蓝色生物技术研究之海洋生物固氮
摘要：蓝色生物技术也称海洋生物技术．是指应用于海洋生物的基因工程、细胞工程、生化工程等微观生物技术和应用于海洋生态环境中的生态工程等宏观技术的综合．是分子生物学、微生物学、材料化学、工程学、医学和生态学等多学科的融合。本文主要介绍了海洋固氮微生物，并从海洋生物的固氮作用的研究历史、海洋生物固氮的研究意义以及对未来的展望等方面概述了海洋生物固氮的研究进展。
关键词：生物技术；海洋生物；固氮作用
生命的维持和延续不仅需要能量，而且还必需各种物质，其中，蛋白质和核酸是构成生物体的主要成分，而氮是构成蛋白质和核酸的重要元素。生态系统的氮循环是气体型的生物地球化学循环，固氮是其重要过程。迄今已知的能固氮的生物多属于原核生物，固氮生物分为2大类:①能独立生存的自生型固氮微生物，分为细菌和蓝藻两类;②与其他植物或动物共生的共生型固氮微生物。陆生和水生植物以氨和硝酸盐的形式吸收氮，将它转化为氨基酸或核酸，然后又转化为消费者动物的相关成分。氮循环在生态系统中是一个相当完全的自我调节系统，形成动态平衡。溶解在海水中的氮如何被生物体利用的问题曾困扰海洋学家达数十年之久。陆生植物获取氮的方式是通过与其共生的细菌所进行的固氮作用来将氮气转换成可利用的固定氮。而溶解在海洋中的氮气也很多，因此当时科学家推测，海洋生物可以自行制造它们本身所需的氮。
近年来，海洋生物固氮作用研究已成为海洋氮循环研究热点之一，因为它补充了海洋中的结合态氮，影响着海洋氮储库的收支平衡，进而调控海洋的初级生产力，并因此与海洋颗粒有机碳的迁出以及海洋对大气CO
的吸收密切相关。
2
1 海洋固氮微生物
固氮微生物在形态及功能上具有显著的多样性，迄今已知的海洋浮游固氮微生物多为原核生物，广义上可分为2大类：一类是能独立生存的自生固氮微生
物，另一类是与其他动植物共生的固氮微生物。自20世纪60年代以来，束毛藻(Trichodesmium spp．)就被视为海洋中最重要的自生固氮蓝细菌。束毛藻在全球寡营养盐的热带和亚热带海区广泛存在，并经常形成大规模的水华。细胞生态学及基因测序的结果表明该属有5个种：铁氏速毛藻(T.thiebautii)、汉氏束毛藻(T.hildebrandtii)、红海束毛藻(T.erythraeum)、纤束毛藻(T.tenue)、扭束毛藻(T.contortum)。在形态上可分为游离丝状体和簇集成团两类。束毛藻主要生活在水温高于20。C的热带和亚热带海域，并且因为其特有的细胞气囊结构可以在海洋上层100 nl水柱内垂直移动。条件适宜时，束毛藻往往形成水华，并在较短时间内大量固氮，构成海洋固氮速率估算中不可忽视的一部分。Zehr等(2001)和Montoya等(2004)通过分子生物学等手段发现了具有同氮能力的蓝细菌和蛋白细菌在微微(pico)级和微(nano)级的分布，它们不但具有高固氮能力且可昼夜固氮。这个发现成为过去10 a海洋生物固氮作用研究的最大进展之一。与其他动植物共生并具有固氮能力的一些生物也是海洋结合态氮的一个重要来源，如胞内植生藻(Richelia intracellularis)可与某些硅藻共生并固氮，在许多海区是仅次于束毛藻的固氮者。
2 海洋生物固氮作用的研究历史
相对陆地生态系而言，海洋生态系生物固氮作用的研究要滞后得多，较大规模的实测研究则是在近30a才开展起来。Dugdale(1961)通过15N
：示踪培养法研
2
究了北大西洋马尾藻海的生物固氮作用，首次证实了该海区柬毛藻固氮作用的存在。束毛藻自此被视为最重要的海洋固氮微生物。但此后15N
培养测定固氮速率
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的方法并没有马上得到广泛应用，主要是受限于当时的仪器分析水平。随后，另一种精度更高、更易操作、更廉价的测定固氮速率的方法——乙炔还原法的出现，极大地推进了海洋生物固氮作用研究的发展。到了20世纪末，同位素比值质谱技
示踪法测定固氮速率无论在灵敏度、可操作性等方面都得术的突飞猛进使得15N
2
到了质的提升，此法较乙炔还原法具有明显优越性，自此，该直接测定法成为海洋固氮速率测定的首选。其他的估算方法尚包括：硝酸盐异常指数(N+)法、15N 同位素收支平衡法、卫星遥测法等。
目前看来，早期研究中获得的全球海洋生物同氮速率可能被低估了，比如，
Capone(1982)估算出全球海洋生物同氮速率仅为10～20 Tg／a，这是依据在热带大西洋和加勒比海进行的有限的现场直接测定束毛藻固氮速率并结合历史记载的束毛藻在主要大洋中的丰度而估算出的结果．然而到了1997年，据Gruber估算仅仅北大西洋的固氮速率就达到了28 Tg／a。现在得到较多认可的全球海洋生物固氮速率为100～200Tg／a。但实际情况是，无论哪个估算值都存在很大的不确定性，其原因在于生物固氮速率实测值不足、固氮生物的水华贡献难以定量、固氮微生物种类的不确定性等。
3 海洋生物固氮研究意义
氮是海洋浮游植物必需的大量元素，又是海洋浮游植物生长的主要限制因子之一，研究氮元素的补充机制对了解海洋生态系统有重要意义。海区氮、营养盐的补充主要通过新生氮实现，其主要补充机制为径流输入、大气干湿沉降、水体混合、上升流、生物固氮作用。生物固氮是指固氮生物将大气中的氮气还原成氨的过程，对地球上氮循环和氮平衡具有不可替代的作用。海洋生物固氮作用是维持海洋初级生产力和新生产力的一个重要生态反应。
氮经常是陆地和水生生物群落中有机体生长的限制因子，可靠的氮源对控制
古代和现代海洋CO
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平衡十分重要。在寡营养盐的低纬度海域，由于表层结合态氮盐的不足，真光层以外输入的氮源对于支持海洋初级生产力至关重要。来自真
光层以深水体向上输送的NO
3
-被认为是真光层新N的最主要来源。但随着海洋生物固氮作用研究的开展，固氮作用作为新氮来源的重要性已得到公认。固氮微生物不仅能够通过固氮作用来支持自身生长，还能通过细胞分泌等过程向当地释放结合态氮以缓解当地的氮限制。海洋浮游植物吸收大气CO：合成的有机碳从真光
层向下输出(生物泵)调控着大气CO
2
含量，而深层水向上层海洋输送硝酸盐来支
持浮游植物的新生产力及输出生产力，但是下层水体在向上输送NO
3
-的同时，
也伴随着CO
2
的输入．与此不同的是，其他外源性新氮的输入(如海洋生物固氮、
河流输入、大气沉降等)却能够实现海洋对大气CO
