摘  要： 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。固氮生物在地球表面氮生态中起着非常重要的作用。据估计，当今由生物固定的氮已达2.0亿t/a，占地表化合态氮的65~70%，而根瘤菌豆科植物共生体固定的氮又占生物固氮量的65%以上。环境因子的限制一直是豆科植物一根瘤菌共生固氮体系没有在农业生产中充分发挥作用的重要原因之一。目前，研究涉及的环境因子主要行水分、矿质营养元素、温度、重金属、钠盐、CO2、土壤类型以及pH等。

关键词：固氮；固氮酶；豆科；根瘤菌

1. 生物固氮研究历史

大气中的氮，必须通过以生物固氮为主的固氮作用，才能被植物吸收利用。在固氮微生物的固氮酶催化作用下，把分子氮转化为氨，进而合成为有机氮化合物。这叫做固氮作用。[1]

1862年，人们确定了固氮生物的存在，并发现了自生固氮菌以及根瘤菌与高等植物共生后可以固定空气中氮素的现象。到目前为止，生物固氮的研究已经有一百四十多年了。期间的研究领域涉及到形态结构、细胞水平、分子水平及遗传等诸多领域。[2]

2. 生物固氮原理简介

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。生物固氮过程可以用下面的反应式概括表示：

N2+6H++nMg-ATP+6e-+固氮酶→2NMH3+nMg-ADP+nPi

分析上面的反应式可以看出，分子氮的还原过程是在固氮酶的催化作用下进行的。有三点需要说明：第一，ATP一定要与镁(Mg)结合，形成Mg-ATP复合物后才能起作用；第二，固氮酶具有底物多样性的特点，除了能够催化N2还原成NH3以外，还能催化乙炔还原成乙烯(固氮酶催化乙炔还原成乙烯的化学反应，常被科学家用来测定固氮酶的活性)等；第三，生物固氮过程中实际上还需要黄素氧还蛋白或铁氧还蛋白参与，这两种物质作为电子载体能够起到传递电子的作用。

铁蛋白与Mg-ATP结合以后，被黄素氧还蛋白或铁氧还蛋白还原，并与钼铁蛋白暂时结合以传递电子。铁蛋白每传递一个电子给钼铁蛋白， 同时伴随有两个Mg-ATP的水解。在这一催化反应中，铁蛋白反复氧化和还原，只有这样，e-和H+才能依次通过铁蛋白和钼铁蛋白，最终传递给N2和乙炔，使它们分别还原成NH3和乙烯。[3]

3. 固氮微生物的种类

固氮微生物主要指具有因氮功能的细菌,此外,还包括一些具有固氮功能的放线菌和蓝藻。

自然界中有两类固氮微生物：一类是共生固氮微生物；另一类是自生固氮微生物。自生固氮微生物是指在土壤中能够独立进行固氮的微生物。代表生物：圆褐固氮菌（属于细菌）：具有较强的固氮能力，并且能够分泌生长素，促进植物生长和果实发育。共生固氮微生物是指与一些绿色植物互利共生的固氮微生物。人们熟悉的共生固氮微生物是根瘤菌。根瘤菌在土壤中分布广泛，但是只有侵入到豆科植物的根内才能固氮。根瘤菌固定的氮素，占自然界生物固氮总量的绝大部分。

根瘤菌是一类需氧的异养细菌。不同的根瘤菌，各自只能侵入特定种类的豆科植物：有的根瘤菌只能侵入一种豆科植物，例如从大豆的根瘤中分离出来的根瘤菌，只能侵入大豆的根；有的根瘤菌能够侵入多种豆科植物，例如从蚕豆的根瘤中分离出来的根瘤菌，可以侵入蚕豆、菜豆和豇豆的根。据科学家分析，豆科植物从根瘤中获得的氮素，占其一生中所需氮素的30%～80%。所以说，一个根瘤就是一座“小氮肥厂”。衰老的根瘤呈白色或青绿色，根瘤菌的固氮能力明显减弱。衰老的根瘤破溃后，里面的根瘤菌以及一些含氮化合物则遗留在土壤中。

4. 生物固氮在农业生产中的应用

固氮生物在地球表面氮生态中起着非常重要的作用。据估计，当今由生物固定的氮已达2.0亿t/a，占地表化合态氮的65～70%，而根瘤菌豆科植物共生体固定的氮又占生物固氮量的65%以上。

豆科植物固氮量表[4]

除了生物固氮以外，生产氮素化肥的工厂以及闪电等也可以固氮，但是，同生物固氮相比，它们所固定的氮素数量很少。全世界每年施用的氮素化肥中的氮素大约有8×107t，而自然界每年通过生物固氮所提供的氮素，则高达4×108t。[5]

氮素是农作物从土壤中吸收的一种大量元素，土壤每年因此要失去大量的氮素大量施用氮素化肥能保证植物的生长需要，使粮食增产，1913年，Haber Bosch发明了用化学方法生产氮肥，在高温高压下催化N2为NH3。至2000年，全世界用此法生产氮肥已达8000多万t，据估计靠它养活了世界1/2人口。[6]但过量施用化肥己造成较大的负面影响：第一，氮肥施用量愈大，肥效愈低，利用率仅35%，甚至更低；第二，硝酸盐随水渗漏，己造成环境较严重污染；第三，单纯施用化肥，土壤板结，肥力下降；第四，随着我国人口增长，如仍按粮食需要生产工业氮肥，将给能源造成更大压力。所以人们研究生物固氮，通过生物固氮这条途径使土壤中的氮素得到补充，有利于环保和可持续发展。[7]

