微信客服
微信公众号
各类固氮微生物进行固氮的基本反应式相同，即
N2+6e-+6H++nATP→2NH3+nADP+nPi
此反应很清楚地表明要进行固氮，必须满足以下基本条件 ：
（1）必须有具固氮活性的固氮酶。
（2）必须有电子和质子供体，每还原1分子N2需要6个电子和6个质子，另有2个质子和电子用于生成H2。还需有相应的电子传递链传递电子和质子。
（3）必须有能量供给，由于N2分子具有键能很高的三价键，因此需要很大的能量才能打开。
（4）有严格的无氧环境或保护固氮酶的免氧失活机制，因为固氮酶对氧具有高度敏感性，遇氧即失活。
（5）形成的氨必须及时转运或转化排除，否则会产生氨的反馈阻抑效应。
氮是植物生长的必需元素，固氮是科学家致力研究的重要课题，围绕固氮人们进行了一系列的研究．（1）自然
生物固氮作用
生物固氮作用（biological nitrogen fixatio）：大气中的氮被原还为氨的过程。生物固氮只发生在少数的细菌和藻类中。
估计全球每年生物固氮作用所固定的氮（N2）约达17500万吨，其中耕地土壤约有4400万吨，超过了每年施入土壤4000万吨肥料氮素（工业固氮）的量（Burris，1977）。因此，生物固氮作用有很大潜力。
固氮微生物种类：到1982年固氮微生物达70多个属，大多数是原核微生物（细、放、蓝细菌），也有真菌。根据固氮微生物与高等植物以及其他生物关系，分为二个类型。
1．自生固氮微生物——在土壤中或培养基中，独自生活时能固定了氨态氮。在进行固氮作用时对植物或其它生物没有明显的依存关系。
有好气性、厌气性、兼厌气性有化能自养异养，光能自养、异养型生固氮微生物。
2．共生固氮微生物――二种微生物紧密地生长在一起时，由固氮的共生菌进行分子态氮的还原作用。
自生固氮微生物生物固氮作用的条件：
1、防氧保护系统（好气性固定微生物需具备之）；
2、能量和电子供体，以及传递电子的电子载体系统；
3、固氮酶催化系统；
4、氨、氨基酸同化成蛋白质系统；
共生固氮微生物生物固氮作用的条件则更复杂。
---------------------------------
生物固氮系统
具有生物固氮能力的仅限于原核生物，即细菌和蓝绿藻。有些固氮微生物，如蓝绿藻自生于陆地或水域生态系统中，其他则群生于寄生植物的根际，其中对高等植物最为重要的有与豆科植物或结瘤的非豆科植物共生的固氮微生物。在陆地生态系统中主要有三种固氮体系，即共生固氮、联合固氮和自生固氮体系。三种固氮体系中，能源和固氮能力都存在明显差异。共生体系由于固氮微生物直接从寄主植物获得碳水化合物作为固氮能源，其固氮能力最强。豆科(Leguminosae)植物近2000个种中约有15%具有共生固氮系统，其中近300种豆科植物中有90%与根瘤菌共生形成根瘤。如大豆、蚕豆、三叶草、苜蓿与根瘤菌的共生，是农业中最重要的共生体系。在森林和林地中有8个科23个属的植物与固氮微生物形成共生体系。如赤杨属(Alnus)和蓟木属(Ceanothus)与放线菌之间形成结瘤共生体系。这些非豆科植物是缺氮土壤的先锋植物。
豆科植物根上的根瘤是由于根瘤菌侵入根部后形成的，根瘤是固氮的场所。根瘤菌侵入寄主的过程很复杂。在根瘤菌入侵寄主根毛或表皮细胞之前，土壤中的根瘤菌是一种不能运动的小球菌(图5-19)。由于植物根分泌物(氨基酸、维生素)的影响，这些小球菌产生鞭毛，具有移动侵入寄主的能力。根瘤菌在根表面分泌某种未知物质(分子)使根毛弯曲。这种物质的分泌受到根释放成分(如类黄酮)的促进。此后，根瘤菌分泌酶溶解根毛细胞壁，根瘤菌随即由此处侵入根毛，根毛形成侵染丝(infectionthread)。根瘤菌在侵染丝中大量繁殖随侵染丝进入皮层。根瘤菌被释放到皮层细胞质中，刺激细胞的分裂和生长形成根瘤(root nodule)(图5-19)。根瘤中大部分为含有根瘤菌的四倍体细胞，只有少部分为未被侵染的二倍体细胞。