生物固氮原理简介 生物固氮是固氮微生物特有的一种生理功能,这种功能是在固氮酶的催化作用下进行的.固氮酶是一种能够将分子氮还原成氨的酶.固氮酶是由两种蛋白质组成的：一种含有铁,叫做铁蛋白,另一种含有铁和钼,叫做钼铁蛋白.只有铁蛋白和钼铁蛋白同时存在,固氮酶才具有固氮的作用.生物固氮过程可以用下面的反应式概括表示. N2 ＋ 6H+ ＋ nMg-ATP ＋6e-2NH3＋nMg-ADP＋nPi 分析上面的反应式可以看出,分子氮的还原过程是在固氮酶的催化作用下进行的.有三点需要说明：第一,ATP一定要与镁（Mg）结合,形成Mg-ATP复合物后才能起作用；第二,固氮酶具有底物多样性的特点,除了能够催化N2还原成NH3以外,还能催化乙炔还原成乙烯（固氮酶催化乙炔还原成乙烯的化学反应,常被科学家用来测定固氮酶的活性）等；第三,生物固氮过程中实际上还需要黄素氧还蛋白或铁氧还蛋白参与,这两种物质作为电子载体能够起到传递电子的作用. 铁蛋白与Mg-ATP结合以后,被黄素氧还蛋白或铁氧还蛋白还原,并与钼铁蛋白暂时结合以传递电子.铁蛋白每传递一个e-给钼铁蛋白, 同时伴随有两个Mg-ATP的水解.在这一催化反应中,铁蛋白反复氧化和还原,只有这样,e-和H+才能依次通过铁蛋白和钼铁蛋白,最终传递给N2和乙炔,使它们分别还原成NH3和乙烯. 固氮微生物的类型 固氮生物都属于个体微小的原核生物,所以,固氮生物又叫做固氮微生物.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、共生固氮微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. 豆科植物的根瘤 根瘤菌属中有十几种根瘤菌,这些根瘤菌与豆科植物具有特殊的互利共生关系,也就是一种根瘤菌只能在一种或若干种豆科植物的根上形成根瘤.根据每种根瘤菌只能在特定的一种或若干种豆科植物上结瘤的现象,人们把根瘤菌及其豆科寄主分成不同的族,这些族也叫做互接种族.一种豆科植物的根瘤菌只能使同一个互接种族内的其他豆科植物结瘤.形成互接种族的原因是,豆科植物的根毛能够分泌一类特殊的蛋白质,根瘤菌细胞的表面存在着多糖物质,只有同族豆科植物根毛分泌的蛋白质与同族根瘤菌细胞表面的多糖物质才能产生特异性结合. 常见的互接种族及所含的豆科植物有： 苜蓿族：包括苜蓿属和草木犀属植物； 三叶草族：只有三叶草属一个属； 豌豆族：包括豌豆属、蚕豆属、山黧豆属、兵豆属和鹰嘴豆属植物； 四季豆族：包括四季豆属中四季豆等植物； 大豆族：只有大豆属一个属； 豇豆族：包括豇豆、花生、绿豆、赤豆等植物； 紫云英族：只有黄芪属一个属（包括紫云英、沙打旺等）. 当豆科植物的根系在土壤中生长时,会刺激同一互接种族的根瘤菌在根系附近大量繁殖.豆科植物对根瘤菌的这种影响,在土壤中可以达到2～3 cm的距离.这样,根系附近的、与该种豆科植物同族的根瘤菌就会不断地繁殖并聚集到根毛的顶端.聚集在根毛顶端的根瘤菌分泌一种纤维素酶,将根毛顶端的细胞壁溶解掉.随后,根瘤菌从根毛顶端侵入到根的内部,并形成感染丝（感染丝是指根瘤菌排列成行,外面包有一层黏液状的物质）.根瘤菌就这样不断地进入根内,并且大量繁殖.在根瘤菌侵入的刺激下,根细胞分泌一种纤维素,将感染丝包围起来,形成一条分支或不分支的纤维素鞘,这样的结构叫做侵入线（图2-4）.侵入线不断地向内延伸,一直到达根的内皮层.根的内皮层处的薄壁细胞受到根瘤菌分泌物的刺激,不断进行细胞分裂,从而使该处的组织膨大,最终形成根瘤. 氮循环简介 氮素在自然界中有多种存在形式,其中,数量最多的是大气中的氮气,总量约3.9×1015 t.除了少数原核生物以外,其他所有的生物都不能直接利用氮气.