生物固氮原理簡介生物固氮是固氮微生物特有的一種生理功能，這種功能是在固氮酶的催化作用下進行的。固氮酶是一種能夠將分子氮還原成氨的酶。固氮酶是由兩種蛋白質組成的：一種含有鐵，叫做鐵蛋白，另一種含有鐵和鉬，叫做鉬鐵蛋白。只有鐵蛋白和鉬鐵蛋白同時存在，固氮酶才具有固氮的作用。生物固氮過程可以用下面的反應式概括表示。N2＋6H+＋nMg-ATP＋6e-2NH3＋nMg-ADP＋nPi分析上面的反應式可以看出，分子氮的還原過程是在固氮酶的催化作用下進行的。有三點需要說明：第一，ATP一定要與鎂（Mg）結合，形成Mg-ATP複合物後才能起作用；第二，固氮酶具有底物多樣性的特點，除了能夠催化N2還原成NH3以外，還能催化乙炔還原成乙烯（固氮酶催化乙炔還原成乙烯的化學反應，常被科學家用來測定固氮酶的活性）等；第三，生物固氮過程中實際上還需要黃素氧還蛋白或鐵氧還蛋白參與，這兩種物質作為電子載體能夠起到傳遞電子的作用。鐵蛋白與Mg-ATP結合以後，被黃素氧還蛋白或鐵氧還蛋白還原，並與鉬鐵蛋白暫時結合以傳遞電子。鐵蛋白每傳遞一個e-給鉬鐵蛋白，同時伴隨有兩個Mg-ATP的水解。在這一催化反應中，鐵蛋白反覆氧化和還原，只有這樣，e-和H+才能依次透過鐵蛋白和鉬鐵蛋白，最終傳遞給N2和乙炔，使它們分別還原成NH3和乙烯。固氮微生物的型別固氮生物都屬於個體微小的原核生物，所以，固氮生物又叫做固氮微生物。根據固氮微生物的固氮特點以及與植物的關係，可以將它們分為自生固氮微生物、共生固氮微生物和聯合固氮微生物三類。自生固氮微生物在土壤或培養基中生活時，可以自行固定空氣中的分子態氮，對植物沒有依存關係。常見的自生固氮微生物包括以圓褐固氮菌為代表的好氧性自生固氮菌、以梭菌為代表的厭氧性自生固氮菌，以及以魚腥藻、念珠藻和顫藻為代表的具有異形胞的固氮藍藻（異形胞內含有固氮酶，可以進行生物固氮）。共生固氮微生物只有和植物互利共生時，才能固定空氣中的分子態氮。共生固氮微生物可以分為兩類：一類是與豆科植物互利共生的根瘤菌，以及與榿木屬、楊梅屬和沙棘屬等非豆科植物共生的弗蘭克氏放線菌；另一類是與紅萍（又叫做滿江紅）等水生蕨類植物或羅漢松等裸子植物共生的藍藻。由藍藻和某些真菌形成的地衣也屬於這一類。有些固氮微生物如固氮螺菌、雀稗固氮菌等，能夠生活在玉米、雀稗、水稻和甘蔗等植物根內的皮層細胞之間。這些固氮微生物和共生的植物之間具有一定的專一性，但是不形成根瘤那樣的特殊結構。這些微生物還能夠自行固氮，它們的固氮特點介於自生固氮和共生固氮之間，這種固氮形式叫做聯合固氮。豆科植物的根瘤根瘤菌屬中有十幾種根瘤菌，這些根瘤菌與豆科植物具有特殊的互利共生關係，也就是一種根瘤菌只能在一種或若干種豆科植物的根上形成根瘤。根據每種根瘤菌只能在特定的一種或若干種豆科植物上結瘤的現象，人們把根瘤菌及其豆科寄主分成不同的族，這些族也叫做互接種族。一種豆科植物的根瘤菌只能使同一個互接種族內的其他豆科植物結瘤。