1、第六部分 生物技术与生命科学新进展第41讲 生物固氮 一、考点内容全解（一）本讲考点是什么1.固氮微生物的种类种类特点举例备注共生固氮型与植物营共生生活与豆科植物共生的根瘤菌固氮生物与共生生物有专一性与某些植物共生的其他细菌、放线菌和真菌自生固氮型对植物没有依存关系，能独立生活好氧型的自生固氮菌圆褐固氮菌分泌生长素厌氧型的自生固氮如梭菌某些能固氮的蓝藻自养型特别提示：自生固氮微生物不等于自养型2.生物固氮3.氮的循环（二）考点例析例1自生和共生固氮微生物可以将 （ ）A大气中的N2转化为NH3 B大气中的N2转化为NO3C土壤中的NH3转化为NO3 D土壤中的NO3转化为N2解析本题考查生物固
2、氮的基本概念。生物固氮是指固氮微生物将大气中的氮还原成氨的过程，固氮微生物包括共生固氮微生物和自生固氮微生物两种类型，在固氮酶的催化下，它们均能将大气中的分子态的N2转化为化合态的NH3。答案A例2固氮酶具有底物多样性的特点，所有的固氮酶除了能催化N2NH3的反应外还能催化：NO2N2+H2O N3N2+ NH3 C2H2C2H4 2H+H2请结合上面的生物固氮原理示意图，回答：(1)生物固氮需要的条件有 (2)试概括出生物固氮的反应式： 解析不同固氮微生物的固氮催化作用情况基本相同：需要N2为原料，需要e、H，以及ATP提供能量来源，还需要固氮酶作为该反应的催化剂。主要产物为NH3。答案(1
3、) N2、e、H、ATP和酶固氮酶(2)N2eHATP NH3 ADPPi同类变式微生物固氮的反应要求钼铁蛋白和铁蛋白的存在，工业合成氨，也是用含铁的钼盐作催化剂的。下列叙述最能体现这两种固氮方式的区别 （ ）A生物固氮是酶促反应，工业固氮是氧化还原反应 B固氮微生物为固氮酶的载体C生物固氮与微生物固氮没有本质区别 D生物固氮的产物是有机物钼铁蛋白铁蛋白N2 + 6H 2NH3解析本题主要变化是考查对生物固氮本质的认识。生物固氮是固氮微生物特有的一种生理功能，这种功能的实质是在固氮酶的催化作用下进行的。 固氮酶由含铁钼的钼铁蛋白和含铁的铁蛋白两种蛋白质组成，钼、铁起传递电子的作用，只有两种蛋白
4、质同时存在，固氮酶才具有固氮的作用。即： 所以，与工业上从空气中取氮以制造氨，也用含铁的钼盐作催化剂不同的是：在生物体内，含钼和铁的催化剂都是酶蛋白。答案B解题警示生物固氮也是氧化还原反应，所以选项A 不能体现这两种固氮方式的本质区别。氨化作用大气N2反硝化作用固氮作用硝化作用植物动物NO3-NH3分解者生物体有机氮例3 右图是自然界中的氮以蛋白质的形式在生物体内转化的部分过程示意图。请回答：(1)自然界中将NH3转化成N03的生物叫 ，该种生物的同化方式主要通过 作用来完成；自然界中将NH3转化成N2的生物的新陈代谢类型是 。(2)植物的根从土壤中吸收N03是通过 完成的，吸收的N03与有机
5、物合成为植物蛋白质。(3)图中、酶和血浆蛋白虽都为蛋白质，但功能各不相同，从分子结构上看，直接原因是 ；而由于血红蛋白质异常的镰刀型细胞贫血症的根本原因是 。(4)过程是 ；过程是 ；细胞中的合成场所是 ；不含氮部分彻底氧化的场所是 。解析本题以生物体蛋白质代谢为问题切入点，考查氮循环的全过程。构成氮循环的主要环节是：生物体内有机氮的合成（植物吸收土壤中的铵盐和硝酸盐，进而将这些无机氮同化成植物体内的蛋白质等有机氮；动物直接或间接以植物为食物，将植物体内的有机氮同化成动物体内的有机氮）、氨化作用（动植物的遗体、排出物和残落物中的有机氮被微生物分解后形成氨）、硝化作用（在有氧的条件下，土壤中的氨
