將空氣中游離態(tài)的氮轉(zhuǎn)化為含氮化合物的過程叫氮的固定。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個屬，包括細菌、放線菌和藍菌門（即藍藻），它們的生活方式、固氮作用類型有較大區(qū)別，但細胞內(nèi)都具有固氮酶。不同固氮微生物的固氮酶均由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)。
生物固氮
固氮作用過程十分復雜，目前還不完全清楚。各種固氮微生物進行固氮作用的總反應(yīng)可用以下簡式表示：
根據(jù)固氮微生物與維管植物的關(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，能獨立進行固氮作用的某些細菌。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。還有光合細菌如紅螺菌屬、綠菌屬以及藍菌門（藍藻），如魚腥藻屬、念珠藻屬等。
聯(lián)合固氮
近年在上述兩個類型之間又提出一個中間類型，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)或皮層細胞間，不形成根瘤，但有較強的專一性，如雀稗固氮菌與點狀雀聯(lián)合，生活在雀稗根的粘質(zhì)鞘套內(nèi)，固氮量可達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（根瘤菌）的細菌與豆科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；某些藍菌門與植物共生形成的共生體，如念珠藻或魚腥藻屬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。在實驗條件下培養(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)，因為根瘤菌等共生固氮菌，只有與相應(yīng)的植物共生時，才能利用分子態(tài)氮（N2）進行固氮作用。
電離固氮
即采用人工或自然的方式，使空氣中的氮氣轉(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氣和氧氣產(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。
非生物固氮
工業(yè)固氮
19世紀末化肥工業(yè)的出現(xiàn)和發(fā)展推動了農(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初成了世界性的重大研究課題。盡管不少化學家耗費了相當大的精力，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，實驗歷時一年效果不盡人意。后來從法國化學家用高溫、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行試驗，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日哈伯在實驗室采用600℃、 200個大氣壓和用金屬鐵作催化劑的條件下，人工固氮成功，平衡后氨的濃度達到6%，首次取得突破，當年德國巴登苯胺純堿公司總經(jīng)理、工業(yè)化學家博施（Carl 博世公司），參觀了哈伯的實驗室，確認他的方法成功、有效，決定擴大進行中間試驗。此后弗里茨·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，終于研制成功含有鉀、鋁氧化物作助催化劑的價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)汽車公司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)實現(xiàn)高溫、高壓、催化反應(yīng)的第一個里程碑。合成氨的原料來自空氣、煤和水，因此是最經(jīng)濟的人工固氮法，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)上推動了高溫、高壓、催化劑等一系列的技術(shù)進步。合成氨的成功也為德國節(jié)省了巨額經(jīng)費支出，弗里茨·哈伯、博施也一舉成名。
應(yīng)用
作為合成氨工業(yè)的奠基人，哈伯也深受當時德國統(tǒng)治者的青睞，他數(shù)次被德皇威廉二世召見，委以重任。1911年他擔任了威廉皇家物理化學和電化學研究所所長兼柏林大學教授。1914年第一次世界大戰(zhàn)爆發(fā)時，哈伯參與設(shè)計的多家合成氨工廠已在德國建成。當時唯有德國掌握壟斷了合成氨技術(shù)，這也促成了德皇威廉二世的開戰(zhàn)決心。威廉認為只要能源源不斷地生產(chǎn)出氨和硝酸，德國的糧食和炸藥供應(yīng)就有保證：再全力阻擾敵國獲得智利硝石就可以制限對方，德國就能獲勝。外國首腦和軍事專家也曾預(yù)測：由于含氨化合物的短缺，大戰(zhàn)將在一年之內(nèi)結(jié)束。不料德國合成氨的成功使其含氮化合物自給有余，從而延長了一次大戰(zhàn)的時間，弗里茨·哈伯的成功也給平民百姓帶來了災(zāi)難、戰(zhàn)爭和死亡，這大概是他料想不到的。
