一、氮素的固定方式和形式
氮素的固定方式有生物固氮、閃電固氮、工業(yè)固氮，其中生物固氮是指有固氮酶的微生物在常溫常壓下將空氣中的氮?dú)膺€原成NH3的過程（圖1）。生物固氮量約達(dá)工業(yè)固氮量的3倍，約占總固氮量的65～70％，在自然界氮循環(huán)中起重要的作用（圖1）。其化學(xué)反應(yīng)式簡寫為： N2+8H++8e-+16ATP→2NH3+H2+16ADP+16Pi。
圖1 氮循環(huán)
生物固氮有三種形式：自生固氮、聯(lián)合固氮、共生固氮。微生物在土壤中獨(dú)立生活，獨(dú)立進(jìn)行固氮的方式稱自生固氮（圖2）；微生物在植物體腔或根際生活，不形成特殊器官，但可為植物提供氮素的固氮過程叫聯(lián)合固氮（圖3）。微生物與植物互利共生形成根瘤，在根瘤中的固氮過程叫共生固氮（圖4、,圖5）。其中共生固氮效率最高、分布最廣，其固氮量占生物固氮的80％。
圖2 自生固氮菌（圓核固氮菌） 圖3 聯(lián)合固氮菌（巴西固氮螺菌）
圖4 共生固氮菌（大豆根瘤菌） 圖5 根瘤菌和大豆共生結(jié)瘤
二、農(nóng)作物生長的氮素來源
自然界中的氮絕大部分以單質(zhì)分子N2存在于大氣中，不能被植物直接吸收利用。工業(yè)生產(chǎn)氮肥就是將氮?dú)廪D(zhuǎn)化的方式之一，農(nóng)業(yè)生產(chǎn)對氮肥的需求逐年增加。1913年，Haber-Bosch發(fā)明了在高溫高壓催化N2轉(zhuǎn)化為NH3的化學(xué)方法來生產(chǎn)氮肥，世界各國大量投資生產(chǎn)工業(yè)氮肥，為達(dá)到預(yù)期的糧食產(chǎn)量，化肥消耗的年增長率達(dá)0.7％-1.3％。特別是我國，化肥的生產(chǎn)量和使用量都居世界首位，使用量約是澳大利亞的8倍、美國的3倍。但是化肥過量使用帶來了一系列問題，比如化肥利用率降低，僅35％或更低，造成環(huán)境污染，使土壤板結(jié)和肥力下降，給能源供給造成很大壓力等。
相比工業(yè)固氮，生物固氮不僅固氮量巨大，而且廉價、無污染、能減少化肥的用量和節(jié)約能源力等，是未來農(nóng)業(yè)生產(chǎn)節(jié)本增效的有效手段，也是將來現(xiàn)代化農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的主要氮源之一。
三、共生固氮在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中的應(yīng)用
中國古代的勞動人民很早就知道種植大豆可以提高土壤肥力，人們用豆科植物和其他非豆科植物輪作來提高農(nóng)作物產(chǎn)量、改良土壤環(huán)境。在100多年前人們就明確地利用根瘤菌接種豆科植物來提高產(chǎn)量，1886年H．Hellrigel發(fā)現(xiàn)和證明了根瘤菌具有共生固氮作用。波蘭學(xué)者Prazmoski于1889年率先用根瘤菌接種豆科植物，并獲得成功。
如今，世界各國積極進(jìn)行根瘤菌接種劑的開發(fā)應(yīng)用，對生物固氮分子機(jī)制的不斷認(rèn)識也加快了生產(chǎn)應(yīng)用研究。在當(dāng)今環(huán)境污染、資源短缺、生態(tài)環(huán)境破壞嚴(yán)重的形勢下，開發(fā)根瘤菌這一綠色生態(tài)的生物氮肥，顯得更為重要。
目前國內(nèi)外根瘤菌菌劑產(chǎn)品主要集中在經(jīng)濟(jì)作物大豆和花生上，坤禾生物菌種庫里有多株不同來源的大豆和花生根瘤菌菌種（圖6、圖7），坤禾生物技術(shù)團(tuán)隊?wèi){借多年扎實(shí)的根瘤菌研發(fā)技術(shù)積累和沉淀，在菌株的篩選、功能驗(yàn)證、菌種的發(fā)酵和規(guī)模化生產(chǎn)、田間應(yīng)用方面具有規(guī)范成熟的配套體系和方案，適應(yīng)目前我國大豆和花生固氮根瘤菌的大面積推廣應(yīng)用的急迫形勢。
圖6 大豆根瘤菌 圖7 花生根瘤菌
