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一. 教学内容： 生物固氮
二. 学习内容： 本周学生物固氮，掌握生物固氮的概念，固氮微生物的类群。共生固氮菌根瘤的特点，自生固氮菌、圆褐固氮菌的特点。了解生物固氮的原理。过程。掌握氮元素的循环过程，以及生物固氮的应用。掌握土壤自生，固氮菌的分离实验，理解实验原理，初步学会制作临时涂片的方法。
三. 学习重点： 1. 固氮微生物的种类 2. 生物固氮的基本过程 3. 生物固氮的意义以及在农业生产上的应用 4. 掌握土壤自生固氮菌的分离原理
四. 学习难点： 1. 固氮微生物的种类（自生固氮菌，共生固氮菌） 2. 生物固氮的基本过程 3. 生物固氮的意义以及在农业生产上的应用 4. 掌握土壤自生固氮菌的分离
五. 学习过程 （一）固氮类型 固氮：将空气中的氮分子转化成氮化合物的过程 生物固氮：固氮微生物将空气中的还原成氨的过程
每年生物固氮的总量占地球上固氮总量的90%左右。生物固氮在氮循环中起重要作用。
（二）固氮微生物的种类 1. 固氮微生物都是原核微生物，目前共发现100多种。主要有：根瘤菌、蓝藻、放线菌 2. 类型： （1）共生固氮微生物 指与绿色植物互利共生时才能固氮的微生物 如： 根瘤菌——与豆科植物互利共生 弗兰克氏放线菌——与桤木属、杨梅属、沙棘属等植物共生 蓝藻——与红萍等水生蕨类或罗汉松等裸子植物共生，地衣即是。 根瘤菌：在土壤中分布广泛，其固定的氮素占自然界生物固氮的绝大部分 形状：棒槌型、T型、Y型 代谢类型：需氧异养细菌，原核生物 特点： ① 只有在侵入到豆科植物的根内才能固氮 ② 不同的根瘤菌各自只能侵入特定种类的豆科植物 ③ 根瘤菌与豆科植物互利共生 根瘤形成： ① 豆科植物幼苗长出后，相应的根瘤菌就侵入到根内 ② 根瘤菌在根内不断繁殖 ③ 刺激根内薄壁细胞分裂，该处组织膨大形成根瘤 重要意义：豆科植物从根瘤中获得的氮素占所需氮素的30%到80% （2）自生固氮微生物 指在土壤中能够独立进行固氮的微生物，如：圆褐固氮菌 圆褐固氮菌：异养需氧原核生物（细菌） 结构特点： ① 大多是杆菌或短杆菌 ② 通常是单生或对生生活（显微镜下观察呈8字型） ③ 细菌外层有一层荚膜 功能特点： ① 异养需氧生活 ② 能独立固氮，固氮能力较强（能在无氮培养基中生长） ③ 能分泌生长素（促进植株生长和果实发育） 生产应用：常制作成菌剂，投入到土壤中，提高农作物的产量 ① 作用对象：小麦，水稻，棉花，玉米 ② 主要菌种：圆褐固氮菌，棕色固氮菌 ③ 施用方式： a. 基施 以基肥的形式使用 b. 追施 追加在作物的根部，覆盖土壤 c. 拌种 阴凉处晾干后使用 ④ 增产效果：单纯使用菌剂不能满足农作物对氮营养的全部需要，只能是一种补充措施 菌落特点： ① 色泽土褐色 ② 表面光滑呈黏稠状（具有荚膜） ③ 形状不规则（通常具有菌毛，具运动能力） （3）联合固氮微生物（高中了解部分内容） 必须生活在根际、叶面或动物的肠道等处才能固氮的微生物 如： 雀稗固氮菌、固氮螺菌——生活在玉米、雀稗、水稻和甘蔗等植物根内的皮层细胞间 特点：具有一定的专一性，但不形成根瘤那种特殊结构 可以进行自行固氮，介于自生固氮和共生固氮之间
（三）生物固氮过程： 1. 生物固氮是在细胞内的固氮酶的催化下进行的，不同固氮微生物的固氮酶的催化作用基本相同 2. 基本过程：
（1）将N2还原成NH3，将C2H2还原成C2H4 （2）需要e和H+（来自植物体内的化学反应） （3）需要ATP提供能量是一个释能过程
