生物固氮及其发展前景

生物固氮及其发展前景

摘要：本论文主要介绍生物固氮概念、固氮微生物及其种类和生物固氮发展前景。

关键词：生物固氮固氮微生物固氮生化机制生物固氮展望

引言：生物固氮是一个具有重大理论意义和实用价值的生化过程。生物固氮反应是一种及其温和及零污染排放的生化反应，它比人类发明的化学固氮有这无比的优越性，因后者需要消耗大量的石油原料和特殊的催化剂，并须要在高温（~300℃）、高压（~300个大气压）下进行。此外，若不合理地使用氮肥，还会降低农产品的质量，破坏土壤结构和降低肥力，以及造成坏境污染（如湖泊的水华和海洋的赤潮）等恶果。我国在近半个世纪当中，化肥产量猛增近6000倍，其有害影响已不断出现。因此，我们应深刻认识到，只有深入研究、开发和利用固氮微生物，才能更好的发展生态农业和达到土地可持续利用的战略目标。如果把光合作用旱作是地球上最重要的生化反应，则生物固氮作用便是地球上仅次于光合作用的生物化学反应，因为它为整个生物圈中一切生物的生存和繁荣发展提供了不可或缺和可持续供应的还原态氮化物的源泉。

内容：⒈生物固氮定义：指大气中的分子氮通过微生物固氮酶的催化而还原成氨的过程，生物界中只有原核生物才具有固氮能力。

⒉固氮微生物的种类

⒉1 自生固氮菌

⒉⒈1好氧：化能异养、化能自养、光能自养

⒉⒈2兼性厌氧：化能异养、光能异样

⒉⒈3厌氧：化能异养、光能自养

⒉2 共生固氮菌

⒉⒉1根瘤：豆科植物、非豆科被子植物

⒉⒉2植物：地衣、满江红

⒉3 联合固氮菌

⒉⒊1根际（热带、温带）

⒉⒊2叶面

⒉⒊3动物肠道

⒊固氮的生化机制

⒊1生物固氮反应的6要素

⒊⒈1ATP的供应由于N≡N分子中存在3个共价键，故要把这种极端的分子打开就得花费巨大能量。固氮过程中把N2还原成2NH3时消耗的大量ATP(N2:ATP=1:(18~24)是由呼吸、厌氧呼吸、发酵或光合磷酸化作用提供的。

⒊⒈2还原力[H]及其传递载体固氮反应中所需大量的还原力（N2︰[H]=1︰8)必须以NAD（Ｐ）Ｈ＋Ｈ﹢的形成提供。[Ｈ]由低电势的电子载体铁氧还蛋白(ｆｅｒｒｅｄｏｘｉｎ，一种硫铁蛋白)或黄素氧还蛋白（Ｆｌｄ，一种黄素蛋白）传递至固氮酶上。

⒊⒈３固氮酶固氮酶是一种复合蛋白，由固二氮酶还原酶两种相互分离的蛋白构成，它们对氧都高度敏感。固二氮酶是一种含铁

和钼的蛋白，铁和钼组成一个称为“ＦｅＭｏＣｏ”的辅助因子，它是还原Ｎ２的活性中心。而固二氮酶还原酶则是只含铁的蛋白。某些固氮菌处于不同生长条件下时，还可合成其他不含钼的固氮酶，称为“替补固氮酶”，具有适应极度缺钼环境下还能正常进行生物固氮的功能。

⒊⒈4还原底物－－N2.

⒊⒈5镁离子

⒊⒈6严格的厌氧微环境。

⒊2测定固氮酶活力的乙炔还原法

测定固氮酶活力的经典方法曾有过粗放的微量氏定氮法和烦琐的同位素法等。1996年，M.J.Dilworth和R.Scholhorn等人分别发表了既灵敏又简单的利用气相色谱仪测定固氮酶活性的乙炔还原法，大大推动了固氮生化的研究。