2
的净埋藏，因而在吸收大气
CO
2方面发挥着重要作用。在千年到万年的时间尺度上，大气CO
2
含量变化可能
受控于海洋氮储库的变化。
4 展望
海洋生物固氮作用是海洋与大气相互作用的一个关键环节，影响着海洋碳、氮生物地球化学循环过程及其对全球变化的响应与反馈．近些年来，对海洋生物固氮作用的重要性有了新的认识，但对于海洋固氮速率及其时空变化的了解仍十分有限，未来有必要加强如下几方面的研究：
(1)在更大时空尺度上开展海洋生物固氮研究，获得更多实测数据，弥补当前实测速率的不足，以进一步得到较为准确的全球海洋固氮速率值，对于中国海洋学家来说任务尤其艰巨。
(2)获取海洋固氮微生物种类组成的准确信息，不仅仅局限于束毛藻，其他更小型的单细胞蓝细菌、蛋白细菌等在某些条件下也可能扮演着重要的角色。
(3)进一步探索海洋生物固氮作用的影响因素，深入了解铁、磷等营养盐及其他物理、化学、生物因子对海洋固氮作用的调控作用。
(4)追踪新固定氮的流向，准确评估生物固氮作用在海洋生态系中的功能与作用。
参考文献
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生物固氮的原理、应用及研究进展 摘要：生物固氮是自然生态系统中氮的主要来源全球生物固氮的量是巨大的，海洋生态系统每年生物固氮量在四百万吨到两千万吨，陆地生态系统生物固氮量在九百万吨到一千三百万吨，而工业固氮量在世纪年代中期每年约为一千三百万吨。可见，生物固氮在农林业生产和氮素生态系统平衡中的作用很大我国农民利用豆科植物固氮肥田历史悠长，直至现在仍保留着豆科植物和非豆科植物轮作套作和间作等耕作制度国外也十分重视固氮生物在农业中的作用。 关键词：生物固氮；联合固氮菌；自生固氮菌 一、生物固氮的原理 1982年，Postage 以肺炎克氏菌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：N 2 + 6H+ + nMg-ATP +6e-(酶)→2NH 3 +nMg-ADP+nPi 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还原成的过程中，需要e和H+，还需要ATP提供能量生物固氮的过程十分复杂[1]，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N 2，使它们还原成NH 3 ，而乙炔和N 2 具 有类似的接受e还原成乙烯的能力。 二、固氮微生物的种类 固氮微生物多种多样，不同的划分标准满足了不同的要求。从它们的生物固氮形式来分，有自生固氮、联合固氮、和共生固氮3种。 ①自生固氮微生物是指能够在自由生活状态下固氮的微生物总称。在自然界，自生固氮微生物种类很多，分散地分布在细菌和蓝细菌的不同科、属和不同的生理群中；并大致可以分为光合细菌和非光合细菌两类。前者如红螺菌、红硫细菌和绿硫细菌等，其中的某些种类可与其它微生物联合而相互有利；后者的种类很多。根据非光合细菌的自生固氮菌对氧的需求，可以分为厌氧的细菌如梭状芽胞杆菌[2]；需氧细菌如自生固氮菌、贝捷林克氏固氮菌、固氮螺菌等；以及兼性细菌如多粘芽胞杆菌、克鲁伯氏杆菌、肠杆菌等。自生固氮微生物中的某些种类，在有些情况下可以与植物进行联合固氮。 一般地，自生固氮微生物固定的氮素满足本身生长繁殖需要以后就不再固氮了，多余的氮反过来会抑制它们自身的固氮系统。同时，它们固氮效率也比较低。
第二节生物固氮 教学目的 固氮微生物的种类（A :知道）。 生物固氮的基本过程（选学） （A :知道）。 生物固氮的意义（B :识记）。 重点和难点 1 .教学重点 （1） 固氮微生物的种类。 （2） 生物固氮的意义。 2.教学难点 生物固氮的基本过程 教学过程 【板书】 共生固氮微生物 固氮微生物的种类 自生固氮微生物 生物固氮的意义 生物固氮在农业生产中的应用 【注解】 生物固氮：是指固氮微生物将大气中的氮还原成氨的过程 、固氮微生物的种类 （一）共生固氮微生物 1. 概念：是指一些与绿色植物互利共生的固氮微生物 2. 代表生物——根瘤菌 固氮 生物固氮过程简介 生物固氮在农业生产中的应用（ A :知道）。 生物
（1）代谢类型：异养需氧型 （2）共生特性：不同的根瘤菌，各自只能侵入特定种类的豆科植物。（根瘤=根瘤菌+膨大的根部薄壁组织） （3）共生关系表现：豆科植物为根瘤菌提供有机物；根瘤菌为豆科植物提供氨。 （二）自生固氮微生物 1 .概念：是指土壤中能独立进行固氮的微生物 2.代表生物一一圆褐固氮菌 具有一定的固氮能力，并且能够分泌生长素，促进植物的生长和果实的发育 【例析】 1 .自生固氮菌的新陈代谢类型是（） A?自养型、需氧型B.自养型、厌氧型C.异养型、需氧型 D ?异养型、厌氧型 二、生物固氮与氮循环 1.固氮作用： 2?有机氮的合成：光合产物+固氮产物（如NH 3、NO 3-等） 3.氨化作用：含氮有机物—微生物t NH 3 4.硝化作用：NH 3 ------------------------- NO 2 ---------------------------- NO 3 （需氧） 5.反硝化作用：NO 3-TNO2-TNH3 （氧气不足时）
（生物科技行业）生物固氮作用的分子机理研究
项目名称：生物固氮作用的分子机理研究首席科学家：王忆平北京大学 起止年限：2010年1月-2014年8月依托部门：教育部
一、研究内容 生物固氮研究的关键科学问题是获得最佳生物固氮体系（包括共生固氮、联合（内生）固氮等）和建立非豆科植物的自主固氮体系，具体包括：（1）阐明根瘤菌共生固氮基因表达调控的网络，根瘤菌识别、传递环境和植物信号，调节自身基因表达的分子机理；（2）揭示固氮及氮代谢基因调控机理，与碳代谢系统及其基因的调控偶联机制；（3）阐明共生固氮体系中植物与微生物相互作用的机理，如植物与微生物相互识别及分子信号的传导机制，克服宿主特异性，从而扩大根瘤菌的宿主范围；（4）利用单细胞真核生物--酵母菌的线粒体遗传操作系统，探索固氮基因簇向真核生物转化和表达的机制，为固氮基因向高等植物转移，建立非豆科植物自主固氮体系的奠定基础。（5）阐明固氮酶结构、功能和催化机理。 围绕上述提高生物固氮效率、扩大共生固氮植物范围、建立自主固氮体系的关键问题，主要研究内容有： （1）以模式豆科植物共生固氮体系为材料，分离和鉴定参与根瘤菌结瘤因子信号传递的调控元件及基因，研究和建立根瘤菌与宿主植物共生关系蛋白相互作用网络；通过对豆科植物与根瘤菌、AM真菌共生的异同以及与非豆科植物比较基因组学研究，揭示非豆科植物中存在哪些与共生相关基因的功能及调控机制，为探索扩大根瘤菌寄主范围和建立非豆科共生固氮途径可能性提供科学资料；分离和鉴定LysR、GntR等家簇转录因子及其靶基因，阐明根瘤菌主代谢与共生固氮功能的相关性和调控机理；开展根瘤菌群体感应系统、Ⅲ型分泌系统及胞外多糖合成基因表达调节的双组分调控系统的研究，阐明这些代谢系统在不同环境条件下的功能和作用机制，揭示根瘤菌环境适应性与竞争结瘤之间的相关性。 （2）碳代谢与氮代谢是自然界生命活动的两大主要代谢作用。固氮基因调控
