……………最新資料推薦…………………生物固氮摘要具有生物固氮能力的僅限于原核生物，即細菌和藍綠藻。通過對生物固氮機制、生物固氮微生物與生物固氮微生物和植物之間的關系的研究，將生物固氮作用應用于農業定將在增加作物氮源供應、培肥地力、減少化肥用量、提高作物產量，以及促進農業生產的持續發展和環境保護方面發揮其效力。關鍵詞生物固氮種類和特點固氮機制應用近20年來，生物固氮研究異常活躍，已成為世界范圍的重要課題。縱觀當前生物固氮研究的內容，大致有以下三個方面，即固氮資源的有效利用，固氮的遺傳工程和化學模擬固氮。在固氮資源的有效利用方面，許多國家都在大力發展豆科作物，通過其有效的共生固氮體系，增加生物氮源，改善土壤肥力，以促進農業增產。此外，接種根瘤菌提高豆科作物產量已在全世界范圍內使用。在稻田里接種和放養紅萍和固氮藍藻，既能增加土壤中生物氮數量，又能提高水稻的產量。這種共生固氮途徑的有效利用，在我國和東南亞一些國家已有悠久的歷史。隨著分子生物學的進展，固氮的遺傳工程受到了廣泛重視，已成為目前最活躍的研究領域。生物固氮生物固氮是生物界的一個特有的生化過程，生物固氮的實質是在常溫常壓水溶液中，通過生物體酶的催化，由還原劑將游離的氮氣還原為氨的過程。生物固氮與工業上的化學固氮相比，有以下四個方面的優點：①生物固氮過程無需在高溫高壓下進行。在常溫常壓下依靠微生物本身的固氮酶催化作用，實現將氮分子轉化成氨，供植物吸收利用。雖然生物固氮也是一個消耗能量的過程，但是提供能量的是植物，能量主要靠植物以太陽光為能源的光合作用。與化學固氮相比成本低廉。②質優。以豆科植物和根瘤菌共生體系來看，植物向根瘤菌提供能量，存在于根瘤中的根瘤菌（以類菌體形態存在）將氮分子轉化成氨，然后通過氨同化系統迅速將氨轉化成谷氨酰胺一類的優質氮化合物被植物吸收。而且共生體系固定的氮大部分被輸送到籽粒中去，這也是豆科植物種子蛋白質含量高的一個重要原因。③利用率高。化肥氮施入到田間，植物所能吸收利用的效率在20%?60%，其余的要么形成氣態氮釋放到空氣中，要么隨水淋溶流失。而生物固氮，尤其是共生固氮體系，大部分都被農作物直接吸收利用，少量的隨著分泌過程和根瘤衰老破潰，留在土壤中給下一季作物利用。表現了十分高的利用率。④不污染環境。氮肥的大量使用而轉化成的硝態氮，有相當一部分淋溶，造成溪流、地下水和海洋的硝酸鹽污染。另一方面施入土壤中的化學氮，由于反硝化作用，釋放出的氮氣破壞正常的氮素循環。而生物固氮則不存在這個問題。固氮微生物的種類和特點固氮微生物多種多樣，不同的劃分標準滿足了不同的要求。從它們的生物固氮形式來分，有自生固氮、聯合固氮、和共生固氮3種。自生固氮微生物自生固氮微生物是指能夠在自由生活狀態下固氮的微生物總稱。在自然界，自生固氮微生物種類很多，分散地分布在細菌和藍細菌的不同科、屬和不同的生理群中；并大致可以分為光合細菌和非光合細菌兩類。前者如紅螺菌、紅硫細菌和綠硫細菌等，其中的某些種類可與其它微生物聯合而相互有利；后者的種類很多。根據非光合細菌的自生固氮菌對氧的需求，可以分為厭氧的細菌如梭狀芽胞桿菌；需氧細菌如自生固氮菌、貝捷林克氏固氮菌、固氮螺菌等；以及兼性細菌如多粘芽胞桿菌、克魯伯氏桿菌、腸桿菌等。