成熟根瘤中的根瘤菌失去鞭毛而成为不能移动的类菌体(bacteriod)，一个典型的根瘤细胞中通常含有数千个类菌体，这些类菌体在细胞内聚成一个个小群体，每个小群体有数个类菌体组成(大豆根瘤中为4～6个)。每群体外面有一层膜包着，此膜称为类菌体外周膜(peribacteroid membrane)，在此膜与类菌体之间的空间称为类菌体外周空间(peribacteriodspace)。在类菌体外周膜以外的细胞质中存在着豆血红蛋白(leghemoglobin)。此蛋白含有红色的血红素基团(hemegroup)。据认为豆血红蛋白的作用是为类菌体在严格控制的条件下供应氧。因为类菌体的呼吸作用需要氧，但过多的氧则会抑制催化氮素固定的固氮酶的活性。
根瘤中的固氮作用只在类菌体内进行。寄主植物向类菌体供给碳水化合物，主要形式是蔗糖。类菌体利用这些糖进行呼吸作用，产生电子和ATP，将N2还原成NH4+。
2.固氮的生物化学与生理学
生物固氮的总反应式如下：
N2+8e+16MgATP+16H2O→2NH3+H2+16MgADP+16Pi+8H+
催化此反应的酶是固氮酶。固氮酶是多功能的氧化还原酶，除了还原N2以外，还能还原多种类型的底物，如乙炔、氰化物、氧化亚氮、联氨、叠氮化物和H+等。用气相色谱仪能很容易测定乙炔还原成乙烯的产生量，这为研究固氮酶活性提供了极为简单的方法。该法对生物固氮研究取得重大进展发挥了作用。
固氮酶由铁钼蛋白(Fe-Moprotein)和铁蛋白(Fe-protein)组成。这两个蛋白单独存在时都不呈现固氮酶活性，只有两者聚合构成复合体时才有催化氮还原的功能。铁钼蛋白由分子量分别为51kD和60kD的2个α亚基和2个β亚基组成的四聚体(α2β2)，分子量约为220～245kD。每分子铁钼蛋白含有两个钼原子，28个铁原子。铁蛋白的分子量在59～73kD之间，由两个分子量同为30kD的亚基组成(γ2)。铁蛋白含有4个铁原子。在氮还原为NH4+的过程中，固氮酶中的Fe和Mo都发生氧化还原反应，如图5-20所示。类菌体利用碳水化合物进行呼吸作用产生NADH或NADPH和ATP。已经查明，固氮的天然电子传递体(供体)有铁氧还蛋白、黄素氧还蛋白等。固氮生物体内存在着ATP和二价的金属离子(如Mg2+)是固氮不可缺少的条件。只有在Mg2+的作用下，ATP才可以与Fe蛋白结合，而且必需有Fe-Mo蛋白的参与才发生ATP水解反应。Fe蛋白将电子传递给Fe-Mo蛋白的同时伴随着ATP水解产生ADP。Fe-Mo蛋白最后将电子传递给N2和质子，产生2分子NH3和1分子H2。
固氮酶对氧敏感，其催化反应需在厌氧下进行。除了专性厌氧的生物外，氧对其他固氮生物的固氮酶有损伤作用，但这些生物通过呼吸作用产生固氮必需的ATP又需要氧，所以高效率的固氮作用一般是在微氧下进行的。不同固氮生物避免氧对固氮酶伤害的机制各异。如具有异形胞的蓝藻的固氮功能主要在异形胞中进行，这种细胞外有一层防氧进入的糖脂组成的外膜，缺少水光解放氧的PSⅡ，其中戊糖磷酸途径的两种酶活性较低，而超氧物歧化酶和脱氢酶活性都比较强，使异形胞保持了一个微氧环境。豆科植物的根瘤中类菌体有一层类菌体周膜，瘤内皮层内侧细胞排列紧密并形成间隙，两者对于保持类菌体的低氧环境十分重要。此外，根瘤细胞内的豆血红蛋白也部分地控制着类菌体氧气的需求。在非豆科植物共生固氮体系中，在与放线菌共生的瘤中有囊泡存在，这种囊泡可能与蓝藻的异形胞一样具有防氧功能。很明显，共生体系中的根瘤本身就是一个良好的氧保护系统。
在类菌体内合成的NH3(很可能是NH4+)要从类菌体内运出来，才能参与寄主植物中的代谢。在含类菌体细胞的细胞质中，NH4+转化成谷酰胺、谷氨酸、天冬酰胺和酰脲。这些物质由转移细胞分泌到木质部，运输到植物的其他部分。