第二节 生物固氮 教学内容 生物固氮：是指固氮微生物将大气中的 还原成 的过程 一、固氮微生物的种类 （一）共生固氮微生物 ：代表生物——根瘤菌 （1） 代谢类型： （2） 共生特性：不同的根瘤菌，各自只能侵入特定种类的豆科植物。（根瘤＝根 瘤菌＋膨大的根部薄壁组织） （3） 共生关系表现：豆科植物为根瘤菌提供 ；根瘤菌为豆科植物提 供 。 （二）自生固氮微生物: 代表生物——圆褐固氮菌 具有一定的固氮能力，并且能够分泌 ，促进植物的生长和果实的发育 二、生物固氮与氮循环 １．固氮作用： ２．有机氮的合成：光合产物＋固氮产物（如ＮＨ３、ＮＯ３－等） ３．氨化作用：含氮有机物?? →?微生物ＮＨ３ ４．硝化作用：ＮＨ３???→?亚硝化细菌ＮＯ２－???→?硝化细菌 ＮＯ３－（需氧） ５．反硝化作用：ＮＯ３－→ＮＯ２－ →ＮＨ３（氧气不足时） 三、在农业生产上的应用 （一）土壤获取氮素的两条途径 １．含氮肥料的施用（１／６） ２．生物固氮（５／６） （１）将圆褐固氮菌制成菌剂，施到土壤，可提高农作物的产量 （２）对豆科植物可进行根瘤菌拌种，也能提高豆科植物产量 （３）通过转基因技术，可将固氮基因转到非豆科植物中（此法不仅能明显提高农作物 产量，而且有利于生态环境的保护） 随堂练习 1．豆科植物与根瘤菌的互利共生关系主要体现在 （ ） A ．豆科植物从根瘤菌获得NH 3，根瘤菌从豆科植物获得糖类 B ．豆科植物从根瘤菌获得含氮有机物，根瘤菌从豆科植物获得NH 3 C ．豆科植物从根瘤菌获得N 2，根瘤菌从豆科植物获得有机物 D ．豆科植物从根瘤菌获得NO ，根瘤菌从豆科植物获得NH 3 2．关于根瘤和根瘤菌的说法中，正确的是（ ） A ．根瘤即是根瘤菌 B ．根瘤是根瘤菌的聚合体 C ．根瘤是根瘤菌在其共生的植物体内所形成的癌变 D ．根瘤是根的内皮层的薄壁细胞受根瘤菌分泌物的刺激进行分裂，组织膨大而形成的
生物固氮及其发展前景 摘要：本论文主要介绍生物固氮概念、固氮微生物及其种类和生物固氮发展前景。 关键词：生物固氮固氮微生物固氮生化机制生物固氮展望 引言：生物固氮是一个具有重大理论意义和实用价值的生化过程。生物固氮反应是一种及其温和及零污染排放的生化反应，它比人类发明的化学固氮有这无比的优越性，因后者需要消耗大量的石油原料和特殊的催化剂，并须要在高温（~300℃）、高压（~300个大气压）下进行。此外，若不合理地使用氮肥，还会降低农产品的质量，破坏土壤结构和降低肥力，以及造成坏境污染（如湖泊的水华和海洋的赤潮）等恶果。我国在近半个世纪当中，化肥产量猛增近6000倍，其有害影响已不断出现。因此，我们应深刻认识到，只有深入研究、开发和利用固氮微生物，才能更好的发展生态农业和达到土地可持续利用的战略目标。如果把光合作用旱作是地球上最重要的生化反应，则生物固氮作用便是地球上仅次于光合作用的生物化学反应，因为它为整个生物圈中一切生物的生存和繁荣发展提供了不可或缺和可持续供应的还原态氮化物的源泉。 内容：⒈生物固氮定义：指大气中的分子氮通过微生物固氮酶的催化而还原成氨的过程，生物界中只有原核生物才具有固氮能力。 ⒉固氮微生物的种类 ⒉1 自生固氮菌
⒉⒈1好氧：化能异养、化能自养、光能自养 ⒉⒈2兼性厌氧：化能异养、光能异样 ⒉⒈3厌氧：化能异养、光能自养 ⒉2 共生固氮菌 ⒉⒉1根瘤：豆科植物、非豆科被子植物 ⒉⒉2植物：地衣、满江红 ⒉3 联合固氮菌 ⒉⒊1根际（热带、温带） ⒉⒊2叶面 ⒉⒊3动物肠道 ⒊固氮的生化机制 ⒊1生物固氮反应的6要素 ⒊⒈1ATP的供应由于N≡N分子中存在3个共价键，故要把这种极端的分子打开就得花费巨大能量。固氮过程中把N2还原成2NH3时消耗的大量ATP(N2:ATP=1:(18~24)是由呼吸、厌氧呼吸、发酵或光合磷酸化作用提供的。 ⒊⒈2还原力[H]及其传递载体固氮反应中所需大量的还原力（N2︰[H]=1︰8)必须以NAD（Ｐ）Ｈ＋Ｈ﹢的形成提供。[Ｈ]由低电势的电子载体铁氧还蛋白(ｆｅｒｒｅｄｏｘｉｎ，一种硫铁蛋白)或黄素氧还蛋白（Ｆｌｄ，一种黄素蛋白）传递至固氮酶上。 ⒊⒈３固氮酶固氮酶是一种复合蛋白，由固二氮酶还原酶两种相互分离的蛋白构成，它们对氧都高度敏感。固二氮酶是一种含铁
氮素在自然界中有多种存在形式，其中，数量最多的是大气中的氮气，总量约3.9×10^15 t。除了少数原核生物以外，其他所有的生物都不能直接利用氮气。目前，陆地上生物体内储存的有机氮的总量达1.1×10^10～1.4×10^10 t。这部分氮素的数量尽管不算多，但是能够迅速地再循环，从而可以反复地供植物吸收利用。存在于土壤中的有机氮总量约为 3.0×10^11 t，这部分氮素可以逐年分解成无机态氮供植物吸收利用。海洋中的有机氮约为5.0×10^11 t，这部分氮素可以被海洋生物循环利用。 构成氮循环的主要环节是：生物体内有机氮的合成、氨化作用、硝化作用、反硝化作用和固氮作用。 植物吸收土壤中的铵盐和硝酸盐，进而将这些无机氮同化成植物体内的蛋白质等有机氮。动物直接或间接以植物为食物，将植物体内的有机氮同化成动物体内的有机氮。这一过程叫做生物体内有机氮的合成。动植物的遗体、排出物和残落物中的有机氮被微生物分解后形成氨，这一过程叫做氨化作用。在有氧的条件下，土壤中的氨或铵盐在硝化细菌的 氮循环 作用下最终氧化成硝酸盐，这一过程叫做硝化作用。氨化作用和硝化作用产生的无机氮，都能被植物吸收利用。在氧气不足的条件下，土壤中的硝酸盐被反硝化细菌等多种微生物还原成亚硝酸盐，并且进一步还原成分子态氮，分子态氮则返回到大气中，这一过程叫做反硝化作用。 大气中的分子态氮被还原成氨，这一过程叫做固氮作用。没有固氮作用，大气中的分子态氮就不能被植物吸收利用。地球上固氮作用的途径有三种：生物固氮、工业固氮（用高温、高压和化学催化的方法，将氮转化成氨）和高能固氮（如闪电等高空瞬间放电所产生的高能，可以使空气中的氮与水中的氢结合，形成氨和硝酸，氨和硝酸则由雨水带到地面）。据科学家估算，每年生物固氮的总量占地球上固氮总量的90%左右，可见，生物固氮在地球的氮循环中具有十分重要的作用。
