固氮菌ppt
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09 生物固氮
八、生物固氮在农业生产中的应用
• 土壤可通过两条途径获得氮素 8×107t 1)含氮肥料的施用 4×108t 2)生物固氮 • 提高豆科作物产量的有效措施 选择与该种豆科植物相适应的根瘤菌进行 拌种 新开垦的农田和未种植过豆科作物的土壤
(02年70)固氮酶中含有的金属元素为 D A. Co与Fe B. Pd与Fe C. Pt与 Fe D. Mo与 Fe (04年47)固氮菌中的固氮酶复合物可将大气 中的氮，转变成植物可利用形式的氮，固氮 酶复合物的产物是 A A.氨 B.亚硝酸盐 C.硝酸盐 D.氨基酸
氨的来源
二、氮素吸收的形式
植物所吸收的氮素主要是无机态氮，即铵态氮 和硝态氮，也可以吸收利用有机态氮，如尿素等。 • 什么是固氮： N2 • 固氮的方式： 工业固氮 高能固氮(闪电) 生物固氮 NH3
8×107t/a 4×108t/a
三、固氮微生物
•生物固氮：
固氮微生物将大气中的N2还原为NH3的过程。
N2 + 8e + 8H+ + C2H2+16ATP
固氮酶
2NH3 + C2H4+16ADP + 16Pi
打破3个共价键需 要大量的能量 从固氮酶发现的两种金属串: (a) P-串,2个Fe4S3串共用第 四个硫，并以二硫键与蛋白质 相连。 (b) FeMo辅因子，这一新的 Fe-S复合物含有1个Mo，7个Fe 和9个S，通过Mo和Fe与蛋白质瘤菌→豆科植物 放线菌→非豆科植物 蓝藻→水生蕨类等
自生固氮微生物
圆褐固氮菌(好氧) 梭菌(厌氧) 鱼腥藻等为代表的固氮蓝藻
共 微生 固 生 氮 物固 氮
根瘤菌 实例： 棒槌形、“T”形或“Y”形 形态：
固氮作用
根瘤
非豆科：弗兰克氏菌属等
地衣：鱼腥蓝细菌属等 满江红：满江红鱼腥 蓝细菌等
植 物
c.联合固氮菌
必须生活在植物根际、叶面或动物肠道等处才能进行固氮的生物
联 合 固 氮 菌
根际：生脂固氮螺菌 、芽孢杆菌属等 叶面：克雷伯氏菌属、固氮菌属等 动物肠道：肠杆菌属、克雷伯氏菌属等
微生物如何固氮呢？
ATP
二、生物固氮作用
微生物将氮还原为氨的过程称为生物固氮
microrganism
N2
NH3
哪些微生物能固氮？
最早发现的固氮微生物：
共生的根瘤菌属（1886年）和自生的固氮菌属 （1901年）
根瘤菌
圆褐固氮菌
具有固氮作用的微生物已多达200余属
在分类地位上主要隶属于固氮菌科、根瘤菌科、红螺菌目、蓝细菌以及芽孢杆菌属和 梭菌属等
a.自生固氮菌
一类不依赖于它种生物共生而能独立进行固氮的生物
好氧：固氮菌属、氧化亚铁硫杆菌属、蓝细菌等
自 生 固 氮 菌
兼性厌氧：克雷伯氏菌属、红螺菌属等
厌氧：巴氏梭菌、着色菌属、铜绿假单菌胞菌属等
b.共生固氮菌
必须与它种生物共生在一起才能进行固氮的生物 豆科植物：根瘤菌属等
共 生 固 氮 菌
缺乏产氧光合系统II, 脱氢酶、SOD活性高
（2）非异形胞蓝细菌固氮酶的保护
固氮作用和光合作用分隔 缺乏产氧光合系统II, 脱氢酶、SOD活性高
3.豆科植物根瘤菌固氮酶的保护机制
类菌体周膜
豆血红蛋白
思考题： 1. 如何从环境中分离固氮微生物
2. 固氮酶的应用
固氮酶的其他催化活性：
2H+ + 2eC2H2 + 2H+ + 2e-
植物的细菌共生关系与固氮
02 固氮作用及其机 制
固氮作用定义及意义
固氮作用定义
固氮作用是指将大气中的氮气转化为植物可利用的氮化合物 的过程。
固氮作用意义
氮气是植物生长所必需的养分之一，但植物无法直接吸收利 用大气中的氮气，因此固氮作用对于植物的生长和发育至关 重要。
生物固氮与非生物固氮比较
生物固氮
通过生物体（如某些细菌、蓝藻和植物）的代谢活动，将大气中的氮气转化为含 氮化合物的过程。生物固氮具有高效、环保等优点。
非生物固氮
在非生物条件下，如闪电、高温高压等极端条件下，氮气可以与氧气、氢气等发 生化学反应，生成含氮化合物。非生物固氮过程较为缓慢且难以控制。
细菌在固氮过程中作用机制
氮酶的合成与作用
固氮细菌体内含有一种特殊的酶——氮酶，它能够催化氮气与氢气或某些有机化合物发 生反应，生成含氮化合物。氮酶的合成需要一系列基因的调控和表达。
但都能为植物提供氮素养分，促进植物生长。
04 植物-细菌共生固 氮体系建立过程
识别与信号交换阶段
1 2 3
植物根系分泌物的识别
植物根系会分泌特定的有机化合物，这些化合物 能够被具有固氮能力的细菌所识别，从而启动共 生关系的建立。
细菌与植物根系接触
在识别植物根系分泌物后，具有固氮能力的细菌 会主动向植物根系靠近，并与植物根系表面进行 接触。
信号分子的交换
在细菌与植物根系接触后，双方会交换信号分子 ，这些信号分子能够进一步促进双方的共生关系 。
侵染线形成和根瘤发育阶段
侵染线的形成
在信号分子的作用下，细菌会诱导植物根系细胞形成侵染线，这是 细菌进入植物根系内部的通道。
根瘤原基的发育
随着侵染线的形成，植物根系细胞会开始分裂和增殖，形成根瘤原 基，这是未来根瘤发育的基础。
褐球固氮菌
分离纯化与鉴 定
