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 行根瘤菌拌种。对比实验表明，在其他条件相同的情况下，经过根瘤 菌拌种的豆科作物，可以增产 10%～20%。 ⒋2 研究简况 1886 年在第 59 届德国科学家和