第六部分 生物技术与生命科学新进展 第41讲 生物固氮 一、考点内容全解 （一）本讲考点是什么 2.生物固氮 3.氮的循环 （二）考点例析 [例1]自生和共生固氮微生物可以将 （ ） A ．大气中的N 2转化为NH 3 B ．大气中的N 2转化为NO 3－ C ．土壤中的NH 3转化为NO 3－ D ．土壤中的NO 3－转化为N 2 [解析]本题考查生物固氮的基本概念。生物固氮是指固氮微生物将大气中的氮还原成氨的过程，固氮微生物包括共生固氮微生物和自生固氮微生物两种类型，在固氮酶的催化下，它们均能将大气中的分子态的N 2转化为化合态的NH 3。 [答案]A [例2]固氮酶具有底物多样性的特点，所有的固氮酶除了能催化N 2→NH 3的反应外还能催化： ①NO 2→N2+H 2O ②N 3→N 2+ NH 3 ③C 2H 2→C 2H 4 ④2H +→H 2 请结合上面的生物固氮原理示意图，回答： (1)生物固氮需要的条件有 (2)试概括出生物固氮的反应式： 固氮酶
[解析]不同固氮微生物的固氮催化作用情况基本相同：需要N 2为原料，需要e 、H ＋ ，以及ATP 提供能量来源，还需要固氮酶作为该反应的催化剂。主要产物为NH 3。 [答案](1) N 2、e 、H ＋、ATP 和酶 (2) N 2＋e → NH 3 ＋ADP ＋Pi [同类变式]微生物固氮的反应要求钼铁蛋白和铁蛋白的存在，工业合成氨，也是用含铁的钼盐作催化剂的。下列叙述最能体现这两种固氮方式的区别 （ ） A ．生物固氮是酶促反应，工业固氮是氧化还原反应 B ．固氮微生物为固氮酶的载体 C ．生物固氮与微生物固氮没有本质区别 D ．生物固氮的产物是有机物 [解析]本题主要变化是考查对生物固氮本质的认识。生物固氮是固氮微生物特有的一种 才具有固氮的作用。即： 所以，与工业上从空气中取氮以制造氨，也用含铁的钼盐作催化剂不同的是：在生物体内，含钼和铁的催化剂都是酶蛋白。 [答案]B [解题警示]生物固氮也是氧化还原反应，所以选项A 不能体现这两种固氮方式的本质区别。 [例3] 右图是自然界中的氮以蛋白质的形式在生物体内转化的部分过程示意图。请回答： (1)自然界中将NH 3转化成N03－的生物叫 ，该种生物的同化方式主要通过 作用来完成；自然界 中将NH 3转化成N 2的生物的新陈代谢类型是 。 (2)植物的根从土壤中吸收N03－是通过 完成的，吸收的N03－与有机物合成为植物蛋白质。 (3)图中①、②、酶和血浆蛋白虽都为蛋白质，但功能各 不相同，从分子结构上看，直接原因是 ；而由于血红蛋白质异常的镰刀型细胞贫血症的根本原因是 。 (4)过程⑤是 ；过程⑥是 ；细胞中⑦的合成场所是 ；不含氮部分彻底氧化的场所是 。 [解析]本题以生物体蛋白质代谢为问题切入点，考查氮循环的全过程。构成氮循环的主要环节是：生物体内有机氮的合成（植物吸收土壤中的铵盐和硝酸盐，进而将这些无机氮同化成植物体内的蛋白质等有机氮；动物直接或间接以植物为食物，将植物体内的有机氮同化成动物体内的有机氮）、氨化作用（动植物的遗体、排出物和残落物中的有机氮被微生物分解后形成氨）、硝化作用（在有氧的条件下，土壤中的氨或铵盐在硝化细菌的作用下最终氧化成硝酸盐）、反硝化作用（在氧气不足的条件下，土壤中的硝酸盐被反硝化细菌等多种微生物还原成亚硝酸盐，并且进一步还原成分子态氮，分子态氮则返回到大气中）和固氮作用（大气N 2 6H 2NH
第二节生物固氮 教学目的 1．固氮微生物的种类（A：知道）。 2．生物固氮的基本过程（选学）（A：知道）。 3．生物固氮的意义（B：识记）。 4．生物固氮在农业生产中的应用（A：知道）。 重点和难点 1．教学重点 （1）固氮微生物的种类。 （2）生物固氮的意义。 2．教学难点 生物固氮的基本过程 教学过程 【板书】 共生固氮微生物 固氮微生物的种类 生物自生固氮微生物 固氮生物固氮过程简介 生物固氮的意义 生物固氮在农业生产中的应用 【注解】 生物固氮：是指固氮微生物将大气中的氮还原成氨的过程
一、固氮微生物的种类 （一）共生固氮微生物 1． 概念：是指一些与绿色植物互利共生的固氮微生物 2． 代表生物——根瘤菌 （1） 代谢类型：异养需氧型 （2） 共生特性：不同的根瘤菌，各自只能侵入特定种类的豆科植物。（根瘤＝根瘤菌 ＋膨大的根部薄壁组织） （3） 共生关系表现：豆科植物为根瘤菌提供有机物；根瘤菌为豆科植物提供氨。 （二）自生固氮微生物 1． 概念：是指土壤中能独立进行固氮的微生物 2． 代表生物——圆褐固氮菌 具有一定的固氮能力，并且能够分泌生长素，促进植物的生长和果实的发育 【例析】 １．自生固氮菌的新陈代谢类型是（） A ．自养型、需氧型 B ．自养型、厌氧型 C ．异养型、需氧型 D ．异养型、厌氧型 二、生物固氮与氮循环 １．固氮作用： ２．有机氮的合成：光合产物＋固氮产物（如ＮＨ３、ＮＯ３－等） ３．氨化作用：含氮有机物?? →?微生物 ＮＨ３ ４．硝化作用：ＮＨ３???→?亚硝化细菌ＮＯ２－?? ?→?硝化细菌ＮＯ３－（需氧） ５．反硝化作用：ＮＯ３－→ＮＯ２－→ＮＨ３（氧气不足时）
生物固氮 【本章知识框架】 【疑难精讲】 1．生物体内有机氮的合成、氨化作用、硝化作用、反硝化作用和固氮作用 植物吸收土壤中的铵盐和硝酸盐，进而将这些无机氮同化成植物体内的蛋白质等有机氮。动物直接或间接以植物为食物，将植物体内的有机氮同化成动物体内的有机氮。这一过程叫做生物体内有机氮的合成。动植物的遗体、排出物和残落物中的有机氮被微生物分解后形成氨，这一过程叫做氨化作用。在有氧的条件下，土壤中的氨或铵盐在硝化细菌的作用下最终氧化成硝酸盐；这一过程叫做硝化作用。氨化作用和硝化作用产生的无机氮，都能被植物吸收作用。在氧气不足的条件下，土壤中硝酸盐被反硝化细菌等多种微生物还原成亚硝酸盐，并且进一步还原成分子态氮，分子态氮则返回到大气中，这一过程叫做反硝化作用。 大气中的分子态氮还原成氨，这一过程叫做固氮作用。没有固氮作用，大气中的分子态氮就不能被植物吸收利用。