固氮微生物概述　固氮微生物是指能够把分子态氮还原为氨态氮的个体微小的原核生物。生物固氮作用是自然界中分子态氮转化为氮素化合物的主要作用。全世界每年由于生物固氮作用所固定的氮素量达63～175百万吨，对农业生产具有重大意义。虽然在古老的农业生产实践中，人们已经认识到种植豆类等作物能够肥田，但对于它们肥田本质的科学理解是在19世纪末。 1888年，德国人H．黑里格尔和H．维尔法特证实了只有结瘤的豆类才能利用空气中的分子态氮。同年，荷兰人M．W．拜耶林克从根瘤中分离出根瘤菌的纯培养。1893年，俄国人C．H．维诺格拉茨基分离出能固氮的梭菌。这些工作开创了研究生物固氮和固氮微生物的科学领域。

一、固氮微生物种类　由于研究手段的限制，在20世纪40年代以前，只证实了个别微生物的固氮能力；50年代以来，由于同位素标记技术（13N、15N）和乙炔还原法的应用，证实了许多原核生物都能固氮，但至今还没有发现肯定能够固氮的真核生物。在原核生物的许多种群中都有能固氮的种类，它们各自需要特定的生活条件。根据固氮微生物的固氮特点以及与植物的关系，可以将它们分为自生固氮微生物、共生固氮微生物和联合固氮微生物三类。1、 自生固氮微生物　自生固氮微生物在土壤或培养基中生活时，可以自行固定空气中的分子态氮，对植物没有依存关系。常见的自生固氮微生物包括以圆褐固氮菌为代表的好氧性自生固氮菌、以梭菌为代表的厌氧性自生固氮菌，以及以鱼腥藻、念珠藻和颤藻为代表的具有异形胞的固氮蓝藻(异形胞内含有固氮酶，可以进行生物固氮)，按照他们的代谢类型可以分为以下三种类型：（1）光能自养固氮微生物　能进行光合作用，以二氧化碳为碳源、光合产物为能源进行固氮作用的微生物。有蓝细菌（见蓝藻门）中的许多属种（如念珠藻属、鱼腥藻属等）和光合细菌中的红螺菌属以及绿硫菌属等。（2）化能自养固氮微生物　有些化能自养微生物（如氧化亚铁硫杆菌等）能以二氧化碳、亚铁氧化物和分子态氮为碳、能、氮源。（3）异养固氮微生物　进行异养生活，以适宜的有机碳化合物为碳源和能源，满足生活和固氮的需要。这个生理、生态群包括许多种类，如固氮菌科的所有属、芽孢杆菌属、梭菌属的一些种、固氮螺菌属、肠杆菌科的一些属种、反硫化细菌、产甲烷细菌和其他一些异养细菌的种类。

2、共生固氮微生物　共生固氮微生物只有和植物互利共生时，才能固定空气中的分子态氮。共生固氮微生物可以分为以下两种类型：（1）根瘤菌和豆类共生体系　许多种豆类植物能和根瘤菌属的相应种共生。根瘤菌侵入寄主根内，刺激寄主根上形成根瘤，根瘤菌在根瘤内定居并固氮。豆类植物和根瘤菌的共生关系具有属种的专性，一种或一株根瘤菌只能在一定的豆类植物种或品种上共生、结瘤、固氮（见根瘤菌科）。一些重要豆科作物种类和根瘤菌的专适共生关系如下：苜蓿根瘤菌——苜蓿、草木樨三叶草根瘤菌——三叶草豌豆根瘤菌——豌豆、蚕豆菜豆根瘤菌——菜豆紫云英根瘤菌——紫云英大豆根瘤菌——大豆豇豆根瘤菌——豇豆、花生、绿豆、赤豆、柽麻、扁豆、刀豆等（2）非豆类种子植物及其内生菌的共生固氮体系　有些非豆类种子植物也能和某种固氮微生物共生形成根瘤并固氮，如桤木属、杨梅属、木麻黄属等种类的根瘤内有弗兰克氏属放线菌营共生固氮作用。

3、联合固氮微生物　有些固氮微生物如固氮螺菌、雀稗固氮菌等，能够生活在玉米、雀稗、水稻和甘蔗等植物根内的皮层细胞之间。这些固氮微生物和共生的植物之间具有一定的专一性，但是不形成根瘤那样的特殊结构。这些微生物还能够自行固氮，它们的固氮特点介于自生固氮和共生固氮之间，这种固氮形式叫做联合固氮。联合固氮微生物常见的有以下两种类型：（1）红萍和鱼腥藻联合体系　红萍（又称绿萍，学名满江红）鳞片叶的叶腔内有鱼腥藻生长，行共生固氮作用。（2）固氮地衣　蓝藻和某些真菌形成的地衣的光合伙伴是固氮蓝细菌，能进行固氮作用。一切固氮微生物都含有固氮酶，固氮酶催化分子态氮还原为氨。由于固氮微生物也能利用其他氮源，固氮作用并不是固氮微生物的必需生理功能，所以许多种固氮微生物的生活条件和固氮条件并不完全一致。氮是植物生长的重要营养元素之一，利用固氮微生物提高农作物产量、降低生产成本，是一项重要的农业科学技术。

生物固氮的原理图

二、生物固氮研究

近20年来，生物固氮研究异常活跃，已成为世界范围的重要课题。纵观当前生物固氮研究的内容，大致有以下三个方面，即固氮资源的有效利用，固氮的遗传工程和化学模拟固氮。

在固氮资源的有效利用方面，许多国家都在大力发展豆科作物，通过其有效的共生固氮体系，增加生物氮源，改善土壤肥力，以促进农业增产。此外，接种根瘤菌提高豆科作物产量已在全世界范围内使用。在稻田里接种和放养红萍和固氮蓝藻，既能增加土壤中生物氮数量，又能提高水稻的产量。这种共生固氮途径的有效利用，在我国和东南亚一些国家已有悠久的历史。

随着分子生物学的进展，固氮的遗传工程受到了广泛重视，已成为目前最活跃的研究领域。遗传工程是用人工方法去改变生物体的遗传特性或者按照人们的意愿去创造新物种。对于固氮微生物来说，固氮基因操纵和调节固氮酶的合成，从而使固氮微生物具有固氮作用。如果将固氮基因进行人工转移，就可能获得具有固氮作用的新物种。

有关这方面的研究目前主要在以下几方面进行探索：一是培育新的固氮微生物，以提高固氮效率或赋予非固氮微生物以固氮能力；二是改变结瘤的识别过程或将固氮基因转移到根瘤病杆菌中，以使非豆科植物结瘤固氮，扩大固氮作物的范围；三是应用遗传工程培育不依赖固氮微生物的自主固氮的植物。这些研究如能成功，将对农业生产产生深刻的影响。

固氮微生物由于具有固氮酶可以在常温常压下将氮气转变成氨，而工业合成氨却要在高温高压下进行。为了改变这种状况，科学家正寻找像固氮酶那样能在常温下将氮变成氨的催化剂。这就是化学模拟固氮。化学模拟固氮的研究，将为化学氮肥生产提供新型的催化剂，这对现代氮肥工业以及农业生产都具有极其重要的意义。