形成互接種族的原因是，豆科植物的根毛能夠分泌一類特殊的蛋白質，根瘤菌細胞的表面存在著多糖物質，只有同族豆科植物根毛分泌的蛋白質與同族根瘤菌細胞表面的多糖物質才能產生特異性結合。常見的互接種族及所含的豆科植物有：苜蓿族：包括苜蓿屬和草木犀屬植物；三葉草族：只有三葉草屬一個屬；豌豆族：包括豌豆屬、蠶豆屬、山黧豆屬、兵豆屬和鷹嘴豆屬植物；四季豆族：包括四季豆屬中四季豆等植物；大豆族：只有大豆屬一個屬；豇豆族：包括豇豆、花生、綠豆、赤豆等植物；紫雲英族：只有黃芪屬一個屬（包括紫雲英、沙打旺等）。當豆科植物的根系在土壤中生長時，會刺激同一互接種族的根瘤菌在根系附近大量繁殖。豆科植物對根瘤菌的這種影響，在土壤中可以達到2～3cm的距離。這樣，根系附近的、與該種豆科植物同族的根瘤菌就會不斷地繁殖並聚集到根毛的頂端。聚集在根毛頂端的根瘤菌分泌一種纖維素酶，將根毛頂端的細胞壁溶解掉。隨後，根瘤菌從根毛頂端侵入到根的內部，並形成感染絲（感染絲是指根瘤菌排列成行，外面包有一層黏液狀的物質）。根瘤菌就這樣不斷地進入根內，並且大量繁殖。在根瘤菌侵入的刺激下，根細胞分泌一種纖維素，將感染絲包圍起來，形成一條分支或不分支的纖維素鞘，這樣的結構叫做侵入線（圖2-4）。侵入線不斷地向內延伸，一直到達根的內皮層。根的內皮層處的薄壁細胞受到根瘤菌分泌物的刺激，不斷進行細胞分裂，從而使該處的組織膨大，最終形成根瘤。氮迴圈簡介氮素在自然界中有多種存在形式，其中，數量最多的是大氣中的氮氣，總量約3.9×1015t。除了少數原核生物以外，其他所有的生物都不能直接利用氮氣。目前，陸地上生物體內儲存的有機氮的總量達1.1×1010～1.4×1010t。這部分氮素的數量儘管不算多，但是能夠迅速地再迴圈，從而可以反覆地供植物吸收利用。存在於土壤中的有機氮總量約為3.0×1011t，這部分氮素可以逐年分解成無機態氮供植物吸收利用。海洋中的有機氮約為5.0×1011t，這部分氮素可以被海洋生物迴圈利用。構成氮迴圈的主要環節是：生物體內有機氮的合成、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，進而將這些無機氮同化成植物體內的蛋白質等有機氮。動物直接或間接以植物為食物，將植物體內的有機氮同化成動物體內的有機氮。這一過程叫做生物體內有機氮的合成。動植物的遺體、排出物和殘落物中的有機氮被微生物分解後形成氨，這一過程叫做氨化作用。在有氧的條件下，土壤中的氨或銨鹽在硝化細菌的作用下最終氧化成硝酸鹽，這一過程叫做硝化作用。氨化作用和硝化作用產生的無機氮，都能被植物吸收利用。在氧氣不足的條件下，土壤中的硝酸鹽被反硝化細菌等多種微生物還原成亞硝酸鹽，並且進一步還原成分子態氮，分子態氮則返回到大氣中，這一過程叫做反硝化作用。大氣中的分子態氮被還原成氨，這一過程叫做固氮作用。沒有固氮作用，大氣中的分子態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、工業固氮（用高溫、高壓和化學催化的方法，將氮轉化成氨）和高能固氮（如閃電等高空瞬間放電所產生的高能，可以使空氣中的氮與水中的氫結合，形成氨和硝酸，氨和硝酸則由雨水帶到地面）。