[科普中国]-自然界的氮循环

蛋白质、核酸等物质是生命的物质基础，它们与生命及各种形式的生命活动紧密联系在一起，蛋白质、核酸中都含有氮，那么其中的氮从哪里来、到哪里去，又是如何被利用的呢？

植食性动物直接以植物为食，将植物体内的有机氮同化成其体内的有机氮；肉食性动物则通过捕食，从前一营养级的动物体中获得有机氮，从而合成其体内的有机氮，通过食物链使氮元素以有机物的形式在各营养级间流动。

植物中的蛋白质等有机氮是如何而来的？其实，氮在自然界中有许多存在形式，如沉埋在海底的氮、蕴涵在矿物质中的氮等，其中，大气中的氮成分最多，占78%。但大气中的这些氮不能被多数生物直接利用，需要借助鱼腥藻、念珠藻和颤藻等固氮蓝细菌中所含有的固氮酶进行生物固氮；另外，豆科植物的根部有很多瘤状突起，这些突起是由于根瘤菌的入侵而增殖产生的，根瘤菌从豆科植物根的皮层细胞中吸取糖类、矿质盐类及水分，以维持自身的生长繁殖，同时根瘤菌可以将空气中游离的氮固定下来，转变为植物所能利用的含氮化合物，供植物生活所需。

除了生物固氮途径，自然界中的闪电、宇宙射线、火山爆发等活动，都可以将大气中的氮转化为硝酸盐，并通过降水到达地面，一定程度上补充了地球可被利用的氮资源，这种途径被称为高能固氮。

另外，农业生产中植物对氮肥的需求远大于生物固氮途径的补给，因而造成农业中氮肥短缺。为此，科学家研究发明了化肥，从而实现了工业固氮。

通过上述三种固氮作用，大气中的氮被处理和加工为可被植物所利用的硝酸盐、氨等，从而将无机氮同化成植物体内的有机氮。

动植物的遗体、排出物（如粪便、尿素等）和残落物中的有机氮被微生物分解后形成氨，这一过程叫做氨化作用。在有氧的条件下，土壤中的氨或铵盐在硝化细菌的作用下氧化成硝酸盐，这一过程叫做硝化作用。氨化作用和硝化作用产生的无机氮，都能被植物吸收利用。在氧气不足的条件下，土壤中的硝酸盐被反硝化细菌等多种微生物还原成亚硝酸盐，并且进一步还原成分子态氮，分子态氮则返回到大气中，这一过程叫做反硝化作用。大气中的分子态氮被还原成氨，这一过程叫做固氮作用。没有固氮作用，大气中的分子态氮就不能被植物吸收利用。

总之，在一个生态系统中，氮不仅是生物体的组成成分，同时也可排放在大气中形成非生物体系成分，氮单质和含氮化合物之间不断相互转换、被循环利用的过程称为生态系统的氮循环。

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