6、或铵盐在硝化细菌的作用下最终氧化成硝酸盐）、反硝化作用（在氧气不足的条件下，土壤中的硝酸盐被反硝化细菌等多种微生物还原成亚硝酸盐，并且进一步还原成分子态氮，分子态氮则返回到大气中）和固氮作用（大气中的分子态氮被还原成氨，这一过程叫做固氮作用）。至于生物体氨基酸的代谢的知识可由人体氨基酸的代谢的过程分析解答。答案 (1)硝化细菌；化能合成；异养厌氧型 (2)主动运输 (3) 蛋白质分子结构不同；基因突变 (4)脱氨基作用；氨基转换作用；核糖体；线粒体二、能力提升技巧具体分析氮循环中几种微生物的特殊作用及其在生态系统中的地位：在氮循环中的作用代谢类型在生态系统中地位根瘤菌固氮作用：将分子态N2合成
7、化合态氨异养需氧型消费者圆褐固氮菌异养需氧型分解者固氮蓝藻自养需氧型生产者细菌、真菌氨化作用：将生物遗体中含氮化合物转化为氨异养需氧型分解者硝化细菌硝化作用：将土壤中氨转化为硝酸盐自养需氧型生产者反硝化细菌反硝化作用：将土壤中硝酸盐转化为分子态氮N2异养厌氧型分解者例4图为生态系中碳循环和氮循环的一部分，A、B、C三类微生物参与其中，下列说法错误的是 ( )AA类细菌是自养需氧型，B类细菌是异养厌氧型BC类微生物只能是异养厌氧型的，否则只能得到氮氧化物C进行C过程的微生物，有的是自生的，有的是共生的，分别作为生态系统中的生产者、消费者DA和C的活动可增加土壤肥力，而B的活动导致土壤氮素丧失解析
8、本题主要考查参与氮循环过程中的几种重要微生物的代谢特点、作用及其在生态系统中的地位。A为硝化细菌（自养需氧型），B为反硝化细菌（异养厌氧型），C为固氮微生物，包括自生固氮菌（异养需氧型）、共生固氮菌（异养需氧型）和固氮蓝藻（光能自养需氧型）等。所以，A和C的活动可增加土壤氮素，而B的活动导致土壤氮素丧失。由于固氮酶对氧极端敏感，一旦遇氧就很快导致不可逆的失活，而大多数的固氮菌都是好氧菌，它们要利用氧气进行呼吸和产生固氮反应所需大量能量。所以，固氮微生物的固氮过程须在严格的厌氧微环境中进行。答案B解题技巧由于生物固氮的机理是生命科学领域重大基础性理论问题，生物固氮的机制的阐明，对于解决作物增产和
9、氮肥的大量使用所带来的水体富营养化等问题具有突破性意义。所以本部分内容既可结合蛋白质代谢的知识，又可考查微生物的相关知识，还可切入到转基因固氮工程方面，此外，氮循环还可作为学科间知识的交汇点。三、基础能力测试1右图为根瘤菌入侵豆科植物根的示意图，则将来形成根瘤的细胞是 （ ）A根毛细胞 B内皮层细胞 C木质部细胞 D韧皮部细胞2豆科植物与根瘤菌的互利共生关系主要体现在 （ ）A豆科植物从根瘤菌获得NH3，根瘤菌从豆科植物获得糖类B豆科植物从根瘤菌获得含氮有机物，根瘤菌从豆科植物获得NH3C豆科植物从根瘤菌获得N2，根瘤菌从豆科植物获得有机物D豆科植物从根瘤菌获得NO，根瘤菌从豆科植物获得NH3
10、3将自生固氮菌接种到下面四个相同的培养基中，放在以下条件下培养，其中菌落形成最快的是 （ ）4下列说法正确的是 ( )ANH3H2O可以被豆科植物直接利用 B最好37左右条件下培养圆褐固氮菌C圆褐固氮菌除了能够固氮外，还能够促进植物细胞的分裂 D利用不含氮盐的培养基将自生固氮菌分离出来5土壤中的无机氮主要以两种形式存在：氨态氮和硝态氮。氨态氮不稳定，易挥发。硝态氮稳定。施肥后进行中耕松土可改变氨态氮和硝态氮的比值，其比值的变化是 ( )A变小 B变大 C不变 D无法确定6根瘤菌、硝化细菌在生态系统中的地位分别是A生产者、生产者 B消费者、生产者 C分解者、消费者 D分解者、分解者7为确定某固氮
11、菌的固氮产物，做了如下实验：把固氮菌培养在含15N2的空气中，细胞迅速固定氮素，短期内细菌的谷氨酸中出现大量的15N；如果把细菌培养在含有15NH3的培养基中，固氮能力立刻停止，但吸入氨态氮迅速转入谷氨酸中。由此可以推断，该微生物固氮产物最可能是 ( )A谷氨酸 BN02 CN03 DNH3 8培养硝化细菌的培养基中碳源、氮源、能源依次是 （ ）A葡萄糖、氨、葡萄糖 B葡萄糖、铵盐、太阳能 C二氧化碳、硝酸盐、氨 D二氧化碳、氨、化学能9下图为在载玻片上推出菌膜的操作，按大多数人的习惯，其中最符合要求的是( )四、潜能挑战测试10下右图是自然界中氮循环示意图。依图回答：(1)大气中的氮主要通过
