生物氮素作為發酵工業的新型氮源，主要作用是取代發酵工業中的傳統氮源，具有降低成本，提高產量的功效，可廣泛套用於生物製藥、酶製劑工業、有機酸發酵工業、食品添加劑發酵工業。
基本介紹
- 中文名：生物氮素
- 外文名：Biological nitrogen
- 類別：新型工業氮源
- 學科：生物學
定義,用途,
定義
氮素是構成生物體的另一種必需元素，自然界中的氮素循環包括許多轉化作用。空氣中的氮氣被固氮微生物及植物與微生物的共生體固定成氨態氮，經過硝化微生物的作用轉化成硝態氮，後者被植物或微生物同化成有機氮化物。動物食用含氮的植物，又轉變成動物體內的蛋白質。動物、植物、微生物的屍體及排泄物被微生物分解後，又以氨的形式釋放出來，這種過程叫做氨化作用。由硝化菌產生的硝酸鹽在無氧條件下被一些微生物還原成為氮氣，重新回到大氣中，開始新的氮素循環。微生物在氮素循環中的幾種作用歸納為：固氮作用、硝化作用、同化作用、氨化作用和反硝化作用。
用途
氮素是核酸及蛋白質的主要成分，是構成生物體的必需元素。雖然大氣體積中約有78%是分子態氮，但所有植物、動物和大多數微生物都不能直接利用。初級生產者植物需要的銨鹽、硝酸鹽等無機氮化物，在自然界中為數不多，是初級生產者最主要的生長限制因子。只有將分子態氮進行轉化和循環，才能滿足植物體對氮素營養的需要。因此氮素物質的相互轉化和不斷地循環，在自然界十分重要。
自然界中的氮素循環
氮素循環包括許多轉化作用，包括空氣中的氮氣被微生物及微生物與植物的共生體固定成氨態氮，並轉化成有機氮化物；存在於植物和微生物體內的氮化物被動物食用，並在動物體內被轉變為動物蛋白質；當動植物和微生物的屍體及其排泄物等有機氮化物被各種微生物分解時，又以氨的形式釋放出來；氨在有氧的條件下，通過硝化作用氧化成硝酸，生成的銨鹽和硝酸鹽可被植物和微生物吸收利用；在無氧條件下，硝酸鹽可被還原成為分子態氮返回大氣中，這樣氮素循環完成。氮素循環包括微生物的固氮作用、氨化作用、硝化作用、反硝化作用以及植物和微生物的同化作用。
氮循環
氮循環生物氮素
微生物在氮素循環的作用
1．固氮作用
分子態氮被還原成氨或其他氮化物的過程稱為固氮作用。自然界氮的固定有兩種方式，一是非生物固氮，即通過雷電、火山爆發和電離輻射等因氮，此外還包括人類發明的以鐵作催化劑，在高溫(500℃)、高壓(30.3975MPa)下的化學固氮，非生物固氮形成的氮化物很少。二是生物固氮，即通過微生物的作用固氮，大氣中90%以
上的分子態氮，只能由微生物的話性而固定成氮化物。能夠固氮的微生物，均為原核生物，主要包括細菌、放線菌和藍細菌。在固氮生物中，貢獻最大的是與豆科植物疫面而瘤菌屬，其次是與非豆科植物共生的放線菌弗蘭克氏菌屬，再次是各種藍組菌，最後是一些自生固氮菌。化學固氮曾為農業生產仔萬於巨大的貢獻，但是，它的生產需要高溫條件和高壓設備，材料和能源消耗過大，因此產品價格高且不斷上漲。對自然界氮素循環中的因氮作用具有決定意義的是生物固氮作用。
2．氨化作用
微生物分解含氮有機物產生氨的過程稱為氨化作用。含氮有機物的種類很多，主要是蛋白質尿素、尿酸和殼多糖等。
氨化作用在農業生產上十分重要，施入土壤中的各種動植物殘體和有機肥料，包括綠肥、堆肥和廄肥等都富含含氮有機物，它們須通過各類微生物的作用，尤其須先通過氨化作用才能成為植物能吸收和利用的氮素養料。
生物氮素3．硝化作用微生物將氨氧化成硝酸鹽的過程稱為硝化作用。硝化作用分兩個階段進六，第一個階段是氨被氧化為亞硝酸鹽，靠亞硝化細菌完成，主要有亞硝化單胞菌屬、亞硝化葉菌屬等的一些種類。第二階段是亞硝酸鹽被氧化為硝酸鹽，靠硝化細菌完成，主要有硝化桿菌屬、硝化刺菌屬和硝化球菌屬的一些種類。硝化作用在自然界氮素循環中是不可缺少的一環，但對農業生產並無多大利益。
4．同化作用
銨鹽和硝酸鹽是植物和微生物良好的無機氮類營養物質，它們可被植物和微生物吸收利用，合成胺基酸、蛋白質、核酸和其他含氮有機物。
代謝中的同化作用
代謝中的同化作用生物氮素5．反硝化作用微生物還原硝酸鹽，釋放出分子態氮和一氧化二氮的過程稱為反硝化作用。反硝化作用一般只在厭氧條件下進行。
