第二节 生物固氮

我们知道，根瘤菌可以将空气中的氮转变为含氮的养料，供豆科植物利用，这属于自然界中的生物固氮现象。生物固氮是指固氮微生物将大气中的氮还原成氨的过程。那么，能不能利用生物固氮的原理，让小麦、水稻等非豆科作物也能像大豆、花生那样利用氮气为自身提供含氮养料呢？目前，科学家们正在开展这方面的研究。可见，生物固氮的研究对于解决粮食问题具有十分重要的意义。

如果小麦、水稻也能自行固氮，那将给人类带来哪些方面的好处？

固氮微生物的种类

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。

共生固氮微生物 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。

根瘤和根瘤菌的形态特征

观察根瘤和根瘤菌的形态

根瘤一般有米粒至黄豆大小，圆球形或长枣形，可以单独着生在根上，如大豆的根瘤(如图)，也可以聚集呈掌状着生在根上，如豌豆的根瘤(如图)。一般地说，着生在主根上的、粉红色的、饱满的根瘤，里面的根瘤菌固氮能力比较强。根瘤里的根瘤菌，个体很小，呈棒槌形、“T”形或“Y”形(如图)。

根瘤菌的生理特点 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。

根瘤内的根瘤菌与豆科植物互利共生：豆科植物通过光合作用制造的有机物，一部分供给根瘤菌；根瘤菌通过生物固氮制造的氨，则供给豆科植物。

豆科植物的种子在土壤中萌发并长成幼苗以后，土壤中与该种豆科植物相适应的根瘤菌就在幼苗的根系附近大量繁殖，并且侵入到根内。根瘤菌在根内不断地繁殖，并且刺激根内的一些薄壁细胞分裂，进而使该处的组织逐渐膨大，形成根瘤。 一年生的豆科植物，如豌豆、大豆等，幼苗时期就开始形成根瘤。在适宜的环境条件下，根瘤约在两周内发育成熟，里面的根瘤菌开始固氮。豆科植物开花之前，根瘤菌的固氮能力最强。

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。

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，其中，多数是一类叫做自生固氮菌的细菌。自生固氮菌大多是杆菌或短杆菌，单生或对生。经过两三天的培养，成对的菌体呈“8”字形排列，并且外面有一层厚厚的荚膜。自生固氮菌中，人们应用得最多的是圆褐固氮菌(如图)。

自生固氮菌的分离(选做)

圆褐固氮菌具有一定的固氮能力，并且能够分泌生长素，促进植株的生长和果实的发育。因此，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。

生物固氮过程简介①

固氮微生物的固氮过程，是在细胞内固氮酶的催化作用下进行的。不同固氮微生物的固氮酶，催化作用的情况基本相同，这可以用下面的反应式概括地表示：

固氮酶是由A和B两种蛋白质组成的。这两种蛋白质单独存在时都不能固氮，只有结合在一起，才能起到生物催化剂的作用。在固氮酶将N₂还原成NH₃的过程中，需要e和H⁺①，还需要ATP提供能量。生物固氮的过程十分复杂。简单地说，在ATP提供能量的情况下，e和H⁺依次通过A蛋白和B蛋白，最终传递给N₂和乙炔，使它们分别还原成NH₃和乙烯②(如图)。

生物固氮在氮循环和农业生产中的作用

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。动物直接或间接地以植物为食物。动物体内的一部分蛋白质在分解过程中产生的尿素等含氮废物，以及动植物遗体中的含氮物质，被土壤中的微生物分解后形成氨。氨经过土壤中一些细菌的作用，最终转化成硝酸盐，硝酸盐可以被植物吸收利用。在氧气不足的情况下，土壤中的另一些细菌可以将硝酸盐转化成亚硝酸盐并最终转化成氮气，氮气则返回到大气中(如图)。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。可见，生物固氮在自然界氮循环中具有十分重要的作用。

生物固氮在农业生产中的应用

生物固氮在农业生产中也具有十分重要的作用。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。如果土壤每年得不到足够的氮素以弥补损失，土壤的含氮量就会下降。土壤可以通过两条途径获得氮素：一条是含氮肥料(包括氮素化肥和各种农家肥料)的施用；另一条是生物固氮。科学家在20世纪80年代推算过，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。

对豆科作物进行根瘤菌拌种，是提高豆科作物产量的一项有效措施。播种前，将豆科作物的种子沾上与该种豆科作物相适应的根瘤菌，这显然有利于该种豆科作物结瘤固氮。特别是新开垦的农田和未种植过豆科作物的土壤中，根瘤菌很少，并且常常不能使豆科作物结瘤固氮，更需要进行根瘤菌拌种。对比实验表明，在其他条件相同的情况下，经过根瘤菌拌种的豆科作物，可以增产10％～20％(如图)。可以肯定，非豆科作物一旦能够自行固氮，不仅能够明显地提高粮食产量，而且有利于生态环境的保护。

一、填充题

1．生物固氮的实质是固氮微生物通过体内的______，将大气中的______还原成______。

2．一般地说，一年生豆科植物固氮能力最强的时期是______。

3．圆褐固氮菌菌剂能够促进农作物增产的原因是______。

二、选择题

根瘤菌新陈代谢的基本类型是：[ ]

A．异养、需氧型；B．自养、需氧型；C．异养、厌氧型；D．自养、厌氧型。

三、简答题

1．某地从国外引进了一种豆科作物。尽管环境条件适宜，但这种作物的根系上总不结根瘤，植株也矮小瘦弱。试分析出现这种现象的原因，并指出解决问题的办法。

2．我国古代的农民早就有“种豆肥田”的生产经验。试分析其中的科学道理。

生物固氮研究的前景

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。目前，科学家们正在为实现固氮基因工程这一令人向往的目标而不懈地努力着。

对豆科作物进行根瘤菌拌种，并且对比观察它们的生长发育状况

1．在上一年的夏天，选取根瘤生长旺盛的豆科作物根系，悬挂在阴凉、通风、避光的地方，以备第二年使用。

2．第二年春天，选取一块从未种植过该种豆科作物的贫瘠土地。

3．播种前，选取上述豆科作物的种子，将种子平分成甲乙两组。

4．将根瘤破碎开来，用清水搅拌成糊状，并对甲组种子进行拌种。由于光照不利于根瘤菌的生存，所以，拌种时应当避免阳光的照射。作为对照，乙组的种子不拌种。拌种后，两组种子要及时地播种。

5．出苗后，要对甲、乙两组豆科作物进行同样的管理。

6．开花之前，尽量完整地挖取两组有代表性的根系。对比观察两组植株以及根系上根瘤的生长发育状况，并且写出分析报告。