二、天然水中氮元素的循环

图5-4 水中氮的转化关系

天然水体中，氮元素不断迁移，转化，构成一个复杂的动态循环.其中有以下几个重要的反应 1 氨化作用 1） 过程

氨化作用是含氮有机物在微生物作用下释放氨的过程。天然水的氨氮主要来自含氮有机物在微生物作用下的分解，即氨化作用。氨化作用在好气及厌气条件下都可进行，效率相差不大，但最终的产物有所不同：

??NH4++CO2+SO42-+H2O 含氮有机物?????NH4+CO2+胺类、有机酸类 含氮有机物???+

厌氧生物需氧生物2）氨化的速度受pH值影响，以中性、弱碱性环境的效率较高。 2 同化作用

水生植物通过吸收水体中NH4+（NH3）、NO2-、NO3-等合成自身物质的过程。其中NH4+（NH3）、NO3-是

+

水生植物氮营养元素的主要形态。实验表明，在NH4（NH3）、NO2-、NO3-共同存在时，优先利用NH4+（NH3），

待NH4+（NH3）几乎耗尽时，才开始利用NO3-。

一般认为，水中浮游植物光合作用对C、N、P的吸收是按照106：16：1的比例进行的。

106CO2+16NO3-+HPO42-+122H2O+18H++微量元素→(CH2O)106(NH3)16H3PO4+138O2

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3 硝化作用

1）在微生物作用下，氨转变为硝酸盐的过程

硝化过程水体中的生物残骸及代谢废物在异养微生物的作用下，经过氨化作用迅速转变为NH4(NH3)，那些易分解的含氮有机物在表层水及温跃层内，基本上分解矿化。在通气良好的天然水中，经硝化菌的作用，氨可进一步被氧化，若碱度足够大，则硝化作用释放的H+，可与HCO3-结合，反应过程如下：

NH4+(NH3)的氧化：

13NH4++23HCO3-→8H2CO3+10NO2-+3C5H7NO2+19H2O

NO2-的氧化：

10NO2+NH4+4H2CO3+HCO3→10NO3+C5H7NO2+3H2O

总式为：

NH4++1.83O2+1.93HCO3-→0.98NO3-+0.021C5H7NO2+1.04H2O+1.88H2CO3

式中C5H7NO2为硝化细菌的元素平均组成，由硝化作用总式可以得出，每有1毫克NH4+完全氧化成NO3-，就要消耗3.25mg O2，破坏6.54mg HCO3-，所以硝化过程对水中溶解氧和碱度有较大的影响。 2）在养殖水体中，硝化作用主要受溶解氧、pH、温度等因素的影响。 ① 溶解氧：(P121图5-6：溶解氧对硝化速度的影响)；

② pH：硝化作用最适合pH=8.4，在pH为7.8-8.9之间，消化速度可以保持最大速度的90%，过高或者过低，硝化速度急剧下降；

③ 温度：在温度为5-30℃范围内，温度升高，硝化作用加快。

4脱氮作用 1）过程

反硝化（脱氮）过程是在微生物（反硝化细菌或者脱氮菌）作用下，硝酸盐或亚硝酸盐作为呼吸系的电子受体，被还原为N2O或游离氮的过程---脱氮作用。

在自然界的水圈和沉积物中广泛存在着厌氧细菌，在缺氧条件下，通过厌氧细菌的活动，NO3-被还原为N2：

(CH2O)106(NH3)16H3PO4+84.8HNO3→106CO2+42.4N2+148.4H2O+16NH3+H3PO4

NH3进一步与HNO3作用

5NH3+3HNO3=4N2+9H2O

脱氮作用的详细生化机理尚不清楚，一般认为可能按下述途径进行：

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-+

--+

2HNO3→2HNO2→[HON=NOH] 2NH2OH→2NH3 次要 N2 主要 （ （

次亚硝酸 N2O 主要 2）脱氮作用影响因素

脱氮作用受许多水质条件的影响，例如pH为7-8是最适范围，而pH<5时，脱氮作用停止；脱氮作用反应速率随着NO3-、NO2-含量的增大而增高（在一定浓度范围内），溶解氧含量低于0.15-0.5mg/L，脱氮作用才顺利进行。此外脱氮作用还与作为电子接收体的基质（如溶解有机物、动植物残骸及木质素、腐殖质等）有关。

