氮循环的基本原理
介绍氮循环的基本原理，以及如何利用氮循环保证水族生态环境的稳定“物质既不会被创造，也不会被消灭，只能从一种形式转换成另一种形式。”——拉瓦锡
对于一个新建的水族箱来说，头几个星期至关重要，因为这是其水体生态建立的过程。在把鱼放入水族箱之前，我们一定首先为它们准备好居住环境。建立起良好的氮循环，是其中一个重要的工作。
鱼的废物、吃剩的食物，以及其他累积的有机物不会自己消失，它们会被微生物分解，产生有毒的物质。不过大自然是聪明的，一些生物会把这些分解物转变成能被其它生物利用的新物质。这些分解物中最主要的是氮基物质，这个逐渐分解的过程称为氮循环。能够造成这种变化的是一种微生物—硝化细菌（nitrifying bacteria），在自然界中它会分解氮化合物。在水族箱刚建好时会有少量的硝化细菌存在（可能来自水或底砂等，也有专门的硝化细菌出售），这就是后期培养的基础。在头几个星期里，我们要让这种细菌大量繁殖直到它们能够分解处理水中的废物，就是我们常说的“养水”。只有在水养好后，才能将鱼放到缸中。这个过程大概需要2－6个星期。
氮（N）对生物来说是非常重要的化学元素，因为它可以形成
生物必不可少的两种有机物：蛋白质和核酸。自然界的氮主要以氮气（N2）的形式存在于空气中，虽然空气中氮气的含量很多，但大多数生物无法直接利用它，只有一些特殊的菌类，主要是蓝、绿藻类（cyanobacteria），能够吸收N2，用以合成氮基化合物。这个过程叫氮固定。藻类被其他生物吃掉，这些生物又再被生物链中更高级别的生物吃掉，最后氮化合物在整个生态系统中传播开来。
当这些氮化合物被释放（生物死亡，或通过其脱落物、排泄物）时，它们被细菌分解，分解的主要产物之一是氨（NH3）。氨在水中与水结合，形成氢氧化铵（NH4OH）。这是毒性比较大的物质，能使鱼类血液中的蛋白质变性而失去生理功能，当水体中氨浓度超过0.2ppm时就会造成鱼类急性死亡。高浓度的氢氧化铵（即氨水）是强烈的腐蚀剂。氨对鱼来说是非常危险的物质，它的毒性随温度，PH值和水中的盐分而不同。由于氨水呈碱性，在越呈酸性（PH<7）的水中，氢氧化铵就越被压制，反之在越呈碱性（PH>7）的水中，它的毒性就越大。氨可以被亚硝化细菌分解,转变成亚硝酸（NO2-），这个过程成为亚硝化：
2NH3+3O2--->2HNO2+2H2O+热
HNO2（亚硝酸）也溶于水，释放亚硝酸根离子（NO2-）。高浓度的亚硝酸盐对植物和动物也是有害的，但幸好它会被硝化细菌继续分解成硝酸盐（NO3-），这个过程成为硝化：
2HNO2+O2--->2HNO3+热
这样，含氮的有机物最后被分解成毒性较弱的形式。水族箱中的氮通过这个过程慢慢的分解为无害的硝酸盐。但硝酸盐又是植物的营养剂，会导致藻类的大量生长。我们可以通过定期换水来降低硝酸盐的浓度，更好的办法是在缸中种植植物，它们会吸收硝酸盐做为营养物质，而且，植物也会吸收氨，因此非常有助于降低水中有毒物质的危害。
硝化细菌可以生长在缸内任何地方，但最适合繁殖的是光线不强，水流缓慢，溶氧丰富的地方。充足的氧气对氮循环非常重要，因为亚硝化细菌、硝化细菌都是好氧菌，从上面公式可以看出，亚硝化和硝化过程都需要大量的氧。如果水中缺氧，硝酸盐会被厌氧细菌转化回亚硝酸盐和氨，这个过程叫反硝化。
这样，一个完整的氮循环的模式就是：
生物（有机物）——>氨——>亚硝酸盐——>硝酸盐——>生物（有机物）
可见，水体中的氮主要以固态和游离两种形式存在。固态的氮在动、植物体内以有机物形式存在，游离态的氮在水中以氨、亚硝酸盐、硝酸盐的形式存在。随着缸外投食以及藻类光合作用，缸内氮元素的含量会逐步增加，我们需要控制的，主要是尽量让这些氮元素固化在生物体内（如水草和鱼体的增长），降低游离氮中氨和亚硝酸盐的浓度，而把硝酸盐控制在一个既有利于植物生长，又不会造成藻类大量繁殖的程度之内。
知道了氮循环的原理,我们就知道如何着手建一个新缸, 为我们的鱼提供一个健康的环境。硝化细菌的繁殖不需要人为干涉，只是在开始时需要一点有机物的来源。缸建好后加水，打开过滤装置，我们需要提供一些氨来开始氮循环。一般自来水本身已经包含氨，但最好再加些东西促进一下。再次建议在缸中种植一些植物，因为它们的新陈代谢和脱落的叶片会提供氨，而且植物也会降低水中有毒的亚硝酸盐，吸收和硝酸盐，形成氮的固化。也可以放一些薄片鱼食、几小片鱼片或虾片，或者其它含有机物的东西来刺激循环开始。另一个比较好的方法是加一些其他老缸的底砂或水，因为它们已经有现成的硝化细菌存在，不过要确保取水的缸是健康无病的。在初期可以先放几条小鱼，如斑马、火炬等，虽然这么做不“仁道”——因为现在还没建立好适合鱼生活
