固氮菌

細菌的一科。菌體桿狀、卵圓形或球形，無內生芽孢，革蘭氏染色陰性。嚴格好氧性，有機營養型，能固定空氣中的氮素。包括固氮菌屬、氮單孢菌屬、拜耶林克氏菌屬和德克斯氏菌屬。固氮菌肥料多由固氮菌屬的成員製成。

基本信息

• 中文學名：固氮菌

簡述

固氮菌

氮是植物生長不可缺少的“維生素”，是合成蛋白質的主要來源。固氮菌擅長空中取氮，它們能把空氣中植物無法吸收的氮氣轉化成氮肥，源源不斷地供植物享用。

本科細菌菌體桿狀，卵圓或球形,無內生芽孢；革蘭氏染色陰性（有時陰、陽性兩可）；嚴格好氧性，有機營養型細菌，能利用簡單糖類為碳源和能源，有的能利用澱粉，但不能利用纖維素。能固定空氣中的氮素,在培養條件下，每消耗1克碳水化合物約能固定10毫克氮素，固氮效能雖不及共生的根瘤菌，但因其分布廣，在自然界的氮素轉化中仍具重要意義。固氮菌肥料多由固氮菌屬的成員製成。
本科細菌一般生活於土壤或水中，在各類耕作土壤中數量較多，組成種類也不同。有些固氮菌生長在作物的根際，有些生長在植物的葉面。

特性

在無氮培養、溫度18~40℃時,菌株均能生長且有固氮酶活性,其最適生長及固氮的溫度為26~37℃;在偏酸(pH值5.0)和偏鹼(pH值8.0)的條件下,菌株均能保持較強的生長勢和較高的固氮酶活性,並能通過調節自身代謝適應環境的酸、鹼變化,使培養液趨近中性;培養液中NaCl濃度在0.5~2.5g.L-1、(NH4)2SO4濃度在0.05~0.50g.L-1時,菌株均能保持旺盛生長且有較高的固氮酶活性。

發展

固氮菌

1901年，M.W.拜耶林克首先發現並描述了這類細菌，他定名的有2個種：一是褐色固氮菌,常生存於中性或鹼性土壤中；一是活潑固氮菌，常生存於水中。後來，各國學者相繼分離出許多不同的菌株。1938年，C.H.維諾格拉茨基將生產孢囊的菌株（以褐色固氮菌為代表）歸屬於固氮菌屬，將不產生孢囊的菌株（以活潑固氮菌為代表）歸屬於氮單孢菌屬。1950年，H.G.德克斯提出建立拜耶林克氏菌屬，其主要特徵是細胞兩端有折光性顆粒（類脂質）。1960年，H.L.延森等提出建立德克斯氏菌屬，包括生長在熱帶酸性土壤中的種類。

用途

固氮菌

在形形色色的固氮菌中，名聲最大的要數根瘤菌了。根瘤菌平常生活在土壤中，以動植物殘體為養料，自由自在地過著“腐生生活”。當土壤中有相應的豆科植物生長時，根瘤菌便迅速向它的根部靠攏，並從根毛彎曲處進入根部。豆科植物的根部細胞在根瘤菌的刺激下加速分裂、膨大，形成了大大小小的“瘤子”，為根瘤菌提供了理想的活動場所，同時還供應豐富的養料，讓根瘤菌生長繁殖。根瘤菌又會賣力地從空氣中吸收氮氣，為豆科植物製作“氮餐”，使它們枝繁葉茂，欣欣向榮。這樣，根瘤菌與豆科植物結成了共生關係，因此人們也把根瘤叫共生固氮菌。根瘤菌生產的氮肥不僅可以滿足豆科植物的需要，而且還能分出一些來幫助“遠親近鄰”，儲存一部分留給“晚輩”，所以中國歷來有種豆肥田的習慣。

