氮循环与环境问题的应对举措

氮循环与环境问题的应对举措方方(学号：1000012106，北京大学生命科学院2010级3班，邮箱：[e-mail]）摘要氮循环在地球环境中扮演着至关重要的角色，维系着人类以及其他地球生命的生存发展。然而，和其他环境问题一样，目前氮循环方面的问题不容小视，总的来说，人类各种活动打破了氮循环的平衡，使得活化氮的量大大增加，产生了酸雨、富营养化、温室效应、臭氧层破坏以及生物多样性破坏等严重的环境问题。本文就氮循环中环境问题产生和的原因进行的分析表明，硝化与反硝化的不平衡是氮循环中的首要矛盾，进而结合现代生物科技，提出了以生态工程方法为首的一系列应对氮污染问题的举措，表明解决氮循环中的环境问题的可行性。关键词氮循环硝化与反硝化氮污染生态工程0引言氮循环是生物圈中最基本的物质循环之一。自从生命形成以来，氮循环就启动了。氮是空气中含量最多的成分，是生命体内蛋白质、核酸的必需元素，是农业上重要的增产要素，也是对环境有显著影响的成分，与人类生存环境密切相关。然而，随着科学技术的发展，人类活动从各方面干扰了氮循环的进行，在满足人类生存需求、提高人类生存质量的同时，引起了一系列环境问题，如酸雨、光化学烟雾、水体富营养化等。为了维持氮循环的平衡，进而保护生态环境，为人类的生存发展长远考虑，有必要对生态系统中的氮循环问题进行探讨。历史上，在生产工业化以前，氮循环系统中，氮的收支是平衡的。随着人类社会的发展，特别是工业革命的发生，环境中的氮循环受到了巨大影响。1908年德国化学家哈伯发明合成氨，开启固氮了人工固氮的时代，含氮化肥的使用大大提高了农业生产率，满足了人们的生活需求。发现豆科植物的固氮作用后，人们开始大规模种植豆科植物等有生物固氮能力的作物。煤炭，石油等化石燃料被大量开采并投入使用，产生能量的同时也产生了大量污染物，如空气中氮氧化物导致酸雨、光化学烟雾以及臭氧层破坏，水体中氮以及其他元素超标产生的水体富营养化（如赤潮、“水华”）。据科学估算，到1990年，全球人为活化氮（化学合成氮，化石燃料燃烧形成的氮氧化物和豆科作物及水稻扩种而增加的生物固定的氮）的数量已达到每年140TgN，而工业化前自然生物固定的氮，即通过微生物把大气中的惰性分子氮转变为活性的氨的量为每年90至130TgN。这就是说，目前进入全球氮循环的活化氮总量比工业化前的自然生物活化的氮增加了一倍多。氮肥的发明使全球粮食产量剧增。大量使用氮肥却造成了全球氮循环失控，带来了许多负面影响：藻类爆发、生物多样性丧失、疾病风险增加，甚至可能加剧全球变暖。但是为了保证全球粮食供给，我们不得不使用氮肥。我们应如何寻找一条更可持续发展的道路，来消除氮的负面影响？近日，一个由瑞典斯特哥尔摩环境研究中心主任罗克斯特姆（JohanRockstrom）为首的多国科学家团队为当前的地球环境作了一份评估报告。这项研究列出9个支持人类存活的关键系统“全球生命支撑系统”。这是地球环境的“九大命门”，每一项代表着地球生命的一个支撑点。每个系统都存在一个客观发生的地质和环境突变的临界点，为了避免逼近这个临界点，科学家用量化的方式画出了七条起警示作用的“底线”。命门5氮、磷循环底线：大气中每年的固定氮不多于3500万吨目前水平：每年1.2亿吨诊断：大大超过底线，后果越来越严重[3]……由此可见，氮循环关系到环境与人类生存的重要问题，必须引起足够的重视。科学家们对此做出了努力，比如对硝化作用与反硝化作用（又称脱氨作用）的研究。例如，厌氧氨氧化菌可以在缺氧环境中，将铵离子用亚硝酸根氧化为氮气，对全球氮循环具有重要意义，也是污水处理中重要的细菌，厌氧氨氧化作用即在厌氧条件下由厌氧氨氧化菌利用亚硝酸盐为电子受体，将氨态氮氧化为氮气的生物反应过程（NH4++NO2→N2+2H2O,ΔG=-357kJ·mol-1），1996年Graaf的试验研究又表明厌氧氨氧化过程是由自养菌完成的[4]。由于不需要氧气和有机物的参与，因此对其研究和工艺的开发具有可持续发展的意义。