生物固氮原理

关于生物固氮原理大气中的N2尿素及动植物遗体NO3-土壤中的微生物NH3NO3-氮素化肥自然界中的N循环第2页,共22页，2024年2月25日，星期天固氮N2NH3工厂N2NH3闪电等N2NH3固氮微生物工业固氮:高能固氮:生物固氮:第3页,共22页，2024年2月25日，星期天固氮微生物的种类按生物分类学分按与植物关系分2、氮单孢菌属3、拜耶林克氏菌属4、德克斯氏菌属自生固氮微生物1、固氮菌属共生固氮微生物第4页,共22页，2024年2月25日，星期天固氮菌的发现

1901年，M.W.拜耶林克首先发现并描述了这类细菌，他定名的有2个种：一是褐色固氮菌,常生存于中性或碱性土壤中；一是活泼固氮菌，常生存于水中。

1938年，C.H.维诺格拉茨基将生产孢囊的菌株（以褐色固氮菌为代表）归属于固氮菌属，将不产生孢囊的菌株（以活泼固氮菌为代表）归属于氮单孢菌属。

1950年，H.G.德克斯先后提出建立拜耶林克氏菌属和德克斯氏菌属。第5页,共22页，2024年2月25日，星期天什么是固氮菌细菌的一科。菌体杆状、卵圆形或球形，无内生芽孢，革兰氏染色阴性。严格好氧性，有机营养型，能固定空气中的氮素。第6页,共22页，2024年2月25日，星期天生物固氮(nitrogenfixation)定义：分子态氮在生物体内还原为氨的过程特点：1、生物固氮是固氮微生物的一种特殊的生理功能，具固氮作用的微生物约近50个属，它们的生活方式、固氮作用类型有较大区别，但细胞内都具有固氮酶

第7页,共22页，2024年2月25日，星期天2、不同固氮微生物的固氮酶均由钼铁蛋白和铁蛋白组成。固氮酶必须在厌氧条件下，即在低的氧化还原条件下才能催化反应3、固氮作用过程十分复杂，目前还不完全清楚。

第8页,共22页，2024年2月25日，星期天固氮作用的总反应可用简式表示：e-+H+ATPADP+PiN2NH3乙炔乙烯固氮酶第9页,共22页，2024年2月25日，星期天固氮酶！！第10页,共22页，2024年2月25日，星期天固氮酶由2种蛋白质组成：一种为含有钼和铁的钼铁蛋白，分子量为200000；另一种为含铁的铁蛋白,分子量为65000。铁蛋白具有很强的还原力，它提供电子给钼铁蛋白。钼铁蛋白能与氮气分子络合，然后使之还原为氨。在这个过程中，需要腺苷三磷酸(ATP)提供能量和铁氧还蛋白充当强还原剂。第11页,共22页，2024年2月25日，星期天一、固氮酶的催化反应固氮酶来源于多种固氮微生物,能催化大气中的N2还原为NH3,N2+8H++8e-+16MgATP→

2NH3

+H2+16MgADP+16Pi(无机磷酸盐)第12页,共22页，2024年2月25日，星期天除催化N2还原为NH3外,固氮酶还能和许多小分子底物作用,没有严格的专一性。

如：氮酶催化反应HCN+6H++6e→CH4+NH3

N2O+3H++2e→N2+NH3C2H2+2H++2e→C2H4第13页,共22页，2024年2月25日，星期天二、固氮酶的组成和结构固氮酶由各种固氮微生物分离出来,均为由钼铁蛋白和铁蛋白组成。1993年才基本确定功能:铁蛋白是依赖于ATP供给能量的电子传递体,把电子传递给钼铁蛋白,钼铁蛋白结合底物（N2）分子并催化其还原。第14页,共22页，2024年2月25日，星期天三、固氮酶作用机理研究固氮酶中铁蛋白的作用是传递电子,钼铁蛋白与底物结合并还原N2的催化部位,即N2只有与钼铁蛋白结合、方可被催化还原为NH3。固氮酶的作用机理包括:

电子的传递、N2分子的键合、催化和还原等。第15页,共22页，2024年2月25日，星期天1.电子的传递研究表明，在固氮酶催化N2和其他底物的还原反应中，电子传递顺序为：（活体内）铁氧还蛋白或黄素蛋白（活体外）Na2S2O4}

铁蛋白

钼铁蛋白→底物

→

MgATP第16页,共22页，2024年2月25日，星期天2.底物的结合和还原MoFeP辅基是底物结合的部位，从铁钼辅基中铁配位不饱和的事实出发，一般认为，底物是通过与三角形配位的铁配位而结合的。但也有其他观点：一种认为N2分子通过铁钼辅基中存在的Fe—Fe键形成Fe—N键而与铁钼蛋白结合；也有人认为以另一种方式结合。N2与铁钼辅基结合方式目前仍是一个未解决的问题。

FeNN-Fe

Fe

Fe

NN第17页,共22页，2024年2月25日，星期天固氮酶的作用机理小结:

电子的传递、N2分子的键合、催化和还原等。第18页,共22页，2024年2月25日，星期天意义与前景意义：

1、弥补土壤中氮素损失

2、进行根瘤菌拌种，提高豆科

作物产量第19页,共22页，2024年2月25日，星期天3、固氮微生物的固氮过程完全是生物和微生物自发进行的，无须提供任何能源和设备，因而它减少了能源的消耗。由于全部固氮过程都是生物活动，无污染物排放，有利于保护生态环境。同时，由于减少和免除了化学氮素的投入，使农产品中硝酸和亚硝酸物质大幅度降低，提高了农产品的品质，减少致癌物质对人类的危害。第20页