氮循环生化检测指标|茁彩生物

氮是构成蛋白质和核酸等关键细胞成分的基本元素，对于所有生物体的生长和发育都至关重要。它是生物体内许多重要化合物(如氨基酸、嘌呤、嘧啶等)的组成部分，参与了细胞内的各种生物化学反应。因此，氮是限制地球生命的主要营养元素之一。

大气中的氮气(N₂)是地球上氮元素的最大库存，但其分子结构稳定，不易被大多数生物体直接利用。为了获取生物可利用形式的氮(如铵和硝酸盐)，生物体需要依赖特定的微生物进行氮转化反应。氮转化反应包括固氮作用、硝化作用、反硝化作用、氨化作用和同化作用等，这些反应由代谢多样的微生物复杂网络进行。

微生物可以将氮化合物转化为具有活性且有毒的一氧化氮，或转化为惰性且无害的氮气。氮的微生物转化通常被描述为一个由六个有序进行的不同过程组成的循环，同化、氨化、硝化、反硝化、厌氧氨氧化和固氮。

定义：将大气中的氮气(N₂)转化为生物可利用的氨(NH₃)或铵盐(NH₄⁺)的过程。

微生物：固氮微生物，如根瘤菌、固氮菌和蓝细菌等，它们含有固氮酶，能够催化氮气还原为氨。

重要性：为植物和其他生物体提供了氮源，是氮循环的起始步骤。

定义：生物体将无机氮(如氨或硝酸盐)转化为有机氮化合物(如氨基酸和蛋白质)的过程。

普遍性：所有生物体都进行同化作用，以获取生长和发育所需的氮元素。

重要性：将无机氮转化为生物体可以利用的形式，促进了生物体的生长和繁殖。

微生物：广泛存在于土壤和水中，包括多种细菌和真菌。

条件：可发生在好氧和厌氧环境中。

产物：产生的氨可进一步被生物体利用或释放到大气中。

常条件：可发生在好氧和厌氧环境中。

定义：在好氧条件下，由无机化能硝化细菌将氨氧化成硝酸盐的过程。

过程：分为两步，首先把铵(NH₄⁺)氧化为亚硝酸(HNO₂)，然后再将亚硝酸氧化为硝酸(HNO₃)。

微生物：主要涉及氨氧化菌(如亚硝化单胞菌属、亚硝化叶菌属等)和亚硝酸盐氧化菌。

产物：硝酸盐是硝化作用的最终产物，它可被植物吸收利用，也可参与反硝化作用。

定义：在厌氧条件下，由反硝化细菌将硝酸盐还原为氮气或氮氧化物的过程。

过程：硝酸盐(NO₃⁻)经一系列酶作用，被还原为亚硝酸盐(NO₂⁻)、一氧化氮(NO)、氧化二氮(N₂O)，最终生成氮气(N₂)。

微生物：反硝化细菌，如肠杆菌属、埃希氏菌属和芽孢杆菌属等。

重要性：有助于维持大气中氮气的平衡，是氮循环中的重要环节。

定义：在厌氧条件下，由厌氧氨氧化细菌将亚硝酸盐和氨转化为氮气的过程。

过程：亚硝酸盐(NO₂⁻)和氨(NH₄⁺)在厌氧氨氧化细菌的作用下，反应生成氮气(N₂)。

微生物：厌氧氨氧化细菌，如“Candidatus Brocadia anammoxidans”等。

重要性：为氮循环提供了另一种途径，有助于减少水体中的氮污染。

氮气首先通过固氮作用被固定到氨上，氨随后被生物体同化为有机氮。有机氮在生物体的代谢过程中被降解，释放出氨，这些氨再通过硝化作用被氧化成硝酸盐。硝酸盐在厌氧条件下可通过反硝化作用或厌氧氨氧化作用转化回氮气，从而完成氮循环。

植物把硝酸盐还原成为氨盐过程的最初阶段，是靠硝酸还原酶的作用。由氨到氨基酸的合成途径是由谷氨酸脱氢酶把氨与α-酮戊二酸进行还原而生成谷氨酸。进而在生成的谷氨酸与丙酮酸间进行氨基转移，就可生成各种氨基酸。另一方面，氨基酸在生物体内也因受到水解和氧化还原所进行的脱氨基反应而被分解。细菌尤其是腐败细菌能使氨基酸脱羧而生成胺。氨基酸因脱氨基分解生成的氨，在植物以谷氨酰胺或天冬酰胺的形态积存于体内，动物则以氨或转化成为尿酸、尿素排出体外。

在植物体内，硝酸盐的还原主要发生在根和叶中。这一过程最初依赖于硝酸还原酶(NR)的作用。硝酸还原酶是一种位于细胞质中的酶，它利用NADH(在绿叶中)或糖酵解产生的NADH(在根中)作为电子供体，将硝酸盐(NO₃⁻)还原为亚硝酸盐(NO₂⁻)。随后，亚硝酸盐被运送到叶绿体(在绿叶中)或前质体(在根中)，由亚硝酸还原酶(NiR)利用光反应中生成的还原型Fd(在绿叶中)或其他电子供体(在根中)将亚硝酸盐进一步还原为铵盐(NH₄⁺)。

由铵盐到氨基酸的合成主要通过谷氨酸合成酶循环进行。在这一循环中，谷氨酸脱氢酶(GDH)虽然也能参与氨的同化过程，但其与NH₃的亲和力较低，因此并不起主要作用。而谷氨酸合成酶(GS)和谷氨酸/天冬氨酸转氨酶(GOGAT)则起关键作用。GS催化氨与α-酮戊二酸反应生成谷氨酸，而GOGAT则催化谷氨酸与丙酮酸之间的氨基转移反应，生成各种氨基酸。这一过程确保了植物体内氨的及时同化和氨基酸的合成。