共生固氮微生物
高三生物生物固氮
换兑市暧昧阳光实验学校高三生物生物固氮【本讲信息】一. 教学内容：生物固氮二. 学习内容：本周学生物固氮，掌握生物固氮的概念，固氮微生物的类群。
共生固氮菌根瘤的特点，自生固氮菌、圆褐固氮菌的特点。
了解生物固氮的原理。
过程。
掌握氮元素的循环过程，以及生物固氮的用。
掌握土壤自生，固氮菌的分离，理解原理，初步制作临时涂片的方法。
三. 学习：1. 固氮微生物的种类2. 生物固氮的基本过程3. 生物固氮的意义以及在农业生产上的用4. 掌握土壤自生固氮菌的分离原理四. 学习难点：1. 固氮微生物的种类（自生固氮菌，共生固氮菌）2. 生物固氮的基本过程3. 生物固氮的意义以及在农业生产上的用4. 掌握土壤自生固氮菌的分离五. 学习过程（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高能固氮：雷电（形成氮的氧化物）固氮化能固氮：工业合成氨（高温、高压、催化剂）生物固氮：固氮微生物作用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、沙棘属植物共生蓝藻——与红萍水生蕨类或罗汉松裸子植物共生，地衣即是。
根瘤菌：在土壤中分布广泛，其固的氮素占自然界生物固氮的绝大形状：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）生产用：常制作成菌剂，投入到土壤中，提高农作物的产量①作用对象：小麦，水稻，棉花，玉米②主要菌种：圆褐固氮菌，棕色固氮菌③施用方式：a. 基施以基肥的形式使用b. 追施追加在作物的根部，覆盖土壤c. 拌种阴凉处晾干后使用④增产效果：单纯使用菌剂不能满足农作物对氮营养的需要，只能是一种补充措施菌落特点：①色土褐色②表面光滑呈黏稠状（具有荚膜）③形状不规则（通常具有菌毛，具运动能力）（3）固氮微生物（高中了解内容）必须生活在根际、叶面或动物的肠道处才能固氮的微生物如：雀稗固氮菌、固氮螺菌——生活在玉米、雀稗、水稻和甘蔗植物根内的皮层细胞间特点：具有一的专一性，但不形成根瘤那种特殊结构可以进行自行固氮，介于自生固氮和共生固氮之间（三）生物固氮过程：1. 生物固氮是在细胞内的固氮酶的催化下进行的，不同固氮微生物的固氮酶的催化作用基本相同2. 基本过程：（1）将N2还原成NH3，将C2H2还原成C2H4（2）需要e和H+（来自植物体内的化学反）（3）需要ATP提供能量是一个释能过程3. 固氮酶：有两种蛋白质组成，只有两种蛋白质同时存在时才能起固氮作用（1）两种蛋白质分别是：含铁的蛋白质——铁蛋白；含有铁和钼的蛋白质——钼铁蛋白（2）电子先传递给铁蛋白，然后传递给钼铁蛋白，最终被2N或22HC接受（3）ATP一要与Mg结合，形成Mg—ATP复合物才能起作用（4）具有底物多样性（四）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。
植物的植物内共生与生物固氮
未来研究方向和挑战
深入研究内共生固氮机制
进一步揭示植物内共生体与固氮微生物之间的相互作用机制和信号传导途径，为优化共生 固氮提供理论基础。
拓展应用领域和范围
将内共生固氮技术应用于更多植物种类和农业生产领域，提高农业生产的可持续性和生态 效益。
应对环境变化和生物安全挑战
研究环境变化和生物安全对内共生固氮的影响及应对措施，保障内共生固氮技术的安全应 用和推广。
生物固氮技术的创新与应用
通过基因工程、代谢工程等手段，改良固氮微生物 或植物品种，提高生物固氮效率和应用范围。
跨学科合作的加强与拓展
加强与农学、生态学等相关学科的合作与交 流，推动植物内共生与生物固氮研究在实际 生产中的应用和推广。
THANKS
感谢观看
固氮酶的结构与功能、固氮基因的表达调控等方面取得了重要进 展，提高了植物对氮素的利用效率。
跨学科合作成果
植物学、微生物学、分子生物学等多学科的交叉融合，为植物内 共生与生物固氮研究提生关系的稳定性
植物内共生关系受到环境、营养等多种因素的影响，其稳定性有待 进一步提高。
05 实例分析：典型 植物内共生与生 物固氮案例
豆科植物根瘤菌共生固氮
