固氮菌的研究前景论文

固氮菌的研究前景论文

固氮菌将一氧化碳变燃料丙烷是一种点燃后形成蓝色火焰的气体，全美火炉排放的气体都含有丙烷。钒固氮酶通常可以从氮气中生成氨。科学家警告说，这项研究尚处于早期阶段，不过他们同时表示，该研究最终可能会带来全新、环保的燃料生产方式，最终从稀薄的空气提取汽油。参与实施这项研究的美国加州大学欧文分校科学家马库斯-里贝（Markus Ribbe)说：“这种微生物是一种非常常见的土壤细菌，我们对其已有深入了解，并且实施了长期的研究。”研究结果刊登在最新一期的《科学》杂志上。里贝补充说：“虽然我们仍在研究钒固氮酶，但我们知道这种酶具有不同寻常的特性。”科学家研究的那种微生物名叫棕色固氮菌（Azotobacter vinelandii），是一种对环境很重要的细菌，它通常存在于像大豆等固氮植物根部周围的土壤中。农场主之所以对含有棕色固氮菌的植物情有独钟，是因为这种细菌可充分利用多种酶，将大气中毫无用途的氮气变成重要的氨和其他化合物。接下来，其他植物吸收这些化合物，利用它们生长。里贝在研究中与合作者将一种氮——钒固氮酶——隔离出来，用以将氮变成氨。接着，他们从钒固氮酶中分离出氮和氧，并用一氧化碳填补剩余空间。没有了氮和氧，钒固氮酶开始将一氧化碳变成两到三个原子长的短碳链。一个三碳链通常被称为丙烷，这是一种点燃后形成蓝色火焰的气体，全美的火炉都在使用。加利福尼亚理工学院的科学家乔纳斯-彼得斯说，从科学上讲，钒固氮酶的新功能是一项“意义深远的发现”。空气变汽油还需时日里贝说：“很显然，如果我们可以制造出更长的碳碳链，这项发现最终会令我们开发出合成液态燃料。”新酶只能形成两到三个碳链，而不是构成液态汽油的更长链。不过，里贝认为他可以对钒固氮酶做出改动，令其可以生成汽油。如果这项技术得到进一步完善，最终或能令汽车以自身排放的尾气当作部分燃料。而经过更长时间的研究，汽车甚至还能从空气中“吸收”二氧化碳供其运行的燃料，而目前已经拥有将二氧化碳变为一氧化碳的技术。里贝和彼得斯均表示，在近期内还不能做到这一步。里贝说：“提取钒固氮酶的难度非常大。”由于其在农业方面的重要性，科学家很早以前就对这种酶有了了解。他们甚至在20多年前就隔离出钒固氮酶的基因，为遗传工程师和合成生物学家深入了解这种酶创造了条件。不过，大量提取、生长和储存钒固氮酶的技术直到近几年才开发出来，也令这项最新研究成为可能。在开发出以空气和细菌为燃料的汽车以前，科学家还必须实施进一步研究。