地球上固氮作用的途径有三种：生物固氮、工业固氮（用高温、高压和化学催化的方法，将氮转化成氨）和高能固氮（如闪电等高空瞬间放电所产生的高能，可以使空气中的氮与水中的氢结合，形成氨和硝酸，氨和硝酸则由雨水带到地面）。据科学家估算，每年生物固氮的总量占地球上固氮总量的90%左右，可见，生物固氮在地球的氮循环中具有十分重要的作用。 2．固氮生物的类型 固氮生物都属于个体微小的原核生物，所以，固氮生物又叫固氮微生物。根据固氮微生物的固氮特点以及与植物的关系，可以将它们分为自生固氮微生物、共生固氮生物和联合固氮微生物三类。 自生固氮微生物在土壤或培养基中生活时，可以自行固定空气中的分子态氮，对植物没有依存关系。常见的自生固氮微生物包括以圆褐固氮菌为代表的好氧性自生固氮菌、以梭菌为代表的厌氧性自生固氮菌，以及以鱼腥藻、念珠藻和颤藻为代表的具有异形胞的固氮蓝藻（异形胞内含有固氮酶，可以进行生物固氮）。 共生固氮微生物只有和植物互利共生时，才能固定空气中的分子态氮。共生固氮微生物可以分为两类：一类是与豆科植物互利共生的根瘤菌，以及与桤木属、杨梅属和沙棘属等非豆科植物共生的弗兰克氏放线菌；另一类是与红萍（又叫做满江红）等水生蕨类植物或罗汉松等裸子植物共生的蓝藻。由蓝藻和某些真菌形成的地衣也属于这一类。 有些固氮微生物如固氮螺菌、雀稗固氮菌等，能够生活在玉米、雀稗、水稻和甘蔗等植物根内的皮层细胞之间。这些固氮微生物和共生的植物之间具有一定的专一性，但是不形成根瘤那样的特殊结构。这些微生物还能够自行固氮，它们的固氮特点介于自生固氮和共生固氮之间，这种固氮形式叫做联合固氮。 【学法指导】 本部分复习2～3课时，第1课时复习生物固氮的有关知识，第2～3课时，选取部分练习题将本章内容进行复习巩固。 1．“生物固氮”一节先介绍固氮微生物的种类、代表微生物的形态生理特征及其在农业生产实践中的应用；又讲述了生物固氮的原理和意义；还介绍了生物固氮在农业生产中的应用，表现在三个方面：土壤中氮素的消耗和补充途径，目前广泛应用的对豆科植物播种前进行的根瘤苗拌种，以及农田中种植绿肥的科学道理；并
生物固氮 一. 教学内容： 生物固氮 二. 学习内容： 本周复习生物固氮，本周内容在高考有涉及，新课程中将固氮的基本原理降低层次，内容不多，但作为高考全面备考思想，还是希望能对此内容能加深理解，同时本周再次将重点内容光合作用做次复习，巩固知识。 三. 学习重点： 1. 光合作用的能量转换过程，有机物的生成，提高光合作用的效率 2. 生物固氮，固氮微生物，氮循环 四. 学习难点： 1. 生物固氮 五.五.复习过程： （一）固氮类型 固氮：将空气中的氮分子转化成氮化合物的过程 生物固氮：固氮微生物将空气中的还原成氨的过程 每年生物固氮的总量占地球上固氮总量的90%左右，生物固氮在氮循环中起重要作用。 （二）固氮微生物的种类 1. 固氮微生物都是原核微生物，目前共发现100多种。主要有：根瘤菌、蓝藻、放线菌 2. 类型： （1）共生固氮微生物 指与绿色植物互利共生时才能固氮的微生物 如：根瘤菌——与豆科植物互利共生 弗兰克氏放线菌——与桤木属、杨梅属、沙棘属等植物共生 蓝藻——与红萍等水生蕨类或罗汉松等裸子植物共生，地衣即是。 根瘤菌：在土壤中分布广泛，其固定的氮素占自然界生物固氮的绝大部分 形状：棒槌型、T型、Y型 代谢类型：需氧异养细菌，原核生物 特点： ①只有在侵入到豆科植物的根内才能固氮
②不同的根瘤菌各自只能侵入特定种类的豆科植物 ③根瘤菌与豆科植物互利共生 根瘤形成： ①豆科植物幼苗长出后,相应的根瘤菌就侵入到根内 ②根瘤菌在根内不断繁殖 ③刺激根内薄壁细胞分裂，该处组织膨大形成根瘤 重要意义：豆科植物从根瘤中获得的氮素占所需氮素的30%到80% （2）自生固氮微生物 指在土壤中能够独立进行固氮的微生物，如：圆褐固氮菌 圆褐固氮菌：异养需氧原核生物（细菌） 结构特点： ①大多是杆菌或短杆菌 ②通常是单生或对生生活（显微镜下观察呈8字型） ③细菌外层有一层荚膜 功能特点： ①异养需氧生活 ②能独立固氮，固氮能力较强（能在无氮培养基中生长） ③能分泌生长素（促进植株生长和果实发育） （三）生物固氮的意义： 1. 植物吸收土壤中的氨盐和硝酸盐，在体内将无机氮转化为有机氮 2. 动物直接或间接以植物为食，同化形成动物有机氮 3. 动植物有机氮被微生物分解成氨——氨化作用 4. 氨或氨盐在硝化细菌的作用下最终氧化成硝酸盐----硝化作用 5. 硝酸盐被反硝化细菌等还原成亚硝酸盐，进一步形成分子态氮返回大气——反硝化作用 意义：没有以生物固氮为主的固氮作用,大气中的分子态氮就不能被植物吸收利用。 生物固氮在氮循环中有十分重要的意义。 五. 学习指导： 1. 通过比较，了解共生固氮微生物和自生固氮微生物的差别
生物固氮 同步练习 1．右图为根瘤菌入侵豆科植物根的示意图，则将来形成根瘤 的细胞是 （ ） A ．根毛细胞 B ．内皮层细胞 C ．木质部细胞 D ．韧皮部细胞 2．豆科植物与根瘤菌的互利共生关系主要体现在 （ ） A ．豆科植物从根瘤菌获得NH 3，根瘤菌从豆科植物获得 糖类 B ．豆科植物从根瘤菌获得含氮有机物，根瘤菌从豆科植 物获得NH 3 C ．豆科植物从根瘤菌获得N 2，根瘤菌从豆科植物获得有机物 D ．豆科植物从根瘤菌获得NO ，根瘤菌从豆科植物获得NH 3 3．将自生固氮菌接种到下面四个相同的培养基中，放在以下条件下培养，其中菌落形成最快 的是 （ ） 4．下列说法正确的是 （ ） A ．NH 3·H 2O 可以被豆科植物直接利用 B ．最好37℃左右条件下培养圆褐固氮菌 C ．圆褐固氮菌除了能够固氮外，还能够促进植物细胞的分裂 D ．利用不含氮盐的培养基将自生固氮菌分离出来 5．土壤中的无机氮主要以两种形式存在：氨态氮和硝态氮。氨态氮不稳定，易挥发。硝态氮 稳定。施肥后进行中耕松土可改变氨态氮和硝态氮的比值，其比值的变化是（ ） A ．变小 B ．变大 C ．不变 D ．无法确定 6．根瘤菌、硝化细菌在生态系统中的地位分别是 （ ） A ．生产者、生产者 B ．消费者、生产者 C ．分解者、消费者 D ．分解者、分解者 7．为确定某固氮菌的固氮产物，做了如下实验： ①把固氮菌培养在含15N 2的空气中，细胞迅速固定氮素，短期内细菌的谷氨酸中出现大量 的15N ； ②如果把细菌培养在含有15NH 3的培养基中，固氮能力立刻停止，但吸入氨态氮迅速转入 谷氨酸中。 由此可以推断，该微生物固氮产物最可能是 （ ） A ．谷氨酸 B ．NO 2 C ．NO 3－ D ．NH 3 8．培养硝化细菌的培养基中碳源、氮源、能源依次是 （ ） A ．葡萄糖、氨、葡萄糖 B ．葡萄糖、铵盐、太阳能 C ．二氧化碳、硝酸盐、氨 D ．二氧化碳、氨、化学能
