[科普中國]-固氮作用

簡介

固氮作用（nitrogen fixation） 是分子態(tài)氮被還原成氨和其他含氮化合物的過程。自然界氮（N2）的固定有兩種方式：一種是非生物固氮，即通過閃電、高溫放電等固氮，這樣形成的氮化物很少；二是生物固氮，即分子態(tài)氮在生物體內(nèi)還原為氨的過程。大氣中90%以上的分子態(tài)氮都是通過固氮微生物的作用被還原為氨的。1

生物固氮生物固氮是固氮微生物的一種特殊的生理功能，已知具固氮作用的微生物約近50個(gè)屬，包括細(xì)菌、放線菌和藍(lán)細(xì)菌（即藍(lán)藻），它們的生活方式、固氮作用類型有較大區(qū)別，但細(xì)胞內(nèi)都具有固氮酶。不同固氮微生物的固氮酶均由鉬鐵蛋白和鐵蛋白組成。固氮酶必須在厭氧條件下，即在低的氧化還原條件下才能催化反應(yīng)。固氮作用過程十分復(fù)雜，目前還不完全清楚。各種固氮微生物進(jìn)行固氮作用的總反應(yīng)可用以下簡式表示：

根據(jù)固氮微生物與高等植物的關(guān)系，可分為自生固氮菌、共生固氮菌以及聯(lián)合固氮菌。其所進(jìn)行的固氮作用分別稱為自生固氮，共生固氮或聯(lián)合固氮。

另外，還有大豆等生物，跟也有固氮作用。

自生固氮菌自生固氮菌（Azotobacteria）是自由生活在土壤或水域中，能獨(dú)立進(jìn)行固氮作用的某些細(xì)菌。以分子態(tài)氮為氮素營養(yǎng)，將其還原為NH3，再合成氨基酸、蛋白質(zhì)。包括好氧性細(xì)菌，如固氮菌屬、固氮螺菌屬以及少數(shù)自養(yǎng)菌；兼性厭氧菌，如克雷伯氏菌屬；厭氧菌，如梭狀芽孢桿菌屬的一些種。還有光合細(xì)菌如紅螺菌屬、綠菌屬以及藍(lán)細(xì)菌（藍(lán)藻），如魚腥藻屬、念珠藻屬等。

聯(lián)合固氮近年在上述兩個(gè)類型之間又提出一個(gè)中間類型，稱為聯(lián)合固氮。即有的固氮菌生活在某些植物根的粘質(zhì)鞘套內(nèi)或皮層細(xì)胞間，不形成根瘤，但有較強(qiáng)的專一性，如雀稗固氮菌與點(diǎn)狀雀稗聯(lián)合，生活在雀稗根的粘質(zhì)鞘套內(nèi)，固氮量可達(dá)15～93千克/公頃·年。其他如生活在水稻、甘蔗及許多熱帶牧草的根際的微生物，由于與這些植物根系聯(lián)合，因而都有很強(qiáng)的固氮作用。

共生固氮菌共生固氮菌在與植物共生的情況下才能固氮或才能有效地固氮，固氮產(chǎn)物氨可直接為共生體提供氮源。共生固氮效率比自生固氮體系高數(shù)十倍。主要有根瘤菌屬（Rhizobium）的細(xì)菌與豆科植物共生形成的根瘤共生體，弗氏菌屬（Frankia）與非豆科植物共生形成的根瘤共生體；某些藍(lán)細(xì)菌與植物共生形成的共生體，如念珠藻或魚腥藻與裸子植物蘇鐵共生形成蘇鐵共生體，紅萍與魚腥藻形成的紅萍共生體等。在實(shí)驗(yàn)條件下培養(yǎng)自生固氮菌，培養(yǎng)基中只需加入碳源（如蔗糖、葡萄糖）和少量無機(jī)鹽，不需加入氮源，固氮菌可直接利用空氣中的氮（N2）作為氮素營養(yǎng)；如培養(yǎng)根瘤菌，則需加入氮素營養(yǎng)，因?yàn)楦鼍裙采痰挥信c相應(yīng)的植物共生時(shí)，才能利用分子態(tài)氮（N2）進(jìn)行固氮作用。

電離固氮即采用人工或自然的方式，使空氣中的氮?dú)廪D(zhuǎn)化為氮化物。電離作用和大自然中的閃電能使空氣中的氮?dú)夂脱鯕猱a(chǎn)生化合作用，形成 一氧化氮，一氧化氮極其不穩(wěn)定，會瞬間被氧化成二氧化氮。二氧化氮溶于水形成稀薄的硝酸，而硝酸會與土壤里的元素形成氮化物，從而被植物吸收。2

非生物固氮19世紀(jì)末化肥工業(yè)的出現(xiàn)和發(fā)展推動(dòng)了農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的發(fā)展。隨著世界人口增長對糧食的需求也日趨增大，再加上工業(yè)發(fā)展和軍事上的迫切需要，使人工固氮在本世紀(jì)初成了世界性的重大研究課題。盡管不少化學(xué)家耗費(fèi)了相當(dāng)大的精力，但仍未掌握一種較理想的人工固氮方法。

1905年德國物理化學(xué)家、合成氨的發(fā)明者弗里茨·哈伯（Fritz Haber）赴美國考察，回國后也采用高壓放電固氮，實(shí)驗(yàn)歷時(shí)一年效果不盡人意。后來從法國化學(xué)家用高溫、高壓合成氨發(fā)生爆炸的消息中獲得啟示，他也毅然采用該法進(jìn)行試驗(yàn)，表現(xiàn)了他的果斷和勇氣。在歷經(jīng)無數(shù)次失敗后， 1909年7月2日哈伯在實(shí)驗(yàn)室采用600℃、 200個(gè)大氣壓和用金屬鐵作催化劑的條件下，人工固氮成功，平衡后氨的濃度達(dá)到6%，首次取得突破，當(dāng)年德國巴登苯胺純堿公司總經(jīng)理、工業(yè)化學(xué)家博施（Carl Bosch），參觀了哈伯的實(shí)驗(yàn)室，確認(rèn)他的方法成功、有效，決定擴(kuò)大進(jìn)行中間試驗(yàn)。此后哈伯提出了原料氣循環(huán)使用的合理建議；博施也解決了從水煤氣中獲得氫氣的問題。1910年建成新工藝流程的中試工廠。該公司的研究人員在化學(xué)家米塔斯（Mitas）的主持下，用2500種不同的催化劑經(jīng)上萬次試驗(yàn)，終于研制成功含有鉀、鋁氧化物作助催化劑的價(jià)廉易得的高效鐵催化劑。1911年巴登公司在德國奧堡建成世界第一座日產(chǎn)30 噸合成氨的工廠。人稱這種合成氨方法為“哈伯－博施法”，這是具有世界意義的人工固氮技術(shù)的重大成就。是化工生產(chǎn)實(shí)現(xiàn)高溫、高壓、催化反應(yīng)的第一個(gè)里程碑。合成氨的原料來自空氣、煤和水，因此是最經(jīng)濟(jì)的人工固氮法，從而結(jié)束了人類完全依靠天然氮肥的歷史，給世界農(nóng)業(yè)發(fā)展帶來了福音；為工業(yè)生產(chǎn)、軍工需要的大量硝酸、炸藥解決了原料問題）在化工生產(chǎn)上推動(dòng)了高溫、高壓、催化劑等一系列的技術(shù)進(jìn)步。合成氨的成功也為德國節(jié)省了巨額經(jīng)費(fèi)支出，哈伯、博施也一舉成名。