生物固氮原理
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。
生物固氮的名词解释
生物固氮的名词解释一、固氮酶的生物来源：固氮酶是由固氮蓝细菌产生的。
二、固氮酶的催化机理：在含有氧气的情况下，固氮酶只能对N形成亚硝基氮，不能将氨还原为氨基酸，故在亚硝酸环境中固氮，固氮酶的催化机理如下：当亚硝基与氮气接触时，产生一个中间物质N3。
这个中间物质能够通过一个桥联转移反应，使亚硝基直接连到氮气上，生成硝基氮。
亚硝基可以进一步被还原为氨基或氨气。
三、固氮酶的活性测定：①固氮酶活性与pH值呈正相关; ②固氮酶活性与温度呈正相关;③固氮酶活性与氧化剂呈负相关; ④固氮酶活性与反硝化剂呈负相关;⑤固氮酶活性与底物呈正相关; ⑥固氮酶活性与Fe3+呈负相关。
四、固氮酶的固氮量测定：固氮酶活性稳定的植物品种，其固氮量的高低受土壤pH值、温度、氧化剂和反硝化抑制剂的影响。
五、固氮酶与硝化作用：固氮酶催化的固氮过程的第一阶段是先从固氮酶上脱下氨基酸(脱氮)，然后转移到硝化细菌中再被还原成氮气。
六、固氮酶的固氮机理：固氮菌以亚硝酸盐为氮源时，通过固氮酶催化氨基酸脱氮而获得蛋白质。
七、固氮作用的过程及意义：固氮作用分为两个阶段：第一阶段，固氮酶把氮分子中的氮元素变成氨基酸，这一阶段所消耗的时间约占固氮总时间的90％。
第二阶段，在硝化细菌的参与下，将硝基氮还原为氮气，这一阶段所消耗的时间约占固氮总时间的10％。
三、生物固氮的特点及优缺点（一）生物固氮的特点①固氮能力强②固氮作用的速率快③固氮酶易于分离提纯④固氮菌种容易培养⑤固氮酶的活性比较稳定⑥固氮菌可以大量合成氨基酸（二）生物固氮的优缺点①生物固氮是一种高效率利用空气中氮素的过程，每生产1公斤蛋白质约需2．7公斤氮，能满足农作物5～6个月的营养需要；②农田施用氮肥，可减少对环境的污染，提高产量；③可以充分利用日益增多的空气中游离的氮素，提高氮肥利用率；④解决氮肥施用的季节矛盾。
一、固氮酶的生物来源：固氮酶是由固氮蓝细菌产生的。
生物固氮的机制和调节
生物固氮的机制和调节生物固氮是指一些特定的微生物可以将空气中的氮气转化为可供植物生长利用的氮化物，从而弥补土壤中植物所需氮元素的不足，促进土壤生态系统的平衡和健康发展。
该过程在自然界中起着至关重要的作用，也是农业和生态学中一个备受关注的热点研究领域。
本文将介绍生物固氮的机制和调节。
一、固氮微生物的分类和特征生物固氮过程所依赖的固氮微生物分为两类：自由生活型和共生生活型。
自由生活型固氮微生物主要包括自然界中的某些细菌和蓝藻，它们能够利用自身的能量储备进行氮气还原，从而将氮气转化为氨。
共生生活型固氮微生物则需要依靠与植物之间的共生关系，共同建立起固氮系统。
固氮微生物的特点是能够利用一系列的氮酶来催化空气中N2分子的还原和氨基酸的合成，从而转化氮气为其他可供生物利用的氮化合物，但由于其中一些氮酶只能在缺氧的环境中正常发挥作用，故这类微生物的固氮作用主要发生在缺氧或微氧的环境中。
同时，微生物的固氮效率也受到生态条件、能量供应及其他相互作用的影响。
二、固氮微生物的固氮机制1. 自由生活型固氮微生物的固氮机制自由生活型固氮微生物通过使用一系列的氮酶来催化N2分子的还原和氨基酸的合成，从而将氮气转化为其他可供生物利用的氮化合物。
这些氮酶具有高度的催化活性和专一性，它们能够将氮气转化为受体微生物可以利用的小分子氮化合物。
其中，钠栓长杆菌（Azotobacter vinlandii）和大肠杆菌是自由生活型微生物中最为典型的两种。
它们的固氮过程主要可以分为三个阶段：氮酶合成和调节、氮酶还原和氨基酸合成。
2. 共生生活型固氮微生物的固氮机制共生生活型固氮微生物需要依靠与植物之间的共生关系建立起固氮系统。
它们能够利用被称为根瘤的结构在植物根系表面形成一个整体系统，将N2转化为与植物成分相似的氨和其他的有机氮化合物。