自生固氮微生物中的某些種類，在有些情況下可以與植物進行聯合固氮。一般地，自生固氮微生物固定的氮素滿足本身生長繁殖需要以后就不再固氮了，多余的氮反過來會抑制它們自身的固氮系統。同時，它們固氮效率也比較低。據測定，每消耗1克碳水化合物，自生固氮微生物固定10毫克氮，而共生固氮的根瘤菌則可以固定270毫克氮。所以，這個類群的微生物從固氮量的角度衡量，對作物的氮素供應的貢獻并非很大。許多試驗結果證明，這類微生物所產生的各種激素和其它活性物質是促進作物生長的主要因素之一。聯合固氮微生物聯合固氮微生物有些自生固氮微生物在特定植物根際環境中生長、繁殖比非根際土壤中旺盛得多，這是由于植物根系的分泌物和脫落物提供能源物質，固氮微生物利用這些能源物質生活和固氮，這種互利關系稱之為聯合固氮。聯合固氮體系最先是在雀稗和雀稗固氮菌之間發現，后來發現小麥、水稻和C4作物如甘蔗、玉米、高粱等禾本科植物亦存在聯合固氮體系。能夠進行聯合固氮的微生物種類較多，似乎沒有什么特異性，有些微生物既可以在自生條件下進行自生固氮作用，又能在田間與一些禾本科作物進行聯合固氮作用。已經報道過的聯合固氮的主要微生物種類有：浸麻芽胞桿菌、多粘芽胞桿菌、巴西固氮螺菌、含脂固氮螺菌、克魯伯氏桿菌、陰溝腸桿菌、產氣腸桿菌和糞產堿桿菌等。與共生固氮相比，聯合固氮微生物與植物之間的關系不緊密，雙方也沒有共同的組織結構，因而固氮效率也不可能高。目前，對于聯合固氮體系的固氮量很難有一個比較準確的估計，一般認為每畝地每年約為0.5?1斤純氮。共生固氮微生物共生固氮微生物是指能與宿主植物形成特定固氮組織結構的一類微生物。它們彼此生活在一起，植物向微生物提供光合產物供微生物固氮需要，微生物則向植物提供氮素營養，雙方互相有利。以豆科植物--根瘤菌共生體系來說，由于有根瘤組織作為它們的共生結構，共生效率是最高的。其原因是這種共生體系滿足了上述所說的生物固氮的條件。已知的比較清楚的共生體系除了豆科植物--根瘤菌共生體系外，還有非豆科植物--固氮放線菌體系和紅萍--固氮藍藻共生體系。與相應的豆科植物共生固氮的根瘤菌很多，迄今從豆科植物根瘤中分離出來并進行過研究的約有100多種，在生產上應用的種類不足1/5。在分類上確定了分類地位的現在有5個屬，它們分別是：根瘤菌屬(RhizObium)、慢生根瘤菌屬(BradyrhizObi-Um)、中華根瘤菌屬(Sinorhizobium)＞固氮根瘤菌屬(Azorhizobium)和中慢生根瘤菌屬(Mesorhizobium)o每個根瘤菌屬包括至少1個種。和上述的自生固氮和聯合固氮比較，共生固氮效率高，固氮量多，對于人類的意義和農牧業生產的作用也最大。迄今研究最為清楚、應用最多的是豆科植物根瘤菌共生固氮體系，據測定，一般每年每畝固定純氮約為13.3公斤，約折合每畝地每年固定標準化肥130斤，且幾乎全部被利用。固氮機制固氮是還原分子氮的過程，所以需要消耗大量的能量和還原力。固氮酶對氧極其敏感，所以固氮需要有嚴格厭氧的微環境。