微生物氮代謝的分子機制和全球氮循環的定量理解是環境微生物學和農業科學的核心議題。
固氮酶的結構與機制
傳統固氮酶（Mo-nitrogenase）的 FeMoco 結構：MoFe₇S₉C-homocitrate，2011 年 Spatzal et al. 的高解析度結構證實中央碳原子（carbide, C⁴⁻）的存在。N₂ 在 FeMoco 上的結合和活化機制仍有爭議：
- Thorneley-Lowe kinetic scheme：Fe protein cycle（1 ATP / e⁻ transfer）和 MoFe protein cycle（E₀-E₈ 態，E₃-E₄ 態為 N₂ 結合態）
- Hoffman/Seefeldt 的 deficit-spending 模型：obligatory H₂ evolution 在 E₄ 態（2H₂ reductive elimination）提供活化能驅動 N₂ 結合
替代固氮酶：V-nitrogenase（VnfDKG，含 FeV-cofactor）和 Fe-only nitrogenase（AnfDKG），在 Mo 限制環境中表達。V-nitrogenase 能還原 CO 和 CO₂ 為短鏈碳氫化合物，暗示固氮酶與 Fischer-Tropsch 催化的演化連結。
nif 基因調控
模式生物 Klebsiella pneumoniae 的 nif regulon 包含 ~20 個基因。NifA（σ⁵⁴-dependent activator）+ σ⁵⁴(RpoN) 啟動 nif 基因轉錄。在有 O₂ 或 NH₄⁺ 時，NifL（anti-activator，含 FAD 和 PAS domain 感應 redox 和氮狀態）抑制 NifA。
Rhizobium-legume 共生的信號交換：植物根分泌類黃酮（flavonoid）→ NodD 感應 → 啟動 nod 基因表達 → 合成 Nod factor（lipo-chitooligosaccharide）→ 被植物 LysM-RLK（NFR1/NFR5）辨識 → 觸發根毛捲曲和感染線形成 → 皮層細胞分裂形成根瘤原基 → 細菌釋入 symbiosome → 分化為 bacteroid。
Leghemoglobin 維持根瘤內 O₂ 分壓 ~10 nM（足夠細菌呼吸但不損害固氮酶），apoprotein 由植物基因體編碼，heme 由 bacteroid 合成。
新發現的氮循環途徑
- Comammox：Nitrospira inopinata 完整硝化（前述）
- DNRA（Dissimilatory Nitrate Reduction to Ammonium）：NO₃⁻ → NH₄⁺，由 NrfA（pentaheme cytochrome c）催化，在高 C:N 環境中勝過反硝化，保留生態系中的固態 N
- Feammox：以 Fe³⁺ 為電子接受者氧化 NH₄⁺（Acidimicrobiaceae A6），在酸性土壤中可能是重要的 N 損失途徑
- N₂O 還原的多樣性：近年發現的 clade II NosZ 在非反硝化菌中分布廣泛，這些「N₂O scavengers」可能是降低土壤 N₂O 排放的關鍵
全球氮收支與人為干擾
Haber-Bosch 工業固氮使人為反應性 N（Nr）的投入超過自然生物固氮，打破了前工業時代的氮平衡。過量 Nr 導致的環境問題被稱為「氮級聯」（nitrogen cascade）：同一分子 Nr 在不同環境區隔間流動，依序造成 PM2.5 空污（NH₃→NH₄NO₃ 氣溶膠）、酸沉降（HNO₃）、水體優養化（NO₃⁻）、溫室效應（N₂O）和臭氧層破壞。