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
氮的功能： 氮的污染：
◆无机环境中的氮素主要以什么形式存在？ ◆无机环境中的氮素又以什么形式被植物体吸收？ ◆如何解决两者之间的矛盾？
固氮作 N2 用
NH3 NO2
NH4 + 吸收 NO3-
NH4 +
氨基酸
蛋白质
工业固氮 高能固氮 生物固氮NH3 90％
固氮作用
一、生物固氮（自然界主要的固氮形式）
代表生物：
分布
根瘤菌 固氮
观察
根瘤菌
土壤分布广泛 与相应豆科植物共生时才能固氮
显微镜
形态： 棒槌形、“T”形或“Y”形
利共生
有机物和生活环境
特点： 互利共生 具特异性：一种根瘤菌只能侵入一种或多种特定种类的豆科植物
大豆根瘤菌只能侵入大豆的根； 蚕豆根瘤菌能侵入蚕豆、菜豆和豇豆的根。
作用: 为植物提供氮素； 为植物提供生长素，促进植株生长和果实发育
提取及分离菌种 : 注意：能用缺氮的培养基分离自生固氮菌 应用: 制成菌剂，释放进入土壤
• 分离培养土壤中的硝化细菌、自生固氮菌
应使用的培养基分别是：
C
• A.无氮培养基、无有机物培养基
• B.含氮培养基、含有机物培养基
• C.无有机物培养基、无氮培养基
（6）据以上知识，你认为养鸡场可以利用
B
什么微生物除臭？
（7）目前，全世界每年施用的氮素化肥大
C
约有8×107t，这样做对环境可能带来的负 面影响是＿＿，请你提出既不会影响环境，
又能满足农作物对氮素需求的方案或设想。
答案：（1）① 生物固氮 ② 闪电固氮 ③ 工业固氮 （3）尿素及动植物遗体 硝化 硝酸盐 自养需氧型 （4）氮气 (5)氧气不足 ,硝酸盐分解成氮气 .(6)硝化细菌（7）水体的富营养化 将固氮微生物的固氮基因分离出或人工合成后导入农作物中，并使之表达
生物固氮产物是
A
A.NH3 C. NO3-
B.NO2 D.谷氨酸
• 二、固氮微生物的种类
共生固氮微生物
根瘤菌→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
1、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
固氮条件： 与植物共生时才能固氮 固氮原因：由于质粒中具有固氮基因
2、固氮微生物基因类型： 质粒中具有固氮基因
3、固氮微生物代谢类型： 自养型，异养型 需氧 型，厌氧 型
4、固氮微生物生态地位： 生产者 消费者 分解者
四、生物固氮在农业生产中的应用
1、固定氮素肥料，减少化肥使用量，节约了能源，保护了环境。 2、对豆科农作物进行根瘤菌拌种，提高产量。 3、用豆科植物作绿肥，提高土壤肥力，改良土壤结构，增加土壤 通气性和保水性。 4、使用自生固氮菌剂，提供农作物氮素营养和促进农作物生长。 5、通过转基因技术，可将固氮基因转到非豆科植物中。
代谢类型：异养需氧型 生态地位： 消费者
根瘤的形成: 固氮量及固氮能力 : 多、强
提取及分离菌种 : 注意：不能用缺氮的培养基分离共生固氮菌
应用: 拌种 豆科植物做绿肥
拌种（用与豆科植物相对应的根瘤菌）遮光条件
(08理综Ⅰ)下列对根瘤菌的叙述，正确的是 C
A．根瘤菌在植物根外也能固氮 B．根瘤菌离开植物根系不能存活 C．土壤淹水时，根瘤菌固氮量减少 D．大豆植物生长所需的氮都来自根瘤菌
1.概念: 固氮微生物将大气中的N2还原为NH3的过程。
生物: 固氮微生物
原料: N2 产物： NH3 次级代谢产物 反应: 还原反应
质粒中具有固氮基因
条件： 常温，常压，固氮酶
固氮基因与固氮能力大小 有关固
2.反应式: N2 固氮酶 NH3
氮基因特点：
3.过程：
4.意义: 5.优点：
固氮酶
通过某些微生物的作用，把空气中游离的氮素固定转变为含氮 化合物，这一过程就是生物的固氮作用。为确定固氮的最终产 物，做了如下两个实验： （1）把固氮菌培养在含15N2的空气中，细胞迅速固定氮素， 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
