生物固氮與人工模擬生物固氮

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1、生物固氮與人工模擬固氮摘要:生物固氮是生命科學(xué)中的重大基礎(chǔ)研究課題之一,它在生產(chǎn)實(shí)際中發(fā)揮著重要作用:為植物特別是糧食作物提供氮素、提高產(chǎn)量、降低化肥用量和生產(chǎn)成本、減少水土污染和疾病、防治土地荒漠化、建立生態(tài)平衡和促進(jìn)農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展。本文旨在了解現(xiàn)在國(guó)際生物固氮和人工模擬生物固氮的現(xiàn)狀，思考如何使用生物技術(shù)（特別是蛋白質(zhì)工程）在固氮領(lǐng)域。關(guān)鍵詞:生物固氮人工模擬固氮固氮酶化學(xué)模擬引言：空氣中約80%的氮?dú)獠荒鼙恢参镏苯永?只有固氮微生物具有將氮?dú)廪D(zhuǎn)化成氨的能力,人們稱(chēng)為生物固氮。據(jù)聯(lián)合國(guó)糧農(nóng)組織(FAO)1995年粗略估計(jì),全球每

2、年由生物固定的氮量已近2×106t(相當(dāng)于4×108t尿素),約占全球植物需氮量的3/4。所以,生物固氮是地球上最大規(guī)模的天然氮肥工廠。但為了滿(mǎn)足需求還要新建很多氮肥廠,投資上千億元.一方面,適量使用化學(xué)氮肥可使糧食高產(chǎn);另一方面,生產(chǎn)化學(xué)氮肥要大量消耗能源,加重大氣污染和溫室效應(yīng).大量施用化肥,不僅提高農(nóng)業(yè)生產(chǎn)成本,而且導(dǎo)致水土污染,影響健康和破壞生態(tài)平衡.對(duì)于提高農(nóng)業(yè)產(chǎn)量,降低化肥用量和農(nóng)業(yè)生產(chǎn)成本,減少水土污染和疾病,治理占我國(guó)國(guó)土面積約27%的荒漠化地區(qū),發(fā)展可持續(xù)農(nóng)業(yè),生物固氮將起重要作用。而生物固氮中用到的固氮酶是一種重要

3、蛋白質(zhì)，聯(lián)想到課上學(xué)習(xí)的生物工程中蛋白質(zhì)工程，我想到用蛋白質(zhì)工程來(lái)制作新的更高效率的固氮酶來(lái)提高人工模擬固氮的產(chǎn)量，從而節(jié)省投資成本和保護(hù)環(huán)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將大氣中的氮?dú)膺€原成氨的過(guò)程。固氮生物都屬于個(gè)體微小的原核生物，所以，固氮生物又叫做固氮微生物。根據(jù)固氮微生物的固氮特點(diǎn)以及與植物的關(guān)系，可以將它們分為自生固氮微生物、共生固氮微生物和聯(lián)合固氮微生物三類(lèi)。1.2生物固氮的過(guò)程生物固氮是固氮微生物特有的一種生理功能，這種功能是在固氮酶的催化作用下進(jìn)行的。固氮酶是一種能夠?qū)⒎肿拥€原成氨的酶。固氮

4、酶是由兩種蛋白質(zhì)組成的：一種含有鐵，叫做鐵蛋白，另一種含有鐵和鉬，叫做鉬鐵蛋白。只有鐵蛋白和鉬鐵蛋白同時(shí)存在，固氮酶才具有固氮的作用。[1]1．3生物固氮的研究現(xiàn)狀當(dāng)前,國(guó)內(nèi)外生物固氮研究已進(jìn)入一個(gè)新階段,其特點(diǎn)是多學(xué)科交叉,將基礎(chǔ)研究和應(yīng)用前景相結(jié)合,開(kāi)拓了思路.當(dāng)前生物固氮研究正在分子和原子水平上開(kāi)展,如:固氮基因表達(dá)的銨阻遏和氧敏感機(jī)制;共生結(jié)瘤固氮中植物與微生物相互關(guān)系的基因表達(dá)和調(diào)控;根瘤菌結(jié)瘤因子的結(jié)構(gòu)和生物合成;根瘤菌及其宿主植物的基因組學(xué)、轉(zhuǎn)錄組學(xué)和蛋白質(zhì)組學(xué);固氮酶的結(jié)構(gòu)和功能及其化學(xué)模擬;固氮效率的提高及其在農(nóng)業(yè)和

