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，因此固氮生物又叫做固氮微生物。自然界中的氮素资源十分丰富，大气中近80%的气体为氮素，但只有少数原核生物，即细菌和蓝绿藻（蓝藻细菌）能够固定空气中的氮素。这些原核生物通过自生或与植物共生，将大气中的氮气转化成能被植物吸收利用的氮素，称为生物固氮，这是土壤氮素的重要来源之一。其他的原核生物和真核生物均不能利用大气中的氮素。与工业固氮的高温高压条件相比，生物固氮在常温常压下就可以进行，是生物圈中氮循环的主要氮源之一，所固定的氮素在自然界中相当可观。

固氮技术分类

按照 固氮微生物 的特性和它们与其他生物的关系，一般分为共生固氮、自生固氮和联合固氮三种类型。共生固氮主要指豆科植物-根瘤菌体系，其他还有非豆科植物-放线菌固氮体系以及萍-蓝固氮体系。自生固氮指不需要同其他生物共生就能独立进行固氮的一类微生物，如 固氮细菌 和 固氮蓝藻 ，包括自生自养固氮作用和自生异养固氮作用。联合固氮体系是由有固氮能力的细菌集聚于植物的根系周围甚至部分进入根细胞，细菌利用根系分泌物，植物利用细菌固定氮素，形成一个比共生固氮松散的联合体，在玉米、 甘蔗、小麦、水稻、高粱上都已确认联合固氮体系的存在。生物固氮作用在中性或微碱性环境中能顺利进行，磷肥对共生固氮有促进作用。共生固氮作用最为重要，自生固氮作用一般不强。

固氮反应条件

（1）必须有具固氮活性的固氮酶。

（2）必须有电子和质子供体，还需有相应的 电子传递链 传递电子和质子。

（3）必须有能量供给，由于N₂分子具有键能很高的三价键，因此需要很大的能量才能打开。

（4）有严格的无氧环境或保护固氮酶的免氧失活机制，因为固氮酶对氧具有高度敏感性，遇氧即失活。

（5）形成的氨必须及时转运或转化排除，否则会产生氨的反馈阻抑效应。

微生物固氮之催化机理

在固氮过程中，由呼吸作用、发酵光合作用过程中产生的电子和质子首先还原NAD或NADP成为NADH或NADpH，由还原态的NADH或NADpH还原Fd或Fld，再还原固氮酶组分Ⅱ即铁蛋白，由还原态的铁蛋白还原固氮酶组分Ⅰ即MoFe蛋白，还原态的MoFe蛋白还原N₂和其他各种底物。固氮酶合成、催化和酶活性调控的分子生物学研究已经相当深入，固氮酶合成的各个基因结构及其功能已大多清楚。

方程式：N2 + 6H+ + nMg-ATP +6e-（酶）→2NH3+nMg-ADP+nPi

展望

中国是一个传统农业大国，农业是重要的温室气体排放源，同时具有巨大的碳汇潜力。人工高效生物固氮技术具有绿色环保、节能减排等优点，因为每减施1吨氮肥可节约2800千克优质煤和1600度电能，同时减少大量温室气体，如二氧化碳、二氧化硫的排放。“生物固氮增汇肥料技术”已列入我国“碳中和技术路线发展图”，其农业应用将为我国农业绿色高质量发展和“碳中和”目标的实现发挥重要支撑作用。人工高效生物固氮技术采用合成生物学模块化概念和系统设计理论，打破生物固氮反应遵循的自然法则，克服生物固氮体系的天然缺陷，突破传统固氮技术田间应用效率低下、应用效果不稳定等产业瓶颈问题，创建人工高效生物固氮体系并实现节肥增产增效的田间示范应用，为现代农业生产提供一种节能低碳、生态友好的生物供氮途径，将完全颠覆过度依赖化学氮肥的传统农业生产方式。

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