根瘤形成与发育
豆科植物与根瘤菌建立共生关 系，形成根瘤，根瘤是固氮的
主要场所。
固氮机制
根瘤菌将空气中的氮气转化为 植物可利用的氨，为植物提供 氮源。
影响因素
土壤类型、土壤肥力、水分和 温度等环境因素对根瘤菌共生 固氮效果有显著影响。
02 植物与微生物间 内共生关系
微生物种类及其在植物体内分布
内共生微生物种类
包括细菌、真菌等，它们与植物形成 共生关系，生活在植物体内或表面。
生物固氮
大气中的N2
另一些细 菌的分解
生 物 固 氮 闪 电 固 氮 人 工 固 氮
土壤中的N
食 物 链 分 解 者
NH3
NO3−
生物体内的N
氮循环
NH3
2. 生物固氮在自然界氮循环中的重要作用。
据估算，每年生物固氮的总量占地球上 自然固氮总量的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，而 且对维持生态系统平衡有重要意义。
（二）自生固氮微生物
• 在土壤中能够独立生存的固氮微生物。 • 大多为杆菌或短杆菌，单生或对生。 • 例如：圆褐固氮菌
应用：将圆褐固氮菌制成菌 剂，施到土壤中，可以提高 农作物产量。为什么？
①固氮，增加土壤中的N肥。 ②分泌生长素，促进植物的生长发育。
三、生物固氮的意义
1. 自然界氮循环过程。
生物固氮：40×107吨/年, 人造化肥： 8×107吨/年
1、氮元素对生物有何意义？
N是组成生物体的基本元素之一，
蛋白质、核酸、ATP等都含有N元素。
2、动植物体内氮元素的来源？
植物：从土壤吸收。 固氮微生物提供。 动物：通过捕食获得。
重点知识：
1．固氮微生物的种类； 2．生物固氮的意义。
生物固氮：是指固氮微生物将大气中的N2还原
为NH3的过程。
①减少化肥使用，降 低粮食的生产成本。
小结：
1．豆科植物形成根瘤的原因是（ C ） A．根瘤菌入侵根的结果 B. 根瘤菌固定N2的结果 C．根的薄壁细胞分裂的结果 D. 根内形成NH3的结果 2. 一般地说，固氮能力比较强的根瘤是着生在（ A ） A．主根上 B．侧根上 C. 须根上 D．不定根上 3．大气中的N2，经过固氮后形成的也合物中，哪一组化合物被植 物体吸收后直接可用于蛋白质的合成( C ) A．NH3和N03— B. NH4+和N02— C NH4+和NH3 D．N03—和N02— 4. 如图所示为生态系统中碳循环和氮循环的一部分， A、B、C三类微生物参与其中，下列说法错误的是 (D) A . A类细菌是自养需氧型，B类细菌是异养厌氧型 B．进行C过程的微生物，有的是自生的，有的是 共生的 C．A和C的活动可增加土壤肥力 D. B的活动导致土壤氮素丧失 5．利用无氮培养基可长期独立培养的是( B ) A. 硝化细菌 B．圆褐固氮菌 C. 根瘤菌 D. 酵母菌
共生固氮和联合固氮的名词解释
共生固氮和联合固氮的名词解释
共生固氮:微生物与植物紧密生活在一起，由固氮微生物进行固氮，微生物在与植物共生状态下直接将大气中分子态氮转化成化合态氮。
联合固氮:自然界只有某些微生物能直接将大气中的氮通过固氮酶还原成NH4+，这类微生物包括细菌、蓝绿藻、放线菌等。
在固氮的细菌中有一类属于自由生活的类群，它们定殖于植物根表(有的能侵入根表皮和外皮层的细胞间隙)和近根土壤中，靠根系分泌物生存，繁延，与植物根系有密切的关系。
但宿主植物并不形成特异分化的结构。
植物与细菌之间的这种共生关系称联合共生固氮。
这类固氮菌称联合固氮菌。
微生物与植物之间的共生关系
第一节 微生物与植物的共生固氮作用
第二节 菌根与菌根菌
第一节 微生物与植物的共生固氮作用
根瘤菌
生物固氮
提供氮源
提供能源 光合作用
共生体
植物
第一节 微生物与植物的共生固氮作用
一、根瘤菌和结瘤豆科植物
(一)根瘤菌的三大特性
豆血红蛋白
感染性（结瘤性）
专一性（根瘤菌和植物根系特异性关系） 有效性（固氮性）
哈蒂氏（Harting）网
外生菌根无根毛，由包在根外的真菌菌丝代替根毛的功能
第二节 菌根与菌根菌
一、外生菌根
（二）形成外生菌根的植物和真菌
木本植物—森林乔木、松科植物
担子菌、子囊菌、接合菌、半知菌
第二节 菌根与菌根菌
一、外生菌根
