综述：利用生物固氮作用：构建自维持农业生态系统的多尺度工程

这篇综述深入探讨了如何通过合成生物学（Synthetic Biology）和多尺度工程策略（从分子水平的固氮酶（nitrogenase）优化到生态系统级的田间应用）开发生物固氮（BNF）技术，以替代化学氮肥（如NH4Cl和尿素），解决农业中氮利用效率低、水体富营养化（eutrophication）等问题，最终实现自维持农业生态系统（self-sustaining agroecosystems）。

　　

生物固氮

生物固氮（BNF）是某些原核微生物将大气氮（N₂）转化为氨（NH₃）的过程，每年贡献约2亿吨氮，占全球作物需求量的75%。固氮微生物分为共生（如根瘤菌）、自生（如蓝细菌）和联合固氮菌三类。固氮酶（nitrogenase）是核心催化剂，但其活性受氧敏感性和高能耗（16ATP/N₂）限制。

合成生物学在固氮工程中的进展

合成生物学通过基因簇水平转移和宿主适配性改造，实现了非固氮宿主（如大肠杆菌）中固氮酶的表达。关键突破包括：1）优化nif基因簇的折叠与活性（如FeMo-co辅因子合成途径）；2）构建氧保护系统（如微好氧条件调控）；3）能量供应改造（如引入氢酶回收H₂）。此外，CRISPR-Cas9技术精准编辑了根际微生物组（rhizosphere microbiome），增强了宿主作物关联性。

农业应用与挑战

当前农业中，共生固氮菌（如大豆根瘤菌）和联合固氮菌（如固氮螺菌）是主要生物肥料，但面临效率低、环境敏感性（如pH、温度）和宿主特异性问题。田间试验显示，工程菌株可提升玉米和小麦产量15-20%，但规模化应用仍需解决菌群稳定性与化学肥料竞争问题。

未来方向

多尺度整合是核心：分子层面设计高效固氮回路，宿主层面开发工程作物（如转nif基因水稻），生态系统层面优化田间微生物互作。最终目标是构建“自维持”农业，减少化学氮肥依赖，平衡产量与生态安全。