浅谈生物固氮_孟宁生 (1)

集宁师范学院化学系 孟宁生

摘 要：本文主要论述了生物固氮作用及机制，并介绍了生物固氮的意义及固氮

基因工程的研究前景。

关键词：生物固氮 固氮酶 固氮酶系统

INTELLIGENCE

粮食危机严重地影响着人类的生存和发展，是当今世界面临的重大问题之一。我国的可耕地仅占世界总量的7%，需要养活的人口占世界人口的22%，所以，粮食问题已成为我国最主要的问题。我们知道，氮是植物所必需的生命元素之一，通过生物固氮作用能为农作物提供氮素，可以使粮食产量明显提高。同时，生物固氮又是非常高效、节能、环保的方式。但是生物固氮机制非常复杂，人类对其机理还没有彻底搞清楚。然而对生物固氮的研究和利用为农业开辟肥源、维持和提高土壤肥力又具有很大意义。为了提高人们对生物固氮的认识,本文初步分析了生物固氮机制及意义。

一、物固氮及作用

高等生物不能把N2转变为有机形式，这种转变可以由细菌和蓝绿藻实现，称之为固氮作用。没有固氮作用，大气中的分子态氮就不能被植物吸收利用。生物固氮是微生物、藻类和高等植物共生的微生物通过自身的固氮酶复合物把分子氮变成氨的过程，是在常温常压条件下，由酶催化进行[1]。生物固氮在地球的氮循环中具有十分重要的作用，自然界通过生物固氮的量可达每年1011Kg，约占地球上固氮量的60%；大气固氮（如闪电、紫外辐射）固定氮约15%，大气固氮可以使空气中的氮与水中的氢结合，形成氨与，氨和则由雨水带到地面，这种固氮方法不容易控制，并不是我们所应用的；其余为工业固氮，工业固氮不仅使固氮效率低、耗能大，而且会严重污染环境。因此大力发展生物固氮对增加农作物氮肥来源有重大意义[2]。

二、物固氮系统及机制（一）固氮酶复合物

生物固氮过程由固氮酶复合物完成[3]。固氮酶复合物含有两种蛋白组分：一个是还原酶，它提供具有高还原势的电子；另一组分是固氮酶，它利用还原酶提供的高能电子还原N2成NH4+。

1、还原酶

还原酶也称铁蛋白，是由两个相同亚基组成的二聚体，相对分子质量为 000，也是一个铁硫蛋白，含有一个[Fe4S4]簇，每次可传递一个电子。此外，还有2个ATP结合位点。由还原酶向固氮酶的电子传递与还原酶上的ATP水解相偶联；还原酶每次转移一个e给固氮酶，伴随着两个Mg-ATP的水解。

2、固氮酶

另一个称为固氮酶，能利用得到的电子使氮气还原形成氨气，是由2个α亚基和2个β亚基组成的四聚体，相对分子质量为220 000。固氮酶也称钼-铁蛋白，其氧化还原中心含有2个钼原子、32个铁原子和相应数目的酸不稳定硫。

（二）固氮作用中的电子传递过程：

生物固氮的总反应式：

N2+8e+16Mg-ATP+16H2O+8H+→2NH3+H2+16Mg-ADP+16Pi（三）生物固氮所需条件

由上述反应图可以看出，固氮酶催化的反应需要满足：（1）充分的ATP（能量）供应。豌豆根系固氮细菌消耗植株ATP产量的近五分之一；（2）需要很强的还原剂（电子供体）。高还原势电子来自还原型铁氧还蛋白，其是光和链的电子载体。铁氧还蛋白的再生或来自光合作用，或来自氧化过程；（3）需要厌氧环境，固氮酶对氧十分敏感 ，只有在严格的厌氧条件下才能固氮。因此，对好气细菌来说必须有严格的防氧保护系统以使酶不被氧伤害。在豆科植物根瘤中，豆血红蛋白起着降低氧浓度以保护固氮酶的作用。豆血红蛋白为一共生合成蛋白，其珠蛋白部分由植物合成，而血红素基团由根瘤菌合成，其对O2有很高的亲和力。

三、生物固氮的意义及前景

由于生物固氮的重要性，有关控制生物固氮的环境与遗传因素的研究受到重视。研究表明，凡是能增加植物光合作用能力的因素，如合适的水分、温度、强光照和高CO2水平等都可以促进固氮作用。豆科植物与固氮生物的遗传因素也影响固氮作用的速率和产量。例如其中一个遗传因素是豆科植物的结瘤能力，它依赖于根瘤菌与寄主植物之间的由遗传控制的识别过程。为提高结瘤能力，科学工作者正在进行改造根瘤菌基因以及选择合适的寄主品种的研究工作。另外一个遗传因素是固氮酶在还原N2的同时还原H+。由总反应式可见，固氮酶催化的反应中有1/4的电子用于还原H+产生H2，而H2被还原后逸出进入大气，这个过程使能量白白浪费。不过，大多数根瘤菌和自生固氮细菌均含有氢化酶，该酶将H2氧化成H2O，这一过程推动由ADP和Pi合成ATP的反应。有研究表明，与具有较高氢化酶活性的根瘤菌共生的豆科植物(如大豆)的产量比与无氢化酶活性的根瘤共生的稍高，可能是前者减少了能量的浪费。基于这种认识，通过基因工程技术可能会获得具有更高活性的氢化酶的根瘤菌并增加豆类产量。此外，用基因工程技术将固氮基因导入非豆科植物根，促使这些植物固氮的工作也获得了一定的进展。例如将圆褐固氮菌制成菌剂，施用到土壤中，可以提高农作物的产量。广泛分布于土壤，25～30℃、PH7～8、固氮能力强。

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