的舒适环境。在经过一段时间的“养缸”后，用工具、试剂测量缸中各项指标（PH 、氨、亚硝酸盐、硝酸盐）的值。当亚硝酸盐浓度在上升后逐渐降为接近于零的值时，说明缸中的氮循环已经建立并稳定，缸就可以放鱼了。需要注意的是鱼的数量要缓慢增加，因为硝化细菌的繁殖周期较长，在20小时左右，要让菌群逐渐适应水中生物的数量，保持循环的平衡。
综述:
分子氮
氮基化合物（藻类等） 排泄化合
物 +水（氨水毒性大NH3） 亚硝酸NO2-
硝酸盐（弱毒NO3-） 植物、藻类吸收或换水 如果水中缺氧，硝酸盐会被厌氧细菌转化回亚硝酸盐和氨，这个过程叫反硝化。
1.一氧化氮与氧气的反应2NO+O2=== 2NO2 2.二氧化氮与水的反应3NO2+ H2O==== 2HNO3+ NO 3.氮气与氢气的反应N2+3H2========= 2NH3 4.氨气与水的反应NH3+H2O==== NH3·H2O 5.氨气与盐酸的反应NH3+HCl==== NH4Cl 6.氨气与硫酸的反应2NH3+H2SO4==== (NH4)2SO4 7.氨气与强酸的离子的反应NH3+H+==== NH4+ 8.氨的催化氧化的反应4NH3+5O2====== 4NO+6H2O 9.碳酸氢铵加热的反应NH4HCO3==== NH3↑+CO2↑+H2O 10.氯化铵加热的反应NH4Cl==== NH3↑+HCl↑ 11.碳酸铵加热的反应(NH4)2CO3==== 2NH3↑+CO2↑+H2O 14.氯化铵与氢氧化钙的反应2NH4Cl+ Ca(OH)2==== CaCl2+2NH3↑+2H2O 13.氯化铵与氢氧化钠的反应NH4Cl+ NaOH==== NaCl+NH3↑+H2O 14.碳酸氢铵与氢氧化钠的反应NH4HCO3+2NaOH==== Na2CO3+NH3↑+2H2O 15.碳酸氢铵与氢氧化钙的反应 NH4HCO3+Ca(OH)2==== CaCO3↓+NH3↑+2H2O 16.硝酸的分解的反应4HNO3========= 4NO2↑+O2↑+2H2O 17.铜与浓硝酸的反应Cu+4HNO3(浓)==== Cu(NO3)2+2NO2↑+2H2O 18.铜与稀硝酸的反应3Cu+8HNO3(稀)==== 3Cu(NO3)2+2NO↑+4H2O 19铁与浓硝酸的反应Fe+6HNO3(浓)==== Fe(NO3)3+3NO2↑+3H2O 20.铁与稀硝酸的反应Fe+4HNO3(稀)==== Fe(NO3)3+NO↑+2H2O 21.碳与浓硝酸的反应C+4HNO3(浓)==== CO2↑+4NO2↑+2H2O 22.一氧化氮与氧气和水的反应4NO+3O2+2H2O==== 4HNO3 23.二氧化氮与氧气和水的反应4NO2+O2+2H2O==== 4HNO3 24.氨气(过量)与氯气的反应8NH3+3Cl2==== 6NH4Cl+N2 25.氨气(少量)与氯气的反应2NH3+3Cl2==== 6HCl+N2 26.二氧化氮生成四氧化二氮的反应2NO2==== N2O4
[强化训练] 一、选择题： 1、起固定氮作用的化学反应是（） A、N 2与H 2 在一定条件下合成NH 3 B、NO与O 2 反应生成NO C、NH 3被O 2 氧化成NO和H 2 O D、由NH 3 制备化肥NH 4 HCO 3 2、Murad等三位教授最早提出NO分子在人体内有独特功能，近年来此领域研究有很大进展，因此这三位教授荣获了1998年诺贝尔医学及生理学奖。关于NO的下列叙述不正确的是（） A、NO可以是某些含低价N物质氧化而来的产物 B、NO不溶于水 C、NO可以是某些含高价N物质还原而来的产物 D、NO是红棕色气体 3、将盛有氮气和二氧化氮（假设无N 2O 4 ）混合气体的试管倒立于水中，经过足够长时间后， 试管内气体的体积缩小为原来的一半，则原混合气体中氮气与二氧化氮的体积比是（） A、1：1 B、1：2 C、1：3 D、3：1 4、发射卫星的运载火箭，其推进剂引然后发生剧烈反应，产生大量高温气体从火箭尾部喷 出。引然后产生的高温气体主要是CO 2、H 2 O、N 2 、NO，这些气体均为无色，但在卫星发射现 场看到火箭喷出大量红烟，产生红烟的原因是（） A、高温下N 2遇空气生成NO 2 B、CO 2 与NO反应生成CO和NO 2 C、NO遇空气生成NO 2 D、NO和H 2 O反应生成H 2 和NO 2 5、现在城市每日空气质量报告中涉及的污染物主要指的是（） A、SO 3、NO 2 、尘埃 B、CO、NO 2 、尘埃 C、SO 2、NO、可吸入颗粒物 D、SO 2 、NO 2 、可吸入颗粒物 6、下列叙述的内容与光化学烟雾无关的是（） A、引起大气污染的氮氧化物主要是NO、NO 2 B、化石燃料的燃烧产生CO和粉尘污染大气 C、汽车尾气是城市大气中氮氧化物的主要来源之一 