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生物固氮,胡吉利 齐永峰 吕胜满 董申申,自然界中的N循环,固氮,工厂,工业固氮:,高能固氮:,生物固氮:,固氮菌的发现,1901年，M.W.拜耶林克首先发现并描述了这类细菌，他定名的有2个种：一是褐色固氮菌,常生存于中性或碱性土壤中；一是活泼固氮菌，常生存于水中。 1938年，C.H.维诺格拉茨基将生产孢囊的菌株（以褐色固氮菌为代表）归属于固氮菌属，将不产生孢囊的菌株（以活泼固氮菌为代表）归属于氮单孢菌属。 1950年，H.G.德克斯先后提出建立拜耶林克氏菌属和德克斯氏菌属。,什么是固氮菌,细菌的一科。菌体杆状、卵圆形或球形，无内生芽孢，革兰氏染色阴性。严格好氧性，有机营养型，能固定空气中的氮素。,生物固氮(nitrogen fixation ),定义： 分子态氮在生物体内还原为氨的过程 特点： 1、生物固氮是固氮微生物的一种特殊的生 理功能，具固氮作用的微生物约近50个属，它们的生活方式、固氮作用类型有较大区别，但细胞内都具有固氮酶,2、不同固氮微生物的固氮酶均由钼铁蛋白和铁蛋白组成。固氮酶必须在厌氧条件下，即在低的氧化还原条件下才能催化反应 3、固氮作用过程十分复杂，目前还不完全清楚。,固氮作用的总反应可用简式表示：,固氮酶！,固氮酶由2种蛋白质组成：一种为含有钼和铁的钼铁蛋白，分子量为200000；另一种为含铁的铁蛋白,分子量为65000。铁蛋白具有很强的还原力，它提供电子给钼铁蛋白。钼铁蛋白能与氮气分子络合，然后使之还原为氨。在这个过程中，需要腺苷三磷酸 (ATP)提供能量和铁氧还蛋白充当强还原剂。,一、固氮酶的催化反应,固氮酶来源于多种固氮微生物,能催化大气中的N2还原为NH3, N2+8H+ + 8e- + 16MgATP 2NH3 + H2 + 16MgADP + 16Pi (无机磷酸盐),除催化N2还原为NH3外,固氮酶还能和许多小分子底物作用,没有严格的专一性。 如：氮酶催化反应 HCN + 6H+ + 6e CH4 + NH3 N2O + 3H+ + 2e N2 + NH3 C2H2 + 2H+ + 2e C2H4,二、固氮酶的组成和结构,固氮酶由各种固氮微生物分离出来,均为由钼铁蛋白和铁蛋白组成。 1993年才基本确定 功能: 铁蛋白是依赖于ATP供给能量的电子传递体,把电子传递给钼铁蛋白,钼铁蛋白结合底物（N2）分子并催化其还原。,三、固氮酶作用机理研究,固氮酶中铁蛋白的作用是传递电子, 钼铁蛋白与底物结合并还原N2的催化部位,即N2只有与钼铁蛋白结合、方可被催化还原为NH3。 固氮酶的作用机理包括: 电子的传递、N2分子的键合、催化和还原等。,1.电子的传递 研究表明，在固氮酶催化N2和其他底物的还原反应中，电子传递顺序为：,（活体内）铁氧还蛋白或黄素蛋白 （活体外）Na2S2O4,铁蛋白,钼铁蛋白底物,MgATP,2.底物的结合和还原 MoFeP辅基是底物结合的部位，从铁钼辅基中铁配位不饱和的事实出发，一般认为，底物是通过与三角形配位的铁配位而结合的。但也有其他观点：一种认为N2分子通过铁钼辅基中存在的FeFe键形成FeN键而与铁钼蛋白结合；也有人认为以另一种方式结合。 N2与铁钼辅基结合方式目前仍是一个未解决的问题。,FeN,N-Fe,Fe,Fe,N,N,固氮酶的作用机理小结: 电子的传递、N2分子的键合、催化和还原等。,意义与前景,意义： 1、弥补土壤中氮素损失 2、进行根瘤菌拌种，提高豆科 作物产量,3、固氮微生物的固氮过程完全是生物和微生物自发进行的，无须提供任何能源和设备，因而它减少了能源的消耗。由于全部固氮过程都是生物活动，无污染物排放，有利于保护生态环境。同时，由于减少和免除了化学氮素的投入，使农产品中硝酸和亚硝酸物质大幅度降低，提高了农产品的品质，减少致癌物质对人类的危害。,前景 设想：将固氮基因转移到非豆科作物细胞内，使其自行固氮,谢 谢！,
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