固氮分為以下幾個階段：(1)固氮酶的形成還原型吡啶核昔酸的電子經載體鐵氧還蛋白或黃素氧還蛋白(flaVodoxin,F1d)傳遞到組分II的鐵原子上形成還原型組∏,它先與ATP-Mg結合生成變構的II—Mg-ATP復合物;然后再與此時已與分子氯結合的組分I一起形成1：1的復合物一一固氮酶；(2)固氮階段固氮酶分子的一個電子從組分I—Mg—ATP復合物轉移到組分I的鐵原子上，由此再轉移給鉬結合的活化分子氮。通過6次這樣的電子轉移，將1分子氮還原成2分子NH3。組分I—Mg-ATP復合物轉移掉電子以后恢復成其氧化型，同時ATP水解成為ADP十Pi。實際上，在1分子氮還原形成2分子NH3的過程中有8個電子轉移，其中的2個電子以氫氣的形式用去，但其原因尚不清楚，不過有證據表明，H2的產生是固氮酶反應機制中一個不可分割的組成部分。好氧固氮苗防止氧傷害其固氮酶的機制固氮酶對氧極其敏感,因此固氮作用必須在嚴格的厭氧條件下進行。這對于厭氧固氮菌當然不成問題。但是大多數固氮菌卻是必須在有氧條件下才能生活的好氧菌,它們是如何解決需氧但又必須防止氧傷害其固氮酶這個矛盾的呢?已知有以下一些保護固氮酶免受氧傷害的機制。固氮菌保護固氮酶的機制(1)呼吸保護固氮菌屬的許多細菌以其較強的呼吸強度迅速耗去固氮部位周圍的氧,以使固氮酶處于無氧的微環境中而免受氧的傷害。(2)構象保護褐球固氮菌等有一種起著構象保護功能的蛋白質一一Fe-II蛋白質H，在氧分壓增高時，它與固氮酶結合，此時，固氮酶構象發生改變并喪失固氮活力；一旦氧濃度降低，該蛋白便自酶分子上解離，固氮酶恢復原有的構象和固氮能力。藍細菌保護固氮酶的機制進行產氧光合作用的藍細菌普遍有固氮能力，其具有獨特的保護固氮酶機制。分化有異形胞的絲狀細菌在異形胞中進行固氮作用。異形胞是部分藍細菌適應于在有氧條件下進行固氧作用的特殊細胞。它有很厚的細胞壁，缺乏氧光合系統E,而且有高的脫氫酶和氫酶活力，這些特性使異形胞保持著高度的無氧或還原狀態，固氮酶不會受氧的傷害。此外，異形胞還有很高的超氧化物歧化酶活力，有解除氧毒害的功能；異形胞的呼吸強度也高于鄰近的營養細胞。沒有異形胞分化的藍細菌有的將固氮作用與光合作用分開進行(黑暗下固氯，光照下進行光合作用)，如織線藍細菌屬(Plectonema)等；有的在束狀群體中央失去光合系統R的細胞中進行固氮作用，如束毛藍細菌屬(Trichodesmium)；有的則通過提高細胞內過氧化物酶或超氧化物歧化酶活力以解除氧毒害，如粘球藍細菌屬(GloeoCapsa)等，以保護固氮酶。根瘤茵保護固氮酶的機制與豆科植物共生的根瘤菌以類茵體(bacteroids)形式生活在豆科植物根瘤中，根瘤不僅提供根瘤菌以良好的營養環境，還為根瘤茵固氮酶提供免受氧傷害的場所。類菌體周圍有類菌體周膜(peribacterialmembrane,pmb)包著，膜上有一種能與氧發生可逆性結合的蛋白—-豆血紅蛋白(1e8haemoglobin,pmb),它與氧的親合力極強，起著調節根瘤中膜內氧濃度的功能，氧濃度高時與氧結合；氧濃度低時又可釋放出氧：豆血紅蛋白(Lb)十O2→加氧豆血紅蛋白(Lb02)。從而既保證了類菌體生長所需的氧，又不致對其固氮酶產生氧傷害。非豆科植物共生根瘤茵(如共生在糙葉山麻黃根瘤中的既豆根瘤苗)依靠非豆科植物所含的植物血紅蛋白(具有與豆血紅蛋白類似功能的蛋白)保護著固氮酶免受氧傷害。