关于生物固氮介绍

[拼音]：shengwu gudan

[外文]：biological nitrogen fixation

大气中的游离态氮分子在微生物体内还原为结合态的氨分子的过程。具有这种能力的微生物称固氮微生物。地球表面每年因生物固氮作用获得的结合态氮约为 1.0～1.8 ×108吨，其中有0.2～0.4×108吨系由耕种土壤中的固氮微生物所固定。在农业生产中，充分发挥生物固氮的作用，对增加土壤中的氮素养分、提高土壤肥力具有重要作用。

对生物固氮作用的研究始于19世纪。1838年，法国的J.B.布森戈通过田间试验和化学分析，最先确认三叶草和豌豆可从空气中取得氮素。此后俄国的M.C.沃罗宁和德国的H.黑尔里格尔相继证明了豆科植物与根瘤菌之间的共生关系。1888年，荷兰的M.W.拜耶林克首次从根瘤中分离出固氮微生物的纯培养体，后曾被其他研究者用作接种剂。嗣后，研究领域从豆科植物拓宽到非豆科植物，从共生固氮发展到非共生固氮以至联合固氮。20世纪初欧洲和美国已有根瘤菌剂的商品生产。中国从50年代起应用根瘤菌于花生、大豆等的生产，取得增产效果。

类型

迄今已确认有固氮作用的微生物约有50个属90多种。包括细菌、放线菌和蓝藻，都属原核生物。其中有的是好气性的，有的是嫌气性的，有的是兼性的。按固氮微生物与高等植物或其他生物之间的关系，可分3种类型。

固氮微生物与另一种能营光合作用的高等植物或其他生物紧密地生活在一起，彼此间形成单独生活时所没有的共生固氮体系：固氮微生物依靠与之共生的生物为其提供生活必需的能源和碳源，而固氮微生物则将固定的氮素供给共生生物作为合成氨基酸和蛋白质的氮源。共生固氮作用又可分为：

（1）豆科植物与微生物的共生固氮。其中最重要的是豆科植物与根瘤菌的共生。土壤中的根瘤菌侵入根部后形成根瘤，固氮即在根瘤中进行。可营这种共生固氮作用的豆科植物约有600 多属。

（2）非豆科植物与微生物的共生固氮。营这种共生固氮作用的微生物主要是放线菌和蓝藻。能与放线菌共生固氮的植物约有21属200多种，常见的有木麻黄属、桤木属、沙棘属、胡颓子属、杨梅属等。中国经鉴定的非豆科结瘤固氮树木已有40余种，大多数属于对不利环境有较强抗逆性的植物。蓝藻与非豆科植物的共生固氮，可以鱼腥藻与蕨类植物满江红形成的共生体为代表。在这类共生体中，能固氮的满江红鱼腥藻生活在满江红小叶鳞片腹面充满粘质的小腔内，构成共生关系，其固氮率可达313～670千克／（公顷·年）。满江红分布广泛，尤以在热带和亚热带地区生长繁茂，是中国南方的优良绿肥。

又称自生固氮作用。固氮微生物不与其他生物发生特异关系，而能独立地生长繁殖，并将大气中的氮分子还原为氨分子。这类固氮作用的全过程均在其自身细胞中进行，所固定的氮素常在细胞死亡腐败后释放到土壤中。属于这类的微生物主要有细菌、蓝藻和放线菌，常见于温带中性土壤的有固氮菌属 (Azotobacter)中的圆褐固氮菌（A.chroococcum），常见于热带和亚热带的酸性土壤中的是贝氏固氮菌属(Beijerinckia)。 广泛分布于各类土壤中的有巴斯德芽孢梭菌(Clostridium pasteurianum)和许多微嗜氧菌，后者包括极毛杆菌属(Pseudomonas)、无色杆菌属(Achromobacter)、克氏杆菌属(Klebsiella)和分枝杆菌属(Mycobacterium) 等。上述固氮菌在固氮过程中必须依靠外源能量，且对能量的利用效率较低，通常每固定1分子氮所消耗的能量要比根瘤菌大10倍。此外，当土壤含有机化合态氮时，其固氮作用的进行还会受抑制。因而自生固氮作用在农业上的应用一直是个难题。但最近已选育出这类固氮菌突变株，当有氨存在时，其固氮酶活性比同条件的野生型高5万倍。

某些固氮微生物可生长在植物根系中的粘质鞘套内或皮层细胞之间，虽对植物有一定的专一性，但不形成密切的共生关系，也不形成特殊的形态结构，是一种松散的共生现象。现已确认的联合固氮体系有：甘蔗和贝氏固氮菌(Beijerinckia)、雀稗和雀稗固氮菌(Azotobacter paspali)、小麦和芽孢细菌(Bacillus)、水稻和无色杆菌(Achromobacter)等。属于此类的固氮体系的植物多属高光效的C4植物，比C3植物能分泌更多的碳水化合物，有利于根系中微生物的生长和固氮。其固氮效率比在土壤中单独生活时要高。因此通过选育寄生植物接种固氮菌，并加强土壤管理，可提高根际的固氮活性。

机理

氮气分子(N呏N)有很高的键能，使之还原必须消耗大量能量。在工业上，用化学固氮方法制造氮肥要在铁催化剂作用下，用500℃的高温及300大气压的高压下才能将氮气还原为氨。但固氮微生物则可在常温常压下完成这一过程。因固氮微生物体内存在一种复杂的固氮酶系统，它能催化氮气的还原。固氮酶由2种蛋白质组成：一种为含有钼和铁的钼铁蛋白，分子量为200000；另一种为含铁的铁蛋白，分子量为65000。铁蛋白具有很强的还原力，它提供电子给钼铁蛋白。钼铁蛋白能与氮气分子络合，然后使之还原为氨。在这个过程中，需要腺苷三磷酸 (ATP)提供能量和铁氧还蛋白充当强还原剂。氮气还原为氨的化学反应式如下：

N2＋6e-＋12ATP＋12H2O→

2N喠＋12ADP＋12Pi＋4H+

式中 ADP为腺苷二磷酸，Pi代表无机磷酸。固氮酶除能还原氮气外，还能将乙炔 (C2H2)还原为乙烯(C2H4)。由于这个反应可用气相色谱法测定，现已广泛应用于田间实验室测定固氮微生物的固氮酶活性。

研究趋势

生物固氮是一个十分活跃的研究领域。利用遗传工程技术将豆科植物根瘤菌中的固氮基因(nif基因)转移到非豆科植物的禾谷类中，以便通过生物固氮提高农业产量、减少化肥用量和节约农业投资的设想受到广泛注意，并已进行了许多研究试验。但不少困难仍有待克服。固氮酶对氧十分敏感，微量氧即能使固氮酶失活。豆科植物的根瘤中存在豆血红蛋白，能与氧结合，使氧浓度降低。因此非豆科植物在固氮基因转移成功后还必须具备一定的防氧的保护机制时才能进行生物固氮。另一困难是需要形成大量ATP，才能有足够的能量使氮还原为氨。

参考文章

• 专用生物肥生物固氮效应是怎么回事？农业知识