生物固氮biological nitrogen fixation

一些原核微生物通过固氮酶催化将大气中的分子态氮还原为氨的过程。自从德国学者赫尔利格尔(H.Hell.riegel) 于1886年证明豆科植物根瘤具有同化分子态氮的能力以来，人们对生物固氮进行了大量研究，并努力应用于农业生产中。
固氮体系 现在所知的固氮生物都属于原核生物。根据不同固氮微生物的特性和同其他生物的关系，一般将固氮作用分为三种类型，即自生固氮、共生固氮和联合固氮。有些固氮微生物在土壤或培养基中生活时可以固定分子态氮，对其他生物没有依存关系，称为自生固氮作用，或自生固氮体系，如圆褐固氮菌（见固氮细菌）。有些微生物和其他生物共生时进行固氮作用，称为共生固氮作用或共生固氮体系。共生固氮体系一般有特定的形态结构，如豆科植物的根瘤是根瘤菌和植物相互作用形成的共生固氮体系。常见的共生固氮体系可以分为两大类： ❶根瘤菌同豆科植物和弗兰克氏放线菌同一些非豆科被子植物的共生；
❷蓝细菌（蓝绿藻）同真菌、水生蕨类植物、裸子植物等的共生。在共生体系中固氮的微生物称为共生固氮微生物。但是它们不一定只能在共生时固氮，已证明某些种类也能在人工培养时表现不同程度的固氮能力。不过共生状态是它们（如根瘤菌）在自然条件下发挥高效固氮作用所必需的。联合固氮作用是上述二者之间的中间类型。有些固氮微生物，如固氮螺菌、雀稗固氮菌等（见固氮细菌），能够生活在玉米、雀稗、水稻、甘蔗等植物根系的粘质鞘内或皮层细胞之间，形成联合固氮体系。它们与植物的关系有一定程度的专一性，但不形成特殊结构，而且都能够自生固氮。
固氮酶和分子氮的还原，不论哪一类固氮体系，分子氮的还原都是固氮酶催化的。肺炎克氏杆菌(Kleb-siella pneumoniae)的固氮酶由铁蛋白和钼铁蛋白组成。其他来源的固氮酶也是如此。铁蛋白分子为5.7×10⁴～7.2×10⁴的二聚体，含有一个〔Fe₄S₄(CyS)₄)ⁿ⁺簇。钼铁蛋白分子为2.0×10⁵～2.4×10⁵的α₂β2型四聚体，每分子钼铁蛋白含有两个铁钼辅因子，是催化作用的活性中心； 还有4个〔4Fe-4S〕簇，称P中心。最近还从固氮菌(Azotobacter)等细胞中发现了其他固氮酶体系。如由钒铁蛋白和铁蛋白组成的固氮酶。
固氮酶具有底物多样性，除还原分子氮为氨外，还能催化C2H2、H+、HCN、CH3NC、HN3和N-3等的还原作用。固氮酶还原乙炔成为乙烯的作用被用来间接测量固氮酶的活性。理论计算，1分子N2被还原为2分子NH3需要6个电子，1分子C2H2被还原为1分子C2H4只需2个电子，比例为3:1。但由于不同固氮体系的差异和不同条件，不能简单地根据所测定的乙烯量以3:1的比例来换算为固氮量，实际上从1.5:1到25:1的情况都是存在的。
固氮酶进行催化作用必须同时有两种酶蛋白组分、电子、质子(H+)、Mg++ATP，并且在高还原势中进行。细胞内电子供体产生的电子经过电子载体（起电子传递作用的铁氧还蛋白和黄素氧还蛋白等），首先还原铁蛋白；进而还原了的铁蛋白将电子转移给钼铁蛋白，使其还原。最后还原了钼铁蛋白将电子转交给底物，完成了催化全过程。也有学者把铁蛋白称为固氮酶的还原酶，而将钼铁蛋白称为固氮酶或氮气酶。H2是固氮作用的竞争性抑制剂，固氮过程中H₂的形成是不可避免的，即使在50个大气压N2情况下，也至少有25%的电子向H+转移，形成H2。对固氮而言H2的形成浪费能量。生物固氮作用的总反应是：
