生物固氮及其發(fā)展前景

1、生物固氮及其開展前景摘要：本論文主要介紹生物固氮概念、固氮微生物及其種類和生物固氮開展前景。關(guān)鍵詞：生物固氮 固氮微生物 固氮生化機制 生物固氮展望 引言：生物固氮是一個具有重大理論意義和實用價值的生化過程。生物固氮反響是一種及其溫和及零污染排放的生化反響，它比人類創(chuàng)造的化學固氮有這無比的優(yōu)越性，因后者需要消耗大量的石油原料和特殊的催化劑，并須要在高溫300、高壓300個大氣壓下進行。此外，假設(shè)不合理地使用氮肥，還會降低農(nóng)產(chǎn)品的質(zhì)量，破壞土壤結(jié)構(gòu)和降低肥力，以及造成壞境污染如湖泊的水華和海洋的赤潮等惡果。我國在近半個世紀當中，化肥產(chǎn)量猛增近6000倍，其有害影響已不斷出現(xiàn)。因此，我們應深刻認識

2、到，只有深入研究、開發(fā)和利用固氮微生物，才能更好的開展生態(tài)農(nóng)業(yè)和到達土地可持續(xù)利用的戰(zhàn)略目標。如果把光合作用旱作是地球上最重要的生化反響，那么生物固氮作用便是地球上僅次于光合作用的生物化學反響，因為它為整個生物圈中一切生物的生存和繁榮開展提供了不可或缺和可持續(xù)供給的復原態(tài)氮化物的源泉。內(nèi)容：生物固氮定義：指大氣中的分子氮通過微生物固氮酶的催化而復原成氨的過程，生物界中只有原核生物才具有固氮能力。固氮微生物的種類1 自生固氮菌 1好氧：化能異養(yǎng)、化能自養(yǎng)、光能自養(yǎng) 2兼性厭氧：化能異養(yǎng)、光能異樣 3厭氧：化能異養(yǎng)、光能自養(yǎng) 2 共生固氮菌 1根瘤：豆科植物、非豆科被子植物 2植物：地衣、滿江紅

3、3 聯(lián)合固氮菌 1根際熱帶、溫帶 2葉面 3動物腸道固氮的生化機制1生物固氮反響的6要素 1ATP的供給 由于NN分子中存在3個共價鍵，故要把這種極端的分子翻開就得花費巨大能量。固氮過程中把N2復原成2NH3時消耗的大量ATP(N2:ATP=1:(1824)是由呼吸、厭氧呼吸、發(fā)酵或光合磷酸化作用提供的。 2復原力H及其傳遞載體 固氮反響中所需大量的復原力N2H=18)必須以NAD的形成提供。由低電勢的電子載體鐵氧還蛋白(，一種硫鐵蛋白)或黃素氧還蛋白，一種黃素蛋白傳遞至固氮酶上。固氮酶固氮酶是一種復合蛋白，由固二氮酶復原酶兩種相互別離的蛋白構(gòu)成，它們對氧都高度敏感。固二氮酶是一種含鐵和鉬的蛋

4、白，鐵和鉬組成一個稱為“的輔助因子，它是復原的活性中心。而固二氮酶復原酶那么是只含鐵的蛋白。某些固氮菌處于不同生長條件下時，還可合成其他不含鉬的固氮酶，稱為“替補固氮酶，具有適應極度缺鉬環(huán)境下還能正常進行生物固氮的功能。 4復原底物N2. 5鎂離子 6嚴格的厭氧微環(huán)境。2測定固氮酶活力的乙炔復原法測定固氮酶活力的經(jīng)典方法曾有過粗放的微量氏定氮法和煩瑣的同位素法等。1996年，M.J.Dilworth和R.Scholhorn等人分別發(fā)表了既靈敏又簡單的利用氣相色譜儀測定固氮酶活性的乙炔復原法，大大推動了固氮生化的研究。固氮生化除了能催化N2NH3的反響，還可能催化許多反響，包括2H+2eH2和C

5、2H2C2H4等反響，在后一反響中，這兩種氣體量的微小變化也能用氣相色譜儀檢測出來。測定時，只要把帶測測細菌制成懸浮液，放在含有10%C2H2空氣對好氧菌或C2H2的氮氣對厭氧菌的密閉容器中，經(jīng)適當培養(yǎng)后，按不同時間用針筒抽取少量的氣體至氣相色譜儀測定，即可獲得是否固氮及固氮強度等準確數(shù)據(jù)。由于乙炔復原法的靈敏高度、設(shè)備較簡單、本錢低廉和操作方便，故很快成為任何研究固氮實驗室中的常規(guī)方法。3固氮的生化途徑目前所知道的生物固氮的總反響是：N2+8H+1624ATP2NH3+H2+1624ADP+1624Pi整個固氮過程主要經(jīng)歷以下幾個環(huán)節(jié)：由Fd或Fld向氧化型固二氮酶復原酶的鐵原子提供一個電子