分离 采样：取适量花园5-10cm深度 的土壤用无菌纸包好，带回实 验室。 土壤溶液：将取回的土壤 严格按照无菌操作，称量1g土 壤加入到10mL无菌水，震荡 5min，配成土壤溶液。 接种：用无菌涂布器蘸取土壤 悬浮液涂布到培养基，置于28 ℃温箱2-3d。在平板
褐球固氮菌
上会出现粘液状的菌落，选取粘度较大并为褐色的菌 落，在阿须贝培养基板上进行划线纯化直到出现单菌 落。 染色：用衬托染色法对褐球固氮菌的荚膜进行染色。 在载玻片一端滴一滴无菌生理盐水，取少许培养了72h 的褐球固氮菌在水中制成悬液，取一滴碳素墨水与菌 液混合，另取一载玻片，将其平整的边缘与菌悬液以 30°接触，推片使其成为均匀的薄层，风干，在薄层 上滴一滴纯甲醇固定1min,加番红染液（番红0.25g,体积 分数为95%的乙醇溶液10mL,蒸馏水80mL）数滴于涂片 上，冲去甲醇，染色1min，以细流水冲洗，晾干或吹 干，置于显微镜下观察。
褐球固氮菌
褐球固氮菌
制作人：月落
周口师范学院
褐bacter chroococcum） 为假单胞菌目、假单胞菌科、褐球固氮菌属。主要 用于细菌肥料。
使用器材及仪器
培养皿、500mL三角瓶、接种环、电子天平、涂布 器、高温蒸汽灭菌锅、超净工作台、摇床、盖玻片、 显微镜
应用
生物固氮 当做菌肥（多为联合固氮），提高农作物产量，改 善品质，提高抗逆性，降低对化学肥料的依赖性 测定固氮酶活性
特征 特性
采集 土样
配制 土壤 溶液
接种 纯化
鉴定 观察
应用
特征特性
细胞较大，球杆状或杆状，2.0～3.0×3.0～6.0微米， 常成对或八叠状排列；有荚膜，周生鞭毛，能运动， 革兰氏阴性。在无氮培养基上生长良好，菌苔粘稠、 糊状，幼培养菌苔透明转乳白色，老培养常呈褐色。
固氮菌
固氮菌的前景
• 现在人类生产氮肥使用的化学方法。不仅需要高温、高压 等非常苛刻的条件，而且还浪费大量原料，氮分子的有效 利用率很低。固氮菌每年从空气中约固定1．5亿吨氮肥， 是全世界生产氮肥总量的几倍。所以，科学家正在认真研 究固氮酶的构成。中国科学家在本世纪70年代仿制出与固 氮酶功能相似、能够固氮的分子。相信在不远的将来，人 类一定能学会并利用固氮菌“巧施氮肥”的本领。
•
本科细菌一般生活于土壤或水中，在各类耕作土壤中 数量较多，组成种类也不同。有些固氮菌生长在作物的根 际，有些生长在植物的叶面。
自身固氮菌 固 氮 菌 共生固氮菌
自生固氮菌（Azotobacteria） 以分子态氮为氮素营养，将其还 原为NH3，再合成氨基酸、蛋白 质。包括好氧性细菌，如固氮菌 属、固氮螺菌属以及少数自养菌； 兼性厌氧菌，如克雷伯氏菌属； 厌氧菌，如梭状芽孢杆菌属的一 些种。还有光合细菌如红螺菌属、 绿菌属以及蓝细菌（蓝藻），如 鱼腥藻属、念珠藻属等。
让我们一起看一下根瘤菌和固氮肥料
• ？？？？？？？？
根瘤菌
• 根瘤菌平常生活在土壤中，以动植物残体为养料，自由自 在地过着“腐生生活”。当土壤中有相应的豆科植物生长 时，根瘤菌便迅速向它的根部靠拢，并从根毛弯曲处进入 根部。豆科植物的根部细胞在根瘤菌的刺激下加速分裂、 膨大，形成了大大小小的“瘤子”，为根瘤菌提供了理想 的活动场所，同时还供应丰富的养料，让根瘤菌生长繁殖 。根瘤菌又会卖力地从空气中吸收氮气，为豆科植物制作 “氮餐”，使它们枝繁叶茂，欣欣向荣。这样，根瘤菌与 豆科植物结成了共生关系，因此人们也把根瘤叫共生固氮 菌。
促进植物生产
• 固氮菌影响根表面膜活性，促使根表 面形成代谢加强，从而促进根的吸收 能力。使作物 高产。
生物固氮
生物固氮研究的前景 • 固氮基因工程：
将固氮细菌体内的固氮基因转移到非豆科粮食作物的细 胞内，在固氮基因的调控下，让非豆科粮食作物的细胞内合 成出固氮酶并且固氮，这是解决非豆科粮食作物自行固氮的 一条重要途径，这一途径叫做固氮基因工程。
固氮酶的转基因过程：
如果小麦、水稻等非豆科植物也能自行固氮，将给人类带来 哪些方面的好处？ ①减少施用氮肥，降低粮食成本 ②减少氮肥生产，有利节省能源 ③避免过量施用氮肥造成水体富营养化
• D.含有机物培养基、含氮培养基
共生固氮微生物和自生固氮微生物的差别
共生固氮 微生物
自生固氮 微生物
常见 与豆科植 类型 物关系
根瘤菌 共生有 专一性
圆褐固 无 氮菌
代谢类 固氮
型
产物
异养需 氧型
氨
异养需 氨 氧型
对植物 固氮量 的作用 提供氮素 大
提供氮素 小 和生长素
总结：1、固氮微生物细胞类型： 原核单细胞
高考考点：
1、生物固氮 2、固氮微生物的种类
3、生物固氮的意义 4、生物固氮在农业生产中的应用
5、生物固氮研究的前景
知识回顾：
氮元素 ： 大，必，矿，再
含氮的主要化合物
蛋白质（包括酶、抗体、载体等）
核酸
ATP、NADPH
有些脂质（如卵磷脂、脑磷脂等）
多种激素（如胰岛素、生长激素等）
叶绿素
吲哚乙酸
糖有吗？ 所有的酶都有吗？
豌豆根瘤
大豆根瘤
思考
根瘤是根瘤菌集合体？
根瘤是根内薄壁细胞增殖膨大而成，而根瘤菌是导致根 内薄壁细胞增殖的因素
根瘤的作用 1.为该豆科植物提供氮素
2.破溃后可增加土壤肥力
根瘤菌进入土壤仍能存活，但失去固氮能力
将固氮细菌体内的固氮基因转移到非豆科粮食作物的细 胞内，在固氮基因的调控下，让非豆科粮食作物的细胞内合 成出固氮酶并且固氮，这是解决非豆科粮食作物自行固氮的 一条重要途径，这一途径叫做固氮基因工程。
