生物固氮 黄朝

1、 微生物学论文 生物固氮 班级：生物工程1241 学号：201221030120 姓名： 黄朝 生物固氮 班级：生物工程1241 学号：201221030120 姓名：黄朝要点；生物固氮. 微生物. 氮循环.光合作用.类型.应用.意义.肥料。一生物固氮 氮素在自然界中有多种存在形式。其中数量最多的是大气中的氮气，总量约3.91015t。除了少数原核生物以外，其他所有的生物都不能直接利用氮气，必须通过以生物固氮为主的固氮作用才能被植物吸收利用，动物直接或间接以植物为食获取氮。 构成氮循环的主要环节是：生物体内有机氨的合成，氨化作用、硝化作用、反硝化作用和固氮作用。植物吸收土壤中的铵盐和硝酸盐，进

2、而将这些无机氮同化成植物体内的蛋白质等有机氮。动物直接或间接以植物为食物，将植物体内的有机氮同化成动物体内的有机氮。这一过程叫做生物体内有机氮的合成。动植物的遗体、排泄物的残落物中的有机氮被微生物分解后形成氨，这一过程叫做氨化作用。 氨化作用和硝化作用产生的无机盐，都能被植物吸收利用。在氧气不足的条件下，土中的硝酸盐被反硝化细菌等多种微生物还原成亚硝酸盐，并且进一步还原成分子态氮，分子态氮则返回到大气中，这一过程叫做反硝化作用。 大气中的分子态氮被还原成氨，这一过程叫做固氮作用。没有固氮作用，大气中的分子态氮就不能被植物吸收利用。 地球上固氮作用的途径有三种：生物固氮、工业固氮和大气固氮。据科

3、学家估算，每年生物固氮的总量占地球上固氮总量的90%左右，可见，生物固氮在地球的氮循环中具有十分重要的作用。 氮素是农作物从土壤中吸收的一种大量元素，土壤每年因此要失去大量的氮素。大量施用氮素化肥能保证植物的生长需要，使粮食增产，但同时又造成土壤板结和环境污染。所以人们研究生物固氮，通过生物固氮这条途径使土壤中的氮素得到补充，有利于环保和可持续发展。二.生物固氮（fixation of molecular nitrogen） 1、定义及其作用：N2还原成NH3的过程，生态平衡、土壤肥力、节约能源避免污染。 2、固氮微生物种类 自生固氮菌：独立进行固氮的微生物，种类繁多（生理营养类型） 共生固氮

4、菌：与它种生物共生才能固氮。 联合固氮菌：必须生活在水稻、甘蔗、玉米等植物的根际、叶面或动物肠道等处才能固氮。 3、固氮的生化机制 总反应式：N2+be+6H+12ATP2NH3+12ADP+12Pi 条件：固氮酶、能量/产能体系、还原力及其载体、还原底物N2、Mg、严格厌氧微环境。 固氮酶测定方法：微量克氏定氮法、同位素法、乙炔还原法。 固氮酶组成及其功能固氮的生化途径氨的去路 4、好氧性固氮菌固氮酶的抗氧机制 自生固氮菌：呼吸保护、构象保护 蓝细菌：异型胞，非异胞蓝细菌（时间分隔、束状群体、过氧化物酶活力） 根瘤菌：豆科植物共生根瘤菌（类菌体周膜、豆血经蛋白），非豆科植物共生根瘤菌（植物血

5、红蛋白、泡囊）。三固氮类型固氮：将空气中的氮分子转化成氮化合物的过程。生物固氮：固氮微生物将空气中的还原成氨的过程。固氮包括高能固氮，生物固氮，化能固氮。每年生物固氮的总量占地球上固氮总量的90%左右，生物固氮在氮循环中起重要作用。四生物固氮的意义： 1. 植物吸收土壤中的氨盐和硝酸盐，在体内将无机氮转化为有机氮 2. 动物直接或间接以植物为食，同化形成动物有机氮 3. 动植物有机氮被微生物分解成氨氨化作用 4. 氨或氨盐在硝化细菌的作用下最终氧化成硝酸盐-硝化作用 5. 硝酸盐被反硝化细菌等还原成亚硝酸盐，进一步形成分子态氮返回大气反硝化作用 6.意义：没有以生物固氮为主的固氮作用大气中的分