據科學家估算，每年生物固氮的總量佔地球上固氮總量的90%左右，可見，生物固氮在地球的氮迴圈中具有十分重要的作用。根瘤菌菌劑的自制和使用根瘤菌菌劑可以購買，也可以自制。下面介紹兩種簡易的自制方法。①幹根瘤法。豆科作物處於開花期時，根瘤菌的繁殖和固氮能力最旺盛。這時，選擇生長健壯的植株，小心地連根挖起（儘量不要損傷根瘤）。挑選根瘤呈粉紅色的、個大、數多的植株，剪去枝葉和細根後，掛在通風背陰處備用。也可以在收穫豆科作物時進行選留，只是拌種時的用量應比盛花期留取的要多一些。第二年播種前，將根瘤取下，放在罐內搗碎，加上無菌水或冷開水攪拌均勻後，就可以拌種了。一般每公頃的豆種用75～150株的根瘤即可。②鮮根瘤法。預先在苗圃中種植同種豆科作物。大田播種時，從苗圃內生長健壯的豆科植株上選取個大和呈粉紅色的新鮮根瘤，放在罐內搗碎，加上無菌水或冷開水攪拌均勻後就可以拌種了。這種方法只需要少量新鮮根瘤（每公頃的豆種可用75～150個根瘤）。使用根瘤菌菌劑時應注意以下幾點。第一，根瘤菌對不同種甚至不同品種的豆科作物都有選擇性。所以，所用的根瘤菌菌劑一定要和豆科作物屬於同一互接種族，否則就沒有增產效果。第二，太Sunny中的紫外線對根瘤菌具有較強的殺傷力，所以，乾鮮根瘤、自制或購買的根瘤菌菌劑以及拌好的豆種，一定要放在陰涼處，避免Sunny直射。第三，拌種要均勻，不要擦傷種皮。第四，拌種時，不能同時拌入農藥。第五，拌種時，每公頃的豆種如果加入75～150g鉬酸銨，會有更好的增產效果。多年種植某種豆科作物的農田，如果繼續種植這種豆科作物，也應接種根瘤菌。這是因為土壤中原有根瘤菌的結瘤能力和固氮能力往往下降，即使能夠結瘤，固氮能力也不高。需要指出的是，根瘤菌的固氮能力，不僅取決於根瘤菌菌種的質量（人工培育的根瘤菌的固氮能力，一般比野生的根瘤菌的固氮能力高几倍），而且取決於土壤條件和栽培措施。因此，人們不僅要進行根瘤菌拌種，而且要加強農田管理並適時適量地施用磷、鉀肥料和微量元素肥料（如硼肥、鉬肥、鐵肥等），只有這樣才能更好地發揮根瘤菌的固氮能力。自生固氮菌菌劑的使用中國推廣使用的自生固氮菌菌劑，主要由圓褐固氮菌和棕色固氮菌製成。這些自生固氮菌菌劑，對於小麥、水稻、棉花和玉米等農作物都有一定的增產效果。施用方式主要有基施（和農家肥拌勻後，以基肥的形式施用）、追施（和潮溼的肥土混合均勻，堆放三五天並拌入一些稀糞水後，澆在農作物的根部並覆蓋土壤）和拌種（注意要在陰涼處拌種，拌種時不能拌入農藥，並且在陰涼處晾乾後再播種）。多年的生產實踐表明，農田中使用自生固氮菌菌劑的增產效果不很穩定。為此，目前科學家對於自生固氮菌的增產作用還有爭論，有的認為是自生固氮菌的固氮作用起到了增產作用，有的則認為主要是自生固氮菌分泌的生長素起到了增產作用。可以肯定的是，單純施用自生固氮菌菌劑不能滿足農作物對氮素營養的全部需要，自生固氮菌菌劑的施用只能是提供農作物氮素營養和促進農作物生長的一種補充措施。
