氮元素對人的重要性

氮對人的重要性 1 氮對人的重要性 摘要 本文簡單介紹了氮在生物圈的循環(huán) 并對氮在土壤圈的循環(huán)進(jìn)行了闡釋 簡析了化肥和有機(jī)肥的應(yīng)用現(xiàn)狀 總結(jié)了氮元素對人的重要性以及如何改善含 氮物質(zhì)對人的影響 關(guān)鍵詞 氮 氮循環(huán) 土壤圈 化肥和有機(jī)肥 1 前言 氮元素是自然界最豐富的元素 大氣中有 78 的氮?dú)獬煞?這部分氮元素 主要參與生物圈的氮循環(huán) 和人類沒有直接的聯(lián)系 但是在雷雨天氣 在雷電 的作用下氮?dú)鈺涂諝庵械臍錃夥磻?yīng)變成可被植物尤其是豆科植物所利用的氨 這種類型的氨被豆科植物的根瘤菌吸收并轉(zhuǎn)化為豆科植物生長所必須的氮 氮 以這種形式進(jìn)入植物后會在植物體內(nèi)轉(zhuǎn)化為各種含氮有機(jī)物 蛋白質(zhì)可以說是 含氮元素有機(jī)物的代表 動物和人食用了含蛋白質(zhì)的植物后 氮元素繼續(xù)以各 種形式進(jìn)行轉(zhuǎn)化 動物體內(nèi)有機(jī)物含量最高的蛋白質(zhì)其含有高達(dá) 16 的氮元素 人食用了含有蛋白質(zhì)的植物或者動物后 動植物體內(nèi)的氮以氨基酸等分子形式 在人體內(nèi)發(fā)揮作用 至此氮元素和人就有了直接的聯(lián)系 這種聯(lián)系從人一出生 開始就和人一直維持 從不間斷 在這一過程中人也只是氮元素的載體 氮元 素會通過人體繼續(xù)回土壤 回到大氣完成它的循環(huán)使命 隨著科技的發(fā)展和人 們的日益增長的物質(zhì)需求 人對氮元素的循環(huán)影響越來越明顯 當(dāng)然這種影響 也反過來給人們的生產(chǎn)生活乃至環(huán)境產(chǎn)生很多問題 然而 人們在處理這些問 題時(shí)產(chǎn)生了情緒上的偏差 造成一些不利于人們生產(chǎn)生活的偏激思想產(chǎn)生了 其中典型的例子就是人們對化肥的抵制 這種抵制同時(shí)衍生出有機(jī)肥以及有機(jī) 農(nóng)作物等等 事實(shí)上 抵制是產(chǎn)生了一些效果 使化肥的生產(chǎn)和利用更加科學(xué) 合理 但有機(jī)這一口號并沒有達(dá)到人們預(yù)期的效果 最關(guān)鍵是人們對此并沒有 簡單明了的界定 這些現(xiàn)象的產(chǎn)生一方面大多數(shù)人對氮元素的循環(huán)模式不是很 清晰 另一方面對于自身和氮元素的關(guān)系還沒有很清晰的認(rèn)識 再加上對氮污 染的以訛傳訛 使得人們越來越抵制和氮元素有關(guān)的產(chǎn)品 其實(shí) 只要人們能 更全面的了解氮元素以及含氮元素的產(chǎn)品 化肥等產(chǎn)品對人類的貢獻(xiàn)絕對超越 人們現(xiàn)在的認(rèn)可 接下來本文將從以下幾個方面簡述氮元素與人的關(guān)系以及我們該如何看待 化肥等產(chǎn)品和如何看待由此衍生出的 有機(jī) 這一概念 2 氮元素的循環(huán) 自 200 多年法國科學(xué)家拉瓦錫測定空氣成分后 接近空氣總體 4 5 的惰性 氮對人的重要性 2 氣體進(jìn)入了人們的視野 盧瑟福以及化學(xué)家舍勒通過實(shí)驗(yàn)都實(shí)這種氣體不能 維持生命 拉瓦錫在他們基礎(chǔ)上命名這種氣體為 氮 意思是對生命沒有益處 1 雖然氮?dú)鈱ι鼪]有任何益處 但是氮元素卻是生物圈必不可少的重元素 首先 作為生物圈的生產(chǎn)者 植物 它們的主要生長方式是通過光合作用 