生物固氮的基本介绍与联合固氮 生物固氮是自然生态系统中氮的主要来源。全球生物固氮的量是巨大的，海洋生态系统每年生物固氮量在4×1013～2×1014 g，陆地生态系统生物固氮量在9×10B～1．3×10149，而工业固氮量在20世纪90年代中期每年约为1．4×10M g。可见，生物固氮在农、林业生产和氮素生态系统平衡中的作用很大。生物固氮(nitrogen fixation)在20世纪60年代以前的主要工作是在广泛开展分离、鉴定、分类和固氮的生理以及固氮生物在农业上的应用。20世纪70年代后，固氮微生物学的侧重点转入固氮酶系统和固氮基因转移方面的研究。目前国内的研究集中以根瘤为研究对象，展开了一系列研究。 1．生物固氮的意义 氮是构成蛋白质和核酸的主要物质，是一切生命的要素，没有就没有生命。在大气中氮气的含量约为79％，但这种分子氮并不能直接为高等植物吸收利用，只有豆科植物和少数非豆科植物通过与根的共生固氮作用，才能把大气中的分子态氮转变为固态氮。这些氮除满足根瘤菌本身的需要外，还可为宿主提供生长发育可以利用的含氮化物。同时，根瘤菌及其所固定的氮化合物，可以提高土壤的含氮量，在间作和轮作上具有重要的意义。然而，水稻、小麦、玉米、高粱等农物无固氮功能，即使豆科植物在幼苗时期也没有固氮能力，故要使它增产就必须施用复合肥。氮肥的合成，需要消耗大量的能源。而且氮肥使用率只有50％一75％，未利用部分的流失会造成污染。故大量使用氮肥，不仅会增加农业成本，而且会造成土壤、水体及农产品的污染。环境质量意识日益增强的今天，开展生物固氮及其在农业中应用的究，以减少化合成氮肥的使用，具有特别重要的意义。 2. 生物固氮作用机 固氮酶由钼铁蛋白和铁蛋白。钼铁蛋白又称为钼铁氧还蛋白或分子氮酶，是真正意义上的“固氮酶”；铁蛋白又称固氮铁氧还蛋白或固分子氮还原酶，其实质是一种“固氮酶的还原酶”。固氮酶钼铁蛋白有三种状态，即氧化态、半还原态和完全还原态。当半还原态的钼铁蛋白和还原态的铁蛋白组合在—起时，成为稳定固的复合体系。这是还原铁蛋白的电子传递到半还原态钼铁蛋白上，使它成为完全还原态；而铁蛋白本身被氧化，随后再由细胞中电子传递链所提供的电子还原。完全还原态的钼铁蛋白络合分子氮，同时ATP水解成ADP+Pi，释放出大量能量，使电子和氢离子同氮结合，生成两分子。现在一般认为，在这个反应过程中固氮酶钼铁辅因子起关键作用，它是固氮酶的活性中心。研究表明，不同种类的固氮微生物都有共同的固氮基因控制着固性遗传，nif基因和固氮酶只存在于固氮菌体中。在根瘤菌中除了固氮基因之外，还存在着结瘤基因、使宿主的根毛变形弯曲的基因、根起始基因和产生色素的基因等。已经证实，根瘤菌中的基因和结瘤基等都定位在质粒E。 3．生物固氮及其分类 空气主要由氧气和氮气组成。其中氮气约占4／5．在自然界的千万种生物中，有一些生物能够直接吸收空气中的氮素作为养料，它们将分子态氮先还原成氮，再转化为氨基酸和蛋白质，这就叫生物固氮．豆科植物等，其根部长有许多小球。它是由根瘤菌共生形成的根瘤，就具有固氮作用；又如稻田中的水生蕨类植物满江红(俗称红萍)，由于叶腔中有固氮鱼腥藻共生而能吸收和利用大气中的氮；以上两种形式称为共生生物固氮．生物固氮的形式除共生生物固氮外。还有细菌自生固氮和联合固氮．联合固氮(又称为半共生固氮)它又分为内生联合固氮和外部联合固氮．目前已发现有固氮能力的微生物有60多属约数百种，包括细菌、放线菌、蓝绿藻等． 4．植物如何利用氮元素 高等植物不能吸收大气中分子态氮(N：)，仅能吸收化合态氮。植物可以吸收氨基酸、天冬酰胺和尿素等小分子有机物，但是植物的氮源主要是无机氮化物，而无机氮化物中以铵盐(NH4+)和硝酸盐(NO3-)为主。氨化作用土壤中的含氮有机物主要是蛋白质类，另外还有核酸、
项目名称：生物固氮作用的分子机理研究首席科学家：王忆平北京大学 起止年限：2010年1月-2014年8月 依托部门：教育部
一、研究内容 生物固氮研究的关键科学问题是获得最佳生物固氮体系（包括共生固氮、联合（内生）固氮等）和建立非豆科植物的自主固氮体系，具体包括：（1）阐明根瘤菌共生固氮基因表达调控的网络，根瘤菌识别、传递环境和植物信号，调节自身基因表达的分子机理；（2）揭示固氮及氮代谢基因调控机理，与碳代谢系统及其基因的调控偶联机制；（3）阐明共生固氮体系中植物与微生物相互作用的机理，如植物与微生物相互识别及分子信号的传导机制，克服宿主特异性，从而扩大根瘤菌的宿主范围；（4）利用单细胞真核生物--酵母菌的线粒体遗传操作系统，探索固氮基因簇向真核生物转化和表达的机制，为固氮基因向高等植物转移，建立非豆科植物自主固氮体系的奠定基础。（5）阐明固氮酶结构、功能和催化机理。 围绕上述提高生物固氮效率、扩大共生固氮植物范围、建立自主固氮体系的关键问题，主要研究内容有： （1）以模式豆科植物共生固氮体系为材料，分离和鉴定参与根瘤菌结瘤因子信号传递的调控元件及基因，研究和建立根瘤菌与宿主植物共生关系蛋白相互作用网络；通过对豆科植物与根瘤菌、AM真菌共生的异同以及与非豆科植物比较基因组学研究，揭示非豆科植物中存在哪些与共生相关基因的功能及调控机制，为探索扩大根瘤菌寄主范围和建立非豆科共生固氮途径可能性提供科学资料；分离和鉴定LysR、GntR等家簇转录因子及其靶基因，阐明根瘤菌主代谢与共生固氮功能的相关性和调控机理；开展根瘤菌群体感应系统、Ⅲ型分泌系统及胞外多糖合成基因表达调节的双组分调控系统的研究，阐明这些代谢系统在不同环境条件下的功能和作用机制，揭示根瘤菌环境适应性与竞争结瘤之间的相关性。 （2）碳代谢与氮代谢是自然界生命活动的两大主要代谢作用。固氮基因调控机理，以及碳代谢和氮代谢之间的调控偶联途径已经得到了解析，但碳代谢对固氮基因的表达的抑制机理与途径有较大不同。因此，进一步解析碳代谢调控系统对固氮基因的调控偶联机理将为提高生物固氮效率打下理论基础；建立酵母菌单细胞真核生物及其线粒体遗传操作系统，探索固氮基因簇向真核生物转化的可能和表达机制。包括：酵母菌线粒体遗传操作系统的构建；线粒体钼的运输、RNA 聚合酶对固氮基因表达的影响（RNA聚合酶、 因子、DNA折叠蛋白等）；线粒体呼吸耗氧与固氮酶厌氧的关系和影响；线粒体与细胞质之间的氨基酸穿梭往返机制对生物固氮效果的影响等。以上研究是固氮基因向真核生物转移的新的尝试，为非豆科植物（包括粮食作物）建立自主的生物固氮体系探索新路。 （3）联合固氮作用有三个重要的限制因子，即氧、铵和能量。其中，能量和铵又是导致目前田间联合固氮效率低下的最主要限制因子。我们拟利用功能基因组操作平台，对斯氏假单胞菌和巴西固氮螺菌等联合固氮菌和上述主要限制因子，在联合固氮微生物功能基因组、联合固氮基因表达调节以及固氮酶催化机制等开展工作。分析鉴定可能参与细菌氮信号传导、调控或保持最佳固氮水平的新基因和新机制，系统研究联合固氮体系形成的分子机理和联合固氮微生物对土壤环境变化的适应能力, 探讨提高作物与固氮微生物之间的联合固氮效率的策略。 （4）在固氮酶还原氮气和质子的分子机制方面，利用生物信息学和结构化学理论，分析研究野生型及各突变株固氮酶还原N2和H+的动力学、EPR、CD波谱的络合和还原位置及其电子质子传递通道。 等特征。明确N 2
