生物固氮原理省公共课一等奖全国赛课获奖课件.pptx

胡吉利胡吉利 齐永峰齐永峰 吕胜满吕胜满 董申申董申申第1页大气中大气中大气中大气中N N N N2 2 2 2尿素及动植尿素及动植尿素及动植尿素及动植物遗体物遗体物遗体物遗体NONONONO3 3 3 3-土壤中微生物土壤中微生物土壤中微生物土壤中微生物NHNHNHNH3 3 3 3NONONONO3 3 3 3-氮素化肥氮素化肥氮素化肥氮素化肥自然界中N循环第2页固氮固氮N2 NH3工厂工厂N2 NH3闪电等闪电等N2 NH3固氮微生物固氮微生物工业固氮工业固氮:高能固氮高能固氮:生物固氮生物固氮:第3页固氮微生物种类固氮微生物种类按生物分类学分按生物分类学分 按与植物关系分按与植物关系分2 2 2 2、氮单孢菌属氮单孢菌属3 3 3 3、拜耶林克氏菌拜耶林克氏菌属属4 4 4 4、德克斯氏菌属德克斯氏菌属自生固氮微生物自生固氮微生物自生固氮微生物自生固氮微生物1 1 1 1、固氮菌属固氮菌属共生固氮微生物共生固氮微生物共生固氮微生物共生固氮微生物第4页固氮菌发觉固氮菌发觉 19，M.W.拜耶林克首先发觉并描述了这类细菌，他定名有2个种：一是褐色固氮菌,常生存于中性或碱性土壤中；一是活泼固氮菌，常生存于水中。1938年，C.H.维诺格拉茨基将生产孢囊菌株（以褐色固氮菌为代表）归属于固氮菌属，将不产生孢囊菌株（以活泼固氮菌为代表）归属于氮单孢菌属。1950年，H.G.德克斯先后提出建立拜耶林克氏菌属和德克斯氏菌属。第5页什么是固氮菌什么是固氮菌细菌一科。菌体杆状、卵圆形或球形，无内生芽孢，革兰氏染色阴性。严格好氧性，有机营养型，能固定空气中氮素。第6页生物固氮(nitrogen fixation)定义：分子态氮在生物体内还原为氨过程特点：1、生物固氮是固氮微生物一个特殊生 理功效，具固氮作用微生物约近50个属，它们生活方式、固氮作用类型有较大区分，但细胞内都含有固氮酶 第7页2、不一样固氮微生物固氮酶均由钼铁蛋白和铁蛋白组成。固氮酶必须在厌氧条件下，即在低氧化还原条件下才能催化反应3、固氮作用过程十分复杂，当前还不完全清楚。第8页固氮作用总反应可用简式表示：e-+H+ATPADP+PiN2NH3乙炔乙炔乙烯乙烯固氮酶固氮酶第9页固氮酶！第10页固氮酶由2种蛋白质组成：一个为含有钼和铁钼铁蛋白，分子量为00；另一个为含铁铁蛋白,分子量为65000。铁蛋白含有很强还原力，它提供电子给钼铁蛋白。钼铁蛋白能与氮气分子络合，然后使之还原为氨。在这个过程中，需要腺苷三磷酸(ATP)提供能量和铁氧还蛋白充当强还原剂。第11页一、一、固氮酶催化反应固氮酶催化反应固氮酶起源于各种固氮微生物固氮酶起源于各种固氮微生物,能催化大能催化大气中气中N N2 2还原为还原为NHNH3 3,N N2 2+8H+8H+8e+8e-+16MgATP+16MgATP 2NH2NH3 3 +H+H2 2+16MgADP+16Pi+16MgADP+16Pi (无机磷酸盐无机磷酸盐)第12页除催化除催化N N2 2还原为还原为NHNH3 3外外,固氮酶还能和许固氮酶还能和许多小分子底物作用多小分子底物作用,没有严格专一性没有严格专一性。