3. 固氮酶：有两种蛋白质组成，只有两种蛋白质同时存在时才能起固氮作用 （1）两种蛋白质分别是：含铁的蛋白质——铁蛋白；含有铁和钼的蛋白质——钼铁蛋白 （2）电子先传递给铁蛋白，然后传递给钼铁蛋白，最终被 （3）ATP一定要与Mg结合，形成Mg—ATP复合物才能起作用 （4）具有底物多样性
（四）生物固氮的意义： 1. 植物吸收土壤中的氨盐和硝酸盐，在体内将无机氮转化为有机氮 2. 动物直接或间接以植物为食，同化形成动物有机氮 3. 动植物有机氮被微生物分解成氨——氨化作用 4. 氨或氨盐在硝化细菌的作用下最终氧化成硝酸盐——硝化作用 5. 硝酸盐被反硝化细菌等还原成亚硝酸盐，进一步形成分子态氮返回大气——反硝化作用
意义：没有以生物固氮为主的固氮作用，大气中的分子态氮就不能被植物吸收利用。生物固氮在氮循环中有十分重要的意义。
（五）生物固氮在农业中的应用： 1. 补充土壤损失的氮元素（两种途径：a. 施用氮素化肥，农家肥补充 b. 生物固氮补充） 2. 提高豆科作物的产量根（瘤菌拌种种植增产10%~20%） 3. 豆科作物做绿肥明显提高土壤的氮素含量 4. 让非豆科农作物自行固氮不仅能提高产量，还有利于生态环境的保护
（六）自生固氮菌的分离： 1. 原理：农田表层土壤制成的稀泥浆接种到无氮培养基中，只有自生固氮菌才能生长繁殖。其他细菌因为没有生长繁殖所必须的氮素营养，所以无法生长。从而将自生固氮菌分离开来。 2. 方法步骤： （1）接种： ① 将灭过菌的无氮培养基，在37摄氏度恒温箱中培养一两天，挑选没有生长任何微生物的使用 ② 取10克土壤混5mL无菌水用无菌玻璃棒搅匀 ③ 无菌操作在挑选的培养基上接种 ④ 标记内容 （2）培养： 在恒温箱中，28至30摄氏度条件下培养3到4天 （3）观察： 观察接种效果，泥浆周围若出现黏液，先为无色透明，以后为乳白色，最后变成褐色，表明含有自生固氮菌 （4）镜检： ① 制作临时涂片： 载玻片用酒精消毒，中央滴入无菌水 无菌操作条件下挑粘液涂在载玻片水滴中，用结晶紫染液染色 另取载玻片做推片，推出均匀菌膜 ② 干燥： 涂片自然干燥（不用加热，以免破坏菌膜） ③ 观察 依次用低倍镜，高倍镜观察，自生固氮菌染成紫色
【模拟试题】 1. 根瘤菌的代谢类型是（ ） A. 异养、需氧型 B. 自养、需氧型 C. 自养、厌氧型 C. 异养、厌氧型 2. 生物固氮的说法中正确的是（ ） A. 固氮微生物将空气中的氮还原成氨 B. 豆科植物能进行生物固氮 C. 自生固氮微生物的能量最终来源是光能 D. 共生固氮微生物的能量最终来源是化学能 3. 关于根瘤菌的说法正确的是（ ） A. 根瘤是根瘤菌的聚合体 B. 根瘤是根瘤菌刺激共生植物产生癌变的结果 C. 根瘤是根的内皮层薄壁细胞受到根瘤菌的分泌物刺激产生分裂，组织肥大形成 D. 根瘤菌在根瘤内是一种无氧环境 4. 下列生物中不可能具有固氮能力的微生物的是（ ） A. 放线菌 B. 硝化细菌 C. 根瘤菌 D. 蓝藻 5. 下列各项中与生物固氮过程无关的是（ ） A. 固氮酶 B. 硝酸根 C. 三磷酸腺苷 D. 质子氢 6. 有关圆褐固氮菌的说法正确的是（ ） A. 能促进植物开花 B. 促进植物的生长和果实的发育 C. 促进果实的成熟 D. 促进植物对氮元素的吸收和利用 7. 生物固氮过程中，最终的电子受体是（ ） A. N2和C2H2 B. NH3 C. 乙烯 D. NADP+ 8. 豆科植物固氮能力最强的时期是（ ） A. 成长时期 B. 幼苗时期 C. 开花时期 D. 