4-1微生物的固氮作用
生物固氮的作用机理和应用
生物固氮的作用机理和应用
物质固氮的作用是把大气中的氮气及其衍生物质(如氨和尿素) 转化为生物可摄取的氮肥, 从而满足植物的吸收需要。
生物固氮的生理机理s:
1）生物固氮微生物在土壤里吃掉大量大气中的氮气，然后在消化过程中合成尿素和氨和，把这些肥料ִ释放到土壤中植物可以吸收的形式;
2）当植物吸收到这种尿素和氨和后，可以为植物提供氮，而无需使用化肥;
3）一些特定的固氮微生物还可以将空气中的氮结合到植物的根中，使植物真正地从空气摄取氮，而不是依赖化肥;
4）由于被固定到植物的根生活，固氮微生物可以预防土壤中氮素的流失;
5）植物吸收的氮会回流到大气中，这可以解决土壤氮沉降和环境氮污染问题。
生物固氮应用:
1）植物生产：利用生物固氮可以减少植物对化肥的依赖，还可以改善土壤的质量，从而达到植物生长的最佳效果;
2）畜牧生产：利用固氮微生物可以减少牲畜对饲料中矿物质和能源的依赖，从而降低养殖成本，提高畜牧生产效率;
3）水利工程：在水利项目建设中，固氮微生物可以解决水体中高浓度含氮物质的问题，进而降低水体污染。
水处理微生物复习题一及答案
噬菌体侵入细菌细胞后，立即引起宿主的代谢改变，宿主细胞内核酸的复制，蛋白质的合成均不受宿主支配，而由噬菌体携带的遗传信息控制，借用宿主体内原料合成新的噬菌体。
（4）释放
最后：大肠杆菌死亡并破裂，释放出里面的病毒，新一代病毒开始新的生命旅程。一个宿主细胞可释放10~1000个噬菌体粒子。
5、生态系统：指在一定时间和空间内由生物与它们的环境通过物质循环和能量流动互相作用、互相依存而构成的一个生态学功能单位。
6、活性污泥：由好氧微生物和兼性厌氧微生物与污（废）水中的有机和无机固体物混凝交织在一起，形成的絮状体。
四、判断题
√、×、×、√、√、√、√、×
五、简答题
1.试述病毒的增殖过程。
以大肠杆菌T系噬菌体为例，繁殖过程分四步：吸附、侵入、复制和聚集、释放。
（3）主动运输：
被运送的物质可逆浓度梯度进入细胞内；要消耗能量，必需有能量参加；有膜载体参加，膜载体发生构型变化；被运送物质不发生任何变化。
（4）基团转位：
研究糖的运输时发现的一种主动运输方式。运输过程需要能量，被运输的物质发生化学变化的运输，是微生物通过磷酸转移酶系统来运输营养物质的许多糖是靠基团转位进行运输的。
3.什么叫灭菌？灭菌的方法有几种
灭菌：通过超高温或其它理化因素将所有微生物的营养细胞和所有的芽孢或孢子全部杀死。有干热灭菌法和湿热灭菌法。
4.什么叫水体自净，水体污染指标有哪些，分别说明？
水体自净：河流接纳一定量的有机污染物，在物理、化学和水生物等因素的综合作用后得到净化，水质恢复到污染前的水平和状态。
3、革兰氏阳性菌的细胞壁成分为含大量的，独有，不含。革兰氏染色法对细胞进行染色，阳性细菌呈色，阴性细菌呈色。
4、放线菌的繁殖方式主要是形成孢子和孢子。
固氮作用名词解释微生物学
固氮作用名词解释微生物学1.引言1.1 概述概述部分的内容可以写成如下形式：引言是一篇文章中不可或缺的一部分，它旨在为读者提供对固氮作用的基本认识和背景信息。
固氮作用是指某些微生物将大气中的氮气转化为植物可利用的形式，从而在自然界的氮循环中发挥着至关重要的作用。
这一过程可以促进土壤中氮素的供应，进而促进植物的生长和发育。
固氮作用的研究在微生物学领域中具有重要的意义。
通过深入研究固氮作用的机制和调控方式，可以为农业生产和环境保护提供有益的指导。
