高三生物生物固氮

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【本讲信息】
一. 教学内容：
生物固氮
二. 学习内容：
本周学生物固氮，掌握生物固氮的概念，固氮微生物的类群。

共生固氮菌根瘤的特点，自生固氮菌、圆褐固氮菌的特点。

了解生物固氮的原理。

过程。

掌握氮元素的循环过程，以及生物固氮的用。

掌握土壤自生，固氮菌的分离，理解原理，初步制作临时涂片的方法。

三. 学习：
1. 固氮微生物的种类
2. 生物固氮的基本过程
3. 生物固氮的意义以及在农业生产上的用
4. 掌握土壤自生固氮菌的分离原理
四. 学习难点：
1. 固氮微生物的种类（自生固氮菌，共生固氮菌）
2. 生物固氮的基本过程
3. 生物固氮的意义以及在农业生产上的用
4. 掌握土壤自生固氮菌的分离
五. 学习过程
（一）固氮类型
固氮：将空气中的氮分子转化成氮化合物的过程
生物固氮：固氮微生物将空气中的还原成氨的过程
高能固氮：雷电（形成氮的氧化物）
固氮化能固氮：工业合成氨（高温、高压、催化剂）
生物固氮：固氮微生物作用
每年生物固氮的总量占地球上固氮总量的90%左右。

生物固氮在氮循环中起重要作用。

（二）固氮微生物的种类
1. 固氮微生物都是原核微生物，目前共发现100多种。

主要有：根瘤菌、蓝藻、放线菌
2. 类型：
（1）共生固氮微生物
指与绿色植物互利共生时才能固氮的微生物
如：
根瘤菌——与豆科植物互利共生
弗兰克氏放线菌——与桤木属、杨梅属、沙棘属植物共生
蓝藻——与红萍水生蕨类或罗汉松裸子植物共生，地衣即是。

根瘤菌：在土壤中分布广泛，其固的氮素占自然界生物固氮的绝大形状：棒槌型、T型、Y型
代谢类型：需氧异养细菌，原核生物
特点：
①只有在侵入到豆科植物的根内才能固氮
②不同的根瘤菌各自只能侵入特种类的豆科植物
③根瘤菌与豆科植物互利共生
根瘤形成：
①豆科植物幼苗长出后，相的根瘤菌就侵入到根内
②根瘤菌在根内不断繁殖
③刺激根内薄壁细胞分裂，该处组织膨大形成根瘤
重要意义：豆科植物从根瘤中获得的氮素占所需氮素的30%到80%（2）自生固氮微生物
指在土壤中能够进行固氮的微生物，如：圆褐固氮菌
圆褐固氮菌：异养需氧原核生物（细菌）
结构特点：
①大多是杆菌或短杆菌
②通常是单生或对生生活（显微镜下观察呈8字型）
③细菌外层有一层荚膜
功能特点：
①异养需氧生活
②能固氮，固氮能力较强（能在无氮培养基中生长）
③能分泌生长素（促进植株生长和果实发育）
生产用：常制作成菌剂，投入到土壤中，提高农作物的产量
①作用对象：小麦，水稻，棉花，玉米
②主要菌种：圆褐固氮菌，棕色固氮菌
③施用方式：
a. 基施以基肥的形式使用
b. 追施追加在作物的根部，覆盖土壤
c. 拌种阴凉处晾干后使用
④增产效果：单纯使用菌剂不能满足农作物对氮营养的需要，只能是一种补充措施
菌落特点：
①色土褐色
②表面光滑呈黏稠状（具有荚膜）
③形状不规则（通常具有菌毛，具运动能力）
（3）固氮微生物（高中了解内容）
必须生活在根际、叶面或动物的肠道处才能固氮的微生物
如：
雀稗固氮菌、固氮螺菌——生活在玉米、雀稗、水稻和甘蔗植物根内的皮层细胞间
特点：具有一的专一性，但不形成根瘤那种特殊结构
可以进行自行固氮，介于自生固氮和共生固氮之间
（三）生物固氮过程：
1. 生物固氮是在细胞内的固氮酶的催化下进行的，不同固氮微生物的固氮酶的催化作用基本相同
2. 基本过程：
（1）将N2还原成NH3，将C2H2还原成C2H4
（2）需要e和H+（来自植物体内的化学反）
（3）需要ATP提供能量是一个释能过程
3. 固氮酶：有两种蛋白质组成，只有两种蛋白质同时存在时才能起固氮作用
（1）两种蛋白质分别是：含铁的蛋白质——铁蛋白；含有铁和钼的蛋白质——钼铁蛋白
（2）电子先传递给铁蛋白，然后传递给钼铁蛋白，最终被
2
N或2
2
H
C接受（3）ATP一要与Mg结合，形成Mg—ATP复合物才能起作用
（4）具有底物多样性
（四）生物固氮的意义：
1. 植物吸收土壤中的氨盐和硝酸盐，在体内将无机氮转化为有机氮
2. 动物直接或间接以植物为食，同化形成动物有机氮
3. 动植物有机氮被微生物分解成氨——氨化作用
4. 氨或氨盐在硝化细菌的作用下最终氧化成硝酸盐——硝化作用
5. 硝酸盐被反硝化细菌还原成亚硝酸盐，进一步形成分子态氮返回大气——反硝化作用
意义：没有以生物固氮为主的固氮作用，大气中的分子态氮就不能被植物吸收利用。

