生物固氮及其发展前景

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1、生物固氮及其发展前景摘要：本论文主要介绍生物固氮概念、固氮微生物及其种类和生物固氮发展前景。关键词：生物固氮固氮微生物固氮生化机制生物固氮展望引言：生物固氮是一个具有重大理论意义和实用价值的生化过程。生物固氮反应是一种及其温和及零污染排放的生化反应，它比人类发明的化学固氮存这无比的优越性，因后者需要消耗大量的石油原料和特殊的催化剂，并须要在高温（〜300°C）、高压（〜300个大气压）下进行。此外，若不合理地使用氮肥，还会降低农产品的质量，破坏土壤结构和降低肥力，以及造成坏境污染（如湖泊的水华和海洋的赤潮）等恶果。我国在近半

2、个世纪当中，化肥产景猛增近6000倍，其有害影响已不断出现。因此，我们应深刻认识到，只存深入研宄、开发和利用固氮微生物，才能更好的发展生态农业和达到土地可持续利用的战略目标。如果把光合作用旱作是地球上最重要的生化反应，则生物固氮作用便是地球上仅次于光合作用的生物化学反应，因为它为整个生物圈中一切生物的生存和繁荣发展提供了不可或缺和可持续供应的还原态氮化物的源泉。内容：1.生物固氮定义：指大气中的分子氮通过微生物固氮酶的催化而还原成氨的过程，生物界中只有原核生物才具有固氮能力。2.固氮微生物的种类2.1自生固氮2.1.1好氧：

3、化能异养、化能自养、光能自养2.1.2兼性厌氧：化能异养、光能异样2.1.3厌氧：化能异养、光能自养2.2共生固氮菌2.2.1根瘤：豆科植物、非豆科被子植物2.2.2植物：地衣、满江红2.3联合固氮菌2.3.1根际（热带、温带）2.3.2叶面2.3.3动物肠道2.固氮的生化机制3.1生物固氮反应的6要素3.1.1ATP的供应巾于N^N分子中存在3个共价键，故要把这种极端的分子打开就得花费巨大能量。固氮过程中把N2还原成2NH3时消耗的大景ATP（N2:ATP=k（18〜24）是由呼吸、厌氧呼吸、发酵或光合磷酸化作用提供的。3

4、.1.2还原力［H］及其传递载体固氮反应中所需大量的还原力（N2:［Hl=l:8）必须以NAD（P）H+H+的形成提供。［H］由低电势的电子载体铁氧还蛋白（edoxin,一种硫铁蛋白）或黄素氧还蛋白（F1d，一种黄素蛋白）传递至固氮酶上3.1.3固氮酶固氮酶是一种复合蛋白，由固二氮酶还原酶两种相互分离的蛋白构成，它们对氧都高度敏感。固二氮酶是一种含铁和钼的蛋白，铁和钼组成一个称为“FeM0C0”的辅助因子，它是还原N2的活性中心。而固二氮酶还原酶则是只含铁的蛋白。某些固氮菌处于不同生长条件下时，还可合成其他不含钼的固氮酶，称

5、为“替补固氮酶”，具有适应极度缺钼环境下还能正常进行牛/物固氮的功能3.1.4还原底物N2.3.1.5镁离子3.1.6严格的厌氧微环境。3.2测定固氮酶活力的乙炔还原法测定固氮酶活力的经典方法曾有过粗放的微景氏定氮法和烦琐的同位素法等。1996年，M.J.Dilworth和R.Scholhorn等人分别发表了既灵敏又简单的利用气相色谱仪测定固氮酶活性的乙炔还原法，大大推动了固氮生化的研究。已知固氮生化除了能催化N2—NH3的反应，还可能催化许多反应，包括2H++2e-—H2和C2H2—C2H4等反应，在后一反应中，这两种气体

6、量的微小变化也能用气相色谱仪检测出来。测定时，只要把带测测细菌制成悬浮液，放在含有10%C2H2空气（对好氧菌）或C2H2的氮气（对厌氧菌）的密闭容器中，经适当培养后，按不同时间用针筒抽取少量的气体至气相色谱仪测定，即可获得是否固氮及固氮强度等准确数据。由于乙炔还原法的灵敏高度、设备较简单、成本低廉和操作方便，故很快成为任何研宄固氮实验室中的常规方法。3.3固氮的生化途径H前所知道的生物固氮的总反应是:N2+8［H］+16〜24ATP->2NH3+H2+16〜24ADP+16〜24Pi整个固氮过程主要经历以下几个环节：①由F

7、d或Fid向氧化型二氮酶还原酶的铁原子提供一个电子，使其还原；②还原型的固二氮酶还原酶与ATP-Mg结合，改变丫构象；③固二氮酶在“FeMoCo”的Mo位点上与分子氮結合，并与固二氮酶还原酶-Mg-ATP复合物反应，形成了一个1:1复合物，即完整的固氮酶；④在固氮酶分子上，有一个电子从固氮酶还原酶-Mg-ATP复合物转移到固氮酶的铁原子上，这时固氮酶还原酶重新转变为氧化态，同时ATP也就水解成ADP+Pi;⑤通过上述过程连续6次（用打点子的箭头表示）的运转，才可使固二氮酶释放2个NH3分子；⑥还原一个N2分子，理论上仅需6个

8、电子，而实际测定却需8个电子，其中2个消耗在产H2必须强调指出的是，上述一切生化反应都必须受活细胞中各种“氧障”的严密保护，以保证固氮酶免受失活。3.4固氮酶的产氢反应固氮酶除能催化N2->NH3夕卜，还具有催化2H++2e-一H2反应的氢化酶的活性。当固氮菌在缺N2环境下，也只是把75%