此外，固氮作用还可以与其他微生物相互作用，形成复杂的微生物群落，进一步影响土壤生态系统的稳定性和功能。
本文将首先阐述固氮作用的概念，包括它的定义和相关的基础知识。
随后，将重点介绍固氮作用的机制，包括微生物参与的关键步骤和调控因素。
最后，我们将探讨固氮作用在微生物学中的重要性，并展望未来针对固氮作用的研究方向。
通过对固氮作用的深入了解和研究，我们可以更好地理解微生物在土壤生态系统中的作用，为实现可持续农业和生态环境的保护做出贡献。
本文的目的是系统地介绍固氮作用在微生物学中的意义和前沿，为读者提供深入学习和研究的基础。
文章结构部分的内容可以起到引导读者理解文章主要内容和组织结构的作用。
下面是对1.2文章结构部分的一种可能的编写方式：1.2 文章结构本文将按照以下结构进行论述：第一部分为引言部分，首先概述固氮作用的基本概念和背景信息，引起读者对该话题的兴趣。
随后，明确介绍文章的组织结构和各部分的主要内容和目的。
第二部分是正文部分，主要分为两个小节。
首先，将详细介绍固氮作用的概念，包括其定义、历史发展和相关研究进展。
该部分将介绍固氮作用的基本原理和相关概念，通过一些具体案例和实验进行解释和说明。
其次，详细讨论固氮作用的机制，包括影响固氮作用效率的因素以及微生物在固氮过程中的作用和调控机制。
这一部分将结合最新的研究成果和理论，深入解析固氮作用在微生物学中的重要性和其相关机制。
固氮作用
根瘤
非豆科：弗兰克氏菌属等
地衣：鱼腥蓝细菌属等 满江红：满江红鱼腥 蓝细菌等
植 物
c.联合固氮菌
必须生活在植物根际、叶面或动物肠道等处才能进行固氮的生物
联 合 固 氮 菌
根际：生脂固氮螺菌 、芽孢杆菌属等 叶面：克雷伯氏菌属、固氮菌属等 动物肠道：肠杆菌属、克雷伯氏菌属等
微生物如何固氮呢？
ATP
二、生物固氮作用
微生物将氮还原为氨的过程称为生物固氮
microrganism
N2
NH3
哪些微生物能固氮？
最早发现的固氮微生物：
共生的根瘤菌属（1886年）和自生的固氮菌属 （1901年）
根瘤菌
圆褐固氮菌
具有固氮作用的微生物已多达200余属
在分类地位上主要隶属于固氮菌科、根瘤菌科、红螺菌目、蓝细菌以及芽孢杆菌属和 梭菌属等
a.自生固氮菌
一类不依赖于它种生物共生而能独立进行固氮的生物
好氧：固氮菌属、氧化亚铁硫杆菌属、蓝细菌等
自 生 固 氮 菌
兼性厌氧：克雷伯氏菌属、红螺菌属等
厌氧：巴氏梭菌、着色菌属、铜绿假单菌胞菌属等
b.共生固氮菌
必须与它种生物共生在一起才能进行固氮的生物 豆科植物：根瘤菌属等
共 生 固 氮 菌
缺乏产氧光合系统II, 脱氢酶、SOD活性高
（2）非异形胞蓝细菌固氮酶的保护
固氮作用和光合作用分隔 缺乏产氧光合系统II, 脱氢酶、SOD活性高
3.豆科植物根瘤菌固氮酶的保护机制
类菌体周膜
豆血红蛋白
思考题： 1. 如何从环境中分离固氮微生物
2. 固氮酶的应用
固氮酶的其他催化活性：
2H+ + 2eC2H2 + 2H+ + 2e-
固氮的方法-概述说明以及解释
固氮的方法-概述说明以及解释1.引言1.1 概述固氮是指将氮气(N2)转化为可被植物吸收利用的氮化合物的过程，是土壤中氮循环的重要环节之一。
氮素是植物生长的关键营养元素之一，但大部分植物无法直接利用大气中的氮气。
因此，固氮对于植物的生长发育和土壤生态系统的健康至关重要。