6、，使其復原；復原型的固二氮酶復原酶與ATPMg結(jié)合，改變了構(gòu)象；固二氮酶在“FeMoCo的Mo位點上與分子氮結(jié)合，并與固二氮酶復原酶MgATP復合物反響，形成了一個1:1復合物，即完整的固氮酶；在固氮酶分子上，有一個電子從固氮酶復原酶MgATP復合物轉(zhuǎn)移到固氮酶的鐵原子上，這時固氮酶復原酶重新轉(zhuǎn)變?yōu)檠趸瘧B(tài)，同時ATP也就水解成ADPPi；通過上述過程連續(xù)6次用打點子的箭頭表示的運轉(zhuǎn)，才可使固二氮酶釋放2個NH3分子；復原一個N2分子，理論上僅需6個電子，而實際測定卻需8個電子，其中2個消耗在產(chǎn)H2。必須強調(diào)指出的是，上述一切生化反響都必須受活細胞中各種“氧障的嚴密保護，以保證固氮酶免受失活。4

7、固氮酶的產(chǎn)氫反響 固氮酶除能催化N2NH3外，還具有催化2H2eH2反響的氫化酶的活性。當固氮菌在缺N2環(huán)境下，也只是把75%的復原力H去復原N2，而把另外25%的H以產(chǎn)H2的方式浪費掉了。然而，在大多數(shù)固氮菌中，還存在另一種經(jīng)典的氧化酶，它能將被固氮菌浪費了的分子氫重新激活，以回收一局部復原力H和ATP。生物固氮的應用及其前景大氣中的氮，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。動物直接或間接地以植物為食物。動物體內(nèi)的一局部蛋白質(zhì)在分解過程中產(chǎn)生的尿素等含氮廢物，以及動植物遺體中的含氮物質(zhì)，被土壤中的微生物分解后形成氨，氨經(jīng)過土壤中的硝化細菌的作用，最終轉(zhuǎn)化成硝酸鹽，硝酸鹽可以被

8、植物吸收利用。在氧氣缺乏的情況下，土壤中的另一些細菌可以將硝酸鹽轉(zhuǎn)化成亞硝酸鹽并最終轉(zhuǎn)化成氮氣，氮氣那么返回到大氣中。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，它們所固定的氮素數(shù)量很少?？梢?，生物固氮在自然界氮循環(huán)中具有十分重要的作用。資料個人收集整理，勿做商業(yè)用途1農(nóng)業(yè)應用生物固氮在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中具有十分重要的作用。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。如果土壤每年得不到足夠的氮素以彌補損失，土壤的含氮量就會下降。土壤可以通過兩條途徑獲得氮素：一條是含氮肥料包括氮素化肥和各種農(nóng)家肥料的施用；另一條是生物固氮?？茖W家在20世紀8

9、0年代推算過，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，那么高達4*108t。對豆科作物進行根瘤菌拌種，是提高豆科作物產(chǎn)量的一項有效措施。播種前，將豆科作物的種子沾上與該種豆科作物相適應的根瘤菌，這顯然有利于該種豆科作物結(jié)瘤固氮。特別是新開墾的農(nóng)田和未種植過豆科作物的土壤中，根瘤菌很少，并且常常不能使豆科作物結(jié)瘤固氮，更需要進行根瘤菌拌種。比照實驗說明，在其他條件相同的情況下，經(jīng)過根瘤菌拌種的豆科作物，可以增產(chǎn)10%20%。2研究簡況1886年在第59屆德國科學家和醫(yī)生學術(shù)討論會上，德國學者赫爾利格爾(Hermann Hellriegel首次提出

10、令人驚奇的試驗結(jié)果，即當大豆生長在缺氮的土壤中時，大豆的根瘤也能使其良好生長，其機理在于其根瘤具有固氮功能。在當時稱之為根生桿菌，現(xiàn)在稱之為大豆根瘤菌的細菌對豆科植物根部的根瘤形成具有特殊的刺激作用。在根瘤菌內(nèi)，根瘤菌將大氣中的氮復原為能被植物吸收利用的氨，豆科宿主在吸收了這些氨之后又能將其轉(zhuǎn)變?yōu)楹袡C化合物，以供其生長發(fā)育之需。通過對根瘤菌進行接種培養(yǎng)后于1895年就獲得了具有很強固氮能力的根瘤菌菌種。通過添加滅菌草木灰等吸附劑之后，大批根瘤菌被施用到三葉草、豌豆和小扁豆等豆科作物的種植地中以提高其產(chǎn)量。資料個人收集整理，勿做商業(yè)用途現(xiàn)在已經(jīng)知道，在自然界具有固氮功能的生物種類很多，其中有