將太陽能轉(zhuǎn)化為有機(jī)物 在轉(zhuǎn)化過程中最重要的工具就是葉綠體 在葉綠體上 有很多的參與反應(yīng)的酶 這些酶是促使光合作用順利進(jìn)行的最關(guān)鍵物質(zhì) 而這 些酶的主要骨架是蛋白質(zhì) 蛋白質(zhì)中最關(guān)鍵的組成元素就是氮元素 氮元素決 定了光合作用進(jìn)行 另外 植物進(jìn)行生長繁殖時(shí)的遺傳決定物質(zhì)核酸 其關(guān)鍵 影響元素也是氮元素 可以說氮元素的多少是植物生長好壞的決定因素 其次 作為生物圈的消費(fèi)者 動物 一方面它們體內(nèi)發(fā)揮各種功能的蛋白質(zhì)是氮元素 的最大需求者 另一方面決定它們遺傳的主要物質(zhì)核酸也離不開氮元素 作為 生物圈的分解者 各種微生物也是利用含氮物質(zhì)生長繁殖的 它們中的大多數(shù) 是分解動植物的動植物所合成的各種含氮類有機(jī)化合物 還有少數(shù)是直接將無 機(jī)含氮化合物如 NH4 NO2 等直接硝化為植物可利用的含氮鹽離子 或者在厭 氧條件下直接反硝化為 N2使氮元素返回大氣中 由此可見在整個生物圈循環(huán)中 氮元素處于無法替代的作用 下面用一張圖表示氮元素在生物圈的循環(huán) 如圖 2 1 圖 1 生物圈的氮循環(huán)模式圖 2 從上圖我們可以看出氮在循環(huán)過程中大體上分為三種形態(tài) 一是在空氣中 氮對人的重要性 3 以氣體形式參與循環(huán) 包括氮?dú)獾母鞣N固定 燃燒等產(chǎn)生的氮氧化合物 微生 物硝化和反硝化產(chǎn)生的氮氧化合物以及氮?dú)獾葰怏w 這些氣體在人類工業(yè)化到 來以前是維持平衡的 隨著科技進(jìn)步工業(yè)的發(fā)展過多的工業(yè)化氮?dú)獾墓潭?以 及各種能源的燃燒 汽車等機(jī)械設(shè)備的尾氣排放使得氮元素在的循環(huán)有些失衡 二是氮?dú)獗还潭ê笠愿鞣N鹽離子形式進(jìn)入土壤 有些直接被植物所利用如經(jīng)固 定菌固定的氮 有些含氮鹽進(jìn)入土壤后需要在土壤內(nèi)微生物的轉(zhuǎn)化作用下才能 被利用 如 NH4 類的鹽需經(jīng)過微生物的消化作用轉(zhuǎn)變?yōu)?NO3 離子類鹽才能被植 物所利用 有些是以動植物的腐殖體以及動物排泄物的形式進(jìn)入土壤 在微生 物的分解作用下轉(zhuǎn)變成可被植物利用的 NO3 離子等類鹽 和土壤關(guān)系極其密切 的陸上水環(huán)境 一般也定義為土壤 在水環(huán)境中一些沒有被植物利用的含氮類 鹽就會進(jìn)入水中被水中的植物所利用 從而造成水生植物瘋長的問題 同時(shí)過 量的經(jīng)微生物分解含氮類鹽也會使得水環(huán)境的酸堿性改變 如分解產(chǎn)生的酸性 離子會使得水生動植物生存受到影響 三是含氮類物質(zhì)被植物利用后轉(zhuǎn)化為含 氮類有機(jī)物這些有機(jī)物一部分被動物所利用并轉(zhuǎn)化為動物體內(nèi)的有機(jī)氮 一部 分被微生物所利用作為微生物生長繁殖的氮元素來源 另外 動植物體內(nèi)所有 的有機(jī)形式的氮最終都會作為分解者的食物來源被分解和轉(zhuǎn)化參與下一過程的 氮循環(huán) 上述的幾種轉(zhuǎn)化形態(tài)中和人類關(guān)系最為密切的就是氮?dú)獗还潭ê筮M(jìn)入土壤 的循環(huán)過程 這一過程是產(chǎn)生人類生長繁衍所需要的所有物質(zhì) 人類在這一循 環(huán)過程中擔(dān)任的角色也越來越重要 