還有一些固氮菌，比如圓褐固氮菌，它們不住在植物體內，能自己從空氣中吸收氮氣，繁殖後代，死後將遺體“捐贈”給植物，使植物得到大量氮肥。這類固氮菌叫自生固氮菌。

固氮菌

固氮菌肥料是利用固氮微生物將大氣中的分子態氮氣轉化為農作物能利用的氨，進而為其提供合成蛋白質所必需的氮素營養的肥料。微生物自生或與植物共生，將大氣中的分子態氮氣轉化為農作物可吸收的氨的過程，稱為生物固氮。生物固氮是在極其溫和的常溫常壓條件下進行的生物化學反應，不需要化肥生產中的高溫、高壓和催化劑，因此，生物固氮是最便宜、最乾淨、效率最高的施肥過程。固氮菌肥料是最理想的、最有發展前途的肥料。
目前固氮菌肥料的生產基本上採用液體發酵的方法。產品可分液體菌劑和固體菌劑。從發酵罐發酵結束後及時分裝即成液體菌劑，發酵好的液體再用滅菌的草炭等載體吸附劑進行吸附即成固體菌劑。固氮菌肥料是含有大量好氣性自身固氮菌的微生物肥料。自身固氮菌不與高等植物共生，沒有寄主選擇，而是獨立生存於土壤中，利用土壤中的有機質或根系分泌的有機物作碳源來固定空氣中的氮素，或直接利用土壤中的無機氮化合物。固氮菌在土壤中分布很廣，其分布主要受土壤中有機質含量、酸鹼度、土壤濕度、土壤熟化程度及速效磷、鉀、鈣含量的影響。

固氮菌肥對棉花、水稻、小麥、花生、油菜、玉米、高粱、馬鈴薯、菸草、甘蔗以及各固氮菌肥料是含有大量好氣性自身固氮菌的微生物肥料。自身固氮菌不與高等植物共生，沒有寄主選擇，而是獨立生存於土壤中，利用土壤中的有機質或根系分泌的有機物作碳源來固定空氣中的氮素，或直接利用土壤中的無機氮化合物。固氮菌在土壤中分布很廣，其分布主要受土壤中有機質含量、酸鹼度、土壤濕度、土壤熟化程度及速效磷、鉀、鈣含量的影響。固氮菌肥料是含有大量好氣性自身固氮菌的微生物肥料。自身固氮菌不與高等植物共生，沒有寄主選擇，而是獨立生存於土壤中，利用土壤中的有機質或根系分泌的有機物作碳源來固定空氣中的氮素，或直接利用土壤中的無機氮化合物。固氮菌在土壤中分布很廣，其分布主要受土壤中有機質含量、酸鹼度、土壤濕度、土壤熟化程度及速效磷、鉀、鈣含量的影響。固氮菌肥對棉花、水稻、小麥、花生、油菜、玉米、高粱、馬鈴薯、菸草、甘蔗以及各種蔬菜都有一定增產作用。

原理

固氮菌

氮氣是空氣中的主要成分，占空氣總量的五分之四。然而由於氮氣分子被三條“繩索”--化學鍵所束縛，因此大部分植物只能“望氮興嘆”。固氮菌的本領在於它有一把“神刀”--固氮酶，可以輕易地切斷束縛氮分子的化學鍵，把氮分子變為能被植物消化、吸收的氮原子。

俄羅斯莫斯科大學生化物理研究所的科研人員別爾佐娃經過多年探索研究，成功地解釋了固氮菌在空氣中生存固氮的機理。別爾佐娃由此獲得了2002年的歐洲科學院青年科學家獎。

在幾百萬年前的太古時代，大氣層中沒有酸，地球上生存著大量的厭氧性生物。在地球上第一次大災難發生後，地球表面出現了很多酸。大量厭氧性生物由於酸的出現而消失了，但有少量厭氧性生物由於躲藏在無酸、不透氣的淤泥、沼澤地和深層土壤中而存活至今。但也有一部分厭氧性生物如固氮菌，它適應了環境，能夠在含酸21％的大氣層中存活，並從空氣中吸收氮氣。

固氮菌緣何沒有滅亡，而在酸性環境中生存了下來。別爾佐娃經過多年研究揭示了它生存與固氮的奧秘。別爾佐娃發現，固氮菌內部酸的濃度低於外部，也就是說，固氮菌擁有自身保護辦法，它的呼吸鏈中有一種能夠處理酸的特殊酶。別爾佐娃推測，在固氮菌呼吸鏈中很活躍的、開始階段起輔助作用的特殊酶在處理酸的過程中起了主要作用。別爾佐娃通過實驗觀察確認，正是這種很活躍的酶幫助固氮菌完成酸吸收與處理任務。在這種特殊酶的帶動下，其餘的酶才開始工作、開始固氮。為了進一步驗證實驗結果，別爾佐娃將固氮菌中那個特殊的酶除掉，結果發現，固氮菌立即喪失了在酸環境中固定氮的能力。

有關專家指出，別爾佐娃的研究成果促進了生物學的發展，對目前正在開展的人工活器官研究工作有重要意義。

前景

固氮菌

現在人類生產氮肥使用的化學方法。不僅需要高溫、高壓等非常苛刻的條件，而且還浪費大量原料，氮分子的有效利用率很低。固氮菌每年從空氣中約固定1．5億噸氮肥，是全世界生產氮肥總量的幾倍。所以，科學家正在認真研究固氮酶的構成。中國科學家在本世紀70年代仿製出與固氮酶功能相似、能夠固氮的分子。相信在不遠的將來，人類一定能學會並利用固氮菌“巧施氮肥”的本領。