生物體的主要元素組成包含碳氫氧氮。後者為生合成蛋白質及核酸所必須,因此氮的存在及可利用與否,限制了生物在地球上乃至宇宙中的分佈。另外,氮原子的價數涵蓋 -3 (氨及有機氮)至 +5(硝酸)的範圍,包含的數種不同的分子形式,彼此在地球含量上有巨大差異,需要仰賴生物加以活化及轉換。原核微生物因此在地球的氮循環扮演至關重要的角色。氮循環包含固氮作用(nitrogen fixation)、氨化作用(ammonification)、硝化作用(nitrification)、脫硝作用(denitrification)、厭氧銨氧化作用 (anaerobic ammonium oxidation,簡稱 anammox)以及生物同化作用(assimilation)。本講堂將依序介紹這些重要的生物地質化學反應,以及推動這些反應的環境微生物。 相信大家都感受過”看得到卻吃不到”的那種椎心之痛。地球上的所有真核生物及大部分原核生物僅能利用較活潑的氮,主要是氨及硝酸。大氣中的氮氣(N2,價數0)含量很高,絕大部分生物卻無法加以吸收利用,只能望氮興嘆。這是因為兩個氮原子間的三鍵鍵能很高,必須非常費力才能破壞這三個化學鍵,將氮氣加以活化(需要酵素及能量)及還原(需要電子)。有那麼一些幸運的細菌(bacteria)及古菌(archaea),演化出能夠固定氮氣成為氨(NH3)的關鍵酵素-固氮酶(nitrogenase)。這些微生物因此能生存於氨及硝酸這些含氮養份短缺的環境之中。固氮作用的反應式如下: N2 + 8 H+ + 8 e- + 16 ATP → 2 NH3 + H2 + 16 ADP + 16 Pi 如同上式所示,將氮氣(價數 0)還原成氨(價數 -3),需要 6 個電子。額外的 2 個電子以氫氣形式喪失。另外,固定一分子的氮氣,需要消耗 16 個 ATP,顯示固氮作用需要耗費大量的能量。 固氮酶實際上是由兩個蛋白質子單元所組成,分別是實際執行氮氣還原的雙氮酶(dinitrogenase)及負責重新還原雙氮酶的雙氮酶還原酶(dinitrogenase reductase)。這兩個子蛋白都含有鐵;典型的雙氮酶則額外含有鉬,以”MoFe7S8·高檸檬酸(homocitrate)”形成鐵-鉬輔酶。由於鉬在自然界很稀少,某些固氮菌在鉬缺乏的環境中,會生成替代性的鐵-釩或鐵-鐵的輔酶形式,仍然能進行固氮作用。如圖一所示,在固氮過程中,電子傳遞依序由電子供應者(丙酮酸)➔ 黃素氧化還原蛋白(flavodoxin) ➔ 雙氮酶還原酶 ➔ 雙氮酶 ➔ 氮氣。ATP 與雙氮酶還原酶結合,在 ATP 水解過程中會降低這個蛋白質子單元的還原電位,讓它能夠進一步還原雙氮酶。固氮酶不僅能還原氮氣,亦能將乙炔 (C2H2) 還原成乙烯 (C2H4)。實際在測量固氮酶活性時,時常在封閉的培養瓶中加入環境樣本與 10% 左右的乙炔,隨後利用氣相層析儀偵測乙烯隨培養時間的生成與累積。這個簡單、靈敏且快速的方法稱為乙炔還原法(acetylene reduction method)。雙氮酶還原酶這個子蛋白容易與氧氣反應,讓酵素造成不可逆性地的失去活性。固氮作用因此會被氧氣所抑制。有趣的是,許多固氮菌其實是會產氧的光合菌,主要為藍綠細菌(cyanobacteria,表一)。 這些藍綠細菌發展出一些聰明的機制來隔離固氮酶,避開氧氣的接觸。目前已知的機制包括有: (一) 空間隔離:念珠藻屬(Nostoc)(圖二A)及魚腥藻屬(Anabaena)的絲狀藍綠細菌,會將固氮酶隔離在厚壁的異形細胞(heterocyst)裡。這些細胞無法進行光合作用,氧氣也無法輕易穿透加厚的細胞壁,異形細胞因此專司固氮作用。 (二) 時間隔離:不產生異形細胞的某些絲狀藍綠細菌如顫藻屬(Oscillatoria) (圖二B),在白天進行光合作用,晚上進行固氮作用。 (三) 綜合隔離機制:束毛藻屬(Trichodesmium)是大量生長在貧養熱帶及亞熱帶海域的群聚型絲狀藍綠細菌(圖二C),也是唯一已知不產生異形細胞,但仍能在白天進行固氮作用的生物。早期假說主張束毛藻在群聚結構的外側進行光合作用,而在群聚中心進行固氮作用。近期顯微形態觀察結果則發現,束毛藻演化出固氮細胞(diazocyte)。固氮細胞同時具有光合作用、呼吸作用及固氮作用所需的酵素,且無厚壁結構。惟在固氮作用盛行時,呼吸作用大量發生,而光合作用暫時減緩,導致細胞內氧氣濃度的大幅下降。束毛藻對海洋氮循環至關重要,推測亞熱帶海域的固氮作用有半數是束毛藻所貢獻。 固氮細菌可以是獨立生存或是與真核生物共生。獨立生存的固氮細菌(統稱為游離固氮菌free-living diazotroph)。這些細菌尚包括厭氧光合細菌(例如水田及池塘底泥常見的紫細菌及綠硫細菌)、梭菌屬(Clostridium)裡的化能有機厭氧細菌以及甲烷生成古菌(表一)。某些固氮菌則傾向與真核生物共生。例如根瘤菌(Rhizobium)及短根瘤菌(Bradyrhizobium)能與豆科植物進行共生。它們會在植物根部形成根瘤,作為固氮作用之場所,並產生豆血紅蛋白(leghemoglobin),能與氧氣結合以降低細胞內氧氣濃度。共生型固氮菌提供寄主植物生長所需的氮源,因此對農業活動有重要貢獻。共生型固氮菌亦發現於白蟻等動物的腸道,但腸道內大量的氨往往會抑制動物體內的固氮作用。目前尚未能單離出白蟻腸道內的固氮菌,僅能以偵測到固氮酶基因的存在與微弱的固氮活性證實它們的存在。 參考文獻
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