已知固氮生化除了能催化N2→NH3的反应，还可能催化许多反应，包括2H﹢+2e﹣→H2和C2H2→C2H4等反应，在后一反应中，这两种气体量的微小变化也能用气相色谱仪检测出来。测定时，只要把带测测细菌制成悬浮液，放在含有10%C2H2空气（对好氧菌）或C2H2的氮气（对厌氧菌）的密闭容器中，经适当培养后，按不同时间用针筒抽取少量的气体至气相色谱仪测定，即可获得是否固氮及固氮强度等准确数据。由于乙炔还原法的灵敏高度、设备较简单、成本低廉和操作方便，故很快成为任何研究固氮实验室中的常规方法。

⒊3固氮的生化途径

目前所知道的生物固氮的总反应是：

N2+8[H]+16~24ATP→2NH3+H2+16~24ADP+16~24Pi

整个固氮过程主要经历以下几个环节：①由Fd或Fld向氧化型固二氮酶还原酶的铁原子提供一个电子，使其还原；②还原型的固二氮酶还原酶与ATP﹣Mg结合，改变了构象；③固二氮酶在“FeMoCo”的Mo位点上与分子氮结合，并与固二氮酶还原酶﹣Mg﹣ATP复合物反应，形成了一个1:1复合物，即完整的固氮酶；④在固氮酶分子上，有一个电子从固氮酶还原酶﹣Mg﹣ATP复合物转移到固氮酶的铁原子上，这时固氮酶还原酶重新转变为氧化态，同时ATP也就水解成ADP＋Pi；⑤通过上述过程连续6次（用打点子的箭头表示）的运转，才可使固二氮酶释放2个NH3分子；⑥还原一个N2分子，理论上仅需6个电子，而实际测定却需8个电子，其中2个消耗在产H2。

必须强调指出的是，上述一切生化反应都必须受活细胞中各种“氧障”的严密保护，以保证固氮酶免受失活。

⒊4固氮酶的产氢反应

固氮酶除能催化N2→NH3外，还具有催化2H﹢＋2e﹣→H2反应的氢化酶的活性。当固氮菌在缺N2环境下，也只是把75%的还原力[H]去还原N2，而把另外25%的[H]以产H2的方式浪费掉了。然而，在大多数固氮菌中，还存在另一种经典的氧化酶，它能将被固氮菌浪费了的分子氢重新激活，以回收一部分还原力[H]和ATP。

⒋生物固氮的应用及其前景

大气中的氮，必须通过以生物固氮为主的固氮作用，才能被植物吸收利用。动物直接或间接地以植物为食物。动物体内的一部分蛋白质在分解过程中产生的尿素等含氮废物，以及动植物遗体中的含氮物质，被土壤中的微生物分解后形成氨，氨经过土壤中的硝化细菌的作用，最终转化成硝酸盐，硝酸盐可以被植物吸收利用。在氧气不足的情况下，土壤中的另一些细菌可以将硝酸盐转化成亚硝酸盐并最终转化成氮气，氮气则返回到大气中。除了生物固氮以外，生产氮素化肥的工厂以及闪电等也可以固氮，但是，同生物固氮相比，它们所固定的氮素数量很少。可见，生物固氮在自然界氮循环中具有十分重要的作用。

⒋1农业应用

生物固氮在农业生产中具有十分重要的作用。氮素是农作物从土壤中吸收的一种大量元素，土壤每年因此要失去大量的氮素。如果土壤每年得不到足够的氮素以弥补损失，土壤的含氮量就会下降。土壤可以通过两条途径获得氮素：一条是含氮肥料（包括氮素化肥和各种农家肥料）的施用；另一条是生物固氮。科学家在20世纪80年代推算过，全世界每年施用的氮素化肥中的氮素大约有8*10^7t，而自然界每年通过生物固氮所提供的氮素，则高达4*10^8t。对豆科作物进行根瘤菌拌种，是提高豆科作物产量的一项有效措施。播种前，将豆科作物的种子沾上与该种豆科作物相适应的根瘤菌，这显然有利于该种豆科作物结瘤固氮。特别是新开垦的农田和未种植过豆科作物的土壤中，根瘤菌很少，并且常常不能使豆科作物结瘤固氮，更需要进