生物固氮与人工模拟固氮 摘要:生物固氮是生命科学中的重大基础研究课题之一, 它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。本文旨在了解现在国际生物固氮和人工模拟生物固氮的现状，思考如何使用生物技术（特别是蛋白质工程）在固氮领域。 关键词:生物固氮人工模拟固氮固氮酶化学模拟 引言：空气中约 80%的氮气不能被植物直接利用, 只有固氮微生物具有将氮气转化成氨的能力, 人们称为生物固氮。据联合国粮农组织(FAO)1995 年粗略估计, 全球每年由生物固定的氮量已近2 ×106 t(相当于4 × 108 t 尿素), 约占全球植物需氮量的 3/4。所以,生物固氮是地球上最大规模的天然氮肥工厂。但为了满足需求还要新建很多氮肥厂, 投资上千亿元.一方面, 适量使用化学氮肥可使粮食高产; 另一方面,生产化学氮肥要大量消耗能源, 加重大气污染和温室效应. 大量施用化肥, 不仅提高农业生产成本, 而且导致水土污染, 影响健康和破坏生态平衡. 对于提高农业产量, 降低化肥用量和农业生产成本, 减少水土污染和疾病, 治理占我国国土面积约27%的荒漠化地区, 发展可持续农业, 生物固氮将起重要作用。而生物固氮中用到的固氮酶是一种重要蛋白质，联想到课上学
习的生物工程中蛋白质工程，我想到用蛋白质工程来制作新的更高效率的固氮酶来提高人工模拟固氮的产量，从而节省投资成本和保护环境。 1 生物固氮 1．1生物固氮概念：生物固氮是指固氮微生物将大气中的氮气还原成氨的过程。固氮生物都属于个体微小的原核生物，所以，固氮生物又叫做固氮微生物。根据固氮微生物的固氮特点以及与植物的关系，可以将它们分为自生固氮微生物、共生固氮微生物和联合固氮微生物三类。 1.2生物固氮的过程 生物固氮是固氮微生物特有的一种生理功能，这种功能是在固氮酶的催化作用下进行的。固氮酶是一种能够将分子氮还原成氨的酶。固氮酶是由两种蛋白质组成的：一种含有铁，叫做铁蛋白，另一种含有铁和钼，叫做钼铁蛋白。只有铁蛋白和钼铁蛋白同时存在，固氮酶才具有固氮的作用。[1] 1．3生物固氮的研究现状 当前, 国内外生物固氮研究已进入一个新阶段,其特点是多学科交叉, 将基础研究和应用前景相结合, 开拓了思路. 当前生物固氮研究正在分子和原子水平上开展, 如: 固氮基因表达的铵阻遏和氧敏感机制; 共生结瘤固氮中植物与微生物相互关系的基因表达和调控; 根
生物固氮专题 《生物固氮》专题复习（孙国防山东省加祥县第二中学 272404）生物固氮是自然界物质循环的重要生物学过程,它的研究和利用对氮肥生产的改进、农业产量的提高及解决全球性粮食问题等都有着重要的意义。通过本节的学习，可以使学生了解有关生物固氮的原理及其在农业生产实践中的应用，激发学生的探索生物科学奥秘的兴趣，为理科学生的升学和就业打下良好的生物学基础。1知识网络1、1固氮微生物——都是原核生物自生固氮微生物特点对植物没有依存关系概念能独立进行固氮代表好氧菌（园褐固氮菌）、厌氧固氮菌（梭菌）。共生固氮微生物特点共生固氮微生物与它种生物共生时有专一性概念必须与它种生物共生在一起时才能固氮代表根瘤菌（与豆科植物共生）、蓝藻（与红萍共生）。 1、2生物固氮过程反应条件 ATP的供应、固氮酶、还原底物等生物固氮意义在自然界氮循环中具有十分重要的作用，氮循环的主要环节是：生物体内有机氮的合成，氨化作用，硝化作用，生物固氮。应用固定氮素肥肥料，减少化肥使用量，保护环境；对豆科植物作用进行拌种；使用自生固氮菌菌剂提供农作物氮素营养和促进农作物生长等。2、难点和误区分析2、1固氮微生物的种类根据固氮微生物的固氮特点以及与植
物的关系，可将它们分为自生固氮微生物、共生固氮微生物和联合固氮微生物。自生固氮微生物在土壤或培养基中生活时，可以自行固定空气中的分子态氮，对植物没有依存关系，常见的自生固氮微生物有好氧性自生固氮菌、厌氧性自生固氮菌。共生固氮菌只有和植物互利共生时，才能固定空气中的分子氮。例如根瘤菌（与豆科植物互利共生）；克氏放线菌（与非豆科植物共生）；蓝藻（与红萍等水生蕨类植物共生），等等。联合固氮微生物是介于自生和共生固氮微生物之的这一类微生物，它和共生植物有一定的专一性，但又不形成根瘤那样的特殊结构。例如固氮螺菌、雀稗固氮菌等等。 2、2生物体内有机物的合成、氨化作用、硝化作用、反硝化作用和固氮作用的比较植物吸收土壤中的铵盐和硝酸盐，进而将这些无机物同化成植物体内的蛋白质等有机物。动物直接或间接的以植物为食物，将植物体内的的有机氮同化成动物体内的有机氮，这一过程叫做生物体内的有机氮的合成。动植物的遗体、排出物和残落物中的有机氮被微生物分解后形成氨，这一过程叫做氨化作用。在有氧的条件下，土壤中的氨或铵盐在硝化细菌的作用下最终氧化成硝酸盐，，这一过程叫做硝化作用。氨化作用和硝化作用产生的无机氮，都能被植物吸收利用。在氧气不足的条件下，土壤中硝酸盐被反硝化细菌等多种微生物还原成亚硝酸盐，并且进一步还原成分子态的氮再返回到大气中，这一过程叫做反硝化作用。
