氮循环：从空气到生命

展示固定、硝化、同化和反硝化的氮循环 — **氮的生物地球化学循环**分为几个主要阶段：大气中的氮首先被固定，特别是由细菌和闪电完成；然后被植物同化，再通过分解归还土壤，最后返回大气。
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科学摘要

Astronoo的文章介绍了氮循环，这是一系列生物地球化学转化，使大气中的氮能被生物同化。二氮（N₂）约占空气的78%，但其三键使其几乎呈惰性。固氮细菌、真菌和闪电等物理现象将这种气体转化为氨，然后转化为亚硝酸盐和硝酸盐。植物吸收这些化合物来制造蛋白质和DNA。分解和反硝化通过将氮返回大气来闭合循环。文章还强调了人类干扰：合成肥料、富营养化和N₂O排放。

为什么氮循环对地球生命至关重要？

氮是构建蛋白质、氨基酸和DNA不可或缺的元素。然而，地球大气中含有近78%的二氮（N₂），对大多数生物来说仍然是一种无法获取的资源。N₂分子由非常难以断裂的三重化学键稳定。氮循环正是对这一悖论的回应：它通过固氮细菌、真菌、植物和闪电等自然现象，不断将大气中的氮转化为可同化的形式。固定产生氨，随后通过硝化转化为亚硝酸盐，再转化为硝酸盐。植物吸收这些化合物并将其整合到生命物质中；动物通过食用植物获得它们。分解、氨化和反硝化通过将氮返回大气来闭合循环。没有这些转化，生态系统将无法维持肥力，海洋生产力将发生深刻变化，气候稳定性将受到威胁。因此，氮循环是生物圈中一个看不见但至关重要的齿轮。

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为什么氮虽然如此丰富，却如此难以捕获？

巨大但惰性的大气储量

地球大气按体积含有近78%的二氮（N₂），按质量含75%。然而，这一对生命而言巨大的潜在资源对绝大多数生物来说仍然无法获取。没有动物、没有人类、没有植物能将其直接转化为营养物质。

三键，N₂分子的锁

原因在于两个氮原子之间的三重化学键（N≡N）具有非凡的坚固性。断裂这个键需要巨大的能量。

断裂分子的两条途径

存在两条途径：闪电及其30,000°C，或者细菌的化学优雅及其酶固氮酶，能够将N₂还原为NH₃（二氮→氨）。没有这种预先断裂，就没有蛋白质，没有DNA，没有肌肉，没有神经元，没有血液：没有生命。

一个服务于生命的循环

氮循环是一连串的转化，将惰性气体转化为可同化的营养物质，然后将其送回大气。

注：
安托万·拉瓦锡（1743-1794）提出了“azote”一词（源自希腊语“a-zôê”，无生命）。矛盾的是，这种在气态下惰性的元素一旦被固定，就证明对所有活细胞都是不可或缺的。

哪些微生物负责哪些转化？

下表比较了氮循环的主要途径及其生物参与者。

专门化的微生物参与者

氮循环主要途径及其生物参与者的比较
过程	化学转化	细菌＋真菌	所需条件	生态作用
共生固定	\(N_2 \rightarrow NH_3\)	Rhizobium, Bradyrhizobium	与豆科植物根系共生，微需氧	直接向栽培植物提供氮
自由固定	\(N_2 \rightarrow NH_3\)	Azotobacter（好氧）、Clostridium（厌氧）	土壤、水生环境、可利用的有机碳	对自然肥力的分散但持续的贡献
硝化（第一步）	\(NH_3 \rightarrow NO_2^-\)	Nitrosomonas, Nitrosospira	严格好氧，pH中性至微碱性	形成亚硝酸盐，硝酸盐的前体
硝化（第二步）	\(NO_2^- \rightarrow NO_3^-\)	Nitrobacter, Nitrospira	好氧，耐受广泛的温度范围	生产硝酸盐，植物高度可同化的形式
反硝化	\(NO_3^- \rightarrow N_2\)（经由\(NO_2^-\)、NO、\(N_2O\)）	Pseudomonas, Paracoccus, Bacillus	缺氧（饱和土壤、沉积物）、不稳定有机物	闭合循环，\(N_2\)返回大气
氨化（矿化）	有机N \(\rightarrow NH_4^+\)	腐生真菌（Bacillus、Streptomyces等）	好氧或厌氧，分解坏死物质	从有机废物中回收氮

注：
通过合成肥料的人类活动，自1950年以来，进入陆地生态系统的活性氮通量已翻倍。

当人类打破氮循环的平衡

行星尺度的平衡破裂

在工业时代之前，生物固定和大气固定的自然通量维持了土壤和水体中活性氮的稳定储量。尤斯图斯·冯·李比希（1803-1873）的研究已经预感到氮化合物对肥力的重要性。但正是哈伯-博施法的发明（20世纪第一个十年）使合成氮肥的产量成倍增长。今天，人为固定已超过自然固定。

富营养化和温室气体

被雨水淋溶的过量硝酸盐到达河流，然后到达沿海，造成富营养化的死亡区，藻类暴发使水生动物窒息。墨西哥湾或波罗的海就是这种扩散性污染的例证。此外，硝化和反硝化的副产物一氧化二氮（N₂O）是一种温室气体，其效力是二氧化碳的300倍，加剧全球变暖。

参考文献

FAQ：氮循环

什么是氮循环？

它是使氮从其大气形态转变为生物可利用形态，然后再返回大气的一系列转化。

为什么大气中的氮不能直接利用？

因为生物无法断裂非常稳定的N₂分子。只有某些细菌能够固定它。

细菌在这个循环中的作用是什么？

它们承担关键步骤：固定、硝化、氨化和反硝化，使氮变得可获取或将其返回大气。

植物如何利用氮？

它们吸收土壤中的硝酸盐和铵，用于制造蛋白质、氨基酸和DNA。

人类活动如何扰乱这个循环？

肥料、污染和工业燃烧向环境添加了过多的活性氮，导致富营养化、生态失衡和温室气体排放。

如何保护或重新平衡氮循环？

必须减少过量肥料，改善水处理，保护湿地和活土壤，并监测N₂O排放。这些行动限制富营养化和变暖。