D、氮氧化物和碳氢化合物受太阳紫外线作用，发生光化学反应产生的有毒物质混合在一起形成浅蓝色烟雾 7、室内空气污染主要来自（） ①建筑物自身；②人自身；③室内装饰材料；④水；⑤人为活动；⑥空气；⑦室外 A、①②④⑤ B、①③⑥⑦ C、①③⑤⑦ D、②③⑤⑦ 8、下列叙述不正确的是（） A、治理光化学烟雾污染，就必须对汽车尾气进行净化处理 B、大气中可吸入颗粒物的源头是工业烟尘和灰尘 C、大气中可吸入颗粒物的直径在10nm以下 D、室内装饰材料挥发出来的有害物质主要是苯和甲醛 9、造成降水pH降低的主要原因，是降水中溶有（） A、亚硫酸、硫酸、硝酸 B、碳酸、硫酸、硝酸 C、氢硫酸、碳酸、硫酸 D、盐酸、硫酸、硝酸 10、食油在锅内过热着了火，离开火炉后，火仍不熄灭，此时熄灭它的最好方法是（） A、立即浇水 B、用灭火器 C、把油泼掉 D、盖严锅盖 11、对某地区空气质量检测的结果显示，二氧化硫的污染指数是40，二氧化氮的污染指数是60，可吸入颗粒物的污染指数是140。以下是对该地区空气状况评价，其中不正确的是（）
化学小论文 ——对于碳铵循环对环境影响的思考 在自然界之中各种元素都是通过各种各样的化学反应不断循环流动，从而达到一种动态平衡的状态，整个自然界就是处于一种动态平衡的状态之中，表面看似平静其实一直在发生变化来保持平衡。一旦人类过度干预这些循环，就会使自然失去原本的平衡，从而引发一系列的灾难。 在有机体中的所有的化学元素都参与了生物地质化学循环。而生物地质化学循环在生态学上指的是化学元素或分子在生态系统中划分的生物群落和无机环境之间相互循环的过程。这使得相关的元素得以循环，虽然实际上在某些循环中化学元素被长期积聚在同一个地方而不发生移动。例如，水始终是通过水的循环回收利用。水经过蒸发，凝结和降水，干净的回落到地球。通过生物化学循环，元素、化合物以及其它形式的物质是从一个生物体到另一个生物体，并从生物圈中的一个部分到另一个部分，由此来保持水在自然界的动态平衡。化学元素除了参与有机体的构成外，亦可经过生态系统的各种非生物因素进行循环，例如水（水圈）、陆地（岩石圈）和空气（大气圈）；地球上的所有生物因素都可以被认为是生物圈的组成部分。所有的化学物质、营养物质或者更进一步说——元素，例如碳、氮、氧、磷这些存在于生态系统中的有机体的封闭系统中，同时有机体又与开放系统相互循环这些化学物质以保持收支平衡。生态系统的能量则由开放系统所提供，太阳持续地为地球以光的形式提供能量，最后被食物网中的各个营养级所利用或以热能的形式散失。 因此物质的循环对于自然平衡来说是十分重要的，就拿碳循环和氮循环来说。碳和氮都是生命体构成的基本元素，在生物的生命活动中起着极为重要的作用，同时也大量的存在于我们所生存的环境之中。碳循环是一种生物地质化学循环，指碳元素在地球上的生物圈、地圈、水圈及大气中交换。碳的主要来源有四个，分别是大气、陆上的生物圈（包括淡水系统及无生命的有机化合物）、
亚热带盐沼湿地土壤氮循环关键过程对全球变化的响应
摘要 河口盐沼湿地受到了陆地和海洋相互作用的影响，可以认为是生物活动较为活跃的地区，同时也是地球化学过程最为活跃的地区，对人类和社会有着重要的影响。氮在大气组分占78%，是大气圈中最丰富的元素，其在环境介质中的含量会直接影响到周围生物的生长。由于目前大量的人为输入氮源对河口的盐沼湿地已经产生了巨大的影响，河口地带出现赤潮、河口溶解氧含量锐减,以及大量的温室气体从河口溢出等环境效应。本研究以福州闽江河口盐沼湿地为研究对象，充分的研究了土壤氮循环的关键过程对全球变化的响应，通过野外采集、实验室模拟的方式，定量的研究了闽江河口盐沼湿地土壤-水体界面的氮循环过程，分别研究了盐入侵、植物入侵、酸沉降和盐沼湿地改为养虾塘后，土壤中硝化、反硝化和矿化作用的变化情况，探讨了氮在河口湿地的变化，及其在河口湿地扮演的重要角色。主要得到的研究结果如下： 1、植物入侵对氮循环的影响 无机氮和总氮：（1）互花米草入侵改变了土壤NO3--N含量在不同土层含量，可显著降低土壤的NO3--N含量，但整体增加了土壤的NH4+-N含量。（2）互花米草不同入侵过程土壤TC、TN含量以及C/N比的垂直变化特征均比较一致，入侵整体增加了土壤的碳氮含量和C/N比和土壤的碳氮储量。（3）闽江口互花米草入侵对短叶茳芏湿地土壤碳氮含量的影响相对于江苏盐城、长江口以及杭州湾湿地的影响可能更为显著，主要与其对闽江口湿地植物群落格局、养分生物循环以及强促淤作用引起的土壤颗粒组成等的显著改变有关。互花米草入侵亦改变了土壤中陆源和海源有机质的来源比例，使得入侵后湿地土壤养分的自源性增强。 硝化和反硝化：（1）闽江河口湿地土壤的反硝化速率远高于硝化速率，且呈现明显的季节变化，夏季的硝化-反硝化作用最强。