生物固氮作用 生物固氮作用 生物固氮作用(biological nitrogen fixation): 生物固氮是指固氮微生物将大气中的氮还原成氨的过程。生物固氮只发生在少数的细菌和藻类中。 估计全球每年生物固氮作用所固定的氮(N2)约达17500万吨，其中耕地土壤约有4400万吨，超过了每年施入土壤4000万吨肥料氮素(工业固氮)的量(Burris，1977)。因此，生物固氮作用有很大潜力。 生物固氮概括地说是指某些微生物和藻类通过其体内固氮酶系的作用将分子氮转变为氨的作用。因地壳含有极少的可溶性无机氮盐，所有生物几乎都需要依赖固氮生物固定大气中的氮而生存，因此生物固氮对维持自然界的氮循环起着极为重要的作用。对固氮生物的研究和利用能为农业开辟肥源，对维持和提高土壤肥力有很大意义。 固氮生物又叫做固氮微生物。固氮微生物种类到1982年固氮微生物达70多个属，大多数是原核微生物(细、放、蓝细菌)，也有真菌。根据固氮微生物与高等植物以及其他生物关系，分为三个类型:自生固氮微生物、共生固氮微生物和联合固氮微生物。 1( 自生固氮微生物: 在土壤中或培养基中生活时，可以自行固定空气中的分子态氮(氨态氮)。在进行固氮作用时对植物或其它生物没有明显的依存关系。 常见的自生固氮微生物包括以圆褐固氮菌为代表的好氧性自生固氮菌、以梭菌为代表的厌氧性自生固氮菌，以及以鱼腥藻、念珠藻和颤藻为代表的具有异形胞的固氮蓝藻(异形胞内含有固氮酶，可以进行生物固氮)。 (1) 光合固氮微生物能进行光合作用，以二氧化碳为碳源、光合产物为能源进行固氮作用的微生物。有蓝细菌(见蓝藻门)中的许多属种(如念珠藻属、鱼腥藻属等)和光合细菌中的红螺菌属以及绿硫菌属等。 (2) 化能自养固氮微生物有些化能自养微生物(如氧化亚铁硫杆菌等)能以二氧化碳、亚铁氧化物和分子态氮为碳、能、氮源。 (3) 异养固氮微生物进行异养生活，以适宜的有机碳化合物为碳源和能源，满足生活和固氮的需要。这个生理、生态群包括许多种类，如固氮菌科的所有属、芽孢杆菌属、梭菌属的一些种、固氮螺菌属、肠杆菌科的一些属种、反硫化细菌、产甲烷细菌和其他一些异养细菌的种类。
（生物科技行业）第二节生 物固氮
第二节生物固氮 高考要求： 共生固氮微生物和自生固氮微生物 生物固氮的意义 生物固氮在农业生产上的应用 考向指南： 根瘤的产生与根瘤菌的关系 生物固氮肥在农业生产上的应用实例 几种常见微生物的比较 生物固氮是指固氮微生物将＿＿＿＿＿还原成氨的过程。自然界中有两类固氮微生物，分别是＿＿＿固氮微生物如＿＿＿＿；＿＿＿＿固氮微生物如＿＿＿＿＿＿＿。 大气中N2共生根瘤菌自生圆褐固氮菌 氮是催化光合作用过程中的各种＿＿＿，以及与光合作用过程有关的＿＿＿＿和＿＿＿＿＿的重要组成部分。 酶ATPNADPH 在每年种植大豆的农田改种蚕豆，结果发现蚕豆根部根瘤菌很少，产量也比较低。试分析其原因是：＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿。
根瘤菌有特异性，不同根瘤菌只能与它有关的豆科植物发生互利共生 对豆科作物进行拌种是提高豆科作物产量的一项有效措施。非豆科作物一旦能够自行固氮，不仅能够明显地提高粮食而且有利于的保护。 根瘤菌，产量，生态环境 共生固氮微生物与自生固氮微生物的区别是前者与绿色植物，只有侵入到时才能固氮，后者在土壤中能够；共同点是＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿。互利共生，根内，独立固氮，将大气中的氮还原成氨 地球上的固氮有三条：______固氮、______固氮、______固氮（闪电等）。其中________是植物利用氮的主要来源。 大气中的氮必须通过为主的方式，才能被植物吸收利用；动物则必须通过动植物才能获得氮素；而动物体内的部分在分解中产生的含氮废物和动植物尸体中的氮物质，必须经过的作用，最终转化成，才能被植物吸收利用；或在情况下，经另一种细菌将其转化成，最终转化成，返回大气中。 土壤获得氮素的两个主要途径：一是＿＿＿＿＿＿＿＿，二是＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿。 生物固氮施用含氮的肥料 下列关于生物固氮的说法，正确的是 A、固氮微生物将自然界中的含氮化合物还原成氨的过程 B、固氮微生物将空气中的、N２还原成氨的过程 C、将空气中游离的氮转化为氮的化合物的过程 D、生物将大气中的氮及其氮的化合物转化为氨态氮的过程 （2004江苏卷）下列有关生物固氮的描述错误的是 A、豆科植物的根瘤是发生固氮作用的部位
固氮作用 （nitrogenfixation）分子态氮被还原成氨和其他含氮化合物的过程。自然界氮（N2）的固定有两种方式：一种是非生物固氮，即通过闪电、高温放电等固氮，这样形成的氮化物很少；二是生物固氮，即分子态氮在生物体内还原为氨的过程。大气中90％以上的分子态氮都是通过固氮微生物的作用被还原为氨的。生物固氮是固氮微生物的一种特殊的生理功能，已知具固氮作用的微生物约近50个属，包括细菌、放线菌和蓝细菌（即蓝藻），它们的生活方式、固氮作用类型有较大区别，但细胞内都具有固氮酶。不同固氮微生物的固氮酶均由钼铁蛋白和铁蛋白组成。固氮酶必须在厌氧条件下，即在低的氧化还原条件下才能催化反应。固氮作用过程十分复杂，目前还不完全清楚。各种固氮微生物进行固氮作用的总反应可用以下简式表示： +nADP+nPi N2+6e-+6H++nATP 2NH 根据固氮微生物与高等植物的关系，可分为自生固氮菌、共生固氮菌以及联合固氮菌。其所进行的固氮作用分别称为自生固氮，共生固氮或联合固氮。 自生固氮菌（Azotobacteria）是自由生活在土壤或水域中，能独立进行固氮作用的某些细菌。以分子态氮为氮素营养，将其还原为NH3，再合成氨基酸、蛋白质。包括好氧性细菌，如固氮菌属、固氮螺菌属以及少数自养菌；兼性厌氧菌，如克雷伯氏菌属；厌氧菌，如梭状芽孢杆菌属的一些种。还有光合细菌如红螺菌属、绿菌属以及蓝细菌（蓝藻），如鱼腥藻属、念珠藻属等。 共生固氮菌在与植物共生的情况下才能固氮或才能有效地固氮，固氮产物氨可直接为共生体提供氮源。共生固氮效率比自生固氮体系高数十倍。主要有根瘤菌属（Rhizobium）的细菌与豆科植物共生形成的根瘤共生体，弗氏菌属（Frankia）与非豆科植物共生形成的根瘤共生体；某些蓝细菌与植物共生形成的共生体，如念珠藻或鱼腥藻与裸子植物苏铁共生形成苏铁共生体，红萍与鱼腥藻形成的红萍共生体等。在实验条件下培养自生固氮菌，培养基中只需加入碳源（如蔗糖、葡萄糖）和少量无机盐，不需加入氮源，固氮菌可直接利用空气中的氮（N2）作为氮素营养；如培养根瘤菌，则需加入氮素营养，因为根瘤菌等共生固氮菌，只有与相应的植物共生时，才能利用分子态氮（N2）进行固氮作用。 近年在上述两个类型之间又提出一个中间类型，称为联合固氮。即有的固氮菌生活在某些植物根的粘质鞘套内或皮层细胞间，不形成根瘤，但有较强的专一