生物固氮原理簡介生物固氮是固氮微生物特有的一種生理功能，這種功能是在固氮酶的催化作用下進行的。固氮酶是一種能夠將分子氮還原成氨的酶。固氮酶是由兩種蛋白質組成的：一種含有鐵，叫做鐵蛋白，另一種含有鐵和鉬，叫做鉬鐵蛋白。只有鐵蛋白和鉬鐵蛋白同時存在，固氮酶才具有固氮的作用。生物固氮過程可以用下面的反應式概括表示。N2＋6H+＋nMg-ATP＋6e-2NH3＋nMg-ADP＋nPi分析上面的反應式可以看出，分子氮的還原過程是在固氮酶的催化作用下進行的。有三點需要說明：第一，ATP一定要與鎂（Mg）結合，形成Mg-ATP複合物後才能起作用；第二，固氮酶具有底物多樣性的特點，除了能夠催化N2還原成NH3以外，還能催化乙炔還原成乙烯（固氮酶催化乙炔還原成乙烯的化學反應，常被科學家用來測定固氮酶的活性）等；第三，生物固氮過程中實際上還需要黃素氧還蛋白或鐵氧還蛋白參與，這兩種物質作為電子載體能夠起到傳遞電子的作用。鐵蛋白與Mg-ATP結合以後，被黃素氧還蛋白或鐵氧還蛋白還原，並與鉬鐵蛋白暫時結合以傳遞電子。鐵蛋白每傳遞一個e-給鉬鐵蛋白，同時伴隨有兩個Mg-ATP的水解。在這一催化反應中，鐵蛋白反覆氧化和還原，只有這樣，e-和H+才能依次透過鐵蛋白和鉬鐵蛋白，最終傳遞給N2和乙炔，使它們分別還原成NH3和乙烯。固氮微生物的型別固氮生物都屬於個體微小的原核生物，所以，固氮生物又叫做固氮微生物。根據固氮微生物的固氮特點以及與植物的關係，可以將它們分為自生固氮微生物、共生固氮微生物和聯合固氮微生物三類。自生固氮微生物在土壤或培養基中生活時，可以自行固定空氣中的分子態氮，對植物沒有依存關係。常見的自生固氮微生物包括以圓褐固氮菌為代表的好氧性自生固氮菌、以梭菌為代表的厭氧性自生固氮菌，以及以魚腥藻、念珠藻和顫藻為代表的具有異形胞的固氮藍藻（異形胞內含有固氮酶，可以進行生物固氮）。共生固氮微生物只有和植物互利共生時，才能固定空氣中的分子態氮。共生固氮微生物可以分為兩類：一類是與豆科植物互利共生的根瘤菌，以及與榿木屬、楊梅屬和沙棘屬等非豆科植物共生的弗蘭克氏放線菌；另一類是與紅萍（又叫做滿江紅）等水生蕨類植物或羅漢松等裸子植物共生的藍藻。由藍藻和某些真菌形成的地衣也屬於這一類。有些固氮微生物如固氮螺菌、雀稗固氮菌等，能夠生活在玉米、雀稗、水稻和甘蔗等植物根內的皮層細胞之間。這些固氮微生物和共生的植物之間具有一定的專一性，但是不形成根瘤那樣的特殊結構。這些微生物還能夠自行固氮，它們的固氮特點介於自生固氮和共生固氮之間，這種固氮形式叫做聯合固氮。豆科植物的根瘤根瘤菌屬中有十幾種根瘤菌，這些根瘤菌與豆科植物具有特殊的互利共生關係，也就是一種根瘤菌只能在一種或若干種豆科植物的根上形成根瘤。根據每種根瘤菌只能在特定的一種或若干種豆科植物上結瘤的現象，人們把根瘤菌及其豆科寄主分成不同的族，這些族也叫做互接種族。一種豆科植物的根瘤菌只能使同一個互接種族內的其他豆科植物結瘤。