不同季节条件下，土壤硝化-反硝化速率由大到小顺序，硝化速率：夏季>春季>秋季>冬季，反硝化速率：夏季>秋季>冬季>春季；按不同植被类型下土壤硝化-反硝化速率由大到小顺序，硝化速率：入侵边缘>互花米草>短叶茳芏，反硝化速率：互花米草>交汇处>短叶茳芏。（2）闽江河口湿地不同植被类型下沉积物-水界面N2O交换通量呈现明显的季节变化。土著物种短叶茳芏的土壤仅春季对上覆水N2O有微量吸收，夏、秋两季均对水体释放N2O，表现为水体中N2O的净源；由于互花米草的入侵，入侵边缘的土壤为春季释放N2O，而夏、秋两季土壤均吸收N2O，与土著物种短叶茳芏完全相反；互花米草入侵成功后的土壤，其夏季的沉积物-水界面N2O交换通量达到最大，表现为向水体释放较多的N2O，而其春、秋两季都为吸收N2O，但吸收总量小于释放量。（3）闽江口湿地互花米草入侵后，增强了土壤的硝化-反硝化作用，促进了N2O对大气的释放。
在养殖水体中，有机污染物包括氮、碳、磷、硫4种主要物质，而后3者形成的产物在氧气充足的条件下对鱼类的影响程度不是很大，当氮以分子氨态或亚硝酸盐氮态存在时，却会对水生动物产生很强的神经性毒害。当前以强饲为特征的集约养殖方式加大了水体有机氮物质分解转化的负荷，微生物分解环节严重受阻，从而成为水体系统循环过程的制约瓶颈与顽结，造成水体富营养化甚至污染，引发出诸多病害、药残、食品隐患等问题。水体系统的氨氮循环及污染治理已成为世界性关注的环境问题和研究热点。 1 养殖水体内氨氮循环与脱氮过程 水体氮素的来源构成 集约养殖水体氮素的来源主体为饵料残剩物和粪便排泄物的分解，其次为老化池塘底泥沉积物氨化分解，再次为施肥积累。养殖生产包括自然再生产过程与经济再生产过程，然而传统的养殖方式片面追求产量经济效益，强化水体系统外的能量物质的投入。过量的投饵，形成大量有机代谢废物的沉积，致使水体系统的分解环节受抑制，造成硝化反应难以通畅完全进行，自净能力减弱，产生多种有机酸及氨氮、亚硝酸盐、硫化氢、甲烷等中间有毒有害产物同时，这些中间有毒产物也可再由含氮化合物通过反硝化细菌还原而返复积累。自然状态下水体氮素的来源：①一些固氮藻类及固氮细菌能把大气层中的氮气转变为有效氮；②鱼类等水生动物的最终代谢产物主要为氨态氮（NH3），其次为尿素和尿酸；③藻类细胞自溶与有机碎屑沉积物的矿化作用，使以颗粒状结合着的有机氮以NH3－N的形式释放到水体中；④地面泾流及域外污水串用带来的氮的污染问题也愈加突出，等等。对自然状态
的氮素来源构成及转化过程应清楚把握和准确运用，才能不悖其水体物质转化循环规律，达到健康高效生态养殖的目的。 养殖水体生态系统的生物组成 消费者、分解者、生产者是养殖水体生态系统的生物组成部分。其特点是：①消费者：鱼虾类养殖动物为整个生态系统的核心，数量多、投饵量大，产生大量的排泄物和残饵； ②分解者：微生物的数量与种类较少，大量的有机物无法及时分解，经常处于超负荷状态，水质恶化；③生产者：藻类数量少，无法充分利用有机物降解产生的营养盐类，导致NH3-N 和-N等有害物质积累以至污染。因此，这种片面强调消费者，而忽视分解者和生产者的生态系统是极为不平衡的，常使其循环过程存在两处“瓶颈”梗阻。 水体物质循环的中间部位 即有机物的生物分解转化环节,水中有机物在异养微生物的作用下，第一阶段是碳氧化阶段，初步被分解出的产物是二氧化碳（CO2）和氨态氮，氮物质大部分以NH4+·NH3的形式释放出来。在自然条件下（温度为20℃），一般有机物第一阶段的氧化分解可在20d 内完成。第二阶段是氨物质的硝化过程，在亚硝化细菌的作用下氨（NH4+·NH3）被氧化成亚硝态氮（NO3--N）；在硝化细菌的作用下再进一步被氧化成植物生长所需要的硝态氮（NO3--N）。在20℃自然条件下，第二阶段的氧化分解需百日才能最终完成。当水体缺氧时，另有一类反硝化细菌可以把硝酸盐（NO3-）还原为亚硝酸盐（NO3-），再还原为氨氮或游离氨或氮气，失去营养作用，成为植物不能直接利用的氮。这种游离氨或氮气由水体界面
水质的氮循环 在养殖水体中，有机污染物包括氮、碳、磷、硫4 种主要物质，而后3 者形成的产物在氧气充足的条件下对鱼类的影响程度不是很大，当氮以分子氨态或亚硝酸盐氮态存在时，却会对水生动物产生很强的神经性毒害。当前以强饲为特征的集约养殖方式加大了水体有机氮物质分解转化的负荷，微生物分解环节严重受阻，从而成为水体系统循环过程的制约瓶颈与顽结，造成水体富营养化甚至污染，引发出诸多病害、药残、食品隐患等问题。水体系统的氨氮循环及污染治理已成为世界性关注的环境问题和研究热点。 1养殖水体内氨氮循环与脱氮过程 1.1水体氮素的来源构成 集约养殖水体氮素的来源主体为饵料残剩物和粪便排泄物的分解，其次为老化池塘底泥沉积物氨化分解，再次为施肥积累。养殖生产包括自然再生产过程与经济再生产过程，然而传统的养殖方式片面追求产量经济效益，强化水体系统外的能量物质的投入。过量的投饵，形成大量有机代谢废物的沉积，致使水体系统的分解环节受抑制，造成硝化反应难以通畅完全进行，自净能力减弱，产生多种有机酸及氨氮、亚硝酸盐、硫化氢、甲烷等中间有毒有害产物同时，这些中间有毒产物也可再由含氮化合物通过反硝化细菌还原而返复积累。 自然状态下水体氮素的来源：①一些固氮藻类及固氮细菌能把大气层中的氮气转变为有效 氮；②鱼类等水生动物的最终代谢产物主要为氨态氮（NH3，其次为尿素和尿酸；③藻类 细胞自溶与有机碎屑沉积物的矿化作用，使以颗粒状结合着的有机氮以NH3－N 的形式释放
