氮代谢是调节植物生长的最基本宏观元素之一，尤其是在农田中，还有碳、氢和氧。大气是氮的主要来源，用于氮有机分子的发育。它可以存在于许多活性生物分子中，包括蛋白质、植物激素、核酸和几种维生素。因此，生命活动中的大多数生化反应都含有氮，氮是这些生物分子以及其他几种必需化学物质的组成部分。

氮代谢对植物的新陈代谢和结构至关重要。地球上大约80%的大气层由氮组成，但大多数植物无法以最纯净的形式使用它。它们必须依靠土壤供应，并以硝酸盐或铵分子的形式获得无机形式的氮。只有少数原核生物可以直接利用空气中的氮气。在稳定的生态系统中，一些原核生命形式将大气中的氮转化为代谢上有用的形式，可以提供给高等植物和动物。

氨是最有用的氮形式，首先转化为谷氨酸和谷氨酰胺，然后进一步转化为植物发育和维持所需的其他含氮分子。硝酸盐 （NO3）、铵离子 （NH4+） 或有机氮是通过氮循环产生的，而农场粪便是土壤中氮的额外来源。在代谢之前，硝酸盐转化为氨。植物根系可以直接从蛋白质或部分降解的蛋白质中释放出的氨基酸的形式吸收铵离子和有机氮。

随着植物氨基酸有机系统的衰变，嘌呤和嘧啶在此过程中循环回氨，在此过程中，部分氨从 N2 循环中流失，转化为 NO2 并转化为 N2 气体或 NO3。因此，合成代谢和分解代谢过程都是氮代谢的一部分。

合成代谢过程是：a）固氮;b） 氨基酸合成;c） 蛋白质合成。

分解代谢过程是：a）蛋白水解和氨基酸破坏。b） 脱硝;c） 硝化作用。

因此，很明显，氮在植物系统的环境中以多种形式存在，例如分子氮、有机氮、氨和硝酸盐。这些氮形式通过物理和生物过程的连续相互转化是保持大气中氮含量恒定所必需的。

氮代谢循环的步骤：

氮气循环的三个步骤

1. 氨化和硝化

2. 脱硝

3. 固氮作用

氨化和硝化：

氨化是土壤细菌将有机氮转化为NH3的过程。动物粪便和分解的植物和动物残余物都会产生土壤中的有机氮。氨在温暖（30°–35°C）和潮湿的土壤中被氧化产生亚硝酸盐，最终在4pH值的潮湿土壤中产生硝酸盐。氧化过程称为硝化作用，由微生物进行。

霉菌芽孢杆菌、寻常芽孢杆菌和拉莫索芽孢杆菌是合成腐生细菌。某些放线菌和真菌具有从天然有机化合物中释放氨的能力。硝化是由两种称为亚硝基单胞菌和硝基细菌的化学自养细菌进行的过程

亚硝基单胞菌将氨转化为亚硝酸盐，并通过硝化杆菌转化为硝酸盐，如下所示：

硝酸盐还原酶已从大肠杆菌、铜绿假单胞菌、神经孢子虫和大豆植物等细菌物种中分离出来。该酶形成同源二聚体，是一种复杂的金属酶。它具有硝酸盐和 NAD（P）H 结合位点。

由辅因子 FAD、血红素-Fe 和钼辅因子 （MoCo） 形成的氧化还原中心促进电子转移反应：

MoCo 是一种与有机分子蝶呤（一种金属螯合剂）相关的钼离子络合物。每个氮还原酶亚基长 1000 个氨基酸，以及三个辅因子。大多数植物氮还原酶使用NADH，而一些植物使用NADH或NADPH。已经克隆了几种高等植物的硝酸还原酶基因。

当还原亚硝酸盐通过次亚硝酸盐和羟胺等中间体氧化为 NH3 时，重复该过程。每个步骤都涉及通过还原 NAD+ （NADP+） 添加两个电子。每一步都需要减少 NAD+ （NADP+） 以添加两个电子。硝酸盐同化是好氧微生物和高等植物将NO3-还原为NH3并将其掺入细胞蛋白质的过程。

亚硝酸盐还原酶 （NiR） 将电子从铁氧还蛋白转移到亚硝酸盐，如下所示：

NO2 + 6Fdred + 8H+ + 6e → NH4 + 6Fdox + 2H2O

在叶绿体光合非环电子转移中产生的还原铁氧还蛋白（Fdred）是电子的来源。与非光合组织的情况一样，亚硝酸盐还原利用质体中的 Fdred。Fd-NADP+ 还原酶通过氧化磷酸戊糖途径降低 NADPH 产生的铁氧还蛋白水平。构成NiR酶的多肽有两个假体基团：铁硫核（Fe4S4）和特定的血红素（siroheme）。

该酶是一种核编码的蛋白质，从成熟酶中裂解形成N-末端转运肽。转运肽将前体肽引导至质体。单体 NiR 的分子量在 60 到 70 kDa 之间，具有官能团和将电子从 Fdrcd 传输到亚硝酸盐的辅因子。这两个功能域由硫配体桥接。硫配体连接两个官能团。与NR一起，NiR的转录受到调节。细胞必须有足够的NiR来完*减少NR产生的亚硝酸盐。

（ii） 去硝化：

脱硝是硝酸盐和亚硝酸盐转化为氨、氮气和一氧化二氮（N2O）的过程。氮循环是导致气态氮释放到环境中的过程。厌氧细菌，如反硝化假单胞菌和枯草芽孢杆菌，通过一系列反应将硝酸盐转化为氨和游离氮。反硝化Thyobacillus denitrificans、Azotobacter、梭状芽孢杆菌、微球菌等，利用NO3作为电子受体，使呼吸呼吸变短，以获得生存的能量。

固氮作用：

固氮：将二氮 （N2O） 转化为有机形式以使其可用于植物的过程称为固氮。古代轮作豆科和非豆科作物的做法是基于高产和高产的事实。

然而，直到 1838 年鲍辛戈特 （Baussingault） 确定在豆科作物根瘤中发现的固氮细菌增加了土壤肥力，才有人意识到这些优势与大气固氮有关。

固氮有两种类型：非生物固氮和生物固氮。

（a） 物理或非生物固氮

氮分子高度稳定，以二氮（N2）的形式存在，在两个氮原子之间具有三键。氮键最短，长度为1.095，但也具有最高的拉伸频率和电离电位（15.58 eV）。因此，它非常耐化学侵蚀。大约需要 225 kcal 的能量来破坏这种三键，尽管这样做  挑战性。在化肥业务中，氮在  的温度和压力下通过铁催化剂转化为氨。

闪电期间发生的放电也可以固定氮气。在这个过程中，大气中的氮与氧气反应形成氮氧化物，然后被水蒸气水合，并通过雨水以亚硝酸盐和硝酸盐的形式输送到地球。

（b） 生物固氮：

在进化过程中，某些细菌物种已经进化出固定氮并将其转化为氨的能力，这一过程由一组称为固氮 （NLF） 基因的特定基因控制。它们被称为“固氮”物种。这些微生物可以是非共生的，可以单独存在，也可以与高等植物共存。红螺菌属、光合细菌（固氮杆菌属）、厌氧菌（梭菌属）和一些蓝绿藻都属于前一类（蓝藻门）。

共生系统由豆科等几个植物科组成，包括豌豆、豆类、三叶草、大豆等，与根瘤菌属的细菌形成重要的固氮合作社。植物根部根瘤的生长是共生固定的基本特征。这篇关于氮代谢的文章指出，包括这一重要生物过程的多种变体，例如：固氮、同化和消除含氮废物。

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