固氮菌的生产 应用现状及研究方向.doc

固氮菌的生产 应用现状及研究方向前言：固氮菌可以增加作物的产量，在农业生产中具有重要的作用。 目前应用最多的主要是根瘤菌，生物固氮越来越受到重视，它将向更深更远的方向发展。population can increase the plants output in agriculture has an important role. at present, the most applied largely root nodule truffles, and biological nitrogen fixation more attention, it will more further developed.引言：固氮作用是将空气中的氮气固定成氨。人类与许多其它生物一样需要氮素作为合成蛋白质的原料，但不能自我合成有机氮。虽然空气中有78%是氮气，但是绝大多数生物不能直接利用空气中的氮气。关键词：固氮菌 生产 根瘤菌 应用 研究方向这里所说的固氮菌类肥料是指以自生固氮和联合固氮微生物 菌 生产出来的固氮菌类肥料 生产中以联合固氮菌肥为 。这是由于联合固氮体系存在广泛，特异性不强，应用的范围 ；它的不足之处是作物与微生物只是松散的联合，它们之间没有形成共生的组织结构，因此固氮的活动容易受许多条件的制约。例如，环境中速效氮含量高时，固氮活动受到抑制，有些芽胞细菌在有氧情况下常常停止1应用基础此类微生物肥料在生产实践中应用不少，其原因是除了它们能固定一定 量的氮以外，这些微生物当中的许多菌株在生长繁殖过程中，它们能够产生多种植物激素类物质，促进作物生长。2目前，用于生产此类微生物肥料的菌种主要有：园褐固氮菌或称为褐球固氮菌(Azotobacterchroococum)；棕色固氮菌亦称维涅兰德固氮菌(Azotobacterchroococum)；德氏拜叶林克氏固氮菌(Beijerinckiaderxii)和克氏杆菌属(Klebsiellaspp.)、肠道杆菌属(Enterobacterspp.)及产碱菌属(Alcaligenesspp.)中的某些菌种。 圆褐固氮菌是固氮菌属中的一 种，革兰氏阴性杆菌，细胞呈大卵圆形，大小2微米5微米，常成对，周生鞭毛运动，不形成芽胞，但能形成厚壁的胞囊和荚膜粘液。不产生水溶性的色素，但在琼脂培养基上的生长物具有特征性的非水溶性的褐色色素，有些菌株的这种色素时间长会变成黑色。细胞内含有许多颗粒体，菌体外面有荚膜。需要说明的是，园褐固氮菌的菌体形态多变，幼龄时菌体为杆状，细胞单独存在或两个联接呈”8”字形，老龄细胞缩短，呈椭圆形或圆形。不同的园褐固氮菌菌株固氮作用存在明显差异，低的菌株利用1克葡萄糖仅能固定氮素5毫克，最高的可达20毫克。 棕色固氮菌也是固氮菌属中的一个种，在形态和培养特征上都非常相似，但能产生在紫外光灯下呈绿色水溶性的荧光色素；在琼脂培养基上的生长物具有特征性的非水溶性的棕色色素；它可利用鼠李糖，这是棕色固氮菌与该属的其它种的区别。 肺炎克氏杆菌(Klebsiellapneumoniae)的某些菌株发现有一定的固氮作用和刺激作用，从分类的角度上看，该菌属于可能的条件致病菌，1997年山东潍坊医学院报导了9例新生儿脐带感染的9株病原菌中有4株是肺炎克氏杆菌。所以选用肺炎克氏杆菌作生产菌株必须进行有关毒性、病源等方面的鉴定，证明其无毒和非病源性后才能应用。 在应用中须注意的几个问题：A.适用作物：多为禾本科，也有用于蔬莱；有小麦、玉米和水稻专用；也有不强调作物种类的。B.