生物固氮菌综述

1、固氮菌的研究现状与展望摘要：固氮菌所进行的生物固氮作用是土壤中氮素的主要来源,也是固氮微生物参与自然界氮素循环的主要环节,固氮菌主要包括自生固氮菌、共生固氮菌和联合固氮菌,涵盖固氮细菌和固氮蓝细菌两者共59个属1。概述了固氮菌的种类，作用机理以及应用的一些知识。阐述了固氮菌的研究现状与进展，对以后固氮菌的发展方向做了一个展望。关键词：生物固氮；固氮菌；固氮菌肥料；研究进展 生物固氮是自然生态系统中氮的主要来源。全球生物固氮量是巨大的，海洋生态系统每年生物固氮量在4101321014 g，陆地生态系统生物固氮量在910131.31014 g，而工业固氮量在20 世纪90 年代中期每年约为1.41

2、014 g，可见，生物固氮在农、林业生态系统平衡中起着巨大的作用2。生物固氮在生产实际中发挥着重要作用, 为植物特别是粮食作物提供氮素、提高产量、降低化肥用量和生产成本、减少水土污染和疾病、防治土地荒漠化、建立生态平衡和促进农业可持续发展具有重要意义。而生物固氮离不开固氮菌，在自然界中具有固氮作用的微生物即是固氮菌3。1、 固氮菌的分类 根据固氮菌的生活习性，分为自生固氮菌，联合固氮菌和共生固氮菌三类。自生固氮菌是指在自由生活状态下能够固氮的细菌，其种类不多，分布很广，如圆褐固氮菌和拜叶林克氏菌。联合固氮菌是定植于植物根表和近根土壤中，有的能侵入表皮和外皮层的细胞间隙，靠根系分泌物生存、繁衍，

3、与植物根系有密切联系的固氮细菌，如雀稗固氮菌和产脂固氮螺菌。共生固氮菌只有根瘤菌一类，其广泛存在于土壤中，侵染豆科植物根部形成根瘤，能将对空气中的氮气转化为氨提供给植物。2、 固氮菌的固氮作用机理 俄罗斯莫斯科大学生化物理研究所的科研人员经过多年研究揭示了固氮菌生存与固氮的奥秘4。别尔佐娃发现，固氮菌内部酸的浓度低于外部，也就是说，固氮菌拥有自身保护办法，它的呼吸链中有一种能够处理酸的特殊酶。别尔佐娃推测，在固氮菌呼吸链中很活跃的、开始阶段起辅助作用的特殊酶在处理酸的过程中起了主要作用。别尔佐娃通过实验观察确认，正是这种很活跃的酶帮助固氮菌完成酸吸收与处理任务。在这种特殊酶的带动下，其余的酶才

4、开始工作、开始固氮。为了进一步验证实验结果，别尔佐娃将固氮菌中那个特殊的酶除掉，结果发现，固氮菌立即丧失了在酸环境中固定氮的能力。 1982 年，Postgate 以肺炎克氏菌（Klebsiellapneumo-nlae，简称Kp）为例提出一个固氮酶催化机理模式，至今仍被广泛采用。其总反应式为：N2+8 e-+8 H+16 MgATP+16 H2O2 NH3+H2+16MgADP + 16 Pi。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，其催化作用的情况基本相同。在固氮酶将N2还原成NH3 的过程中，需要e- 和H+，还需要ATP提供能量。生物固氮的过程十

5、分复杂，简单地说，即在ATP 提供能量的情况下，e- 和H+ 通过固氮酶传递给N2，使它们还原成NH3，而乙炔和N2 具有类似的接受e- 还原成乙烯的能力5。3、 固氮菌的应用1 固氮菌肥料种植业过分依赖和大量使用化肥，造成环境污染，生态失衡，能源浪费等一系列严重问题。充分发挥固氮细菌生物固氮作用，减少化肥源污染是保障农业环境持续发展的有效措施之一。国内外使用最多的固氮菌菌剂是固氮菌属和固氮螺菌属中的一些种6，据报道，这一类固氮菌对禾谷类作物籽粒及生物产量有明显的作用7。在三类固氮细菌中，自生固氮菌的固氮效率最低，且由于其固氮的特殊性，所以目前农业方面主要应用联合固氮菌和共生固氮菌。固氮菌肥料

