生物固氮 黃朝

1、 微生物學(xué)論文 生物固氮 班級(jí)：生物工程1241 學(xué)號(hào)：201221030120 姓名： 黃朝 生物固氮 班級(jí)：生物工程1241 學(xué)號(hào)：201221030120 姓名：黃朝要點(diǎn)；生物固氮. 微生物. 氮循環(huán).光合作用.類(lèi)型.應(yīng)用.意義.肥料。一生物固氮 氮素在自然界中有多種存在形式。其中數(shù)量最多的是大氣中的氮?dú)?，總量約3.91015t。除了少數(shù)原核生物以外，其他所有的生物都不能直接利用氮?dú)?，必須通過(guò)以生物固氮為主的固氮作用才能被植物吸收利用，動(dòng)物直接或間接以植物為食獲取氮。 構(gòu)成氮循環(huán)的主要環(huán)節(jié)是：生物體內(nèi)有機(jī)氨的合成，氨化作用、硝化作用、反硝化作用和固氮作用。植物吸收土壤中的銨鹽和硝酸鹽，進(jìn)

2、而將這些無(wú)機(jī)氮同化成植物體內(nèi)的蛋白質(zhì)等有機(jī)氮。動(dòng)物直接或間接以植物為食物，將植物體內(nèi)的有機(jī)氮同化成動(dòng)物體內(nèi)的有機(jī)氮。這一過(guò)程叫做生物體內(nèi)有機(jī)氮的合成。動(dòng)植物的遺體、排泄物的殘落物中的有機(jī)氮被微生物分解后形成氨，這一過(guò)程叫做氨化作用。 氨化作用和硝化作用產(chǎn)生的無(wú)機(jī)鹽，都能被植物吸收利用。在氧氣不足的條件下，土中的硝酸鹽被反硝化細(xì)菌等多種微生物還原成亞硝酸鹽，并且進(jìn)一步還原成分子態(tài)氮，分子態(tài)氮?jiǎng)t返回到大氣中，這一過(guò)程叫做反硝化作用。 大氣中的分子態(tài)氮被還原成氨，這一過(guò)程叫做固氮作用。沒(méi)有固氮作用，大氣中的分子態(tài)氮就不能被植物吸收利用。 地球上固氮作用的途徑有三種：生物固氮、工業(yè)固氮和大氣固氮。據(jù)科

3、學(xué)家估算，每年生物固氮的總量占地球上固氮總量的90%左右，可見(jiàn)，生物固氮在地球的氮循環(huán)中具有十分重要的作用。 氮素是農(nóng)作物從土壤中吸收的一種大量元素，土壤每年因此要失去大量的氮素。大量施用氮素化肥能保證植物的生長(zhǎng)需要，使糧食增產(chǎn)，但同時(shí)又造成土壤板結(jié)和環(huán)境污染。所以人們研究生物固氮，通過(guò)生物固氮這條途徑使土壤中的氮素得到補(bǔ)充，有利于環(huán)保和可持續(xù)發(fā)展。二.生物固氮（fixation of molecular nitrogen） 1、定義及其作用：N2還原成NH3的過(guò)程，生態(tài)平衡、土壤肥力、節(jié)約能源避免污染。 2、固氮微生物種類(lèi) 自生固氮菌：獨(dú)立進(jìn)行固氮的微生物，種類(lèi)繁多（生理營(yíng)養(yǎng)類(lèi)型） 共生固氮