生物固氮在氮循环中有十分重要的意义。

（五）生物固氮在农业中的用：
1. 补充土壤损失的氮元素（两种途径：a. 施用氮素化肥，农家肥补充 b. 生物固氮补充）
2. 提高豆科作物的产量根（瘤菌拌种种植增产10%~20%）
3. 豆科作物做绿肥明显提高土壤的氮素含量
4. 让非豆科农作物自行固氮不仅能提高产量，还有利于生态环境的保护（六）自生固氮菌的分离：
1. 原理：农田表层土壤制成的稀泥浆接种到无氮培养基中，只有自生固氮菌才能生长繁殖。

其他细菌因为没有生长繁殖所必须的氮素营养，所以无法生长。

从而将自生固氮菌分离开来。

2. 方法步骤：
（1）接种：
①将灭过菌的无氮培养基，在37摄氏度恒温箱中培养一两天，挑选没有生长任何微生物的使用
②取10克土壤混5mL无菌水用无菌玻璃棒搅匀
③无菌操作在挑选的培养基上接种
④标记内容
（2）培养：
在恒温箱中，28至30摄氏度条件下培养3到4天
（3）观察：
观察接种效果，泥浆周围若出现黏液，先为无色透明，以后为乳白色，最后变成褐色，表明含有自生固氮菌
（4）镜检：
①制作临时涂片：
载玻片用酒精消毒，滴入无菌水
无菌操作条件下挑粘液涂在载玻片水滴中，用结晶紫染液染色
另取载玻片做推片，推出均匀菌膜
②干燥：
涂片自然干燥（不用加热，以免破坏菌膜）
③观察
依次用低倍镜，高倍镜观察，自生固氮菌染成紫色
【模拟试题】
1. 根瘤菌的代谢类型是（）
A. 异养、需氧型
B. 自养、需氧型
C. 自养、厌氧型 C. 异养、厌氧型
2. 生物固氮的说法中正确的是（）
A. 固氮微生物将空气中的氮还原成氨
B. 豆科植物能进行生物固氮
C. 自生固氮微生物的能量最终来源是光能
D. 共生固氮微生物的能量最终来源是化学能
3. 关于根瘤菌的说法正确的是（）
A. 根瘤是根瘤菌的聚合体
B. 根瘤是根瘤菌刺激共生植物产生癌变的结果
C. 根瘤是根的内皮层薄壁细胞受到根瘤菌的分泌物刺激产生分裂，组织肥大形成
D. 根瘤菌在根瘤内是一种无氧环境
4. 下列生物中不可能具有固氮能力的微生物的是（）
A. 放线菌
B. 硝化细菌
C. 根瘤菌
D. 蓝藻
5. 下列各项中与生物固氮过程无关的是（）
A. 固氮酶
B. 硝酸根
C. 三磷酸腺苷
D. 质子氢
6. 有关圆褐固氮菌的说法正确的是（）
A. 能促进植物开花
B. 促进植物的生长和果实的发育
C. 促进果实的成熟
D. 促进植物对氮元素的吸收和利用
7. 生物固氮过程中，最终的电子受体是（）
A. N2和C2H2
B. NH3
C. 乙烯
D. NADP+
8. 豆科植物固氮能力最强的时期是（）
A. 成长时期
B. 幼苗时期
C. 开花时期
D. 开花后
9. 根瘤菌体内的固氮酶特性的叙述中错误的是（）
A. 高效性
B. 专一性
C. 底物多样性
D. 受环境的PH值影响
10. 关于自生固氮菌的说法不正确的是（）
A. 通常细菌外面具有一层荚膜
B. 一般情况是单生或对生生活
C. 大多是杆菌或短杆菌
D. 是自养需氧代谢类型