人類的活動在一定意義上已經(jīng)決定了這一 循環(huán)過程的平衡與否 因?yàn)槿藗冊谶@一過程中不僅固定了有益于生產(chǎn)者的含氮 類物質(zhì) 同時(shí)也生產(chǎn)出許多含氮類化合物對生態(tài)都有打亂其平衡的影響 這其 中一部分原因是含氮類物質(zhì)的過量使用 一部分原因是有害含氮類物質(zhì)的產(chǎn)生 土壤圈 2 的氮循環(huán)決定了人類的生存 3 氮在土壤圈的循環(huán) 氮元素在整個生物圈循環(huán)中最要的一部分就是在土壤中的循環(huán) 氮在土壤 的循環(huán)中只要包括三步 分別是氮?dú)獾墓潭?含氮鹽的轉(zhuǎn)化和利用 有機(jī)含氮 物質(zhì)的分解和利用 氮?dú)獾墓潭ㄊ菦Q定生物生存的關(guān)鍵因素尤其是作為生產(chǎn)者的植物 大氣中 的氮?dú)馐且环N惰性氣體植物無法利用 只有通過生物固定以及雷電固氮等方式 轉(zhuǎn)化為含氮類鹽離子后才能進(jìn)入土壤被利用 在人類工業(yè)化固氮之前 氮?dú)獾?固定方式是以生物固氮方式為主 因?yàn)橹参锷L的需要豆科植物經(jīng)過不斷的進(jìn) 化逐漸形成出能夠固氮的根瘤菌結(jié)構(gòu) 工業(yè)革命之后人們對于物質(zhì)資源的需求 不斷增加 傳統(tǒng)固氮方式生長出的植物果實(shí)不能滿足人們的需求 通過模擬雷 氮對人的重要性 4 電固氮方式的工業(yè)化固氮產(chǎn)生了 其明顯的增產(chǎn)效果使得工業(yè)固氮爆發(fā)式增長 品種也隨著工業(yè)不斷的發(fā)展不斷更新 如最初的固氮產(chǎn)品硫酸銨 硝酸銨 氨 水等 現(xiàn)在又出現(xiàn)了碳酸氫銨 尿素等 為了提高效果有含氮復(fù)合肥以及復(fù)混 肥等 2 這些工業(yè)化固定的氮都是屬于有益于植物生長的有利于促進(jìn)社會發(fā)展 的固氮產(chǎn)品 另外一種由于煤炭 石油等燃燒固定的含氮類物質(zhì)也會進(jìn)入土壤 或者水體內(nèi) 但是這部分含氮類物質(zhì)會擾亂土壤氮循環(huán)的平衡危機(jī)動植物的生 存 同時(shí)這部分含氮物質(zhì)也會對其他循環(huán)產(chǎn)生影響如碳循環(huán) 在一定程度上進(jìn) 一步影響動植物的生長 氮?dú)獗还潭ê笞钪饕淖饔檬沁M(jìn)入土壤圈被植物所利用 由于氮?dú)夤潭ǚ?式不同進(jìn)入土壤的含氮物質(zhì)被植物利用的途徑也有所差異 如經(jīng)過生物固氮方 式所固定的氮由于已經(jīng)被固氮菌處理過可以直接被植物吸收和利用 經(jīng)過雷電 固定的含氮物質(zhì) NH4 離子類物質(zhì)必須經(jīng)過微生物的硝化作用轉(zhuǎn)化為 NO3 離子類 的鹽才能應(yīng)用于植物的生長 而人工固氮產(chǎn)品因?yàn)榉N類不同被植物利用的途徑 也略有不同 如銨類固氮產(chǎn)品一般需要經(jīng)過土壤中微生物的處理之后才能被利 用 含氮類復(fù)合肥有些可以直接被植物吸收和利用 在植物利用氮肥方面 有 機(jī)含氮有機(jī)物的利用被人們提出和應(yīng)用的越來越多 有機(jī)肥的利用過程也是先 經(jīng)過微生物的分解 分解為各種可以利用的含氮鹽離子后才能起到促進(jìn)植物生 長的作用 有機(jī)肥的利用也可以說是含氮有機(jī)物在土壤圈循環(huán)中被微生物分解和利用 的過程 只是微生物將動植物產(chǎn)生的有機(jī)氮分解利之后產(chǎn)生了可以被植物所利 