其中，根瘤内的Rhizobium和Bradyrhizobium是两种具有代表性的共生型固氮微生物。
这些固氮微生物首先需要与植物的根部建立起共生关系，这些共生关系可能是诱导或选择性的。
生物固氮原理
生物固氮原理氮是植物生长所必需的元素之一，但大气中的氮气（N2）无法被植物直接吸收利用。
因此，植物需要通过其他途径获得氮元素，而其中最主要的途径就是通过固氮菌的帮助将大气中的氮气转化为可被植物利用的氨氮或硝酸盐等化合物。
本文将介绍生物固氮的原理以及其在农业生产中的应用。
一、生物固氮原理生物固氮是指利用一些微生物（如固氮菌）将大气中的氮气转化为可被植物利用的氨氮或硝酸盐等化合物的过程。
这些微生物中最常见的是根瘤菌和自由生活的固氮菌。
根瘤菌是一类寄生在豆科植物根部的细菌，它们能够与植物根部形成共生关系，利用植物提供的营养和空间来生长，同时将大气中的氮气转化为植物可利用的氨氮。
根瘤菌的固氮过程需要通过一种酶——氮酶来完成。
氮酶能够将氮气分子还原成两个氨基（NH2）基团，并且释放出大量的能量。
这些氨基基团可以与植物根部分泌的酸性物质结合，形成氨（NH3），然后再与水分子反应形成氨气（NH4OH），最终转化为植物能够利用的氨氮。
自由生活的固氮菌则不需要与植物形成共生关系，它们能够自主地在土壤或水中生长，并将大气中的氮气转化为氨氮或硝酸盐等化合物。
自由生活的固氮菌的固氮过程与根瘤菌类似，同样需要通过氮酶来完成。
不过，自由生活的固氮菌的固氮效率相对较低，因此在农业生产中应用较少。
二、生物固氮在农业生产中的应用生物固氮技术是一种绿色环保的农业生产技术，它能够提高土壤中的氮素含量，减少农药和化肥的使用量，降低农业生产对环境的污染。
因此，生物固氮技术在现代农业生产中得到了广泛的应用。
1. 根瘤菌肥料根瘤菌肥料是利用根瘤菌将大气中的氮气转化为植物可利用的氨氮或硝酸盐等化合物，制成的一种肥料。
根瘤菌肥料不仅能够提高土壤中的氮素含量，还能够促进植物生长，增加产量。
因此，根瘤菌肥料被广泛地应用于豆科作物的生产中，如大豆、花生等。
2. 固氮作物固氮作物是指那些能够与根瘤菌形成共生关系，利用根瘤菌帮助将大气中的氮气转化为氨氮或硝酸盐等化合物的作物。
生态学固氮作用
生态学固氮作用生态学固氮作用是指一种特殊的生物过程，通过这种过程，某些微生物能够将大气中的氮气转化为植物可以利用的氨，从而提供植物所需的营养。
固氮作用在生态系统中起着重要的作用。
首先，它是维持氮循环的重要环节。
氮是植物生长发育所需的关键元素之一，但大气中的氮气对植物来说是无法直接利用的。
通过固氮作用，生态系统能够转化大气中的氮气为可供植物利用的氨，这样就能够满足植物对氮的需求，并维持生态系统的平衡。
其次，固氮作用对土壤的改良具有重要意义。
通过固氮作用，一些特殊的微生物能够将氮气转化为氨，这样就能够将大量的氮固定在土壤中。
固定的氮能够提高土壤的肥力，为作物生长提供营养，减少对化学肥料的需求。
此外，固氮作用还能够提高土壤的结构和水保持能力，减少水土流失。
固氮作用的机制主要分为生物固氮和非生物固氮两类。
生物固氮是通过某些细菌、蓝藻和豆科植物根瘤菌等微生物来实现的。
这些微生物具有一种特殊的酶，叫做固氮酶，能够催化氮气转化为氨。
这些微生物通常与植物形成共生关系，植物提供碳源和适宜的环境条件，微生物则为植物提供固定氮的能力。
非生物固氮主要是通过闪电、高温和高压等自然现象来实现，这些事件能够使大气中的氮气与氧气等反应产生一氧化氮和二氧化氮等化合物，这些化合物随后会在大气中降解为氮氧化物，最终以降雨的形式降入土壤中。
固氮作用对于生态系统的管理和保护具有重要意义。
合理利用和保护固氮作用可以提高农田的肥力，减少对化学肥料的依赖，从而减少对环境的负面影响。
此外，固氮作用还能够减少氮肥排入水体和大气中的现象，降低水体富营养化和全球气候变化的风险。
总之，生态学固氮作用是一种重要的生物过程，对于维持生态系统平衡、改良土壤、提高农田肥力以及环境保护都具有重要意义。
