1、 氮是組成生物細(xì)胞必不可少的重要元素之一。氮?dú)?N2)約占空氣總體積的78%，但由于N N三鍵非常穩(wěn)定，故N2不能被高等生物和大多數(shù)微生物利用，只有少數(shù)原核微生物能直接 利用N2作氮源，將其還原成氨，供植物和其他微生物利用。 固氮微生物利用固氮酶的催化 作用將分子態(tài)氮轉(zhuǎn)化為氨的過程稱為生物固氮。生物固氮是地球上僅次于光合作用的第二大生物化學(xué)反應(yīng)。生物每年在溫和條件下的固氮量約為高溫高壓(300300個(gè)大氣壓)條件下工業(yè)固氮量的2倍多，約為1億噸，故生物固氮對地球生態(tài)系統(tǒng)中的氮素循環(huán)和生物的生息繁衍具有十分重要的作用。 微生物的固氮作用 第1頁，共18頁。第2頁，共18頁。 自1886年M.W.

2、Beijerinck分離到能共生固氮的根瘤菌后，人們共發(fā)現(xiàn)了50多屬100多種生物有固氮能力，這些生物均為原核生物。 按其固氮方式可分為3種類型： 能獨(dú)立固氮的微生物稱為自生固氮菌； 必須與其他生物共生才能固氮的微生物稱為 共生固氮菌； 必須生活在植物根際、葉面或腸道等處才能固氮的微生物稱為聯(lián)合固氮菌。 1.固氮微生物的種類第3頁，共18頁。 化能異養(yǎng)型 好養(yǎng)型 化能自養(yǎng)型 光能自養(yǎng)型 微好養(yǎng)型 ：化能自養(yǎng)型 化能異養(yǎng)型自生固氮菌 兼性厭氧型 光能異養(yǎng)型 化能異養(yǎng)型 嚴(yán)格厭氧型： 光能異養(yǎng)型第4頁，共18頁。 化能異養(yǎng)： 固氮菌屬(Azotobacter) 拜葉林克氏菌屬(Beijerinck

3、ia) 固氮單胞菌屬(Azomonas) 固氮球菌屬(Azococcus) 德克斯氏菌屬(Derxia) 黃色分枝桿菌(Mycobacterium flavum) 產(chǎn)脂螺菌(Spirillum lipoferum) 甲烷氧化菌等 第5頁，共18頁。 化能自養(yǎng)： 氧化亞鐵硫桿菌(Thiobacillus ferroxidans 光能自養(yǎng)： 念珠藍(lán)菌屬(Nostoc) 魚腥藍(lán)菌屬(Anabaena) 著色菌屬(Chromatium) 綠假單胞菌屬(Ch loropseudomonas) 微好氧 (化能異養(yǎng))： 棒桿菌屬(Corymebact erium) 固氮螺菌屬(Azospirillum)第6

4、頁，共18頁。 兼性厭氧化能異養(yǎng)： 克雷伯氏菌屬(Klebsiella) 無色桿 菌屬(Achromobacter) 多粘芽孢桿菌(Bacillus polymyxa) 檸檬酸桿菌屬(Cit robacter) 歐文氏菌屬(Erwinia) 腸桿菌屬(Enterobacter) 光能異養(yǎng)： 紅螺 菌屬(Rhodospirillum) 紅假單胞菌屬(Rhodopseudomonas) 厭氧化能異養(yǎng)： 巴氏梭菌(Clostridium pasteurianum) 脫硫弧菌屬(Desulforibrio) 脫硫腸狀菌屬(Desulfotomaculum) 第7頁，共18頁。共生固氮菌根瘤豆科植物：

5、根瘤菌屬(Rhizobium)非豆科植物： 弗蘭克氏菌屬放線菌(Frankia)白蟻等動(dòng)物腸道： 腸桿菌屬(Enterobacter)植物地衣： 念珠藍(lán)菌屬(Nostoc) 魚腥藍(lán)菌屬(Anabaena) (單歧藍(lán)菌屬) 等(Tolypothrix)滿江紅： 滿江紅魚腥藍(lán)菌(Anabaena azollae)蘇鐵珊瑚根： Nostoc,A nabaena肯乃拉草： Nostoc第8頁，共18頁。根瘤菌第9頁，共18頁。聯(lián)合固氮菌 根際溫帶： Bacillus，Klebsiella 熱帶： 雀稗固氮菌(Azotobacter paspali)，Azospirillum,Beijerinckia

6、葉面： Beijerinckia, Azoto bacter第10頁，共18頁。 固氮酶：生物固氮反應(yīng)的核心。 1960年，J.E.Carnahan從巴氏梭菌(Clost ridium pasteurianum)中獲得了具有固氮活性的無細(xì)胞抽提液，實(shí)現(xiàn)了分子氮還原為NH3 的實(shí)驗(yàn)。 1966年，L.Mortenson從巴氏梭菌(C.Pasteurianum)和維涅蘭德固氮菌(Azotobacte r vinelandii)的無細(xì)胞抽提液中，分離出兩種固氮蛋白鉬鐵蛋白和鐵蛋白，使固氮研究進(jìn)入分子水平。 2.固氮的生化機(jī)制第11頁，共18頁。 固氮酶的、兩種組分 項(xiàng)目 組分 鉬鐵蛋白 組分 鐵蛋白

7、 蛋白質(zhì)亞基數(shù) 4(2大2小) 2(相同) 分子量 22萬左右 六萬左右 Fe原子數(shù) 30(2432) 4 不穩(wěn)態(tài)S原子數(shù) 28(2032) 4 Mo原子數(shù) 2 0 Cys的SH基數(shù) 3234 12 活性中心 鐵鉬輔因子(FeMoCo) 電子活化中心(Fe4S4) 功能 絡(luò)合、活化和還原N2 傳遞電子到組分上第12頁，共18頁。固氮反應(yīng)的必要條件： 大量ATP 還原力NAD(P)H2 固氮酶 N2 Mg2+ 嚴(yán)格的厭氧微環(huán)境 固定1mol N2需要消耗1015molATP 。這些ATP由呼吸、發(fā)酵或光合磷酸化過程提供。從不同生理類型的固氮微生物細(xì)胞中抽提到的固氮酶具有相同結(jié)構(gòu)，它們均含、兩種組分。組分為鉬鐵蛋白(MF)或鉬鐵氧還蛋白(MoFd)，是真正的“固氮酶”；組分為鐵蛋白(F)，是固氮酶還原酶。 第13頁，共18頁。 固氮的生化途徑 固氮總反應(yīng)式為： N2 + 6e + 6H+ + 12ATP 2NH3 + 12ADP + 12Pi N2分子經(jīng)固氮酶催化還原為NH3，再通過轉(zhuǎn)氨途徑形成各種氨基酸。固氮酶除具有固氮功能外，還能催化2H+ H2。在缺N2條件下，固氮酶可將H+全部還原為H2；在有N2條件下，固氮酶將75%的NAD(P)H2用于N2的還原，另外25%的NAD(P)H2形成H2浪費(fèi)掉。但在大多數(shù)固氮菌中，含有氫酶，可將固氮催化形成的無效H2重新轉(zhuǎn)化