到水体中；④地面泾流及域外污水串用带来的氮的污染问题也愈加突出，等等。对自然状态 的氮素来源构成及转化过程应清楚把握和准确运用，才能不悖其水体物质转化循环规律，达到健康高效生态养殖的目的。 1.2养殖水体生态系统的生物组成 消费者、分解者、生产者是养殖水体生态系统的生物组成部分。其特点是：①消费者： 鱼虾类养殖动物为整个生态系统的核心，数量多、投饵量大，产生大量的排泄物和残饵；② 分解者：微生物的数量与种类较少，大量的有机物无法及时分解，经常处于超负荷状态，水质恶化；③生产者：藻类数量少，无法充分利用有机物降解产生的营养盐类，导致NH3-N 和-N等有害物质积累以至污染。因此，这种片面强调消费者，而忽视分解者和生产者的生态系统是极为不平衡的，常使其循环过程存在两处“瓶颈”梗阻。 1.3水体物质循环的中间部位 即有机物的生物分解转化环节, 水中有机物在异养微生物的作用下，第一阶段是碳氧化 阶段，初步被分解出的产物是二氧化碳（CO2和氨态氮，氮物质大部分以NH4+?NH3的形 式释放出来。在自然条件下（温度为20C）, —般有机物第一阶段的氧化分解可在20d内 完成。第二阶段是氨物质的硝化过程，在亚硝化细菌的作用下氨（NH4+?NH3被氧化成亚 硝态氮（N03--N）;在硝化细菌的作用下再进一步被氧化成植物生长所需要的硝态氮 （N03--N）。在20C自然条件下，第二阶段的氧化分解需百日才能最终完成。当水体缺氧
氮气循环–过程，步骤–说明 氮是蛋白质和核酸的基础。它是所有生命形式不可或缺的一部分。大气中氮含量丰富。为了将其用于各种生物过程，需要将其从惰性大气分子转化为有用的形式。 氮从大气分子形式转化为对生物有用的形式的过程称为氮循环。 氮循环的阶段是什么？ 1. 固定-大气中的氮气为惰性形式，只有少数生物可以从中受益。为了使其对 所有生命形式都有用，应将其转换为固定形式或有机形式。因此，该过程 称为固氮。固氮过程包括以下内容： 1. 氮通过沉淀沉积。它来自大气，并沉积在土壤和水的表面。 2. 一旦沉积成功，氮将发生一些变化。两个氮原子分离并与氢结合形成氨。 有三种生物负责该作用-藻类，游离厌氧细菌以及与某些类型的植物共生的 细菌。 要记住什么？ ?植物没有使用大气氮的能力。他们需要固氮细菌的帮助。 ?种植豆类和苜蓿等农作物可以弥补土壤中的氮消耗。 ?氮可以通过人为的过程进行固定，例如制造氮肥和氨肥。 在固氮过程中起作用的微生物是什么？ ?原核生物 ?非生物手段，例如闪电或某些工业干预，例如燃烧化石燃料。 ?三叶草，豌豆和大豆等豆类植物的根系分泌物 ?有氧和厌氧固氮菌 ?光养和化学养分细菌 2. 硝化作用-一些工厂使用氨水。但是，在某些类型的细菌（称为硝化细菌）的帮助下，植物吸收的大部分氮都从氨转化为亚硝酸盐并转化为硝酸盐。例如： 1. 亚硝化单胞菌 2. 亚硝基螺菌 3. 硝化螺菌 4. 硝基球菌 5. 硝化细菌 6. 硝化菌 7. 硝基球菌 3. 同化–在此阶段，植物从土壤中吸收了各种形式的氮。它们将用于形成植物和 动物蛋白。 4. 氨化–植物和动物降解或排放废物后，氮会重新进入土壤，分解剂会分解土壤。 分解过程导致产生氨，氨将用于其他生物过程。 5. 反硝化–在此阶段，氮气返回大气。硝酸盐形式转化回气态氮。反硝化阶段发生 在潮湿的土壤中，微生物无法进入其中。 反硝化细菌是负责处理硝酸盐以获取氧气的细菌，使氮气成为该过程的副产品。在 反硝化中起重要作用的微生物是： 1. 芽孢杆菌
一、引自潘青等《朱庄水库水体氮循环系统对水质的影响分析》 ㈠、反硝化又称硝酸盐呼吸或硝酸盐还原，可以分成同化性硝酸盐还原与异化性硝酸盐还原。 大多数细菌、放线菌、真菌都能以硝酸盐作为营养，将硝酸还原为氨，合成氨基酸、蛋白质、其它含氮有机物，该还原方式属同化性质，被称为同化性硝酸盐还原。 一些微生物可以将硝酸盐逐级还原成ＮＯ、Ｎ2Ｏ、Ｎ2逸出水体，该还原方式属异化脱氮过程，被称为异化性硝酸盐还原。参与该反应过程的细菌都是兼性厌氧菌，例如：施氏假单胞菌、脱氮假单胞菌、荧光假单胞菌、色杆菌属中的紫色杆菌、脱氮色杆菌等。 ㈡、环境因子对氮循环的作用 1、水温：硝化菌活性在水温15～30℃最强，12～14℃活性最弱，易积累ＨＮＯ2。反硝化反应最适水温20～35℃， 2、ＰＨ：硝化过程最适宜ＰＨ=7.0～8.0。反硝化反应最适ＰＨ=7.0～8.5。当ＰＨ＜6.0～6.5时，反硝化的最终产物为Ｎ2Ｏ。 3、溶解氧：根据试验资料显示，ＤＯ≥0.5㎎／Ｌ硝化反应才能正常进行。 ㈢铵态氮（ＮＨ3、ＮＨ4-）的动态平衡： ＮＨ3+Ｈ?ＮＨ4-
