Ncycle氮循环课件.pptx

1、Nitrate in soil 泥土中泥土中的的硝酸盐硝酸盐Plants植物植物Animals动动物物Ammonia and ammonium compound 氨及氨及铵铵化合物化合物Nitrate in soil 泥土中泥土中的的亚硝酸盐亚硝酸盐Nitrogen in the atmosphere 大大气气中的氮中的氮Absorption 吸收吸收Ingestion摄摄食食Dead remains, egesta,excreta 尸体，粪便，尸体，粪便，排泄物排泄物Death 死亡死亡Death, egestion, excretion死亡死亡, 排泄排泄Ammonification or

2、 putrefaction by putrefying bacteria and fungi 腐败细腐败细菌及真菌的菌及真菌的氨氨化化作用或作用或腐败腐败作用作用Nitrification by AOA & AOB 硝化硝化作用作用Nitrification by nitrate bacteria硝硝化细化细菌的菌的硝化硝化作用作用 Nitrogen fixation by symbiotic nitrogen fixing bacteria 共生共生固氮固氮细细菌的菌的固氮作用固氮作用Free living nitrogen fixing bacteria 自自由生活的固氮由生活的固氮细细菌

3、菌Nitrogen fixation 固固氮作用氮作用Death死亡死亡Lightning闪电闪电Denitrification by denitrifying bacteria反反硝化细硝化细菌的菌的反硝化反硝化作用作用 Industrial synthesis 工业合成工业合成 (fertilizers 肥料肥料)Absorption吸收吸收Leaching淋溶淋溶N2N2 fixation 固氮固氮 PONOrganic NN2N2ONONO3-NO3-NH4+NH2OHNO2-NO2-NO2-OxicSuboxicAmmonium Oxidation氨氧化氨氧化Anammox 厌氧氨氧

4、化厌氧氨氧化DNRA 硝酸异化还原成铵盐硝酸异化还原成铵盐Denitrification 反硝化作用反硝化作用ReminerlizationamohaonirnorMicrobial nitrogen transformations above, below and across an oxic/anoxic interface in the marine environmentN2Francis et al., ISME J,2007Nitrification 硝化作用硝化作用 Nitrite Oxidation亚硝酸盐氧化亚硝酸盐氧化NH4+蓝细菌蓝细菌u 固氮作用固氮作用是分子态氮被还原

5、成氨和其他含氮化合物的过程u 非生物固氮：非生物固氮：工业固氮工业固氮：哈伯-博施法 N2(g) + 3H2(g) 2NH3(g) 200bar 400 Fe3+电离固氮：电离固氮：电离作用和大自然中的闪电能使空气中的N2和O2产生化合作用 形成 NO，NO极其不稳定，会瞬间被氧化成NO2。u 生物固氮：生物固氮：自生固氮菌：自生固氮菌： 好氧细菌固氮菌属、固氮螺菌属 蓝细菌 兼性厌氧菌如克雷伯氏菌属 厌氧菌如梭状芽孢杆菌属 紫细菌 绿细菌 产甲烷古菌共生固氮菌：共生固氮菌：根瘤菌属-豆科植物 弗氏菌属-非豆科植物联合固氮：联合固氮：固氮菌生活在某些植物根的粘质鞘套内或皮层细胞间，不形成根瘤，

6、但有较强的专一性，如雀稗固氮菌与点状雀稗联合u 硝化作用硝化作用是生物用氧气将NH4+转化为NO2-继而将亚硝酸盐氧化为NO3-的作用。u 氨氧化氨氧化 NH4+ NO2- AOB 氨氧化细菌主要集中在几个属: 亚硝化单胞菌属(Nitrosomonas), 亚硝化螺菌属(Nitrosospira)和亚硝化球菌属(Nitrosococcus) AOA 奇古菌奇古菌 Thaumarchaeau 亚硝酸盐氧化亚硝酸盐氧化 NO2- NO3- 硝酸细菌属(Nitrobacter)；硝酸刺菌属 (Nitrospina)和硝酸球菌属(Nitrococcus)。其中以硝酸细菌属为主，常见的有维氏硝酸细菌(N