在微生物的作用下，硝酸盐或亚硝酸盐被还原为一氧化二氮（N2O）或氮气（N2）称为脱氮作用。据估计，每年进入生物圈的固定态氮（包括工业固氮与生物固氮）有90%以上都经脱氮作用而离开生物圈以气态氮形式回到大气。

5 固氮作用

水体内有些微生物(固氮细菌)以及蓝绿藻，具有一些特殊酶系统，能把一般生物不能利用的单质N2转变为生物能够利用的化合物形式的过程称为固氮作用.

固氮酶系统需要Fe、Mg、Mo等元素，水中这些微量元素的含量对固氮速度常常有决定性影响.而蓝藻大量固氮时，还要有充足的P元素.

三、水体无机态氮与养殖生物的关系

1 NH3-N

1）NH3-N毒害作用

是藻类生长繁殖的营养盐，但当NH3-N含量超过一定限度对水生生物是有害的，这主要是因为：分子氨具脂溶性特点，可能通过生物表面进入体内，进入的量取决于水体与生物体内（如血液）的pH。任何一边的液体pH发生变化，生物体表面两边的分子态氨（以UIA表示）的浓度均将发生变化。为了取得平衡，NH3总是从pH高的一边进入到pH低的一边。如NH3从水中进入体内，生物就会中毒；相反如NH3从体内排出，这是正常的排泄现象。UIA对鱼类的作用机理同麻痹神经的药物相似，损害鱼鳃组织，同时引起鱼类溶血作用，即红血球溶解。UIA的毒性还表现在对水生生物生长的抑制作用，降低鱼、虾、贝类的产卵能力。

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2）NH3-N毒性影响因素

氨的毒性随温度的升高而增强，水体的pH值增高，D?O减少，其毒性将显著增强。因为UIA在NH3-N中所占的比例随pH值、离子强度与温度的不同而异。 2 NH4

因带电荷，通常难以透过生物体表，较低含量对生物无害。 3 NO2-

多数研究表明，NO2-的毒害是因为NO2-进入血液后，直接与血红蛋白反应生成高铁血红蛋白，减少了血氧运输，造成缺氧。另外，有研究认为NO2-会降低一些酶类（SOD、溶菌酶等）的活性。 4 NO3-

也有毒性报道。

+

四、天然水中有效氮及其变化规律(P124)

水生植物通过吸收利用天然水中的NH4+-N、NO2--N、NO3--N等合成自身的物质，这一过程称为同化作用。

天然水中的NH4+-N、NO2--N、NO3--N等均为藻类能直接吸收利用的无机氮化合物，其中NH4+-N、NO3--N来源广，含量较高，是水生植物营养元素氮的主要形式。少数特殊藻类甚至可以直接以游离氮作为氮源（固氮作用）。不同种类的水生植物其有效氮的形式可能有所不同，但对一般藻类而言，有效氮指的主要是无机氮化合物。有机氮如果不经胺基分解作用，所含氮元素一般不能直接为植物所利用，只能在细菌的作用下被间接吸收。

实验表明，当NH4+-N、NO2--N、NO3--N共存，其含量又处于同样有效量的范围内，绝大多数藻类总是优先吸收利用NH4+(NH3)，仅在NH4+(NH3)几乎耗尽以后，才开始利用NO2-、 NO3-，介质pH较低时处于指数生长期的藻类细胞，此特点尤为显著。

能被水中植物直接吸收利用的氮称为有效氮.表水层有效氮的实际浓度由水中的增氮作用和耗氮作用来决定的. 1 增氮作用

1) 生物固氮

通过固氮藻类和细菌，将N2转变为有机氮，为水体提供饵料以及肥料，潜力很大.据统计，整个地球的生物固氮总量高达2×10gN/年，比全球工业生产的全部固氮(6×10gN/年)还要多.水中藻类以及细菌固氮速度一般为15毫克N/ m2.d，相当于每公亩（100m2）水面每年免费施用硫酸氨约2.6Kg.

2) 水中生物的代谢废物

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