开花后 9. 根瘤菌体内的固氮酶特性的叙述中错误的是（ ） A. 高效性 B. 专一性 C. 底物多样性 D. 受环境的PH值影响 10. 关于自生固氮菌的说法不正确的是（ ） A. 通常细菌外面具有一层荚膜 B. 一般情况是单生或对生生活 C. 大多是杆菌或短杆菌 D. 是自养需氧代谢类型 11. 分离自生固氮菌的培养基的配置中不能加入下列那种成分（ ） A. 琼脂 B. K2HPO4 C. Mg（NO3）2 D. 葡萄糖 12. 圆褐固氮菌生长处形成的菌落状态是（ ） A. 乳白色，粘稠状光滑不规则菌落 B. 乳白色，干燥态规则圆滑菌落 C. 土褐色，粘稠状光滑不规则菌落 D. 土褐色，干燥态规则圆滑菌落 13. 制作圆褐固氮菌的装片时方法是（ ） A. 挑少许黏液，用结晶紫染色自接压片，晾干观察 B. 挑少许黏液，用结晶紫染色制作推片，晾干观察 C. 挑少许黏液，用结晶紫染色自接压片，烘干观察 D. 挑少许黏液，用结晶紫染色制作推片，烘干观察 14. 生物固氮过程中所利用的ATP来自于（ ） A. 光合作用过程 B. 根的呼吸作用 C. 氨的氧化过程 D. 固氮菌的呼吸作用 15. 下列关于生物固氮的说法中正确的是（ ） A. 固氮微生物将自然界中的含氮化合物还原成氨的过程 B. 固氮微生物将空气中的N2还原成氨的过程 C. 将空气中游离的氮转化成氮的化合物的过程 D. 生物将大气中的氮及其化合物转化为氨态氮的过程 16. 下列对豆科作物进行根瘤菌拌种的说法中正确的是（ ） A. 将豆科作物种子沾上根瘤菌即可 B. 将豆科作物沾上一定浓度的根瘤菌即可 C. 将豆科作物种子沾上相应的根瘤菌即可 D. 将豆科作物种子沾上固氮微生物即可 17. 固氮菌的生物固氮过程 A. 电子和氢离子由根瘤菌的有氧呼吸过程提供 B. 该过程是一个氧化还原反应，其还原剂是N2 C. 固氮酶不仅起催化反应作用，它还具有传递电子和H+功能 D. ATP在该反应中是一个水解释能过程 18. 通过某些微生物的作用，把空气中游离的氮素固定转变为含氮化合物，这一过程就是一种生物固氮作用。为确定固氮的最终产物，做了如下两个实验：（1）把固氮菌培养在含15N2的空气中，细胞迅速固定氮素，短期内细菌的谷氨酸中出现大量的15N。（2）如果把细菌培养在含有15NH3的培养基中，固氮能力立刻停止，但吸入氨态氮迅速转入谷氨酸中。由此可以推断，该微生物固氮最终产物是（ ） A. NH3 B. NO2 C. 19. 下列哪些关于生物固氮的说法是正确的（ ） （1）固氮生物都是原核生物 （2）固氮菌都是共生的 （3）固氮菌都是厌氧型细菌 （4）所有的固氮酶都对氧敏感 A.（1）（2） B.（3）（4） C.（1）（3） D.（1）（4） 20. 豆科植物与根瘤菌的共生关系主要体现在（ ） A. 根瘤菌为豆科植物提供氮肥，豆科植物为根瘤菌提供氧气 B. 根瘤菌为豆科植物提供氧气，豆科植物为根瘤菌提供氮肥 C. 根瘤菌为豆科植物提供氮肥，豆科植物为根瘤菌提供水和二氧化碳 D. 根瘤菌为豆科植物提供氮肥，豆科植物为根瘤菌提供有机物 21. 不能为植物提供氮源，但可以使含氮无机盐成为氮气返回到空气中的生物是（ ） A. 根瘤菌 B. 圆褐固氮菌 C. 硝化细菌 D. 反硝化细菌 22. 栽种农作物时要“正其行，通其风”，有利于提高产量。其原因是（ ） A. 有利于充分利用光能 B. 有利于释放氧气 C. 有利于吸收较多的CO2 D. 有利于充分吸水 23. 硝化细菌通过化能合成作用形成有机物，需要下列哪种环境条件（ ） A. 