使用剂量：符合国家标准的固体菌剂每亩地用量2501000克，液体菌剂每亩100200毫升。C.使用技术：多为拌种，水稻还可用于插秧时的蘸根，也可用于作物生长关键阶段的叶面喷施。使用时尽量避免与速效氮联合使用，不能与杀细菌药剂、草木灰等同时并用。使用时避免直射阳光，当天拌种，当天用完。D.菌剂保存：由于是活的生物制剂，需要一定的保存条件，尤以温度影响较大，高温是菌剂保存时间长短的重要制约因素。剂型种类也对有效菌的保存有较大影响。E.固氮菌肥与有机肥配合使用：有机肥对固氮菌的活动有良好的影响，在施用大量有机肥的同时使用固氮菌肥可获得 好的增产效果。 (二)共生固氮微生物肥料的农业应根瘤菌肥是这类肥料在农业生产中主要品种，它是微生物肥料中使用最早，应用的国家和地区最多，应用效果最稳定的微生物制剂。1根瘤菌肥的应用原理将科学家经过各种手段筛选出来的固氮能力、侵染结瘤和竞争能力强的根瘤菌株制成根瘤菌肥，在豆科作物种植之前拌在种子上或接种在土壤里，以形成二者的共生固氮，达到增产和提高品质的目的。这是一条农业上事半功倍的有效途径。根瘤菌肥在我国应用的经济效益十分良好，投入和产出之比在11020以上。2根瘤菌肥料的生产和应用根瘤菌肥料的生产过程与一般的微生物肥料的生产基本一致。但其对于无菌条件的要求更为严格，这是因为快生根瘤菌繁殖一代的时间34小时，慢生根瘤菌需810小时，这比各种杂菌来，显然要长得多。在生产中，稍有疏忽或设备上的小漏洞常常造成发酵失败。用于生产根瘤菌肥料的菌种较多，根据它们的生长繁殖速度可分为快生根瘤菌和慢生根瘤菌，它们的形态和鉴别特征简述如下。快生根瘤菌在培养条件下为杆状，大小是1.50.9微米1.23.0微米；在不利生长条件下或老龄时呈多形性；有26根周生鞭毛，或一根端生或侧生鞭毛，能运动；不形成芽胞；在相差显微镜下可见折光性的B-羟基丁酸盐颗粒，使细胞染色不均匀，有时呈环节状；革兰氏染色阴性；菌落为圆形，半透明，半粘稠；在通用根瘤菌培养基上28培养23天，形成25毫米直径大小的菌落；利用碳源较为广泛，但不利用纤维素和淀粉；在甘露醇或其它碳水化合物培养基上生长产酸，并产生大量胞外多糖粘液；最佳生长温度为2530，最佳生长pH值为67。慢生根瘤菌的形态和鉴别特征和上述快生根瘤菌大体相似，但菌落多为不透明，呈白色、凸起；生长速度慢，在酵母-甘露醇培养基上28培养57天，其菌落直径不超过1毫米；在甘露醇或其它碳源上生长产碱。生产的根瘤菌肥料种类较多，不仅有用于大豆、花生、菜豆、绿豆等粮食、油料和蔬菜豆科接种剂，也有三叶草、苜蓿、紫云英等豆科牧草或绿肥的接种剂。根瘤菌肥的剂型主要是液体和固体两类，固体剂型国内生产多为草炭粉剂，也有用肥土、稻壳、蛭石、褐煤、秸秆、堆肥、糖厂废料等作为吸附材料。用于吸附的载体细度须达到一定的要求，并需预先灭菌。载体灭菌的方法主要有射线灭菌、微波灭菌、湿热蒸气灭菌及瞬间干燥灭菌法等，载体的pH应在6.57.0左右。在实际生产中为了保证根瘤菌肥的功效，一些企业常采用种子球化(种子丸衣化)技术，即豆科作物的种子表面用粘着剂粘着根瘤菌剂，外面包上一些包衣材料如碳酸钙、保水剂、少量的化肥，然后播种。常用的粘着剂是羧甲基纤维素。根瘤菌肥料的应用中除了与其它微生物肥料的有效使用条件外，需强调的还有以下几点：A.所用的根瘤菌剂必须与播种的豆科作物相一致，如有品系要求的更须对应。大豆根瘤菌只能用于大豆，用于豌豆无效，反之亦同。B.根瘤菌剂的质量必须合格。C.选好适宜地区和增施磷、钾肥。D.根瘤菌剂与钼及其它微量元素肥料的配合使用。这些都将提高根瘤菌使用效果。