彭家元，四川省金堂县人，生于1897年7月16日。父彭士勋，清末秀才，曾去日本宏文书院留学，返国后热衷于兴办厂矿，企图走实业救国发家之路，失败后以教书为生。兄彭家珍早年考入成都武备学堂，1906年参加中国同盟会，1912年1月27日刺杀清宗室顽固派宗社党魁首良弼成功，本人当场壮烈牺牲。由于此举对促使清帝退位有功，由孙中山追赠为陆军大将军，其父由北洋政府聘为总统府顾问。1953年，中央人民政府追赠彭家珍为革命牺牲军人。彭家元在这既有封建文化深刻影响，又受资产阶级民主思想熏沐的家庭中成长，加之家庭生活素来简朴，养成了勤劳刻苦、奋进向上、生活严谨、善于独立思考的品格。他自幼从父学习，1907年入私塾，1912年入成都高等农业学堂预科，1913年随父入京，1914年考入北京农业专门学校（今中国农业大学前身），1918年毕业。在校期间，曾参加反对洪宪帝制、反对二十一条等爱国学生运动。1919年，以先烈彭家珍胞弟关系，获四川公费留美名额。因公费被挪用，至1920年才筹得旅费赴美深造。先入威斯康星大学，1921年转入伊利诺斯大学攻读土壤肥料科学，1922年获农学士学位。之后，又入衣阿华州立大学学习，1923年获农学硕士学位。学习期间在农场、工厂、餐馆、私人家庭打工，半工半读，备尝艰辛。毕业后在俄勒冈大学从事研究工作。1924年回国，任北京农业大学教授。1926年南下，先任福建厦门集美农林学校教员兼教务主任，1928年应聘广东中山大学农学院任教授兼农林化学系主任。他知识渊博，治学严谨，工作认真负责，曾先后主讲土壤学、肥料学、土壤微生物学、土壤改良学及土壤管理学等多门课程，所编《肥料学》一书于1935年由上海商务印书馆出版，是我国最早出版的一本大学肥料学教科书。1937年他还与邓植仪教授合编《土壤学》。该书为中山大学农学院教材，也是全国早期编写和出版的大学土壤学教科书之一。1929年他与邓植仪教授共创“广东土壤调查所”，兼任技正。该所是我国国内从事土壤调查较早的研究单位之一，在广东中山、南海、三水等20多个县进行土壤调查，出版土壤报告十余册，基本上查清了土壤类型、利用改良方式、生产问题及培肥途径等，对该地区农业生产起了促进作用。1934年，彭家元与邓植仪、陈方济教授等倡议成立了“中华土壤肥料学会”，并与邓植仪教授共同主编《土壤与肥料》（季刊）。从1929年至1937年，彭家元在中山大学创办的《农声》杂志及《土壤与肥料》上发表了多篇有关土壤微生物的研究论文，如《土壤细菌对于矿物成分之变化》，在国内率先研究了细菌对土壤形成的作用，从而为土壤形成因素中的生物因素提供了重要的证据。继之探讨了土壤微生物在生物小循环中的作用，发表了题为《石灰需要量与土壤细菌功用的关系》的论文。1936年，他在《土壤与肥料》上报道了黑油菌、白霉菌对广东土壤的有效磷的转化结果。其后同陈禹平一起发表了《广东土壤中氮素固氮菌之分离研究》，这是我国研究固氮微生物最早的一批论文之一，对后来的研究者颇有启迪。他引进国外土壤微生物的分离和接种技术，探讨了土壤微生物与土壤肥力及植物营养的三边关系，研究了土壤微生物类群的作用。这些论文都是探讨土壤中的细菌、真菌对氮、磷、钾元素的转化作用，为我国细菌肥料的应用奠定了基础，特别对固氮菌生态条件的研究和固氮菌分类很有参考价值，为国内初创。与此同时，彭家元与陈禹平还根据好热性纤维分解菌的功能，研究了我国农村有机肥的堆制发酵方法，成功地富集培养了高温纤维分解菌，定名为“元平菌”，发表了《元平式速成堆肥》一文，为我国农村积肥造肥、开辟肥源提出了行之有效的措施，是我国40年代在农业中推广的新技术之一，为发展农业生产作出了贡献。直至50年代中期，他还陆续发表了《关于高温堆肥的我见》等论文。彭家元在广东中山大学工作期间，担任土壤、肥料等课程的教学任务，同时主持中山大学农学院农林化学系系务，并领导该系的科学研究工作，担任土壤肥料第二研究室及土壤微生物研究室负责人，承担了18个研究项目，均有论文发表，在教学、科学研究、著述及培养人才方面均作出了开拓性的贡献。1937年，彭家元因批评中山大学校长邹鲁的不良作风而被解职后，接受武汉大学聘请任农学院教授。不久，日本侵略军西侵，武汉形势告急，乃于1938年初携眷回川，被当时四川省稻麦改进所（后并入四川省农业改进所）所长杨允奎教授劝留成都，任该所技正兼农林化学系主任、农事试验总场场长。1939年兼任四川大学农学院教授，1941年任教授兼农艺系主任，1942年任教授兼农学院院长。1940年8月1日，彭家元在成都四川大学化学馆参与了“水土保持”一词的创定。同年，在内江县城西郊圣水寺建立了内江土壤研究室，隶属四川省农业改进所农事试验总场。该室针对四川盆地紫色土易受侵蚀的特点，对不同坡度、坡长、坡形以及不同作物种植覆盖下的水土流失做了大量试验研究，并相应提出优化的水土保持方法。这些工作对四川水土保持事业起了奠基和开拓作用。四川许多土壤工作者在成长过程中，或在该研究室负过责，或在该研究室蹲过点，或在该研究室工作过。1946年秋，作为四川大学农学院院长的彭家元，在祝贺程复新、杨开渠、李超然三教授从事高等农业教育十周年的纪念专刊上以《农业、农学、农业教育》为题撰文，对国民政府的农业方针、政策、措施进行了抨击，他写道：“（政府的）重视农业只是表面文章，并未把农民的利益或生死存亡的事放在心上”，一针见血地指出农业存在的四大问题：“①农村凋敝，农民被剥削压榨，谁真的为农民解除痛苦？②无论平时或战时，出钱出力，直接或间接，几乎完全取之于农，政府拿出什么有力措施去改进农民生活和农业技术？③在抗日战争胜利以后，劳苦功高的农民不但没有稍微得到生活的改善，反而加上一些更重的痛苦，虽然政府举办有农贷，得到实惠的也许是有，恐怕不过万分之一，有些地方根本未听见过。④水旱灾、饥荒、兽疫、虫害，收成减少，靠天吃饭，谁替他们想办法？”在叙述了中国农业比美国落后约一百年之后，指出：“中国提倡农学已有近40年历史，至今仍不被重视，以为简单不足道，并且不相信科学……，例如天旱不求预防或根本解决之途，而一般却相信打醮、禁屠，甚至执政者亦附会其说。老百姓对于猪瘟、牛瘟、虫害等只好听天安命，认求神拜佛为不二法门，从未想到所谓农学。”最后，彭家元就当时我国高等农业教育的经费支绌、设备简陋、缺乏实习场地、毕业生数量既少就业又困难等问题发表了意见。这里，不仅反映了40年代的农业、农学、农业教育的实况，也反映了彭家元的忧国忧民之心及推崇从事农业教育的教授们的淡泊自守、苦心孤诣的崇高品格。40多年后的今天，读之犹感人肺腑。1948年，彭家元因不满四川省农业改进所所长漆中权的不学无术、专横跋扈，愤而辞去四川省农业改进所的一切职务，集中精力于农业教育。四川解放前夕，彭家元的在国民党空军中任中校且早已去台湾的儿子彭传梁，曾恳求彭家元夫妇携幼子彭传诚一同去台湾，一切入境手续均已办妥，只需购买去台北的飞机票即可。但彭家元坚决拒绝，他说：“我一生从事的事业在大陆，舍不得，即使去台，将来也会统一的，国民党已经腐败得无药可救了……”；终于毅然留在成都。中华人民共和国成立后，彭家元拥护中国共产党，热爱社会主义新中国。他以饱满的热情，充沛的精力投入农业教育工作中。50年代初期，川西区举办在职土壤肥料干部短期培训班，彭家元担任主要的教学工作。他勉励学员“要树立共产主义人生观，对新生事物要敏感，要用马列主义、毛泽东思想来武装头脑，认真学习苏联先进经验，全心全意为人民服务，作出优异成绩。”1950年2月，彭家元、侯光炯作为西南区的代表，出席中央人民政府在北京召开的全国第一届土壤肥料工作会议。1952年秋，为了发展苹果生产，建立商品苹果基地，川西区农林厅组织四川大学农学院园艺系三年级师生对阿坝藏族自治州的宜苹基地进行实地考察，特邀彭家元、何敬真两位经验丰富的老教授参加。彭家元抱着创建四川苹果基地的厚望，殚精竭虑，就苹果的土宜、气候和发展前景，与何敬真教授多次磋商。又经师生们全面讨论，一致认定茂汶苹果色鲜、香浓、味美且耐贮藏，具有广阔的发展前景，一个理想的商品苹果品种，值得筹建基地。川西区人民政府领导采纳了他们的意见，建立了茂汶苹果基地。迄今，经过近40年的发展，茂汶苹果早已畅销香港和国际市场，饮誉中外。在考察过程中，彭家元还在威州（今汶川）顺道参观考察了四川省水电厅设在威州的岷江上游水土保持实验站，听取了该站同志的详细介绍，实地参观了该站的实验项目。他热情地肯定了在岷江上游建立水土保持实验站的必要性和工作项目的可行性，同时还对如何开展水土保持工作提出了具体建议。彭家元的音容笑貌，该站同志至今还记忆犹新。1954年，中央在京举办“苏联威廉斯土壤学讲习班”。学校领导考虑到彭家元年近花甲，旅途劳累且学习紧张，因而学习者名单中没有他。但他不愿失去这次难得的机会，亲自去找四川大学首席军事代表戴伯行，申述多种理由，坚决要求前往学习，终于如愿以偿。在学习班里，他没有专家架子，思想活跃，既虚心学习先进理论，又敢于发表自己的不同看法，乐于与其他同志探讨，因而收获较大。彭家元对于从旧社会过来的知识分子理论脱离实际深有感触，于是积极参加各种实践活动，以改进教学内容。1953—1955年，他多次带领学生在成都龙泉驿、眉山等地实习，住的地方简陋，甚至与猪圈、牛棚一板之隔，彼此鼾声呼应。但他毫不介意，反而认为别有情趣。实习中，往往天雨泥泞，路滑难行，为了免于摔跤，实习队专门为他准备了滑竿，但他坚决不坐，坚持与学生一道跋山涉水，说是为了锻炼的需要，即使摔上几跤，也是值得的。1956年，四川大学农学院由成都迁往雅安独立建院。四川农学院建立了山地农业研究机构，并号召广大教师要面向山区，面向农业生产，为农业作贡献。彭家元不顾年老，亲自率领土壤农化教研组部分教师徒步翻越二郎山，考察自然土壤和农业土壤。一路上，他带领大家看土壤，打土钻，访农民，分析化验，饥食干粮，夜宿道班，歌声笑语，兴味盎然。在跨越过程中，由于山陡路滑，彭家元摔了一跤，头部和肘部多处擦伤，渗血不止，但他敷药后仍坚持考察，有说有笑，若无其事。1956—1957年，他带领土壤农化教研组的青年教师多次考察学校农场的土壤，对深脚烂泥田提出改良意见。1958—1959年学校批准实施。经过改造，过去难以利用的土地，当年就种上旱作物和水稻，以后成为学校农场的基本农田，为教学、科研提供了可靠的基础。彭家元一贯关心青年教师，奖掖后进，热情帮助他们健康成长。1952年暑假，全国高等学校进行了院系调整，四川大学农学院的农业化学系调入重庆西南农学院，本校仅保留一个土壤耕作教研组。此时土壤学和肥料学的专业基础课师资短缺，学校临时抽调担任化学课的年轻教师刘守恒支援，并立即走马上任担任土壤学、肥料学两门课程的实验指导。刘感到业务不熟，相当紧张。彭家元发觉后，与刘亲切谈话，多方鼓励，并对实验要求、内容和操作技术等详加讲解。学生实验时，彭家元亲自到实验室解答疑难问题，一点没有教授架子。不久，教研组新调来三位助教担任土壤学、肥料学、土壤微生物学的实验指导工作。当时实验资料缺乏，彭家元拿出自己保存的国外资料供实验参考，并耐心辅导，不仅完成了教学任务，还培养了业条骨干。年轻教师感到他毫无架子，平易近人，愿意接近他，有问题就向他请教，他总是有问必答。遇到一时弄不清的问题，他决不随意解释，而是立即查阅资料，直至搞清楚以后才予以解答。彭家元对青年教师的培养无微不至，大公无私，有求必应。他心胸开朗，豁达大度，毫无架子，乐于助人，为他的助手学生所永远怀念。彭家元作为一个科学工作者，始终坚持用实事求是的辩证唯物主义的观点来认识客观事物。在对待李比希（Justus von Liebig，1803—1873，德国化学家，现代农业化学的奠基人之一）问题上，坚持实事求是。他在1963年四川农学院学术讨论会上，作了“关于李比希功过评价”的发言，充分肯定李比希学说正确的一面和他所起的巨大作用，并指出李比希的不足是由于当时历史条件和科学水平的局限。这个观点已为人们所普遍接受。彭家元对不符合科学的提法和作法，敢于坦率地提出不同意见。他常在课堂上讲，深耕要适度，不是越深越好，决不能搞什么“深耕深耕，茅厕坑坑”（指深耕的深度达到农民茅厕那样的深度）。对于不注意人畜粪尿管理，任意将其排入江河的现象也很不满意，批评说，这样就成了“秈江者，大粪之江也”（秈江是彭家元任教的四川农学院附近的一条小河）。对农民“砍火地”（即原始的刀耕火种农业）也很不赞成，不但在课堂上向学生阐述其危害性，还在省政协会议上作了专题发言，呼吁大家都来制止这种杀鸡取卵、竭泽而渔的破坏自然的行为，告诫人们要警惕大自然对人类的报复。1958年“大跃进”期间，一些报刊违背自然规律，肆意宣扬什么“人有多大胆，地有多高产”，“要给山剃头，要给地刮脸”等破坏生态平衡的口号。彭家元清醒地认识到这样必将造成水土流失，从而导致“山上开荒，平地遭殃”，“山上矮一寸，平地高一尺”等恶性循环。他以省政协委员的身份，多次向中共雅安地委、雅安行政专员公署的领导同志反映他的不同看法，殷切地希望雅安不要这样学，才能保持雅安青山绿水的优良环境。对全民大办钢铁、公共食堂、人民公社等，他也提出自己的看法。这些，都反映了彭家元作为一个科学家的从实际出发、实事求是的优秀品质。彭家元有几十年的教学经验，是知名教授，但在教学中总是一丝不苟，精益求精，认真备课，认真讲课，认真辅导学生。年轻教师平时去他家时，总是看见他在备课，修改讲稿，甚至春节期间也不肯稍事休息，抓紧时间，查阅资料，丰富讲稿，为下学期开课作好一切准备。彭家元不仅对年轻教师和学生关心爱护，严格要求，对子女也是毫不例外。他共有五个儿子，分别取名为彭传栋、梁、正、直、诚，寓意于希望儿子成为国家栋梁，并且为人正直诚恳。他对子女希望殷切，经常按照中国共产党和国家对青年的要求来要求他们。他针对当时一些青年不愿去艰苦地区工作的情况说：“党和人民培养了你们，如果艰苦的地方都不愿意去，那谁去建设？”他以身作则，他的三个儿子（老大早逝，老二去台）大学毕业后都分别去了西藏、甘肃和四川省甘孜藏族自治州的九龙县，另一个抚养的女儿也分到雅安地区最边远的石棉县工作，结果俩老年逾花甲，身边一个子女也没有留下。彭家元夫人王菊逸女士与彭家元同岁，早年就读于私塾，后在女子师范上学两年，与彭家元结婚后，感情弥笃。她为了彭家元的事业，承担了全部家务劳动和抚养子女的重任，使彭家元能够集中精力于科学研究和农业教育，而无后顾之忧。几十年的朝夕相处，甘苦与共，使他们相濡以沫，相依为命。“文化大革命”初期，彭家元被诬陷为“反动学术权威”，并强加许多莫须有的罪名，遭到长时间的批判斗争、人身侮辱和肆意殴打，身心受到极度摧残，1966年9月3日与夫人一起自尽，夫人遇救，彭家元含冤逝世，终年69岁。1978年6月14日，中共四川农学院委员会为彭家元平反昭雪，恢复名誉。1978年12月16日在全校范围内为彭家元举行隆重的骨灰安放仪式。大家深深地怀念这位为我国土壤肥料科学的发展作出巨大贡献的土壤肥料学家、农业教育家和土壤肥料学界的先驱和开拓者彭家元教授。

