Fiksacija dušika

Fiksacija dušika je proces u kojem se dušik (N₂) iz Zemljine atmosfere pretvara u amonijak (NH₃). Atmosferski dušik i njegov molekulski oblik (N₂) su relativno inertni: ne reagiraju lahko s drugim hemikalijama pri stvaranju novih spojeva. Prilikom odvijanja procesa fiksacije oslobađa se atom dušika iz trostruke veze diatomskog oblika, N≡N, koji se koristi i na druge načine.

Prirodna i sintetska fiksacija dušika od suštinske je važnosti za sve oblike života, jer je dušik potreban za biosintezu osnovnih gradivnih blokova biljaka, životinja i drugih oblika života. Naprimjer, kao što su nukleotidi za DNK i RNK, koenzim nikotinamid adenin dinukleotid koji imaju ulogu u metabolizmu pri prebacivanju elektrona između molekula, te aminokiseline za proteine. Zbog toga, kao dio ciklusa dušika, ovaj proces je bitan za poljoprivredu i proizvodnju đubriva. Također je važan u proizvodnji eksploziva (npr. baruta, dinamita, TNT i sl).

Fiksacija dušika se prirodno javlja u zemljištu učvršćivanjem u bakterijama koje su povezane s nekim biljkama (naprimjer, Azotobacter sa mahunarkama).

Neke od ovih bakterija imaju vrlo bliske odnose s biljkama i imaju simbiotsku fiksaciju dušika. Labaviji odnosi između bakterija i biljaka učvršćivaća azota često se nazivaju asocijativni ili nesimbiotski, kao što je uočljivo prilikom učvršćivanja (fiksacije) dušika koji se javlja na korijenu riže. Također se javlja prirodno u zraku pritikom nastanka munja.

Svi načini biološke fiksacije dušika se odvijaju pomoću nitrogeneze uz učešće metalo enzima koji sadrže željezo, molibden ili vanadij. Od mikroorganizama koji mogu fiksirati dušik to su prokarioti (i bakterije i archaea, distribuirani širom njihovih carstava) poznati pod nazivom diazotrofi. Neke više biljke i neke životinje (termiti), stvaraju zajednice (simbioza) sa diazotrofima.

Biološka fiksacija dušika

Ciklus kruženja dušika
(Abiotska fiksacija dušika je izostavljena).

Biološku fiksaciju dušika otkrili su njemački agronom Hermann Hellriegel i holandski mikrobiolog Martinus Beijerinck. Biološka fiksacija dušika (BNF) nastaje kada se atmosferski dušik pretvara u amonijak pomoću enzima nitrogenaza. Ukupna reakcija BNF-a je:

${\mathrm{N}}_{\mathrm{2}}\mathrm{+}\mathrm{8}{\mathrm{H}}^{\mathrm{+}}\mathrm{+}\mathrm{8}{\mathrm{e}}^{\mathrm{-}}\mathrm{⟶}\mathrm{2}\mathrm{N}{\mathrm{H}}_{\mathrm{3}}\mathrm{+}{\mathrm{H}}_{\mathrm{2}}$

Proces je u kombinaciji sa hidrolizom 16 ekvivalenata adenozin-trifosfata (ATP) i prati stvaranje jedne molekule H₂. Pretvaranje N₂ u amonijak javlja se na klasteru zvanom FeMoco, što je skraćenica za željezo-molibden kofaktor. Mehanizam se odvija preko serija protonacija i redukcijskih koraka pri čemu aktivna mjesta FeMoco hidrogeniziraju supstrat N₂. U slobodno živećim diazotrofima amonijak koji nastaje pomoću nitrogenazae stapa se u glutamat, uz katalizu enzimom glutamin sintetaza, puta glutamat sintaze.

Mikrobni geni koji su potrebni za fiksaciju dušika su široko rasprostranjeni u različitim okruženjima.

