生物固氮学案(高二)AKllUM

生物固氮

【本章知识框架】

【疑难精讲】

1．生物体内有机氮的合成、氨化作用、硝化作用、反硝化作用和固氮作用

植物吸收土壤中的铵盐和硝酸盐，进而将这些无机氮同化成植物体内的蛋白质等有机氮。动物直接或间接以植物为食物，将植物体内的有机氮同化成动物体内的有机氮。这一过程叫做生物体内有机氮的合成。动植物的遗体、排出物和残落物中的有机氮被微生物分解后形成氨，这一过程叫做氨化作用。在有氧的条件下，土壤中的氨或铵盐在硝化细菌的作用下最终氧化成硝酸盐；这一过程叫做硝化作用。氨化作用和硝化作用产生的无机氮，都能被植物吸收作用。在氧气不足的条件下，土壤中硝酸盐被反硝化细菌等多种微生物还原成亚硝酸盐，并且进一步还原成分子态氮，分子态氮则返回到大气中，这一过程叫做反硝化作用。

大气中的分子态氮还原成氨，这一过程叫做固氮作用。没有固氮作用，大气中的分子态氮就不能被植物吸收利用。地球上固氮作用的途径有三种：生物固氮、工业固氮（用高温、高压和化学催化的方法，将氮转化成氨）和高能固氮（如闪电等高空瞬间放电所产生的高能，可以使空气中的氮与水中的氢结合，形成氨和硝酸，氨和硝酸则由雨水带到地面）。据科学家估算，每年生物固氮的总量占地球上固氮总量的90%左右，可见，生物固氮在地球的氮循环中具有十分重要的作用。

2．固氮生物的类型

固氮生物都属于个体微小的原核生物，所以，固氮生物又叫固氮微生物。根据固氮微生物的固氮特点以及与植物的关系，可以将它们分为自生固氮微生物、共生固氮生物和联合固氮微生物三类。

自生固氮微生物在土壤或培养基中生活时，可以自行固定空气中的分子态氮，对植物没有依存关系。常见的自生固氮微生物包括以圆褐固氮菌为代表的好氧性自生固氮菌、以梭菌为代表的厌氧性自生固氮菌，以及以鱼腥藻、念珠藻和颤藻为代表的具有异形胞的固氮蓝藻（异形胞内含有固氮酶，可以进行生物固氮）。

共生固氮微生物只有和植物互利共生时，才能固定空气中的分子态氮。共生固氮微生物可以分为两类：一类是与豆科植物互利共生的根瘤菌，以及与桤木属、杨梅属和沙棘属等非豆科植物共生的弗兰克氏放线菌；另一类是与红萍（又叫做满江红）等水生蕨类植物或罗汉松等裸子植物共生的蓝藻。由蓝藻和某些真菌形成的地衣也属于这一类。

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。

【学法指导】

本部分复习2～3课时，第1课时复习生物固氮的有关知识，第2～3课时，选取部分练习题将本章内容进行复习巩固。1．“生物固氮”一节先介绍固氮微生物的种类、代表微生物的形态生理特征及其在农业生产实践中的应用；又讲述了生物固氮的原理和意义；还介绍了生物固氮在农业生产中的应用，表现在三个方面：土壤中氮素的消耗和补充途径，目前广泛应用的对豆科植物播种前进行的根瘤苗拌种，以及农田中种植绿肥的科学道理；并设计了一项课外生物科技活动，让我们通过对比实验加强对根瘤菌拌种促进豆科作物产量的认识。“自生固氮菌的分离”这一实验介绍了从土壤表层中分离自生固氮菌的原理、目的要求、材料用具和方法步骤。

2．本节学习重点：固氮微生物的种类；生物固氮的意义。学习本节内容，应注意从以下方面来掌握重点、突破难点，以实现学习目标，通过学习固氮微生物的种类，生物固氮的简要过程，生物固氮的意义和生物固氮在农业生产中的应用等知识，进一步了解生物固氮的基础知识，了解这些知识在农业生产上的应用，提高自己探索生物科学奥秘的兴趣。注意相关知识的比较：

共生固氮菌与自生氮菌；生物固氮、高能固氮与工业固氮；碳循环与氮循环。通过比较，培养自己的求同思想能力和求异思维能力。

3．初中教科书第二部分第一章“细菌”和高中必修教科书第八章第一节“生物与环境的相互关系”，分别讲述了根瘤菌能够促进豆科植物生长以及两者具有互利共生的关系，在学习“生物固氮”前也应认真复习。

