關于生物固氮原理第1頁，共22頁，星期日，2025年，2月5日大氣中的N2尿素及動植物遺體NO3-土壤中的微生物NH3NO3-氮素化肥自然界中的N循環第2頁，共22頁，星期日，2025年，2月5日固氮N2NH3工廠N2NH3閃電等N2NH3固氮微生物工業固氮:高能固氮:生物固氮:第3頁，共22頁，星期日，2025年，2月5日固氮微生物的種類按生物分類學分按與植物關系分2、氮單孢菌屬3、拜耶林克氏菌屬4、德克斯氏菌屬自生固氮微生物1、固氮菌屬共生固氮微生物第4頁，共22頁，星期日，2025年，2月5日固氮菌的發現

1901年，M.W.拜耶林克首先發現并描述了這類細菌，他定名的有2個種：一是褐色固氮菌,常生存于中性或堿性土壤中；一是活潑固氮菌，常生存于水中。

1938年，C.H.維諾格拉茨基將生產孢囊的菌株（以褐色固氮菌為代表）歸屬于固氮菌屬，將不產生孢囊的菌株（以活潑固氮菌為代表）歸屬于氮單孢菌屬。

1950年，H.G.德克斯先后提出建立拜耶林克氏菌屬和德克斯氏菌屬。第5頁，共22頁，星期日，2025年，2月5日什么是固氮菌細菌的一科。菌體桿狀、卵圓形或球形，無內生芽孢，革蘭氏染色陰性。嚴格好氧性，有機營養型，能固定空氣中的氮素。第6頁，共22頁，星期日，2025年，2月5日生物固氮(nitrogenfixation)定義：分子態氮在生物體內還原為氨的過程特點：1、生物固氮是固氮微生物的一種特殊的生理功能，具固氮作用的微生物約近50個屬，它們的生活方式、固氮作用類型有較大區別，但細胞內都具有固氮酶

第7頁，共22頁，星期日，2025年，2月5日2、不同固氮微生物的固氮酶均由鉬鐵蛋白和鐵蛋白組成。固氮酶必須在厭氧條件下，即在低的氧化還原條件下才能催化反應3、固氮作用過程十分復雜，目前還不完全清楚。

第8頁，共22頁，星期日，2025年，2月5日固氮作用的總反應可用簡式表示：e-+H+ATPADP+PiN2NH3乙炔乙烯固氮酶第9頁，共22頁，星期日，2025年，2月5日固氮酶！！第10頁，共22頁，星期日，2025年，2月5日固氮酶由2種蛋白質組成：一種為含有鉬和鐵的鉬鐵蛋白，分子量為200000；另一種為含鐵的鐵蛋白,分子量為65000。鐵蛋白具有很強的還原力，它提供電子給鉬鐵蛋白。鉬鐵蛋白能與氮氣分子絡合，然后使之還原為氨。在這個過程中，需要腺苷三磷酸(ATP)提供能量和鐵氧還蛋白充當強還原劑。第11頁，共22頁，星期日，2025年，2月5日一、固氮酶的催化反應固氮酶來源于多種固氮微生物,能催化大氣中的N2還原為NH3,N2+8H++8e-+16MgATP→

2NH3

+H2+16MgADP+16Pi(無機磷酸鹽)第12頁，共22頁，星期日，2025年，2月5日除催化N2還原為NH3外,固氮酶還能和許多小分子底物作用,沒有嚴格的專一性。

如：氮酶催化反應HCN+6H++6e→CH4+NH3

N2O+3H++2e→N2+NH3C2H2+2H++2e→C2H4第13頁，共22頁，星期日，2025年，2月5日二、固氮酶的組成和結構固氮酶由各種固氮微生物分離出來,均為由鉬鐵蛋白和鐵蛋白組成。1993年才基本確定功能:鐵蛋白是依賴于ATP供給能量的電子傳遞體,把電子傳遞給鉬鐵蛋白,鉬鐵蛋白結合底物（N2）分子并催化其還原。第14頁，共22頁，星期日，2025年，2月5日三、固氮酶作用機理研究固氮酶中鐵蛋白的作用是傳遞電子,鉬鐵蛋白與底物結合并還原N2的催化部位,即N2只有與鉬鐵蛋白結合、方可被催化還原為NH3。固氮酶的作用機理包括:

電子的傳遞、N2分子的鍵合、催化和還原等。第15頁，共22頁，星期日，2025年，2月5日1.電子的傳遞研究表明，在固氮酶催化N2和其他底物的還原反應中，電子傳遞順序為：（活體內）鐵氧還蛋白或黃素蛋白（活體外）Na2S2O4}

鐵蛋白

鉬鐵蛋白→底物

→

MgATP第16頁，共22頁，星期日，2025年，2月5日2.底物的結合和還原MoFeP輔基是底物結合的部位，從鐵鉬輔基中鐵配位不飽和的事實出發，一般認為，底物是通過與三角形配位的鐵配位而結合的。但也有其他觀點：一種認為N2分子通過鐵鉬輔基中存在的Fe—Fe鍵形成Fe—N鍵而與鐵鉬蛋白結合；也有人認為以另一種方式結合。N2與鐵鉬輔基結合方式目前仍是一個未解決的問題。

FeNN-Fe

Fe

Fe

NN第17頁，共22頁，星期日，2025年，2月5日固氮酶的作用機理小結:

電子的傳遞、N2分子的鍵合、催化和還原等。第18頁，共22頁，星期日，2025年，2月5日意義與前景意義：

1、彌補土壤中氮素損失

2、進行根瘤菌拌種，提高豆科

作物產量第19頁，共22頁，星期日，2025年，2月5日3、固氮微生物的固氮過程完全是生物和微生物自發進行的，無須提供任何能源和設備，因而它減少了能源的消耗。由于全部固氮過程都是生物活動，無污染物排放，有利于保護生態環境。同時，由于減少和免除了化學氮素的投入，使農產品中硝酸和亞硝酸物質大幅度降低，提高了農產品的品質