（三）外生菌根的形成过程（P261）
从植物苗期开始外生菌就开始形成， 菌丝随着植物根的不断生长而生长，并 交织形成菌套。
• （一）微生物农药的定义和种类 定义： 微生物农药是利用微生物及其基因产生或表 达的各种生物活性成分，制备出用于防治植物病虫害 、环卫 昆虫、杂草、鼠害以及调节植物生长的制剂的 总称。是指由细菌、真菌、放线菌、病毒等微生物及 其代谢产物加工制成的农药。 种类：按照微生物农药的用途，微生物农药可分为 微生物杀虫剂、微生物除草剂、微生物生长调节剂、 微生物杀菌剂和微生物生态制剂等。按微生物源农药 来源微生物源农药包括农用抗生素和活体微生物农药 两大类。
•
（1）农用抗生素是由抗生菌发酵产生的具有农药功 能的次生代谢物质，它们都是有明确分子结构的化学 物质。现已发展成为生物源农药的重要大类。用于防 治真菌病害的有井冈霉素、灭瘟素、春雷霉素、多抗 霉素、有效霉素等；用于防治细菌病害的有链霉素、 土霉素等；用于防治螨类的有浏阳霉素、华光霉素、 橘霉素(梅岭霉素)等；用于防治害虫的有阿维菌素、 多杀菌素、虫螨霉素、敌贝特等；用于除草的双丙氨 膦；用作植物生长调节剂的赤霉素、比洛尼素 (pirone—tin)等。
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。
高二生物生物固氮试题
高二生物生物固氮试题1.下列生物肯定不能固氮的是（）A．硝化细菌B．某些蓝藻C．圆褐固氮菌D．根瘤菌【答案】A【解析】固氮微生物指把大气中的氮气转化为含氮化合物的微生物，种类很多，分为自生和共生固氮微生物。
前者独立存在于土壤之中，如圆褐固氮菌，蓝藻；后者与高等植物等共生时才能固氮，如根瘤菌，固定的氮素除供自身生长发育外，部分以无机状态或简单的有机氮化物分泌于体外，供植物吸收利用。
硝化细菌是利用NH3氧化分解释放的能量，将CO2和H2O合成有机物，释放O2。
【考点】本题考查固氮微生物的有关知识，意在考查考生理解所学知识的要点，把握知识间的内在联系的能力。
2.生物固氮中的固氮酶是由下列哪两个亚基组成。
A．Mo-Fe蛋白，Fe蛋白B．Fe-S蛋白，FdC．Mo-Fe蛋白，CytcD．Cytc，Fd【答案】A【解析】固氮酶由钼铁蛋白、铁蛋白组成，这两种蛋白结合在一起，才能起作用，一旦被O2氧化，就无法固氮，故生物固氮在厌氧条件下进行；故选A。
【考点】固氮酶。
点评：本题相对简单，属识记内容。
3.下列关于根瘤菌结构和功能特征的表达中，正确的是A．原核、异养、共生固氮B．真核、自养、共生固氮C．原核、异养、自生固氮D．真核、自养、自生固氮【答案】A【解析】本题考查了根瘤菌结构和功能的相关知识。
与豆科植物共生，形成根瘤并固定空气中的氮气供植物营养的一类杆状细菌。
能促使植物异常增生的一类革兰氏染色阴性需氧杆菌。
在根瘤内，根瘤菌从豆科植物根的皮层细胞中吸取碳水化合物、矿质盐类及水分。
以进行生长和繁殖。
同时它们又把空气中游离的氮通过固氮作用固定下来，转变为植物所能利用的含氮化合物，供植物生活所需。
这样，根瘤菌与根便构成了互相依赖的共生关系。
故选A。
4.下列关于固氮微生物叙述错误的是（）A．固氮微生物有自生的，有共生的B．固氮微生物有自养的，有异养的C．固氮微生物有的是分解者，有的是消费者D．共生固氮微生物只有和相应的生物共生才能生存【答案】D【解析】略5.圆褐固氮菌除了具有固氮能力外，还能A．产生生长素，进行激素调节B．促进植物花粉发育和受精C．产生生长素，是其生命不可缺少的物质D．促进植物生长和果实发育【答案】D【解析】略6.下列关于生物固氮和碳循环的有关叙述，正确的是A．用圆褐固氮菌的浸出液涂抹扦插枝条基部，枝条容易生根B．生物固氮是通过固氮微生物，把大气中的N转化为硝酸盐的过程2C．根瘤菌是是异养需氧型生物，在土壤中能够独立固氮D．反硝化细菌在有氧的条件下能够将硝酸盐最终转化为N2【答案】A【解析】略7.下列关于生物固氮和固氮微生物不正确的是（）①根瘤菌的固氮量与其侵入植物的生长状况无关②圆褐固氮菌固定的氮可直接被植物吸收利用③生物固氮过程就是通过固氮微生物，把大气中的氮气转化为氨④根瘤菌是共生固氮菌，独立存在时不能生存⑤根瘤菌的固氮基因编码区内的外显子的数量比内含子多⑥大豆种子用其破碎的根瘤进行拌种，可以提高豆科植物的产量A．