固氮的方法主要可以分为生物固氮和非生物固氮两大类。
生物固氮是指通过植物与一些特定的菌株或微生物共生来实现。
这些共生菌株能够将空气中的氮气转化为植物可吸收的氮化合物，主要包括根瘤菌和蓝藻等。
非生物固氮则是利用化学反应或物理方法将氮气转化为其他可被植物利用的化合物。
本文将介绍三种主要的固氮方法及其相关内容。
方法一是通过选择适宜的菌株并在合适的培养条件下培养它们，通过评估固氮效率并优化培养策略来实现固氮。
方法二是通过与植物的共生菌株形成根瘤，在根瘤中固氮，通过营养管理来促进植物的生长和固氮效果。
方法三是利用化学反应，选择合适的催化剂和反应条件来实现固氮。
通过比较这三种方法的优劣和应用前景，可以为解决氮肥过度使用和农业可持续发展提供指导和借鉴。
不过，每种固氮方法都存在一定的局限性，如生物固氮受环境因素影响较大，非生物固氮的能源消耗较大等。
因此，在应用固氮方法时需要结合具体情况和需求，选择适合的方法来提高固氮效率，促进农业可持续发展。
1.2文章结构文章结构部分是对整篇文章的组织和安排进行说明。
下面是对文章结构部分的内容的一个示例：1.2 文章结构本文共分为引言、正文和结论三个主要部分。
其中，引言部分对固氮的概述、文章的结构和目的进行介绍，为读者提供了文章的背景和整体框架。
正文部分包括三个方法：方法一、方法二和方法三，分别介绍了不同的固氮方法。
方法一详细介绍了菌株选择、培养条件、固氮效率评估和优化策略。
方法二则讲解了植物共生菌株的选择、根瘤形成、固氮效果评估以及营养管理等方面的内容。
方法三则涉及了化学固氮的原理、催化剂选择、反应条件以及环境影响等相关内容。
植物的固氮作用
植物的固氮作用是一种重要的生物学过程，它指的是植物通过某种机制固定大气中的氮气，将其转化为氮肥，从而为植物的生长和发育提供必要的营养。
这种机制对于植物的生存和繁衍具有重要意义。
首先，我们需要了解氮在植物生长和发育过程中的重要作用。
氮是植物体内许多重要化合物如蛋白质、叶绿素、核酸和酶等的构成成分。
缺乏氮会导致植物生长缓慢、叶色枯黄、植株矮小、产量下降等问题。
因此，固氮作用为植物提供了必要的氮源，使其能够更好地生长和发育。
那么，植物是如何进行固氮的呢？一种常见的固氮机制是根瘤菌固氮。
根瘤菌是一种能与豆科植物共生并为其提供氮肥的细菌。
在共生关系中，根瘤菌将大气中的氮气转化为氨，从而为植物提供氮源。
这种机制对于豆科植物的生长和产量具有重要意义。
此外，一些非豆科植物如甘蓝、玉米等也能通过与土壤中的固氮菌共生来获得氮源。
固氮作用对于生态系统的平衡和稳定也具有重要意义。
氮是许多生物体和微生物生长所必需的营养元素之一。
因此，氮的供应对于生态系统的稳定和平衡至关重要。
通过固氮作用，植物能够为其他生物提供必要的氮源，促进生态系统的多样性和稳定性。
然而，固氮作用也面临一些挑战和限制。
首先，固氮作用需要特定的环境条件和共生关系，这使得某些植物或细菌更容易进行固氮。
其次，固氮作用需要消耗能量，这可能会对植物的生长和发育产生负面影响。
此外，一些植物或细菌可能无法有效地利用大气中的氮气，从而导致氮的浪费或流失。
为了应对这些挑战和限制，科学家们正在研究各种方法和技术来提高固氮效率。
例如，利用基因工程技术将固氮基因转移到其他植物或微生物中，以促进其固氮能力；利用微生物肥料或生物工程技术生产氮肥；利用环境友好型物质或方法促进固氮微生物的生长和繁殖等。
这些研究和技术有望为农业生产提供更加可持续和高效的解决方案。
