
【化】 Azobacter
nitrogen-fixing bacteria
【化】 azotobacteria
be similar to; genus; kind; species
【醫】 group; para-; race
固氮菌類(Diazotrophs)是能夠通過生物固氮作用将大氣中的氮氣(N₂)轉化為氨(NH₃)或其他可利用氮化合物的微生物類群。該術語在漢英詞典中對應英文"Diazotrophs",源自希臘語"diazo"(含氮)和"troph"(營養)。以下為科學角度的詳細解析:
生物學定義與分類
固氮菌類包含原核生物中的細菌和古菌,主要分布于變形菌門、厚壁菌門等類群。自由生存型代表如固氮菌屬(Azotobacter),共生型如根瘤菌屬(Rhizobium)與豆科植物形成根瘤結構。厭氧型固氮菌如巴氏梭菌(Clostridium pasteurianum)則依賴無氧環境完成固氮。
作用機制
該類微生物依賴固氮酶複合體(nitrogenase)催化反應:
$$
N₂ + 8H^+ + 8e^- + 16ATP → 2NH₃ + H₂ + 16ADP + 16Pi
$$
該過程需嚴格厭氧環境,部分菌株通過形成特殊細胞結構(如藍藻的異形胞)維持酶活性。
生态與經濟價值
全球每年生物固氮量達1.7×10⁸噸,相當于工業合成氨産量的65%。在農業系統中,接種根瘤菌可使大豆增産10-30%。近年研究發現深海沉積物中的固氮菌類對海洋氮循環有關鍵貢獻。
基因組特征
固氮菌類普遍攜帶包含nifHDK基因的固氮島(nif island),其中nifH基因編碼固氮酶鐵蛋白亞基。比較基因組學研究表明,該基因簇在進化過程中通過水平基因轉移在不同菌種間傳播。
固氮菌類是一類能夠将大氣中的氮氣(N₂)轉化為植物可利用氮化合物的微生物,在自然界氮循環和農業生态中具有重要作用。以下是綜合解釋:
固氮菌屬于細菌的一科,菌體形态多為杆狀、卵圓形或球形,無内生芽孢,革蘭氏染色陰性。它們嚴格好氧(部分可適應厭氧環境),通過有機營養獲取能量,能将空氣中的氮氣轉化為氨或其他氮化物,供植物吸收。
根據與植物的關系,固氮菌可分為三類:
固氮菌通過固氮酶催化反應,将氮氣還原為氨(NH₃)。反應需消耗能量,公式為: $$ text{N}_2 + 8text{H}^+ + 8text{e}^- + 16text{ATP} rightarrow 2text{NH}_3 + text{H}_2 + 16text{ADP} + 16text{Pi} $$ 該過程對溫度(26~37℃)和pH(5.0~8.0)有較廣適應性。
與硝化細菌不同,固氮菌直接固定氮氣,而硝化細菌将氨轉化為硝酸鹽,且屬于化能自養型。
如需進一步了解具體菌種或應用案例,可參考來源網頁。
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