Enzimi koji su odgovorni za aktivnost nitrogenaze vrlo su podložni uništenju kisikom. Iz tog razloga, u prisustvu kisika, mnoge bakterije prestaju proizvodnju enzima. Mnogi azotofiksatorni organizmi postoje samo u anaerobnim uslovima, smanjujući respiracijom nivo kisika ili vezivanjem kisika sa proteinima kao što je leghemoglobin.

Mikroorganizmi koji fiksiraju dušik

Šablon:Glavni Diazotrofi su raznolika grupa prokariota u koje spadaju: cijanobakterije (npr. veoma značajani rodovi Trichodesmium i Cyanothece ), zelene sumporne bakterije, zajedno sa Azotobacteraceae, Rhizobia i Frankia.

Cijanobakterije nastanjuju skoro sve osvijetljene sredine na Zemlji i igraju ključnu ulogu u ciklusima ugljika i dušika u biosferi. U principu, cijanobakterije su u mogućnosti da koriste različite neorganske i organske izvore u kombinaciji dušika, kao što su: nitrati, nitriti, amonijak, urea ili neke aminokiseline. Nekoliko sojeva cijanobakterija su u stanju diazotrofnog rasta, tj. imaju sposobnost koja može biti prisutna kod posljednjeg zajedničkog pretka u arhajskom eonu. Fiksacija dušika u cijanobakterijama na koralnom grebenu može udvostručiti količinu dušika koji je na kopnu - oko 1,8 kg dušika fiksira se po hektaru dnevno (oko 660 kg/ha/godišnje). Smatra se da kolonije morskih cijanobakterija roda Trichodesmium fiksiraju dušik u takvoj količini da to čini gotovo polovinu azotofiksacije u morskim sistemima na svjetskom nivou.

Simbioza korijenskih kvržica

Porodica mahunarki

Biljke koje također imaju sposobnost fiksacije dušika su porodica leguminoze  – Fabaceae – sa taksonima kao što su: kudzu, djeteline, soje, alfalfa, leće, kikiriki i crvenogrmni južnoafrički grašak ruibos. One sadrže simbiotske bakterije zvane rizobije unutar kvržica u korijenovim sistemima, proizvodeći azotne spojeve koji pomažu rast i konkurentnost biljaka, u odnosima sa drugim biljkama. Kada biljka ugine, fiksirani dušik se otpušta, što ga čini dostupnim drugim biljkama, a to pomaže stvaranju plodnijeg zemljišta. Velika većina mahunarki imaju ove zajednice, ali nekoliko rodova (npr. Styphnolobium) nemaju. U mnogim tradicionalnim i organskim poljoprivrednim praksama usjevi na poljima se rotiraju smjenom različitih kultura,. To obično uključuje jednu kulturu koja se sastoji uglavnom ili u potpunosti od djeteline ili heljde (bez mahunarki porodice Polygonaceae), a često se naziva "zeleni stajnjak".

Uzgoj inga leja oslanja se na leguminozu roda Inga , koja je malo tropsko, debelolisno, azotofiksatorsko drvo.

Nemahunarke

Presjek kvržice na korijenu johe.

Iako velika većina biljaka koje stvaraju korijenske kvržice pripadaju porodici Fabaceae, postoji nekoliko izuzetaka:

• Parasponia je tropski rod porodice Cannabaceae čiji predstavnici zajedno rade sa rizobijima i stvaraju kvržice koje fiksiraju dušik.
• Aktinorizne biljke, kao što su joha i neke vrste jagodičastog voća u Sjevernoj Americi mogu također razviti azotofiksacijske korijenove kvržice, zahvaljujući simbiozi sa bakterijama roda Frankia. Ove biljke su rasprostranjene u oko 25 rodova iz oko osam porodica.