总之，植物的固氮作用对于植物的生长和发育具有重要意义，并为生态系统提供了必要的氮源。
然而，固氮作用面临着一些挑战和限制，需要进一步的研究和技术创新来提高其效率和可持续性。
固氮微生物在农业上的应用
固氮微生物在农业上的应用
固氮微生物是属于微生物界的一类细菌，具有固氮作用的能力，能将空气中的氮气转
化为植物所需的氨。
在农业上的应用非常广泛，主要体现在以下四个方面。
一、作为土壤活性生物肥料
二、作为农业生产绿色化的新手段
在农业绿色化进程中，固氮微生物也是一种可行性很高的新手段。
利用固氮微生物进
行土地修复，可以增加土壤蓄水、保持水分、防止水源污染、调节土壤酸碱度，同时抑制
有害微生物的生长。
固氮微生物生长时还能够释放出一些植物生长所需的物质，如蛋白质、氨基酸、生长激素等，有助于提高植物的生长水平。
三、作为农作物病害控制的利器
在农业生产中，固氮微生物还可以用于控制农作物的病虫害。
这类微生物可以与植物
紧密结合，形成一个生态系统，有助于提高植物的免疫力和自我保护能力，抑制植物病原
菌的生长繁殖，从而减轻农药的使用量，降低农作物的生产成本。
四、作为土壤污染治理的有效手段
随着农业生产的发展，土壤污染问题日益突出。
而固氮微生物又具有很高的降解能力，在土壤污染治理中，也呈现出一定的应用前景。
此外，固氮微生物生长快，代谢能力强，
可以在很短的时间内进行恢复性生长，尤其是在复杂的环境中，其优越的适应性减少了人
为控制的成本，对土壤污染的治理具有一定的经济价值。
总之，固氮微生物在农业中应用的重要性愈加凸显，它不仅可以提高土壤肥力、促进
农作物的生长，还能够降低农业生产成本，减轻环境污染，成为绿色化、生态化的重要手
段之一。
未来，更多的科学家将相继投入到固氮微生物的研究工作中，以期为农业的可持
续发展做出更多的贡献。
微生物生态学-7生物固氮
机理
大量的铵盐损坏细胞膜，影响电子向固N酶的转移；由于谷 氨酰胺合成酶受到高浓度各种氨基酸的反馈抑制，使该酶负 责调控固N酶合成基因的遗传密码的能力受抑制，从而造成 固N酶基因转录中止，固N作用中断。
O2使固氮酶某些蛋白氧化变性，产生不可逆的失活。
B.好气性固氮微生物的防氧保护
I. 共生固氮菌——根瘤菌的防氧保护机制：豆血红蛋白（L6） 存在于根瘤菌细胞的泡囊，类菌体细胞的周围； L6既可以加氧状态存在，又可以脱氧存在，使L6成为氧的 调节剂。
L6O2↔L6＋O2
豆血红蛋白是共生体根瘤形成过程中由根瘤菌和植物的基 因共同形成的，其中根瘤菌产血红素，植物产球蛋白,但 须由根瘤菌诱导才能产生。 L6O2可以高流速低浓度的氧流向类菌体，提供生长所需O2。 这样既保证类菌体生长，又保证类菌体细胞内的固氮酶不 受高浓度氧的抑制。
II. 好气性自生固氮菌的防氧保护机制
呼吸保护作用 当体内含有高浓度O2时，通过改变呼吸途径， 消耗大量底物同时也就消耗了大量的O2。 构象保护作用 将固氮酶可逆的结合处Fe-S蛋白上形成一种蛋白复合体， 该复合体能增加对氧的稳定性，当体内高浓度O2消耗后， 这种蛋白复合体自行解体，固氮酶恢复其固氮的催化作用。 通过产生过氧化物歧化酶，对过氧化物具解毒作用， 保护固氮酶免受过氧化物的抑制。
7个ATP用于1分子H2的形成。
（1）ATP的来源 ①好气性固N微生物——氧化磷酸化（底物水平， 电子传递磷酸化） ②厌气性固N微生物——底物水平磷酸化 ③光合固N微生物——光合磷酸化