11、自養(yǎng)固氮生物和異養(yǎng)固氮生物這兩大類型。在異養(yǎng)固氮生物中因宿主植物的差異而被劃分為豆科植物共生固氮菌和非豆科植物共生固氮菌。盡管固氮生物多種多樣，但在其固氮過程中都需要共同的固氮基因nif的參與。在共生固氮生物中固氮體系非常復雜，除了nif基因在固氮過程中起關(guān)鍵性作用之外，其它基因的協(xié)同作用也非常重要。文檔來自于網(wǎng)絡搜索由于根瘤菌具有的特殊功能，大批熱心的研究者對其特征特性，對寄主的侵染方式、固氮機制和商業(yè)價值等進行了系統(tǒng)的研究。本世紀80年代以來，學者們一方面從分子水平進一步研究根瘤菌在豆科植物上的固氮機理和改造根瘤菌，試圖培育出活性更強的根瘤菌；另一方面利用人工誘導方式誘發(fā)非豆科作物根部結(jié)瘤

12、，試圖利用根瘤菌的特殊功能使非豆科作物也能共生固氮，以便減少農(nóng)田中氮肥的施用量，降低農(nóng)作物的生產(chǎn)本錢。除此之外，在70年代末，由于在放線菌中發(fā)現(xiàn)了弗蘭克氏菌Frankia與多種非豆科樹木能共生結(jié)瘤并具有固氮效應，因而在生物固氮研究中又產(chǎn)生了一個新的分支，即以研究弗蘭克氏菌的分類、功能、分布和應用前景為主要內(nèi)容的新領(lǐng)域。從現(xiàn)有的研究結(jié)果來看，與豆科植物的根瘤菌的固氮體系相比，利用弗蘭克氏菌具有廣譜侵染的特性，對建立新的固氮技術(shù)體系可能具有更大的意義，應用前景更廣闊。個人收集整理 勿做商業(yè)用途3展望據(jù)測算，在大氣中氮素含量為3.9×1015噸；在全球耕地內(nèi)生物固氮量理論上可到達4400萬

13、噸，約相當于全世界每年生產(chǎn)的化肥總量；全球林地面積約為4.1億公頃，其固氮總量可到達4000萬噸。由于在氮素化肥生產(chǎn)中伴隨著能源消耗和日趨嚴重的環(huán)境污染問題，人們逐漸認識到農(nóng)林業(yè)生產(chǎn)完全依賴化肥終非良策，于是，生物固氮研究日益受到各國政府的重視。通過適當方式固定大氣中的游離氮素，將其轉(zhuǎn)變?yōu)槟軈⑴c生物體新陳代謝的氨態(tài)氮是地球上維持生產(chǎn)力的一個重要的生態(tài)反響。從戰(zhàn)略上來考慮，正確的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)政策應該是既要增加糧食生產(chǎn)，又不要損害土地的持久生產(chǎn)力，而生物固氮正好能同時滿足這兩個目的。應用現(xiàn)代科學技術(shù)建立和完善生物固氮體系已經(jīng)成為解決人類目前所面臨的人口、糧食、能源和環(huán)境等問題的重要技術(shù)措施。近20年來

14、生物固氮已經(jīng)成為一個多學科的綜合性研究工程，分別在分子、細胞、個體和生態(tài)等多層次水平上，從微觀到宏觀不斷地展開著探索性研究。從目前的研究現(xiàn)狀來看，試圖通過基因工程將nif基因從豆科植物轉(zhuǎn)移到非豆科農(nóng)作物中難度比擬大，在短期內(nèi)很難實現(xiàn)，而采用細胞工程方法將根瘤菌導入非宿主農(nóng)作物細胞內(nèi)那么切實可行。除此之外，由于Frankia菌具有對宿主的侵染范圍寬、固氮活性比擬強和對氧氣不敏感等特性，在生物固氮研究中對Frankia菌的研究將更為重要，有可能由此會找到新的突破口。在Frankia菌與農(nóng)作物之間建立起新的共生固氮體系將具有更大的可能性。這項研究已呈現(xiàn)出新的苗頭，值得進一步探索。個人收集整理 勿做商

15、業(yè)用途生物固氮研究已經(jīng)引起越來越多的人的關(guān)注。在這方面的研究今后主要包括根底理論和應用根底這兩個方面。在根底理論研究中主要圍繞著誘發(fā)非豆科作物結(jié)瘤的最正確條件和提高共生固氮效能，其中包括誘導根瘤菌侵入主要農(nóng)作物共生結(jié)瘤的有效方法；提高非豆科農(nóng)作物共生結(jié)瘤固氮的效能；根瘤菌導入非豆科宿主細胞的途徑、共生部位和共生機理；采用適當?shù)募夹g(shù)措施誘導Frankia菌與主要農(nóng)作物結(jié)瘤固氮；Frankia菌共生結(jié)瘤固氮的機理等等。在應用根底研究中主要圍繞著培育新的固氮植物，其中包括通過生物技術(shù)改造固氮微生物和現(xiàn)有的農(nóng)作物，使新的固氮菌與新的農(nóng)作物更容易形成共生固氮關(guān)系?？梢钥隙?，生物固氮工程的研究已經(jīng)進入一個新的歷史階段，擴