第43講生物固氮

1、第六局部生物技術與生命科學新進展第41講生物固氮、考點內容全解(一)本講考點是什么1固氮微生物的種類2.生物固氮種類特點舉例備注共生固氮型與植物營共生生活與豆科植物共生的根瘤菌固氮生物與共生生 物有專一性與某些植物共生的其他細菌、放線菌和真菌自生固氮型對植物沒有依存關 系，能獨立生活好氧型的自生固氮菌圓褐固氮菌分泌生長素厭氧型的自生固氮如梭菌某些能固氮的藍藻自養(yǎng)型特別提示：自生固氮微生物不等于自養(yǎng)型3. 氮的循環(huán)不書X直集 遠氛 as的屢白質輸體內 的量白H動*內. 的A4W4具牧堀鑄 性的蛋白唇(二)考點例析例1自生和共生固氮微生物可以將()A. 大氣中的N轉化為NHB.大氣中的2轉化為NO

2、TC. 土壤中的NH轉化為NOTD. 土壤中的NOT轉化為N解析此題考查生物固氮的根本概念。生物固氮是指固氮微生物將大氣中的氮復原成氨的過程，固氮微生物包括共生固氮 微生物和自生固氮微生物兩種類型，在固氮酶的催化下，它們均能將大氣中的分子態(tài)的N轉化為化合態(tài)的NH。答案A例2固氮酶具有底物多樣性的特點，所有的固氮酶除了能催化N0NH的反響外還能催化： N AN2+bO NKN+ NH GHGH 2HH請結合上面的生物固氮原理示意圖，答復：(1) 生物固氮需要的條件有(2) 試概括出生物固氮的反響式：解析不同固氮微生物的固氮催化作用情況根本相同：需要N2為原料，需要e、H+，以及ATP提供能量來源

3、，還需要固氮酶 作為該反響的催化劑。主要產物為NHo答案(1) N 2、e、/ ATF和酶固氮酶N+e+H+ATP> NH + AD+Pi同類變式微生物固氮的反響要求鉬鐵蛋白和鐵蛋白的存在，工業(yè)合成氨，也是用含鐵的鉬鹽作催化劑的。以下表達最能 表達這兩種固氮方式的區(qū)別 A. 生物固氮是酶促反響，工業(yè)固氮是氧化復原反響B(tài)固氮微生物為固氮酶的載體C.生物固氮與微生物固氮沒有本質區(qū)別D生物固氮的產物是有機物解析此題主要變化是考查對生物固氮本質的認識。生物固氮是固氮微生物特有的一種生理功能，這種功能的實質是在固氮酶的催化作用下進行的。固氮酶由含鐵鉬的鉬鐵蛋白和含鐵的鐵蛋白兩種蛋白質組成，鉬、鐵起

4、傳遞電子的作用，只有兩種蛋白質同時存在，固氮酶才具有固氮的作用。即:N2 + 6H鉬鐵蛋白鐵蛋嚴所以，與工業(yè)上從空氣中取氮以制造氨，也用含鐵的鉬鹽作催化劑不同的是：在生物體內，含鉬和鐵的催化劑都是酶蛋白答案B解題警示生物固氮也是氧化復原反響，所以選項A不能表達這兩種固氮方式的本質區(qū)別。例3右圖是自然界中的氮以蛋白質的形式在生物體內轉化的局部過程示意圖。請答復：1自然界中將NH轉化成N0的生物叫，該種生物的同化方式主要通過作用來完成；自然界中將NH轉化成N2的生物的新陳代謝類型是。2植物的根從土壤中吸收N0是通過完成的，吸收的N0與有機物合成為植物蛋白質。3圖中、酶和血漿蛋白雖都為蛋白質，但功能

5、各不相同，從分子結構上看，直接原因是;而由于血紅蛋白質異常的鐮刀型細胞貧血癥的根本原因是。4過程是;過程是;細胞中的合成場所是;不含氮局部徹底氧化的場所是。解析此題以生物體蛋白質代謝為問題切入點，考查氮循環(huán)的全過程。構成氮循環(huán)的主要環(huán)節(jié)是：生物體內有機氮的合成植物吸收土壤中的銨鹽和硝酸鹽，進而將這些無機氮同化成植物體內的蛋白質等有機氮；動物直接或間接以植物為食物，將植 物體內的有機氮同化成動物體內的有機氮、氨化作用動植物的遺體、排出物和殘落物中的有機氮被微生物分解后形成氨、硝 化作用在有氧的條件下，土壤中的氨或銨鹽在硝化細菌的作用下最終氧化成硝酸鹽、反硝化作用在氧氣缺乏的條件下，土 壤中的硝酸