反硝化作用是造成土壤氮素損失的重要原因之一。在農業上常採用中耕鬆土的辦法，以抑制反硝化作用。但從整個氮素循環來說，反硝化作用還是有利的，否則自然界氮素循環將會中斷，硝酸鹽將會在水體中大量積累，對人類的健康和水生生物的生存造成很大的威脅。
植物的礦質與氮素營養
植物除了從土壤中吸收水分外,還要從中吸收各種礦質元素和氮素,以維持正常的生命活動。植物吸收的這些元素,有的作為植物體的組成成分,有的參與調節生命活動,有的兼有這兩種功能。通常把植物對礦質和氮素的吸收、轉運和同化以及礦質和氧素在生命活動中的作用稱為植物的礦質和氮素營養。人們對植物的礦質與氮素營養的認識,經過了漫長的實踐探索,到19世紀中葉才被基本確定。第一個用實驗方法探索植物營養來源的是荷蘭人凡·海爾蒙(見緒論)。其後,格勞勃(Glauber,1650)發現,向土壤中加入硝酸鹽能使植物產量增加,於是他認為水和硝酸鹽是植物生長的基礎。1699年,英國的伍德沃德(Woodward)用雨水、河水、山泉水、自來水和花園土的水浸提液培養薄荷,發現植株在河水中生長比在雨水中好,而在土壤浸提液中生長最好。據此他得出結論:構成植物體的不僅是水,還有土壤中的一些特殊物質。瑞士的索蘇爾(1804)報告:若將種子種在蒸餾水中,長出來的植物不久即死亡,它的灰分含量也沒有增加；若將植物的灰分和硝酸鹽加入蒸餾水中,植物便可正常生長。這證明了灰分元素對植物生長的必需性。1840年德國的李比希(J.Liebig)建立了礦質營養學說,並確立了土壤供給植物無機營養的觀點。布森格(J·Boussingault)進一步在石英砂和木炭中加入無機化學藥品培養植物,並對植物周圍的氣體作定量分析，證明碳、氫、氧是從空氣和水中得來,而礦質元素是從土壤中得來。1860年諾普(Knop)和薩克斯(Sachs)用已知成分的無機鹽溶液培養植物獲得成功,自此探明了植物營養的根本性質,即自養型(無機營養型)。
礦質和氮素營養對植物生長發育非常重要,了解礦質和氮素的生理作用、植物對礦質和氮素的吸收轉運以及氮素的同化規律,可以用來指導合理施肥，增加作物產量和改善品質。
生物氮素-氮素代謝nitrogenmetabolism 氮素及含氮的活體物質的同化、異化和排泄，總稱為氮素代謝。
植物一般吸收氨鹽或硝酸鹽等無機氮化合物，硝酸鹽要一經被還原為氨鹽或至與氨鹽有關的階段之後，便用於胺基酸和蛋白質的合成。相反，動物只能用胺基酸或蛋白質等有機氮化合物作為氮源，否則就不能利用。動物以體內吸收的胺基酸等為素材，合成本身固有的蛋白質。這種把外界的氮素成分變成生物體的構成物質的過程，稱為氮素同化。可是對植物來說，正像葉面噴灑尿素所看到的那樣，它們並不是沒有利用有機氮的能力。細菌等大部分微生物也能利用化合態氮素，但也有的能固定游離氮素。植物把硝酸鹽還原成為氨鹽過程的最初階段，是靠硝酸還原酶的作用。A．Nason和H．J．Evans等人已經闡明這種酶含有Mo和FAD。這種酶在真菌類（鏈孢霉等）中也有所發現。可是在這些真菌類的硝酸還原中卻存在有另外一種機制，硝酸還原的生理意義，除了作為蛋白質的合成途徑外，還起著一種無氧呼吸（硝酸呼吸，即以硝酸代替氧，形成末端電子受體）的作用。有些細菌並不把硝酸還原成為氨以氮素形態釋放出來，而是表現脫氮作用，另外，同樣在土壤中，有些細菌也能把氨鹽或亞硝酸鹽氧化成為硝酸鹽而進行硝化作用（硝化細菌）。由氨到胺基酸的合成途徑是由谷氨酸脫氫酶把氨與α-酮戊二酸進行還原而生成谷氨酸。一般認為這是由氨到胺基酸生成的主要途徑，由谷氨醯胺合成酶與谷氨酸合成酶把氨合成為谷氨酸的生成途徑也已經明確。如進而在生成的谷氨酸與丙酮酸間進行氨基轉移，就可生成各種胺基酸。另一方面，胺基酸在生物體內也因受到水解和氧化還原所進行的脫氨基反應而被分解。某些厭氧性細菌就能在兩種胺基酸之間進行相互的氧化還原（Stickland′sreaction）。細菌尤其是腐敗細菌能使胺基酸脫羧而生成胺。胺基酸因脫氨基分解生成的氨，在植物以谷氨醯胺或天冬醯氨的形態積存於體內，動物則以氨或轉化成為尿酸、尿素排出體外。
氮循環