本文阐述了自然界和人类参与的的氮循环模式，氮收支不平衡造成的环境问题，提出了若干可能的解决措施，帮助理解与氮循环有关的种种问题并提出相关方面的可持续发展思路。1．氮循环的多种途径氮循环就是指氮气、无机氮化合物、有机氮化合物在自然界中相互转化的过程的总称。包括氨化作用、硝化作用、反硝化作用、固氮作用以及有机氮化合物的合成等。进入生态系统的氮被固定成氨或氨盐,经过硝化作用成为亚硝酸盐或硝酸盐,被绿色植物吸收,并转化为氨基酸,合成蛋白质,然后植食动物利用植物蛋白合成动物蛋白质。在动物的生活中,一部分蛋白质分解为废物,部分细菌的成氨作用分解出氨。动植物残体受细菌的腐败分解作用成为氨、二氧化碳和水。氨排到土壤中又经细菌的硝化作用,形成硝酸盐,再被植物吸收、利用、合成蛋白质,如此循环不已。1.1固氮作用空气中含有约78%的氮气，是庞大的储存库。但绝大多数生物不能直接利用游离态氮，因此大气中的氮对于生态系统来讲不是决定库。只有豆科植物和某些蓝绿藻能够将大气中的氮气转变为氨态氮N2+e+H++ATP→NH3+ADP+Pi，闪电亦可使N2和O2形成NO后进一步化合，从而被土壤吸附、保留并被植物所吸收利用。生物固氮是指固氮微生物将大气中的氮气氧化成氨的过程，是一种自然固氮方式。生物固氮是固氮微生物特有的一种生理功能，这种功能是在固氮酶的催化作用下进行的。固氮酶是一种能够将分子氮还原成氨的酶。固氮酶是由两种蛋白质组成的：一种含有铁，叫做铁蛋白，另一种含有铁和钼，叫做钼铁蛋白。只有铁蛋白和钼铁蛋白同时存在，固氮酶才具有固氮的作用。固氮生物属于原核生物，又叫做固氮微生物。根据其固氮特点以及与植物的关系，可以将它们分为自生固氮微生物、共生固氮微生物和联合固氮微生物三类。第一类是自生固氮。自生固氮微生物，在土壤或培养基中生活时，可以自行固定空气中的分子态氮，对植物没有依存关系。常见的自生固氮微生物包括以圆褐固氮菌为代表的好氧性自生固氮菌、以梭菌为代表的厌氧性自生固氮菌，以及以鱼腥藻、念珠藻和颤藻为代表的具有异形胞的固氮蓝藻（异形胞内含有固氮酶，可以进行生物固氮）。第二类是共生固氮。共生固氮微生物只有和植物互利共生时，才能固定空气中的分子态氮。共生固氮微生物可以分为两类：一类是与豆科植物互利共生的根瘤菌，以及与桤木属、杨梅属和沙棘属等非豆科植物共生的弗兰克氏放线菌；另一类是与红萍（又叫做满江红）等水生蕨类植物或罗汉松等裸子植物共生的蓝藻。由蓝藻和某些真菌形成的地衣也属于这一类。第三类是联合固氮。有些固氮微生物如固氮螺菌、雀稗固氮菌等，能够生活在玉米、雀稗、水稻和甘蔗等植物根内的皮层细胞之间。这些固氮微生物和共生的植物之间具有一定的专一性，但是不形成根瘤那样的特殊结构。这些微生物还能够自行固氮，它们的固氮特点介于自生固氮和共生固氮之间，这种固氮形式叫做联合固氮。高能固氮也是自然固氮的一种,指通过闪电、宇宙射线火山爆发等生成氨或硝酸盐的过程，生成物随降水到达地表。如闪电能使空气里的氮气转化为一氧化氮，其方程式如下：N2+O2==2NO2NO+O2==2NO23NO2+H2O==2HNO3+NO人工固氮主要是指工业固氮，即合成氨。合成氨是指由氮气、氢气在高温高压和催化剂条件下直接合成氨，主要用于制造氮肥、复合肥料。此外，氨作还是工业原料和氨化饲料，硝酸、各种含氮的无机盐及有机中间体都以氨为原料。液氨常用作制冷剂。另外，仿生固氮是目前的重要研究方向，因为在氮肥生产中伴随着能源耗费和严重的环境污染，人们逐渐认识到农林业生产完全依赖化肥终非良策，于是仿生固氮因其绿色、节能受到重视。1.2氮在生物体内的同化通过固氮作用，氮进入了生物地球化学循环。植物对土壤无机氮的同化后合成蛋白质等有机物，植物蛋白进入食物链，部分转变为动物蛋白。动植物再通过异化作用将蛋白质等有机物氧化分解产生小分子物质重新进入外界。而动植物遗体的蛋白质、核酸等含氮有机物则被微生物分解利用，即氨化作用。