③⑥B．④C．③④D．①②④⑤【答案】A【解析】略8.有关氮循环中微生物代谢类型、相关生理过程及生态地位全部正确的一组是（）【答案】A【解析】略9.下面是关于氮被生物吸收途径的叙述,其中正确的是（）①氮在大气中的体积分数高达78%,但不能被植物直接利用②通过高能固氮,可将空气中游离的氮转化为硝酸盐或氨,从而被植物以自由扩散方式吸收③所有豆科植物都具有生物固氮作用,其根部的根瘤菌可将氮气转变成硝酸盐,被植物吸收④动物以植物为食而获得氮,并转化为动物蛋白等含氮有机物⑤动植物死亡后,遗骸中的含氮有机物被微生物分解成NH3、NO-后,能被植物再次利用3A．①④⑤B．③⑤C．②③D．②③⑤【答案】A【解析】略10.如图表示的是生态系统中的氮循环示意图。
高考生物复习 生物固氮
3、共生固氮微生物和自生固氮微生物的比较
常见
类型
与豆科植物关系
代谢类型
固氮产物
对植物的作用
固氮量
共生固氮微生物
根瘤菌
共生，有
A、此类微生物只有细菌中存在B、固氮微生物的代谢类型都是异养需氧型的
C、固氮微生物主要分共生和自生两大类D、固氮微生物都能分泌生长素
5、下列对豆科作物进行根瘤菌拌种的说法中正确的是（ ）
A、将豆科作物种子沾上根瘤菌即可B、将豆科作物种子沾上一定浓度的根瘤菌即可
C、将豆科作物种子沾上相应的根瘤菌即可D、将豆科作物种子沾上固氮微生物即可
1、植物可以利用的氮，主要来自（ ）
A、根瘤菌B、自生固氮菌C、闪电D、化肥生产
2、土壤中含有自生固氮微生物比较多的是（ ）
A、表层土壤B、中层土壤C、底层土壤D、所有的土壤都是一样的
3、圆褐固氮菌能够促进植物生长的直接原因是（ ）
A、它能固氮B、它能分泌生长素C、它能形成荚膜D、它能提高产量
4、下列关于固氮微生物说法正确的是（ ）
9.农田土壤的表层，自生固氮菌的含量比较多。将用表土制成的稀泥浆，接种到特制的培养基上培养，可将自生固氮菌与其他细菌分开。对培养基的要求是（）
①加抗生素②不加抗生素③加氮素④不加氮素⑤加葡萄糖⑥不加葡萄糖⑦37℃恒温箱培养⑧28℃~37℃温度下培养
A.①③⑤⑦B.②④⑥⑧C.②④⑤⑧D.①④⑥⑦
10.从土壤中分离自生固氮菌制成临时涂片的步骤是（）
20、下图是自然界中氮循环示意图，依由回答
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设想：将固氮基因转移到非豆科作物 细胞内，使其自行固氮
意义：①减少施氮肥费用，降低粮食 生产成本； ②减少氮肥生产，有利于 节省能源； ③避免氮肥施用过量造成 水体富营养化,有利于环境的保护。
水生、厌氧 水生、光能自养 水生、需氧 陆生、需氧
生物圈是生物与环境相互作用
的统一整体
生物圈稳态的自我维持
光能——化学能 群落与无机环境间的循环 多层次的自我调节能力
物质循环 碳循环 氮循环 硫循环
固氮
大气中的N2
尿素及动
NO3-
NO3-
植物遗体
NH3 土壤中的微生物
氮素化肥
工厂
工业固氮: N2
结构：原核单细胞
生理：①需氧异养
②互利共生（具种属特异性） ③侵入——繁殖——根薄壁细胞分
裂——组织膨大——形成根瘤
*固氮原理
2、自生固氮微生物 独立 形态：杆菌或短杆菌、荚膜
好氧性
结构：原核厌单氧细性胞 实例：圆有褐异形固胞氮的菌蓝藻 作用： ①固氮；
②分泌生长素，
促进植株生长和果实发育
三、生物固氮在农业生产上的应用 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 3、用豆科植物做绿肥 4、非豆科植物自行固氮
NH3
固 高能固氮: N2 闪电等 NH3
氮 固氮微生物
生物固氮: N2
NH3
一、生物固氮概念
固氮微生物将大气中的氮还原成氨的过程
二、固氮微生物的种类
◆ 共生固氮微生物 ◆ 自生固氮微生物
1、共生固氮微生物 与植物共生时才能固氮
与豆科共生 与非豆科共生
大豆根瘤
豌豆根瘤苜 蓿Fra bibliotek实例：根瘤菌根
瘤
形态：棒槌形、“T”形或“Y” 形