当ＰＨ＜7.0时，水中的铵态氮几乎以ＮＨ4-形式存在； 当ＰＨ＞11.0时，水中的铵态氮几乎以ＮＨ3形式存在。二、生物体内有机氮的合成（生物体的同化作用）：植物把土壤中的铵盐、硝酸盐同化成植物体内有机氮的过程；动物直接或间接摄食植物，将植物体内的有机氮同化成动物体内的有机氮的过程。 三、氮循环的主要环节：生物体内有机氮的合成（生物体的同化作用）、氨化作用、硝化作用、反硝化作用、固氮作用。 四、固氮作用：大气中分子态的氮被还原成ＮＨ3的过程。固氮途径：工业固氮【即固氮微生物（豆科植物）将大气中的氮（Ｎ2）还原成氨（ＮＨ3）的过程】、高能固氮【在闪电等高能作用下，将大气中的氮（Ｎ2）氧化成ＮＯ、ＮＯ2，再形成ＨＮＯ3的过程；或大气中的氮（Ｎ2）与水体中的氢结合形成ＮＨ3的过程】、生物固氮【采用高温高压催化剂办法，将氮合成氨（ＮＨ3）的过程】。 五、氮氧化物(NOx)在大气中生成硝酸的反应途径： (1)与OH的反应 NO2+OH+M— HN03+M 2)NO3根与有机化合物的反应 NO2+03一N03+02 N03+RH—HN03+R (3)N205与水的反应
氮循环的基本原理 介绍氮循环的基本原理，以及如何利用氮循环保证水族生态环境的稳定“物质既不会被创造，也不会被消灭，只能从一种形式转换成另一种形式。”——拉瓦锡 对于一个新建的水族箱来说，头几个星期至关重要，因为这是其水体生态建立的过程。在把鱼放入水族箱之前，我们一定首先为它们准备好居住环境。建立起良好的氮循环，是其中一个重要的工作。 鱼的废物、吃剩的食物，以及其他累积的有机物不会自己消失，它们会被微生物分解，产生有毒的物质。不过大自然是聪明的，一些生物会把这些分解物转变成能被其它生物利用的新物质。这些分解物中最主要的是氮基物质，这个逐渐分解的过程称为氮循环。能够造成这种变化的是一种微生物—硝化细菌（nitrifying bacteria），在自然界中它会分解氮化合物。在水族箱刚建好时会有少量的硝化细菌存在（可能来自水或底砂等，也有专门的硝化细菌出售），这就是后期培养的基础。在头几个星期里，我们要让这种细菌大量繁殖直到它们能够分解处理水中的废物，就是我们常说的“养水”。只有在水养好后，才能将鱼放到缸中。这个过程大概需要2－6个星期。 氮（N）对生物来说是非常重要的化学元素，因为它可以形成
生物必不可少的两种有机物：蛋白质和核酸。自然界的氮主要以氮气（N2）的形式存在于空气中，虽然空气中氮气的含量很多，但大多数生物无法直接利用它，只有一些特殊的菌类，主要是蓝、绿藻类（cyanobacteria），能够吸收N2，用以合成氮基化合物。这个过程叫氮固定。藻类被其他生物吃掉，这些生物又再被生物链中更高级别的生物吃掉，最后氮化合物在整个生态系统中传播开来。 当这些氮化合物被释放（生物死亡，或通过其脱落物、排泄物）时，它们被细菌分解，分解的主要产物之一是氨（NH3）。氨在水中与水结合，形成氢氧化铵（NH4OH）。这是毒性比较大的物质，能使鱼类血液中的蛋白质变性而失去生理功能，当水体中氨浓度超过0.2ppm时就会造成鱼类急性死亡。高浓度的氢氧化铵（即氨水）是强烈的腐蚀剂。氨对鱼来说是非常危险的物质，它的毒性随温度，PH值和水中的盐分而不同。由于氨水呈碱性，在越呈酸性（PH<7）的水中，氢氧化铵就越被压制，反之在越呈碱性（PH>7）的水中，它的毒性就越大。氨可以被亚硝化细菌分解,转变成亚硝酸（NO2-），这个过程成为亚硝化： 2NH3+3O2--->2HNO2+2H2O+热 HNO2（亚硝酸）也溶于水，释放亚硝酸根离子（NO2-）。高浓度的亚硝酸盐对植物和动物也是有害的，但幸好它会被硝化细菌继续分解成硝酸盐（NO3-），这个过程成为硝化：