具有氮及缺氧 B. 具有氨和氧 C. 具有硝酸和氧 D. 具有硝酸及缺氧 24. 给含氨较多的土壤中耕松土，有利于提高土壤肥力，其原因是（ ） A. 改善土壤通气，根呼吸作用加强 B. 增加土壤中的含量 C. 改善土壤通气，硝化细菌繁殖快，有利于土壤中硝酸盐增加 D. 改善土壤营养状况，使根瘤菌繁殖加快 25. C4植物体内的光合作用（ ） A. 产生丙酮酸 B. 须在暗中进行 C. 需要ATP D. 释放CO2 26. C4植物比C3植物更有效率，这是因为（ ） A. 在最适条件下C4植物光合作用可用更少的光量子来固定1mol CO2 B. C4植物光合作用比C3植物光合作用可在更低的CO2浓度下进行 C. C4植物光合作用需要更少种类的矿质元素 D. C4植物光合作用用水量更经济 27. 施用农家肥能提高光合作用效率的原因是农家肥（ ） A. 含有较多氮，磷，钾 B. 被分解后产生较多CO2 C. 含有较多固氮微生物 D. 能使土壤疏松涵养水分 28. 蚕豆根瘤菌的入侵对象是（ ） A. 大豆的根 B. 豇豆的根 C. 菜豆的根 D. 蚕豆的根 29. 圆褐固氮菌在固氮过程中需要（ ） A. 固氮酶 B. 电子 C. 氢离子 D. ATP 30. 土壤中的氮素来自（ ） A. 氮素化肥 B. 固氮微生物 C. 农家肥 D. 闪电打雷 31. 下图为生态系统中氮循环和碳循环及其相互关系图。分析回答：
（1）图中①过程为__________________，过程②为_________________。 （2）反硝化细菌的生理过程在何种情况下发生？______________。是由图中的哪个标号体现的？____。如果地球上没有反硝化细菌这类生物，你预测会出现什么情况？__________________。 （3）如果土壤板结或长期水淹，陆生植物通过④过程获得的氮素能否满足其生理需要？________。其原因是_________________。 （4）如果图示是一个大棚生态系统，遇到连续阴雨天气，你认为采取何种措施对植物的生长较为有利？____________。采取这种措施的目的是_______________。 （5）施氮肥过多可能对植物及环境造成的影响主要有哪些方面？____________
 【试题答案】 1. A 2. A 3. C 4. B 5. B 6. B 7. A 8. C 9. C 10. D 11. C 12. C 13. B 14. D 15. B 16. C 17. A 18. A 19. D 20. D 21. D 22. C 23. B 24. C 25. AC 26. BD 27. ABD 28. BCD 29. BCD 30. ABCD 31. （1）光合作用；呼吸作用 （2）氧气不足；⑥；空气中氮气越来越少 （3）不能；土壤中缺氧，呼吸作用减弱，吸收的氮素减少，所以不能满足植物生理活动的需要 （4）适当降温；降低呼吸消耗（或答：补充人工光照；增强植物的光合作用） （5）① 会使土壤浓度过高，从而造成植物的萎蔫甚至“烧苗”现象； ② 植物吸收的氮素过多，会出现叶色深绿，生长过旺，营养生长周期延长，生殖生长受影响，成熟期延迟，产量下降（尤其是利用其花和果实的植物，如棉花，大豆等大多数农作物）；容易造成环境污染：一部分经土壤微生物的转化，以氮氧化物的形式进入大气，造成大气污染，另一部分随水土流失进入水体，造成水体富营养化。 |
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