2022年6月11日， Nature Communicatons 杂志在线发表了来自 中国农业科学院农业资源与农业区划研究所艾超课题组 题为“A highly conserved core bacterial microbiota with nitrogen-fixation capacity inhabits the xylem sap in maize plants”的研究论文。该研究揭示 在玉米植物的木质部汁液中 具有固氮能力且高度保守的核心细菌微生物群，该类固氮细菌能为玉米提供氮营养，类似人类的 “肠道细菌群” 。

与人类微生物组类似，植物微生物组被称为植物的第二个基因组，对植物生长至关重要。 以往研究表明，微生物组在玉米生产中具有重要作用。例如，在墨西哥贫氮 (N) 土壤中进行的田间试验表明，玉米地方品种气生根的粘液富含固氮菌，它们贡献了 29-82% 的玉米 N 营养【PLOS Biology】玉米也能固氮？气生根的粘液发挥作用！。因此，有针对性地操纵作物微生物组代表了一种有前途的方法，可以在未来最大限度地提高可持续作物生产。

以前的研究主要在植物叶际微生物组【Nature】 开启新领域！植物叶际微生物群的稳态维持机制被揭示和根系微生物组【Nature Biotech】植物学报点评！研究发现根系微生物组促进水稻氮利用！。然而，关于木质部里的微生物群与植物生长发育之间的功能关系知之甚少。

该研究通过评估不同土壤类型、气候区和基因型的玉米微生物组的组装和功能，发现茎木质部选择性地招募以 γ‐变形菌纲Gammaproteobacteria 为主的高度保守的细菌。在木质部汁液中鉴定的 25 个核心细菌分类群中，有几个分离的菌株被证实是具有固氮活性或有助于生物固氮。

在此基础上，该研究建立了由两个核心固氮菌和两个辅助菌组成的合成群落（SynComs）。GFP 标记的菌株和15 N 同位素稀释方法表明，SynComs在植物中的内生生活方式和固氮能力。这些 SynCom 通过生物固氮贡献了 的玉米茎中积累的总氮。有趣的是，SynComs 还增加了根干生物量，表明核心内生菌与其宿主之间存在多机制协同相互作用。

综上所述，该研究揭示了玉米特异性地在木质部汁液中招募了一个核心微生物群，该微生物群在环境条件和基因型中都是保守的。这种核心微生物群通过生物固氮促进植物 N 营养并促进根系发育。因此，木质部汁液中的这些微生物群代表了一种未开发的资源，可以开发替代微生物生物技术，以提高可持续农业中的作物性能。

