關君蔚
[拼音]：shengwu gudan
[英文]：biological nitrogen fixation
大氣中的遊離態氮分子在微生物體內還原為結合態的氨分子的過程。具有這種能力的微生物稱固氮微生物。地球表面每年因生物固氮作用獲得的結合態氮約為 1.0～1.8 ×108噸，其中有0.2～0.4×108噸系由耕種土壤中的固氮微生物所固定。在農業生產中，充分發揮生物固氮的作用，對增加土壤中的氮素養分、提高土壤肥力具有重要作用。
對生物固氮作用的研究始於19世紀。1838年，法國的J.B.布森戈通過田間試驗和化學分析，最先確認三葉草和豌豆可從空氣中取得氮素。此後俄國的M.C.沃羅寧和德國的H.黑爾裡格爾相繼證明了豆科植物與根瘤菌之間的共生關係。1888年，荷蘭的M.W.拜耶林克首次從根瘤中分離出固氮微生物的純培養體，後曾被其他研究者用作接種劑。嗣後，研究領域從豆科植物拓寬到非豆科植物，從共生固氮發展到非共生固氮以至聯合固氮。20世紀初歐洲和美國已有根瘤菌劑的商品生產。中國從50年代起應用根瘤菌於花生、大豆等的生產，取得增產效果。
型別
迄今已確認有固氮作用的微生物約有50個屬90多種。包括細菌、放線菌和藍藻，都屬原核生物。其中有的是好氣性的，有的是嫌氣性的，有的是兼性的。按固氮微生物與高等植物或其他生物之間的關係，可分3種類型。
共生固氮作用
固氮微生物與另一種能營光合作用的高等植物或其他生物緊密地生活在一起，彼此間形成單獨生活時所沒有的共生固氮體系：固氮微生物依靠與之共生的生物為其提供生活必需的能源和碳源，而固氮微生物則將固定的氮素供給共生生物作為合成氨基酸和蛋白質的氮源。共生固氮作用又可分為：
（1）豆科植物與微生物的共生固氮。其中最重要的是豆科植物與根瘤菌的共生。土壤中的根瘤菌侵入根部後形成根瘤，固氮即在根瘤中進行。可營這種共生固氮作用的豆科植物約有600 多屬。
（2）非豆科植物與微生物的共生固氮。營這種共生固氮作用的微生物主要是放線菌和藍藻。能與放線菌共生固氮的植物約有21屬200多種，常見的有木麻黃屬、榿木屬、沙棘屬、胡頹子屬、楊梅屬等。中國經鑑定的非豆科結瘤固氮樹木已有40餘種，大多數屬於對不利環境有較強抗逆性的植物。藍藻與非豆科植物的共生固氮，可以魚腥藻與蕨類植物滿江紅形成的共生體為代表。在這類共生體中，能固氮的滿江紅魚腥藻生活在滿江紅小葉鱗片腹面充滿粘質的小腔內，構成共生關係，其固氮率可達313～670千克／（公頃·年）。滿江紅分佈廣泛，尤以在熱帶和亞熱帶地區生長繁茂，是中國南方的優良綠肥。
非共生固氮作用
又稱自生固氮作用。固氮微生物不與其他生物發生特異關係，而能獨立地生長繁殖，並將大氣中的氮分子還原為氨分子。這類固氮作用的全過程均在其自身細胞中進行，所固定的氮素常在細胞死亡腐敗後釋放到土壤中。屬於這類的微生物主要有細菌、藍藻和放線菌，常見於溫帶中性土壤的有固氮菌屬 (Azotobacter)中的圓褐固氮菌（A.chroococcum），常見於熱帶和亞熱帶的酸性土壤中的是貝氏固氮菌屬(Beijerinckia)。 廣泛分佈於各類土壤中的有巴斯德芽孢梭菌(Clostridium pasteurianum)和許多微嗜氧菌，後者包括極毛桿菌屬(Pseudomonas)、無色桿菌屬(Achromobacter)、克氏桿菌屬(Klebsiella)和分枝桿菌屬(Mycobacterium) 等。上述固氮菌在固氮過程中必須依靠外源能量，且對能量的利用效率較低，通常每固定1分子氮所消耗的能量要比根瘤菌大10倍。此外，當土壤含有機化合態氮時，其固氮作用的進行還會受抑制。因而自生固氮作用在農業上的應用一直是個難題。但最近已選育出這類固氮菌突變株，當有氨存在時，其固氮酶活性比同條件的野生型高5萬倍。
聯合固氮作用
某些固氮微生物可生長在植物根系中的粘質鞘套內或皮層細胞之間，雖對植物有一定的專一性，但不形成密切的共生關係，也不形成特殊的形態結構，是一種鬆散的共生現象。現已確認的聯合固氮體系有：甘蔗和貝氏固氮菌(Beijerinckia)、雀稗和雀稗固氮菌(Azotobacter paspali)、小麥和芽孢細菌(Bacillus)、水稻和無色桿菌(Achromobacter)等。屬於此類的固氮體系的植物多屬高光效的C4植物，比C3植物能分泌更多的碳水化合物，有利於根系中微生物的生長和固氮。其固氮效率比在土壤中單獨生活時要高。因此通過選育寄生植物接種固氮菌，並加強土壤管理，可提高根際的固氮活性。
機理
氮氣分子(N呏N)有很高的鍵能，使之還原必須消耗大量能量。在工業上，用化學固氮方法制造氮肥要在鐵催化劑作用下，用500℃的高溫及300大氣壓的高壓下才能將氮氣還原為氨。但固氮微生物則可在常溫常壓下完成這一過程。因固氮微生物體記憶體在一種複雜的固氮酶系統，它能催化氮氣的還原。固氮酶由2種蛋白質組成：一種為含有鉬和鐵的鉬鐵蛋白，分子量為200000；另一種為含鐵的鐵蛋白，分子量為65000。鐵蛋白具有很強的還原力，它提供電子給鉬鐵蛋白。鉬鐵蛋白能與氮氣分子絡合，然後使之還原為氨。在這個過程中，需要腺苷三磷酸 (ATP)提供能量和鐵氧還蛋白充當強還原劑。氮氣還原為氨的化學反應式如下：
N2＋6e-＋12ATP＋12H2O→
2N喠＋12ADP＋12Pi＋4H+
式中 ADP為腺苷二磷酸，Pi代表無機磷酸。固氮酶除能還原氮氣外，還能將乙炔 (C2H2)還原為乙烯(C2H4)。由於這個反應可用氣相色譜法測定，現已廣泛應用於田間實驗室測定固氮微生物的固氮酶活性。
研究趨勢
生物固氮是一個十分活躍的研究領域。利用遺傳工程技術將豆科植物根瘤菌中的固氮基因(nif基因)轉移到非豆科植物的禾穀類中，以便通過生物固氮提高農業產量、減少化肥用量和節約農業投資的設想受到廣泛注意，並已進行了許多研究試驗。但不少困難仍有待克服。固氮酶對氧十分敏感，微量氧即能使固氮酶失活。豆科植物的根瘤中存在豆血紅蛋白，能與氧結合，使氧濃度降低。因此非豆科植物在固氮基因轉移成功後還必須具備一定的防氧的保護機制時才能進行生物固氮。另一困難是需要形成大量ATP，才能有足夠的能量使氮還原為氨。