固氮菌

在與植物共生的情況下才能固氮或才能有效地固氮，固氮產物氨可直接為共生體提供氮源。主要有根瘤菌屬（Rhizobium）的細菌與豆科植物共生形成的根瘤共生體，弗氏菌屬（Frankia,一種放線菌）與非豆科植物共生形成的根瘤共生體；某些藍細菌與植物共生形成的共生體，如念珠藻或魚腥藻與裸子植物蘇鐵共生形成蘇鐵共生體，紅萍與魚腥藻形成的紅萍共生體等。根瘤菌生活在土壤中，以動植物殘體為養料，過着“腐生生活”。當土壤中有相應的豆科植物生長時，根瘤菌迅速向它根部靠攏，從根毛彎曲處進入根部。豆科植物根部在根瘤菌的刺激下迅速分裂膨大，形成“瘤子”，為根瘤菌提供了理想的活動場所，還供應了豐富的養料，讓根瘤菌生長繁殖。根瘤菌又會賣力的從空氣中吸收氮氣，為豆科植物製作“氮餐”，使其枝繁葉茂。這樣，根瘤菌與豆科植物形成共生關係，因此根瘤菌也被稱為共生固氮菌。根瘤菌生產出來的氮肥不僅滿足豆科植物的需要，還可以分出一些幫助“遠親近鄰”，儲存一部分給“晚輩”，所以我國曆來有種豆肥田的習慣。

還有一些固氮菌，如圓褐固氮菌，它們不住在植物體內，能自己從空氣中吸收氮氣，繁殖後代，死後將遺體“捐贈”給植物，讓植物得到大量氮肥。這類固氮菌叫自生固氮菌。

在實驗條件下培養自生固氮菌，培養基中只需加入碳源（如蔗糖、葡萄糖）和少量無機鹽，不需加入氮源，固氮菌可直接利用空氣中的氮（N₂）作為氮素營養；如培養根瘤菌，則需加入氮素營養，因為根瘤菌等共生固氮菌，只有與相應的植物共生時，才能利用分子態氮（N₂）進行固氮作用。

1.固氮菌對土壤酸鹼度反應敏感，其最適宜pH為7.4～7.6，酸性土壤上施用固氮菌肥時，應配合施用石灰以提高固氮效率。過酸、過鹼的肥料或有殺菌作用的農藥，都不宜與固氮菌肥混施，以免發生強烈的抑制。

2.固氮菌對提高土壤濕度要求較高，當土壤濕度為田間最大持水量的25%～40%時才開始生長，60%～70%時生長最好。因此，施用固氮菌肥時要注意土壤水分條件。

3.固氮菌是中温性細菌，最適宜的生長温度為25～30℃，低於10℃或高於40℃時，生長就會受到抑制。因此，固氮菌肥要保存於陰涼處，並要保持一定的濕度，嚴防暴曬。

4.固氮菌只有在碳水化合物豐富而又缺少化合態氮的環境中，才能充分發揮固氮作用。土壤中碳氮比低於40～70:1時，固氮作用迅速停止。土壤中適宜的碳氮比是固氮菌發展成優勢菌種、固定氮素最重要的條件。因此，固氮菌最好施在富含有機質的土壤上，或與有機肥料配合施用。

5.土壤中施用大量氮肥後，應隔10d左右再施固氮菌肥，否則會降低固氮菌的固氮能力。但固氮菌劑與磷、鉀及微量元素肥料配合施用，則能促進固氮菌的活性，特別是在貧瘠的土壤上。

6.固氮菌肥適用於各種作物，特別是對禾本科作物和蔬菜中的葉菜類效果明顯。固氮菌肥一般用作拌種，隨拌隨播，隨即覆土，以避免陽光直射。也可蘸秧根或作基肥施在蔬菜苗牀上，或與棉花蓋種肥混施。也可追施於作物根部，或結合灌溉追施。

在無氮培養、温度18~40℃時，菌株均能生長且有固氮酶活性，其最適生長及固氮的温度為26~37℃；在偏酸（pH值5.0）和偏鹼（pH值8.0）的條件下，菌株均能保持較強的生長勢和較高的固氮酶活性，並能通過調節自身代謝適應環境的酸、鹼變化，使培養液趨近中性；培養液中NaCl濃度在0.5~2.5g/L、(NH₄)₂SO₄濃度在0.05~0.50g/L時，菌株均能保持旺盛生長且有較高的固氮酶活性。

1901年，M.W.拜耶林克首先發現並描述了這類細菌，他定名的有2個種：一是褐色固氮菌,常生存於中性或鹼性土壤中；一是活潑固氮菌，常生存於水中。後來，各國學者相繼分離出許多不同的菌株。1938年，C.H.維諾格拉茨基將生產孢囊的菌株（以褐色固氮菌為代表）歸屬於固氮菌屬，將不產生孢囊的菌株（以活潑固氮菌為代表）歸屬於氮單孢菌屬。1950年，H.G.德克斯提出建立拜耶林克氏菌屬，其主要特徵是細胞兩端有折光性顆粒（類脂質）。1960年，H.L.延森等提出建立德克斯氏菌屬，包括生長在熱帶酸性土壤中的種類。

