生物固氮作用

许多微生物和藻类都能将空气中的氮气还原成氨，这就是生物固氮作用。生物固氮对维持自然界的氮循环和供应植物生长所需要的氮源都起着重要作用。

生物在固氮过程中起作用的是其体内的固氮酶。这种酶是两种蛋白质（铁蛋白和铁钼蛋白）的复合体。

能固氮的生物大体上可分为共生固氮生物和自生固氮生物两大类。共生固氮生物（如根瘤菌）的特点是它们独立生活时，没有固氮作用，当它们侵入宿主植物后形成根瘤，从宿主植物汲取碳源和能源进行固氮作用，并供给宿主以氮源。自生固氮生物是指能独立固定氮气的生物。它们能利用土壤中的有机物或通过光合作用来合成各种有机成分，然后耗用这些碳水化合物并将分子氮转变成氨态氮。自生固氮生物又包括好氧和厌氧的细菌、光能自养细菌、烃氧化细菌、蓝藻等。

生物体氧化碳水化合物时生成二氧化碳，同时释出电子

（CH2O）+H2O→CO2+4H⁺+4e^-

△G^θ=-47kJ/mole^-

固氮反应正好需要让氮气获得电子，使 N（0）还原到 N（-3）

N2+8H⁺+6e^-→2NH4+

△G^θ=+27kJ/mol e^-

在后一个半反应中，N2 每得到一摩尔电子需要 27kJ 能量，从能量角度看这个半反应难以发生，但如果以上两个半反应相结合，则可得到总自由焓变发生负变化的结果

（CH2O）+H2O+N2+8H⁺+6e^-→CO2+4H⁺+4e^-+2NH4+

△G^θ=（-47+27）kJ/mol e^-

或 3（CH2O）+3H2O+2N2+4H⁺→3CO2+4NH4+

△G^θ=-120kJ/mol N2

总的反应中释出能量，所以从热力学角度看，反应是容易进行的，微生物也就能由此获取能量。就这样，将氮循环和碳循环联系起来，在一个半循环中释出能量，生成较稳定的化合物；在另一个半循环中获取相当的能量， 而生成不太稳定的化合物，整个循环能量得以平衡，而循环得以正常进行。

关于固氮作用的机理，至今还在研究中，以下为对此所作的最一般性的叙述。

前已述及，固氮酶中含有两个大的蛋白质分子。由于生物样品来源不同， 人们所能获取的固氮酶其分子量及其中金属的含量也有差异。一般地说，铁钼蛋白中含 2 个钼原子，24～32 个铁原子、24～30 个不稳定的硫原子、分子量约 220000；而铁蛋白中只含 4 个铁原子、4 个不稳定的硫原子、不含钼原子，分子量约 68000。这两种蛋白合并起来才有固氮作用，单独存在时没有活力，且已知，微量元素钼在固氮作用中具有关键性意义。氮与铁钼蛋白中的钼键合，并通过以下步骤得以还原并生成氨：

由此看来，N2 还原成 NH3 不是一个简单过程，而是需要一步一步地克服一个一个的小的能垒才能逐步到达终点。在过程中所需能量通过 MgATP 水解产生后，再传送到固氮酶：

MgATP MgADP+Pi+能量

其中还发生电子转移，系通过 Fe 或 Mo 的氧化态变化而实现的

Fe²⁺ Fe³⁺+e^-，Mo⁴⁺ Mo⁵⁺+e^-

不管是固氮反应所需的能量也好，质子、电子也好，终究说来，它们都源于碳水化合物的氧化。从这一意义上看，我们在考虑问题时，应将碳、氢、氧、硫、磷、镁、铁、钼等元素在生物体内循环与氮元素的循环联贯于一体。此外，从以上叙述也可看出，很多微量元素在生物体中起有不可缺少的作用。