6、的生产是最主要的固氮菌应用方式。固氮菌肥料是利用固氮微生物将大气中的分子态氮气转化为农作物能利用的氨，进而为其提供合成蛋白质所必需的氮素营养的肥料8。固氮菌肥料是最理想的、最有发展前途的肥料。目前固氮菌肥料的生产基本上采用液体发酵的方法。产品可分液体菌剂和固体菌剂。从发酵罐发酵结束后及时分装即成液体菌剂，发酵好的液体再用灭菌的草炭等载体吸附剂进行吸附即成固体菌剂9。自身固氮菌不与高等植物共生，没有寄主选择，而是独立生存于土壤中，利用土壤中的有机质或根系分泌的有机物作碳源来固定空气中的氮素，或直接利用土壤中的无机氮化合物。固氮菌在土壤中分布很广，其分布主要受土壤中有机质含量、酸碱度、土壤湿度、土

7、壤熟化程度及速效磷、钾、钙含量的影响10。 固氮菌肥对棉花、水稻、小麦、花生、油菜、玉米、高粱、马铃薯、烟草、甘蔗以及各固氮菌肥料是含有大量好气性自身固氮菌的微生物肥料，对各种作物及蔬菜都有一定增产作用。 另外，对豆科作物进行根瘤菌拌种，是我国目前农业生产中对生物固氮这项技术的最基本应用，同时也是提高豆科作物产量的一项非常有效措施。其主要方法是：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。此法针对根瘤菌偏少的新开垦农田和未种植过豆科作物的土壤，有特别明显的效果。在外界条件相同的情况下，经过根瘤菌拌种的豆科作物，可以增产10 20%。一个根瘤就是一

8、座“小氮肥厂”。衰老的根瘤菌破溃后，里面的根瘤菌以及一些含氮化合物则遗留在土壤中，被土壤中的微生物分解后形成氨。土壤中的氨，再经过硝化细菌的作用，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17。2 作为土壤重金属毒性的研究指标11 重金属对土壤微生物的危害，包括对土壤中氮循环、碳循环和磷循环的危害，进而影响了土壤肥力，对作物生长和人类健康也有不良影响。为了控制这种危害，必须深入研究土壤微生物效应，从中找到危害浓度极其对策。研究发现固氮菌在土壤中有代表性，且对重金属较为敏感。通过固氮酶活性的变

9、化规律，观察固氮菌对重金属的开始抗性浓度，作为毒性临界浓度的生理阈值和确定依据 ，为我国“土壤环境容量”的研究提供参数和客观依据。3 修复重金属污染 研究表明在重金属污染很严重的土壤中，有不少种类的根瘤菌可以生长，如长喙田菁一根瘤菌共生体系在重金属污染的环境中具有很强耐性和固氮能力。这方面的研究很多，但对根瘤菌抗重金属的研究不够成熟，有待选出一批抗重金属强的固氮菌及其共生体系，另外也可以利用分子生物学手段构建抗重金属的工程根瘤茵，从而为生物修复重金属污染提供更多的途径12。4 在动物方面的研究一些自生固氮细菌能在动物消化道中生活，其中部分与动物有一定的联生关系。如牛羊的瘤胃中有丁酸梭菌（clo

10、stridiumbutyricum），豚鼠、山羊、驯鹿等的消化道中有克氏杆菌（klebsiella）和柠檬酸菌（citrobacter）等，但由于动物消化道中存在氨，抑制了这些同氮细菌的固氮作用。也许可以通过基因改造这些细菌使之能在动物消化道内固氮，为动物提供氮素营养。四、 固氮菌的前景展望 当前，我国的生物固氮研究集中在根瘤菌13，生物固氮基础研究有待加强。国外生物固氮研究已进入一个新阶段，其特点是多学科交叉，基础研究和应用前景相结合，分别在分子、细胞、个体和生态等多层次水平上进行探索性研究，如：固氮基因表达的氨阻遏和氧敏感机制；共生结瘤同氮中植物与微生物相互关系的基因表达和调控；根瘤菌结瘤

11、因子的结构和人工合成；根瘤菌及其宿主植物的基因组学转录组学和蛋白质组学；固氮酶的结构和功能及其化学模拟；固氮效率的提高及其在农业和环境保护中的应用，最终把固氮基因直接导人到非豆科植物。这些研究要求生物学、农学、化学和物理学等学科的交叉结合，引入新概念和新技术，综合进行，这些任务的解决对人类社会带来巨大的益处不可估量，这也是我国生物同氮的研究方向。 目前，利用基因工程技术转移固氮基因从而使植物表达固氮作用已成为一项世界性的战略课题。许多国家的科学家都在运用现代生物技术从事固氮菌的固氮机理和转移微生物固氮能力等各方面的研究，展现固氮菌生物固氮的前景。针对目前固氮菌研究中存在的问题，目前关于固氮菌的