6、子态氮就不能被植物吸收利用。生物固氮在氮循环中有十分重要的意义。五.生物固氮的应用及发展前景 1，生物固氮在农业生产中的应用 生物固氮在农业生产中具有十分重要的作用。氮素是农作物从土壤中吸收的一种大量元素，土壤每年因此要失去大量的氮素。如果土壤每年得不到足够的氮素以弥补损失，土壤的含氮量就会下降。土壤可以通过两条途径获得氮素：一条是含氮肥料（包括氮素化肥和各种农家肥料）的施用；另一条是生物固氮。科学家在20世纪80年代推算过，全世界每年施用的氮素化肥中的氮素大约有8*107t，而自然界每年通过生物固氮所提供的氮素，则高达4*108t。 对豆科作物进行根瘤菌拌种，是提高豆科作物产量的一项有效措施

7、。播种前，将豆科作物的种子沾上与该种豆科作物相适应的根瘤菌，这显然有利于该种豆科作物结瘤固氮。特别是新开垦的农田和未种植过豆科作物的土壤中，根瘤菌很少，并且常常不能使豆科作物结瘤固氮，更需要进行根瘤菌拌种。对比实验表明，在其他条件相同的情况下，经过根瘤菌拌的豆科作物，可以增产10%20%。用豆科值物做绿肥，例如将田箐、苜蓿或紫云英等的新鲜植物直接耕埋或堆沤后施用到农田中，可以明显增加土壤中氮的含量。科学家统计过，一般地说，1hm2农田使用7500kg绿肥，可以增产粮食750kg。如果用新鲜的豆科植物饲养家畜，再将家畜的粪便还田，则既可以使土壤肥沃，又可以获得更多的粮食和畜产品。2, 生物固氮的

8、研究方向 随着分子生物学的进展，固氮的遗传工程受到了广泛重视，已成为目前最活跃的研究领域。遗传工程是用人工方法去改变生物体的遗传特性或者按照人们的意愿去创造新物种。对于固氮微生物来说，固氮基因操纵和调节固氮酶的合成，从而使固氮微生物具有固氮作用。如果将固氮基因进行人工转移，就可能获得具有固氮作用的新物种。有关这方面的研究目前主要在以下几方面进行探索：一是培育新的固氮微生物，以提高固氮效率或赋予非固氮微生物以固氮能力；二是改变结瘤的识别过程或将固氮基因转移到根瘤病杆菌中，以使非豆科植物结瘤固氮，扩大固氮作物的范围；三是应用遗传工程培育不依赖固氮微生物的自主固氮的植物。这些研究如能成功，将对农业生

9、产产生深刻的影响。 六1.固氮菌类肥料 （1）筛选或用遗传改造手段提高自生固氮菌和联合固氮菌的抗氨和泌氨的能力，降低或克服氨对固氮菌固氮作用的反馈抑制，为作物和土壤提供更多的固氮量。 （2）联合固氮关系的紧密化和有效化联合作用是指固氮微生物在禾本科等植物根际、根表籍趋化和营养关系，两者所形成的一种松散、互利的形式。这种联合固氮特异性差，联合关系不稳定；另一为固氮能力不高和固氮量少，固氮作用受铵的反馈抑制。自然界中存在的这一体系对作物的氮素贡献有限。如果可以通过必要的方法和手段，克服联合固氮中存在的主要限制因素，将能充分利用这些资源，为禾谷类作物提供更多的氮素。为提高这类微生物对作物氮的贡献，第

10、一种有效方法是导入特定的凝集素基因(lectin genes)，使微生物与作物联合关系更加紧密。第二种是植物促生菌(PGPB：Plant Growth Promoting Bacteria)对联合更多的作用，因为它可分泌对植物根系有刺激作用植物激素，有利于根系的大量繁殖和吸收更多的养分。从而加强植物与微生物之间的联合关系。第三，筛选或用基因工程构建可分泌铵离子和有氨存在下仍然能固氮的菌株。最近已有文献报道分离得到这类固氮的突变株，这就可克服常见的联合固氮菌如固氮螺菌(Azospirillum)中存在的缺乏分泌铵离子能力的问题。这些问题的解决将有助于将来有效的联合固氮体系的建立。 （3）固氮芽胞杆菌因为其生产和农业应用的优点而引起人们的关注，已有一些企业用这类菌株进行生产。 2 .根瘤菌肥料（1）高固氮、抗逆、高竞争力的优良菌株的筛选(1)有针对性地选育出适合某地区某土壤类型主栽品种的高固氮力、高竞争结瘤能力的优良菌株代替已有生产菌株。所选菌株应以对某种豆科作物专一性强，而对同一种豆科作物的不同品种专性不强、即广谱性菌株适应范围广为目标，以利于批量生产。(2)筛选抗逆性强的生产菌株，在中、低产地区因条件恶劣土壤中缺乏有效根瘤菌，接种根瘤菌容易见效，但必需对所选菌株的耐盐、耐酸和抗干性进行鉴定，从中筛选出抗性强、固氮力高的菌株，提高豆科作物