7、itrobacter winogradskyi)和活跃硝酸细菌 (N. agilis)等。反硝化作用反硝化作用指细菌将硝酸盐(NO3)中的氮(N)通过一系列中间产物(NO2、NO、N2O)还原为氮气分子(N2)的生物化学过程。参与这一过程的细菌统称为反硝化菌反硝化菌。u反硝化菌反硝化菌在自然界以各种形式广泛存在，如：Paracoccus denitrificans（自养，氧化氢气H2）Thiobacillus denitrificans（自养，氧化硫化物（S2）或者硫代硫酸盐（S2O32）Pseudomonas stutzeri（异养，氧化有机碳） 反硝化菌主要为原核生物，大量存在于在-, -

8、 和-变形菌纲中。已知的反硝化菌的属有Achromobacter, Acinetobacter, Agrobacterium, Bacillus, Chromobacterium, Flavobacterium, Spirillum, Vibrio, Halobacterium, Methanomonas, Pseudomonas等。 尽管已经发现了自养反硝化菌，但上述反硝化过程主要由异养反硝化菌来完成u 总的反硝化过程可以用以下方程式表示： 2 NO3 + 10 e + 12 H+ N2 + 6 H2O, G0 = 333 kJ/molNO3还原为NO2：2 NO3 + 4 H+ + 4 e

9、 2 NO2 + 2 H2ONO2还原为NO：2 NO2 + 4 H+ + 2 e 2 NO + 2 H2ONO还原为N2O：2 NO + 2 H+ + 2 e N2O + H2ON2O还原为N2：N2O + 2 H+ + 2 e N2 + H2Ou 以上四个反应均为放热反应，所以在无氧或缺氧条件下，细菌可以将硝酸盐（NO3）作为电子传递链的最终电子受体 （TEA, terminal electron acceptor），来完成物质能量交换u 厌氧氨氧化菌厌氧氨氧化菌(anaerobic ammonium oxidation, Anammox)是一类细菌，属于浮霉菌门，在缺氧环境中，将铵离子(

10、NH4+)用亚硝酸根(NO2-)氧化为氮气N2u包括(Candidatus Brocadia)、(Candidatus Kuenenia)和, Candidatus Anammoxoglobus, Candidatus Jettenia, (Candidatus Scalindua)属。u NH4+ + NO2- N2 + 2 H2O, Go = -357 kJ/molu在厌氧氨氧化过程中，羟胺(NH2OH)和肼(N2H4)作为代谢过程的中间体。AOB依据16S rRNA 基因序列构建的氨氧化细菌的系统发育董莲华等，应用生态学报，2008AOAPester et al., Current Op

11、inion in Microbiology, 2011uAMO是由3个不同亚基组成的三聚体膜结合蛋白, 3个亚基的分子量分别为27103(AmoA)、38103(AmoB)和31.4103(AmoC). uAMO只能催化非离子氨(NH3) 氧化,而不能催化离子氨(NH4+)氧化, 而在环境中NH4+ 与NH3的动态平衡中,倾向于NH4+的方向,使得NH3的浓度很低, 这也是在硝化作用中氨的氧化成为限速步骤的原因；此外,AMO催化NH3氧化过程中, 只能将O2中的一个O原子加入到NH3中形成羟氨(NH2OH) ,另一个O原子形成H2O,因此需要提供额外的一对电子。除了NH3外, AMO还可以氧化

12、C-H键和C=C键。u 编码AMO的基因簇amo至少含有3个基因(amoA,amoB和amoC) , 它们位于一个操纵子中, 其排列顺序为amoC、amoA、amoB. 不同种之间的amo基因的排列相同且具有很高的相似性, 在一个细胞中一般含有3个拷贝的amo,且不同拷贝之间具有很高的保守性(99%). 在欧洲亚硝化单胞菌中, amo 基因的转录有3种不同的mRNA产物, 其一对应于amoC, 其二对应于amoAB, 其三对应于amoCAB, 或是源于mRNA的加工过程,或是源于不同的转录起始位点.通过突变研究表明, amo 基因的3个拷贝都是功能型的,但表达的程度不同.这些基因受氨及亚硝酸的

