生物固氮菌综述.doc

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1、固氮菌的研究现状与展望摘要：固氮菌所进行的生物固氮作用是土壤中氮素的主要来源,也是固氮微生物参与自然界氮素循环的主要环节,固氮菌主要包括自生固氮菌、共生固氮菌和联合固氮菌,涵盖固氮细菌和固氮蓝细菌两者共59个属[1]。概述了固氮菌的种类，作用机理以及应用的一些知识。阐述了固氮菌的研究现状与进展，对以后固氮菌的发展方向做了一个展望。关键词：生物固氮；固氮菌；固氮菌肥料；研究进展生物固氮是自然生态系统中氮的主要来源。全球生物固氮量是巨大的，海洋生态系统每年生物固氮量在4×1013～2×1014g，陆地生态系统生物固氮量在9×1013～1.3×1014g，而工业固氮量在20世纪

2、90年代中期每年约为1.4×1014g，可见，生物固氮在农、林业生态系统平衡中起着巨大的作用[2]。生物固氮在生产实际中发挥着重要作用,为植物特别是粮食作物提供氮素、提高产量、降低化肥用量和生产成本、减少水土污染和疾病、防治土地荒漠化、建立生态平衡和促进农业可持续发展具有重要意义。而生物固氮离不开固氮菌，在自然界中具有固氮作用的微生物即是固氮菌[3]。一、固氮菌的分类根据固氮菌的生活习性，分为自生固氮菌，联合固氮菌和共生固氮菌三类。自生固氮菌是指在自由生活状态下能够固氮的细菌，其种类不多，分布很广，如圆褐固氮菌和拜叶林克氏菌。联合固氮菌是定植于植物根表和近根土壤中，有的能

3、侵入表皮和外皮层的细胞间隙，靠根系分泌物生存、繁衍，与植物根系有密切联系的固氮细菌，如雀稗固氮菌和产脂固氮螺菌。共生固氮菌只有根瘤菌一类，其广泛存在于土壤中，侵染豆科植物根部形成根瘤，能将对空气中的氮气转化为氨提供给植物。二、固氮菌的固氮作用机理俄罗斯莫斯科大学生化物理研究所的科研人员经过多年研究揭示了固氮菌生存与固氮的奥秘[4]。别尔佐娃发现，固氮菌内部酸的浓度低于外部，也就是说，固氮菌拥有自身保护办法，它的呼吸链中有一种能够处理酸的特殊酶。别尔佐娃推测，在固氮菌呼吸链中很活跃的、开始阶段起辅助作用的特殊酶在处理酸的过程中起了主要作用。别尔佐娃通过实验观察确认，正是这种

4、很活跃的酶帮助固氮菌完成酸吸收与处理任务。在这种特殊酶的带动下，其余的酶才开始工作、开始固氮。为了进一步验证实验结果，别尔佐娃将固氮菌中那个特殊的酶除掉，结果发现，固氮菌立即丧失了在酸环境中固定氮的能力。1982年，Postgate以肺炎克氏菌（Klebsiellapneumo-nlae，简称Kp）为例提出一个固氮酶催化机理模式，至今仍被广泛采用。其总反应式为：N2+8e-+8H++16Mg·ATP+16H2O→2NH3+H2+16Mg·ADP+16Pi。固氮微生物的固氮过程是在细胞内固氮酶的催化作用下进行的。不同固氮微生物的固氮酶，其催化作用的情况基本相同。在固氮酶将N

5、2还原成NH3的过程中，需要e-和H+，还需要ATP提供能量。生物固氮的过程十分复杂，简单地说，即在ATP提供能量的情况下，e-和H+通过固氮酶传递给N2，使它们还原成NH3，而乙炔和N2具有类似的接受e-还原成乙烯的能力[5]。一、固氮菌的应用1．固氮菌肥料种植业过分依赖和大量使用化肥，造成环境污染，生态失衡，能源浪费等一系列严重问题。充分发挥固氮细菌生物固氮作用，减少化肥源污染是保障农业环境持续发展的有效措施之一。国内外使用最多的固氮菌菌剂是固氮菌属和固氮螺菌属中的一些种[6]，据报道，这一类固氮菌对禾谷类作物籽粒及生物产量有明显的作用[7]。在三类固氮细菌中，自生固

6、氮菌的固氮效率最低，且由于其固氮的特殊性，所以目前农业方面主要应用联合固氮菌和共生固氮菌。固氮菌肥料的生产是最主要的固氮菌应用方式。固氮菌肥料是利用固氮微生物将大气中的分子态氮气转化为农作物能利用的氨，进而为其提供合成蛋白质所必需的氮素营养的肥料[8]。固氮菌肥料是最理想的、最有发展前途的肥料。目前固氮菌肥料的生产基本上采用液体发酵的方法。产品可分液体菌剂和固体菌剂。从发酵罐发酵结束后及时分装即成液体菌剂，发酵好的液体再用灭菌的草炭等载体吸附剂进行吸附即成固体菌剂[9]。自身固氮菌不与高等植物共生，没有寄主选择，而是独立生存于土壤中，利用土壤中的有机质或根系分泌的有机物作

7、碳源来固定空气中的氮素，或直接利用土壤中的无机氮化合物。固氮菌在土壤中分布很广，其分布主要受土壤中有机质含量、酸碱度、土壤湿度、土壤熟化程度及速效磷、钾、钙含量的影响[10]。固氮菌肥对棉花、水稻、小麦、花生、油菜、玉米、高粱、马铃薯、烟草、甘蔗以及各固氮菌肥料是含有大量好气性自身固氮菌的微生物肥料，对各种作物及蔬菜都有一定增产作用。另外，对豆科作物进行根瘤菌拌种，是我国目前农业生产中对生物固氮这项技术的最基本应用，同时也是提高豆科作物产量的一项非常有效措施。其主要方法是：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