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自生固氮菌

自生固氮菌是指在土壤中能够独立进行固氮的细菌。由于培养等处理容易,在实验室里可固定大量氮素,所以对固氮的研究多使用此种生物。自生固氮菌大多数是杆菌或短杆菌,单生对生皆有。经过两三天的培养,成对的菌体呈“∞”排列,并且外面有一层厚厚的荚膜。在自然界广泛分布于土壤和水中,与蓝藻同为固定游离氮类的生物,一般不适合在酸性环境中培养。该菌除能固氮外,还具有极高的呼吸活性,呼吸商(QO2)可高达2000。随着条件的不同,有的种类可形成包囊。

褐色球形自生固氮菌(A. chrooco-ccum)(又称“圆褐固氮菌”)

棕色自生固氮菌(A. vinelanii)

敏捷氮单胞菌(A. agilis)

印度拜耶林克氏菌(Beijerinckia indica)

总反应式 N2+6H^+nATP+6e→2NH3+nADP+nPi

自生固氮菌的固氮方式和其它固氮生物大体相同,由固氮酶系统循序催化进行,ATP一定要与镁(Mg)结合而形成Mg-ATP复合物才能起作用。

固氧作用中电子的传递过程

氮酶还原酶与Mg-ATP结合后,被铁氧还蛋白或黄素氧还蛋白或Na2S2O4还原并与酶暂时地结合,以进行电子转移。氮酶还原酶每次转移一个e给氮酶。伴随着两个Mg-ATP的水解。在催化过程中,氮酶还原酶必需反复氧化还原,以保证有足够的电子转移给氨酶,还有氮分子。

固氮酶除能将分子氮还原为氨外,还能催化一些具有NN、N=O、C≡N以及C≡C键化合物的还原,如将乙炔(C2H2)还原为甲烷(CH4)等。用乙炔还原法测定固氮酶活性,就是根据固氮酶作用底物的多样性。固氮酶还原C2H2形成C2H4,能够用气相层析仪快速测定,简便而灵敏。这一固氮酶活性的间接测定法已被广泛应用。

许多化合物是固氮酶的抑制剂,当其他废物存在时,都可与分子氮竞争电子。氢是固氮作用的专一性抑制剂,但不抑制其他底物的还原作用,也不抑制ATP的水解。另一方面,氢也是固氮过程中的产物。固氮酶在还原氮的同时放氢,这对固氮作用是不利的,因为消耗了ATP和电子。有些固氮细菌具有氢酶催化氢分子为质子,H22H++2e,使放出的电子被再利用,从而节约了能源。

固氮酶对氧敏感,氮的还原过程是在无氧条件下进行的。自生固氮菌对固氮酶的防氧保护机制,能够在进行有氧生活的同时固氮。保持很强的呼吸活性,借以维持细胞内固氮酶周围的低氧浓度;另一方面,它的细胞中含有一种Fe-S蛋白,与固氮酶结合时增加后者的稳定性。此外,自生固氮菌在胞壁外被有荚膜或粘质,有阻碍氧向细胞内扩散的作用。

氨是固氮作用的产物,但在培养固氮菌时加铵盐,则固氮作用受到抑制,这时固氮菌利用现成的化合态氮进行生长。氨不是抑制固氮酶本身的活性,而是阻碍固氮酶合成基因的表达。整个作用机制很复杂。固氮菌具备一套酶系统,能有效地将氨转化为氨基酸,进而同化为蛋白质。氨基酸的合成是通过谷氨酰胺合成酶(GS)和谷氨酸合成酶(GOGAT)的偶联作用,同时有各种氨基转移酶参加。所以自生固氮菌在固氮过程中,不会在细胞中积累氨,也很少有氨分泌到细胞外面来。

将不同地点的土样均匀地撒在无氮培养基平板上,分离并鉴定自生固氮菌。同时采用抑菌圈法和分光光度计测透光率的方法,检测6种常用的田间农药对自生固氮菌的生长影响;还运用茚三酮显色反应检测农药对自生固氮菌固氮效果的影响。结果表明,不同农药及其不同浓度对自生固氮菌生长及固氮量的影响有所不同。为添加固氮菌以提高农作物产量,监测固氮菌含量来评估作物产量,以及田间正确使用农药提供了理论依据。

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