形成互接種族的原因是，豆科植物的根毛能夠分泌一類特殊的蛋白質，根瘤菌細胞的表面存在著多糖物質，只有同族豆科植物根毛分泌的蛋白質與同族根瘤菌細胞表面的多糖物質才能產生特異性結合。常見的互接種族及所含的豆科植物有：苜蓿族：包括苜蓿屬和草木犀屬植物；三葉草族：只有三葉草屬一個屬；豌豆族：包括豌豆屬、蠶豆屬、山黧豆屬、兵豆屬和鷹嘴豆屬植物；四季豆族：包括四季豆屬中四季豆等植物；大豆族：只有大豆屬一個屬；豇豆族：包括豇豆、花生、綠豆、赤豆等植物；紫雲英族：只有黃芪屬一個屬（包括紫雲英、沙打旺等）。當豆科植物的根系在土壤中生長時，會刺激同一互接種族的根瘤菌在根系附近大量繁殖。豆科植物對根瘤菌的這種影響，在土壤中可以達到2～3cm的距離。這樣，根系附近的、與該種豆科植物同族的根瘤菌就會不斷地繁殖並聚集到根毛的頂端。聚集在根毛頂端的根瘤菌分泌一種纖維素酶，將根毛頂端的細胞壁溶解掉。隨後，根瘤菌從根毛頂端侵入到根的內部，並形成感染絲（感染絲是指根瘤菌排列成行，外面包有一層黏液狀的物質）。根瘤菌就這樣不斷地進入根內，並且大量繁殖。在根瘤菌侵入的刺激下，根細胞分泌一種纖維素，將感染絲包圍起來，形成一條分支或不分支的纖維素鞘，這樣的結構叫做侵入線（圖2-4）。侵入線不斷地向內延伸，一直到達根的內皮層。根的內皮層處的薄壁細胞受到根瘤菌分泌物的刺激，不斷進行細胞分裂，從而使該處的組織膨大，最終形成根瘤。氮迴圈簡介氮素在自然界中有多種存在形式，其中，數量最多的是大氣中的氮氣，總量約3.9×1015t。除了少數原核生物以外，其他所有的生物都不能直接利用氮氣。目前，陸地上生物體內儲存的有機氮的總量達1.1×1010～1.4×1010t。這部分氮素的數量儘管不算多，但是能夠迅速地再迴圈，從而可以反覆地供植物吸收利用。存在於土壤中的有機氮總量約為3.0×1011t，這部分氮素可以逐年分解成無機態氮供植物吸收利用。海洋中的有機氮約為5.0×1011t，這部分氮素可以被海洋生物迴圈利用。構成氮迴圈的主要環節是：生物體內有機氮的合成、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，進而將這些無機氮同化成植物體內的蛋白質等有機氮。動物直接或間接以植物為食物，將植物體內的有機氮同化成動物體內的有機氮。這一過程叫做生物體內有機氮的合成。動植物的遺體、排出物和殘落物中的有機氮被微生物分解後形成氨，這一過程叫做氨化作用。在有氧的條件下，土壤中的氨或銨鹽在硝化細菌的作用下最終氧化成硝酸鹽，這一過程叫做硝化作用。氨化作用和硝化作用產生的無機氮，都能被植物吸收利用。在氧氣不足的條件下，土壤中的硝酸鹽被反硝化細菌等多種微生物還原成亞硝酸鹽，並且進一步還原成分子態氮，分子態氮則返回到大氣中，這一過程叫做反硝化作用。大氣中的分子態氮被還原成氨，這一過程叫做固氮作用。沒有固氮作用，大氣中的分子態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、工業固氮（用高溫、高壓和化學催化的方法，將氮轉化成氨）和高能固氮（如閃電等高空瞬間放電所產生的高能，可以使空氣中的氮與水中的氫結合，形成氨和硝酸，氨和硝酸則由雨水帶到地面）。