有關(guān)發(fā)展
在熱帶雨林之外生長最快的樹木是毛白楊。這種樹高而細長，在不到10年的時間里就可以長到30米高，即便是生長在它們似乎并不適宜的環(huán)境里，如焚燒的土地以及多沙的河岸。
Sharon Doty說，這樣的生長速度得益于其葉片和其他組織中的微生物。當白楊的葉子細胞忙著把日光轉(zhuǎn)化為能量時，葉子細胞中的細菌會把空氣中的氮轉(zhuǎn)化成一種維持樹木快速生長所需要的氮。
這是個有些激進的觀點，因為固氮作用普遍認為主要發(fā)生在豆科與其他少數(shù)植物根部含有大量細菌的根瘤上。“我們完全是在挑戰(zhàn)教條主義。”美國華盛頓大學微生物學家Doty說。
在5月初的第五屆約塞米蒂國家公園（位于加利福尼亞州中部）共生研討會上，Doty對她的觀點進行了佐證。她報道了毛白楊從某種微生物中獲取氮的首個直接例證，她的觀點得到了加利福尼亞大學環(huán)境微生物學家Carolin Frank的支持，F(xiàn)rank研究的是不同種類的樹木在貧瘠土地上如何生存，她在報告中表示，固氮作用還可能出現(xiàn)在柔枝松的針葉中，這種松樹主要生長在美國西部多石、海拔較高的坡地上。
Frank和Doty推測，具有固氮作用的葉子細菌可能十分廣泛，如果把它們轉(zhuǎn)移到農(nóng)作物上，可能有助于提高貧瘠土壤的作物產(chǎn)量。Doty發(fā)現(xiàn)，一些莊稼在接種過這種微生物后生長得更好。她在約塞米蒂年會上舉了一個例子：大米。盡管其他植物學家不太相信這種觀點，但是同樣對此表現(xiàn)出強烈興趣。“如果大量（樹木）物種中都有一種尚未識別的氮固定生物，那會是個大發(fā)現(xiàn)。”加利福尼亞大學戴維斯分校植物和微生物學家Douglas Cook說。
從上世紀90年代起，固氮作用僅在富含微生物的植物根瘤上存在的觀點受到了挑戰(zhàn)，彼時研究人員在沒有根瘤的甘蔗中發(fā)現(xiàn)了固氮作用。自那時起，研究人員不時有成果指出，植物組織內(nèi)生長著一種叫作內(nèi)生真菌的細菌，可以為宿主提供生長所需的氮。但是Cook認為：“尚未作過恰當?shù)难芯浚虼诉@樣的觀點并非舉足輕重。”
他和一些研究人員主張，這一過程中非常關(guān)鍵的固氮酶刺激反應(yīng)過于敏感，不能讓氧氣在葉子內(nèi)工作。而且即便有微生物在轉(zhuǎn)化空氣中的氮，“也并不能意味著，它們在為宿主提供益處”。斯坦福大學研究氮儲存的專家Sharon Long說。
Doty試圖回答所有的反對意見。她在約15年前就開始懷疑固氮作用可能存在于根瘤之外，當時她發(fā)現(xiàn)毛白楊細胞培養(yǎng)皿中充滿了和已知固氮微生物株相關(guān)的細菌，她把細菌放在沒有氮氣的媒介中，然而一些微生物卻存活下來，它們很明顯從空氣中獲得了氮。
此后，她記錄了數(shù)十種來自白楊的菌株促進白楊之外的其他植物生長的例證，包括黑麥、草坪草、玉米、楊木、番茄以及此次的大米等。她的溫室氣體研究表明，在一種含有白楊內(nèi)生菌的發(fā)酵液中浸泡了4小時的稻秧，最終整個植物體遍及這種微生物，而且比沒有浸泡過該發(fā)酵液的稻秧長得更高、產(chǎn)量更多，而且會產(chǎn)生更多分蘗。
如果Doty是正確的，一個劑量的這種生物菌可能確實會對農(nóng)民有益。“氮是個巨大的約束因子，對非洲農(nóng)業(yè)尤其如此。”植物生物學家、西雅圖比爾及梅琳達·蓋茨基金會的一名項目官員Katherine Kahn說。目前確實存在補償措施有限的問題：花費不僅昂貴，而且會污染環(huán)境，向土壤中加入固氮細菌也不能很好見效，而且給農(nóng)作物植入需要形成根瘤的基因或是讓它們自身進行固氮都是非常遙遠的夢想。
一些研究人員懷疑，Doty分離出的一些葉子寄生細菌會產(chǎn)生促進生長的植物荷爾蒙。但因為Doty是在缺乏氮的人工土壤中進行的實驗，她認為，由這種細菌提供的氮一定在促進植物生長。在會議上，Doty原來的技術(shù)員Andrew Sher則說明了自己認為最強有力的證據(jù)。Sher把來自野生毛白楊的切片放入燒杯中，并讓它們接觸比空氣中氮濃度更高的氮。隨后，植物體內(nèi)呈現(xiàn)出同樣的同位素，這表明細菌已經(jīng)捕獲到氮并把它轉(zhuǎn)化為可用的營養(yǎng)，Doty說。
盡管如此，一些研究人員仍對這一觀點持謹慎態(tài)度。“現(xiàn)在科學家的看法正在逐漸發(fā)生改變，不是從懷疑變?yōu)樾湃危菑膽岩勺優(yōu)橹斏鞯奶釂枴！?a href="/hebeideji/8812949692350811749.html">田納西州橡樹嶺國家實驗室植物遺傳學家Gerald Tuska說。Tuskan和同事已經(jīng)從白楊中分離出約3000個微生物，其中許多配有固氮酶。其中一些微生物被生物膜隔離在氧限制隔間中，在那里固氮酶甚至在葉子富養(yǎng)環(huán)境中也能發(fā)揮作用。
樹木固氮作用的觀點在一步步逐漸確立，F(xiàn)rank說：“我覺得我們在逐漸改變?nèi)藗兊挠^點，也包括我們自己的觀點
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