根据生物固氮原理，以下措施可以提高土壤的含氮量：

(1) 将圆褐固氮菌制成菌剂，施到土壤，可提高农作物产量。

(2) 对豆科植物进行根瘤菌拌种，也能提高豆科植物产量。

(3) 用豆科植物做绿肥可以增加土壤含氮量，有利于农作物的增产。

(4) 通过转基因技术，可将固氮基因转到非豆科植物中。

5. 环境对固氮的影响

环境因子的限制一直是豆科植物一根瘤菌共生固氮体系没有在农业生产中充分发挥作用的重要原因之一。

目前，研究涉及的环境因子主要行水分、矿质营养元素、温度、重金属、钠盐、CO2、土壤类型以及pH等。[8]水分胁迫会导致豆科植物根瘤减少和固氮效率低下；矿质元素方面，除氮磷钾外，微量元素对固氮影响也很明显；除上述环境因子以外，还有土壤类型、土壤pH、CO2 浓度、抗生素、光照等科植物的结瘤固氮产生一定的限制；重金属能从不同方面直接和间接地影响共生同氮。[9]

总结及展望

化学氮肥在解决人类温饱问题中起了极为重要的作用，但近年发现过量施用化肥有较大的负面影响。尤其是在环境领域，化肥的过量使用造成土壤板结、盐碱化，多余的农田退水更是引起氮磷超标，使水体严重富营养化。为解决化学氮肥的过量使用带来的负面影响，建议在荒漠贫瘠地区加大豆科植物种植面积,充分发挥生物固氮的作用，利用豆科植物的固氮促进其他植物的高产，减少化学氮肥用量、降低环境污染、改善生态环境，保障农业的可持续发展的目的。

当前，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。

将固氮细菌体内的固氮基因转移到非豆科粮食作物的细胞内，在固氮基因的调控下，让非豆科粮食作物的细胞内合成出固氮酶并且固氮，这是解决非豆科粮食作物自行固氮的一条重要途径，这一途径叫做固氮基因工程。20世纪80年代初期，科学家发现了某种固氮细菌的固氮基因。这些固氮基因多达二十几个，它们共同调控着该种细菌的固氮功能。科学家将这些固氮基因转移到大肠杆菌这种原核生物的细胞里，使本来不能固氮的大肠杆菌变成了能够固氮的大肠杆菌。后来，科学家又把固氮基因转移到酵母菌这种最简单的单细胞真核生物中，但是这种酵母菌只能合成出构成固氮酶的部分蛋白质。科学家最终希望的是把固氮基因转移到小麦、水稻等粮食作物的体内，并且让这些农作物自行固氮。遗憾的是，这样的实验至今还没有获得成功。这说明在原核生物之间进行固氮基因的转移并且实现固氮比较容易，而将固氮基因从原核生物转移到真核生物中，使小麦、水稻等真核生物实现生物固氮，困难就大得多了。

参考文献：

[1]周群英,高廷耀,环境工程微生物学,高等教育出版社,2000, p211-212

[2]娄志义,生物固氮研究的大事记,生物学教学2005,30(4):60-62

[3]人民教育出版社生物自然室,生物选修(全一册),人民教育出版社,2000: 36-41

[4]Werner D., Physiology of Nitrogen-fixing Legume Nodules:Compartments and Functions [J].In: Stacey G, Burris R, Evans H. eds.Biological Nitrogen Fixation, New   York: Chapman and Hal1, 1992:399-431

[5]陈文新,陈文峰,发挥生物固氮作用减少化学氮肥用量,中国农业科学导报,2004, 6:3-6

[6]Paul E F and Ford B W, Nitrogen fertilizers: MeetingContemporary Challenges[J], AMBIO, 2002,31(2):169-176

[7]朱兆良,合理使用化肥充分利用有机肥,发展环境友好的施肥体系,中国科院院刊,2003, 2: 89-93

[8]慈恩,高明,环境因子对豆科共生固氮影响的研究进展,西北植物学报,2005,6:1269-1271

[9]ZHOU S J(周苏玖),GUO J H (郭俊红),       MEN X F(门雪峰), etal. Effect on root soil system and underground part [J], Acta Agriculture Boreah-Sinica (华北农学报),2003,l8(1):76-78(in Chinese).

The Use and Development of Biological Nitrogen Fixation

Abstract：Biological nitrogen fixation is special kind of physiology function of biological nitrogen fixation microorganism, this kind of function carries on under the catalyst function of enzyme. In nature the nitrogen fixers may fix almost 200 million tons of usable nitrogen per year across the world. And rhizobia associated with legumes fix more than 65% of those 200 million tons of nitrogen fixed by a11 nitrogen fixers. Environmental factors are always one of the major reasons why the symbiotic nitrogen—fixing systerm of rhizobia and legumes cannot come into full play in agricultural production.Now the environmental factors involved with the research include water，nutrient elements；temperature，heavy metals，sodium salts，carbon dioxide，soil types and pH，etc.