二、固N酶催化反应的条件
电子：还原1分子N2为2NH3，共需8个电子，其 中6个用于N2的还原，2个电子用于H+的还原。
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氮是组成生物细胞必不可少的重要元素之一。氮气 (N2)约占空气总体积的78%，但由于N≡ N三键非常稳 (N2)约占空气总体积的78%，但由于N≡ N三键非常稳 定，故N2不能被高等生物和大多数微生物利用，只有 定，故N2不能被高等生物和大多数微生物利用，只有 少数原核微生物能直接 利用N2作氮源，将其还原成氨， 利用N2作氮源，将其还原成氨， 供植物和其他微生物利用。 固氮微生物利用固氮酶的催化 作用将分子态氮转 化为氨的过程称为生物固氮。生物固氮是地球上仅次 化为氨的过程称为生物固氮。生物固氮是地球上仅次 于光合作用的第二大生物化学反应。生物每年在温和 条件下的固氮量约为高温高压(300℃ 300个大气压) 条件下的固氮量约为高温高压(300℃×300个大气压) 条件下工业固氮量的2倍多，约为1 条件下工业固氮量的2倍多，约为1亿吨，故生物固氮 对地球生态系统中的氮素循环和生物的生息繁衍具有 十分重要的作用。
固氮反应的必要条件： 固氮反应的必要条件： 大量ATP 还原力NAD(P)H2 固氮酶 N2 Mg2+ 严格的厌氧微环境 固定1mol N2需要消耗10～15molATP 。这些ATP由 呼吸、发酵或光合磷酸化过程提供。从不同生理类型的固 氮微生物细胞中抽提到的固氮酶具有相同结构，它们均含 Ⅰ、Ⅱ两种组分。组分Ⅰ为钼铁蛋白(MF)或钼铁氧还蛋白 (MoFd)，是真正的“固氮酶”；组分Ⅱ为铁蛋白(F)，是 固氮酶还原酶。
共生固氮菌 根瘤豆科植物： 根瘤菌属(Rhizobium) 非豆科植物： 弗兰克氏菌属放线菌(Frankia) 白蚁等动物肠道： 肠杆菌属(Enterobacter) 植物地衣： 念珠蓝菌属(Nostoc) 鱼腥蓝菌属(Anabaena) (单歧蓝菌属) 等(Tolypothrix) 满江红： 满江红鱼腥蓝菌(Anabaena azollae) 苏铁珊瑚根： Nostoc,A nabaena 肯乃拉草： Nostoc
化能自养： 氧化亚铁硫杆菌(Thiobacillus ferroxidans 光能自养： 念珠蓝菌属(Nostoc) 鱼腥蓝菌属(Anabaena) 着色菌属(Chromatium) 绿假单胞菌属(Ch loropseudomonas) 微好氧 (化能异养)： 棒杆菌属(Corymebact erium) 固氮螺菌属(Azospirillum)
自生固氮菌 好氧化能异养： 固氮菌属(Azotobacter) 拜叶林克氏菌属(Beijerinckia) 固氮单胞菌属(Azomonas) 固氮球菌属(Azococcus) 德克斯氏菌属(Derxia) 黄色分枝杆菌(Mycobacterium flavum) 自养棒杆菌(Corynebacterium autotrophicum) 产脂螺菌(Spirillum lipoferum) 甲烷氧化菌等
固氮酶的Ⅰ 固氮酶的Ⅰ、Ⅱ两种组分 两种组分 项目 组分Ⅰ Ⅰ 蛋白质亚基数 4(2大2小) 分子量 22万左右 Fe原子数 30(24～32) 不稳态S原子数 28(20～32) Mo原子数 2 Cys的SH基数 32～34 活性中心 铁钼辅因子(FeMoCo) 功能 络合、活化和还原N2 组分Ⅱ 2(相同) 六万左右 4 4 0 12 电子活化中心(Fe4S4) 传递电子到组分Ⅰ上