含氮的有机物，含氮的无机物
植物的吸收形式 氮的循环形式 固氮形式 工业固氮
NH4 +
N2 高能固氮
NO3生物固氮NH3 90％（主要）
进入生物群落的途径及流动及动植物的利用
返回无机环境的途径及形式 涉及到的微生物及生理过程
①固氮作用 ②有机氮合成作用 ④硝化作用 ⑤反硝化作用
③氨化作用
涉及到的微生 物及生理过程
判断：ABCDE分别代表什么？
A
B
C
D
E
3.氮循环和碳循环的差异
进入生态系统 的方式
进入生态系 统的作用生 物
返回大气 的途径
碳 循
光合作用
环
绿色植物等 生产者、消费 自养型生物 者、分解者的
呼吸作用
氮 生物固氮、高能 循 固氮、工业固氮 环 后被植物吸收
固氮微生物 反硝化细菌的 反硝化作用
例1.图为生态系中 碳循环和氮循环的 一部分，A、B、 C三类微生物参与其 中，下列说法错误
五、生物固氮的意义（氮循环）
生物 固氮
有机氮 合成
高能 固氮
工业 固氮
亚硝 反硝化细菌
酸盐
O2不足 反硝化作用
硝化作用 硝化细菌
氨化作用
大气中N固2 氮作用
1、氮循环分析
反硝化细菌
植物体内的氮 动物体内的氮
自然界的存在形式 生物体内的存在形式
含氮有机物
土壤微生物 NO3硝化细菌
NH3
N2，铵盐，硝酸盐
的是( B )
A．A类细菌是自养需氧型，B类细菌是异养厌氧型 B．C类微生物只能是异养厌氧型的，否则只能得到氮氧化物 C．进行C过程的微生物，有的是自生的，有的是共生的，但一 般作为生态系统中的消费者 D．A和C的活动可增加土壤肥力，而B的活动导致土壤氮素丧失
硫循环：
⑥根瘤的形成
侵入根细胞内——繁殖——刺激根薄壁细胞分裂——组织膨大——形成根瘤
在氮循环中的作用
生物
代谢类型
a(脱氨基作用) 有机氮转化
动物 异养需氧型
b（氨化作用） C（硝化作用）
尿素→NH3 NH3→NO3¯
氨化细菌 硝化细菌
异养需氧型 自养需氧型
d(固氮作用）
N2→NH3 N2→NH3
根瘤菌
异养需氧型
圆褐固氮菌 异养需氧型
e（反硝化作用）
f（有机氮合成作 用）
NO3¯→N2 氨或NO3¯→有机氮
分布
代表生物：圆褐固氮菌 固氮
观察
土壤表层
独立固氮 显微镜
圆褐固氮菌
分布： 土壤表层 形态： 杆菌或短杆菌、单生或对生。 成对的菌体呈“8”字形排列，外面有荚膜
结构： 原核单细胞 生活方式： 腐生 代谢类型：异养需氧型 生态地位： 分解者
固氮量及固氮能力 : 少、弱
特点：固氮； 分泌生长素，促进植株生长和果实发育
（3）图中A物质代表＿＿，可被土壤中的微 生物分解形成B，B物质在土壤中＿＿细菌
豆科植物
非豆科植物
的作用下形成C，C物质代表＿＿。 （4）一些细菌可将C物质最终转化成＿＿
动物
返回大气中。
④ 由此可见，土壤中这些微生物在包括氮循环 在内的自然界中的＿＿中起着重要作用。
A
（5）很显然，图中的［］过程对农业生产 不利，为什么？
反硝化细菌 异养厌氧型
植物
自养需氧型
地位 消费者 分解者 生产者 消费者 分解者 分解者 生产者
例2
（1）大气中的氮主要通过［ ］＿＿进入生
大气中的N2
物群落，其次通过［］＿＿和［］＿＿等途 径也可少量供给植物氮素。
（2）老百姓有“雷雨发庄稼”之说，你能
①
②
NH3 NO3¯
③
解释其中的道理吗？
氮肥
05天津）下列有关根瘤菌及其生物固氮方面的叙述，正确的是
A．制备根瘤菌DNA时需用纤维素酶处理细胞壁
B．根瘤菌的固氮基因编码区含有内含子和外显子
D
C．大豆种子用其破碎的根瘤拌种，不能提高固氮量
D．根瘤菌固氮量与其侵入植物的生长状况有关
2、自生固氮微生物
独立进行固氮
概念: 指土壤表层中能独立固氮微生物 固氮条件：独立进行固氮（能用缺氮的培养基分离） 固氮原因： 由于质粒中具有固氮基因