摘? 要： 生物固氮是固氮微生物特有的一種生理功能，這種功能是在固氮酶的催化作用下進(jìn)行的。固氮生物在地球表面氮生態(tài)中起著非常重要的作用。據(jù)估計(jì)，當(dāng)今由生物固定的氮已達(dá)2.0億t/a，占地表化合態(tài)氮的65~70%，而根瘤菌豆科植物共生體固定的氮又占生物固氮量的65%以上。環(huán)境因子的限制一直是豆科植物一根瘤菌共生固氮體系沒有在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中充分發(fā)揮作用的重要原因之一。目前，研究涉及的環(huán)境因子主要行水分、礦質(zhì)營(yíng)養(yǎng)元素、溫度、重金屬、鈉鹽、CO2、土壤類型以及pH等。

關(guān)鍵詞：固氮；固氮酶；豆科；根瘤菌

1. 生物固氮研究歷史

大氣中的氮，必須通過以生物固氮為主的固氮作用，才能被植物吸收利用。在固氮微生物的固氮酶催化作用下，把分子氮轉(zhuǎn)化為氨，進(jìn)而合成為有機(jī)氮化合物。這叫做固氮作用。[1]

1862年，人們確定了固氮生物的存在，并發(fā)現(xiàn)了自生固氮菌以及根瘤菌與高等植物共生后可以固定空氣中氮素的現(xiàn)象。到目前為止，生物固氮的研究已經(jīng)有一百四十多年了。期間的研究領(lǐng)域涉及到形態(tài)結(jié)構(gòu)、細(xì)胞水平、分子水平及遺傳等諸多領(lǐng)域。[2]

2. 生物固氮原理簡(jiǎn)介

生物固氮是固氮微生物特有的一種生理功能，這種功能是在固氮酶的催化作用下進(jìn)行的。固氮酶是一種能夠?qū)⒎肿拥€原成氨的酶。固氮酶是由兩種蛋白質(zhì)組成的：一種含有鐵，叫做鐵蛋白，另一種含有鐵和鉬，叫做鉬鐵蛋白。只有鐵蛋白和鉬鐵蛋白同時(shí)存在，固氮酶才具有固氮的作用。生物固氮過程可以用下面的反應(yīng)式概括表示：

N2+6H++nMg-ATP+6e-+固氮酶→2NMH3+nMg-ADP+nPi

分析上面的反應(yīng)式可以看出，分子氮的還原過程是在固氮酶的催化作用下進(jìn)行的。有三點(diǎn)需要說明：第一，ATP一定要與鎂(Mg)結(jié)合，形成Mg-ATP復(fù)合物后才能起作用；第二，固氮酶具有底物多樣性的特點(diǎn)，除了能夠催化N2還原成NH3以外，還能催化乙炔還原成乙烯(固氮酶催化乙炔還原成乙烯的化學(xué)反應(yīng)，常被科學(xué)家用來測(cè)定固氮酶的活性)等；第三，生物固氮過程中實(shí)際上還需要黃素氧還蛋白或鐵氧還蛋白參與，這兩種物質(zhì)作為電子載體能夠起到傳遞電子的作用。

鐵蛋白與Mg-ATP結(jié)合以后，被黃素氧還蛋白或鐵氧還蛋白還原，并與鉬鐵蛋白暫時(shí)結(jié)合以傳遞電子。鐵蛋白每傳遞一個(gè)電子給鉬鐵蛋白， 同時(shí)伴隨有兩個(gè)Mg-ATP的水解。在這一催化反應(yīng)中，鐵蛋白反復(fù)氧化和還原，只有這樣，e-和H+才能依次通過鐵蛋白和鉬鐵蛋白，最終傳遞給N2和乙炔，使它們分別還原成NH3和乙烯。[3]

3. 固氮微生物的種類

固氮微生物主要指具有因氮功能的細(xì)菌,此外,還包括一些具有固氮功能的放線菌和藍(lán)藻。

自然界中有兩類固氮微生物：一類是共生固氮微生物；另一類是自生固氮微生物。自生固氮微生物是指在土壤中能夠獨(dú)立進(jìn)行固氮的微生物。代表生物：圓褐固氮菌（屬于細(xì)菌）：具有較強(qiáng)的固氮能力，并且能夠分泌生長(zhǎng)素，促進(jìn)植物生長(zhǎng)和果實(shí)發(fā)育。共生固氮微生物是指與一些綠色植物互利共生的固氮微生物。人們熟悉的共生固氮微生物是根瘤菌。根瘤菌在土壤中分布廣泛，但是只有侵入到豆科植物的根內(nèi)才能固氮。根瘤菌固定的氮素，占自然界生物固氮總量的絕大部分。

