《土壤微生物生态工程》—固氮作用（53）

植物只能以化合态氮作为氮素养料，不能直接吸收、同化分子态氮。大气中的分子氮可以通过物理的、化学的和生物学的途径转化为氮素化合物。分子氮在生物体内由固氮酶催化还原为氨的过程称为生物固氮作用。自然界中只有少部分微生物具有这一功能。固氮微生物把大气中的分子态氮转化为氨的过程，称为固氮作用。各类固氮微生物进行固氮的基本反应相同。

1．固氮微生物的类型

能独立生存进行固氮作用的，称为自生固氮微生物，它包括好气自生固氮细菌如固氮菌属(Azotobacter)和分枝杆菌属（Mycobacterium）、拜叶林克菌属（Beijerinckia）、假单孢菌属（Pseudomonas）、诺卡菌属（Nocardia）、甲基单孢菌属（Methylomonas）、螺菌属（Spirillum）、放线菌属(Actinomyces)中的一些种类；兼性自生固氮细菌如多黏芽孢杆菌（Bacillus Polymyxa）和克雷伯菌属（Klebsiella）的种类，厌气自生固氮细菌如巴氏固氮梭状芽孢杆菌（Clostridium pasteurianum）；光能自养细菌如红假单孢菌属（Rhodopseudomonas）、红螺菌属（Rhodospirillum）、着色菌属(Chronzatium)、绿菌属（Chlorobium）的细菌，还包括蓝细菌中的一些种类。

与其他生物相互依存进行固氮的微生物为共生固氮微生物。包括与豆科植物共生固氮的根瘤菌(Rhizobium)，与非豆科植物共生固氮的放线菌如赤柏与放线菌的共生固氮，蓝细菌与其他细菌的共生固氮，还有蓝细菌与真菌共生的地衣。
微生物的固氮作用为农业生产提供了丰富的氮素养料，在生物圈的物质循环中具有独特的生态学意义。

2．生物固氮

生物固氮是指将分子态氮还原为氨的生物过程。生物固氮是固氮微生物的特殊生理功能。固氮微生物均为原核生物，至今尚未发现真核生物具有固氮能力。固氮微生物常分为自生固氮微生物与共生固氮微生物。前者是指独立生活时即能固氮的微生物，后者是指只有与高等植物共生时才能固氮或有效固氮的微生物。与此相应，也将生物固氮分为自生固氮与共生固氮。介于它们之间还有一种中间  类型，称为联合固氮。联合固氮是指某些固氮菌生活于植物（如水稻等）根际而进行的固氮作用。它与共生固氮的区别是生物之间没有形成独特的形态结构，与自生固氮的区别是生物之间具有较高的专一性。

固氮生物都属于个体微小的原核生物，所以，固氮生物又叫做固氮微生物。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。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。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。联合固氮微生物的固氮特点介于自生固氮和共生固氮之间，这些固氮微生物和共生的植物之间具有一定的专一性，但是不形成豆科植物根瘤那样的特殊结构。

(1)自生固氮微生物    自生固氮细菌有100多种，既有好氧细菌(固氮菌，Azotobacter)相兼性厌氧细菌（固氮螺菌，Azospirillum），也有厌氧细菌(梭状芽孢杆菌，Clostridium)。一些放线菌和蓝细菌也能进行固氮作用。因为所有生物都需要固定态氮，所以固氮菌分布广泛。自生固氮微生物的固氮量较少，每年为1～2kg/hm2（以N计）。固氮微生物生长于植物根际，与植物联合，可提高固氮量，每年达2～25kg/hm2。蓝细菌是水体环境的主要固氮微生物，由于它们能进行光合作用，固氮效率比非光能营养型自生固氮菌高1～2个数量级。植物与固氮菌建立共生关系后，固氮效率大大提高。研究得最多的是根瘤菌与豆科植物的共生固氮，其固氮量(N)每年为200～300kg/hm2。

①好氧性细菌  主要是固氮菌科的全部属种，包括固氮菌属(Azotobacter)、固氮单孢菌属(Azomonas)、贝格林克属（Beijerinkia）和德克属（Derxia）。另外还有分枝杆菌属（Mycobacterium）、螺菌（Spirillum）中的3个属即固氮螺菌属（Azospirillum）、水生螺菌属（Aquaspirillum）和弯曲杆菌属(Campylobacter)等。