目前,陆地上生物体内储存的有机氮的总量达1.1×1010～1.4×1010 t.这部分氮素的数量尽管不算多,但是能够迅速地再循环,从而可以反复地供植物吸收利用.存在于土壤中的有机氮总量约为3.0×1011 t,这部分氮素可以逐年分解成无机态氮供植物吸收利用.海洋中的有机氮约为5.0×1011 t,这部分氮素可以被海洋生物循环利用. 构成氮循环的主要环节是：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,都能被植物吸收利用.在氧气不足的条件下,土壤中的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. 大气中的分子态氮被还原成氨,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. 根瘤菌菌剂的自制和使用 根瘤菌菌剂可以购买,也可以自制.下面介绍两种简易的自制方法. ①干根瘤法.豆科作物处于开花期时,根瘤菌的繁殖和固氮能力最旺盛.这时,选择生长健壮的植株,小心地连根挖起（尽量不要损伤根瘤）.挑选根瘤呈粉红色的、个大、数多的植株,剪去枝叶和细根后,挂在通风背阴处备用.也可以在收获豆科作物时进行选留,只是拌种时的用量应比盛花期留取的要多一些.第二年播种前,将根瘤取下,放在罐内捣碎,加上无菌水或冷开水搅拌均匀后,就可以拌种了.一般每公顷的豆种用75～150株的根瘤即可. ②鲜根瘤法.预先在苗圃中种植同种豆科作物.大田播种时,从苗圃内生长健壮的豆科植株上选取个大和呈粉红色的新鲜根瘤,放在罐内捣碎,加上无菌水或冷开水搅拌均匀后就可以拌种了.这种方法只需要少量新鲜根瘤（每公顷的豆种可用75～150个根瘤）. 使用根瘤菌菌剂时应注意以下几点.第一,根瘤菌对不同种甚至不同品种的豆科作物都有选择性.所以,所用的根瘤菌菌剂一定要和豆科作物属于同一互接种族,否则就没有增产效果.第二,太阳光中的紫外线对根瘤菌具有较强的杀伤力,所以,干鲜根瘤、自制或购买的根瘤菌菌剂以及拌好的豆种,一定要放在阴凉处,避免阳光直射.第三,拌种要均匀,不要擦伤种皮.第四,拌种时,不能同时拌入农药.第五,拌种时,每公顷的豆种如果加入75～150 g钼酸铵,会有更好的增产效果.多年种植某种豆科作物的农田,如果继续种植这种豆科作物,也应接种根瘤菌.这是因为土壤中原有根瘤菌的结瘤能力和固氮能力往往下降,即使能够结瘤,固氮能力也不高. 需要指出的是,根瘤菌的固氮能力,不仅取决于根瘤菌菌种的质量（人工培育的根瘤菌的固氮能力,一般比野生的根瘤菌的固氮能力高几倍）,而且取决于土壤条件和栽培措施.因此,人们不仅要进行根瘤菌拌种,而且要加强农田管理并适时适量地施用磷、钾肥料和微量元素肥料（如硼肥、钼肥、铁肥等）,只有这样才能更好地发挥根瘤菌的固氮能力. 自生固氮菌菌剂的使用 我国推广使用的自生固氮菌菌剂,主要由圆褐固氮菌和棕色固氮菌制成.这些自生固氮菌菌剂,对于小麦、水稻、棉花和玉米等农作物都有一定的增产效果.施用方式主要有基施（和农家肥拌匀后,以基肥的形式施用）、追施（和潮湿的肥土混合均匀,堆放三五天并拌入一些稀粪水后,浇在农作物的根部并覆盖土壤）和拌种（注意要在阴凉处拌种,拌种时不能拌入农药,并且在阴凉处晾干后再播种）. 多年的生产实践表明,农田中使用自生固氮菌菌剂的增产效果不很稳定.为此,目前科学家对于自生固氮菌的增产作用还有争论,有的认为是自生固氮菌的固氮作用起到了增产作用,有的则认为主要是自生固氮菌分泌的生长素起到了增产作用.可以肯定的是,单纯施用自生固氮菌菌剂不能满足农作物对氮素营养的全部需要,自生固氮菌菌剂的施用只能是提供农作物氮素营养和促进农作物生长的一种补充措施.