4．通过实验初步学会从土壤表层中分离自生固氮菌，学会简易涂片的制作方法，了解并能识别自生固氮菌的形态特征；体验一些研究微生物的过程和方法；实验中要善于自主地提出一些思维含量高的问题，如本实验整个操作过程每个细节都要防止杂菌污染，你认为每个细节中为防止杂菌污染采用的措施是什么？假如黏液中有三种自生固氮菌，你能否想出一种方法，将这三种细菌分离开来，通过在教师引导下讨论和实践广开思路，获得真知；还要善于对实验中的某一步骤进行创新设计，如能否用土壤浸出液代替稀泥浆接种？培养自己实事求是的科学态度和团结协作精神，培养自己的观察能力、实验操作和设计能力、科学探究能力和创新能力。

【典型例题精讲】

［例1］（2000年山西高考题）豆科植物与根瘤菌的互利共生关系主要体现在

A．豆科植物从根瘤菌获得NH3，根瘤菌从豆科植物获得糖类

B．豆科植物从根瘤菌获得含氮有机物，根瘤菌从豆科植物获得NH3

C．豆科植物从根瘤菌获得N2，根瘤菌从豆科植物获得有机物

D．豆科植物从根瘤菌获得NO，根瘤菌从豆科植物获得NH3

【解析】根瘤菌与豆科植物是一种彼此有利、相互依赖的关系，主要体现在：豆科植物通过光合作用制造的糖类等有机物，一部分供给根瘤菌；根瘤菌通过生物固氮制造的氨供给豆科植物。

【答案】 A

［例2］关于根瘤及根瘤菌的叙述中，不正确的一项是

A．根瘤可以单独着生，也可以聚集在一起生在根上

B．一般豆科植物的主根和侧根上都可以着生根瘤

C．根瘤是由根瘤菌进入根细胞内部，刺激根组织膨大而成的

D．根瘤破溃后，根瘤菌全部死亡后进入土壤

【解析】本题考查根瘤和根瘤菌的关系。因我们知道，根瘤是豆科植物的根部在生长发育过程中，被土壤中一些相适应的根瘤菌侵入后，通过大量繁殖，并刺激根部细胞不断分裂，进而使该处组织逐渐膨大后形成的。根瘤可以单独着生，也可以在任意根上聚集形成，但主根上的根瘤菌固氮能力强。当植物衰老死亡后，根瘤也要破溃，其内的根瘤菌便进入土壤，进入土壤的根瘤菌不一定死亡。

【答案】 D

［例3］关于固氮生物的正确说法是

A．固氮生物都是异养的

B．固氮生物都是共生的

C．固氮生物都是细菌或放线菌

D．根瘤菌固定的氮素占生物固氮的绝大部分

【解析】本题考查固氮生物的有关知识。固氮生物有的异养如根瘤菌，有的自养如蓝藻，有的与其他植物共生如根瘤菌与豆科植物，有的自生如圆褐固氮菌。固氮生物除细菌和放射菌外，还有蓝藻，其中根瘤菌固定的氮素占自然界生物固氮总量的绝大部分。

【答案】 D

［例4］关于生物固氮的正确叙述是

A．生物遗体中的含氮化合物首先被转化成硝酸盐

B．硝化细菌可以使氮元素回归大气

C．圆褐固氮菌固定的氮可直接被植物吸收利用

D．硝化细菌可以把植物不能吸收的氨转变为能吸收的硝酸盐

【解析】本题考查生物固氮的有关知识。生物遗体中的含氮化合物先被微生物分解形成氨，在有氧条件下，土壤中的氨和铵盐在硝化细菌作用下最终氧化成硝酸盐，在氧气不足条件下，土壤中的硝酸盐被反硝化细菌（而不是硝化细菌）等多种微生物还原成亚硝酸盐，并进一步还原成分子态氮返回大气中。圆褐固氮菌是土壤中的自生固氮菌，其固氮产生的NH3要经过硝

化细菌的作用转化成NO

3后才能被植物体利用。

【答案】 D

【达标训练】

一、选择题

1．下列哪项不属于固氮生物

A．根瘤菌B．圆褐固氮菌

C．某些蓝藻D．豆科植物

【解析】豆科植物本身不能固氮，只有根瘤菌侵入豆科植物的根内才能固氮。根瘤菌为豆科植物提供氮肥，豆科植物为根瘤菌提供营养。

【答案】 D

2．下面对氮循环的说法中正确的是

A．生物的固氮过程就是N2吸收到植物体内被利用了

B．氮素一旦进入生物体内就不会形成N2

C．生物体内的氮主要来源于闪电固氮

D．动物产生的尿素转化成的铵盐可被植物吸收利用

【解析】生物固氮是指固氮微生物将大气中的氮还原成氨的过程；生物体内的氮主要以生物固氮为主。

【答案】 D

3．在生物固氮过程中，最终电子受体是

A．N2和乙炔B．NH3

C．乙烯D．NADP+

【解析】在固氮酶将N2还原成NH3的过程中，需要e和H+，还需要A TP提供能量。简单地说，在A TP提供能量的情况下，e和H+通过固氮酶传递给N2和乙炔，使它们分别还原成NH3和乙烯。