12、 进人生物群落，其次通过 和 等途径也可少量供给植物氮素(2)图中A物质代表 ，可被土壤中的微生物分解形成B物质，B 物质在土壤中 细菌的作用下形成C，C物质代表 (3)将B物质转化成C物质的细菌，其新陈代谢的类型属于 (4)在 的情况下，一些细菌可将C物质最终转化成 返回大气中，由此可见，土壤中这些微生物在包括氮循环在内的自然界中的 中起着重要作用(5)目前，全世界每年施用大量的氮素化肥，这对环境可能带来负面影响。根瘤菌之所以能完成固氮作用，是因为它有独特的固氮酶，而根本原因是它具有独特的固氮基因。科学家把固氮基因转移到水稻根系的微生物中，通过指导合成固氮所需的 ，进而起到固氮作用，减少氮肥
13、的施用量，防止环境污染问题。试提出一种更为理想的减少氮肥的施用量的设想。水稻基因的结构与固氮根瘤菌基因的结构相比，不同的是 组成固氮酶的蛋白质对氧极端敏感，一旦遇氧就很快导致不可逆的失活，而大多数的固氮菌都是好氧菌，它们要利用氧气进行呼吸和产生大量的能量。所以，固氮微生物的固氮过程须在严格的厌氧微环境中进行。固氮菌在进化过程中，发展出多种机制来解决既需氧又要防止氧对固氮酶损伤的矛盾。请你给出一种可能机制。11右图为生态系统中氮循环和碳循环及其相互关系的简图。分析后回答：(1)图中过程称为 ，过程称为 ；反硝化细菌的生理过程是由图中的哪个标号体现的? 。如果地球上没有反硝化细菌这类生物，你预测会
14、出现什么情况? (3)如果土壤板结或长期水淹，陆生植物通过过程获得的氮素能否满足其生理需要? ，其原因是 如果图示是一个封闭的大棚生态系统，遇到连续阴雨天气，你认为采取何种措施对植物的生长较为有利? 。采取这种措施的目的是 施氮肥过多可能对植物及环境造成的影响主要有哪些方面?五、标答与点拨1B (点拨：内皮层为分生组织)2A（点拨：豆科植物无固氮能力，根瘤菌为异养生物）3B(点拨：自生固氮菌为需痒型的，其最佳培养条件是pH值大于6.5，温度2830)4D(点拔：圆褐固氮菌的适宜温度应与环境相适应；氮素只能以NO3或NH4形式吸收)5A(点拨：促进硝化细菌的呼吸)6B(点拔：根瘤菌从豆科植物获得
15、有机物的消费者，并非分解有机物营腐生生活的分解者)7D（点拨：由知：N2谷氨酸；由知：NH3谷氨酸，故该固氮过程：N2NH3谷氨酸）8C(点拨：氨氧化释放的化学能提供化能合成作用所需的能源)9B（点拔：推片与载玻片之间呈3045夹角，自右向左平稳地推）10(1)生物固氮 闪电固氮 工业固氮 (2)尿素及动植物遗体；硝化；硝酸盐 (3)自养需氧型 (4)氧气不足；氮气；物质循环 (5) 固氮酶 运用基因工程，将固氮基因转入到水稻、小麦等中，让植物自身直接固氮编码区是间隔的，不连续的，中间有不具编码效应的内含子固氮菌以较强的呼吸作用迅速地将周围环境中的氧消耗掉，使细胞周围处于低氧状态，保护固氮酶不受损伤11(1)光合作用；呼吸作用；空气中氮气越来越少不能；土壤中缺氧，呼吸作用减弱，吸收的氮素少，所以不能满足植物生理活动的需要 适当降温以降低呼吸消耗(或给予人工光照) 会使土壤浓度过高，从而造成植物的萎蔫甚至“烧苗”现象；植物吸收的氮素过多，会出现叶色深绿、生长剧增、营养体徒长，其生殖生长受影响，成熟期延迟，尤其使利用其花和果实的植物(如棉花、大豆等大多数农作物)产量下降；容易造成环境污染：未被利用的氮肥，一部分经土壤微生物的转化，以氮氧化物的形式进入大气，造成大气污染(如形成酸雾、光化学烟雾、破坏臭氧层等)，另一部分随水土流失进入水体，是造成水体富营养化的主要元素等。
