基本介紹
簡介,作用性,
簡介
分子式：
CAS號：
作用性
生物固氮作用（biologicalnitrogenfixatio）：大氣中的氮被原還為氨的過程。生物固氮只發生在少數的細菌和藻類中。
估計全球每年生物固氮作用所固定的氮（N2）約達17500萬噸，其中耕地土壤約有4400萬噸，超過了每年施入土壤4000萬噸肥料氮素（工業固氮）的量（Burris，1977）。因此，生物固氮作用有很大潛力。
固氮微生物種類：到1982年固氮微生物達70多個屬，大多數是原核微生物（細、放、藍細菌），也有真菌。根據固氮微生物與高等植物以及其他生物關係，分為二個類型。
1．自生固氮微生物——在土壤中或培養基中，獨自生活時能固定了氨態氮。在進行固氮作用時對植物或其它生物沒有明顯的依存關係。
有好氣性、厭氣性、兼厭氣性有化能自養異養，光能自養、異養型生固氮微生物。
2．共生固氮微生物――二種微生物緊密地生長在一起時，由固氮的共生菌進行分子態氮的還原作用。
自生固氮微生物生物固氮作用的條件：
1、防氧保護系統（好氣性固定微生物需具備之）；
2、能量和電子供體，以及傳遞電子的電子載體系統；
3、固氮酶催化系統；
4、氨、胺基酸同化成蛋白質系統；
共生固氮微生物生物固氮作用的條件則更複雜。
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生物固氮系統
具有生物固氮能力的僅限於原核生物，即細菌和藍綠藻。有些固氮微生物，如藍綠藻自生於陸地或水域生態系統中，其他則群生於寄生植物的根際，其中對高等植物最為重要的有與豆科植物或結瘤的非豆科植物共生的固氮微生物。在陸地生態系統中主要有三種固氮體系，即共生固氮、聯合固氮和自生固氮體系。三種固氮體系中，能源和固氮能力都存在明顯差異。共生體系由於固氮微生物直接從寄主植物獲得碳水化合物作為固氮能源，其固氮能力最強。豆科(Leguminosae)植物近2000個種中約有15%具有共生固氮系統，其中近300種豆科植物中有90%與根瘤菌共生形成根瘤。如大豆、蠶豆、三葉草、苜蓿與根瘤菌的共生，是農業中最重要的共生體系。在森林和林地中有8個科23個屬的植物與固氮微生物形成共生體系。如赤楊屬(Alnus)和薊木屬(Ceanothus)與放線菌之間形成結瘤共生體系。這些非豆科植物是缺氮土壤的先鋒植物。
豆科植物根上的根瘤是由於根瘤菌侵入根部後形成的，根瘤是固氮的場所。根瘤菌侵入寄主的過程很複雜。在根瘤菌入侵寄主根毛或表皮細胞之前，土壤中的根瘤菌是一種不能運動的小球菌(圖5-19)。由於植物根分泌物(胺基酸、維生素)的影響，這些小球菌產生鞭毛，具有移動侵入寄主的能力。根瘤菌在根表面分泌某種未知物質(分子)使根毛彎曲。這種物質的分泌受到根釋放成分(如類黃酮)的促進。此後，根瘤菌分泌酶溶解根毛細胞壁，根瘤菌隨即由此處侵入根毛，根毛形成侵染絲(infectionthread)。根瘤菌在侵染絲中大量繁殖隨侵染絲進入皮層。根瘤菌被釋放到皮層細胞質中，刺激細胞的分裂和生長形成根瘤(rootnodule)(圖5-19)。根瘤中大部分為含有根瘤菌的四倍體細胞，只有少部分為未被侵染的二倍體細胞。成熟根瘤中的根瘤菌失去鞭毛而成為不能移動的類菌體(bacteriod)，一個典型的根瘤細胞中通常含有數千個類菌體，這些類菌體在細胞內聚成一個個小群體，每個小群體有數個類菌體組成(大豆根瘤中為4～6個)。每群體外面有一層膜包著，此膜稱為類菌體外周膜(peribacteroidmembrane)，在此膜與類菌體之間的空間稱為類菌體外周空間(peribacteriodspace)。在類菌體外周膜以外的細胞質中存在著豆血紅蛋白(leghemoglobin)。此蛋白含有紅色的血紅素基團(hemegroup)。據認為豆血紅蛋白的作用是為類菌體在嚴格控制的條件下供應氧。因為類菌體的呼吸作用需要氧，但過多的氧則會抑制催化氮素固定的固氮酶的活性。
根瘤中的固氮作用只在類菌體內進行。寄主植物向類菌體供給碳水化合物，主要形式是蔗糖。類菌體利用這些糖進行呼吸作用，產生電子和ATP，將N2還原成NH4+。
2.固氮的生物化學與生理學
生物固氮的總反應式如下：
N2+8e+16MgATP+16H2O→2NH3+H2+16MgADP+16Pi+8H+