根瘤菌是一類需氧的異養(yǎng)細(xì)菌。不同的根瘤菌，各自只能侵入特定種類的豆科植物：有的根瘤菌只能侵入一種豆科植物，例如從大豆的根瘤中分離出來的根瘤菌，只能侵入大豆的根；有的根瘤菌能夠侵入多種豆科植物，例如從蠶豆的根瘤中分離出來的根瘤菌，可以侵入蠶豆、菜豆和豇豆的根。據(jù)科學(xué)家分析，豆科植物從根瘤中獲得的氮素，占其一生中所需氮素的30%～80%。所以說，一個(gè)根瘤就是一座“小氮肥廠”。衰老的根瘤呈白色或青綠色，根瘤菌的固氮能力明顯減弱。衰老的根瘤破潰后，里面的根瘤菌以及一些含氮化合物則遺留在土壤中。

4. 生物固氮在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中的應(yīng)用

固氮生物在地球表面氮生態(tài)中起著非常重要的作用。據(jù)估計(jì)，當(dāng)今由生物固定的氮已達(dá)2.0億t/a，占地表化合態(tài)氮的65～70%，而根瘤菌豆科植物共生體固定的氮又占生物固氮量的65%以上。

豆科植物固氮量表[4]

除了生物固氮以外，生產(chǎn)氮素化肥的工廠以及閃電等也可以固氮，但是，同生物固氮相比，它們所固定的氮素?cái)?shù)量很少。全世界每年施用的氮素化肥中的氮素大約有8×107t，而自然界每年通過生物固氮所提供的氮素，則高達(dá)4×108t。[5]

氮素是農(nóng)作物從土壤中吸收的一種大量元素，土壤每年因此要失去大量的氮素大量施用氮素化肥能保證植物的生長(zhǎng)需要，使糧食增產(chǎn)，1913年，Haber Bosch發(fā)明了用化學(xué)方法生產(chǎn)氮肥，在高溫高壓下催化N2為NH3。至2000年，全世界用此法生產(chǎn)氮肥已達(dá)8000多萬t，據(jù)估計(jì)靠它養(yǎng)活了世界1/2人口。[6]但過量施用化肥己造成較大的負(fù)面影響：第一，氮肥施用量愈大，肥效愈低，利用率僅35%，甚至更低；第二，硝酸鹽隨水滲漏，己造成環(huán)境較嚴(yán)重污染；第三，單純施用化肥，土壤板結(jié)，肥力下降；第四，隨著我國(guó)人口增長(zhǎng)，如仍按糧食需要生產(chǎn)工業(yè)氮肥，將給能源造成更大壓力。所以人們研究生物固氮，通過生物固氮這條途徑使土壤中的氮素得到補(bǔ)充，有利于環(huán)保和可持續(xù)發(fā)展。[7]

根據(jù)生物固氮原理，以下措施可以提高土壤的含氮量：

(1) 將圓褐固氮菌制成菌劑，施到土壤，可提高農(nóng)作物產(chǎn)量。

(2) 對(duì)豆科植物進(jìn)行根瘤菌拌種，也能提高豆科植物產(chǎn)量。

(3) 用豆科植物做綠肥可以增加土壤含氮量，有利于農(nóng)作物的增產(chǎn)。

(4) 通過轉(zhuǎn)基因技術(shù)，可將固氮基因轉(zhuǎn)到非豆科植物中。

5. 環(huán)境對(duì)固氮的影響

環(huán)境因子的限制一直是豆科植物一根瘤菌共生固氮體系沒有在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中充分發(fā)揮作用的重要原因之一。

目前，研究涉及的環(huán)境因子主要行水分、礦質(zhì)營(yíng)養(yǎng)元素、溫度、重金屬、鈉鹽、CO2、土壤類型以及pH等。[8]水分脅迫會(huì)導(dǎo)致豆科植物根瘤減少和固氮效率低下；礦質(zhì)元素方面，除氮磷鉀外，微量元素對(duì)固氮影響也很明顯；除上述環(huán)境因子以外，還有土壤類型、土壤pH、CO2 濃度、抗生素、光照等科植物的結(jié)瘤固氮產(chǎn)生一定的限制；重金屬能從不同方面直接和間接地影響共生同氮。[9]

總結(jié)及展望

化學(xué)氮肥在解決人類溫飽問題中起了極為重要的作用，但近年發(fā)現(xiàn)過量施用化肥有較大的負(fù)面影響。尤其是在環(huán)境領(lǐng)域，化肥的過量使用造成土壤板結(jié)、鹽堿化，多余的農(nóng)田退水更是引起氮磷超標(biāo)，使水體嚴(yán)重富營(yíng)養(yǎng)化。為解決化學(xué)氮肥的過量使用帶來的負(fù)面影響，建議在荒漠貧瘠地區(qū)加大豆科植物種植面積,充分發(fā)揮生物固氮的作用，利用豆科植物的固氮促進(jìn)其他植物的高產(chǎn)，減少化學(xué)氮肥用量、降低環(huán)境污染、改善生態(tài)環(huán)境，保障農(nóng)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展的目的。