4、菌：與它種生物共生才能固氮。 聯(lián)合固氮菌：必須生活在水稻、甘蔗、玉米等植物的根際、葉面或動(dòng)物腸道等處才能固氮。 3、固氮的生化機(jī)制 總反應(yīng)式：N2+be+6H+12ATP2NH3+12ADP+12Pi 條件：固氮酶、能量/產(chǎn)能體系、還原力及其載體、還原底物N2、Mg、嚴(yán)格厭氧微環(huán)境。 固氮酶測(cè)定方法：微量克氏定氮法、同位素法、乙炔還原法。 固氮酶組成及其功能固氮的生化途徑氨的去路 4、好氧性固氮菌固氮酶的抗氧機(jī)制 自生固氮菌：呼吸保護(hù)、構(gòu)象保護(hù) 藍(lán)細(xì)菌：異型胞，非異胞藍(lán)細(xì)菌（時(shí)間分隔、束狀群體、過(guò)氧化物酶活力） 根瘤菌：豆科植物共生根瘤菌（類(lèi)菌體周膜、豆血經(jīng)蛋白），非豆科植物共生根瘤菌（植物血

5、紅蛋白、泡囊）。三固氮類(lèi)型固氮：將空氣中的氮分子轉(zhuǎn)化成氮化合物的過(guò)程。生物固氮：固氮微生物將空氣中的還原成氨的過(guò)程。固氮包括高能固氮，生物固氮，化能固氮。每年生物固氮的總量占地球上固氮總量的90%左右，生物固氮在氮循環(huán)中起重要作用。四生物固氮的意義： 1. 植物吸收土壤中的氨鹽和硝酸鹽，在體內(nèi)將無(wú)機(jī)氮轉(zhuǎn)化為有機(jī)氮 2. 動(dòng)物直接或間接以植物為食，同化形成動(dòng)物有機(jī)氮 3. 動(dòng)植物有機(jī)氮被微生物分解成氨氨化作用 4. 氨或氨鹽在硝化細(xì)菌的作用下最終氧化成硝酸鹽-硝化作用 5. 硝酸鹽被反硝化細(xì)菌等還原成亞硝酸鹽，進(jìn)一步形成分子態(tài)氮返回大氣反硝化作用 6.意義：沒(méi)有以生物固氮為主的固氮作用大氣中的分

6、子態(tài)氮就不能被植物吸收利用。生物固氮在氮循環(huán)中有十分重要的意義。五.生物固氮的應(yīng)用及發(fā)展前景 1，生物固氮在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中的應(yīng)用 生物固氮在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中具有十分重要的作用。氮素是農(nóng)作物從土壤中吸收的一種大量元素，土壤每年因此要失去大量的氮素。如果土壤每年得不到足夠的氮素以彌補(bǔ)損失，土壤的含氮量就會(huì)下降。土壤可以通過(guò)兩條途徑獲得氮素：一條是含氮肥料（包括氮素化肥和各種農(nóng)家肥料）的施用；另一條是生物固氮?？茖W(xué)家在20世紀(jì)80年代推算過(guò)，全世界每年施用的氮素化肥中的氮素大約有8*107t，而自然界每年通過(guò)生物固氮所提供的氮素，則高達(dá)4*108t。 對(duì)豆科作物進(jìn)行根瘤菌拌種，是提高豆科作物產(chǎn)量的一項(xiàng)有效措施

7、。播種前，將豆科作物的種子沾上與該種豆科作物相適應(yīng)的根瘤菌，這顯然有利于該種豆科作物結(jié)瘤固氮。特別是新開(kāi)墾的農(nóng)田和未種植過(guò)豆科作物的土壤中，根瘤菌很少，并且常常不能使豆科作物結(jié)瘤固氮，更需要進(jìn)行根瘤菌拌種。對(duì)比實(shí)驗(yàn)表明，在其他條件相同的情況下，經(jīng)過(guò)根瘤菌拌的豆科作物，可以增產(chǎn)10%20%。用豆科值物做綠肥，例如將田箐、苜?；蜃显朴⒌鹊男迈r植物直接耕埋或堆漚后施用到農(nóng)田中，可以明顯增加土壤中氮的含量?？茖W(xué)家統(tǒng)計(jì)過(guò)，一般地說(shuō)，1hm2農(nóng)田使用7500kg綠肥，可以增產(chǎn)糧食750kg。如果用新鮮的豆科植物飼養(yǎng)家畜，再將家畜的糞便還田，則既可以使土壤肥沃，又可以獲得更多的糧食和畜產(chǎn)品。2, 生物固氮的