N₂+8H⁺+8e-+nMg⁺⁺ATP2NH₃+
+H₂+nMg⁺⁺ADP+npi
由一分子N2还原为2分子NH3过程中，电子的转移是多步骤的。固氮酶完成一个催化循环，只转移一个电子。完成8个电子的转移，一分子固氮酶必须经历8次催化循环。有些固氮微生物具有吸氢酶，催化H2的氧化，释放出电子。铁蛋白每转移一个电子有2分子MgATP被水解。固氮作用消耗很大的能量。
由于氧气对固氮酶的钝化作用，固氮酶的催化作用只能在防氧保护条件下进行。对于严格厌气性固氮微生物而言，其生活条件和固氮条件是一致的。好气性固氮微生物需要在有氧条件下生活，同固氮作用需要的条件相矛盾。不同好气性固氮微生物都有各自的防氧保护机制，使其在有氧条件下细胞内固氮酶正常地进行催化作用，如固氮菌的“呼吸保护”，有些丝状蓝细菌形成异形胞。
氨是固氮作用的产物，但过多外源铵盐等化合态氮存在时，固氮作用将受抑制，这时固氮微生物利用化合态氮进行生长。氨既抑制固氮酶活性，也阻遏固氮酶合成。
根瘤菌和豆科植物共生固氮体系 豆科植物的根瘤是根瘤菌和植物相互作用而产生的形态与功能相协调的统一体。豆科植物提供能量，根瘤菌还原分子态氮。成熟根瘤的主要部分是： ❶根瘤皮层；
❷分生组织；
❸含菌组织；
❹维管束；
❺细胞间隙含菌组织是固氮作用的部位，豆血红蛋白在其中的存在一般是有效根瘤的标志。
在全球近2万种豆科植物中，还只调查了3 000余种的结瘤情况。其中含羞草亚科和蝶形花亚科能结瘤的种类分别达90%和98%。而苏木亚科中只有约28%的种类结瘤。共生固氮关系具有专一性，特定的根瘤菌种类和特定的豆科植物种类形成共生体系。所以共生固氮比自生固氮所涉及的遗传因素更多，包括根瘤菌的结瘤基因、固氮基因和共生固氮基因等，在大多数快生型根瘤菌中这些基因主要在质粒上。根瘤菌能否使豆科植物结瘤，还决定于植物的有关基因，如阻碍结瘤的植物基因，协调固氮功能的各种根瘤素基因。
固氮作用的农业利用及其前景 据估计，全球生物固氮作用每年可将1.75亿吨分子态氮转化为氨，大大超过工业固氮量。上世纪末根瘤菌的纯培养体就被用作接种剂，本世纪初出现根瘤菌剂的商品生产。中国1950年开始在一些省应用根瘤菌剂。大豆、花生、紫云英、三叶草等根瘤菌剂在不同范围内持续应用。有肯定增产效果。固氮菌剂也进行了广泛试验。固氮蓝藻和联合固氮菌的应用研究也引起了重视。
生物固氮作用对植物生长和土壤氮素的累积有重要意义，但尚未被充分利用。主要是由于固氮作用本身的局限性（如大多数农作物不形成共生固氮体系）和发挥固氮效率的条件常常未能充分保证。现有熟知的固氮体系的充分利用必能为当前农业生产带来更多实际效益。开发利用有潜在增产作用的各种固氮体系和开展扩大固氮作用范围 （包括通过生物技术构建固氮新体系） 的研究必能为农业生产带来更大效益。