在生态系统管理和农业生产中，应合理利用和保护固氮作用，以实现可持续发展。
生物固氮原理简介
生物固氮原理简介生物固氮是指通过微生物等生物体而将氮气(N2)转化为化学上可利用的氨(NH3)、硝酸盐(NO3-)等化合物的过程。
生物固氮是自然界氮元素循环中极为重要的环节之一，它为植物的生长提供了可利用的氮源，从而帮助植物提高产量和质量。
生物固氮过程中有两种方式，分别称为自然固氮和人工固氮。
自然固氮主要是通过一些生物体，如固氮菌、蓝藻、一些真菌和苔藓等，将氮气转化为化合物的形式。
这些生物体一般生长在土壤中或水体中，能利用空气中的氮气为自己提供氮源，同时也为周围的环境提供了氮素。
人工固氮则是通过化学或物理手段将氮气转化为氨或尿素等化合物，然后应用于农作物的生长过程中。
生物固氮的原理是利用一些微生物的固氮能力将氮气转化为可利用的氨和硝酸盐等化合物。
这些微生物中最重要的是固氮菌和蓝藻。
固氮菌是一种生长在土壤中和根际里的细菌，它们具有将氮气还原为氨的能力。
固氮菌能与一些植物根部的细胞形成一种共生关系，即根瘤菌共生。
这种共生关系中，固氮菌能固定空气中的氮气并将其转化为可以供植物使用的氨形式，同时得到由植物提供的碳源作为代谢能量的来源。
蓝藻是最重要的水生固氮微生物，它们很常见于淡水和海水中，能通过光合作用固定大量的氨来提供植物生长所需的氮源。
其中，以单细胞蓝藻和微囊藻最为常见。
这些蓝藻能够利用光能将真空中的氮固定为氨，然后将氨逐渐释放到周围的介质中，为水中的植物提供氮素。
除了固氮菌和蓝藻之外，还有一些真菌和苔藓等生物体也能参与固氮过程。
其中，真菌通过与其他植物建立共生关系，然后利用植物供给的碳源将氮气固定为氨。
苔藓可以通过合成一种类似于栗子的蛋白质来吸收空气中的氮气，然后将其转化为植物可吸收的氮素。
总之，生物固氮是通过一些微生物和植物的协作作用来完成的。
这种固氮作用不仅能提高土壤中的氮素含量，而且能为植物生长提供氮素，从而促进农作物的提高产量和质量，对于生物多样性和生态平衡的维持也具有重要作用。
固氮的原理
固氮的原理固氮的原理指的是将空气中的氮气(N2)转化为可被植物利用的氨氮(NH3)或亚硝酸盐(NO2-)、硝酸盐(NO3-)等形式。
固氮是一种重要的生物地球化学过程，对于维持地球上生物多样性和生态平衡发挥着重要作用。
固氮的原理主要有自然固氮和人工固氮两种。
1. 自然固氮：自然界中，固氮过程主要由微生物通过氮转化作用完成。
氮转化作用包括氮的固定、氨化和硝化过程。
- 氮的固定是指将气态氮转化为有机氮的过程。
大部分自然界中的氮固定由土壤中的固氮细菌完成，包括自由生活固氮细菌和共生固氮细菌。
自由生活固氮细菌如Azotobacter、Azospirillum等，生活在土壤中，通过酶——固氮酶的作用将氮气转化为氨氮，释放到土壤中，植物根系吸收和利用。
共生固氮细菌如根瘤菌(Rhizobium)共生于豆科植物根节点上，在共生过程中，固氮菌和植物根部形成根瘤，供给菌株所需碳源，并提供一定的优越生长环境，固氮菌通过固氮酶将空气中的氮气转化为植物可以吸收的氨氮，同时植物根系供给菌株所需能量。
- 氨化是指将固定的氮物质转化为氨氮的过程，主要由硝化细菌实现。
硝化细菌将氨氮转化为亚硝酸盐和硝酸盐。
亚硝酸盐可以被细菌进一步氧化为硝酸盐。
硝化细菌根据所能氧化的底物不同，分为氨氧化菌和亚硝酸盐氧化菌。
氨氧化菌将氨氧化为亚硝酸盐，亚硝酸盐氧化菌将亚硝酸盐氧化为硝酸盐。
硝酸盐是植物最主要的氮源。
2. 人工固氮：人工固氮是指由人类创造的固氮方式，主要有化学合成固氮和电弧炉固氮两种途径。
- 化学合成固氮是利用哈伯-博什过程，也称水合氨工艺，通过高温高压催化将氮气和氢气反应生成氨。
这个过程需要大量的能量和高温高压环境，一般应用于工业生产中。
- 电弧炉固氮是一种人工与自然结合的固氮方式。
通过高温电弧排放的能量使大气中的氮气发生分子碎裂并与金属形成氮化物或氨。
