生物固氮与人工模拟生物固氮

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1、生物固氮与人工模拟固氮摘要:生物固氮是生命科学中的重大基础研究课题之一,它在生产实际中发挥着重要作用:为植物特别是粮食作物提供氮素、提高产量、降低化肥用量和生产成本、减少水土污染和疾病、防治土地荒漠化、建立生态平衡和促进农业可持续发展。本文旨在了解现在国际生物固氮和人工模拟生物固氮的现状，思考如何使用生物技术（特别是蛋白质工程）在固氮领域。关键词:生物固氮人工模拟固氮固氮酶化学模拟引言：空气中约80%的氮气不能被植物直接利用,只有固氮微生物具有将氮气转化成氨的能力,人们称为生物固氮。据联合国粮农组织(FAO)1995年粗略估计,全球每

2、年由生物固定的氮量已近2×106t(相当于4×108t尿素),约占全球植物需氮量的3/4。所以,生物固氮是地球上最大规模的天然氮肥工厂。但为了满足需求还要新建很多氮肥厂,投资上千亿元.一方面,适量使用化学氮肥可使粮食高产;另一方面,生产化学氮肥要大量消耗能源,加重大气污染和温室效应.大量施用化肥,不仅提高农业生产成本,而且导致水土污染,影响健康和破坏生态平衡.对于提高农业产量,降低化肥用量和农业生产成本,减少水土污染和疾病,治理占我国国土面积约27%的荒漠化地区,发展可持续农业,生物固氮将起重要作用。而生物固氮中用到的固氮酶是一种重要

3、蛋白质，联想到课上学习的生物工程中蛋白质工程，我想到用蛋白质工程来制作新的更高效率的固氮酶来提高人工模拟固氮的产量，从而节省投资成本和保护环境。1生物固氮1．1生物固氮概念：生物固氮是指固氮微生物将大气中的氮气还原成氨的过程。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。1.2生物固氮的过程生物固氮是固氮微生物特有的一种生理功能，这种功能是在固氮酶的催化作用下进行的。固氮酶是一种能够将分子氮还原成氨的酶。固氮

4、酶是由两种蛋白质组成的：一种含有铁，叫做铁蛋白，另一种含有铁和钼，叫做钼铁蛋白。只有铁蛋白和钼铁蛋白同时存在，固氮酶才具有固氮的作用。[1]1．3生物固氮的研究现状当前,国内外生物固氮研究已进入一个新阶段,其特点是多学科交叉,将基础研究和应用前景相结合,开拓了思路.当前生物固氮研究正在分子和原子水平上开展,如:固氮基因表达的铵阻遏和氧敏感机制;共生结瘤固氮中植物与微生物相互关系的基因表达和调控;根瘤菌结瘤因子的结构和生物合成;根瘤菌及其宿主植物的基因组学、转录组学和蛋白质组学;固氮酶的结构和功能及其化学模拟;固氮效率的提高及其在农业和

5、环境保护中的应用等.这些研究要求生物学、农学、化学和物理学等学科的交叉和结合,引入新概念和新技术,综合进行。[2]1．4目前自然界存在的固氮酶自然界中存在的固氮酶是一种能够将分子氮还原成氨的酶。固氮酶是由两种蛋白质组成的：一种含有铁，叫做铁蛋白，另一种含铁和钼mo2+，称为钼铁蛋白。这种酶在固氮的过程中每个电子的传递需要消耗2~3个ATP，而且一般固氮生物在固氮的同时也会产生氢气，因此固氮的总反应式可写为：N2+8H++8e---------->2NH3+H21.5我国生物固氮研究成果的国际认可和曾经面临的困境“生物固氮”成为科学定义

6、并开始大力研究已有114年的历史.我国自1937年开始生物固氮研究,已有65年历史.20世纪70年代生物固氮研究在生物化学和分子遗传学等方面取得突破后,我国也取得了一系列重要成果,在国际上占有一定的地位,在某些方面还具有重要影响.因此,国际生物固氮研究委员会主席W.Newton曾多次建议在中国召开国际生物固氮研究大会,经研究决定2003年在北京召开第14届国际生物固氮大会.我国生物固氮研究的道路曲曲折折,曾经有两种错误认识:一是受到假冒伪劣生物固氮肥料的宣传的干扰,认为生物固氮问题已经解决;二是对国际和国内生物固氮研究的突破性进展了解

7、不够,认为难度大,进展甚微,国内经多年研究也未出成果.两者的结果使我国的生物固氮研究面临严重困境.为防止困境再现,经我国有关决策者和研究人员的共同努力,恢复了固氮研究应有的地位.这就为巩固研究成果,继续发展,不失时机地迎接生物固氮的重大突破的新时代的到来,并把生物固氮研究中与生命科学其他学科相关的重大科学问题提高到一个新水平,使其进一步为我国农业可持续发展做出重要贡献.2人工固氮2.1人工固氮概述及近况工业上通常用H2和N2在催化剂、高温、高压下合成氨（3H2+N2=催化剂，高温=2NH3）近况：两位希腊化学家，位于Thessalon

8、iki的阿里斯多德大学的GeorgeMarnellos和MichaelStoukides发明了一种合成氨的新方法(Science，2Oct．1998，P98)。在常压下，令氢与用氦稀释的氮分别通入一加热到570℃的以锶-