固氮酶的转基因过程：
如果小麦、水稻等非豆科植物也能自行固氮，将给人类带来 哪些方面的好处？ ①减少施用氮肥，降低粮食成本 ②减少氮肥生产，有利节省能源 ③避免过量施用氮肥造成水体富营养化
• D.含有机物培养基、含氮培养基
共生固氮微生物和自生固氮微生物的差别
共生固氮 微生物
自生固氮 微生物
常见 与豆科植 类型 物关系
根瘤菌 共生有 专一性
圆褐固 无 氮菌
代谢类 固氮
型
产物
异养需 氧型
氨
异养需 氨 氧型
对植物 固氮量 的作用 提供氮素 大
提供氮素 小 和生长素
总结：1、固氮微生物细胞类型： 原核单细胞
高考考点：
1、生物固氮 2、固氮微生物的种类
3、生物固氮的意义 4、生物固氮在农业生产中的应用
5、生物固氮研究的前景
知识回顾：
氮元素 ： 大，必，矿，再
含氮的主要化合物
蛋白质（包括酶、抗体、载体等）
核酸
ATP、NADPH
有些脂质（如卵磷脂、脑磷脂等）
多种激素（如胰岛素、生长激素等）
叶绿素
吲哚乙酸
糖有吗？ 所有的酶都有吗？
豌豆根瘤
大豆根瘤
思考
根瘤是根瘤菌集合体？
根瘤是根内薄壁细胞增殖膨大而成，而根瘤菌是导致根 内薄壁细胞增殖的因素
根瘤的作用 1.为该豆科植物提供氮素
2.破溃后可增加土壤肥力
根瘤菌进入土壤仍能存活，但失去固氮能力
chapter 8-2 生物固氮
N2+6e+6H+=2NH3
在N2还原过程中还形成H2，因此，N2固定过程的反应 为：
N2+8 e+8H+→NH3+H2
8个高能电子来自Fdred（还原态铁氧还蛋白），Fdred的
电子来自PSI或呼吸电子传递链。
固氮作用的可能过程
一般认为固氮过程可分为三个步骤，每一步都有二个 电子被转移，而且二亚胺和肼可能是维持与酶结合的 反应中间物：
3.1 硝酸还原酶 硝酸还原酶的作用是把硝酸盐还原成亚硝酸 盐。 硝酸还原酶广泛存在于高等植物、藻类、细菌 和酵母中。在植物的绿色组织中该酶的活性 较大。
根据还原反应中电子供体的不同可分为两个类 型。
3.1.1 Fd-硝酸还原酶
此类硝酸还原酶以铁氧还蛋白作为电子供体。 还原过程可简单表示为：
NO3+2Fdred+2H+→NO2+Fdox+H2O
此酶存在于蓝绿藻、光合细菌和化能合成细菌 中。从组囊藻属(Anacystis)分离出的硝酸还原酶是 一种含钼的蛋白质，只有一条多肽链，相对分子质 量为75000，不含黄素蛋白和细胞色素。
3.1.2 NAD(P)H-硝酸还原酶
这类硝酸还原酶以NADH或NADPH为电子供体， 它存在于真菌、绿藻和高等植物中。 按其对电子供体的专一性要求又可区分为对 NADH专一的、对NAD(P)H专一的以及对NADH和 NAD(P)H都可利用的硝酸还原酶。 催化反应：
光照对亚硝酸还原有促进作用，可能与照光时 生成还原态的铁氧还蛋白有关。
当植物缺铁时，亚硝酸的还原即受阻，可能与 铁氧还蛋白及铁卟啉衍生物的合成减少有关。 亚硝酸还原时需要氧，因而在厌氧条件下， 亚硝酸的还原会受到阻碍。
高中生物生物固氮
BACK
设想：将固氮基因转移到非豆科作物 细胞内，使其自行固氮
意义：①减少施氮肥费用，降低粮食 生产成本； ②减少氮肥生产，有利于 节省能源； ③避免氮肥施用过量造成 水体富营养化,有利于环境的保护。
BACK
二、总结： 氮循环
通过捕食 生产者
各级消费者
空 气 大气闪电固氮 中 人工合成固氮 的 氮 生物固氮 气
实例：圆褐固氮菌 形态：杆菌或短杆菌 结构：原核单细胞 作用： ①固氮； ②分泌生长素，促进植株生 长和果实发育。
BACK
大豆根瘤
豌豆根瘤
实例：根瘤菌
N2+e+H++ATP 固氮酶 NH3+ADP+Pi
ATP ADP+Pi
e-+H+ 固氮酶
N2
乙炔
乙烯
NH3
生物固氮原理示意图
BACK
大气中的N2
反硝化作用
交换吸附 主动运输
土壤中 （NH4+,
NO3-)
微生物 的分解
作用
消化作用
同 化
吸收作用 作
合成作用 用
生物体组成
脱氨基作用
含氮废物
通过泌尿 系统排出
含氮部分 BACK
③
①
②
⑨ ④
⑤ 尿素及动
NO3-⑧
NO3-
植物遗体 ⑦
⑥
NH3
土壤中的微生物
氮素化肥 BACK
硝化细胞的化能合成作用
2NH3+3O2硝==化=细=菌=2HNO2+2H2O+能量 HNO2+O2硝=化==细=菌=2HNO3+能量 6CO2+6H2O=硝=化=细==菌C6H12O6+6O2
设想：将固氮基因转移到非豆科作物 细胞内，使其自行固氮
意义：①减少施氮肥费用，降低粮食 生产成本； ②减少氮肥生产，有利于 节省能源； ③避免氮肥施用过量造成 水体富营养化,有利于环境的保护。
BACK
二、总结： 氮循环
通过捕食 生产者
各级消费者
空 气 大气闪电固氮 中 人工合成固氮 的 氮 生物固氮 气
实例：圆褐固氮菌 形态：杆菌或短杆菌 结构：原核单细胞 作用： ①固氮； ②分泌生长素，促进植株生 长和果实发育。
BACK
大豆根瘤
豌豆根瘤
实例：根瘤菌
N2+e+H++ATP 固氮酶 NH3+ADP+Pi
ATP ADP+Pi
e-+H+ 固氮酶
N2
乙炔
乙烯
NH3
生物固氮原理示意图
BACK
大气中的N2
反硝化作用
交换吸附 主动运输
土壤中 （NH4+,
NO3-)
