细菌的作用被严重低估了。从农业到食品调味，这些微生物的重要性超乎你的想象。本系列还有另外三篇文章，分别介绍了 艺术修复、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所需的蛋白质以及编码它们的 DNA 的结构。幸运的是，氮元素在我们周围无处不在，占地球大气的 78%。但有一个问题：大多数生物无法利用空气中的氮。
氮气分子由两个由三键连接的氮原子组成，这是最强的化学键。断裂它需要巨大的能量，而大多数生物没有能力自行断裂它。
因此，生命在很大程度上依赖于一类微生物：固氮菌。
这些所谓的“固氮菌”能将氮气分子“固定”成氨（NH₃），从而变成其他生物可以利用的必需元素。 一种叫做固氮酶的酶 帮助它们完成这种转化，尽管这仍然需要大量的能量。
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。另一些则与特定的植物种类形成互利共生关系。植物为细菌提供附着在其根部的空间，牺牲一部分碳来喂养微生物，作为回报，植物获得稳定的氮供应。
如果没有固氮菌在土壤中的自然作用或直接的共生关系，野生植物将无法获得足够的可用氮来生存。这种依赖关系影响着整个食物链：植物利用固定的氮产生的蛋白质被食草动物消耗，食草动物又将蛋白质传递给食肉动物。
然而，随着世界对农产品的需求不断增长，种植所有作物所需的养分远远超过了细菌改善土壤的速度。到了 20 世纪初，人类迫切需要一种人工固氮的方法。
哈伯-博施法是解决方案。化学家弗里茨·哈伯和卡尔·博世发明了一种在高压和高温下结合氮气和氢气的方法，打破氮键，并使游离的原子重新结合成氨。
如今，哈伯-博施法每年生产约 1.6 亿公吨氨。其中大部分用作肥料，因为世界一半的粮食供应依赖于基于氨的肥料。
它也占每年全球二氧化碳排放量的 1% 到 1.5%，这就是为什么一些研究人员正在探索回归生物固氮方法，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，一个潜在的途径是培育“更具适应性”的细菌，让它们在选择植物伙伴时不再那么挑剔。“有机会让[细菌]与更多植物宿主兼容，”他说。“我们称之为优良菌株。这些优良菌株是通过传统选育和繁殖培育出来的，它们不是转基因生物。”
微生物也可以被改造，为宿主产生更多的固定氮。由于能量成本很高，许多固氮菌在检测到土壤中氨含量充足时会关闭。研究人员已经靶向了这种负反馈回路，通过 基因改造，即使在富含氨的条件下也能保持细胞机械的运转。
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，这些细菌也与非豆科作物（如玉米）兼容。例如，墨西哥南部 Sierra Mixe 人种植的 一种土著玉米 拥有“气生根”，这些根被包裹在含有固氮菌和为它们提供能量的糖的粘液袋中。研究人员正试图将这一特性转移到生长快速的常规玉米上，同时不牺牲作物产量。
与玉米属于同科的甘蔗，其茎中也寄生着固氮菌， 为其提供了 60% 到 80% 的氮素摄入量。因此，与玉米相比，甘蔗是一种更可持续的生物乙醇来源，因为它生长所需的肥料投入更少，Raizada 说。
有了所有这些潜在的改造方法，研究人员正在试验向土壤中添加一种或多种固氮菌，以提高氮的供应。但加拿大新斯科舍省 LP Consulting 的创始人 Lise LeBlanc（该公司专��研究并为农民提供可持续废物利用方案）解释说，仅仅增加微生物数量并不能显著提高作物健康，如果土壤本身没有足够的养分来喂养细菌。
固氮菌和其他勤劳的土壤微生物需要被喂养，才能提供作物生长所需的元素。农民必须为他们的微生物伙伴提供碳生物质来源以保持其活力，而工业废料是一个很好的起点。LeBlanc 的 LP Consulting 公司将农民与希望处理富含生物质废弃物的工业伙伴联系起来。她说，迄今为止，她的团队已经处理过木灰、生物固体和造纸废物。
LeBlanc 和她的团队还与农民合作，确保他们拥有适当利用这些废弃物并从中获益的资源。如果农民不知道如何正确分配和维护回收的肥料，仅仅将更多的养分倾倒到田地里是无济于事的。
即使有充足的食物，土壤改良菌的应用仍然不如化肥可靠。细菌对 pH 值和温度的变化也非常敏感，而这些在同一块田地里差异很大，因此结果通常不一致。Raizada 解释说，仅一厘米的距离就可能分隔完全不同的土壤环境。
在化学肥料容易因大雨和土壤结构薄弱而被冲走的地区，细菌解决方案更为实用。这通常发生在热带和亚热带地区的农田中，那里的雨季非常强烈，土壤质地薄而沙质，不易保持养分。
Raizada 说，化学肥料会被冲走，而细菌会附着在根部和茎上，因此不易从土壤中浸出。“插入豆类结瘤菌中的细菌已经存在于植物内部，它们会直接进入植物体内，”他解释道。“在热带和亚热带地区，固氮菌绝对是替代化学氮肥的最佳选择。”
尽管在用微生物取代工业化肥方面仍有许多障碍需要克服，但在连接生物实验室和实际田地之间，已经取得了令人鼓舞的工作。
