
植物通过微生物的作用把空气中的氮转变为植物可以吸收和利用的氨或其他含氮有机物。
1. 字义与基本定义
“固氮”为动宾结构复合词:
合指“将游离态氮气转化为可利用的化合态氮的过程”。
2. 科学定义与机制
在生物学与化学中,固氮指某些微生物(如根瘤菌、蓝藻)通过固氮酶催化,将大气中的氮气(N₂)转化为氨(NH₃)等含氮化合物的过程。其化学反应可表示为:
$$ ce{N2 + 8H+ + 8e- + 16 ATP -> 2NH3 + H2 + 16ADP + 16Pi} $$
该过程对自然界的氮循环至关重要,为植物提供氮营养来源。
3. 类型与实例
4. 生态与农业意义
固氮作用减少对合成氮肥的依赖,维持土壤肥力。豆科植物的生物固氮每年可为农田提供90–140 kg/公顷氮素(中国农业科学院土壤肥料研究报告,2021),显著降低碳排放。
权威参考来源
“固氮”是生物学和化学领域的重要概念,指将大气中游离的氮气(N₂)转化为植物可利用的含氮化合物(如氨、硝酸盐等)的过程。以下是详细解释:
固氮的本质是通过物理、化学或生物作用,将惰性的氮气转化为化合态氮。例如,植物根系中的微生物能将氮气还原为氨(NH₃),供植物吸收。这一过程对生态系统的氮循环至关重要。
生物固氮:由固氮微生物(如根瘤菌、蓝藻等)完成,占自然界固氮的90%以上。例如,豆科植物与根瘤菌共生形成根瘤,实现高效固氮。
人工固氮:通过工业手段合成含氮化合物,如哈伯法合成氨:
$$
N_2 + 3H_2 xrightarrow{text{高温高压催化剂}} 2NH_3
$$
自然非生物固氮:如闪电等自然现象将氮气转化为硝酸盐。
固氮微生物的固氮酶是其关键工具,但该酶对氧气敏感,因此共生体系(如根瘤)会形成低氧环境以保护酶活性。
通过以上方式,固氮实现了大气氮向生命可利用形式的转化,是连接无机环境与生命活动的重要桥梁。
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