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固氮菌的研究论文

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彭家元，四川省金堂县人，生于1897年7月16日。父彭士勋，清末秀才，曾去日本宏文书院留学，返国后热衷于兴办厂矿，企图走实业救国发家之路，失败后以教书为生。兄彭家珍早年考入成都武备学堂，1906年参加中国同盟会，1912年1月27日刺杀清宗室顽固派宗社党魁首良弼成功，本人当场壮烈牺牲。由于此举对促使清帝退位有功，由孙中山追赠为陆军大将军，其父由北洋政府聘为总统府顾问。1953年，中央人民政府追赠彭家珍为革命牺牲军人。彭家元在这既有封建文化深刻影响，又受资产阶级民主思想熏沐的家庭中成长，加之家庭生活素来简朴，养成了勤劳刻苦、奋进向上、生活严谨、善于独立思考的品格。他自幼从父学习，1907年入私塾，1912年入成都高等农业学堂预科，1913年随父入京，1914年考入北京农业专门学校（今中国农业大学前身），1918年毕业。在校期间，曾参加反对洪宪帝制、反对二十一条等爱国学生运动。1919年，以先烈彭家珍胞弟关系，获四川公费留美名额。因公费被挪用，至1920年才筹得旅费赴美深造。先入威斯康星大学，1921年转入伊利诺斯大学攻读土壤肥料科学，1922年获农学士学位。之后，又入衣阿华州立大学学习，1923年获农学硕士学位。学习期间在农场、工厂、餐馆、私人家庭打工，半工半读，备尝艰辛。毕业后在俄勒冈大学从事研究工作。1924年回国，任北京农业大学教授。1926年南下，先任福建厦门集美农林学校教员兼教务主任，1928年应聘广东中山大学农学院任教授兼农林化学系主任。他知识渊博，治学严谨，工作认真负责，曾先后主讲土壤学、肥料学、土壤微生物学、土壤改良学及土壤管理学等多门课程，所编《肥料学》一书于1935年由上海商务印书馆出版，是我国最早出版的一本大学肥料学教科书。1937年他还与邓植仪教授合编《土壤学》。该书为中山大学农学院教材，也是全国早期编写和出版的大学土壤学教科书之一。1929年他与邓植仪教授共创“广东土壤调查所”，兼任技正。该所是我国国内从事土壤调查较早的研究单位之一，在广东中山、南海、三水等20多个县进行土壤调查，出版土壤报告十余册，基本上查清了土壤类型、利用改良方式、生产问题及培肥途径等，对该地区农业生产起了促进作用。1934年，彭家元与邓植仪、陈方济教授等倡议成立了“中华土壤肥料学会”，并与邓植仪教授共同主编《土壤与肥料》（季刊）。从1929年至1937年，彭家元在中山大学创办的《农声》杂志及《土壤与肥料》上发表了多篇有关土壤微生物的研究论文，如《土壤细菌对于矿物成分之变化》，在国内率先研究了细菌对土壤形成的作用，从而为土壤形成因素中的生物因素提供了重要的证据。继之探讨了土壤微生物在生物小循环中的作用，发表了题为《石灰需要量与土壤细菌功用的关系》的论文。1936年，他在《土壤与肥料》上报道了黑油菌、白霉菌对广东土壤的有效磷的转化结果。其后同陈禹平一起发表了《广东土壤中氮素固氮菌之分离研究》，这是我国研究固氮微生物最早的一批论文之一，对后来的研究者颇有启迪。他引进国外土壤微生物的分离和接种技术，探讨了土壤微生物与土壤肥力及植物营养的三边关系，研究了土壤微生物类群的作用。这些论文都是探讨土壤中的细菌、真菌对氮、磷、钾元素的转化作用，为我国细菌肥料的应用奠定了基础，特别对固氮菌生态条件的研究和固氮菌分类很有参考价值，为国内初创。与此同时，彭家元与陈禹平还根据好热性纤维分解菌的功能，研究了我国农村有机肥的堆制发酵方法，成功地富集培养了高温纤维分解菌，定名为“元平菌”，发表了《元平式速成堆肥》一文，为我国农村积肥造肥、开辟肥源提出了行之有效的措施，是我国40年代在农业中推广的新技术之一，为发展农业生产作出了贡献。直至50年代中期，他还陆续发表了《关于高温堆肥的我见》等论文。彭家元在广东中山大学工作期间，担任土壤、肥料等课程的教学任务，同时主持中山大学农学院农林化学系系务，并领导该系的科学研究工作，担任土壤肥料第二研究室及土壤微生物研究室负责人，承担了18个研究项目，均有论文发表，在教学、科学研究、著述及培养人才方面均作出了开拓性的贡献。1937年，彭家元因批评中山大学校长邹鲁的不良作风而被解职后，接受武汉大学聘请任农学院教授。不久，日本侵略军西侵，武汉形势告急，乃于1938年初携眷回川，被当时四川省稻麦改进所（后并入四川省农业改进所）所长杨允奎教授劝留成都，任该所技正兼农林化学系主任、农事试验总场场长。1939年兼任四川大学农学院教授，1941年任教授兼农艺系主任，1942年任教授兼农学院院长。1940年8月1日，彭家元在成都四川大学化学馆参与了“水土保持”一词的创定。同年，在内江县城西郊圣水寺建立了内江土壤研究室，隶属四川省农业改进所农事试验总场。该室针对四川盆地紫色土易受侵蚀的特点，对不同坡度、坡长、坡形以及不同作物种植覆盖下的水土流失做了大量试验研究，并相应提出优化的水土保持方法。这些工作对四川水土保持事业起了奠基和开拓作用。四川许多土壤工作者在成长过程中，或在该研究室负过责，或在该研究室蹲过点，或在该研究室工作过。1946年秋，作为四川大学农学院院长的彭家元，在祝贺程复新、杨开渠、李超然三教授从事高等农业教育十周年的纪念专刊上以《农业、农学、农业教育》为题撰文，对国民政府的农业方针、政策、措施进行了抨击，他写道：“（政府的）重视农业只是表面文章，并未把农民的利益或生死存亡的事放在心上”，一针见血地指出农业存在的四大问题：“①农村凋敝，农民被剥削压榨，谁真的为农民解除痛苦？②无论平时或战时，出钱出力，直接或间接，几乎完全取之于农，政府拿出什么有力措施去改进农民生活和农业技术？③在抗日战争胜利以后，劳苦功高的农民不但没有稍微得到生活的改善，反而加上一些更重的痛苦，虽然政府举办有农贷，得到实惠的也许是有，恐怕不过万分之一，有些地方根本未听见过。④水旱灾、饥荒、兽疫、虫害，收成减少，靠天吃饭，谁替他们想办法？”在叙述了中国农业比美国落后约一百年之后，指出：“中国提倡农学已有近40年历史，至今仍不被重视，以为简单不足道，并且不相信科学……，例如天旱不求预防或根本解决之途，而一般却相信打醮、禁屠，甚至执政者亦附会其说。老百姓对于猪瘟、牛瘟、虫害等只好听天安命，认求神拜佛为不二法门，从未想到所谓农学。”最后，彭家元就当时我国高等农业教育的经费支绌、设备简陋、缺乏实习场地、毕业生数量既少就业又困难等问题发表了意见。这里，不仅反映了40年代的农业、农学、农业教育的实况，也反映了彭家元的忧国忧民之心及推崇从事农业教育的教授们的淡泊自守、苦心孤诣的崇高品格。40多年后的今天，读之犹感人肺腑。1948年，彭家元因不满四川省农业改进所所长漆中权的不学无术、专横跋扈，愤而辞去四川省农业改进所的一切职务，集中精力于农业教育。四川解放前夕，彭家元的在国民党空军中任中校且早已去台湾的儿子彭传梁，曾恳求彭家元夫妇携幼子彭传诚一同去台湾，一切入境手续均已办妥，只需购买去台北的飞机票即可。但彭家元坚决拒绝，他说：“我一生从事的事业在大陆，舍不得，即使去台，将来也会统一的，国民党已经腐败得无药可救了……”；终于毅然留在成都。中华人民共和国成立后，彭家元拥护中国共产党，热爱社会主义新中国。他以饱满的热情，充沛的精力投入农业教育工作中。50年代初期，川西区举办在职土壤肥料干部短期培训班，彭家元担任主要的教学工作。他勉励学员“要树立共产主义人生观，对新生事物要敏感，要用马列主义、毛泽东思想来武装头脑，认真学习苏联先进经验，全心全意为人民服务，作出优异成绩。”1950年2月，彭家元、侯光炯作为西南区的代表，出席中央人民政府在北京召开的全国第一届土壤肥料工作会议。1952年秋，为了发展苹果生产，建立商品苹果基地，川西区农林厅组织四川大学农学院园艺系三年级师生对阿坝藏族自治州的宜苹基地进行实地考察，特邀彭家元、何敬真两位经验丰富的老教授参加。彭家元抱着创建四川苹果基地的厚望，殚精竭虑，就苹果的土宜、气候和发展前景，与何敬真教授多次磋商。又经师生们全面讨论，一致认定茂汶苹果色鲜、香浓、味美且耐贮藏，具有广阔的发展前景，一个理想的商品苹果品种，值得筹建基地。川西区人民政府领导采纳了他们的意见，建立了茂汶苹果基地。迄今，经过近40年的发展，茂汶苹果早已畅销香港和国际市场，饮誉中外。在考察过程中，彭家元还在威州（今汶川）顺道参观考察了四川省水电厅设在威州的岷江上游水土保持实验站，听取了该站同志的详细介绍，实地参观了该站的实验项目。他热情地肯定了在岷江上游建立水土保持实验站的必要性和工作项目的可行性，同时还对如何开展水土保持工作提出了具体建议。彭家元的音容笑貌，该站同志至今还记忆犹新。1954年，中央在京举办“苏联威廉斯土壤学讲习班”。学校领导考虑到彭家元年近花甲，旅途劳累且学习紧张，因而学习者名单中没有他。但他不愿失去这次难得的机会，亲自去找四川大学首席军事代表戴伯行，申述多种理由，坚决要求前往学习，终于如愿以偿。在学习班里，他没有专家架子，思想活跃，既虚心学习先进理论，又敢于发表自己的不同看法，乐于与其他同志探讨，因而收获较大。彭家元对于从旧社会过来的知识分子理论脱离实际深有感触，于是积极参加各种实践活动，以改进教学内容。1953—1955年，他多次带领学生在成都龙泉驿、眉山等地实习，住的地方简陋，甚至与猪圈、牛棚一板之隔，彼此鼾声呼应。但他毫不介意，反而认为别有情趣。实习中，往往天雨泥泞，路滑难行，为了免于摔跤，实习队专门为他准备了滑竿，但他坚决不坐，坚持与学生一道跋山涉水，说是为了锻炼的需要，即使摔上几跤，也是值得的。1956年，四川大学农学院由成都迁往雅安独立建院。四川农学院建立了山地农业研究机构，并号召广大教师要面向山区，面向农业生产，为农业作贡献。彭家元不顾年老，亲自率领土壤农化教研组部分教师徒步翻越二郎山，考察自然土壤和农业土壤。一路上，他带领大家看土壤，打土钻，访农民，分析化验，饥食干粮，夜宿道班，歌声笑语，兴味盎然。在跨越过程中，由于山陡路滑，彭家元摔了一跤，头部和肘部多处擦伤，渗血不止，但他敷药后仍坚持考察，有说有笑，若无其事。1956—1957年，他带领土壤农化教研组的青年教师多次考察学校农场的土壤，对深脚烂泥田提出改良意见。1958—1959年学校批准实施。经过改造，过去难以利用的土地，当年就种上旱作物和水稻，以后成为学校农场的基本农田，为教学、科研提供了可靠的基础。彭家元一贯关心青年教师，奖掖后进，热情帮助他们健康成长。1952年暑假，全国高等学校进行了院系调整，四川大学农学院的农业化学系调入重庆西南农学院，本校仅保留一个土壤耕作教研组。此时土壤学和肥料学的专业基础课师资短缺，学校临时抽调担任化学课的年轻教师刘守恒支援，并立即走马上任担任土壤学、肥料学两门课程的实验指导。刘感到业务不熟，相当紧张。彭家元发觉后，与刘亲切谈话，多方鼓励，并对实验要求、内容和操作技术等详加讲解。学生实验时，彭家元亲自到实验室解答疑难问题，一点没有教授架子。不久，教研组新调来三位助教担任土壤学、肥料学、土壤微生物学的实验指导工作。当时实验资料缺乏，彭家元拿出自己保存的国外资料供实验参考，并耐心辅导，不仅完成了教学任务，还培养了业条骨干。年轻教师感到他毫无架子，平易近人，愿意接近他，有问题就向他请教，他总是有问必答。遇到一时弄不清的问题，他决不随意解释，而是立即查阅资料，直至搞清楚以后才予以解答。彭家元对青年教师的培养无微不至，大公无私，有求必应。他心胸开朗，豁达大度，毫无架子，乐于助人，为他的助手学生所永远怀念。彭家元作为一个科学工作者，始终坚持用实事求是的辩证唯物主义的观点来认识客观事物。在对待李比希（Justus von Liebig，1803—1873，德国化学家，现代农业化学的奠基人之一）问题上，坚持实事求是。他在1963年四川农学院学术讨论会上，作了“关于李比希功过评价”的发言，充分肯定李比希学说正确的一面和他所起的巨大作用，并指出李比希的不足是由于当时历史条件和科学水平的局限。这个观点已为人们所普遍接受。彭家元对不符合科学的提法和作法，敢于坦率地提出不同意见。他常在课堂上讲，深耕要适度，不是越深越好，决不能搞什么“深耕深耕，茅厕坑坑”（指深耕的深度达到农民茅厕那样的深度）。对于不注意人畜粪尿管理，任意将其排入江河的现象也很不满意，批评说，这样就成了“秈江者，大粪之江也”（秈江是彭家元任教的四川农学院附近的一条小河）。对农民“砍火地”（即原始的刀耕火种农业）也很不赞成，不但在课堂上向学生阐述其危害性，还在省政协会议上作了专题发言，呼吁大家都来制止这种杀鸡取卵、竭泽而渔的破坏自然的行为，告诫人们要警惕大自然对人类的报复。1958年“大跃进”期间，一些报刊违背自然规律，肆意宣扬什么“人有多大胆，地有多高产”，“要给山剃头，要给地刮脸”等破坏生态平衡的口号。彭家元清醒地认识到这样必将造成水土流失，从而导致“山上开荒，平地遭殃”，“山上矮一寸，平地高一尺”等恶性循环。他以省政协委员的身份，多次向中共雅安地委、雅安行政专员公署的领导同志反映他的不同看法，殷切地希望雅安不要这样学，才能保持雅安青山绿水的优良环境。对全民大办钢铁、公共食堂、人民公社等，他也提出自己的看法。这些，都反映了彭家元作为一个科学家的从实际出发、实事求是的优秀品质。彭家元有几十年的教学经验，是知名教授，但在教学中总是一丝不苟，精益求精，认真备课，认真讲课，认真辅导学生。年轻教师平时去他家时，总是看见他在备课，修改讲稿，甚至春节期间也不肯稍事休息，抓紧时间，查阅资料，丰富讲稿，为下学期开课作好一切准备。彭家元不仅对年轻教师和学生关心爱护，严格要求，对子女也是毫不例外。他共有五个儿子，分别取名为彭传栋、梁、正、直、诚，寓意于希望儿子成为国家栋梁，并且为人正直诚恳。他对子女希望殷切，经常按照中国共产党和国家对青年的要求来要求他们。他针对当时一些青年不愿去艰苦地区工作的情况说：“党和人民培养了你们，如果艰苦的地方都不愿意去，那谁去建设？”他以身作则，他的三个儿子（老大早逝，老二去台）大学毕业后都分别去了西藏、甘肃和四川省甘孜藏族自治州的九龙县，另一个抚养的女儿也分到雅安地区最边远的石棉县工作，结果俩老年逾花甲，身边一个子女也没有留下。彭家元夫人王菊逸女士与彭家元同岁，早年就读于私塾，后在女子师范上学两年，与彭家元结婚后，感情弥笃。她为了彭家元的事业，承担了全部家务劳动和抚养子女的重任，使彭家元能够集中精力于科学研究和农业教育，而无后顾之忧。几十年的朝夕相处，甘苦与共，使他们相濡以沫，相依为命。“文化大革命”初期，彭家元被诬陷为“反动学术权威”，并强加许多莫须有的罪名，遭到长时间的批判斗争、人身侮辱和肆意殴打，身心受到极度摧残，1966年9月3日与夫人一起自尽，夫人遇救，彭家元含冤逝世，终年69岁。1978年6月14日，中共四川农学院委员会为彭家元平反昭雪，恢复名誉。1978年12月16日在全校范围内为彭家元举行隆重的骨灰安放仪式。大家深深地怀念这位为我国土壤肥料科学的发展作出巨大贡献的土壤肥料学家、农业教育家和土壤肥料学界的先驱和开拓者彭家元教授。