由于生物固氮的重要性，有关控制生物固氮的环境与遗传因素的研究受到重视。研究表明，凡是能增加植物光合作用能力的因素，如合适的水分、温度、强光照和高CO2水平等都可以促进固氮作用。豆科植物与固氮生物的遗传因素也影响固氮作用的速率和产量。例如其中一个遗传因素是豆科植物的结瘤能力，它依赖于根瘤菌与寄主植物之间的由遗传控制的识别过程。为提高结瘤能力，科学工作者正在进行改造根瘤菌基因以及选择合适的寄主品种的研究工作。另外一个遗传因素是固氮酶在还原N2的同时还原H+。由总反应式可见，固氮酶催化的反应中有1/4的电子用于还原H+产生H2。而H2被还原后逸出进入大气，这个过程使能量白白浪费。不过，大多数根瘤菌和自生固氮细菌均含有氢化酶，该酶将H2氧化成H2O，这一过程推动由ADP和Pi合成ATP的反应。有研究表明，与具有较高氢化酶活性的根瘤菌共生的豆科植物(如大豆)的产量比与无氢化酶活性的根瘤共生的稍高。可能是前者减少了能量的浪费。基于这种认识，通过基因工程技术可能会获得具有更高活性的氢化酶的根瘤菌并增加豆类产量。此外，用基因工程技术将固氮基因导入非豆科植物根，促使这些植物固氮的工作也获得了一定的进展。
植物的不同生长阶段会影响生物固氮作用。如大豆、花生、木豆，通过生物固氮固定的氮素中90%在生殖阶段中进行，而10%在营养生长过程中进行。奇怪的是，几种豆类的生物固氮提供的氮素仅为其一生所需总氮量的1/4至1/2，其余主要在营养生长阶段从土壤中吸收NO3-或NH4+。不过，多施氮肥并不能增产。原因是植物对氮肥吸收增加反而使生物固氮能力下降。硝酸盐肥料的影响有几个方面：抑制根瘤菌与根毛的接触，中止侵染丝的形成；根瘤生长缓慢，抑制已成熟根瘤的固氮作用；当增施NO3-和NH4+时，加速根瘤的衰老。
（1）在不同温度下，反应N2（g）+O2（g）?2NO（g）的平衡常数K随温度升高K值增大，所以正反应方向是吸热反应，△H＞0，故答案为：＞；
（2）2404℃时，在容积为1.0L的密闭容器中通入2.6mol N2和2.6mol O2，计算反应N2（g）+O2（g）?2NO（g）达到平衡时NO的浓度．此温度下不考虑O2与NO的反应，K=64×10-4，设氮气消耗物质的量x，则：
???????? ?N2（g）+O2（g）?2NO（g）
起始量（mol）? 2.6??? 2.6??? 0
变化量（mol）? x???? x??? 2x
平衡量（mol）?2.6-x?? 2.6-x?? 2x
K=
| c2(NO) |
| c(N2)c(O2) |
| (2x)2 |
| (2.6?x)2 |
解得x=0.1mol；
达到平衡时NO的浓度=
| 0.2mol |
| 1L |
故答案为：0.2mol/L；
（3）依据图象分析反应焓变=反应物键能总和-生成物键能总和，结合盖斯定律计算得到所需热化学方程式：
| 1 |
| 2 |
| 3 |
| 2 |
NH3（g）=NH3（l）△H=-cKJ/mol；
两式相加得到：
| 1 |
| 2 |
| 3 |
| 2 |
故答案为：
| 1 |
| 2 |
| 3 |
| 2 |
（4）若由N2和H2合成1molNH3时可放出46.0kJ/mol的热量，反应的热化学方程式为：
| 1 |
| 2 |
| 3 |
| 2 |
从手册上查出N≡N键的键能是946.0kJ/mol，H-H键的键能是436.0kJ/mol，设N-H键的键能是x得到；
△H=
| 1 |
| 2 |
| 3 |
| 2 |
x=391KJ/mol；
故答案为：391；
（5）①甲、乙是完全等效平衡，平衡时对应各组分的物质的量相等，平衡时甲容器中H2的转化率为40%，则平衡时氢气的物质的量为3mol×（1-40%）=1.8mol，乙中氢气为1.5mol，小于1.8mol，则乙容器中反应进行的方向是逆向，
故答案为：逆向；
②甲、乙是完全等效平衡，平衡时NH3的体积分数相等，丙相当于在甲平衡的基础上，再加入1molN2、3molH2，压强增大平衡向正反应方向移动，氨气的体积分数增大，故体积分数：丙＞甲=乙，
故答案为：丙＞甲=乙．