微生物 的分解
作用
消化作用
同 化
吸收作用 作
合成作用 用
生物体组成
脱氨基作用
含氮废物
通过泌尿 系统排出
含氮部分 BACK
③
①
②
⑨ ④
⑤ 尿素及动
NO3-⑧
NO3-
植物遗体 ⑦
⑥
NH3
土壤中的微生物
氮素化肥 BACK
硝化细胞的化能合成作用
2NH3+3O2硝==化=细=菌=2HNO2+2H2O+能量 HNO2+O2硝=化==细=菌=2HNO3+能量 6CO2+6H2O=硝=化=细==菌C6H12O6+6O2
生物固氮(名词)
1.在非豆科植物与根瘤菌之间形成共生关系的探讨
德国植物学家拜尔（1888）首次在半寄生性草本植物草山萝和大猪鼻花（属于非豆科植物）的根部发现了根 瘤，但这一奇特的现象并没有引起人们的**。特里尼克（Trinick)（1973）首次证实，豇豆属植物根系中所存在 的根瘤菌能与榆科植物共生结瘤固氮。帕甘（Pagan）等（1975）在试验中发现，在没有宿主植物细胞的情况下， 豇豆根瘤菌能在人工培养基上独立生活和自行固氮，否定了长期以来一直认为根瘤脱离宿主植物就不能固氮的传 统观念。如今已经知道，在残留的根部形成根瘤的非豆科植物的数量并不少，仅在俄罗斯的西伯利亚就有75个物 种，分属于21个科，其中在进化史中最为年青的菊科植物中，其根系形成根瘤是一种最常见的现象。在新几内亚， 在榆科的狗儿屎属植物Parasporiarogosa通常生长在茶叶树的行间，在其根部很容易发现与热带豆科植物相类似 的结瘤现象。
自生固氮微生物的特点是在土壤中能够独立进行固氮的微生物，如圆褐固氮菌。它呈杆状或球状，它具有较 强的固氮能力，并且能够分泌生长素，促进植物的生长和果实的发育。其代谢类型为异养需氧型，其固氮量较 小。
固氮形式
联合固氮 微生物
固氮菌 根瘤菌
联合固氮
有些固氮微生物如固氮螺菌、雀稗固氮菌等。能够生活在玉米、雀稗、水稻和甘蔗等植物根内的皮层细胞之 间。这些固氮微生物和共生的植物之间具有一定的专一性，但是不形成根瘤那样的特殊结构。这些微生物还能够 自行固氮，它们的固氮特点介于自生固氮和共生固氮之间，这种固氮形式叫做联合固氮。
根瘤菌
根瘤菌根瘤菌(root nodule bacteria）是与豆科植物共生，形成根瘤并固定空气中的氮气供植物营养的 一类杆状细菌。这种共生体系具有很强的固氮能力。已知全世界豆科植物近两万种。根瘤菌是通过豆科植物根毛、 侧根杈口（如花生）或其他部位侵入，形成侵入线，进到根的皮层，刺激宿主皮层细胞分裂，形成根瘤，根瘤菌 从侵入线进到根瘤细胞，继续繁殖，根瘤中含有根瘤菌的细胞群构成含菌组织。
德国植物学家拜尔（1888）首次在半寄生性草本植物草山萝和大猪鼻花（属于非豆科植物）的根部发现了根 瘤，但这一奇特的现象并没有引起人们的**。特里尼克（Trinick)（1973）首次证实，豇豆属植物根系中所存在 的根瘤菌能与榆科植物共生结瘤固氮。帕甘（Pagan）等（1975）在试验中发现，在没有宿主植物细胞的情况下， 豇豆根瘤菌能在人工培养基上独立生活和自行固氮，否定了长期以来一直认为根瘤脱离宿主植物就不能固氮的传 统观念。如今已经知道，在残留的根部形成根瘤的非豆科植物的数量并不少，仅在俄罗斯的西伯利亚就有75个物 种，分属于21个科，其中在进化史中最为年青的菊科植物中，其根系形成根瘤是一种最常见的现象。在新几内亚， 在榆科的狗儿屎属植物Parasporiarogosa通常生长在茶叶树的行间，在其根部很容易发现与热带豆科植物相类似 的结瘤现象。
自生固氮微生物的特点是在土壤中能够独立进行固氮的微生物，如圆褐固氮菌。它呈杆状或球状，它具有较 强的固氮能力，并且能够分泌生长素，促进植物的生长和果实的发育。其代谢类型为异养需氧型，其固氮量较 小。
固氮形式
联合固氮 微生物
固氮菌 根瘤菌
联合固氮
有些固氮微生物如固氮螺菌、雀稗固氮菌等。能够生活在玉米、雀稗、水稻和甘蔗等植物根内的皮层细胞之 间。这些固氮微生物和共生的植物之间具有一定的专一性，但是不形成根瘤那样的特殊结构。这些微生物还能够 自行固氮，它们的固氮特点介于自生固氮和共生固氮之间，这种固氮形式叫做联合固氮。
根瘤菌
根瘤菌根瘤菌(root nodule bacteria）是与豆科植物共生，形成根瘤并固定空气中的氮气供植物营养的 一类杆状细菌。这种共生体系具有很强的固氮能力。已知全世界豆科植物近两万种。根瘤菌是通过豆科植物根毛、 侧根杈口（如花生）或其他部位侵入，形成侵入线，进到根的皮层，刺激宿主皮层细胞分裂，形成根瘤，根瘤菌 从侵入线进到根瘤细胞，继续繁殖，根瘤中含有根瘤菌的细胞群构成含菌组织。
生物固氮
• 土壤可通过哪两条途径获得氮素？
1）含氮肥料的施用 8×107t
2）生物固氮
4×108t
• 提高豆科作物产量的有效措施是什么？
选择与该种豆科植物相适应的根瘤菌进行 拌种 新开垦的农田和未种植过豆科作物的土壤
PPT课件
19
（五）生物固氮在农业生 产中的应用
• 豆科植物在农业生产上有何应用？ 制作绿肥---直接耕埋或堆沤 饲养家畜，再将家畜的粪便还田
PPT课件
13
练习
2）圆褐固氮菌除了具有固氮能力外，还能
A、促进植物生根
（ D）
B、促进植物开花
C、促进植物形成种子
D、促进植物的生长和果实发育
PPT课件
14
练习
