在环境科学的学习过程中,物质循环(碳、氮、磷与水循环)是一个非常依赖于同学们化学基础的热门考点,而其中氮循环(Nitrogen Cycle)既包含着N₂、NH₃、NH₄⁺、NO₃⁻等多种化学物质,同时也包含着固氮作用(Nitrogen fixation),硝化作用(Nitrification),反硝化作用(Denitrification)等多种反应过程,同时其在生物体内也存在着互相的转化,是四个物质循环中最难的一个。 今天老师就用N循环示意图,带大家梳理一下氮循环的内容,盘点在循环中重要的反应过程。 图1.N循环示意图 空气中的氮 理解氮(Nitrogen, N)循环首先需要理解地球上主要的氮储存在什么地方。氮素主要以氮气(Atmospheric nitrogen, N₂)的形式存在(图1中①所在的位置),在呼吸的空气中,氧气并不是最主要的成分,反而氮气占据着78%,占空气成分的绝大部分。 但是动物对于氮气是没有吸收能力的,它只是呼吸中的过客。同时这也意味着氮气是非常稳定的气体,它不太容易参与到生命体的反应中去,因此它经常被用作膨化食品的填充气体,像是薯片包装都是鼓鼓的,里面正是充入了氮气。 土壤中的氮 虽然氮气是不能够被生物直接吸收的,但是氮元素对于生命体非常重要,在之前的推文中我们曾提到N元素是生命体蛋白质的重要组成元素。 那么N元素是如何被植物吸收的呢?在很多植物的根部存在着一种与植物共生的细菌-固氮菌(N-fixation bacteria),这些细菌可以将空气中的N₂转化为氨气(Ammonia,NH₃,图1中③位置),被称为固氮作用(图1中②的位置)。 图2.植物根系上的固氮菌 而NH₃非常活泼,可以与水等物质反应生成铵根离子(Ammonium,NH₄⁺,图1中④的位置),落入土壤中。NH₄⁺已经是植物可以吸收的状态,但是植物除了吸收NH₄⁺以外,还喜欢吸收硝酸根离子(Nitrate,NO₃⁻,图1中⑥位置)。 NO₃⁻又是如何形成的呢,在土壤中存在着一种硝化细菌,可以将NH₄⁺转化为NO₃⁻,这个作用被称为硝化作用(Nitrification,图1中⑤位置)。 生物界中的氮 当NH₄⁺与NO₃⁻被植物吸收后,在植物体内开始组成含氮有机物,使得植物得以生长。而植物作为生产者,是食物链中的最低端,自然界中还会存在着消费者,它们以植物为食,将植物体内的含氮有机物吸收,转换成自身所需要的有机大分子,这个过程称为同化作用(Assimilation,图1中⑧位置)。 但无论是植物还是动物,最后都难逃死亡的命运,在生命体死亡之后,分解者出现,将已经合成的大分子含氮物质分解掉,形成NH₄⁺,重新回到土壤之中,这个作用被称为矿化作用与氨化作用(Mineralization and Ammonification,图1中⑨位置)。 氮循环的完成 最后含氮物质会不会回到空气当中呢?在N循环中还有最后一步,土壤中除了硝化细菌还存在着一种反硝化细菌,它可以将植物辛辛苦苦固定转化成的NO₃⁻,重新转换成N₂,释放到大气中,被称为反硝化作用(Denitrification,图1中⑦位置)。 硝化细菌与反硝化细菌都是在土壤中广泛存在的细菌,但硝化细菌是好氧细菌,在氧气充足的情况下土壤中进行硝化过程;而反硝化细菌是厌氧细菌,在氧气匮乏时,土壤中进行反硝化过程。 至此氮元素经历自然界的各个位置,完成了氮的自然循环。 接下来可以尝试一下考试的真题: 图3.真题2016 MCQ 36 根据上文的内容,应该选择A选项。 但随着科学技术的发展,人类也逐渐开始介入进N循环的过程。仅仅靠固氮菌的作用,对于植物生长无疑是杯水车薪,在现代农业的绿色革命中,农业种植过程中需要经历施肥这一步,以保证植物充足的养分。而肥料中就含有大量的N元素,但它们的来源依然是N₂,其利用了一个获得的诺贝尔化学奖的反应方程式——N₂+3H₂→2NH₃,成功增加了植物可以吸收的N元素,使得现代农业得以发展。 ![]() 在AP环境科学考试的内容要求中,需要了解N循环中不同含氮物质所处的位置,含N物质何时进入到生物圈,以及转换过程的名称与其作用。 图4.大纲对N循环掌握的要求 最后给大家分享一个更直观的N循环示意图,可以帮助同学们快速抓住N循环中的重点。 |
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