在形形色色的固氮菌中，名聲最大的要數根瘤菌了。根瘤菌平常生活在土壤中，以動植物殘體為養料，自由自在地過着“腐生生活”。當土壤中有相應的豆科植物生長時，根瘤菌便迅速向它的根部靠攏，並從根毛彎曲處進入根部。豆科植物的根部細胞在根瘤菌的刺激下加速分裂、膨大，形成了大大小小的“瘤子”，為根瘤菌提供了理想的活動場所，同時還供應豐富的養料，讓根瘤菌生長繁殖。根瘤菌又會賣力地從空氣中吸收氮氣，為豆科植物製作“氮餐”，使它們枝繁葉茂，欣欣向榮。這樣，根瘤菌與豆科植物結成了共生關係，因此人們也把根瘤叫共生固氮菌。根瘤菌生產的氮肥不僅可以滿足豆科植物的需要，而且還能分出一些來幫助“遠親近鄰”，儲存一部分留給“晚輩”，所以中國曆來有種豆肥田的習慣。 還有一些固氮菌，比如圓褐固氮菌，它們不住在植物體內，能自己從空氣中吸收氮氣，繁殖後代，死後將遺體“捐贈”給植物，使植物得到大量氮肥。這類固氮菌叫自生固氮菌。 ^[3] 

固氮菌肥料是利用固氮微生物將大氣中的分子態氮氣轉化為農作物能利用的氨，進而為其提供合成蛋白質所必需的氮素營養的肥料。微生物自生或與植物共生，將大氣中的分子態氮氣轉化為農作物可吸收的氨的過程，稱為生物固氮。生物固氮是在極其温和的常温常壓條件下進行的生物化學反應，不需要化肥生產中的高温、高壓和催化劑，因此，生物固氮是最便宜、最乾淨、效率最高的施肥過程。固氮菌肥料是最理想的、最有發展前途的肥料。

目前固氮菌肥料的生產基本上採用液體發酵的方法。產品可分液體菌劑和固體菌劑。從發酵罐發酵結束後及時分裝即成液體菌劑，發酵好的液體再用滅菌的草炭等載體吸附劑進行吸附即成固體菌劑。固氮菌肥料是含有大量好氣性自身固氮菌的微生物肥料。自身固氮菌不與高等植物共生，沒有寄主選擇，而是獨立生存於土壤中，利用土壤中的有機質或根系分泌的有機物作碳源來固定空氣中的氮素，或直接利用土壤中的無機氮化合物。固氮菌在土壤中分佈很廣，其分佈主要受土壤中有機質含量、酸鹼度、土壤濕度、土壤熟化程度及速效磷、鉀、鈣含量的影響。固氮菌肥料是含有大量好氣性自身固氮菌的微生物肥料。自身固氮菌不與高等植物共生，沒有寄主選擇，而是獨立生存於土壤中，利用土壤中的有機質或根系分泌的有機物作碳源來固定空氣中的氮素，或直接利用土壤中的無機氮化合物。固氮菌在土壤中分佈很廣，其分佈主要受土壤中有機質含量、酸鹼度、土壤濕度、土壤熟化程度及速效磷、鉀、鈣含量的影響。固氮菌肥對棉花、水稻、小麥、花生、油菜、玉米、高粱、馬鈴薯、煙草、甘蔗以及各種蔬菜都有一定增產作用。

氮氣是空氣中的主要成分，佔空氣總量的五分之四。然而由於氮氣分子被三條“繩索”--化學鍵所束縛，因此大部分植物只能“望氮興嘆”。固氮菌的本領在於它有一把“神刀”--固氮酶（含有Fe Co Mo即鐵鈷鉬），可以輕易地切斷束縛氮分子的化學鍵，把氮分子變為能被植物消化、吸收的氮原子。 俄羅斯莫斯科大學生化物理研究所的科研人員別爾佐娃經過多年探索研究，成功地解釋了固氮菌在空氣中生存固氮的機理。別爾佐娃由此獲得了2002年的歐洲科學院青年科學家獎。

在幾十億年前的太古時代，大氣層中沒有氧，地球上生存着大量的厭氧性生物。在地球上第一次大災難發生後，地球表面出現了很多氧。大量厭氧性生物由於氧的出現而消失了，但有少量厭氧性生物由於躲藏在無氧、不透氣的淤泥、沼澤地和深層土壤中而存活至今。但也有一部分厭氧性生物如固氮菌，它適應了環境，能夠在含氧21%的大氣層中存活，並從空氣中吸收氮氣。

固氮菌緣何沒有滅亡，而在氧性環境中生存了下來。別爾佐娃經過多年研究揭示了它生存與固氮的奧秘。別爾佐娃發現，固氮菌內部氧的濃度低於外部，也就是説，固氮菌擁有自身保護辦法，它的呼吸鏈中有一種能夠處理氧的特殊酶。別爾佐娃推測，在固氮菌呼吸鏈中很活躍的、開始階段起輔助作用的特殊酶在處理氧的過程中起了主要作用。別爾佐娃通過實驗觀察確認，正是這種很活躍的酶幫助固氮菌完成氧吸收與處理任務。在這種特殊酶的帶動下，其餘的酶才開始工作、開始固氮。為了進一步驗證實驗結果，別爾佐娃將固氮菌中那個特殊的酶除掉，結果發現，固氮菌立即喪失了在氧環境中固定氮的能力。

有關專家指出，別爾佐娃的研究成果促進了生物學的發展，對目前正在開展的人工活器官研究工作有重要意義。

現在人類生產氮肥使用的化學方法。不僅需要高温、高壓等非常苛刻的條件，而且還浪費大量原料，氮分子的有效利用率很低。固氮菌每年從空氣中約固定1.5億噸氮肥，是全世界生產氮肥總量的幾倍。所以，科學家正在認真研究固氮酶的構成。中國科學家在本世紀70年代仿製出與固氮酶功能相似、能夠固氮的分子。相信在不遠的將來，人類一定能學會並利用固氮菌“巧施氮肥”的本領。