共生在赤楊、楊梅和山麻黃等非豆科植物根瘤中的弗蘭克氏屬(Frankia)的放線菌在其營養菌絲末端膨大的球形囊——泡囊中進行固氮作用。泡囊與藍細菌的異形胞相似，有著保護固氮酶免受氧傷害的功能。3 固氮微生物的應用有關這方面的研究目前主要在以下幾方面進行探索：一是培育新的固氮微生物，以提高固氮效率或賦予非固氮微生物以固氮能力；二是改變結瘤的識別過程或將固氮基因轉移到根瘤病桿菌中，以使非豆科植物結瘤固氮，擴大固氮作物的范圍；三是應用遺傳工程培育不依賴固氮微生物的自主固氮的植物。這些研究如能成功，將對農業生產產生深刻的影響。固氮微生物由于具有固氮酶可以在常溫常壓下將氮氣轉變成氨，而工業合成氨卻要在高溫高壓下進行。為了改變這種狀況，科學家正尋找像固氮酶那樣能在常溫下將氮變成氨的催化劑。這就是化學模擬固氮。化學模擬固氮的研究，將為化學氮肥生產提供新型的催化劑，這對現代氮肥工業以及農業生產都具有極其重要的意義。固氮菌類肥料（1）篩選或用遺傳改造手段提高自生固氮菌和聯合固氮菌的抗氨和泌氨的能力，降低或克服氨對固氮菌固氮作用的反饋抑制，為作物和土壤提供更多的固氮量。（2）聯合固氮關系的緊密化和有效化聯合作用是指固氮微生物在禾本科等植物根際、根表籍趨化和營養關系，兩者所形成的一種松散、互利的形式。這種聯合固氮不足之處一是特異性差，聯合關系不穩定；另一為固氮能力不高和固氮量少，固氮作用受銨的反饋抑制。因而自然界中存在的這一體系對作物的氮素貢獻有限。如果可以通過必要的方法和手段，克服聯合固氮中存在的主要限制因素，將能充分利用這些資源，為禾谷類作物提供更多的氮素。為提高這類微生物對作物氮的貢獻，第一種有效方法是導入特定的凝集素基因（lectingenes），使微生物與作物聯合關系更加緊密。第二種是植物促生菌（PGPB：PlantGrowthPromotingBacteria）對聯合更多的作用，因為它可分泌對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養分。從而加強植物與微生物之間的聯合關系。第三，篩選或用基因工程構建可分泌銨離子和有氨存在下仍然能固氮的菌株。最近已有文獻報道分離得到這類固氮的突變株，這就可克服常見的聯合固氮菌如固氮螺菌（AzOspirillUm）中存在的缺乏分泌銨離子能力的問題。這些問題的解決將有助于將來有效的聯合固氮體系的建立。（3）固氮芽胞桿菌因為其生產和農業應用的優點而引起人們的關注，已有一些企業用這類菌株進行生產。根瘤菌肥料（1）高固氮、抗逆、高競爭力的優良菌株的篩選（1）有針對性地選育出適合某地區某土壤類型主栽品種的高固氮力、高競爭結瘤能力的優良菌株代替已有生產菌株。所選菌株應以對某種豆科作物專一性強，而對同一種豆科作物的不同品種專性不強、即廣譜性菌株適應范圍廣為目標，以利于批量生產。（2）篩選抗逆性強的生產菌株，在中、低產地區因條件惡劣土壤中缺乏有效根瘤菌，接種根瘤菌容易見效，但必需對所選菌株的耐鹽、耐酸和抗干性進行鑒定，從中篩選出抗性強、固氮力高的菌株，提高豆科作物的產量。（2）優化生產工藝，降低產品成本以篩選生長速度快、發酵時間短的優良根瘤菌菌株為目標，以實現減少污染，增加有效菌數