3）在生物固氮过程中，最终电子受体是（ A ）
A、N2和乙炔 B、NH3 C、乙烯 D、NADP＋PPT来自件15（三）氮循环
生物 固氮
根瘤菌→豆科植物 共生固氮微生物 放线菌→非豆科植物
蓝藻→水生蕨类等
自生固氮微生物
圆褐固氮菌（好氧） 梭菌（厌氧） 鱼PPT腥课件藻等为代表的固氮蓝藻3
一 共生固氮微生物
• 概念： 指与一些绿色植物互利共生的固氮微生物。
• 举例： 根瘤菌
根瘤菌固定的
氮素占自然界
生物固氮总量
的绝大部分
PPT课件
4
一 共生固氮微生物
• 固氮酶的特点：
1）固氮酶由两种蛋白质构成， 分别是铁蛋白和铁钼蛋白，只有两种蛋
白质同时存在，固氮酶才具有固氮作用。
2）固氮酶具有底物多样性的特点， 即N2→NH3，乙炔→乙烯
固氮酶催化乙炔还原乙烯的化学反应，
常被科学家用来测定固氮酶的活性。
固氮菌的防氧保护机制
15
根瘤菌之豆血红蛋白保护
在根瘤内根瘤菌以只生长不分裂的类菌体形式存在，许多 类菌体被一层周膜包被，在这层周膜的内外存在着一种独 特的豆血红蛋白（它是由豆科植物基因与根瘤菌基因共同 控制合成），豆血红蛋白对氧气具有极高的亲和力，可使 近血红蛋白处的氧浓度比周围环境降低8万倍，可与氧气 结合形成氧合豆血红蛋白。由于根瘤中豆血红蛋白浓度高， 所以结合态氧浓度大大高于自由态氧浓度，从而避免固氮 酶被自由氧损伤。 而这种较低自由氧环境丝毫不影响类菌体的呼吸作用，类 菌体的有氧呼吸末端氧化酶对氧气亲和力高，可在低氧环 境下照常进行有氧呼吸。
5
好氧性自生菌之呼吸保护
1.大多数耗氧固氮菌单纯通过呼吸链来提高呼吸耗 氧速度
属于固氮菌科(Azotobacterlaceae)的固氮菌都具有特
别高的呼吸强度。例如，把生长在低氧分压（混 合气中氧气部分的压力）下的固氮菌突然转移到 高氧分压下培养时，其呼吸强度和NADPH2脱氢 酶活性同时增高，细胞色素a2的含量增加，而氧 化磷酸化的效率却明显降低。
10
二者结合的“双保险”式调节机制
加强呼吸作用与改变构象两者相互协调，组成一个 “双保险”式调节机制。在一般情况下，可通过加强 呼吸来去除多余的氧，同时产生足够的能量供固氮作 用消耗，若还不足以去除过量的氧时，则可进一步改 变固氮酶构象，以保护固氮酶免遭氧的破坏，从而渡 过不良环境。 加强呼吸和改变构象两者相互配合，使好氧自生固氮 菌的有氧呼吸和厌氧固氮两种作用相得益彰、和睦相 处。
11
固氮蓝藻的异形胞抗氧机制
已知的固氮蓝细菌除少数种类外, 都是丝状体。它们在无化 合态氮的条件下进行光合自养生长时,丝状体中的营养细胞 分化成异形胞进行固氮。异形胞较营养细胞大，胞外有一 层由糖脂组成的较厚的膜，该膜具有阻止氧气扩散入细胞 内的物理屏障作用。
根瘤菌之豆血红蛋白保护
在根瘤内根瘤菌以只生长不分裂的类菌体形式存在，许多 类菌体被一层周膜包被，在这层周膜的内外存在着一种独 特的豆血红蛋白（它是由豆科植物基因与根瘤菌基因共同 控制合成），豆血红蛋白对氧气具有极高的亲和力，可使 近血红蛋白处的氧浓度比周围环境降低8万倍，可与氧气 结合形成氧合豆血红蛋白。由于根瘤中豆血红蛋白浓度高， 所以结合态氧浓度大大高于自由态氧浓度，从而避免固氮 酶被自由氧损伤。 而这种较低自由氧环境丝毫不影响类菌体的呼吸作用，类 菌体的有氧呼吸末端氧化酶对氧气亲和力高，可在低氧环 境下照常进行有氧呼吸。
5
好氧性自生菌之呼吸保护
1.大多数耗氧固氮菌单纯通过呼吸链来提高呼吸耗 氧速度
属于固氮菌科(Azotobacterlaceae)的固氮菌都具有特
别高的呼吸强度。例如，把生长在低氧分压（混 合气中氧气部分的压力）下的固氮菌突然转移到 高氧分压下培养时，其呼吸强度和NADPH2脱氢 酶活性同时增高，细胞色素a2的含量增加，而氧 化磷酸化的效率却明显降低。
10
二者结合的“双保险”式调节机制
加强呼吸作用与改变构象两者相互协调，组成一个 “双保险”式调节机制。在一般情况下，可通过加强 呼吸来去除多余的氧，同时产生足够的能量供固氮作 用消耗，若还不足以去除过量的氧时，则可进一步改 变固氮酶构象，以保护固氮酶免遭氧的破坏，从而渡 过不良环境。 加强呼吸和改变构象两者相互配合，使好氧自生固氮 菌的有氧呼吸和厌氧固氮两种作用相得益彰、和睦相 处。
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固氮蓝藻的异形胞抗氧机制
已知的固氮蓝细菌除少数种类外, 都是丝状体。它们在无化 合态氮的条件下进行光合自养生长时,丝状体中的营养细胞 分化成异形胞进行固氮。异形胞较营养细胞大，胞外有一 层由糖脂组成的较厚的膜，该膜具有阻止氧气扩散入细胞 内的物理屏障作用。
生物固氮.ppt
BACK
设想：将固氮基因转移到非豆科 作物细胞内，使其自行固氮。
意义：①减少施氮肥费用，降 低粮食生产成本； ②减少氮肥 生产，有利于节省能源； ③避 免氮肥施用过量造成水体富营 养化,有利于环境的保护。
BACK
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
固氮微生物的种类
生物固氮原理
氮循环
生物固氮的作用
农业生产
生物固氮研究的前景
固
共 生
氮 微
固 氮 微
生
生 物
物自
的
生 固
种 类