不同固氮菌钼铁蛋白的氧敏感性 名称 半衰期(min) 大豆根瘤菌 4.5 肺炎克雷伯氏菌 8.0 维涅兰德氏固氮菌 10.0 圆褐固氮菌 10.0 巴氏梭菌 >60
• 好氧自生固氮菌的保护机制： 好氧自生固氮菌的保护机制： 抗氧方式主要有两种：呼吸保护和构象保护。 固氮菌以较强的呼吸作用迅速将周围环境中 的氧消耗掉，使细胞周围微环境处于低氧态，以 保护固氮酶不受氧损伤，该抗氧方式称为呼吸保 护。 本机制存在的证据：属于固氮菌科 (Azotobacterlaceae)的固氮菌都具有特别高的呼 吸强度。例如，把生长在低氧分压下的 A.vinelandii突然转移到高氧分压下培养时，其呼 吸强度和NADPH2脱氢酶活性同时增高，细胞色 素a2的含量增加，而氧化磷酸化的效率却明显降 低。其原因在于细胞动用了一套消耗碳源除氧以 保护固氮酶 的呼吸系统。
蓝细菌的固氮酶保护： 蓝细菌的固氮酶保护： 蓝细菌是放氧光合生物。在光照下， 通过光合作用放氧使细胞内的氧浓度增 高。 两种防氧措施： 异形胞抗氧和非异形胞抗氧
异形胞抗氧机制： 异形胞为一种特化细胞，个体较营养细胞大， 细胞外有一层由糖脂组成的较厚的外膜，该膜具 有防止氧气扩散进入细胞的物理屏障功能； 异形胞内缺少产氧光合系统Ⅱ，脱氢酶与氢 酶活性高，使异形胞内维持在很强的还原态； 胞内超氧化物歧化酶SOD( Superoxide dismutase)活性很高，有解除氧毒害的功能； 异形胞比相邻营养细胞的呼吸强度高2倍，可 通过呼吸消耗过多的O2并产生固氮所需ATP。
固氮的生化途径 固氮总反应式为：
N2 + 6e + 6H+ + 12ATP 2NH3 + 12ADP + 12Pi
N2分子经固氮酶催化还原为NH3，再通过转 氨途径形成各种氨基酸。固氮酶除具有固氮功能 外，还能催化2H+ → H2。在缺N2条件下，固氮 酶可将H+全部还原为H2；在有N2条件下，固氮 酶将75%的NAD(P)H2用于N2的还原，另外25% 的NAD(P)H2形成H2浪费掉。但在大多数固氮菌 中，含有氢酶，可将固氮催化形成的无效H2重新 转化为NAD(P)H2和ATP。
兼性厌氧化能异养： 克雷伯氏菌属(Klebsiella) 无色杆 菌属(Achromobacter) 多粘芽孢杆菌(Bacillus polymyxa) 柠檬酸杆菌属(Cit robacter) 欧文氏菌属(Erwinia) 肠杆菌属(Enterobacter) 光能异养： 红螺 菌属(Rhodospirillum) 红假单胞菌属(Rhodopseudomonas) 厌氧化能异养： 巴氏梭菌(Clostridium pasteurianum) 脱硫弧菌属(Desulforibrio) 脱硫肠状菌属(Desulfotomaculum)
固氮酶活力测定： 固氮酶活力测定：测定固氮酶活力的经典方法有微 量K氏定氮法和同位素法，但前者精度低，后者程 序复杂。 1966年，M.J.Dilworth等发表了灵敏简便的乙 炔还原法，促进了固氮酶活性及固氮机理研究。该 法的理论依据是：固氮酶除了能催化N2 NH 3外， 还能催化C2H2(乙炔) C2H2(乙烯)及2H+ H2等多 种反应。 乙炔还原反应中产生的乙烯及底物乙炔即使浓 度很低，也能方便地用气相色谱仪测定。该测定方 法灵敏度高、设备简单、成本低及操作简便，可用 于纯酶制剂及自然固氮生态体系的固氮活力测定。
