生物固氮原理

關(guān)于生物固氮原理大氣中的N2尿素及動(dòng)植物遺體NO3-土壤中的微生物NH3NO3-氮素化肥自然界中的N循環(huán)第2頁,共22頁，2024年2月25日，星期天固氮N2NH3工廠N2NH3閃電等N2NH3固氮微生物工業(yè)固氮:高能固氮:生物固氮:第3頁,共22頁，2024年2月25日，星期天固氮微生物的種類按生物分類學(xué)分按與植物關(guān)系分2、氮單孢菌屬3、拜耶林克氏菌屬4、德克斯氏菌屬自生固氮微生物1、固氮菌屬共生固氮微生物第4頁,共22頁，2024年2月25日，星期天固氮菌的發(fā)現(xiàn)

1901年，M.W.拜耶林克首先發(fā)現(xiàn)并描述了這類細(xì)菌，他定名的有2個(gè)種：一是褐色固氮菌,常生存于中性或堿性土壤中；一是活潑固氮菌，常生存于水中。

1938年，C.H.維諾格拉茨基將生產(chǎn)孢囊的菌株（以褐色固氮菌為代表）歸屬于固氮菌屬，將不產(chǎn)生孢囊的菌株（以活潑固氮菌為代表）歸屬于氮單孢菌屬。

1950年，H.G.德克斯先后提出建立拜耶林克氏菌屬和德克斯氏菌屬。第5頁,共22頁，2024年2月25日，星期天什么是固氮菌細(xì)菌的一科。菌體桿狀、卵圓形或球形，無內(nèi)生芽孢，革蘭氏染色陰性。嚴(yán)格好氧性，有機(jī)營養(yǎng)型，能固定空氣中的氮素。第6頁,共22頁，2024年2月25日，星期天生物固氮(nitrogenfixation)定義：分子態(tài)氮在生物體內(nèi)還原為氨的過程特點(diǎn)：1、生物固氮是固氮微生物的一種特殊的生理功能，具固氮作用的微生物約近50個(gè)屬，它們的生活方式、固氮作用類型有較大區(qū)別，但細(xì)胞內(nèi)都具有固氮酶

第7頁,共22頁，2024年2月25日，星期天2、不同固氮微生物的固氮酶均由鉬鐵蛋白和鐵蛋白組成。固氮酶必須在厭氧條件下，即在低的氧化還原條件下才能催化反應(yīng)3、固氮作用過程十分復(fù)雜，目前還不完全清楚。

第8頁,共22頁，2024年2月25日，星期天固氮作用的總反應(yīng)可用簡式表示：e-+H+ATPADP+PiN2NH3乙炔乙烯固氮酶第9頁,共22頁，2024年2月25日，星期天固氮酶??！第10頁,共22頁，2024年2月25日，星期天固氮酶由2種蛋白質(zhì)組成：一種為含有鉬和鐵的鉬鐵蛋白，分子量為200000；另一種為含鐵的鐵蛋白,分子量為65000。鐵蛋白具有很強(qiáng)的還原力，它提供電子給鉬鐵蛋白。鉬鐵蛋白能與氮?dú)夥肿咏j(luò)合，然后使之還原為氨。在這個(gè)過程中，需要腺苷三磷酸(ATP)提供能量和鐵氧還蛋白充當(dāng)強(qiáng)還原劑。第11頁,共22頁，2024年2月25日，星期天一、固氮酶的催化反應(yīng)固氮酶來源于多種固氮微生物,能催化大氣中的N2還原為NH3,N2+8H++8e-+16MgATP→

2NH3

+H2+16MgADP+16Pi(無機(jī)磷酸鹽)第12頁,共22頁，2024年2月25日，星期天除催化N2還原為NH3外,固氮酶還能和許多小分子底物作用,沒有嚴(yán)格的專一性。

如：氮酶催化反應(yīng)HCN+6H++6e→CH4+NH3

N2O+3H++2e→N2+NH3C2H2+2H++2e→C2H4第13頁,共22頁，2024年2月25日，星期天二、固氮酶的組成和結(jié)構(gòu)固氮酶由各種固氮微生物分離出來,均為由鉬鐵蛋白和鐵蛋白組成。1993年才基本確定功能:鐵蛋白是依賴于ATP供給能量的電子傳遞體,把電子傳遞給鉬鐵蛋白,鉬鐵蛋白結(jié)合底物（N2）分子并催化其還原。第14頁,共22頁，2024年2月25日，星期天三、固氮酶作用機(jī)理研究固氮酶中鐵蛋白的作用是傳遞電子,鉬鐵蛋白與底物結(jié)合并還原N2的催化部位,即N2只有與鉬鐵蛋白結(jié)合、方可被催化還原為NH3。固氮酶的作用機(jī)理包括:

電子的傳遞、N2分子的鍵合、催化和還原等。第15頁,共22頁，2024年2月25日，星期天1.電子的傳遞研究表明，在固氮酶催化N2和其他底物的還原反應(yīng)中，電子傳遞順序?yàn)椋海ɑ铙w內(nèi)）鐵氧還蛋白或黃素蛋白（活體外）Na2S2O4}

鐵蛋白

鉬鐵蛋白→底物

→

MgATP第16頁,共22頁，2024年2月25日，星期天2.底物的結(jié)合和還原MoFeP輔基是底物結(jié)合的部位，從鐵鉬輔基中鐵配位不飽和的事實(shí)出發(fā)，一般認(rèn)為，底物是通過與三角形配位的鐵配位而結(jié)合的。但也有其他觀點(diǎn)：一種認(rèn)為N2分子通過鐵鉬輔基中存在的Fe—Fe鍵形成Fe—N鍵而與鐵鉬蛋白結(jié)合；也有人認(rèn)為以另一種方式結(jié)合。N2與鐵鉬輔基結(jié)合方式目前仍是一個(gè)未解決的問題。

FeNN-Fe

Fe

Fe

NN第17頁,共22頁，2024年2月25日，星期天固氮酶的作用機(jī)理小結(jié):

電子的傳遞、N2分子的鍵合、催化和還原等。第18頁,共22頁，2024年2月25日，星期天意義與前景意義：

1、彌補(bǔ)土壤中氮素?fù)p失

2、進(jìn)行根瘤菌拌種，提高豆科

作物產(chǎn)量第19頁,共22頁，2024年2月25日，星期天3、固氮微生物的固氮過程完全是生物和微生物自發(fā)進(jìn)行的，無須提供任何能源和設(shè)備，因而它減少了能源的消耗。由于全部固氮過程都是生物活動(dòng)，無污染物排放，有利于保護(hù)生態(tài)環(huán)境。同時(shí)，由于減少和免除了化學(xué)氮素的投入，使農(nóng)產(chǎn)品中硝酸和亞硝酸物質(zhì)大幅度降低，提高了農(nóng)產(chǎn)品的品質(zhì)，減少致癌物質(zhì)對人類的危害。第20頁