12、发展主要集中在以下几个方面：1) 改进现有的固氮微生物的固氮效率 改变固氮酶作用中的放氢耗能反应。由于固氮作用要消耗一定的能量即消耗了植物光合作用的产物。因此可以设想应用基因工程手段组建菌株使释放的能量再用于固氮酶的固氮作用14。培养菌株解除抑制固氮酶合成使固氮菌环境中能结瘤固氮2) 利用生物工程技术，构建新的固氮微生物 原核生物间的遗传性能转移时比较容易的。应用质粒转移培育高效固氮的根际细菌群，开辟根际细菌转人固氮质粒的研究3) 建立新的共生固氮体系 共生固氮体系是生物界中最有效的固氮组合。固氮作用所需要的能量来自宿主植物的光合作用。固氮产物直接为宿主的氮素营养共生的两方面相互有利相互支持。

13、但是对农、林和牧业生产有价值的共生固氮体系 在自然界中仅限于少数微生物与有限的豆科植物共生。研究扩大根瘤菌的共生范围 使能在其它植物上结瘤固氮。或将固氮基因导入高等植物细胞, 创建能固氮的高等植物自给氮素营养的植物类型是非常有意义的。4) 加强固氮菌遗传工程的研究 从目前的研究现状来看，试图通过基因工程将固氮基因(nif)从豆科植物转移到非豆科农作物中难度比较大，在短期内很难实现而采用细胞工程方法将根瘤菌导入非宿主农作物细胞内则切实可行。5) 建立新的共生固氮体系 由于Frankia菌具有对宿主的侵染范围宽、固氮活性比较强和对氨气不敏感等特性，在生物固氮研究中队Frankia菌的研究将更为重要

14、，有可能由此找到新的突破口。在弗兰克氏菌与农作物之间建立起新的共生固氮体系将具有更大的可能性15。 随着生物科学的快速发展和对环境保护日益重视，固氮菌必将引起更多的关注与研究，固氮微生物在农业发展、环境保护、工业产业等方面的应用将更加深入的展开，人类也将从中获益匪浅。五、 结语 生物固氮是生物学中的重大理论问题之一，固氮微生物在自然界的存在不仅与微生物之间, 而且与高等生物之间建立了密切的共生联系。固氮微生物在自然界分布的特性, 它们同无生命之间相互联系的本质及其规律性, 以及对它们的利用、改造和控制等等, 构成了固氮微生物学的基础。固氮微生物学的发展对农、林、牧、环境保护、能源以及遗传工程等

15、方面均有十分重大的理论和实际意义16。 加强固氮微生物的研究, 积极发展固氮微生物学这一新的分支学科是人类生产的迫切需要, 也是它发展的必然趋势。参考文献1樊庆生：固氮微生物学，北京农业出版社 2佚名：大豆根际固氮菌筛选与鉴定，齐齐哈尔大学3王亿平：高效固氮作用机理及其在农业中的应用或微生物学4中国信息科学技术，2003年第三期，5353页5 韩斌、孔继君、邹晓明等：生物固氮研究现状及展望， 山西农业科学，2009 年第10 期第37 卷6赵琳：生物固氮与生态农业J，江西农业学报，2006,18（5），P166-1687Banik S.and Dey,B K.Available PhosPha

16、te content of alluvial soil is influenced by inoeulation of some isolated PhosPhate-solubiling mieroorganismsJPlant soil 8慈恩、高明：生物固氮进展，北京农业信息网9沈世华 、荆玉祥：中国生物固氮研究现状和展望10Chalk PM.The eontribution of associative and symbiotienic nirogen fixation to the nitrogen nutrition of non-legumesJ.Plant soil 11廖瑞章 、金荔枝、 申淑玲：利用固氮菌为指标确定土壤重金属毒性研究，中国农业科学院土壤肥料研究所12张苏艳、刘圆圆等：生物固氮细菌的应用，畜牧兽医杂志，第29卷 ，第四期 ，201013黎林：生物固氮的研究现状初探J，韶关学院学报，2009.30（3）：88-9114李季伦：微生物学报15王树风、陈益泰：非豆科植物固氮菌Frank