用的副產(chǎn)物 使氮元素在土壤圈循環(huán)中多了一種循環(huán)途經(jīng) 從而使得氮循環(huán)盡 量趨于平衡 事實(shí)上有機(jī)含氮物質(zhì)除了傳統(tǒng)意義上的動植物腐殖體等還包括現(xiàn) 代人們生活過程中所制造的生活廢棄物 并且這一部分的量越來越大 這就無 形中增加了微生物分解和利用的壓力 進(jìn)而造成氮循環(huán)的不平衡 另外 有機(jī) 含氮化合物進(jìn)入水體之后也會在水體中微生物的作用下轉(zhuǎn)變?yōu)槟鼙凰参锼?利用的含氮物質(zhì) 現(xiàn)實(shí)生活中的各種含有含氮有機(jī)物的廢水的排放在一定程度 上加大了水體中微生物分解的程度間接的提高了水體的富營養(yǎng)化 使的有機(jī)氮 的分解和利用失去平衡 氮在土壤中的循環(huán)尤其是促進(jìn)植物生長這一環(huán)節(jié)對人們的發(fā)展影響最大 只有不斷的提高植物產(chǎn)生有機(jī)物質(zhì)的產(chǎn)量才能滿足人們的需求 在具體的增產(chǎn) 增收過程中人們沒有很好的控制含氮物質(zhì)進(jìn)入土壤中的量從而造成氮在土壤中 的循環(huán)有所失衡 進(jìn)而引發(fā)了土壤板結(jié) 植物產(chǎn)量減少 水體富營養(yǎng)化等問題 在這些問題產(chǎn)生過程中人們一直在不斷的增加化肥的生產(chǎn)和利用 于是所有的 問題被指向化肥 間接的也對工業(yè)固氮方式產(chǎn)生排斥 有機(jī)肥這種含氮有機(jī)物 被認(rèn)為是工業(yè)固氮產(chǎn)品的很好替代者 認(rèn)為有機(jī)肥能夠很好的維持氮在土壤圈 氮對人的重要性 5 的平衡循環(huán) 4 化肥和有機(jī)肥如何抉擇 化肥是工業(yè)固氮產(chǎn)物最主要的產(chǎn)品 自從它被從實(shí)驗(yàn)室合成開始 它在工 農(nóng)業(yè)方面的地位與日俱增 由于它能在很大程度上提高農(nóng)作物的產(chǎn)量 它的生 產(chǎn)和應(yīng)用越來越受到人們的重視 在化肥工業(yè)中氮肥的需求量最大 不管是植 物枝葉的生長 還是植物果實(shí)的生長都需要大量的氮元素的供應(yīng) 氮元素是合 成葉綠素的主要元素 是果實(shí)中氨基酸類或蛋白質(zhì)類物質(zhì)的主要元素來源 化 肥的明顯的增產(chǎn)效果使得人們對它的使用量不斷攀升 在增產(chǎn)的同時(shí)化肥的過 度使用最初并沒有引起人們的關(guān)注 隨著過量使用化肥所導(dǎo)致的氮循環(huán)失衡 許多問題出現(xiàn)了 如土壤的板結(jié) 水體的富營養(yǎng)化 這些問題一方面是因?yàn)檫^ 量的使用的化肥使得土壤中的微生物群落減少 土壤的酸堿失衡 進(jìn)而減少植 物對化肥等含氮物質(zhì)的吸收和利用 一方面是沒有被利用的化肥通過土壤進(jìn)入 水體造成水體中含氮物質(zhì)的量升高從而造成水生植物的瘋長以及水生動物的死 亡 當(dāng)然水體富營養(yǎng)化和生活廢水以及相關(guān)的工業(yè)廢水的隨意排放有關(guān) 由于 這方面問題越來越嚴(yán)重 人們開始采用各種措施減少化肥的使用量 或者改變 化肥的種類以及使用使用方式 盡量減少化肥對土壤以及水體等的破壞 人口的不斷上升 增加了人們對糧食等農(nóng)作物的需求 化肥的減少無疑會 對作物產(chǎn)量產(chǎn)生影響 為此 有學(xué)者提出大量種植具有根瘤菌結(jié)構(gòu)的豆科植物 