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

• 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。