氮 微 生
物
实例：根瘤菌 形态：棒槌形、“T”形或“Y” 形结构：原核单细胞
生理：①需氧异养；②互利共生（具种属特异 性）；③侵入豆科作物根部后不断繁殖可刺激 根薄壁细胞分裂、组织膨大成根瘤。
实例：圆核固氮菌 形态：杆菌或短杆菌
结构：原核单细胞 作用： ①固氮； ②分泌生长素，促进植株生 长和果实发育。
BACK
ATP ADP+Pi
e-+H+ 固氮酶
N2
乙炔
乙烯
NH3
生物固氮原理示意图
BACK
大气中的N2
尿素及动
NO3-
NO3-
植物遗体
NH3 土壤中的微生物
氮素化肥 BACK
1、弥补土壤中氮素损失 2、进行根瘤菌拌种，提 高豆科作物产量 3、用豆科植物做绿肥
设想：将固氮基因转移到非豆科 作物细胞内，使其自行固氮。
意义：①减少施氮肥费用，降 低粮食生产成本； ②减少氮肥 生产，有利于节省能源； ③避 免氮肥施用过量造成水体富营 养化,有利于环境的保护。
BACK
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
固氮微生物的种类
生物固氮原理
氮循环
生物固氮的作用
农业生产
生物固氮研究的前景
固
共 生
氮 微
固 氮 微
生
生 物
物自
的
生 固
种 类
氮 微 生
物
实例：根瘤菌 形态：棒槌形、“T”形或“Y” 形结构：原核单细胞
生理：①需氧异养；②互利共生（具种属特异 性）；③侵入豆科作物根部后不断繁殖可刺激 根薄壁细胞分裂、组织膨大成根瘤。
实例：圆核固氮菌 形态：杆菌或短杆菌
结构：原核单细胞 作用： ①固氮； ②分泌生长素，促进植株生 长和果实发育。
BACK
ATP ADP+Pi
e-+H+ 固氮酶
N2
乙炔
乙烯
NH3
生物固氮原理示意图
BACK
大气中的N2
尿素及动
NO3-
NO3-
植物遗体
NH3 土壤中的微生物
氮素化肥 BACK
1、弥补土壤中氮素损失 2、进行根瘤菌拌种，提 高豆科作物产量 3、用豆科植物做绿肥
固氮菌ppt
联合固氮菌的生活史
趋化性——很多联合固氮菌有极性鞭毛和周 生鞭毛，通过细菌鞭毛的旋转运动对根分泌 的有机酸、糖、氨基酸形成的梯度和低氧浓 度表现出趋化和化学激活现象。根际的细菌 向植物根际靠近。
结合——植物根表或根冠外覆盖着一层由多 糖类组成的粘质，联合固氮菌大多聚集在根 毛粘质部分。植物凝集素可能参与识别与结 合过程，而联合固氮菌产生的孢外多糖能与 凝集素结合，细菌表面存在凝集素专一识别 的糖结构。
பைடு நூலகம்
联合固氮菌：在固氮的细菌中有一类属于自由生活的类群，它们定殖 于植物根表（有的能侵入根表皮和外皮层的细胞间隙）和近根土壤中， 靠根系分泌物生存，繁延，与植物根系有密切的关系。但宿主植物并 不形成特异分化的结构。植物与细菌之间的这种共生关系称联合共生 固氮。这类固氮菌称联合固氮菌。
2021/6/7
6
固氧状氮态，菌保护是固氮好酶不氧受损菌伤。，固
氮需在严格的厌氧环 No.2 构象保护，即当固氮酶周围环境中 境中，这咋整 有过量氧时固氮酶能够与Mg2+和一种氧化
形式的2Fe-2S蛋白形成复合物而对氧不在 敏感，但此种状态的固氮酶无活性，当氧 被排除后则还原态的2Fe-2S蛋白从复合物 中解离而使固氮酶重新恢复活性。
➢ 固氮酶两组分都对氧极敏感，并 随浓度的提高而更加敏感。在空 气中铁蛋白的半衰期为30~45秒， 钼铁蛋白的半衰期为10分钟。
固氮过程反应式：N2 + 6H+ + nMg-ATP
2021/6/7 +6e-→2NH3+nMg-ADP+nPi
4
No.1 以较强的呼吸作用迅速将固氮酶周 围环境中的氧消耗掉，使细胞周围处于低
2021/6/7
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固氮菌的固氮机理
➢ 固氮菌的本领在于它有一把“神 刀”——固氮酶，可以轻易地切断 束缚氮分子的化学键，分子氮还 原成氨，供植物利用。固氮酶是 由两种蛋白质组成的：一种含有 铁，叫做铁蛋白，另一种含铁和 钼Mo2+，称为钼铁蛋白。只有钼 铁蛋白和铁蛋白同时存在才具有 固氮的作用，其主要作用是电子 载体。
1950年，H.G.德克斯提出建立拜耶林克氏菌属，其主要特征是细 胞两端有折光性颗粒（类脂质）。
1960年，H.L.延森等提出建立德克斯氏菌属，包括生长在热带酸 性土壤中的种类。
2002年，俄罗斯莫斯科大学生化物理研究所的科研人员别尔佐娃 由获得了的欧洲科学院青年科学家奖，她成功地解释了固氮菌固 氮的机理。
趋化性——很多联合固氮菌有极性鞭毛和周 生鞭毛，通过细菌鞭毛的旋转运动对根分泌 的有机酸、糖、氨基酸形成的梯度和低氧浓 度表现出趋化和化学激活现象。根际的细菌 向植物根际靠近。
结合——植物根表或根冠外覆盖着一层由多 糖类组成的粘质，联合固氮菌大多聚集在根 毛粘质部分。植物凝集素可能参与识别与结 合过程，而联合固氮菌产生的孢外多糖能与 凝集素结合，细菌表面存在凝集素专一识别 的糖结构。
C≡C键化合物的还原，如将乙炔还原为甲烷等。用乙炔还原法测定固氮酶 活性，就是根据固氮酶作用底物的多样性。固氮酶还原C2H2形成C2H4，能 够用气相层析仪快速测定，简便而灵敏。这一固氮酶活性的间接测定法已 被广泛应用。
-
固氮菌的应用及发展前景