8、研究方向 隨著分子生物學(xué)的進(jìn)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(lǐng)域。遺傳工程是用人工方法去改變生物體的遺傳特性或者按照人們的意愿去創(chuàng)造新物種。對(duì)于固氮微生物來(lái)說(shuō)，固氮基因操縱和調(diào)節(jié)固氮酶的合成，從而使固氮微生物具有固氮作用。如果將固氮基因進(jìn)行人工轉(zhuǎn)移，就可能獲得具有固氮作用的新物種。有關(guān)這方面的研究目前主要在以下幾方面進(jìn)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(jié)瘤的識(shí)別過(guò)程或?qū)⒐痰蜣D(zhuǎn)移到根瘤病桿菌中，以使非豆科植物結(jié)瘤固氮，擴(kuò)大固氮作物的范圍；三是應(yīng)用遺傳工程培育不依賴(lài)固氮微生物的自主固氮的植物。這些研究如能成功，將對(duì)農(nóng)業(yè)生

9、產(chǎn)產(chǎn)生深刻的影響。 六1.固氮菌類(lèi)肥料 （1）篩選或用遺傳改造手段提高自生固氮菌和聯(lián)合固氮菌的抗氨和泌氨的能力，降低或克服氨對(duì)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(lián)合固氮關(guān)系的緊密化和有效化聯(lián)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(yíng)養(yǎng)關(guān)系，兩者所形成的一種松散、互利的形式。這種聯(lián)合固氮特異性差，聯(lián)合關(guān)系不穩(wěn)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。自然界中存在的這一體系對(duì)作物的氮素貢獻(xiàn)有限。如果可以通過(guò)必要的方法和手段，克服聯(lián)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(lèi)作物提供更多的氮素。為提高這類(lèi)微生物對(duì)作物氮的貢獻(xiàn)，第

10、一種有效方法是導(dǎo)入特定的凝集素基因(lectin genes)，使微生物與作物聯(lián)合關(guān)系更加緊密。第二種是植物促生菌(PGPB：Plant Growth Promoting Bacteria)對(duì)聯(lián)合更多的作用，因?yàn)樗煞置趯?duì)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(yǎng)分。從而加強(qiáng)植物與微生物之間的聯(lián)合關(guān)系。第三，篩選或用基因工程構(gòu)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(xiàn)報(bào)道分離得到這類(lèi)固氮的突變株，這就可克服常見(jiàn)的聯(lián)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(wèn)題。這些問(wèn)題的解決將有助于將來(lái)有效的聯(lián)合固氮體系的建立。 （3）固氮芽胞桿菌因?yàn)槠渖a(chǎn)和農(nóng)業(yè)應(yīng)用的優(yōu)點(diǎn)而引起人們的關(guān)注，已有一些企業(yè)用這類(lèi)菌株進(jìn)行生產(chǎn)。 2 .根瘤菌肥料（1）高固氮、抗逆、高競(jìng)爭(zhēng)力的優(yōu)良菌株的篩選(1)有針對(duì)性地選育出適合某地區(qū)某土壤類(lèi)型主栽品種的高固氮力、高競(jìng)爭(zhēng)結(jié)瘤能力的優(yōu)良菌株代替已有生產(chǎn)菌株。所選菌株應(yīng)以對(duì)某種豆科作物專(zhuān)一性強(qiáng)，而對(duì)同一種豆科作物的不同品種專(zhuān)性不強(qiáng)、即廣譜性菌株適應(yīng)范圍廣為目標(biāo)，以利于批量生產(chǎn)。(2)篩選抗逆性強(qiáng)的生產(chǎn)菌株，在中、低產(chǎn)地區(qū)因條件惡劣土壤中缺乏有效根瘤菌，接種根瘤菌容易見(jiàn)效，但必需對(duì)所選菌株的耐鹽、耐酸和抗干性進(jìn)行鑒定，從中篩選出抗性強(qiáng)、固氮力高的菌株，提高豆科作物