如如：氮酶催化反应氮酶催化反应HCN+6H+6e CH4+NH3 N2O+3H+2e N2+NH3 C2H2+2H+2e C2H4 第13页二、二、固氮酶组成和结构固氮酶组成和结构固氮酶固氮酶由各种固氮微生物分离出来由各种固氮微生物分离出来,均为均为由由钼铁蛋白钼铁蛋白和和铁蛋白铁蛋白组成。组成。1993 1993年才基年才基本确定本确定功效功效:铁蛋白铁蛋白是依赖于是依赖于ATPATP供给能量电子供给能量电子传递体传递体,把电子传递给把电子传递给钼铁蛋白钼铁蛋白,钼铁蛋白钼铁蛋白结合底物结合底物（N N2 2）分子并催化其还原。分子并催化其还原。第14页三、三、固氮酶作用机理研究固氮酶作用机理研究固氮酶固氮酶中铁蛋白作用是传递电子中铁蛋白作用是传递电子,钼铁蛋钼铁蛋白白与底物结合并还原与底物结合并还原N N2 2催化部位催化部位,即即N N2 2只只有与有与钼铁蛋白钼铁蛋白结合、方可被催化还原为结合、方可被催化还原为NHNH3 3。固氮酶作用机理包含固氮酶作用机理包含:电子传递电子传递、N N2 2分子键合分子键合、催化和还原等催化和还原等。第15页n1 1.电子传递电子传递 研究表明，在固氮酶催化研究表明，在固氮酶催化N N2 2和其它底物和其它底物还原反应中，电子传递次序为：还原反应中，电子传递次序为：（活活体体内内）铁铁氧氧还还蛋蛋白白或黄素蛋白或黄素蛋白 （活体外）（活体外）NaNa2 2S S2 2O O4 4 铁蛋白铁蛋白 钼铁蛋白钼铁蛋白底物底物 MgATP第16页n2 2.底物结合和还原底物结合和还原nMoFePMoFeP辅基是底物结合部位，从铁钼辅基辅基是底物结合部位，从铁钼辅基中铁配位不饱和事实出发，普通认为，底中铁配位不饱和事实出发，普通认为，底物是经过与三角形配位铁配位而结合。但物是经过与三角形配位铁配位而结合。但也有其它观点：一个认为也有其它观点：一个认为N N2 2分子经过铁钼分子经过铁钼辅基中存在辅基中存在FeFeFeFe键形成键形成FeNFeN键而与铁钼键而与铁钼蛋白结合；也有些人认为以另一个方式结蛋白结合；也有些人认为以另一个方式结合。合。nN N2 2与铁钼辅基结合方式当前仍是一个未处与铁钼辅基结合方式当前仍是一个未处理问题。理问题。FeNN-Fe Fe Fe NN第17页固氮酶作用机理固氮酶作用机理小结小结:电子传递、电子传递、N N2 2分子键合分子键合、催化和催化和还原还原等。等。第18页意义与前景意义：1 1、填补土壤中氮素损失、填补土壤中氮素损失 2 2、进行根瘤菌拌种，提升豆科、进行根瘤菌拌种，提升豆科 作物产量作物产量第19页3 3、固氮微生物固氮过程完全是生物和、固氮微生物固氮过程完全是生物和微生物自发进行，无须提供任何能源微生物自发进行，无须提供任何能源和设备，因而它降低了能源消耗。因和设备，因而它降低了能源消耗。因为全部固氮过程都是生物活动，无污为全部固氮过程都是生物活动，无污染物排放，有利于保护生态环境。染物排放，有利于保护生态环境。同同时，时，因为降低和免去了化学氮素投入，因为降低和免去了化学氮素投入，使农产品中硝酸和亚硝酸物质大幅度使农产品中硝酸和亚硝酸物质大幅度降低，提升了农产品品质降低，提升了农产品品质，降低致癌降低致癌物质对人类物质对人类危害。危害。第20页前景构想：构想：将固氮基因转移到非豆科作物将固氮基因转移到非豆科作物细胞内，使其自行固氮细胞内，使其自行固氮第21页谢谢 谢！谢！第22页