✓ 开发固氮工程菌，液体发酵的方法生产生 物氮肥；
✓ 使固氮菌与小麦、水稻等作物形成共生关 系；
-
联合固氮菌的特性
1.联合固氮菌利用根系分泌物作为能源固氮，大部分固定的氮为自身利用不分 泌或分泌很少量的氮到体外。 2.联合固氮菌产生植物激素影响了宿主根的呼吸速率和代谢，也刺激了根毛和 次生根的形成，使根毛和次生根数量增加。 3.联合固氮菌在植物根定殖使宿主根的质子流增加从而刺激了宿主植物对矿物 质的吸收。 4.增强了根的抗病菌能力。内生固氮菌定殖在植物体内占据了植物上的生态位 点，使病原菌由于生存空间的限制而难以入侵和定殖，还可以与病原菌形成营 养竞争关系，使病原菌得不到营养而死亡。另一方面有些联合固氮菌能够分泌 氧污酸类或邻苯二酚等高铁载体，可以抑制土壤病院微生物的生长与繁殖。
-
固氮菌的种类
共生固氮菌：在与植物（一般为豆科植物） 共生的情况下才能固氮或才能有效地固氮， 固氮产物氨可直接为共生体提供氮源。固 氮菌中名声最大的根瘤菌就属于这一类。
自生固氮菌：一些固氮菌，如圆褐固氮菌， 不住在植物体内，能自己从空气中吸收氮 气，繁殖后代，死后将遗体“捐赠”给植 物，让植物得到大量氮肥。这类固氮菌叫 自生固氮菌。
固氧状氮态，菌保护是固氮好酶不氧受损菌伤。，固 氮需在严格的厌氧环 No.2 构象保护，即当固氮酶周围环境中 境中，这咋整 有过量氧时固氮酶能够与Mg2+和一种氧化
形式的2Fe-2S蛋白形成复合物而对氧不在 敏感，但此种状态的固氮酶无活性，当氧 被排除后则还原态的2Fe-2S蛋白从复合物 中解离而使固氮酶重新恢复活性。
水体富营养化
+=
土壤盐碱化
-
走近科学
张总®带你认识固氮菌
-
固氮菌
Azotobacter sp.
细菌的一科。菌体杆 状、卵圆形或球形， 无内生芽孢，革兰氏 染色阴性。严格好氧 性，有机营养型，能 固定空气中的氮素。 包括固氮菌属、氮单 孢菌属、拜耶林克氏 菌属和德克斯氏菌属。-
固氮菌的发现及研究进展
-Байду номын сангаас
联合固氮菌活性测定方法
固氮活性的测定是鉴别固氮生物固氮量或固氮效能大小的指标。 I. 最经典的测定技术是凯氏定氮法 II. 采用15N示踪法测定固氮量比凯式定氮法的灵敏度提高1000倍 III. 乙炔还原法测定固氮酶活性其灵敏度比15N还要1000倍 固氮酶除能将分子氮还原为氨外，还能催化一些具有N—N、N=O、C≡N以及
1901年，M.W.拜耶林克首先发现并描述了固氮菌，他定名的有2 个种：一是褐色固氮菌,常生存于中性或 碱性土壤中；一是活泼 固氮菌，常生存于水中。后来，各国学者相继分离出许多不同的 菌株。
1938年，C.H.维诺格拉茨基将生产孢囊的菌株（以褐色固氮菌为 代表）归属于固氮菌属，将不产生孢囊的菌株（以活泼固氮菌为 代表）归属于氮单孢菌属。
入侵——有的联合固氮菌如Azospirillum通过次生根伸出的裂隙、伤口或已退 化的根毛进入植物组织内，定殖于表皮和皮层细胞的细胞间隙，有的甚至进 入中柱，定殖于维管束细胞。固氮细菌定殖于根组织内对联合固氮的双方都 是有益的，它降低了对底物的竞争。因为只有极少数菌能侵入根内，这导致 在根内定殖的是一些较高特异性的细菌群落，并且促进了根和菌之间的物质 转化。
✓ 将固氮基因导入植株，使其在植物体内表 达。
-
➢ 固氮酶两组分都对氧极敏感，并 随浓度的提高而更加敏感。在空 气中铁蛋白的半衰期为30~45秒， 钼铁蛋白的半衰期为10分钟。
固氮过程反应式：N2 + 6H+ + nMg-ATP +6e-→2NH3+nMg-A- DP+nPi
No.1 以较强的呼吸作用迅速将固氮酶周 围环境中的氧消耗掉，使细胞周围处于低
联合固氮菌：在固氮的细菌中有一类属于自由生活的类群，它们定殖 于植物根表（有的能侵入根表皮和外皮层的细胞间隙）和近根土壤中， 靠根系分泌物生存，繁延，与植物根系有密切的关系。但宿主植物并 不形成特异分化的结构。植物与细菌之间的这种共生关系称联合共生 固氮。这类固氮菌称联合固氮菌。
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联合固氮菌的生活史
固氮菌的固氮机理
➢ 固氮菌的本领在于它有一把“神 刀”——固氮酶，可以轻易地切断 束缚氮分子的化学键，分子氮还 原成氨，供植物利用。固氮酶是 由两种蛋白质组成的：一种含有 铁，叫做铁蛋白，另一种含铁和 钼Mo2+，称为钼铁蛋白。只有钼 铁蛋白和铁蛋白同时存在才具有 固氮的作用，其主要作用是电子 载体。
1950年，H.G.德克斯提出建立拜耶林克氏菌属，其主要特征是细 胞两端有折光性颗粒（类脂质）。
1960年，H.L.延森等提出建立德克斯氏菌属，包括生长在热带酸 性土壤中的种类。
2002年，俄罗斯莫斯科大学生化物理研究所的科研人员别尔佐娃 由获得了的欧洲科学院青年科学家奖，她成功地解释了固氮菌固 氮的机理。
趋化性——很多联合固氮菌有极性鞭毛和周 生鞭毛，通过细菌鞭毛的旋转运动对根分泌 的有机酸、糖、氨基酸形成的梯度和低氧浓 度表现出趋化和化学激活现象。根际的细菌 向植物根际靠近。
结合——植物根表或根冠外覆盖着一层由多 糖类组成的粘质，联合固氮菌大多聚集在根 毛粘质部分。植物凝集素可能参与识别与结 合过程，而联合固氮菌产生的孢外多糖能与 凝集素结合，细菌表面存在凝集素专一识别 的糖结构。
