生物固氮的应用与发展分析研究 环境工程专业VIP免费

生物固氮的应用与发展分析研究环境工程专业摘要：生物固氮是固氮微生物特有的一种生理功能，这种功能是在固氮酶的催化作用下进行的。固氮生物在地球表面氮生态中起着非常重要的作用。据估计，当今由生物固定的氮已达2.0亿t/a，占地表化合态氮的65~70%，而根瘤菌豆科植物共生体固定的氮又占生物固氮量的65%以上。环境因子的限制一直是豆科植物一根瘤菌共生固氮体系没有在农业生产中充分发挥作用的重要原因之一。目前，研究涉及的环境因子主要行水分、矿质营养元素、温度、重金属、钠盐、CO2、土壤类型以及pH等。关键词：固氮；固氮酶；豆科；根瘤菌1.生物固氮研究历史大气中的氮，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。在固氮微生物的固氮酶催化作用下，把分子氮转化为氨，进而合成为有机氮化合物。这叫做固氮作用。[1]1862年，人们确定了固氮生物的存在，并发现了自生固氮菌以及根瘤菌与高等植物共生后可以固定空气中氮素的现象。到目前为止，生物固氮的研究已经有一百四十多年了。期间的研究领域涉及到形态结构、细胞水平、分子水平及遗传等诸多领域。[2]2.生物固氮原理简介生物固氮是固氮微生物特有的一种生理功能，这种功能是在固氮酶的催化作用下进行的。固氮酶是一种能够将分子氮还原成氨的酶。固氮酶是由两种蛋白质组成的：一种含有铁，叫做铁蛋白，另一种含有铁和钼，叫做钼铁蛋白。只有铁蛋白和钼铁蛋白同时存在，固氮酶才具有固氮的作用。生物固氮过程可以用下面的反应式概括表示：N2＋6H+＋nMg-ATP＋6e-＋固氮酶→2NMH3＋nMg-ADP＋nPi分析上面的反应式可以看出，分子氮的还原过程是在固氮酶的催化作用下进行的。有三点需要说明：第一，ATP一定要与镁(Mg)结合，形成Mg-ATP复合物后才能起作用；第二，固氮酶具有底物多样性的特点，除了能够催化N2还原成NH3以外，还能催化乙炔还原成乙烯(固氮酶催化乙炔还原成乙烯的化学反应，常被科学家用来测定固氮酶的活性)等；第三，生物固氮过程中实际上还需要黄素氧还蛋白或铁氧还蛋白参与，这两种物质作为电子载体能够起到传递电子的作用。铁蛋白与Mg-ATP结合以后，被黄素氧还蛋白或铁氧还蛋白还原，并与钼铁蛋白暂时结合以传递电子。铁蛋白每传递一个电子给钼铁蛋白，同时伴随有两个Mg-ATP的水解。在这一催化反应中，铁蛋白反复氧化和还原，只有这样，e-和H+才能依次通过铁蛋白和钼铁蛋白，最终传递给N2和乙炔，使它们分别还原成NH3和乙烯。[3]3.固氮微生物的种类固氮微生物主要指具有因氮功能的细菌,此外,还包括一些具有固氮功能的放线菌和蓝藻。自然界中有两类固氮微生物：一类是共生固氮微生物；另一类是自生固氮微生物。自生固氮微生物是指在土壤中能够独立进行固氮的微生物。代表生物：圆褐固氮菌（属于细菌）：具有较强的固氮能力，并且能够分泌生长素，促进植物生长和果实发育。共生固氮微生物是指与一些绿色植物互利共生的固氮微生物。人们熟悉的共生固氮微生物是根瘤菌。根瘤菌在土壤中分布广泛，但是只有侵入到豆科植物的根内才能固氮。根瘤菌固定的氮素，占自然界生物固氮总量的绝大部分。根瘤菌是一类需氧的异养细菌。不同的根瘤菌，各自只能侵入特定种类的豆科植物：有的根瘤菌只能侵入一种豆科植物，例如从大豆的根瘤中分离出来的根瘤菌，只能侵入大豆的根；有的根瘤菌能够侵入多种豆科植物，例如从蚕豆的根瘤中分离出来的根瘤菌，可以侵入蚕豆、菜豆和豇豆的根。据科学家分析，豆科植物从根瘤中获得的氮素，占其一生中所需氮素的30%～80%。所以说，一个根瘤就是一座“小氮肥厂”。衰老的根瘤呈白色或青绿色，根瘤菌的固氮能力明显减弱。衰老的根瘤破溃后，里面的根瘤菌以及一些含氮化合物则遗留在土壤中。4.生物固氮在农业生产中的应用固氮生物在地球表面氮生态中起着非常重要的作用。据估计，当今由生物固定的氮已达2.0亿t/a，占地表化合态氮的65～70%，而根瘤菌豆科植物共生体固定的氮又占生物固氮量的65%以上。豆科植物固氮量表[4]植物Plant固氮量(kg(N)/hm/a)三叶草(Trifolium)45~670大豆(Glycinemax)60~300豌豆(Pisum)50~500苜蓿(Medicago)90~340羽扁豆(Lupin)140~200花生(Arachis)50~150蚕...