1.3氨化作用氨化作用是指由微生物（氨化细菌、真菌）分解有机氮化物（氨基酸和核酸）产生氨和氨化物的过程。产生的氨，除了可被供微生物或植物同化外，还有部分被转变成硝酸盐。氨化作用是一个放热反应，释放的能量用于微生物的生命活动。氨化微生物广泛分布于自然界，有氧或无氧条件下，均有不同的微生物分解蛋白质等各种含氮有机物，构成了氮循环中不可或缺的一节。1.4硝化作用硝化作用是指氨化合物在硝化细菌（亚硝酸盐细菌、硝酸盐细菌）等微生物作用下氧化为亚硝酸盐和硝酸盐的过程,通常发生在通气良好的土壤中。这个过程在酸性条件下分为两步，第一步是把氨或铵盐转化为亚硝酸盐，第二步是把亚硝酸盐转变为硝酸盐。一般情况下第二步远快于第一步，因此亚硝酸态氨极少存在。硝酸盐除被植物利用之外，还可能被微生物吸收。微生物和植物吸收利用硝酸盐有两种完全不同的用途，一是利用其中的氮作为氮源，称为同化性硝酸还原作用：NO3-→NH4+→有机态氮。许多细菌、放线菌和霉菌能利用硝酸盐做为氮素营养。另一用途是利用NO2-和NO3-为呼吸作用的最终电子受体，把硝酸还原成氮（N2），称为反硝化作用：NO3-→NO2-→N2↑。亚硝酸盐及硝酸盐还可转变为土壤腐殖质成分，或通过淋溶作用从土壤中流失并随径流到达河流、湖泊、海洋，部分氮沉积于深海而暂时脱离氮循环。硝化作用受多种因素影响，一般地，通气良好、含水量适中、富含有机质的土壤中硝化作用较强。在农业上，可利用硝化作用提高提高氮素的有效性，促进作物对氮素的同化；也可通过抑制硝化作用，以减少反硝化作用带来的氮素损失。在环保上，可通过硝化作用控制氨对水生生物的毒害；也可与反硝化作用联合，用于污水生物脱氮。1.5反硝化作用（脱氮作用）反硝化作用是指把硝酸盐等较复杂的含氮化合物转化为氮气或氮氧化物的过程，多由兼性好氧异养微生物进行，因此易在厌氧、富含有机质的土壤中发生。化学方程式可表示如下：2NO3-→2NO2-→2NO→N2O→N2，其中每部有特定的多种酶催化进行。反硝化作用将硝酸盐还原成氮气，降低了土壤中氮素的含量，对农业生产不利，农业上常进行中耕松土，以防止反硝化作用。反硝化作用产生的氮氧化物还会污染大气。然而，反硝化作用是氮素循环中不可缺少的环节，可使土壤中因淋溶而流入河流、海洋中的NO3-减少，消除因硝酸积累对生物的毒害作用反硝化作用的意义在于：１．硝酸盐还原作用使水中的低毒硝酸盐浓度降低，而使具有较高毒性的亚硝酸盐浓度增加，所以是不利的。２．脱氮作用使水中的低毒硝酸盐浓度降低，变为无毒的氮气排除，是有利的。３．在草缸中，脱氮作用会使对草有营养意义的硝酸盐减少，对草是不利的，特别是在氮循环保持良好状态的生态群落中。４．如果要增加脱氮作用的强度，可以创造适合反应的条件，其中保持适合的酸碱度和一定可溶性无氮有机物浓度是关键。无氮有机物水中的存在有限，可以考虑额外添加补充，例如向水中补充葡萄糖溶液。５．脱氮作用对没有排除硝酸盐途径的裸缸具有重要意义，和良好的硝化作用一起，维持水中的低氮状态，保持水质稳定，延长换水时间。2．氮污染与环境问题2.1人类活动对氮循环的影响人类的工业及农业生产活动以及对自然资源的开发利用，改变了自然界的氮循环。人为活化氮数量的增长虽有助于农产品产量的提高，却会对全球生态环境产生更大压力，产生一系列环境问题。氮污染是指由含氮化合物引起的污染，含氮化合物主要是指氮氧化物(主要为NO和N2O)进入高层大气会对臭氧层的破坏起催化促进作用，进而会引起全球气候变化等环境污染效应和生态环境改变。水体中的氮主要来自生物体的代谢和腐败以及工业废水、生活污水的排放、氮肥的流失等。污水中的氮有4种形态，即有机氮、氨氮、亚硝酸氮(少量)和硝酸盐氮(硝化过程的最终产物)，典型污水中总氮含量约为40～50mg/L。水体中有过量氮会造成富营养化，使水质恶化，影响水生生物的生长与繁殖。土壤中的固氮菌和植物的根瘤菌、蓝藻等会将空气中的单质氮转化为化合态氮(如氨、硝酸盐)，供植物作养分，但过量氨或铵盐的存在，会使土壤的土