作为中国近代土壤学和肥料学奠基人之一的彭家元先生（1897—1966），毕生从事农业教育和土壤肥料科学研究工作，发表了一批学术价值极高的研究报告，培养了土壤农化学术领域的众多英才，为我国土壤学和肥料学的发展做出了卓越贡献。1924年彭家元先生由美返国，先后在北平农业大学（现中国农业大学前身）、厦门集美农学校、广东中山大学农学院、武汉大学农学院任教，后因日军侵占武汉失守，转辗到川；1938—1948年任四川农业改进所技正兼农林化学系主任、农事试验总场场长；1939—1966年先后任四川大学农学院教授、农学院院长、农化系主任、四川农学院教授兼土壤农化教研室主任。1966年逝世。铭记彭家元先生一生中最辉煌的教学研究基地是北平大学、中山大学和四川农学院。彭家元先生知识广博，治学严谨，工作认真负责，他是我国现代土壤学、肥料学的奠基人之一，对土壤学、肥料学、土壤微生物学、水土保持等学科作出了重大贡献。彭先生编著的《肥料学》于1934年1月由上海商务印书馆出版，是我国大学丛书中出版的最早一本肥料学。彭先生在该书自序中写到：“培植农作物不施肥，纵系沃土必逐渐减少收成，施肥不足尤难望丰收……吾人的科学立场观之，化学肥料之本身，固有缺点，用之得当确可增加生产……而我国农民仅知有硫酸亚之一种氮肥肥料，而忽视磷钾肥料，甚至不与天然之有机肥料益用，此又系失察之一端……故天然肥料之为何提倡，化学肥料为何使用，以补救目前肥料不足之恐慌，同时务期有利有弊，得最良为之结果，是不能不于各种肥料之性质，及施用方法现实也。更有奸商掺假，鱼目混珠，关于肥料选择鉴别，亦不能不加以注意也”。61年前彭家元先生编写的《肥料学》代表了当时中国肥料学的最高水平，较长时间为多所大学采用，至今读起仍有启迪。从1929年至1937年，彭家元在中山大学创办的《农声》杂志及《土壤与肥料》杂志上发表了多篇有关土壤微生物的的研究论文，如《土壤细菌对于矿物成分之变化》，在国内率先研究了细菌对土壤形成的作用。继之，探讨了土壤微生物在生物小循环中的作用。1936年，他在《土壤与肥料》杂志上报道了黑曲菌、白霉菌对广东土壤有效磷的转化结果。其后同陈禹平一道发表了《广东土壤中氮素固氮菌之分离研究》，这是我国研究固氮微生物最早的一批论文之一。他引进国外土壤微生物的分离和接种技术，探讨了土壤微生物与土壤肥力及植物营养的三边关系，研究了土壤微生物类群的作用。这些论文都是探讨土壤中的细菌、真菌对氮、磷、钾元素的转化作用，为我国细菌肥料的应用奠定了基础，特别是对固氮菌生态条件的研究和固氮菌分类很有参考价值，为国内初创。与此同时，彭家元与陈禹平还根据好热性纤维分解菌，以彭家元、陈禹平二人名义定名为“元平菌”，发表了《元平式速成堆肥》一文，为我国充分利用作物稿杆等有机质制造高效有机肥（堆肥）、开辟肥源提出了行之有效的措施，是我国20世纪40年代在农业推广的新技术之一。直至50年代中期，他还陆续发表了《关于高温堆肥之我见》等论文，指出农村充分利用有机质肥料，培肥土壤，是提高农业生产的有效途径，以避免对秸秆一火而焚之的落后办法。新中国成立后，彭先生亲历新政权的作为和党对知识分子的政策，使他激发出更大的工作热情。特别是1956年四川农学院在雅安独立建院后，土壤农化专业于1959年恢复招生，1960年恢复了土壤农化系建制，彭先生更为教学、科研和师资队伍建设殚精竭虑。他不顾已屈“耳顺”之年的高龄，同年轻人一道，风餐露宿，徒步翻越海拔3000多米的二郎山，对雅安山区土地资源进行调研；不畏艰苦，率众改良下湿田，建立和改善校内实习基地；同年轻教师和学生一道下田栽秧打谷。教学上，先生治学严谨，精益求精。大年初一，年轻教师去他家拜年时，他还在精心备课。彭先生每次讲稿都要重写。指导年轻教师讲课、备课，热情帮助和鼓励他们上好课。在彭先生崇高精神的影响下，四川农学院农化系师生发扬优良的教风和学风，教书育人，积极治学。在雅安独立建院后有突出建树的不乏其人，如曾任中国—欧盟农业技术中心顾问、中国土壤学会副理事长、中国植物营养与肥料学会副理事长、现任四川省农业科学院名誉院长的朱钟麟研究员等。20世纪60年代中期，彭家元先生虽已年近7旬，但仍精神矍铄，以饱满的热情投入到教学科研工作中。遗憾的是，“文化大革命”的风暴，给他和他的家人带来巨大的痛苦和灾难。他被打成“反动学术权威”，遭到长期批斗，身心受到极大伤害，终于1966年9月3日不幸辞世，时年69岁。痛哉！对先生的不幸遭遇，他遍布国内外的学生以及亲友、同事无不扼腕叹息。今天，当我们目睹彭先生创建的四川农业大学资源环境学院以及他曾工作过的农业院校、科研院所，他作为奠基人和开拓者之一的土壤农化事业，他参与创立的中国土壤学会，取得了前所未有的发展和成就的时候，当全国众多的土壤农化工作，为彭先生等老一辈科学家奠基的土壤农化事业不懈奋斗，土壤农化事业必将步入更加辉煌时代的时候，想必先生会在九泉含笑，他的在天之灵会得以慰藉。

