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化學模拟生物固氮為何這麼難

“莊稼一枝花，全靠肥當家。”肥料在農業生産中究竟起多大作用？一位美國農學家是這樣回答的：把作物的增産量作為100%，則肥料的作用占50%。顯而易見，化肥就是“糧食”，增施化肥，就可以增産糧食。

衆所周知，硫铵、碳铵、尿素等是重要的化肥，這是因為它們所含的氮是構成蛋白質的基本元素之一，是農作物生長的必需營養。人們為了給農作物提供足夠的氮素，可以說是挖空了心思。也許你會說，空氣中含氮量高達80%，其總量約為4×10/噸，那裡不是有許多氮素嗎?的确是這樣。但空氣中的氮氣是不能被大多數植物直接吸收利用的，這又實在令人遺憾。

盡管如此，人們還是一直在空氣中的氮氣上做文章。氮分子很不活潑，分子中的兩個氮原子結合得非常牢固，破壞它們之間的結合力，談何容易！但不把氮原子從這種結合狀态中“解放”出來，其對作物的營養活力就無法表現出來。德國著名化學家哈伯，經過長期艱苦的實驗研究，終于在1913年利用高壓、高溫和催化技術，使氮氣和氫氣合成氨的反應得以實現，這是一個劃時代的貢獻。從此，合成氨工業成為化學工業的佼佼者，十分活躍，發展迅速，哈伯也因此而獲得了科學最高獎——諾貝爾化學獎。

不過，這種氨的合成需要在500℃高溫、300個大氣壓下進行，還要有大型的離心壓縮機以及用煤或石油制造原料氣的設備。這種化工技術實在是投資大，能耗高，成本高，很不經濟。

這使得人們羨慕起自然界裡的豆科植物來了。豆科植物有一種十分特殊的能力：它們的根部長有根瘤，這根瘤是細菌和植物共生的結果。根瘤中的固氮細菌能在常溫、常壓下将空氣中的氮氣轉化為氨，供豆科植物吸收利用，這個過程叫做生物固氮。據不完全統計，全世界生物固氮的量是工業合成氮肥産量的40倍。可見生物固氮對農業生産的貢獻有多麼大！

現在化學家、生物學家們正在向大自然學習。在固氮領域中，一方面竭力弄清固氮菌的固氮機理，争取用化學方法模拟生物固氮，來實現在溫和條件下固定空氣中的氮；另一方面努力使非豆科植物根部也能結出根瘤，達到不施氮肥也能增産豐收的目的。

經過科學家們40多年的研究得知，生物固氮靠的主要是根瘤菌中的固氮酶。現在化學家們對固氮酶的化學結構有了概貌性的認識。固氮酶的分子龐大而結構複雜，它由二氮酶和二氮還原酶兩種蛋白質組成。二氮酶蛋白質的分子量為220000，其中包括2個钼原子、32個鐵原子和32個酸溶性的硫原子；二氮還原酶蛋白質的分子量為60000，它包含有8個鐵原子和8個酸溶性的硫原子。

一般酶是不怕氧氣的，但固氮酶卻性情古怪，就像老鼠怕貓一樣地害怕氧氣。其中，二氮酶在空氣中暴露10分鐘，固氮活性就要喪失一半；二氮還原酶

則更加怕氧，隻要在空氣中暴露30秒鐘，活性就會喪失一半。固氮酶為什麼對氧氣特别敏感？對這個問題雖然有種種猜測，但至今仍是個未解之謎。

固氮酶如此怕氧氣，給對它的研究帶來了很大的困難。在分離、提純和貯藏固氮酶以及測定固氮酶活性的過程中，必須嚴格無氧，否則整個研究就會一事無成。

正由于對固氮酶研究的實驗十分難做，所以時至今日，人們對固氮酶的空間結構、活性中心的種類、數目和位置以及為氮還原提供電子、轉移電子的情況等的認識還很模糊。也就是說，現在對于固氮酶的固氮機理還有許多謎要解。

人們企盼着早日揭開生物固氮的秘密，從而實現常溫、常壓下氨的合成，使空氣中的氮氣更好地為人類服務。

那麼，另一條戰線——使非豆科植物的根部也結出根瘤的研究情況又如何呢？

令人欣喜的是，在這條戰線上有了新的突破。1979年10月，山東大學微生物研究所的科研人員成功地利用植物生長刺激素将根瘤菌引入小麥根系，結出了世界上第一個人工小麥根瘤，這種根瘤經5N同位素示蹤法測定，有一定的共生固氮能力。這項成果被中外生物固氮專家認定，已達到國際領先水平。

目前，科學家們認為，小麥、水稻、向日葵等非豆科植物都可能用人工方法長出根瘤，隻是固氮能力達不到豆科植物根瘤的水平。因此，研究還需繼續深入。

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