德国科学家固氮（化学模拟生物固氮为何这么难）

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化学模拟生物固氮为何这么难

“庄稼一枝花，全靠肥当家。”肥料在农业生产中究竟起多大作用？一位美国农学家是这样回答的：把作物的增产量作为100%，则肥料的作用占50%。显而易见，化肥就是“粮食”，增施化肥，就可以增产粮食。

众所周知，硫铵、碳铵、尿素等是重要的化肥，这是因为它们所含的氮是构成蛋白质的基本元素之一，是农作物生长的必需营养。人们为了给农作物提供足够的氮素，可以说是挖空了心思。也许你会说，空气中含氮量高达80%，其总量约为4×10/吨，那里不是有许多氮素吗?的确是这样。但空气中的氮气是不能被大多数植物直接吸收利用的，这又实在令人遗憾。

尽管如此，人们还是一直在空气中的氮气上做文章。氮分子很不活泼，分子中的两个氮原子结合得非常牢固，破坏它们之间的结合力，谈何容易！但不把氮原子从这种结合状态中“解放”出来，其对作物的营养活力就无法表现出来。德国著名化学家哈伯，经过长期艰苦的实验研究，终于在1913年利用高压、高温和催化技术，使氮气和氢气合成氨的反应得以实现，这是一个划时代的贡献。从此，合成氨工业成为化学工业的佼佼者，十分活跃，发展迅速，哈伯也因此而获得了科学最高奖——诺贝尔化学奖。

不过，这种氨的合成需要在500℃高温、300个大气压下进行，还要有大型的离心压缩机以及用煤或石油制造原料气的设备。这种化工技术实在是投资大，能耗高，成本高，很不经济。

这使得人们羡慕起自然界里的豆科植物来了。豆科植物有一种十分特殊的能力：它们的根部长有根瘤，这根瘤是细菌和植物共生的结果。根瘤中的固氮细菌能在常温、常压下将空气中的氮气转化为氨，供豆科植物吸收利用，这个过程叫做生物固氮。据不完全统计，全世界生物固氮的量是工业合成氮肥产量的40倍。可见生物固氮对农业生产的贡献有多么大！

现在化学家、生物学家们正在向大自然学习。在固氮领域中，一方面竭力弄清固氮菌的固氮机理，争取用化学方法模拟生物固氮，来实现在温和条件下固定空气中的氮；另一方面努力使非豆科植物根部也能结出根瘤，达到不施氮肥也能增产丰收的目的。

经过科学家们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。现在化学家们对固氮酶的化学结构有了概貌性的认识。固氮酶的分子庞大而结构复杂，它由二氮酶和二氮还原酶两种蛋白质组成。二氮酶蛋白质的分子量为220000，其中包括2个钼原子、32个铁原子和32个酸溶性的硫原子；二氮还原酶蛋白质的分子量为60000，它包含有8个铁原子和8个酸溶性的硫原子。

一般酶是不怕氧气的，但固氮酶却性情古怪，就像老鼠怕猫一样地害怕氧气。其中，二氮酶在空气中暴露10分钟，固氮活性就要丧失一半；二氮还原酶

则更加怕氧，只要在空气中暴露30秒钟，活性就会丧失一半。固氮酶为什么对氧气特别敏感？对这个问题虽然有种种猜测，但至今仍是个未解之谜。

固氮酶如此怕氧气，给对它的研究带来了很大的困难。在分离、提纯和贮藏固氮酶以及测定固氮酶活性的过程中，必须严格无氧，否则整个研究就会一事无成。

正由于对固氮酶研究的实验十分难做，所以时至今日，人们对固氮酶的空间结构、活性中心的种类、数目和位置以及为氮还原提供电子、转移电子的情况等的认识还很模糊。也就是说，现在对于固氮酶的固氮机理还有许多谜要解。

人们企盼着早日揭开生物固氮的秘密，从而实现常温、常压下氨的合成，使空气中的氮气更好地为人类服务。

那么，另一条战线——使非豆科植物的根部也结出根瘤的研究情况又如何呢？

令人欣喜的是，在这条战线上有了新的突破。1979年10月，山东大学微生物研究所的科研人员成功地利用植物生长刺激素将根瘤菌引入小麦根系，结出了世界上第一个人工小麦根瘤，这种根瘤经5N同位素示踪法测定，有一定的共生固氮能力。这项成果被中外生物固氮专家认定，已达到国际领先水平。

目前，科学家们认为，小麦、水稻、向日葵等非豆科植物都可能用人工方法长出根瘤，只是固氮能力达不到豆科植物根瘤的水平。因此，研究还需继续深入。

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