固氮菌的形态学鉴定论文研究方法

关于微生物固氮的奥秘，科学家们已有了初步的认识，原来这些微生物体内有一种特殊的酶——固氮酶，尽管众多固氮微生物之间分态与形态上的差别很大，但是在固氮酶的组成上却有着极为相同之处：这些固氮酶都是由钼铁蛋白和铁蛋白组成的复合物，它们将氮分子转化成可利用的氨分子只消一瞬间，其工作效率比工业合成氨高出近千倍。但是这种固氮酶却十分惧怕氧气，只要一遇到氧，就立刻失去了活性，这与其他酶比较起来是较为特别的了。固氮酶在氧的环境中，既没有催化活性，也不能进行生物合成。这些固氮微生物也深知道这种不利的因素，于是它们有的利用高强度呼吸使固氮酶周围的氧迅速耗尽，为固氮创造一个无氧环境，有的将固氮酶包绕在细胞内，以防止氧气的接触。对于固氮酶为何惧氧，科学家们也作了认真的研究，他们认为，氧可能从四个部位抑制固氮酶的生物活性，即电子受体部分、电子光化学传递部分、三磷酸腺苷水解部分和固氮酶与底物结合的中心部分。

自生固氮菌的分离实验原理农田的表层土壤中,自生固氮菌的含量比较多.将用表土制成的稀泥浆,接种到无氮培养基上进行培养.在这种情况下,只有自生固氮菌才能生长繁殖.用这种方法,可以将自生固氮菌与其他细菌分离开来.目的要求1．初步学会从土壤中分离自生固氮菌的方法.2．初步学会制作临时涂片的方法.材料用具农田的表层土壤(土壤溶液的pH不低于).无菌研钵,无菌玻璃棒,接种环,天平,存放有载玻片的酒精缸,盖玻片,显微镜,酒精灯,火柴,镊子,恒温箱,量筒,玻璃铅笔.灭过菌的、盛有无氮培养基的培养皿,结晶紫染液,无菌水.方法步骤一、接种1．接种前,将灭过菌的、盛有无氮培养基的培养皿,放在37℃的恒温箱中一两天.随后,选取培养基上没有生长任何微生物的培养皿供实验用.2．取10g土壤,放在无菌研钵中,注入5mL无菌水,并用无菌玻璃棒搅拌均匀,备用.3．将接种环放在酒精灯的火焰上灭菌.略微打开培养皿盖,将接种环放在培养基边缘处冷却.然后,用接种环蘸取少许稀泥浆,轻轻地点接在培养基的表面上,共点接15～20处(注意：接种时手和衣袖不要碰到火焰,以免烧伤).4．接种后,轻轻地盖上培养皿盖,将培养皿放在实验桌上,并在顶盖上写明实验内容、接种人的姓名和接种日期.二、培养将接过种的培养皿放入恒温箱内,在28～30℃的温度下培养3～4d.三、观察4d后,取出培养皿,仔细观察培养基上稀泥浆周围长出的培养物——黏液.黏液初为无色透明,以后为乳白色,最后变成褐色,表明含有自生固氮菌.四、镜检1．制作临时涂片(1)用镊子从存放载玻片的酒精缸中夹取一片载玻片,将载玻片放在酒精灯火焰的上方缓缓烘烤,以便除去上面的酒精.将载玻片放在实验桌上,待载玻片冷却后,在载玻片的中央滴一滴无菌水.(2)在火焰旁,按照接种的要求,用灭过菌的接种环从培养基上挑取少许黏液,将黏液涂在载玻片上的水滴中,加1滴结晶紫染液,混合均匀,染色1min.(3)另取一片载玻片作推片.将推片自液滴左侧向右侧移动,使液滴均匀地附着在两片之间.然后,将推片自右向左平稳地推移(两片之间呈30～45°夹角),推出一层均匀的菌膜.2．干燥让临时涂片自然干燥(自生固氮菌的临时涂片不用加热固定,以免破坏荚膜).3．在显微镜下观察依次通过低倍镜和高倍镜观察临时涂片,可以看到染成紫色的自生固氮菌.结论通过显微镜能够看到几种自生固氮菌?它们在形态上各有什么特点?将得出的结论写在《实验报告册》上.讨论1．为什么盛放无氮培养基的培养皿应当是灭过菌的?2．假如黏液中有三种自生固氮菌,你能不能想出一种办法,将这三种细菌分离开来?