C≡C键化合物的还原，如将乙炔还原为甲烷等。用乙炔还原法测定固氮酶 活性，就是根据固氮酶作用底物的多样性。固氮酶还原C2H2形成C2H4，能 够用气相层析仪快速测定，简便而灵敏。这一固氮酶活性的间接测定法已 被广泛应用。
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固氮菌的应用及发展前景
✓ 开发固氮工程菌，液体发酵的方法生产生 物氮肥；
✓ 使固氮菌与小麦、水稻等作物形成共生关 系；
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联合固氮菌的特性
1.联合固氮菌利用根系分泌物作为能源固氮，大部分固定的氮为自身利用不分 泌或分泌很少量的氮到体外。 2.联合固氮菌产生植物激素影响了宿主根的呼吸速率和代谢，也刺激了根毛和 次生根的形成，使根毛和次生根数量增加。 3.联合固氮菌在植物根定殖使宿主根的质子流增加从而刺激了宿主植物对矿物 质的吸收。 4.增强了根的抗病菌能力。内生固氮菌定殖在植物体内占据了植物上的生态位 点，使病原菌由于生存空间的限制而难以入侵和定殖，还可以与病原菌形成营 养竞争关系，使病原菌得不到营养而死亡。另一方面有些联合固氮菌能够分泌 氧污酸类或邻苯二酚等高铁载体，可以抑制土壤病院微生物的生长与繁殖。
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固氮菌的种类
共生固氮菌：在与植物（一般为豆科植物） 共生的情况下才能固氮或才能有效地固氮， 固氮产物氨可直接为共生体提供氮源。固 氮菌中名声最大的根瘤菌就属于这一类。
自生固氮菌：一些固氮菌，如圆褐固氮菌， 不住在植物体内，能自己从空气中吸收氮 气，繁殖后代，死后将遗体“捐赠”给植 物，让植物得到大量氮肥。这类固氮菌叫 自生固氮菌。
固氧状氮态，菌保护是固氮好酶不氧受损菌伤。，固 氮需在严格的厌氧环 No.2 构象保护，即当固氮酶周围环境中 境中，这咋整 有过量氧时固氮酶能够与Mg2+和一种氧化
形式的2Fe-2S蛋白形成复合物而对氧不在 敏感，但此种状态的固氮酶无活性，当氧 被排除后则还原态的2Fe-2S蛋白从复合物 中解离而使固氮酶重新恢复活性。
水体富营养化
+=
土壤盐碱化
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走近科学
张总®带你认识固氮菌
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固氮菌
Azotobacter sp.
细菌的一科。菌体杆 状、卵圆形或球形， 无内生芽孢，革兰氏 染色阴性。严格好氧 性，有机营养型，能 固定空气中的氮素。 包括固氮菌属、氮单 孢菌属、拜耶林克氏 菌属和德克斯氏菌属。-
固氮菌的发现及研究进展
-Байду номын сангаас
联合固氮菌活性测定方法
固氮活性的测定是鉴别固氮生物固氮量或固氮效能大小的指标。 I. 最经典的测定技术是凯氏定氮法 II. 采用15N示踪法测定固氮量比凯式定氮法的灵敏度提高1000倍 III. 乙炔还原法测定固氮酶活性其灵敏度比15N还要1000倍 固氮酶除能将分子氮还原为氨外，还能催化一些具有N—N、N=O、C≡N以及
1901年，M.W.拜耶林克首先发现并描述了固氮菌，他定名的有2 个种：一是褐色固氮菌,常生存于中性或 碱性土壤中；一是活泼 固氮菌，常生存于水中。后来，各国学者相继分离出许多不同的 菌株。
1938年，C.H.维诺格拉茨基将生产孢囊的菌株（以褐色固氮菌为 代表）归属于固氮菌属，将不产生孢囊的菌株（以活泼固氮菌为 代表）归属于氮单孢菌属。
入侵——有的联合固氮菌如Azospirillum通过次生根伸出的裂隙、伤口或已退 化的根毛进入植物组织内，定殖于表皮和皮层细胞的细胞间隙，有的甚至进 入中柱，定殖于维管束细胞。固氮细菌定殖于根组织内对联合固氮的双方都 是有益的，它降低了对底物的竞争。因为只有极少数菌能侵入根内，这导致 在根内定殖的是一些较高特异性的细菌群落，并且促进了根和菌之间的物质 转化。
✓ 将固氮基因导入植株，使其在植物体内表 达。
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➢ 固氮酶两组分都对氧极敏感，并 随浓度的提高而更加敏感。在空 气中铁蛋白的半衰期为30~45秒， 钼铁蛋白的半衰期为10分钟。
固氮过程反应式：N2 + 6H+ + nMg-ATP +6e-→2NH3+nMg-A- DP+nPi
No.1 以较强的呼吸作用迅速将固氮酶周 围环境中的氧消耗掉，使细胞周围处于低
联合固氮菌：在固氮的细菌中有一类属于自由生活的类群，它们定殖 于植物根表（有的能侵入根表皮和外皮层的细胞间隙）和近根土壤中， 靠根系分泌物生存，繁延，与植物根系有密切的关系。但宿主植物并 不形成特异分化的结构。植物与细菌之间的这种共生关系称联合共生 固氮。这类固氮菌称联合固氮菌。
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联合固氮菌的生活史