6、鹽被反硝化細菌等多種微生物復原成亞硝酸鹽，并且進一步復原成分子態(tài)氮，分子態(tài)氮那么返回到大氣中和固氮作用大氣中的分子態(tài)氮被復原成氨，這一過程叫做固氮作用。至于生物體氨基酸的代謝的知識可由人體氨基酸的代謝的過程分析解答。答案1硝化細菌；化能合成；異養(yǎng)厭氧型2主動運輸3蛋白質分子結構不同；基因突變4脫氨基作用；氨基 轉換作用；核糖體；線粒體、能力提升技巧具體分析氮循環(huán)中幾種微生物的特殊作用及其在生態(tài)系統(tǒng)中的地位:在氮循環(huán)中的作用代謝類型在生態(tài)系統(tǒng)中地位根瘤菌固氮作用：將分子態(tài)N2合成化合態(tài)氨異養(yǎng)需氧型消費者圓褐固氮菌異養(yǎng)需氧型分解者固氮藍藻自養(yǎng)需氧型生產者細菌、真菌氨化作用：將生物遺體中含氮化合物轉

7、化為氨異養(yǎng)需氧型分解者硝化細菌硝化作用：將土壤中氨轉化為硝酸鹽自養(yǎng)需氧型生產者反硝化細菌反硝化作用：將土壤中硝酸鹽轉化為分子態(tài)氮N異養(yǎng)厭氧型分解者例4圖為生態(tài)系中碳循環(huán)和氮循環(huán)的一局部，A B C三類微生物參與其中，以下說法 錯誤的選項是A. A類細菌是自養(yǎng)需氧型，B類細菌是異養(yǎng)厭氧型B. C類微生物只能是異養(yǎng)厭氧型的，否那么只能得到氮氧化物C. 進行C過程的微生物，有的是自生的，有的是共生的，分別作為生態(tài)系統(tǒng)中的生產者、 消費者D. A和C的活動可增加土壤肥力，而B的活動導致土壤氮素喪失解析此題主要考查參與氮循環(huán)過程中的幾種重要微生物的代謝特點、作用及其在生態(tài)系統(tǒng)中的地位。A為硝化細菌自養(yǎng)

8、需氧型，B為反硝化細菌異養(yǎng)厭氧型，C為固氮微生物，包括自生固氮菌異養(yǎng)需氧型、共生固氮菌異養(yǎng)需氧型和固氮 藍藻光能自養(yǎng)需氧型等。所以，A和C的活動可增加土壤氮素，而B的活動導致土壤氮素喪失。由于固氮酶對氧極端敏感， 一旦遇氧就很快導致不可逆的失活，而大多數(shù)的固氮菌都是好氧菌，它們要利用氧氣進行呼吸和產生固氮反響所需大量能量。所 以，固氮微生物的固氮過程須在嚴格的厭氧微環(huán)境中進行。答案B解題技巧由于生物固氮的機理是生命科學領域重大根底性理論問題，生物固氮的機制的說明，對于解決作物增產和氮肥 的大量使用所帶來的水體富營養(yǎng)化等問題具有突破性意義。所以本局部內容既可結合蛋白質代謝的知識，又可考查微生物的

9、相關 知識，還可切入到轉基因固氮工程方面，此外，氮循環(huán)還可作為學科間知識的交匯點。三、根底能力測試1右圖為根瘤菌入侵豆科植物根的示意圖，那么將來形成根瘤的細胞是A.根毛細胞 B .內皮層細胞 C .木質部細胞D .韌皮部細胞2. 豆科植物與根瘤菌的互利共生關系主要表達在A. 豆科植物從根瘤菌獲得NHI,根瘤菌從豆科植物獲得糖類B. 豆科植物從根瘤菌獲得含氮有機物，根瘤菌從豆科植物獲得NHC. 豆科植物從根瘤菌獲得N2,根瘤菌從豆科植物獲得有機物D. 豆科植物從根瘤菌獲得NO根瘤菌從豆科植物獲得NH3. 將自生固氮菌接種到下面四個相同的培養(yǎng)基中，放在以下條件下培養(yǎng)，其中菌落形成最快的是4. 以下

10、說法正確的選項是B最好37C左右條件下培養(yǎng)圓褐固氮菌A. NHH2O可以被豆科植物直接利用C.圓褐固氮菌除了能夠固氮外，還能夠促進植物細胞的分裂D 利用不含氮鹽的培養(yǎng)基將自生固氮菌別離出來5. 土壤中的無機氮主要以兩種形式存在：氨態(tài)氮和硝態(tài)氮。氨態(tài)氮不穩(wěn)定，易揮發(fā)。硝態(tài)氮穩(wěn)定。施肥后進行中耕松土可 改變氨態(tài)氮和硝態(tài)氮的比值，其比值的變化是A.變小B .變大C .不變 D.無法確定6. 根瘤菌、硝化細菌在生態(tài)系統(tǒng)中的地位分別是A.生產者、生產者 B .消費者、生產者C .分解者、消費者 D .分解者、分解者7. 為確定某固氮菌的固氮產物，做了如下實驗： 把固氮菌培養(yǎng)在含1EN2的空氣中，細胞迅速