8.12地球氮循环 8.12.1介绍 8.12.2 生物地球化学反应 8.12.2.1 初始反应：活性氮的产生 8.12.2.2 大气圈 8.12.2.2.1 无机还原氮 8.12.2.2.2 无机氧化氮 8.12.2.2.3 还原有机氮 8.12.2.2.4 氧化有机氮 8.12.2.3 生物圈 8.12.3 氮库及其交换 8.12.3.1 陆地到大气 8.12.3.2 海洋到大气 8.12.3.3 大气到表面 8.12.3.4 陆地到海洋 8.12.4 产生活性氮 8.12.4.1 介绍 8.12.4.2 闪电——自然 8.12.4.3 陆地生物固氮——自然 8.12.4.4 人类活动 8.12.4.4.1 介绍 8.12.4.4.2 食品生产 8.12.4.4.3 能量产物 8.12.4.5 从1860到2000产生活性氮的速率 8.12.5 全球陆地氮收支 8.12.5.1 介绍 8.12.5.2 产生活性氮 8.12.5.3 活性氮的分布 8.12.5.4 活性氮转化成氮气 8.12.6 全球海洋氮收支 8.12.7 区域氮预算 8.12.8 结果 8.12.8.1 介绍 8.12.8.2 大气圈 8.12.8.3 陆地生态系统 8.12.8.4 水生生态系统 8.12.9 展望 8.12.10 总结 致谢 参考文献
8.12.1 介绍 曾几何时，氮气不存在。今天它却存在。在宇宙形成的这段时间里，氮气被创造出来，地球诞生了，它的大气和海洋也形成了！在对地球氮循环的分析中，我首先概述了与氮有关的重要事件，然后继续进行更为传统的氮循环本身的分析以及人类在其变化中的作用。 宇宙有150亿年。即使在形成之后，仍然存在一段不存在氮的时期。在大爆炸发30万年后，宇宙需要足够的冷却来创造原子；氢和氦首先形成。氮通过核合成过程形成在恒星中。当恒星的质量变得足够大以达到必要的压力和温度时，氦气开始融合成更重的元素，包括氮。 在地球形成之前已经过去了100亿年（45亿年前），这是由于多级过程中预装配材料的积累。假设N2是这些材料中占优势的氮物种，并且假定空间温度为-270℃，当地球形成时N2可能是固体，因为它的沸点（b.p.）和熔点（m.p.）分别为-196℃和-210℃。迈向积累的最后期，温度可能足够高使一些材料显著熔化。由此产生的火山活动所释放的火山气体严重影响地表环境。氮从固体转化为气体并以N2排放。碳和硫可能以CO和H2S排放（Holland，1984）。N2仍然现今最常见的氮火山气体，其排放速率为2TgN yr-1（Jaffee，1992）。 一旦排放，气体或者留在大气中或者沉降到地球表面，从而继续进行生物地球化学循环过程。转移率取决于排放物质的反应性。在反应性的最低极端是惰性气体，氖气和氩气。在新形成的地球脱气期间释放的大部分氖气和氩气仍然存在于大气中，基本上没有转移到水圈或地壳。另一个极端是碳和硫。脱气过程中排放的99％以上的碳和硫不再存在于大气中，而是停留于水圈或地壳中。氮是介于中间的。大约6×106 TgN在大气，水圈和地壳中，2/3在大气中以N2形式存在，其余大部分在地壳中。大气圈是一个主要的的氮气储存器，因为N2分子的三键需要大量的能量来断裂。在早期的大气中，这种能量的唯一来源是太阳辐射和放电。 在这一点上，我们有一个主要是N2并且没有生命的地球。我们如何使主要是N2的地球充满生机？首先，必须将N2转化为活性氮（Nr）（术语活性氮（Nr）包括大气圈和生物圈中所有具有生物活性的，光化学反应性和辐射活性的氮化合物。因此活性氮包括无机还原形式（例如NH3和NH4+），无机氧化形式（如NO x，HNO3，N2O和NO3-）和有机化合物（如尿素，胺和蛋白质）。）。早期的大气减少并限制了NH3。然而，NH3是形成早期有机物质的必要成分。NH3生成的一种可能性是海水通过火山岩循环（Holland，1984）。在这样的过程中，NH3可以释放到大气中，当与CH4，H2，H2O和电能结合在一起时，可以形成包括氨基酸的有机分子（Miller，1953）。实质上，放电和紫外线辐射可以将还原气体的混合物转化为有机分子的混合物，然后它沉积到陆地表面和海洋（Holland，1984）。 总而言之，地球形成于45亿年，水凝聚在40亿年，随后形成有机分子。35亿年简单生物体（原核生物）能够在没有O2的情况下生存并产生NH3。几乎与此同时，能够在光合作用中产生O2的第一个有机体（例如蓝细菌）得以进化。直到15-20亿年，O2才开始在大气中积聚。到目前为止，O2已经被化学反应（例如铁氧化）消耗了。通过5亿年，大气中的O2浓度达到了今天发现的相同值。随着O2浓度的增加，在N2和O2反应放电期间在大气中形成NO的可能性也增加了。 今天我们有一个有N2的大气圈，有能量产生一些NO（N2和O2的反应）。降水可以将活性氮转移到地球表面。放电可以产生含氮有机分子。简单的细胞进化大约35 亿年，并在接下来的几年中，包括人类在内的更复杂的生命形式已经进化。自然形成了氮气并创造了生命。那个“生命”是通过什么途径发现氮的？ 为了解决这个问题，我们现在从35亿年跳到2.3×10-6亿年。在1770年代，三位科学家Carl Wilhelm Scheele（瑞典），Daniel Rutherford（苏格兰）和Antoine Lavosier（法国）分别发现氮的存在。他们进行了一些非反应性气体生产的实验。1790年，Jean Antoine Claude