催化此反應的酶是固氮酶。固氮酶是多功能的氧化還原酶，除了還原N2以外，還能還原多種類型的底物，如乙炔、氰化物、氧化亞氮、聯氨、疊氮化物和H+等。用氣相色譜儀能很容易測定乙炔還原成乙烯的產生量，這為研究固氮酶活性提供了極為簡單的方法。該法對生物固氮研究取得重大進展發揮了作用。
固氮酶由鐵鉬蛋白(Fe-Moprotein)和鐵蛋白(Fe-protein)組成。這兩個蛋白單獨存在時都不呈現固氮酶活性，只有兩者聚合構成複合體時才有催化氮還原的功能。鐵鉬蛋白由分子量分別為51kD和60kD的2個α亞基和2個β亞基組成的四聚體(α2β2)，分子量約為220～245kD。每分子鐵鉬蛋白含有兩個鉬原子，28個鐵原子。鐵蛋白的分子量在59～73kD之間，由兩個分子量同為30kD的亞基組成(γ2)。鐵蛋白含有4個鐵原子。在氮還原為NH4+的過程中，固氮酶中的Fe和Mo都發生氧化還原反應，如圖5-20所示。類菌體利用碳水化合物進行呼吸作用產生NADH或NADPH和ATP。已經查明，固氮的天然電子傳遞體(供體)有鐵氧還蛋白、黃素氧還蛋白等。固氮生物體記憶體在著ATP和二價的金屬離子(如Mg2+)是固氮不可缺少的條件。只有在Mg2+的作用下，ATP才可以與Fe蛋白結合，而且必需有Fe-Mo蛋白的參與才發生ATP水解反應。Fe蛋白將電子傳遞給Fe-Mo蛋白的同時伴隨著ATP水解產生ADP。Fe-Mo蛋白最後將電子傳遞給N2和質子，產生2分子NH3和1分子H2。
固氮酶對氧敏感，其催化反應需在厭氧下進行。除了專性厭氧的生物外，氧對其他固氮生物的固氮酶有損傷作用，但這些生物通過呼吸作用產生固氮必需的ATP又需要氧，所以高效率的固氮作用一般是在微氧下進行的。不同固氮生物避免氧對固氮酶傷害的機制各異。如具有異形胞的藍藻的固氮功能主要在異形胞中進行，這種細胞外有一層防氧進入的糖脂組成的外膜，缺少水光解放氧的PSⅡ，其中戊糖磷酸途徑的兩種酶活性較低，而超氧物歧化酶和脫氫酶活性都比較強，使異形胞保持了一個微氧環境。豆科植物的根瘤中類菌體有一層類菌體周膜，瘤內皮層內側細胞排列緊密並形成間隙，兩者對於保持類菌體的低氧環境十分重要。此外，根瘤細胞內的豆血紅蛋白也部分地控制著類菌體氧氣的需求。在非豆科植物共生固氮體系中，在與放線菌共生的瘤中有囊泡存在，這種囊泡可能與藍藻的異形胞一樣具有防氧功能。很明顯，共生體系中的根瘤本身就是一個良好的氧保護系統。
在類菌體內合成的NH3(很可能是NH4+)要從類菌體內運出來，才能參與寄主植物中的代謝。在含類菌體細胞的細胞質中，NH4+轉化成谷醯胺、谷氨酸、天冬醯胺和醯脲。這些物質由轉移細胞分泌到木質部，運輸到植物的其他部分。
由於生物固氮的重要性，有關控制生物固氮的環境與遺傳因素的研究受到重視。研究表明，凡是能增加植物光合作用能力的因素，如合適的水分、溫度、強光照和高CO2水平等都可以促進固氮作用。豆科植物與固氮生物的遺傳因素也影響固氮作用的速率和產量。例如其中一個遺傳因素是豆科植物的結瘤能力，它依賴於根瘤菌與寄主植物之間的由遺傳控制的識別過程。為提高結瘤能力，科學工作者正在進行改造根瘤菌基因以及選擇合適的寄主品種的研究工作。另外一個遺傳因素是固氮酶在還原N2的同時還原H+。由總反應式可見，固氮酶催化的反應中有1/4的電子用於還原H+產生H2。而H2被還原後逸出進入大氣，這個過程使能量白白浪費。不過，大多數根瘤菌和自生固氮細菌均含有氫化酶，該酶將H2氧化成H2O，這一過程推動由ADP和Pi合成ATP的反應。有研究表明，與具有較高氫化酶活性的根瘤菌共生的豆科植物(如大豆)的產量比與無氫化酶活性的根瘤共生的稍高。可能是前者減少了能量的浪費。基於這種認識，通過基因工程技術可能會獲得具有更高活性的氫化酶的根瘤菌並增加豆類產量。此外，用基因工程技術將固氮基因導入非豆科植物根，促使這些植物固氮的工作也獲得了一定的進展。
植物的不同生長階段會影響生物固氮作用。如大豆、花生、木豆，通過生物固氮固定的氮素中90%在生殖階段中進行，而10%在營養生長過程中進行。奇怪的是，幾種豆類的生物固氮提供的氮素僅為其一生所需總氮量的1/4至1/2，其餘主要在營養生長階段從土壤中吸收NO3-或NH4+。不過，多施氮肥並不能增產。原因是植物對氮肥吸收增加反而使生物固氮能力下降。硝酸鹽肥料的影響有幾個方面：抑制根瘤菌與根毛的接觸，中止侵染絲的形成；根瘤生長緩慢，抑制已成熟根瘤的固氮作用；當增施NO3-和NH4+時，加速根瘤的衰老。
