生物固氮：探尋本質的生命行為
圖：滇池污染
自然界有兩大生命現象，即光合作用和固氮作用。光合作用是將空氣中的二氧化碳固定成碳水化合物，而固氮作用是將空氣中的氮氣固定成氨。人類與許多其他生物一樣需要氮素作為合成蛋白質的原料，但不能自我合成有機氮。雖然空氣中有78%是氮氣，但是絕大多數生物不能直接利用空氣中的氮氣。在能源緊張和環境污染的雙重壓力下，傳統的固氮方式已經難以適應各種需求，從而使生物固氮研究得到更加應有的重視。如果主要農作物能夠自主固氮，就可以擺脫對化肥的依賴性，既節省能源，又有利於環境。這是繼工業革命之後，人們期待的一次「綠色革命」。
中國973計劃「高效生物固氮作用機理及其在農業中的應用」項目同國外相關研究相比較，研究工作的總體水準處於國際先進水準，部分領域如固氮酶結構與催化功能、碳氮偶聯的分子機理等研究均處於國際領先水準。該項目組負責人王憶平說，自然界有細胞的生物可以被分為兩大類：一類是有細胞核的真核生物，其中包括高等植物和動物，酵母菌是最簡單的真核生物；還有一類是無細胞核的原核生物，比如大腸桿菌、乳酸桿菌等。兩類生物都可以進行光合作用，而固氮卻是原核生物的「專利」，它們可以在常溫常壓下利用固氮酶將空氣中的氮氣固定成氨，作為生命體系的氮素來源。
研究生態固氮的意義
研究生物固氮的意義主要有以下兩個方面。一方面是能源問題。由於氮肥的製造是一個高耗能的過程，生物固氮研究的重要性一般都是在石油資源有危機的時候凸現出來。如上世紀70年代的石油危機，以及目前海灣地區的不穩定性和石油價格上漲。
另一方面，是環境的壓力。化肥施到土地裡，只有30%被植物吸收，另外70%進入土壤水體，造成富營養化。有資料顯示，中國農業對環境污染的「貢獻率」達到20%以上，如滇池污染中，農業面源污染對於總氮、總磷含量的貢獻率已分別高達43.3%和37.1%。因為中國內地是施用氮肥最多的國家之一，化肥作為一種農業生產資料得到國家的控制，相對比較便宜的同時，濫施現象也比較嚴重。而生物固氮就不會對環境造成破壞。
王憶平介紹說，據統計，人造氮肥占全球氮素總量的30%左右，除閃電在瞬間固氮5%左右外，其餘全靠生物來固氮。一般來說，生物固氮菌有三種類型。第一類是自生固氮菌，這個比較典型的是沙漠裡長的髮菜，在沙漠這種艱苦獨特的環境裡面它能夠生長。此外，曾經在中國主要水體中氾濫的藍藻中也有很大一部分可以自生固氮。海洋裡面有很多藻類也是有同樣的功能。
第二類是聯合固氮菌。光合作用是把空氣中的二氧化碳固定成碳水化合物。植物光合作用的產物有70%給自己用，另外30%養分要分泌到土壤中，供養土壤裡附着在植物根際的微生物，其中包括聯合固氮菌，它們可為植物提供一定份額的氮素，這種鬆散的關係往往是互益的。植物體內還有很多內生菌也可以固氮，也屬於聯合固氮範圍。如巴西在甘蔗生產中使用聯合固氮體系，可為甘蔗提供60%的氮素來源。
第三類是共生固氮菌。這是科學家認為效率非常高但局限性也比較大的一類菌，大豆、豌豆、花生等豆科植物可以利用根瘤菌進行共生固氮。在共生固氮體系中，豆科植物根瘤裡的根瘤菌進入植物細胞，被植物細胞「俘虜」，逐漸發育成了植物細胞的一種「器官」，所以它們的固氮效率非常高，可以說這種模式是生物固氮的「最高境界」。
國內研究科學固氮的焦點
科學固氮是一個交叉學科，包括農學、化學、物理學和生物學，而生物學中又包括遺傳學、分子生物學、生物化學、生物物理學等學科。中國最早開始這方面研究的專業人士是盧嘉錫、唐敖慶、蔡啟瑞、沈善炯和陳華葵等，他們在內地帶起了一支研究固氮的隊伍。
共生固氮體系根瘤菌與宿主植物的關係最緊密，效率最高，它是目前生物固氮研究的焦點之一。對它的研究主要有兩個目的，一是揭示根瘤菌與宿主植物相互作用機理，二是擴大宿主範圍，使非豆科植物，如水稻、小麥、玉米等糧食作物也能共生固氮。
王憶平的課題組針對中國西南地區的酸性、高溫生態環境和西北地方的乾旱、鹽鹼生態環境，在重慶三峽庫區找到了一塊山坡地，可以在種植苜蓿的同時，配種合適的根瘤菌，通過對豆科牧草及其根瘤菌的遺傳結構改造，提高豆科牧草共生固氮體系的抗逆能力。
這對西部農業來說是個開拓性的應用。這個研究打破了川、渝地區沒有大面積成功種植紫花苜蓿的歷史，其研製的高效固氮根瘤菌株已進行了較大面積的應用推廣，取得顯著效益。
