end subscript，其可以被植物吸收以产生有机分子。当植物被吃掉后，含氮分子被传给动物。它们有可能被整合进动物的身体，或被分解并作为废物排出，例如尿液中的尿素。
氮并不永远留在生物体中。相反，它会被细菌从有机氮转化回start text, N, end text, start subscript, 2, end subscript气体。这个过程在陆地生态系统中涉及很多步。来自死去的生物体或废物的含氮化合物被细菌转化成氨—start text, N, H, end text, start subscript, 3, end subscript，然后氨被转化成亚硝酸和硝酸盐。最后，硝酸盐由脱氮原核生物变为start text, N, end text, start subscript, 2, end subscript气体。
海洋生态系统中的氮循环
到目前为止，我们关注了陆地生态系统中的自然氮循环。然而，一般类似的步骤也发生在海洋氮循环。在这里，氨化、硝化、和反硝化的过程由海洋细菌和古细菌进行。
一些含氮化合物作为沉积物沉入海底。长期以来，沉积物被压缩并形成沉积岩。最终，地质隆升可能会将沉积岩移至陆地。在过去，科学家不认为这些富含氮的沉积岩是陆地生态系统的一个重要氮来源。然而，新研究表明它们可能实际上很重要——随着岩石被侵蚀和风化，氮被逐渐释放到植物中squared。
作为限制性营养的氮
在自然生态系统中，很多过程，例如初级生产和分解，都受到可用氮的供应的限制。换而言之，氮通常是 限制性营养，即供应最少的营养物质，从而限制了生物体或种群的生长。
我们如何知道营养物是否是限制性的？通常，要通过如下检验cubed：
- 当一种营养物质是限制性的，增加更多的这种物质将有利于生长——例如，它会导致植物长得比没有添加营养时要高。
- 相反，如果增加了非限制性营养物质，那么它将不会产生效果——例如，植物将生长到同一高度，无论该营养物质存在还是缺失。
例如，我们向花园里一半的豆类植物中加入氮，发现它们比未经处理的植物长得更高，这表明氮是限制性的。相反，如果我们在实验中没有看到生长上的差异，那说明除了氮的其他一些营养物质肯定是限制性的。
氮和磷是自然生态系统和农业中最常见的两种限制性营养素。 这就是为什么，如果你打开一袋化肥，就会发现其中含有大量的氮和磷。
人类活动影响氮循环
我们人类不能在生物层面上固定氮，但我们在工业方面可以！每年，约 4.5 亿吨固定氮通过一种称为哈伯-博施法的化学方法被制造。其中start text, N, end text, start subscript, 2, end subscript在高温下与氢气—start text, H, end text, start subscript, 2, end subscript—反应start superscript, 4, end superscript。这些固定氮大部分用于制造我们用于草坪、花园和农田的肥料。
一般来说，人类活动通过两种主要方式将氮排放到环境中：燃烧化石燃料和在农业中使用含氮肥料。两种方法都会提高大气中的含氮化合物水平。高水平的大气氮——除 start text, N, end text, start subscript, 2, end subscript外——是有害的，例如硝酸start text, H, N, O, end text, start subscript, 3, end subscript会产生酸雨，以及一氧化二氮start text, N, end text, start subscript, 2, end subscript, start text, O, end text会导致温室效应。
另外，当在农业中使用含有氮和磷的人造肥料时，多余的肥料可能会被地表径流冲刷到湖泊、溪流和河流中。 化肥径流的主要影响是盐水和淡水富营养化。 在此过程中，营养物径流会导致藻类或其他微生物过度生长或“大量繁殖”。 没有养分径流，它们的生长受到氮或磷的供应的限制。
富营养化会减少夜间水中的氧气含量，因为藻类和微生物在细胞呼吸中会耗用大量的氧气。这会导致被影响的生态系统中其他生物体的死亡，例如鱼和虾，并会产生低氧、物种枯竭的死水区start superscript, 5, end superscript。