4. 生物固氮的应用及发展前景4.1生物固氮在农业生产中的应用生物固氮在农业生产中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%。用豆科值物做绿肥，例如将田箐、苜蓿或紫云英等的新鲜植物直接耕埋或堆沤后施用到农田中，可以明显增加土壤中氮的含量。科学家统计过，一般地说，1hm2农田使用7500kg绿肥，可以增产粮食750kg。如果用新鲜的豆科植物饲养家畜，再将家畜的粪便还田，则既可以使土壤肥沃，又可以获得更多的粮食和畜产品。4.2 我国固氮研究历史的突出亮点我们这门科学是一个交叉学科，包括农学、化学、物理学和生物学，而生物学中又包括遗传学、分子生物学、生物化学、生物物理学等学科。我国最早开始这方面研究的老前辈是卢嘉锡、唐敖庆、蔡启瑞、沈善炯和陈华葵等，他们在国内带起了一支研究固氮的队伍。由于固氮酶催化固氮的活性中心实际上是金属原子簇，上世纪70年代，卢嘉锡等科学前辈用量子化学计算出这个金属原子簇是一个网兜模型，1992年，这个金属原子簇的空间结构被美国加州理工学院解析出来，证实了这种晶体结构与卢先生预测的几乎一模一样。这个成就在国际上是公认的。4.3 固氮研究的国际背景研究生物固氮的意义主要有以下两个方面。（1）能源问题。由于氮肥的制造是一个高耗能的过程，生物固氮研究的重要性一般都是在石油资源有危机的时候凸现出来。如上世纪70年代的石油危机，以及目前海湾地区的不稳定性和石油价格飞涨，都使生物固氮研究得到更加应有的重视。（2）环境压力。化肥施到土地里，只有30%被植物吸收，另外70%进入土壤水体，造成富营养化。有资料显示，我国农业对环境污染的“贡献率”达到20%以上，如滇池污染中，农业面源污染对于总氮、总磷含量的贡献率已分别高达43.3%和37.1%。因为我国是施用氮肥最多的国家之一，化肥作为一种农业生产资料得到国家的控制，相对比较便宜的同时，滥施现象也比较严重。而生物固氮就不会对环境造成破坏。如果主要农作物能够自主固氮，就可以摆脱对化肥的依赖性，既节省能源，又能对环境友好。这是继工业革命之后，人们期待的一次“绿色革命”。4.4 生物固氮的研究方向 随着分子生物学的进展，固氮的遗传工程受到了广泛重视，已成为目前最活跃的研究领域。遗传工程是用人工方法去改变生物体的遗传特性或者按照人们的意愿去创造新物种。对于固氮微生物来说，固氮基因操纵和调节固氮酶的合成，从而使固氮微生物具有固氮作用。如果将固氮基因进行人工转移，就可能获得具有固氮作用的新物种。有关这方面的研究目前主要在以下几方面进行探索：一是培育新的固氮微生物，以提高固氮效率或赋予非固氮微生物以固氮能力；二是改变结瘤的识别过程或将固氮基因转移到根瘤病杆菌中，以使非豆科植物结瘤固氮，扩大固氮作物的范围；三是应用遗传工程培育不依赖固氮微生物的自主固氮的植物。这些研究如能成功，将对农业生产产生深刻的影响。5. 总结自然界有两大生命现象，即光合作用和固氮作用。光合作用是将空气中的二氧化碳固定成碳水化合物，而固氮作用是将空气中的氮气固定成氨。人类与许多其它生物一样需要氮素作为合成蛋白质的原料，但不能自我合成有机氮。虽然空气中有78%是氮气，但是绝大多数生物不能直接利用空气中的氮气。在能源紧张和环境污染的双重压力下，传统的固氮方式已经难以适应各种需求，使生物固氮研究得到更加应有的重视。如果主要农作物能够自主固氮，就可以摆脱对化肥的依赖性，既节省能源，又能对环境友好。这是继工业革命之后，人们期待的一次“绿色革命”。如今，生物固氮已经越来越受到专家、学者和普通百姓的重视