有人说现代农作物的增长一靠优良的品种，二靠化肥。足以证明化肥在农业上的作用已被升高到了一个极为重要的地位。目前我们所应用于农作物的化肥不外乎氮、磷、钾三大类，而氮肥又居这些化肥之首，因为氮是植物生长不可缺少的元素。

在我们呼吸的空气中氮气占据了极大的比重，约为79%。然而，空气中的氮对于农作物来说是爱莫能助的，因为空气中的氮是由二个氮原子组成的氮分子，即氮气，而植物体只能吸收利用单个游离的氮原子。植物每天面对着这巨大的天然的氮原料却不能利用，这不能不说是一种遗憾。但是空气中的氮分子也并不是一点作用也不起的，当受到雷击、火山爆发或流量撞击时，空气中的氮分子同样也可以分解成为游离的氮原子与氢、氧等元素结合而被植物体所利用。可是这种天然制造的机会太少了，远远不能满足植物生长的需求。于是全世界各地建成了数以十万计的大中型氮肥厂，来满足植物生长的需要，这仍没有完全解决农作物肥料危机的问题。

在对于氮化肥的研究中，科学家们设计了许多方法，其中最为著名的就是固定氮法，简称固氮法。就是使空气中的游离氮转变成氮化物。然而如要人工固氮建立一个较大的氮肥厂的话，其造价和工程技术都是难以逾越的障碍。科学家们发现一些微生物自身能够将空气中游离的氮气转化为机体所能利用的氮化物，于是科学家们将这些微生物称为之固氮微生物。固氮微生物一般分为两类：一类为在土壤中能独立生活的自生性固氮微生物，包括喜气性的自生性固氮菌、厌气性的固氮梭菌以及某些能固氮的蓝藻等。另一类为与植物营共生的共生性固氮微生物，包括与豆科植物共生的根瘤菌以及其他细菌、放射线菌等。由于这些固氮微生物的存在，能够使土壤中的氮含量增加，从而促进农作物的生长。科学家根据观察统计，地球上的微生物年固氮量相当于现今全世界氮肥厂年产量的3倍。这个数字对于我们来说，简直是太可观了。如果将微生物这种固氮方法应用到氮肥的制造上，那么完全可以关闭全世界2／3的氮肥厂。

关于微生物固氮的奥秘，科学家们已有了初步的认识，原来这些微生物体内有一种特殊的酶——固氮酶，尽管众多固氮微生物之间分态与形态上的差别很大，但是在固氮酶的组成上却有着极为相同之处：这些固氮酶都是由钼铁蛋白和铁蛋白组成的复合物，它们将氮分子转化成可利用的氨分子只消一瞬间，其工作效率比工业合成氨高出近千倍。但是这种固氮酶却十分惧怕氧气，只要一遇到氧，就立刻失去了活性，这与其他酶比较起来是较为特别的了。固氮酶在氧的环境中，既没有催化活性，也不能进行生物合成。这些固氮微生物也深知道这种不利的因素，于是它们有的利用高强度呼吸使固氮酶周围的氧迅速耗尽，为固氮创造一个无氧环境，有的将固氮酶包绕在细胞内，以防止氧气的接触。

对于固氮酶为何惧氧，科学家们也作了认真的研究，他们认为，氧可能从四个部位抑制固氮酶的生物活性，即电子受体部分、电子光化学传递部分、三磷酸腺苷水解部分和固氮酶与底物结合的中心部分。至于这些学说是否正确，我们目前还尚无法解答。并且微生物固氮过程对于我们来说也只是一个大概认识，其中的细节过程，我们还并没有完全探明，希望早日揭开这个秘密，将这种固氮的基因转移到农作物上，这样的话我们就无需那么多的氮肥厂了。这一目标能够实现么？目前还无法推测。