11. 分离自生固氮菌的培养基的配置中不能加入下列那种成分（）
A. 琼脂
B. K2HPO4
C. Mg（NO3）2
D. 葡萄糖
12. 圆褐固氮菌生长处形成的菌落状态是（）
A. 乳白色，粘稠状光滑不规则菌落
B. 乳白色，干燥态规则圆滑菌落
C. 土褐色，粘稠状光滑不规则菌落
D. 土褐色，干燥态规则圆滑菌落
13. 制作圆褐固氮菌的装片时方法是（）
A. 挑少许黏液，用结晶紫染色自接压片，晾干观察
B. 挑少许黏液，用结晶紫染色制作推片，晾干观察
C. 挑少许黏液，用结晶紫染色自接压片，烘干观察
D. 挑少许黏液，用结晶紫染色制作推片，烘干观察
14. 生物固氮过程中所利用的ATP来自于（）
A. 光用过程
B. 根的呼吸作用
C. 氨的氧化过程
D. 固氮菌的呼吸作用
15. 下列关于生物固氮的说法中正确的是（）
A. 固氮微生物将自然界中的含氮化合物还原成氨的过程
B. 固氮微生物将空气中的N2还原成氨的过程
C. 将空气中游离的氮转化成氮的化合物的过程
D. 生物将大气中的氮及其化合物转化为氨态氮的过程
16. 下列对豆科作物进行根瘤菌拌种的说法中正确的是（）
A. 将豆科作物种子沾上根瘤菌即可
B. 将豆科作物沾上一浓度的根瘤菌即可
C. 将豆科作物种子沾上相的根瘤菌即可
D. 将豆科作物种子沾上固氮微生物即可
17. 固氮菌的生物固氮过程Pi
ADP
NH
ATP
H
e
N+
+
−→
−
+
+
++
3
2
酶理解错误的是（）
A. 电子和氢离子由根瘤菌的有氧呼吸过程提供
B. 该过程是一个氧化还原反，其还原剂是N2
C. 固氮酶不仅起催化反作用，它还具有传递电子和H+功能
D. ATP在该反中是一个水解释能过程
18. 通过某些微生物的作用，把空气中游离的氮素固转变为含氮化合物，这一过程就是一种生物固氮作用。

为确固氮的最终产物，做了如下两个：（1）把固氮菌培养在含15N2的空气中，细胞迅速固氮素，短期内细菌的谷氨酸中出现大量的15N。

（2）如果把细菌培养在含有15NH3的培养基中，固氮能力立刻停止，但吸入氨态氮迅速转入谷氨酸中。

由此可以推断，该微生物固氮最终产物是（）
A. NH3
B. NO2
C. -
3
NO D. 谷氨酸
19. 下列哪些关于生物固氮的说法是正确的（）
（1）固氮生物都是原核生物（2）固氮菌都是共生的
（3）固氮菌都是厌氧型细菌（4）所有的固氮酶都对氧敏感
A.（1）（2）
B.（3）（4）
C.（1）（3）
D.（1）（4）
20. 豆科植物与根瘤菌的共生关系主要体现在（）
A. 根瘤菌为豆科植物提供氮肥，豆科植物为根瘤菌提供氧气
B. 根瘤菌为豆科植物提供氧气，豆科植物为根瘤菌提供氮肥
C. 根瘤菌为豆科植物提供氮肥，豆科植物为根瘤菌提供水和二氧化碳
D. 根瘤菌为豆科植物提供氮肥，豆科植物为根瘤菌提供有机物
21. 不能为植物提供氮源，但可以使含氮无机盐成为氮气返回到空气中的生物是（）
A. 根瘤菌
B. 圆褐固氮菌
C. 硝化细菌
D. 反硝化细菌
22. 栽种农作物时要“正其行，通其风”，有利于提高产量。

