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生物固氮作用

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生物固氮作用，是指大氣中的分子態氮在微生物（固氮生物）體內由固氮酶催化還原為氨的過程。是土壤氮素的重要來源之一。按固氮微生物的特性和它們與其他生物的關係，一般分為共生固氮、自生固氮和聯合固氮三種類型。共生固氮主要指豆科植物-根瘤菌體系，其他還有非豆科植物-放線菌固氮體系以及萍-藍固氮體系。自生固氮指不需要同其他生物共生就能獨立進行固氮的一類微生物，如固氮細菌和固氮藍藻，包括自生自養固氮作用和自生異養固氮作用。聯合固氮體系是由有固氮能力的細菌集聚於植物的根系周圍甚至部分進入根細胞，細菌利用根系分泌物，植物利用細菌固定氮素，形成一個比共生固氮鬆散的聯合體，在玉米、甘蔗、小麥、水稻、高粱上都已確認聯合固氮體系的存在。生物固氮作用在中性或微鹼性環境中能順利進行，磷肥對共生固氮有促進作用。共生固氮作用最為重要，自生固氮作用一般不強。 [1] 
中文名
生物固氮作用
外文名
biological nitrogen fixation
定    義
分子態氮的生物還原作用
固氮酶組成
由兩個亞單位和一個輔因子組成
影響因素
氧氣、氨等
固氮酶作用
催化氮氣還原為氨氣等

目錄

  1. 1 固氮反應條件
  2. 2 固氮酶
  3. ▪ 結構組成
  4. ▪ 催化特徵
  5. 3 催化機理
  6. 4 影響效率因素

生物固氮作用固氮反應條件

儘管能固氮的微生物多種多樣，但各類固氮微生物進行固氮的基本反應式相同，即
N2+6e-+6H++nATP→2NH3+nADP+nPi
此反應很清楚地表明要進行固氮，必須滿足以下基本條件 [2]  ：
（1）必須有具固氮活性的固氮酶。
（2）必須有電子和質子供體，每還原1分子N2需要6個電子和6個質子，另有2個質子和電子用於生成H2。還需有相應的電子傳遞鏈傳遞電子和質子。
（3）必須有能量供給，由於N2分子具有鍵能很高的三價鍵，因此需要很大的能量才能打開。
（4）有嚴格的無氧環境或保護固氮酶的免氧失活機制，因為固氮酶對氧具有高度敏感性，遇氧即失活。
（5）形成的氨必須及時轉運或轉化排除，否則會產生氨的反饋阻抑效應。 [2] 

生物固氮作用固氮酶

生物固氮作用結構組成

儘管自然界中固氮微生物多種多樣，但固氮微生物所含固氮酶組成大致相似，都是由兩個亞單位（即組分IMoFe蛋白、組分IIFe蛋白）和一個輔因子（FeMoco）組成。已知自然界中存在三套含有不同金屬的固氮酶，即在環境中無Mo時可被V代替，但多數固氮微生物所含的是鉬鐵蛋白固氮酶，而且以鉬鐵蛋白固氮酶的固氮效率為最高。來自不同固氮微生物固氮酶的兩個亞基之間可以進行互補，組成的固氮酶仍然具有固氮活性，但這種活性比各自原始的固氮酶活性要低。 [2] 

生物固氮作用催化特徵

固氮酶除了能催化N2還原為NH3外，還可催化還原下列物質：催化C2H2為C2H4，H+為H2，N3-為NH3和N2，催化N2O為N2和H2O，等等。可見，固氮酶是一個十分活躍、基質譜相當廣的酶。但在所有能催化的基質中，以催化N2為NH3的反應效率最高。 [2]  [3] 
固氮酶還原乙炔成為乙烯的作用被用來間接測量固氮酶的活性。 [3] 

生物固氮作用催化機理

在固氮過程中，由呼吸作用、發酵光合作用過程中產生的電子和質子首先還原NAD或NADP成為NADH或NADpH，由還原態的NADH或NADpH還原Fd或Fld，再還原固氮酶組分Ⅱ即鐵蛋白，由還原態的鐵蛋白還原固氮酶組分Ⅰ即MoFe蛋白，還原態的MoFe蛋白還原N2和其他各種底物。固氮酶合成、催化和酶活性調控的分子生物學研究已經相當深入，固氮酶合成的各個基因結構及其功能已大多清楚。固氮酶nif基因簇表達在有氧和高濃度有效氮素因素下的調控機理也已闡明。 [2] 

生物固氮作用影響效率因素

（1）氧對固氮酶的影響
固氮酶對氧氣敏感，從好氧固氮菌體內分離的固氮酶，一遇氧就發生不可逆性失活。固氮酶對氧氣敏感，從好氧固氮菌體內分離的固氮酶，一遇氧就發生了不可逆失活。好氧固氮菌生長需要氧，固氮卻不需要氧。好氧固氮菌為了生長過程中同時固氮，它們在長期的進化中形成了保護固氮酶的防氧機制，使固氮作用正常進行。
（2）固氮作用中的氨效應
氨是固氮作用的產物，但氨的數量超過了固氮微生物機體本身的需要並迅速轉換為氨基酸的能力較低時，積累的氨既抑制固氮酶活性，也阻遏體內固氮酶的生物合成。在缺乏NH4+的環境裏，谷氨醯胺合成酶能與固氮啓動基因組合，推動RNA聚合酶催化轉錄mRNA，合成固氮酶。但在有豐富NH4+的環境中，谷氨醯胺合成酶被腺苷化，構象發生變化，失去與固氮酶啓動基因區結合的能力，導致固氮酶不能合成。因此在培養固氮菌時如加入銨鹽，則固氮菌不進行固氮而依賴銨鹽生長。 [3] 
（3）ADP/ATP比率對固氮酶活性的調節
在Mg2+和ATP參與的情況下，固氮酶能催化N2為NH3，這是固氮酶活性不可缺少的成分和正效應劑。Mg·ATP的水解產物是Mg·ADP，但兩者的作用完全相反，Mg·ADP是固氮酶的負效應劑，對固氮酶的產物還原活性部位起負的別構調節作用。它可以抑制從鐵蛋白到鉬鐵蛋白的電子轉移，並控制進入鐵蛋白的電子總量，因而能有效地抑制固氮酶活性。因此細胞內ADP/ATP的比率可以調節固氮酶活性。 [2] 
（4）環境中的C/N的影響
土壤中C/N是影響固氮作用的最重要的因素之一。化能異養型固氮微生物只有在環境中有豐富的有機碳化合物而同時又缺少化合態時才能進行有效固氮。如果環境中化合態氮十分豐富，固氮微生物利用現成的氮化物作氮源，而固氮酶被化合態氮抑制，不顯示固氮活性。另外，非固微生物由於氮源豐富而易於發展，因此與固氮微生物競爭碳源。因此只有在C/N比很高的環境中，這類化能異養型固氮微生物才會發揮固氮作用。 [2] 
參考資料
  • 1.    周健民．土壤學大辭典：科學出版社，2013.10
  • 2.    鄭國香，劉瑞娜，李永峯.《能源微生物學》.哈爾濱：哈爾濱工業大學出版社，2013.
  • 3.    生物固氮-農業百科  ．農業專業知識服務系統[引用日期2022-12-10]