植物固氮原理及化學(xué)方程式
固氮作用是指將大氣中的游離氮（N?）轉(zhuǎn)化為植物可以吸收利用的氨態(tài)氮（NH?或NH??）的過程。這一過程在自然界中主要由某些特定的微生物完成，包括自由生活的固氮菌和與植物共生的根瘤菌。植物本身不具備直接從空氣中固定氮的能力，但通過與這些微生物的共生關(guān)系，能夠間接獲得固定的氮素營養(yǎng)。
1. 自由生活固氮菌的固氮反應(yīng)
-
化學(xué)方程式:
- N? + 8H? + 8e? → 2NH? + H?
-
說明:
- 在此過程中，固氮酶催化下的氮?dú)夥肿颖贿€原成氨。
- 需要消耗大量的能量（ATP），通常每固定一個(gè)氮原子需要16個(gè)ATP分子。
2. 根瘤菌與豆科植物的共生固氮
-
化學(xué)方程式:
- N? + 3H? → 2NH? (在固氮酶的作用下)
- 或者更詳細(xì)的表示為：N? + 8H? + 8e? + 16ATP → 2NH? + H? + 16ADP + 16Pi
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說明:
- 豆科植物如大豆、豌豆等能與根瘤菌形成共生關(guān)系，在植物根部形成特化的結(jié)構(gòu)——根瘤。
- 根瘤內(nèi)的根瘤菌通過其固氮酶系統(tǒng)將大氣中的氮?dú)廪D(zhuǎn)化為氨，供宿主植物使用。
- 植物為根瘤菌提供生長所需的碳水化合物等有機(jī)物質(zhì)。
3. 固氮過程中涉及的主要步驟
- 氮?dú)饣罨?/strong>:
- 將三鍵連接的氮分子(N≡N)斷裂，使其進(jìn)入活化狀態(tài)，準(zhǔn)備接受電子。
- 電子傳遞:
- 通過一系列復(fù)雜的生物化學(xué)途徑，將電子逐步傳遞給氮分子。
- 氨的生成:
- 活化后的氮分子接受足夠的電子后，與氫離子結(jié)合形成氨。
- 氨的同化:
- 生成的氨進(jìn)一步轉(zhuǎn)化成植物可以直接利用的形式，如氨基酸或核酸。
4. 影響固氮效率的因素
- 環(huán)境條件:
- 氧氣濃度:
- 過高的氧濃度會抑制固氮酶活性，因此許多固氮微生物具有特殊的機(jī)制來降低局部氧濃度。
- 營養(yǎng)供應(yīng):
- 碳源、磷、硫等元素的供應(yīng)情況也會影響固氮效率。
通過上述介紹，我們可以看到植物通過與固氮微生物的合作，實(shí)現(xiàn)了從大氣中獲取氮素資源的過程。這一自然現(xiàn)象不僅對農(nóng)業(yè)生產(chǎn)有著重要意義，也是生態(tài)系統(tǒng)中氮循環(huán)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)之一。
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