你不知道你有多么需要这些细菌

细菌被严重低估了。从农业到调味，这些微生物在某些方面都至关重要，你可能甚至没有意识到。本系列中还有另外三个故事，分别涉及艺术品修复、大肠杆菌在生物学和医学中的作用以及制作醋的微生物。

所有生物都需要氮才能生存。氮元素构成了维持我们生命的蛋白质的结构以及编码它们的 DNA。幸运的是，氮也存在于我们周围，占地球大气的 78%。但有一个问题：大多数生物不能利用空气中的氮。

氮气分子由两个氮原子组成，它们通过三键连接，这是最强的化学键。它需要很大的能量才能断裂，而大多数生物体自身没有工具来切断它。

因此，大部分生命都依赖于一组微生物：固氮细菌。

这些所谓的固氮菌吸收氮气分子，并将重要元素“固定”成氨 NH ₃ ，其他生物可以利用。一种名为固氮酶的酶可帮助它们进行这种转化，尽管它仍然需要输入大量能量。

为了给固氮酶提供能量，一些固氮菌会消耗土壤中的有机物。另一些固氮菌会与特定植物物种形成互利关系。植物为细菌提供了一个停靠在其根部的位置，牺牲部分碳来喂养微生物，作为回报，植物会获得稳定的氮供应。

如果没有固氮菌的自然作用，无论是在土壤中还是直接相关，野生植物就没有足够的氮来生存。这种依赖性影响了整个食物链：植物利用固定氮产生的蛋白质被食草动物消耗，而食草动物又将这种蛋白质提供给食肉动物。

但随着世界对农产品的需求不断增长，种植所有农作物所需的养分已远远超过细菌滋养土壤的速度。到²⁰世纪初，人类迫切需要一种人工固氮方法。

哈伯-博世工艺就是解决方案。化学家弗里茨·哈伯和卡尔·博世发明了一种在高压高温下将氮气和氢气结合的方法，打破了氮键，并使释放的原子重新聚变成氨。

如今，哈伯-博施法每年可生产约 1.6 亿吨氨。大部分氨都用于化肥，因为全球 50% 的粮食供应都依赖于氨基肥料。

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它还占全球每年二氧化碳排放量的 1% 到 1.5%，这就是为什么一些研究人员正在探索恢复生物固定方法的方法，而不是继续依赖大规模生产肥料。

加拿大圭尔夫大学农业研究员 Manish Raizada 解释说，一种可能的方法是培育出更加“混杂”的细菌，让它们在选择植物伴侣时不那么挑剔。“有机会让 [细菌] 与更多的植物宿主更加兼容，”他说。“我们称这些为精英菌株。这些精英菌株是为传统选择和育种而培育的，它们不是转基因生物。”

微生物也可以被改造，为宿主生产出更多的固定氮。由于能量消耗如此之高，许多固氮细菌一旦检测到土壤中有足够的氨，就会停止工作。研究人员已经针对这一负反馈回路，通过基因改造使细胞机制即使在富含氨的条件下也能正常运转。

虽然固氮菌与植物的共生关系在豆科作物（如大豆）中最为常见，但越来越多的证据表明，固氮菌与玉米等非豆科作物也具有共生关系。例如，墨西哥南部的 Sierra Mixe 人种植的一种本土玉米具有“气生根”，根部位于粘液囊内，粘液囊内含有固氮菌和糖分，可为它们提供养分。研究人员正试图将这种特性转移到快速生长的传统玉米上，同时又不牺牲作物产量。

固氮细菌与玉米同属一个科，它们也生长在甘蔗茎中，为一株植物提供 60% 至 80% 的氮。因此，与玉米相比，甘蔗是一种更可持续的生物乙醇来源，因为甘蔗生长所需的肥料投入较少，Raizada 说道。

有了所有这些潜在的改良方法，研究人员正在尝试在土壤中添加一种或多种固氮菌，以增加氮供应。但是，如果土壤没有足够的养分来养活细菌本身，那么仅仅在混合物中添加更多的微生物对促进作物健康几乎没有什么作用，加拿大新斯科舍省 LP Consulting 的创始人 Lise LeBlanc 解释说，该公司专门研究和帮助农民获得可持续的废物资源化选择。

固氮细菌和其他勤劳的土壤微生物需要喂养，才能为作物生长提供基本材料。农民必须为他们的微生物伙伴提供碳生物质来源，以保持它们的能量，而工业废料是一个很好的起点。LeBlanc 的 LP 咨询公司将农民与希望摆脱富含生物质的废品的工业伙伴联系起来。她说，她的团队迄今为止一直在研究木灰、生物固体和造纸废料。

勒布朗及其团队还与农民合作，确保他们拥有资源，能够妥善利用废料，为自己谋利。如果农民不知道如何正确分配和维护回收的肥料，那么简单地向田地里倾倒更多养分是没有用的。

即使有足够的食物，施用土壤富集细菌仍然不如化学肥料可靠。细菌对 pH 值和温度的变化也非常敏感，而这些变化在一块田地里变化很大，因此结果往往不一致。雷扎达解释说，短短一厘米的距离就能把完全不同的土壤分开。

在化学肥料很容易通过大雨和土壤结构薄弱的环境中，细菌解决方案更为实用。这种情况通常发生在热带和亚热带地区的农田，那里的雨季很激烈，土壤质地脆弱，沙质，无法紧密地保留养分。

雷扎达说，化学肥料会被冲走，而细菌则会固定在根部和茎部，使它们不易从土壤中流失。“进入豆科植物根瘤的细菌已经进入植物内部，它们会直接进入植物内部，”他解释道。“在热带和亚热带地区，与化学氮肥相比，固氮细菌可能是绝对可行的选择。”

用微生物取代工业生产的肥料仍然存在一些障碍需要克服，但正在进行有希望的工作来弥合生物实验室和实际领域之间的差距。