图氮的生化途径
图氮的生化途径
N2经根瘤菌被植物吸收
3.固氮菌的抗氧机制 3.固氮菌的抗氧机制
固氮酶的两个蛋白组分对氧极端敏感， 一旦遇氧就可发生不可逆失活。组分Ⅱ(铁 蛋白)在空气中暴露45秒其酶活丧失一半， 组分Ⅰ在空气中的活性半衰期约为10min。 不同固氮微生物的钼铁蛋白具有不同的氧 敏感性。大多数固氮菌为好氧菌，它们需 要氧气进行呼吸和产能。固氮菌在长期的 进化中形成了许多巧妙的机制，解决了细 胞 需氧和固氮酶厌氧的矛盾。
联合固氮菌 根际温带： Bacillus，Klebsiella 热带： 雀稗固氮菌(Azotobacter paspali)， Azospirillum,Beijerinckia 叶面： Beijerinckia, Azoto bacter
2.固氮的生化机制 2.固氮的生化机制
固氮酶：பைடு நூலகம்物固氮反应的核心。 固氮酶 1960年，J.E.Carnahan从巴氏梭菌(Clost ridium pasteurianum)中获得了具有固氮活性的无 NH3 细胞抽提液，实现了分子氮还原为NH3 的实验。 1966年，L.Mortenson从巴氏梭菌 (C.Pasteurianum)和维涅兰德固氮菌(Azotobacte r vinelandii)的无细胞抽提液中，分离出两种固氮 蛋白—钼铁蛋白和铁蛋白，使固氮研究进入分子 水平。
构象保护指固氮菌处于高氧分压环境下 时，其固氮酶能形成一个无固氮活性但能 防止氧损伤的特殊构象。该构象是由固氮 酶与蛋白质或磷脂等稳定因子结合形成的。 呼吸与构象两种保护互相协调，形成 “双保险”机制。在一般含氧条件下，呼 吸保护就可除去多余氧；若还有 过量分子 氧，可利用构象保护使固氮酶免遭损害。
非异形胞抗氧有多种形式： 利用时间差解决固氮酶厌氧和光合放氧 的矛盾，即在黑暗下固氮，在光照下进行 光合作用(织线蓝细菌属)；提高细胞内SOD 和过氧化物酶活性，消除有毒过氧化物， 保护固氮酶活性(粘球粘细菌属)。
根瘤菌固氮酶的保护： 根瘤菌固氮酶的保护： 根瘤菌分为豆科根瘤菌与非豆科根瘤菌两种类型。 豆科根瘤菌以只能生长不能分裂的类菌体(bacteroids) 形式存在于豆科植物的根瘤中。许多类菌体被包裹在一层 类菌体周膜中，膜内具有良好的氧、氮和营养条件。最重 要的是在周膜内外存在着独特的豆血红蛋白 (leghaemoglobin)。该蛋白具有极强的吸氧能力，可使近 血红蛋白处的氧浓度比周围环境降低8万倍，以防止类菌 体周围氧浓度过高使固氮酶失活。豆血红蛋白犹如氧缓冲 剂，可调节根瘤中氧的浓度，使其稳定在固氮酶的最适范 围内。豆血红蛋白的蛋白质部分由根瘤菌触发，植物基因 编码合成；血红素由植物触发，根瘤菌基因编码合成 。
1973年发现，在一种生长于非州的非豆科植 物榆科糙叶山黄麻(Parasponia)的根瘤中存在着 豇豆根瘤菌，根瘤中无豆科植物根瘤中常见的豆 血红蛋白，但却含有与豆血红蛋白功能相似的植 物血红蛋白，保护着固氮酶不受氧之危害。在赤 杨、杨梅及木麻黄等非豆科木本植物的根瘤中， 存在着与之共生的弗兰克(Frankia)放线菌。该菌 的营养菌丝未端有一膨大的球形囊——泡囊，固 氮反应在泡囊中进行。泡囊的固氮功能及防氧机 制与蓝细菌的异形胞相似。