生物固氮

微生物将大气中游离的氮分子转化为结合态氨分子的过程。对生物固氮的研究，从1838年法国的J.B.布森戈开始。欧洲、美国于20世纪初生产出根瘤菌剂。目前已发现90多种有固氮作用的微生物。每年生物固氮所获结合氮约为1.0亿～1.8 亿t，其中耕作土壤的生物固氮量约为0.2亿～0.4 亿t。

生物固氮shenwu gudan

也称做化学模拟生物固氮，是指模拟微生物体内具有特殊催化能力的固氮酶将空气中游离的氮转变成氨的过程，用化学方法在常温常压下或较温和条件下，固定空气中的氮使它转变成氨或氮化物。氮是一切生物生长发育所必需的元素之一，是构成氨基酸、蛋白质和核酸等含氮生命基础物质的重要组分。虽然空气中存在着非常丰富的氮，但只有自然界的一些微生物能在常温常压下，高效地将空气中的氮气分子转变为氨，其年产量可达2×10⁸t。而化工上用氢气和氮气在铁触媒 （催化剂）作用下合成氨，需要在高温高压下进行，不仅需用大量优质钢材，而且年产量仅达约5×10⁷t，满足不了人们各方面日益发展的需要。生物固氮的研究不仅在生产实践上，而且在理论上都有着极其重要的意义。尽管此项研究已有100多年历史，目前仍然是国际上广为重视的而在化学上极为重大的基础研究课题之一。人们做了大量工作，取得了明显进展。自然界的生物固氮实质上是靠配位化合方式将氮分子活化来实现的，近年来固氮的化学模拟研究主要包括3个环节：
❶用过渡金属配合物去配合氮分子，形成分子氮配合物，以削弱氮分子中的化学键；
❷用还原剂向被配合的氮供给电子，以拆开氮的化学键；
❸使H⁺和带负电的氮结合成氨。
现已研究出的生物固氮体系，大致可分为以下3类：
❶水溶液中的固氮体系 研究得较多，但这些体系离固氮酶的催化活性相差很远，无工业实用价值。其中1970年G.N.施劳策等人提出的化学固氮模拟体系，比较接近于固氮酶活性中心的情况，为阐明固氮酶活性中心的结构和功能提供了重要信息。

❷有机溶剂中的固氮体系 1970年E.E.范塔米林等人研究了分子氮和Ti (Ⅱ) 的烷基氧化物反应，所形成的分子氮配合物可被还原并释放出肼或氨。1975年英国的J.查特等人合成了顺式[M(N₂)₂(PR₃)₄] (M=Mo或W; R为烷基或芳基)的分子氮配合物。这类化合物在无氧和室温条件下可还原为氨。他们还发现，钼和钨的分子氮有机膦配合物在酸性介质中能还原为氨。这些均可在常温常压下进行，还原剂是格氏试剂。

❸ 电子授受体配合物体系 电子授受体配合物，是一类由容易提供电子的分子和容易接受电子的分子组成的配合物。1969年日本田丸等人合成了此类配合物。他们把过渡金属酞菁配合物MPc (M为过渡金属，Pc为酞菁) 蒸发到金属钠的薄膜上去得到了Na⁺(MPc)^-。它是一类电子授受体配合物。在常压和250℃条件下，于Na⁺ (MPc) ^-固体表面通以氮气和氢气，可得到微量的氨。近年来，对电子授受体配合物的研究有明显的进展。田丸等人又用具有大π电子共轭体系的化合物代替酞菁，使它们与过渡金属氯化物和碱金属 （钠或钾） 相互作用，得到了电子授受体配合物。这类配合物对合成氨都有一定催化活性。如，尾崎等人发现，活性炭-RuCl₃-K体系，在常压和290℃的条件下，合成氨的效率较一般工业催化剂明显提高。
1972年以来，我国在这方面也开展了不少工作。如，对活性炭-Fe-K体系和熔铁-K体系的研究。它们对固氮反应的催化活性较一般工业催化剂体系和电子授受体配合物体系高。
目前对生物固氮的研究有很大进展，但都还未能达到工业生产的要求，还需要进一步研究。

生物固氮

某些微生物将分子态氮还原为氨，进一步同化为氨基酸和蛋白质的过程。具这种特性的微生物称固氮微生物。根据与植物和其他生物的关系，将独自生活时即具备固氮能力的称自生固氮微生物，其固氮行为称自生固氮作用。在两种生物紧密地生活在一起时才能固氮的称共生固氮微生物，其固氮行为称共生固氮作用。后者具有彼此单独生活时所没有的形态结构（如根瘤），或由于稳定共生而成为一类独特的生物（如地衣）。另外，有些固氮微生物在植物根系中生活时，固氮能力要比在土壤中单独生活时强得多，此称联合固氮型。

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生物固氮

某些微生物，如自生固氮菌，根瘤菌、某些光合细菌和蓝绿藻等通过体内固氮酶的活动，将空气中分子态形式的氮素固定转变成供植物利用的氨态氮的过程。对农业生产和维持自然界中的氮素平衡有重要意义。