Sposobnost da se usvoji azot je daleko od univerzalnosti prisustva u ovim porodicama. Na primjer, od 122 roda Rosaceae, samo četiri roda su sposobna za fiksiranje dušika. Sve ove porodice pripadaju redovima Cucurbitales, Fagales i Rosales, koji zajedno sa Fabales stvaraju granu eurozide. U ovom kladusu (grani), Fabales su prva loza koja se odvaja. Sposobnost fiksacije dušika može biti pleziomorfnost, koja se potom gubi u većini potomaka izvornih biljnih azotofiksatora. Međutim, to može biti zato što su osnovni genetski i fiziološki zahtjevi bili prisutni u početnim stanjima i kod posljednjeg zajedničkog pretka svih ovih biljaka, ali su u punoj funkciji evoluirali samo kod nekih od njih:

Porodice: Rodovi Betulaceae: Alnus Cannabaceae: Trema Casuarinaceae: Allocasuarina Casuarina Ceuthostoma Gymnostoma

……

Coriariaceae: Coriaria Datiscaceae: Datisca Elaeagnaceae: Elaeagnus Hippophae Shepherdia

……

Myricaceae: Comptonia Morella Myrica

……

Rhamnaceae: Ceanothus Colletia Discaria Kentrothamnus Retanilla Talguenea Trevoa

……

Rosaceae: Cercocarpus Chamaebatia Dryas Purshia/Cowania

Ovdje pripada i nekoliko simbiotski udruženih azotofiksatora koji objedinjuju cijanobakterije (kao što su azotofiksatori iz roda Nostoc):

• Neki lišaji kao u rodovima Lobaria i Peltigera
• Vrste paprati rodaAzolla
• Cikade
• Gunnera

Endosimbioza kod diatomeja

Rhopalodia gibba, alga, diatomeja, je eukariot sa cijanobakterijskim, endosimbiontskim organelama koje fiksiraju N₂. Loptasta tijela u citoplazmi dijatomeja su neodvojiva od njihovih domaćina.

Abiotska fiksacija dušika

Putem munja u grmljavinama, sagorijevanja i vulkana, od dušika i kisika u zraku nastaju dušikovi oksidi, koji reagiraju sa kapljicama vode u atmosferi i stvaraju dušičastu i azotnu kiselinu. U toj reakciji stvaraju se kisele kiše koje dopiru i u tlo.

${\mathrm{N}}_{\mathrm{2}}\mathrm{+}{\mathrm{O}}_{\mathrm{2}}\mathrm{\to }\mathrm{2}\mathrm{N}\mathrm{O}$

$\mathrm{4}\mathrm{N}\mathrm{O}\mathrm{+}\mathrm{3}{\mathrm{O}}_{\mathrm{2}}\mathrm{+}\mathrm{2}{\mathrm{H}}_{\mathrm{2}}\mathrm{O}\mathrm{\to }\mathrm{4}\mathrm{H}\mathrm{N}{\mathrm{O}}_{\mathrm{3}}$

Tehnička fiksacija azota

N₂ može se reducirati u Haberovom procesu, koji zahtijeva temperaturu od 500 °C, a pritisak od 450 bara i katalizatore. Većina ovog amonijaka pretvara se u nitratno đubrivo. U nitrifikaciji dušika za dobijanje kalcij-cijanamida, fiksacija se odvija u skladu sa sljedećom jednačinom hemijske reakcije:

$\mathrm{C}\mathrm{a}{\mathrm{C}}_{\mathrm{2}}\mathrm{+}{\mathrm{N}}_{\mathrm{2}}\mathrm{⟶}\mathrm{C}\mathrm{a}\mathrm{(}\mathrm{C}\mathrm{N}{\mathrm{)}}_{\mathrm{2}}$ $\mathrm{⟶}\mathrm{C}{\mathrm{a}}^{\mathrm{2}\mathrm{+}}\mathrm{+}{}^{\mathrm{-}}\mathrm{N}\mathrm{=}\mathrm{C}\mathrm{=}{\mathrm{N}}^{\mathrm{-}}\mathrm{+}\mathrm{C}$

Također pogledajte

• Dušik
• Nitrifikacija
• Denitrifikavija
• George Washington Carver
• Ciklus kruženja dušika
• Nitrogenaza

Vanjski linkovi

• Šablon:Cite web
• Šablon:Cite web