其原因是（）
A. 有利于充分利用光能
B. 有利于释放氧气
C. 有利于吸收较多的CO2
D. 有利于充分吸水
23. 硝化细菌通过化能合成作用形成有机物，需要下列哪种环境条件（）
A. 具有氮及缺氧
B. 具有氨和氧
C. 具有硝酸和氧
D. 具有硝酸及缺氧
24. 给含氨较多的土壤中耕松土，有利于提高土壤肥力，其原因是（）
A. 改善土壤通气，根呼吸作用
B. 增加土壤中的含量
C. 改善土壤通气，硝化细菌繁殖快，有利于土壤中硝酸盐增加
D. 改善土壤营养状况，使根瘤菌繁殖加快
25. C4植物体内的光用（）
A. 产生丙酮酸
B. 须在暗中进行
C. 需要ATP
D. 释放CO2
26. C4植物比C3植物更有效率，这是因为（）
A. 在最适条件下C4植物光用可用更少的光量子来固1mol CO2
B. C4植物光用比C3植物光用可在更低的CO2浓度下进行
C. C4植物光用需要更少种类的矿质元素
D. C4植物光用用水量更经济
27. 施用农家肥能提高光用效率的原因是农家肥（）
A. 含有较多氮，磷，钾
B. 被分解后产生较多CO2
C. 含有较多固氮微生物
D. 能使土壤疏松涵养水分
28. 蚕豆根瘤菌的入侵对象是（）
A. 大豆的根
B. 豇豆的根
C. 菜豆的根
D. 蚕豆的根
29. 圆褐固氮菌在固氮过程中需要（）
A. 固氮酶
B. 电子
C. 氢离子
D. ATP
30. 土壤中的氮素来自（）
A. 氮素化肥
B. 固氮微生物
C. 农家肥
D. 闪电打雷
31. 下图为生态系统中氮循环和碳循环及其相互关系图。

分析回答：
（1）图中①过程为__________________，过程②为_________________。

（2）反硝化细菌的生理过程在何种情况下发生？______________。

是由图中的哪个标号体现的？____。

如果地球上没有反硝化细菌这类生物，你预测会出现什么情况？__________________。

（3）如果土壤板结或长期水淹，陆生植物通过④过程获得的氮素能否满足其生理需要？________。

其原因是_________________。

（4）如果图示是一个大棚生态系统，遇到连续阴雨天气，你认为采取何种措施对植物的生长较为有利？____________。

采取这种措施的目的是
_______________。

（5）施氮肥过多可能对植物及环境造成的影响主要有哪些方面？
____________
体富营养化。

【试题答案】
1. A
2. A
3. C
4. B
5. B
6. B
7. A
8. C
9.
C 10. D
11. C 12. C 13. B 14. D 15. B 16. C 17. A 18. A 19.
D 20. D
21. D 22. C 23. B 24. C 25. AC 26. BD 27. ABD 28.
BCD
29. BCD 30. ABCD
31.
（1）光用；呼吸作用
（2）氧气不足；⑥；空气中氮气越来越少
（3）不能；土壤中缺氧，呼吸作用减弱，吸收的氮素减少，所以不能满
足植物生理活动的需要
（4）适当降温；降低呼吸消耗（或答：补充人工光照；增强植物的光用）
（5）①会使土壤浓度过高，从而造成植物的萎蔫甚至“烧苗”现象；
②植物吸收的氮素过多，会出现叶色深绿，生长过旺，营养生长周期，
生殖生长受影响，成熟期延迟，产量下降（尤其是利用其花和果实的植物，如
棉花，大豆大多数农作物）；容易造成环境污染：一经土壤微生物的转化，以
氮氧化物的形式进入大气，造成大气污染，另一随水土流失进入水体，造成水。