5、環(huán)境保護(hù)中的應(yīng)用等.這些研究要求生物學(xué)、農(nóng)學(xué)、化學(xué)和物理學(xué)等學(xué)科的交叉和結(jié)合,引入新概念和新技術(shù),綜合進(jìn)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種能夠?qū)⒎肿拥€原成氨的酶。固氮酶是由兩種蛋白質(zhì)組成的：一種含有鐵，叫做鐵蛋白，另一種含鐵和鉬mo2+，稱(chēng)為鉬鐵蛋白。這種酶在固氮的過(guò)程中每個(gè)電子的傳遞需要消耗2~3個(gè)ATP，而且一般固氮生物在固氮的同時(shí)也會(huì)產(chǎn)生氫氣，因此固氮的總反應(yīng)式可寫(xiě)為：N2+8H++8e---------->2NH3+H21.5我國(guó)生物固氮研究成果的國(guó)際認(rèn)可和曾經(jīng)面臨的困境“生物固氮”成為科學(xué)定義

6、并開(kāi)始大力研究已有114年的歷史.我國(guó)自1937年開(kāi)始生物固氮研究,已有65年歷史.20世紀(jì)70年代生物固氮研究在生物化學(xué)和分子遺傳學(xué)等方面取得突破后,我國(guó)也取得了一系列重要成果,在國(guó)際上占有一定的地位,在某些方面還具有重要影響.因此,國(guó)際生物固氮研究委員會(huì)主席W.Newton曾多次建議在中國(guó)召開(kāi)國(guó)際生物固氮研究大會(huì),經(jīng)研究決定2003年在北京召開(kāi)第14屆國(guó)際生物固氮大會(huì).我國(guó)生物固氮研究的道路曲曲折折,曾經(jīng)有兩種錯(cuò)誤認(rèn)識(shí):一是受到假冒偽劣生物固氮肥料的宣傳的干擾,認(rèn)為生物固氮問(wèn)題已經(jīng)解決;二是對(duì)國(guó)際和國(guó)內(nèi)生物固氮研究的突破性進(jìn)展了解

7、不夠,認(rèn)為難度大,進(jìn)展甚微,國(guó)內(nèi)經(jīng)多年研究也未出成果.兩者的結(jié)果使我國(guó)的生物固氮研究面臨嚴(yán)重困境.為防止困境再現(xiàn),經(jīng)我國(guó)有關(guān)決策者和研究人員的共同努力,恢復(fù)了固氮研究應(yīng)有的地位.這就為鞏固研究成果,繼續(xù)發(fā)展,不失時(shí)機(jī)地迎接生物固氮的重大突破的新時(shí)代的到來(lái),并把生物固氮研究中與生命科學(xué)其他學(xué)科相關(guān)的重大科學(xué)問(wèn)題提高到一個(gè)新水平,使其進(jìn)一步為我國(guó)農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展做出重要貢獻(xiàn).2人工固氮2.1人工固氮概述及近況工業(yè)上通常用H2和N2在催化劑、高溫、高壓下合成氨（3H2+N2=催化劑，高溫=2NH3）近況：兩位希臘化學(xué)家，位于Thessalon

8、iki的阿里斯多德大學(xué)的GeorgeMarnellos和MichaelStoukides發(fā)明了一種合成氨的新方法(Science，2Oct．1998，P98)。在常壓下，令氫與用氦稀釋的氮分別通入一加熱到570℃的以鍶-