11、固定氮素，短期內細菌的谷氨酸中出現(xiàn)大量的1N; 如果把細菌培養(yǎng)在含有1enh的培養(yǎng)基中，固氮能力立刻停止，但吸入氨態(tài)氮迅速轉入谷氨酸中。 由此可以推斷，該微生物固氮產物最可能是A.谷氨酸 B . NQ C . NQD . NH8. 培養(yǎng)硝化細菌的培養(yǎng)基中碳源、氮源、能源依次是 A.葡萄糖、氨、葡萄糖 B .葡萄糖、銨鹽、太陽能C .二氧化碳、硝酸鹽、氨 D .二氧化碳、氨、化學能9.以下列圖為在載玻片上推岀菌膜的操作，按大多數(shù)人的習慣，其中最符合要求的是四、潛能挑戰(zhàn)測試1Q .下右圖是自然界中氮循環(huán)示意圖。依圖答復:1大氣中的氮主要通過進人生物群落，其次通過和等途徑也可少量供給植物氮素/大就中

12、的馬丄等2圖中A物質代表 ，可被土壤中的微生物分解形成B物質，B物 質在土壤中細菌的作用下形成C, C物質代表3將B物質轉化成C物質的細菌，其新陳代謝的類型屬于4在 的情況下，一些細菌可將C物質最終轉化成 返回大 氣中，由此可見，土壤中這些微生物在包括氮循環(huán)在內的自然界中的中 起著重要作用5目前，全世界每年施用大量的氮素化肥，這對環(huán)境可能帶來負面影響。 根瘤菌之所以能完成固氮作用，是因為它有獨特的固氮酶，而根本原因是它具 有獨特的固氮基因?？茖W家把固氮基因轉移到水稻根系的微生物中，通過指導合成固氮所需的，進而起到固氮作用，減少氮肥的施用量，防止環(huán)境污染問題。試提出一種更為理想的減少氮肥的施用量

13、的設想。 水稻基因的結構與固氮根瘤菌基因的結構相比，不同的是 組成固氮酶的蛋白質對氧極端敏感，一旦遇氧就很快導致不可逆的失活，而大多數(shù)的固氮菌都是好氧菌，它們要利用氧氣 進行呼吸和產生大量的能量。所以，固氮微生物的固氮過程須在嚴格的厭氧微環(huán)境中進行。固氮菌在進化過程中，開展岀多種機制來解決既需氧又要防止氧對固氮酶損傷的矛盾。請你給岀一種可能機制。11.右圖為生態(tài)系統(tǒng)中氮循環(huán)和碳循環(huán)及其相互關系的簡圖。分析后答復：1圖中過程稱為，過程稱為；反硝化細菌的生理過程是由圖中的哪個標號表達的？。如果地球上沒有反硝化細菌這類生物，你預測會出現(xiàn)什么情況?3如果土壤板結或長期水淹，陸生植物通過過程獲得的氮素能

14、否滿7足其生理需要?，其原因是_'如果圖示是一個封閉的大棚生態(tài)系統(tǒng)，遇到連續(xù)陰雨天氣，你認為采 取何種措施對植物的生長較為有利?。采取這種措施的目的是施氮肥過多可能對植物及環(huán)境造成的影響主要有哪些方面？五、標答與點撥1. B 點撥：內皮層為分生組織2. A 點撥：豆科植物無固氮能力，根瘤菌為異養(yǎng)生物3. B點撥：自生固氮菌為需癢型的，其最正確培養(yǎng)條件是pH值大于6.5，溫度2830C4. D點拔：圓褐固氮菌的適宜溫度應與環(huán)境相適應；氮素只能以N0或NH"形式吸收5. A點撥：促進硝化細菌的呼吸6. B點拔：根瘤菌從豆科植物獲得有機物的消費者，并非分解有機物營腐生生活的分解者7

15、. D 點撥：由知：Nt谷氨酸；由知：NHR谷氨酸，故該固氮過程：NtNHR谷氨酸8. C點撥：氨氧化釋放的化學能提供化能合成作用所需的能源9. B 點拔：推片與載玻片之間呈3045°夾角，自右向左平穩(wěn)地推10. 1生物固氮 閃電固氮 工業(yè)固氮 尿素及動植物遺體；硝化；硝酸鹽3自養(yǎng)需氧型 氧氣缺乏；氮氣； 物質循環(huán)5固氮酶運用基因工程，將固氮基因轉入到水稻、小麥等中，讓植物自身直接固氮編碼區(qū)是間隔的，不連續(xù) 的，中間有不具編碼效應的內含子固氮菌以較強的呼吸作用迅速地將周圍環(huán)境中的氧消耗掉，使細胞周圍處于低氧狀態(tài)，保護 固氮酶不受損傷11. 1光合作用；呼吸作用；空氣中氮氣越來越少不能；土壤中缺氧，呼吸作用減弱，吸收的氮素少，所