图 1 湿地系统氮循环分室模式（方框内数字为分室N储量, gN?m-2; 箭头上方数字为分 室间N流通量gN?m-2?a-1）
2 研究方法 2.1氮输入对湿地系统的影响 试验目标：定量研究外源氮在湿地系统中的分配与去向。 试验设计：利用基于稳定性同位素15N 示踪技术的模拟试验来开展本项研究。 实施方法：2010年3月1日进行湿地植物的移栽，采用上口直径40cm 、下口直径32cm 、高42.5cm 的塑料桶作为移栽桶，并按湿地土壤的自然深度进行移栽。因各桶内的植物密度不尽一致，所以为使各桶间具有一致的代表性，试验前将各桶内的植株定在30～40株之间，并使其在桶内拥有15天左右的适应时间。3月16日施入15N 丰度为20.28％的15NH 415NO 3（上海化工研究院）。试验依照氮浓度设CK 、1 N 和2N 三种处理，即用一组桶作对照，另两组桶分别施入1.50g 和3.00g 硝酸铵。试验过程中通过不定时的添加自来水以保持其与野外湖滨带的水分条件相一致。为了避免大雨天造成桶内积水外溢而损失同位素，在模拟试验场的上部设置防雨装置，在雨天将加入同位素的各桶用防雨装置遮蔽。分别于施氮后10d 、20d 、30d 、60d 和90d 取样，两个重复。取样时，先用剪刀沿土壤表面剪下植物的地上部分并分离为茎、叶和叶鞘，植物根系用水小心冲洗至无泥土为止，在将植物各器官置于80℃烘干箱中烘干称重后磨碎成粉待测。土壤样品按0-10、10-20、20-30、30-40cm 分层采集后，迅速风干，在研磨过100目筛后，装袋待测。所有样品用凯氏法测全N ，用质谱法测15N 丰度。 2.2湿地氨挥发试验 试验目标：研究湿地的氨挥发规律及影响因素，估算氨挥发量。 试验设计：采用通气法测定氨挥发量。试验 采用的通气法装置由聚氯乙烯硬质塑料管 制成（图1），内径15cm ，高10cm 。测定过 程中分别将两块厚度均为2cm ，直径16cm 的海绵均匀浸以15ml 的磷酸甘油溶液（50ml 磷酸＋40ml 丙三醇，定容至1000ml ）后，如图置于硬 质塑料管中，下层的海绵距管底4cm ，上层的海绵与管顶相平。试验前，在样地的不同位置分别放置3个通气法氨捕获装置，调整后即开始试验。取样频次以7天左右为宜。取样时，将通气装置下层的海绵取出， 迅速按编号分别装入塑料袋 图1 测定氨挥发的通气法装
氮的循环 一、教材分析 （一）知识脉络 氮及其化合物是元素化合物知识的重要组成部分。本节教材通过闪电这一自然现象，激发 学生思考自然界中的含氮物质，通过自然界中的氮循环，引出氮循环中的重要物质—氮气、NO 、NO 2、氨、铵盐、硝酸等，然后通过观察思考、实验探究认识这些重要物质的性质、用途。在学习过程中了解人类活动对自然界氮循环和环境的影响。 （二）知识框架 （氮气的性质，氮的固定） 氮气与氮的固定 氨与铵态氮肥氮的循环硝酸及其应用 （氨的性质，铵盐的 （硝酸的性质） 性质） 人类活动对氮循 （酸雨、光化学烟雾、富营养化） （三）新教材的主要特点： 从培养学生终身发展所必备的知识和能力出发，重点介绍重要代表物的性质与用途，同 时注重培养学生的观察能力和综合分析问题的能力。 二、教学目标 （一）知识与技能目标 1、了解自然界中的氮循环及人类活动对氮循环的影响； 2、通过了解生物固氮和人工固氮形式，认识N2、 NO 、 NO2的性质；
3、通过观察思考活动，认识NH3、铵盐的性质及铵态氮肥的使用问题； 4、通过观察思考活动，认识HNO3的性质。 （二）过程与方法目标 1、培养学生通过观察实验现象，总结分析物质性质的能力； 2、初步体会物质的浓度对化学反应产物的影响，进一步认识实验中变量控制的思想。 （三）情感态度与价值观目标 1、通过介绍合成氨发展的艰辛历程，体会从实验室研究到工业生产的过程，渗透化学与技术关系的教育； 2、通过介绍酸雨，光化学烟雾和富营养化等环境问题，了解人类活动对氮循环的影响，树立保护环境的意识。 三、教学重点、难点 （一）知识上重点、难点 重点：氮气、氨、铵盐和硝酸的性质。 难点：硝酸的氧化性。 （二）方法上重点、难点 培养学生通过观察实验现象总结分析物质性质的能力，并使学生初步体会物质的浓度对化学反应产物的影响，进一步认识实验中变量控制的重要性。 四、教学准备 （一）学生准备 1 、预习第二节- 氮的循环 2、查找氮循环的资料，小组合作画出氮循环图示，写出短文。重点说明氮循环中涉及到哪些含氮元素的物质，它们是如何转化的？ （二）教师准备 1、教学媒体、课件； 2、补充实验。 五、教学方法 实验引导，学生观察、归纳。