13、诱导表达.uHAO是一种有相同亚基( Mr= 64103) 构成的三聚体细胞周质蛋白,它可以氧化羟氨(NH2OH), 并释放出2对电子, 其中一对直接用于NH3的氧化过程, 另一对用于细胞物质的合成以及ATP的产生u 对于羟氨氧化酶基因(hao)研究得较为详细的是欧洲亚硝化单胞菌的hao 基因, 长度为1710bp, 受氨及亚硝酸的诱导表达,转录为一个单顺反子的mRNA,与其他细胞周质蛋白一样, 该基因也编码有一个18 24氨基酸残基序列的前导肽,该前导肽在HAO的转运和成熟过程中被切除u 欧洲亚硝化单胞菌中含有3个hao 基因拷贝,且它们相距甚远；除了一个拷贝的一个核苷酸外,3个拷贝的编码区

14、域的核苷酸序列完全一样,只是在它们的编码区上游的序列有些差异u从AMO和HAO两种酶的作用特性可以预见亚硝化过程的低速和产能的低效率,由此极大地限制了亚硝化细菌生长的速率.u亚硝酸还原酶亚硝酸还原酶(NiRs) 是反硝化过程中的关键作用酶, 它使NO2 转变成NOu根据辅基的不同, NiRs 分为血红素血红素cd1型亚硝酸还原酶型亚硝酸还原酶(cd1-NiRs) 和铜型亚铜型亚硝酸还原酶硝酸还原酶(Cu-NiRs) 两种。Cu-NiRs 呈三聚体结构, 每个单体都含有两种类型的铜原子, 它们在酶催化过程中起着传递电子的重要作用。在催化过程中, Cu-NiRs 中部分残基的结构变化有利于催化反应

15、的进行。uCu-NiR由nirK 基因编码, 该基因已从Pseudomonas aureofaciens 中分离并测序, nirK 编码含有363 个氨基酸的多肽, 该多肽含有一段由24个氨基酸组成的起蛋白输出作用的信号肽Cu-NiR 的晶体结构的晶体结构, 每个单体由每个单体由两个亚单位组成两个亚单位组成胡朝松等，微生物学通报，胡朝松等，微生物学通报，2008u NOR也是由3个不同亚基组成的三聚体膜结合蛋白复合体,3个亚基的Mr分别为116103(NorA), 65103(NorB)和32103(NorX) NOR复合体复合体还含有铁、钼、硫铁、钼、硫和铜铜离子u NOR可以催化亚硝酸盐的

16、氧化,也可以催化硝酸盐的还原u NOR在亚基组成和催化硝酸盐还原上与异化硝酸盐还原酶非常相似。nor 基因簇中含有3个基因( norA, nor B和norX) , DNA 序列分析表明,他们在染色体上相邻排列: norA、nor X、nor B,组成一个操纵子, 受亚硝酸及硝酸诱导表达。 nor A约为3000bp、norX为648 bp、norB为1 539bp. 由norB推测的NorB含有4个与细菌的铁氧化还原蛋白的铁- 硫中心非常同源的半胱氨酸残基串. norA和norB与大肠杆菌的异化硝酸盐还原酶基因nr A、nrZ的A亚基和B亚基有较高的相似性,在氨基酸序列上分别可以达到60%和

17、65%的相似性.David A. and Stahl, The Annual Review of Microbiology, 2012N. Maritimus strain SCM1David A. and Stahl, The Annual Review of Microbiology, 2012NXOR 硝酰氧化还原酶硝酰氧化还原酶nitric reducation 反硝化作用反硝化作用OUT IN 土壤中的土壤中的NH4+浓度浓度高浓度铵态氮抑制嗜温硝化古菌高浓度铵态氮抑制嗜温硝化古菌同化同化CO2的的能力，暗示高浓度铵能力，暗示高浓度铵态氮可能抑制其氨氧化能力态氮可能抑制其氨氧化能力铵浓度的增加可以直接铵浓度的增加可以直接导致数量的增加导致数量的增加土壤土壤pH负相关负相关amoA基因与基因与pH关系？关系？ 最佳硝化最佳硝化pH 8.0-8.4温度温度对温度具有较强的耐受性对温度具有较强的耐受性受温度影响小受温度影响小硝化活性最高硝化活性最高 15-20O2浓度浓度需氧需氧需氧需氧盐度盐度间接影响间接影响NH4+的浓度的浓度高盐度抑制了高盐度抑制了AOB的的硝化活性硝化活性