生物固氮基本介绍与联合固氮

生物固氮的基本介绍与联合固氮

生物固氮是自然生态系统中氮的主要来源。全球生物固氮的量是巨大的，海洋生态系统每年生物固氮量在4×1013～2×1014 g，陆地生态系统生物固氮量在9×10B～1．3×10149，而工业固氮量在20世纪90年代中期每年约为1．4×10M g。可见，生物固氮在农、林业生产和氮素生态系统平衡中的作用很大。生物固氮(nitrogen fixation)在20世纪60年代以前的主要工作是在广泛开展分离、鉴定、分类和固氮的生理以及固氮生物在农业上的应用。20世纪70年代后，固氮微生物学的侧重点转入固氮酶系统和固氮基因转移方面的研究。目前国内的研究集中以根瘤为研究对象，展开了一系列研究。

1．生物固氮的意义

氮是构成蛋白质和核酸的主要物质，是一切生命的要素，没有就没有生命。在大气中氮气的含量约为79％，但这种分子氮并不能直接为高等植物吸收利用，只有豆科植物和少数非豆科植物通过与根的共生固氮作用，才能把大气中的分子态氮转变为固态氮。这些氮除满足根瘤菌本身的需要外，还可为宿主提供生长发育可以利用的含氮化物。同时，根瘤菌及其所固定的氮化合物，可以提高土壤的含氮量，在间作和轮作上具有重要的意义。然而，水稻、小麦、玉米、高粱等农物无固氮功能，即使豆科植物在幼苗时期也没有固氮能力，故要使它增产就必须施用复合肥。氮肥的合成，需要消耗大量的能源。而且氮肥使用率只有50％一75％，未利用部分的流失会造成污染。故大量使用氮肥，不仅会增加农业成本，而且会造成土壤、水体及农产品的污染。环境质量意识日益增强的今天，开展生物固氮及其在农业中应用的究，以减少化合成氮肥的使用，具有特别重要的意义。

2. 生物固氮作用机

固氮酶由钼铁蛋白和铁蛋白。钼铁蛋白又称为钼铁氧还蛋白或分子氮酶，是真正意义上的“固氮酶”；铁蛋白又称固氮铁氧还蛋白或固分子氮还原酶，其实质是一种“固氮酶的还原酶”。固氮酶钼铁蛋白有三种状态，即氧化态、半还原态和完全还原态。当半还原态的钼铁蛋白和还原态的铁蛋白组合在—起时，成为稳定固的复合体系。这是还原铁蛋白的电子传递到半还原态钼铁蛋白上，使它成为完全还原态；而铁蛋白本身被氧化，随后再由细胞中电子传递链所提供的电子还原。完全还原态的钼铁蛋白络合分子氮，同时ATP水解成ADP+Pi，释放出大量能量，使电子和氢离子同氮结合，生成两分子。现在一般认为，在这个反应过程中固氮酶钼铁辅因子起关键作用，它是固氮酶的活性中心。研究表明，不同种类的固氮微生物都有共同的固氮基因控制着固性遗传，nif基因和固氮酶只存在于固氮菌体中。在根瘤菌中除了固氮基因之外，还存在着结瘤基因、使宿主的根毛变形弯曲的基因、根起始基因和产生色素的基因等。已经证实，根瘤菌中的基因和结瘤基等都定位在质粒E。

3．生物固氮及其分类

空气主要由氧气和氮气组成。其中氮气约占4／5．在自然界的千万种生物中，有一些生物能够直接吸收空气中的氮素作为养料，它们将分子态氮先还原成氮，再转化为氨基酸和蛋白质，这就叫生物固氮．豆科植物等，其根部长有许多小球。它是由根瘤菌共生形成的根瘤，就具有固氮作用；又如稻田中的水生蕨类植物满江红(俗称红萍)，由于叶腔中有固氮鱼腥藻共生而能吸收和利用大气中的氮；以上两种形式称为共生生物固氮．生物固氮的形式除共生生物固氮外。还有细菌自生固氮和联合固氮．联合固氮(又称为半共生固氮)它又分为内生联合固氮和外部联合固氮．目前已发现有固氮能力的微生物有60多属约数百种，包括细菌、放线菌、蓝绿藻等．