电弧炉固氮技术可以主要应用于冶金和化工行业。
总结起来，固氮的原理主要分为自然固氮和人工固氮两种途径。
微生物生态学-7生物固氮
L6O2L6＋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 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。 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。 可以高流速低浓度的氧流向类菌体，提供生长所需O 这样既保证类菌体生长， 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。 受高浓度氧的抑制。
第二节
一、固氮微生物
固氮微属 个属100多种，包括细菌、放线菌、蓝细菌等 多种， 个属 多种 包括细菌、放线菌、 原核微生物
自生固N 二、 固氮体系 ①自生固N体系 ②共生固N体系 共生固N 联合固N ③联合固N体系
（1）自生固N体系 自生固N
固氮微生物在其独自生活过程中，将分子态N 固氮微生物在其独自生活过程中，将分子态N还 独自生活过程中 原为氨，由这类固N微生物建立的体系。 原为氨，由这类固N微生物建立的体系。
二、固N酶催化反应的条件
2、固N酶催化反应的抑制 （1）氢的抑制 ）
H＋是固N作用的专一性竞争抑制剂 是固N 在固氮酶上的结合位点相同； 原因： 原因： H+和N2在固氮酶上的结合位点相同； 竞争能量和电子。 竞争能量和电子。 在分子态N的还原过程中总是伴有H 的释放， 在分子态N的还原过程中总是伴有H2的释放， 这一现象称为放氢现象： 这一现象称为放氢现象： 固N酶 酶
作用。 低Eh（-490mv）条件下进行固 作用。 （ ）条件下进行固N作用
③具底物的多样性，除能将分子态N还原为氨外，还 具底物的多样性，除能将分子态N还原为氨外， 能催化许多底物的还原。 能催化许多底物的还原。HC≡CH→H2C=CH2
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HCN + 6H+ + 6e → CH4 + NH3 N2O + 3H+ + 2e → N2 + NH3 C2H2 + 2H+ + 2e → C2H4
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二、固氮酶的组成和结构
固氮酶由各种固氮微生物分离出来,均为 由钼铁蛋白和铁蛋白组成。 1993年才基 本确定
功能: 铁蛋白是依赖于ATP供给能量的电 子传递体,把电子传递给钼铁蛋白,钼铁蛋
8
ATP ADP+Pi
e-+H+ 固氮酶
N2
乙炔
乙烯
NH3
固氮作用的总反应可用简式表示：
9
固氮酶！！
10
固氮酶由2种蛋白质组成：一种为含有 钼和铁的钼铁蛋白，分子量为
200000；另一种为含铁的铁蛋白,分 子量为65000。铁蛋白具有很强的还 原力，它提供电子给钼铁蛋白。钼 铁蛋白能与氮气分子络合，然后使 之还原为氨。在这个过程中，需要 腺苷三磷酸 (ATP)提供能量和铁氧还
1950年，H.G.德克斯先后提出建立拜耶林 克氏菌属和德克斯氏菌属。
5
什么是固氮菌
• 细菌的一科。菌体杆状、 卵圆形或球形，无内生 芽孢，革兰氏染色阴性。 严格好氧性，有机营养 型，能固定空气中的氮 素。
6
生物固氮(nitrogen fixation )
定义： 分子态氮在生物体内还原为氨的过程
蛋白充当强还原剂。
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一、固氮酶的催化反应
固氮酶来源于多种固氮微生物,能催化大 气中的N2还原为NH3,
N2+8H+ + 8e- + 16MgATP→ 2NH3 + H2 + 16MgADP + 16Pi
