固氮作用

赫曼·黑爾里格爾，赫曼·威爾法斯

古希臘時期，農民就已經知道，如果在栽種著農作物的田里再種植蠶豆，其產量會有較大幅度的增長。泰奧弗拉斯托斯最早發現這種效應，認為產生這種現象的原因是由于蠶豆根部的根瘤菌將大氣里的氮轉化成了宜于植物生長的要素。但直到1886年，德國化學家赫曼·黑爾里格爾和赫曼·威爾法斯才發現了能夠固定住氮的根瘤菌菌類。

他們發現，豆科植物與根菌建立了相互有益的共生關系。根菌為豆科植物提供能量和碳化分子，并從植物身上吸收氮化合物。收獲后腐爛的蠶豆根部會釋放出可溶性氮，隨后播種的植物從土壤殘留的氮中獲益——這樣形成了一個有機農業系統。紫苜蓿每10000平方米的土壤上可以貢獻350千克氮。全世界豆科植物與根菌共生每年可產生200噸的固態氮。這一過程是地球上其他大多數食物鏈的基礎。

根菌與共生的植物之間的關系還可以劃分成更小的種類。并不是所有的組合都會同樣有效，只有將種子與上一代的根莖嫁接會最大限度地提高作物的產量。從長遠來看，運用遺傳工程學方法對共生的谷類進行基因轉化，可以最大限度地減少作物對污染重耗能高的無機氮肥的依賴。但是，這一過程需要許多基因而且過程非常復雜，因此擴大生態植物固態氮大家族的工作應該提到日程上來了。