生物固氮的研究背景和意义论文

氮循环(Nitrogen Cycle)是描述自然界中氮单质和含氮化合物之间相互转换过程的生态系统的物质循环。 氮在自然界中的循环转化过程。是生物圈内基本的物质循环之一。如大气中的氮经微生物等作用而进入土壤，为动植物所利用，最终又在微生物的参与下返回大气中，如此反覆循环，以至无穷。 基本概念 空气中含有大约78%的氮气，占有绝大部分的氮元素。氮是许多生物过程的基本元素；它存在于所有组成蛋白质的氨基酸中，是构成诸如DNA等的核酸的四种基本元素之一。在植物中，大量的氮素被用于制造可进行光合作用供植物生长的叶绿素分子。 加工，或者固定，是将气态的游离态氮转变为可被有机体吸收的化合态氮的必经过程。一部分氮素由闪电所固定，同时绝大部分的氮素被非共生或共生的固氮细菌所固定。这些细菌拥有可促进氮气和氢化和成为氨的固氮酶，生成的氨再被这种细菌通过一系列的转化以形成自身组织的一部分。某一些固氮细菌，例如根瘤菌，寄生在豆科植物（例如豌豆或蚕豆）的根瘤中。这些细菌和植物建立了一种互利共生的关系，为植物生产氨以换取糖类。因此可通过栽种豆科植物使氮素贫瘠的土地变得肥沃。还有一些其它的植物可供建立这种共生关系。 其它植物利用根系从土壤中吸收硝酸根离子或铵离子以获取氮素。动物体内的所有氮素则均由在食物链中进食植物所获得。 氨 氨来源于腐生生物对死亡动植物器官的分解，被用作制造铵离子(NH4+)。在富含氧气的土壤中，这些离子将会首先被亚硝化细菌转化为亚硝酸根离子(NO2-)，然后被硝化细菌转化为硝酸根离子(NO3-)。铵的两步转化过程被叫做氨化作用。 铵对于鱼类来说有剧毒，因此必须对废水处理植物排放到水中的铵的浓度进行严密的监控。为避免鱼类死亡的损失，应在排放前对水中的铵进行硝化处理，在陆地上为硝化细菌通风提供氧气进行硝化作用成为一个充满吸引力的解决办法。 铵离子很容易被固定在土壤尤其是腐殖质和粘土中。而硝酸根离子和亚硝酸根离子则因它们自身的负电性而更不容易被固定在正离子的交换点（主要是腐殖质）多于负离子的土壤中。在雨后或灌溉后，流失（可溶性离子譬如硝酸根和亚硝酸根的移动)到地下水的情况经常会发生。地下水中硝酸盐含量的提高关系到饮用水的安全，因为水中过量的硝酸根离子会影响婴幼儿血液中的氧浓度并导致高铁血红蛋白症或蓝婴综合征(Blue-baby Syndrome)。如果地下水流向溪川，富硝酸盐的地下水会导致地面水体的富营养作用，使得蓝藻菌和其它藻类大量繁殖，导致水生生物因缺氧而大量死亡。虽然不像铵一样对鱼类有毒，硝酸盐可通过富营养作用间接影响鱼类的生存。氮素已经导致了一些水体的富营养化问题。从2006年起，在英国和美国使用氮肥将受到更严厉的限制，磷肥的使用也将受到了同样的限制。这些措施被普遍认为是为了治理恢复被富营养化的水体而采取的。 在无氧（低氧）条件下，厌氧细菌的“反硝化作用”将会发生。最终将硝酸中氮的成分还原成氮气归还到大气中去。 氮气(N2)的转化 有三种将游离态的N2（大气中的氮气）转化为化合态氮的方法： 生物固定 – 一些共生细菌（主要与豆科植物共生）和一些非共生细菌能进行固氮作用并以有机氮的形式吸收。 工业固氮 – 在哈伯-博施法中，N2与氢气被化合生成氨(NH3)肥。 化石燃料燃烧 – 主要由交通工具的引擎和热电站以NOx的形式产生。 另外，闪电亦可使N2和O2化合形成NO，是大气化学的一个重要过程，但对陆地和水域的氮含量影响不大。 由于豆科植物（特别是大豆、紫苜蓿和苜蓿）的广泛栽种、使用哈伯-博施法生产化学肥料以及交通工具和热电站释放的含氮污染成分，人类使得每年进入生物利用形态的氮素提高了不止一倍。这所导致的富营养作用已经对湿地生态系统产生了破坏。 全球人工固氮所产生活化氮数量的增加,虽然有助于农产品产量的提高,但也会给全球生态环境带来压力.,使与氮循环有关的温室效应、水体污染和酸雨等生态环境问题进一步加剧. [思路分析] 氮素是构成生物体的另一种必需元素，自然界中的氮素循环包括许多转化作用。空气中的氮气被固氮微生物及植物与微生物的共生体固定成氨态氮，经过硝化微生物的作用转化成硝态氮，后者被植物或微生物同化成有机氮化物。动物食用含氮的植物，又转变成动物体内的蛋白质。动物、植物、微生物的尸体及排泄物被微生物分解后，又以氨的形式释放出来，这种过程叫做氨化作用。由硝化菌产生的硝酸盐在无氧条件下被一些微生物还原成为氮气，重新回到大气中，开始新的氮素循环。微生物在氮素循环中的几种作用归纳为：固氮作用、硝化作用、同化作用、氨化作用和反硝化作用。 [解题过程] 氮素在自然界中有多种存在形式.其中数量最多的是大气中的氮气,总量约×1015t.除了少数原核生物以外,其他所有的生物都不能直接利用氮气,必须通过以生物固氮为主的固氮作用才能被植物吸收利用,动物直接或间接以植物为食获取氮. 构成氮循环的主要环节是:生物体内有机氨的合成,氨化作用,硝化作用,反硝化作用和固氮作用. 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.这一过程叫做生物体内有机氮的合成. 动植物的遗体,排泄物的残落物中的有机氮被微生物分解后形成氨,这一过程叫做氨化作用. 氨化作用和硝化作用产生的无机盐,都能被植物吸收利用.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,这一过程叫做反硝化作用. 大气中的分子态氮被还原成氨,这一过程叫做固氮作用.没有固氮作用,大气中的分子态氮就不能被植物吸收利用. 地球上固氮作用的途径有三种:生物固氮,工业固氮和大气固氮.据科学家估算,每年生物固氮的总量占地球上固氮总量的90%左右,可见,生物固氮在地球的氮循环中具有十分重要的作用. 氮素是农作物从土壤中吸收的一种大量元素,土壤每年因此要失去大量的氮素.大量施用氮素化肥能保证植物的生长需要,使粮食增产,但同时又造成土壤板结和环境污染.所以人们研究生物固氮,通过生物固氮这条途径使土壤中的氮素得到补充,有利于环保和可持续发展.

氮素是农作物从土壤中吸收的一种大量元素,土壤每年因此要失去大量的氮素.大量施用氮素化肥能保证植物的生长需要,使粮食增产,但同时又造成土壤板结和环境污染.所以人们研究生物固氮,通过生物固氮这条途径使土壤中的氮素得到补充,有利于环保和可持续发展.

大气中的分子态氮被还原成氨，这一过程叫做固氮作用。没有固氮作用，大气中的分子态氮就不能被植物吸收利用。地球上固氮作用的途径有三种：生物固氮、工业固氮（用高温、高压和化学催化的方法，将氮转化成氨）和高能固氮（如闪电等高空瞬间放电所产生的高能，可以使空气中的氮与水中的氢结合，形成氨和硝酸，氨和硝酸则由雨水带到地面）。据科学家估算，每年生物固氮的总量占地球上固氮总量的90%左右，可见，生物固氮在地球的氮循环中具有十分重要的作用。

豆科植物根瘤菌固氮机理研究论文

因为它是菌种，而不是一种植物，所以它不能形成根瘤。

固氮菌只与豆科植物共生。根瘤菌属的细菌，能侵入豆科植物的根而形成根瘤。该属细菌根据种的不同，寄生的豆科植物的范围也有所不同，但在寄生后形成根瘤的状态下，都可以进行显著的固氮作用。从而豆科植物可以减少氮肥的追肥，而达到增产作用。

氮素是蛋白质与核酸等生命体的基本组成元素，参与植物的生长发育、物质合成与代谢等一系列生物学过程。早在1888年，德国科学家发现豆科植物与根瘤菌共生可以将氮气转化成植物需要的氮素营养。100多年来，“为什么豆科植物能与根瘤菌共生固氮”的问题一直困扰着该领域的研究者。中国科学院分子植物科学卓越创新中心王二涛团队今天在国际顶尖学术期刊《自然》发表论文，研究揭示豆科植物皮层细胞获得SHRSCR干细胞分子模块，使其有别于非豆科植物，从而回答了百余年来的这一科学难题。空气中氮元素丰富，但植物不能直接利用。氮是可遇而不可求的，固氮反应需要很高的能量输入。当前，农业生产主要通过大量施用氮肥来提高农作物产量，我国7%的耕地使用了世界35%的氮肥，导致水体富营养化严重，是我国农业生产中亟待解决的问题之一。与此同时，人工合成氮肥不仅耗费大量能源，也造成了严重的生态环境污染。前人的科学研究发现，豆科植物与根瘤菌共生可以将氮气转化成植物需要的氮素营养。有趣的是，能与根瘤菌共生固氮的物种只分布于豆目、蔷薇目、葫芦目和壳斗目中。对豆科植物与根瘤菌共生固氮的研究，一直是生物学研究的热点前沿领域。经过8年科研攻关，王二涛团队研究发现，在豆科植物进化过程中，SHRSCR干细胞分子模块赋予了豆科植物皮层细胞分裂能力，形成根瘤。由此，豆科植物与非豆科植物有了不同的命运。“我们希望把豆科植物与根瘤菌共生固氮现象移植到非豆科植物，这样有助于减少非豆科农作物对氮肥的依赖。”研究团队发现，在非豆科植物拟南芥和水稻根中异位过量表达SHR-SCR分子模块，同样可以诱导根皮层细胞分裂。“这就像是筑巢引凤，为根瘤菌建造了一座房子让其搬进去住，后续是否能共生固氮虽然现在还不得而知，但已迈出了关键的一步。”中科院分子植物卓越中心副主任龚继明说。该项研究发现，SHR-SCR分子模块是植物皮层细胞分裂的充分必要条件。这一发现不仅加深了人们对共生固氮的理解，也为非豆科植物皮层细胞命运的改造奠定了基础，为今后减少农作物对氮肥的依赖，实现农业生产的可持续发展提供了新的思路。

因为该属细菌根据种的不同，寄生的豆科植物的范围也有所不同，但在寄生后形成根瘤的状态下，都可进行显著的固氮作用。该菌在以铵盐等作氮源时，即使不在豆科植物上也能生长，并可被纯分离。在游离的状态下是具有运动性的革兰氏阴性杆菌，但在根瘤中即丧失运动性，形态也发生变化，形成分枝的棒状类菌体（bacterioid）。若从根瘤中取出类菌体，将菌体破坏制成菌的提取液，并人为地给予电子授体，即产生分子态氮的还原。据此可以认为，在根瘤菌中含有活化氮分子的酶——固氮酶。此外，寄生于豆科以外的植物（赤杨、毒水晶花等）根部，也能形成根瘤进行固氮的放线菌的Frankia属细菌，也可称为广义的根瘤菌