利用豆科植物達(dá)到固氮增收的目的 既減少了肥料的使用又增加了豆科植物的 產(chǎn)量 然而在澳大利亞實(shí)施這一措施的結(jié)果是土壤酸化 農(nóng)作物減產(chǎn) 3 部分 原因是大量固氮菌所固定的氮進(jìn)入土壤中之后沒有被充分利用 氮循環(huán)的平衡 出現(xiàn)混亂 過剩的酸性含氮物質(zhì)在滯留在土壤中反過來使得土壤中有益微生物 減少 從而導(dǎo)致微生物對氮元素的利用造成減產(chǎn) 另外一種呼聲最高的思路是大量使用有機(jī)肥 并提出有機(jī)肥不僅能提供植 物所需要的營養(yǎng)元素 還能增加土壤中的微生物種群 達(dá)到改善土壤結(jié)構(gòu)的問 題 從理論上有機(jī)肥確實(shí)擁有這些效果但是在實(shí)際過程中大部分糧食作物還是 采用化肥 因?yàn)榉N子類植物它們需要更多的氮等元素來組成它種子 即使是葉 菜類作物單獨(dú)施用有機(jī)肥的效果依舊不如化肥 目前 有機(jī)肥大多是植物秸稈 以及動物的排泄物 這些物質(zhì)中所含有的有機(jī)氮的含量并沒有明確統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn) 它的使用量也沒有得到規(guī)范 所以在使用中可能會導(dǎo)致氮元素含量不能滿足植 物生長的需求 或者使用量過高導(dǎo)致土壤中氮肥過剩 同樣會造成氮循環(huán)不平 衡所帶來的問題 有機(jī)肥的生產(chǎn)加工過程采取的方法不統(tǒng)一 一般會采用高溫 滅菌以除去有機(jī)肥中的有害菌 防止引起植物的各種疾病 但是這種方法并不 能除去有機(jī)肥中重金屬等污染物這些物質(zhì)會隨著有機(jī)肥的使用進(jìn)入土壤 從而 氮對人的重要性 6 造成植物的減產(chǎn)或生長出含有重金屬的植物 因此 有機(jī)肥的提出是一個值得 提倡的思路 但是如何規(guī)范有機(jī)肥卻需要很長的路 不論是化肥還是有機(jī)肥都是通過增加土壤中的主要元素如氮的含量 從而 作物產(chǎn)量 過多的使用化肥帶來的問題使得我們不得不思考如何更好的選擇促 進(jìn)作物生長的添加物 化肥的過量有機(jī)肥的不規(guī)范是目前最關(guān)鍵的問題 其實(shí) 人們應(yīng)該首先從認(rèn)識層面上去了解化肥和有機(jī)肥 二者最根本的目的是增加土 壤中的元素含量 主要是氮元素的含量 另外不管是化肥還是有機(jī)肥它在被植 物利用前都需要經(jīng)過微生物的分解和利用 只是種群上略有差異 所以不管是 化肥還是有機(jī)肥只要能在一定范圍內(nèi)維持氮元素在土壤圈的循環(huán)平衡 就能促 進(jìn)作物的增產(chǎn)增收 為此化肥和有機(jī)肥都需要不斷的改進(jìn)加工工藝和施用方式 如化肥應(yīng)可以向復(fù)合緩釋方向發(fā)展 使施用的化肥能在植物的一生中最大化的 被利用 有機(jī)肥應(yīng)在其含量指標(biāo)上進(jìn)行規(guī)范 在施用方式上需要進(jìn)一步的統(tǒng)一 5 總結(jié) 氮元素是構(gòu)成人體的必須元素 人們要獲得它必須通過食用動植物 而最 根本的來源就是植物 植物中氮元素的來源最基本是土壤 化肥或者有機(jī)肥是 目前提高土壤最關(guān)鍵的方法 基于氮元素對人類食物的來源方面的影響 人們 必須改善化肥和有機(jī)肥對植物生長的影響 氮元素的各種氧化物是如 NO NO2等是影響我們大氣環(huán)境的主要物質(zhì) 這些物質(zhì)的來源主要包括石油煤 炭能能源的燃燒 汽車等交