②兼性厌氯细菌  这一群固氮细菌包括肠杆菌属(Enterobacter)、芽孢杆菌属(Bacillus)、克雷伯菌属（Klebsiella）中的一些种。它们在有氧和无氧条件下都能生长，但是只在无氧或低氧分压条件下固氮。已证明能固氮的肠杆菌有肺炎克氏杆菌（Klebsiella pneumoniae）、阴沟克氏杆菌(K. cloacae)、中间埃氏杆菌（Escerichia intermedia）和肠杆菌属(Enterobacter)的某些种。能固氮的芽孢杆菌有多黏芽孢杆菌（Bacillus polymyxa）、浸麻芽孢杆菌(B．macerans)和环状芽孢杆菌（B．circuLans）。

③厌氧性细菌  包括梭状芽孢杆菌（Clostridium）中的一些种，主要有巴斯德芽孢梭菌（Cl. pasteurianum）、丁酸芽孢梭菌（Cl. butyrium）和丙酮丁醇芽孢梭菌（Cl. acetobutyricum）。它们广泛分布在各种土壤中。

④光合细菌  主要有红螺菌属（Rhodospirillum）、红假单孢菌属(Rhodopseuclomonas)、着色菌属（Chromatium）、绿硫菌属（Chlorovium）和红硫菌属(Ch romatium)的一些种能够固氮。

⑤蓝细菌  许多蓝细菌能固氮，代表性的属有鱼腥蓝细菌(Anabaena)、念珠蓝细菌( Nostoc)、颤蓝细菌(Oscillatoria)等。

自生固氮微生物能自由地生活在土壤或水域中，能独立地进行固氮，它们在固氮酶的参与下，将分子态氮固定成氨，但并不将氨释放到环境中，而是合成氨基酸，组成自身蛋白质。只有当固氮微生物死亡以后，它们的细胞被分解变成氨时，才能成为植物的氮素营养。

 (2)共生固氦微生物

①根瘤菌属（Rhizobium）  有许多种，主要有豌豆根瘤菌(R. leguminosarum)、三叶草根瘤菌（R．trifolii）、菜豆根瘤菌（R．phaseoli）、苜蓿根瘤菌(R. meliloti)、大豆根瘤菌(R. japonicum)等。

根瘤菌与豆科植物共生，形成根瘤共生体。在根瘤内生活的根瘤菌，含有固氮酶，能固定分子态氮为氨。然后通过根瘤细胞中的酶系统催化，转变成谷氨酸，再运送到植物的其他部分。

②兰克菌   弗兰克菌（Frankia）属于放线菌，与非豆科植物共生形成根瘤共生体。能结瘤的非豆科植物主要是木本植物，如杨梅属、桤木属和沙棘属等13个属138种。

③蓝细菌   蓝细菌中的许多种类能与植物共生形成各种共生体：主要有满江红鱼腥蓝细菌(A. azollae)与水生蕨类植物满江红（红萍）共生形成红萍共生体；还有蓝细菌与真菌共生形成地衣共生体；蓝细菌和裸子植物苏铁共生形成苏铁共生体；蓝细菌和小二仙草科( Holorgaceae)的根乃拉属（Gunneera）植物共生形成根乃拉草共生体。

共生固氮微生物，只有在与其他生物紧密地生活在一起的情况下，才能固氮，并将固氮产物氨通过根瘤细胞酶系统的作用，及时运送给植物体各部分，直接为共生体提供氮源。

(3)联合固氮微生物    联合固氮作用是固氮微生物与植物之间存在的一种简单共生现象。这些固氮微生物仅存在于相应植物的根际，不形成根瘤，但有较强的专一性，固氮效率比在自生条件下高。如：雀稗固氮菌(Azotobacter paspali)与点状雀稗联合，生活在根的黏质鞘套内，固氮量可达15～93kg/ (hm2·年)。另外、水稻、甘蔗以及许多热带牧草的根际，由于与固氮微生物的联合，都有很强的固氮活性。

此外，厌氧氨氧化过程的提出及其在黑海、其他淡水水体和沼泽中的发现给传统的氮循环理论增加了新的内容。

厌氧氨氧化过程是指氨氮在厌氧条件下以亚硝酸氮为电子受体直接反应生成氮气的过程。厌氧氨氧化现象存在的前提条件是氨氮、亚硝酸氮的同时存在，以及缺氧的环境。Kuypers等提出了厌氧氨氧化菌在黑海氮循环中的作用，对于厌氧氨氧化反应和具有这一特性的anammox细菌已经有了很多研究。在自然生态系统中，亚硝酸氮可能会由于氧的限制而使硝化反应不完全导致其积累，或是由于反硝化电子供体（硫化物或有机物）的不足限制了硝酸氮的反硝化过程所致。因此，许多底泥的好氧／厌氧界面是厌氧氨氧化菌存在的最佳场所。现已发现的anammox菌还有Candidatus Scalindua sorokinii，Candidatus Scalindua brodae和CandidatusScalindua wagneri.