花斑皮蠹
[拼音]：shengwu gudan zuoyong
[英文]：biological fixation nitrogen
分子態氮 (N2)在生物體內還原為氨（NH3）的過程。由固氮作用所形成的氮素化合物是自然界土壤中化合態氮的主要來源。生物固氮作用是固氮微生物的一種特殊生理功能，其總的生物化學反應是：
N2＋6H+＋nATP＋6e
2NH3＋nADP＋nPi
儘管不同固氮微生物的生理特性有差別，它們產生ATP的途徑也不同(可以通過光合磷酸化作用或發酵作用)，但它們的固氮機制是統一的，由固氮酶系統循序催化進行，ATP一定要與鎂(Mgg)結合而形成Mg-ATP複合物才能起作用。
分子氮的還原過程是由固氮酶催化的。固氮酶、還原劑、Mg-ATP和 ATP再發生系統組成複雜的固氮酶體系。固氮酶含有兩種蛋白成分，即鉬鐵蛋白和鐵蛋白。依據它們的結構和作用性質，可以把它們分為兩個不同的酶，鉬鐵蛋白為氮酶，鐵蛋白為氮酶的還原酶。固氮體系中的還原劑有黃素氧還蛋白和鐵氧還蛋白。實驗室中研究固氮酶時，常用連二亞硫酸鈉(Na2S2O4)作還原劑。
固氧作用中電子的傳遞過程如下：
氮酶還原酶與Mg-ATP結合後，被鐵氧還蛋白或黃素氧還蛋白或Na2S2O4還原並與酶暫時地結合，以進行電子轉移。氮酶還原酶每次轉移一個 e給氮酶。伴隨著兩個Mg-ATP的水解。在催化過程中，氮酶還原酶必需反覆氧化還原，以保證有足夠的電子轉移給氮酶，還有氮分子。
固氮酶除能將分子氮還原為氨外，還能催化一些具有N-N、N＝O、C呏N以及C呏C鍵化合物的還原，如將乙炔(C2H2)還原為甲烷 (CH4)等。用乙炔還原法測定固氮酶活性，就是根據固氮酶作用底物的多樣性。固氮酶還原C2H2形成C2H4，能夠用氣相層析儀快速測定，簡便而靈敏。這一固氮酶活性的間接測定法已被廣泛應用。
許多化合物是固氮酶的抑制劑，當其他底物存在時，都可與分子氮競爭電子。氫是固氮作用的專一性抑制劑，但不抑制其他底物的還原作用，也不抑制ATP的水解。另一方面，氫也是固氮過程中的產物。固氮酶在還原氮的同時放氫，這對固氮作用是不利的，因為消耗了ATP和電子。有些固氮細菌具有氫酶催化氫分子為質子，H2匑2H+＋2e，使放出的電子被再利用，從而節約了能源。
固氮酶對氧敏感，氮的還原過程是在無氧條件下進行的。對於厭氧性固氮細菌來說，它們的生活條件和固氮條件是統一的。兼好氣性固氮細菌(如肺炎克氏桿菌)在有氧和無氧條件下均能生長，但是隻在無氧環境中才能進行固氮作用。各種好氣性固氮細菌的生活條件和固氮條件是矛盾的，但它們各自具備對固氮酶的防氧保護機制，能夠在進行有氧生活的同時固氮。嚴格好氣性固氮菌有很強的呼吸活性，藉以維持細胞內固氮酶周圍的低氧濃度；另一方面，它的細胞中含有一種Fe-S蛋白，與固氮酶結合時增加後者的穩定性。一些好氣性固氮細菌在胞壁外被有莢膜或粘質，有阻礙氧向細胞內擴散的作用。具有異形細胞的固氮藍細菌，固氮作用在特殊的厚壁異形細胞中進行。根瘤菌與豆科植物的共生固氮作用具有防氧保護機制，通過豆血紅蛋白調節氧濃度，保證向類菌體不斷供應濃度低而流速大的氧流，使類菌體的呼吸強度能產生足量的ATP，但不妨礙固氮酶的活性。
氨是固氮作用的產物，但在培養固氮菌時加銨鹽，則固氮作用受到抑制，這時固氮菌利用現成的化合態氮進行生長。氨不是抑制固氮酶本身的活性，而是阻礙固氮酶合成基因的表達。整個作用機制很複雜。固氮菌具備一套酶系統，能有效地將氨轉化為氨基酸，進而同化為蛋白質。氨基酸的合成是通過谷氨醯胺合成酶(GS)和穀氨酸合成酶(GOGAT)的偶聯作用，同時有各種氨基轉移酶參加。所以自生固氮菌在固氮過程中，不會在細胞中積累氨，也很少有氨分泌到細胞外面來。根瘤菌在根瘤中固氮時，它本身很少同化固氮產物（氨），因為它缺乏同化氨的酶系統(GS GOGAT)，氨從類菌體分泌出來，由根瘤細胞的酶系統進行同化。類菌體在固氮過程中不進行生長繁殖，本身不需要同化氮素，它所固定的氮絕大部分供植物利用。這就是共生固氮作用和自生固氮作用的顯著區別。好氣性固氮菌為了維持固氮酶活性所需的低氧壓條件，通過呼吸作用消耗大量碳水化合物，這是有機營養型自生固氮菌的固氮效率大大低於共生固氮體系的原因之一。
固氮酶是由固氮基因編碼的。70年代對肺炎克氏桿菌的固氮基因進行了大量的研究工作，基因結構已基本清楚。固氮基因群最少有17個位點，位於染色體上靠近組氨酸操縱子一端，這些位點組成7個操縱子，轉錄方向是相同的，即都朝向組氨酸基因。現在已把肺炎克氏桿菌染色體上的固氮基因重組到質粒上，構成了固氮質粒，可以轉移到一些革蘭氏陰性細菌中去。
根瘤菌與豆科植物的共生固氮體系要複雜得多。它不僅需要固氮基因，還必需具備形成根瘤的基因（結瘤基因）。一種根瘤細菌能否在某種豆科植物上結瘤，是由雙方共同決定的，現已證明某些快生型根瘤菌的結瘤基因和固氮基因存在於質粒上。
用科學手段來研究生物固氮作用，已有100年的歷史。一些固氮微生物應用於農業生產也收到了好的效果（主要是根瘤）。近20年來，生物固氮作用的理論研究有較大進展，為固氮作用的實際應用提供了科學依據。
參考書目
陳華癸、陳文新、李阜棣、曹燕珍:《土壤微生物學》，上海科學技術出版社，上海，1981。