4．植物如何利用氮元素

高等植物不能吸收大气中分子态氮(N：)，仅能吸收化合态氮。植物可以吸收氨基酸、天冬酰胺和尿素等小分子有机物，但是植物的氮源主要是无机氮化物，而无机氮化物中以铵盐(NH4+)和硝酸盐(NO3-)为主。氨化作用土壤中的含氮有机物主要是蛋白质类，另外还有核酸、

尿素、尿酸、几丁质等。这些含氮有机物的含氮部分在微生物的作用下最终的降解产物是氮，这叫做氨化作用。

4．1尿素和尿酸的氨化作用

尿素和尿酸是人畜的主要排泄成分，尿酸水解时产生尿素。植物虽然可以直接吸收尿素，但进入到土壤中的尿素一般都很快被尿素细菌和土壤中的尿酶分解为碳酸铵。不过所生成的碳酸铵很不稳定，会很快分解为氨和二氧化碳。

4．2蛋白质和核酸的氨化作用

氨基酸能通过氧化作用、水解作用和还原作用脱下氨基，释放出氨。例如：

氧化脱氨基作用：

R—CHNH2COOH+02→R—COOH+C02+NH3。

水解脱氨基作用：

R—CHNH2COOH+H→R—COCOOH+NH3。

还原脱氨基作用：

R—CHNH2COOH+2H→R—CH2COOH+NH3。

含氮碱基杂环断开后，进行着与氨基酸类似的脱氨基作用。

4．3硝化作用

由氨化作用产生的氮少部分溶于水后电离出铵根离子(NH4+)并被植物吸收，绝大部分氮在硝化细菌的作用下进一步氧化为硝酸，产生硝酸根离子，从而被植物吸收。反应式如下：

2NH3+302-→2HN02+2H20；2HN02+02→'2HN03。

5植物体内氮素转化

5．1硝酸盐的代谢还原

植物从土壤中吸收铵盐后，即可直接利用它去合成氨基酸。如果吸收的是硝酸盐，则必须经过还原才能利用，因为蛋白质的氮呈高度还原状态，而硝酸盐的氮却呈高度氧化态。一般认为，硝酸盐经过以下步骤最后还原成氮：硝酸→亚硝酸→次亚硝酸→羟氮→氮。

5．2氮的同化作用

植物吸收的铵盐在植物体内转变成氮，吸收的硝酸盐最终也还原成氮，这些氮立即被同化。游离氮的量稍微多一点即毒害植物。还原氮基化：氮与呼吸代谢的中间产物仪一酮酸结合，形成氨基酸，例如d一酮戊二酸与氮结合，在谷氮酸脱氢酶的作用下，还原为谷氮酸。氮基转换作用：氮基转换作用是一种氨基酸的氮基被转移到一种酮酸的酮基上，接受体转化为一种新的氨基酸。氮基转换作用增加了植物体内氨基酸的种类。氮与二氧化碳结合，形成氮甲酰磷酸。氮也可以与氨基酸结合，形成酰胺。例如，在谷氨酰胺合成酶的作用下，氮与谷氮酸形成谷氮酰胺。同样，天冬氮酸与氮形成天冬酰胺。谷氮酰胺和天冬酰胺在高等植物体内是氮的临时保存形式，可解除游离氮的毒害；当植物体内氮不足，酰胺又能分解出氮供植物利用。

5．3蛋白质和核酸等含氮有机物的合成

氮的同化作用形成各种氨基酸，通过转录和翻译形成蛋白质。氮甲酰磷酸是合成核苷酸的基础，核苷酸经生化反应生成核酸。

6．联合固氮体系

长期以来，人们的主要研究工作集中在以下几方面：①提高现有固氮生物的固氮能力；②提供优质高效的微生物肥料，为农业开发肥源；③人工模拟固氮酶在常温常压下还原分子氮，使氮肥的]j业生产有一个历史性突破。其中联合固氮的研究在其中起着重要的作用。在联合固氮体系中，固氮细菌广泛生活在植物根际和根表，当进行固氮时，植物根系的分泌物可以提供必需的能量和碳素，它们之间的关系是互利互惠的。联合固氮体系从植物方面来讲，主要有玉米、小麦、高粱、水稻、甘蔗、棉花、大麦、甜马铃薯等农作物和热带亚热带牧草如