據科學家估算，每年生物固氮的總量佔地球上固氮總量的90%左右，可見，生物固氮在地球的氮迴圈中具有十分重要的作用。根瘤菌菌劑的自制和使用根瘤菌菌劑可以購買，也可以自制。下面介紹兩種簡易的自制方法。①幹根瘤法。豆科作物處於開花期時，根瘤菌的繁殖和固氮能力最旺盛。這時，選擇生長健壯的植株，小心地連根挖起（儘量不要損傷根瘤）。挑選根瘤呈粉紅色的、個大、數多的植株，剪去枝葉和細根後，掛在通風背陰處備用。也可以在收穫豆科作物時進行選留，只是拌種時的用量應比盛花期留取的要多一些。第二年播種前，將根瘤取下，放在罐內搗碎，加上無菌水或冷開水攪拌均勻後，就可以拌種了。一般每公頃的豆種用75～150株的根瘤即可。②鮮根瘤法。預先在苗圃中種植同種豆科作物。大田播種時，從苗圃內生長健壯的豆科植株上選取個大和呈粉紅色的新鮮根瘤，放在罐內搗碎，加上無菌水或冷開水攪拌均勻後就可以拌種了。這種方法只需要少量新鮮根瘤（每公頃的豆種可用75～150個根瘤）。使用根瘤菌菌劑時應注意以下幾點。第一，根瘤菌對不同種甚至不同品種的豆科作物都有選擇性。所以，所用的根瘤菌菌劑一定要和豆科作物屬於同一互接種族，否則就沒有增產效果。第二，太Sunny中的紫外線對根瘤菌具有較強的殺傷力，所以，乾鮮根瘤、自制或購買的根瘤菌菌劑以及拌好的豆種，一定要放在陰涼處，避免Sunny直射。第三，拌種要均勻，不要擦傷種皮。第四，拌種時，不能同時拌入農藥。第五，拌種時，每公頃的豆種如果加入75～150g鉬酸銨，會有更好的增產效果。多年種植某種豆科作物的農田，如果繼續種植這種豆科作物，也應接種根瘤菌。這是因為土壤中原有根瘤菌的結瘤能力和固氮能力往往下降，即使能夠結瘤，固氮能力也不高。需要指出的是，根瘤菌的固氮能力，不僅取決於根瘤菌菌種的質量（人工培育的根瘤菌的固氮能力，一般比野生的根瘤菌的固氮能力高几倍），而且取決於土壤條件和栽培措施。因此，人們不僅要進行根瘤菌拌種，而且要加強農田管理並適時適量地施用磷、鉀肥料和微量元素肥料（如硼肥、鉬肥、鐵肥等），只有這樣才能更好地發揮根瘤菌的固氮能力。自生固氮菌菌劑的使用中國推廣使用的自生固氮菌菌劑，主要由圓褐固氮菌和棕色固氮菌製成。這些自生固氮菌菌劑，對於小麥、水稻、棉花和玉米等農作物都有一定的增產效果。施用方式主要有基施（和農家肥拌勻後，以基肥的形式施用）、追施（和潮溼的肥土混合均勻，堆放三五天並拌入一些稀糞水後，澆在農作物的根部並覆蓋土壤）和拌種（注意要在陰涼處拌種，拌種時不能拌入農藥，並且在陰涼處晾乾後再播種）。多年的生產實踐表明，農田中使用自生固氮菌菌劑的增產效果不很穩定。為此，目前科學家對於自生固氮菌的增產作用還有爭論，有的認為是自生固氮菌的固氮作用起到了增產作用，有的則認為主要是自生固氮菌分泌的生長素起到了增產作用。可以肯定的是，單純施用自生固氮菌菌劑不能滿足農作物對氮素營養的全部需要，自生固氮菌菌劑的施用只能是提供農作物氮素營養和促進農作物生長的一種補充措施。