(无机磷酸盐)
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除催化N2还原为NH3外,固氮酶还能和许
多小分子底物作用,没有严格的专一性。
特点： 1、生物固氮是固氮微生物的一种特殊的生
理功能，具固氮作用的微生物约近50个属， 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
7
2、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
3、固氮作用过程十分复杂，目前还不完全 清楚。
减少致癌物质对人类的危害。
20
前景
设想：将固氮基因转移到非豆科作物 细胞内，使其自行固氮
21
谢 谢！
22
白结合底物（N2）分子并催化其还原。
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三、固氮酶作用机理研究
固氮酶中铁蛋白的作用是传递电子, 钼铁 蛋白与底物结合并还原N2的催化部位,即 N2只有与钼铁蛋白结合、方可被催化还 原为NH3。
固氮酶的作用机理包括: 电子的传递、N2分子的键合、催化和还 原等。
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1.电子的传递 研究表明，在固氮酶催化N2和其他底物 的还原反应中，电子传递顺序为：
共生固氮微生物
自生固氮微生物
4
固氮菌的发现
1901年，M.W.拜耶林克首先发现并描述了 这类细菌，他定名的有2个种：一是褐色固 氮菌,常生存于中性或碱性土壤中；一是活 泼固氮菌，常生存于水中。
1938年，C.H.维诺格拉茨基将生产孢囊的 菌株（以褐色固氮菌为代表）归属于固氮 菌属，将不产生孢囊的菌株（以活泼固氮 菌为代表）归属于氮单孢菌属。
N决2与的铁问钼题辅。基结合方式目前仍是N一个未解
FeN N-Fe
Fe
Fe
N
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固氮酶的作用机理小结: 电子的传递、N2分子的键合、催化和还 原等。
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意义与前景
意义：
1、弥补土壤中氮素损失 2、进行根瘤菌拌种，提高豆科
作物产量
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3、固氮微生物的固氮过程完全是生物 和微生物自发进行的，无须提供任何 能源和设备，因而它减少了能源的消 耗。由于全部固氮过程都是生物活动， 无污染物排放，有利于保护生态环境。 同时，由于减少和免除了化学氮素的 投入，使农产品中硝酸和亚硝酸物质 大幅度降低，提高了农产品的品质，
（活体内）铁氧还蛋白
或黄素蛋白 （活体外）Na2S2O4
} 铁蛋白 →
MgATP
钼铁蛋白→底物
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2.底物的结合和还原 MoFeP辅基是底物结合的部位，从铁钼辅
基中铁配位不饱和的事实出发，一般认为， 底物是通过与三角形配位的铁配位而结合 的 过。 铁但钼也辅有基其中他 存观 在点 的：Fe—一F种e键认形为成N2F分e—子N通键 而与铁钼蛋白结合；也有人认为以另一种 方式结合。
胡吉利 齐永峰 吕胜满 董申申
1
自然界中的N循环
大气中的N2
尿素及动植 物遗体
土壤中的微生物
NO3-
NH3
NO3-
氮素化肥
2
工业固氮: N2 工厂 NH3
固 高能固氮: N2 闪电等 NH3 氮 固氮微生物
生物固氮: N2
NH3
3
固
按 生
氮 微
物 分 类
生
学 分
物按
的
与 植
种 类
物 关 系
分
1、固氮菌属 2、氮单孢菌属 3、拜耶林克氏菌属 4、德克斯氏菌属