當(dāng)前，生物固氮研究已進(jìn)入一個(gè)新階段，其特點(diǎn)是多學(xué)科交叉，將基礎(chǔ)研究和應(yīng)用前景相結(jié)合，開拓了思路。

將固氮細(xì)菌體內(nèi)的固氮基因轉(zhuǎn)移到非豆科糧食作物的細(xì)胞內(nèi)，在固氮基因的調(diào)控下，讓非豆科糧食作物的細(xì)胞內(nèi)合成出固氮酶并且固氮，這是解決非豆科糧食作物自行固氮的一條重要途徑，這一途徑叫做固氮基因工程。20世紀(jì)80年代初期，科學(xué)家發(fā)現(xiàn)了某種固氮細(xì)菌的固氮基因。這些固氮基因多達(dá)二十幾個(gè)，它們共同調(diào)控著該種細(xì)菌的固氮功能?？茖W(xué)家將這些固氮基因轉(zhuǎn)移到大腸桿菌這種原核生物的細(xì)胞里，使本來不能固氮的大腸桿菌變成了能夠固氮的大腸桿菌。后來，科學(xué)家又把固氮基因轉(zhuǎn)移到酵母菌這種最簡(jiǎn)單的單細(xì)胞真核生物中，但是這種酵母菌只能合成出構(gòu)成固氮酶的部分蛋白質(zhì)?？茖W(xué)家最終希望的是把固氮基因轉(zhuǎn)移到小麥、水稻等糧食作物的體內(nèi)，并且讓這些農(nóng)作物自行固氮。遺憾的是，這樣的實(shí)驗(yàn)至今還沒有獲得成功。這說明在原核生物之間進(jìn)行固氮基因的轉(zhuǎn)移并且實(shí)現(xiàn)固氮比較容易，而將固氮基因從原核生物轉(zhuǎn)移到真核生物中，使小麥、水稻等真核生物實(shí)現(xiàn)生物固氮，困難就大得多了。

參考文獻(xiàn)：

[1]周群英,高廷耀,環(huán)境工程微生物學(xué),高等教育出版社,2000, p211-212

[2]婁志義,生物固氮研究的大事記,生物學(xué)教學(xué)2005,30(4):60-62

[3]人民教育出版社生物自然室,生物選修(全一冊(cè)),人民教育出版社,2000: 36-41

[4]Werner D., Physiology of Nitrogen-fixing Legume Nodules:Compartments and Functions [J].In: Stacey G, Burris R, Evans H. eds.Biological Nitrogen Fixation, New ? York: Chapman and Hal1, 1992:399-431

[5]陳文新,陳文峰,發(fā)揮生物固氮作用減少化學(xué)氮肥用量,中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)導(dǎo)報(bào),2004, 6:3-6

[6]Paul E F and Ford B W, Nitrogen fertilizers: MeetingContemporary Challenges[J], AMBIO, 2002,31(2):169-176

[7]朱兆良,合理使用化肥充分利用有機(jī)肥,發(fā)展環(huán)境友好的施肥體系,中國(guó)科院院刊,2003, 2: 89-93

[8]慈恩,高明,環(huán)境因子對(duì)豆科共生固氮影響的研究進(jìn)展,西北植物學(xué)報(bào),2005,6:1269-1271

[9]ZHOU S J(周蘇玖),GUO J H (郭俊紅),?????? MEN X F(門雪峰), etal. Effect on root soil system and underground part [J], Acta Agriculture Boreah-Sinica (華北農(nóng)學(xué)報(bào)),2003,l8(1):76-78(in Chinese).

The Use and Development of Biological Nitrogen Fixation

Abstract：Biological nitrogen fixation is special kind of physiology function of biological nitrogen fixation microorganism, this kind of function carries on under the catalyst function of enzyme. In nature the nitrogen fixers may fix almost 200 million tons of usable nitrogen per year across the world. And rhizobia associated with legumes fix more than 65% of those 200 million tons of nitrogen fixed by a11 nitrogen fixers. Environmental factors are always one of the major reasons why the symbiotic nitrogen—fixing systerm of rhizobia and legumes cannot come into full play in agricultural production.Now the environmental factors involved with the research include water，nutrient elements；temperature，heavy metals，sodium salts，carbon dioxide，soil types and pH，etc.