Fixação de nitrogênio (Nitrogen fixation)

A fixação de nitrogênio denota um processo químico em que o dinitrogênio molecular (N2) sofre conversão em amônia (NH3). Este processo se manifesta tanto biologicamente quanto através de métodos industriais abióticos. A fixação biológica de nitrogênio, também denominada diazotrofia, é mediada enzimaticamente por nitrogenases. Esses complexos enzimáticos são codificados por genes Nif (ou seus homólogos Nif) e incorporam ferro, frequentemente junto com um metal secundário, normalmente molibdênio, embora ocasionalmente vanádio.

A fixação de nitrogênio é um processo químico pelo qual o dinitrogênio molecular (N
§89§) é convertido em amônia (NH
§1920§). Ocorre tanto biológica quanto abiologicamente nas indústrias químicas. A fixação biológica de nitrogênio ou diazotrofia é catalisada por enzimas chamadas nitrogenases. Esses complexos enzimáticos são codificados pelos genes Nif (ou homólogos Nif) e contêm ferro, geralmente com um segundo metal (geralmente molibdênio, mas às vezes vanádio).

Certas bactérias fixadoras de nitrogênio estabelecem relações simbióticas com várias espécies de plantas, principalmente leguminosas, musgos e samambaias aquáticas como Azolla. Interações menos rigorosas e não simbióticas entre diazotróficos e plantas são frequentemente categorizadas como associativas, exemplificadas pela fixação de nitrogênio observada nas raízes do arroz. Além disso, a fixação de nitrogênio é observada em associações entre certos cupins e fungos. Naturalmente, este processo também ocorre na atmosfera através da geração de NO_x através de descargas atmosféricas.

O nitrogênio fixo é indispensável para sustentar a vida na Terra. Macromoléculas orgânicas cruciais, incluindo DNA e proteínas, incorporam nitrogênio. A fixação industrial de nitrogênio constitui a base fundamental para a produção de todos os produtos industriais que contêm nitrogênio, abrangendo fertilizantes, produtos farmacêuticos, têxteis, corantes e explosivos.

Visão geral histórica

O fenômeno da fixação biológica de nitrogênio foi inicialmente identificado por Jean-Baptiste Boussingault em 1838. Posteriormente, em 1880, o mecanismo subjacente foi elucidado pelos agrônomos alemães Hermann Hellriegel e Hermann Wilfarth, com uma descrição abrangente fornecida pelo microbiologista holandês Martinus Beijerinck.

Extensa pesquisa sobre a relação entre plantas e aquisição de nitrogênio, iniciada por de Saussure, Ville, Lawes, Gilbert e outros pesquisadores, culminaram na descoberta da fixação simbiótica por Hellriegel e Wilfarth em 1887. Investigações conduzidas por Boussingault em 1855, e mais tarde por Pugh, Gilbert e Lawes em 1887, demonstraram que o nitrogênio não era absorvido diretamente pelas plantas. A subsequente identificação da função das bactérias fixadoras de nitrogênio por Hermann Hellriegel e Hermann Wilfarth entre 1886 e 1888 inaugurou uma nova época na ciência do solo.

Em 1901, Beijerinck demonstrou a capacidade de Azotobacter chroococcum de fixar nitrogênio atmosférico. Este organismo representou a primeira espécie identificada dentro do gênero Azotobacter, designação que ele mesmo estabeleceu. Além disso, é o primeiro diazotrófico reconhecido, definido como uma espécie capaz de utilizar nitrogênio diatômico como um componente integral do ciclo completo do nitrogênio.

Mecanismos Biológicos

A fixação biológica de nitrogênio (FBN) é o processo pelo qual o nitrogênio atmosférico é transformado em amônia através da ação de uma enzima nitrogenase. A reação abrangente para BNF é delineada da seguinte forma:

N₂ + 16ATP + 16H§34§O + 8e⁻ + 8H⁺ → 2NH§11_{12§ +H§13}14§ + 16ADP + 16P_i

Este processo está intrinsecamente ligado à hidrólise de 16 equivalentes de ATP e simultaneamente envolve a formação de um equivalente de H
§67§. A transformação de N
§1718§ em amônia ocorre em um cluster de metal específico denominado FeMoco, que é um acrônimo para o cofator ferro-molibdênio. O mecanismo subjacente envolve uma sequência de estágios de protonação e redução, durante os quais o sítio ativo FeMoco catalisa a hidrogenação do substrato N
§2829§. Dentro dos diazotróficos de vida livre, a amônia produzida pela nitrogenase é assimilada em glutamato através da via glutamina sintetase/glutamato sintase. Os genes microbianos nif, que são indispensáveis ​​para a fixação de nitrogênio, exibem ampla distribuição em vários nichos ambientais.

As nitrogenases são altamente suscetíveis à rápida degradação pelo oxigênio. Consequentemente, numerosas espécies bacterianas inibem a produção de enzimas quando o oxigênio está presente. Um número significativo de organismos fixadores de nitrogênio prospera exclusivamente em condições anaeróbicas, seja respirando para esgotar as concentrações de oxigênio ou sequestrando oxigênio com proteínas especializadas como a leghemoglobina.

Significado do nitrogênio

A robusta ligação covalente tripla do nitrogênio atmosférico torna-o metabolicamente inacessível para a maioria dos organismos. Consequentemente, a maioria dos organismos adquire nitrogênio fixo de diversos reservatórios ambientais. Normalmente, para cada 100 átomos de carbono, aproximadamente 2 a 20 átomos de nitrogênio são assimilados. A proporção atômica média de carbono (C), nitrogênio (N) e fósforo (P) na biomassa planctônica foi inicialmente caracterizada por Alfred Redfield, que estabeleceu a relação estequiométrica, conhecida como Razão de Redfield, como 106:16:1 para átomos C:N:P.

O Complexo Enzimático Nitrogenase

O complexo proteico nitrogenase catalisa a redução do gás nitrogênio (N₂) em amônia (NH₃). Dentro das cianobactérias, esse sistema enzimático reside em uma célula especializada conhecida como heterocisto. A síntese do complexo nitrogenase está sob controle genético e sua atividade depende dos níveis de oxigênio ambiente, bem como das concentrações intracelulares e extracelulares de amônia e de várias espécies de nitrogênio oxidado, incluindo nitrato e nitrito. Além disso, acredita-se que as concentrações cumulativas de amônio e nitrato impeçam o N_Fix, particularmente quando os níveis intracelulares de 2-oxoglutarato (2-OG) ultrapassam um limite crítico. A célula heterocística especializada é essencial para a função da nitrogenase devido à suscetibilidade da enzima ao oxigênio ambiente.

A nitrogenase compreende duas proteínas: uma proteína catalítica dependente de ferro, frequentemente denominada proteína MoFe, e uma proteína redutora apenas de ferro (proteína Fe). São reconhecidas três proteínas dependentes de ferro distintas: dependente de molibdênio, dependente de vanádio e somente ferro, com todas as três variantes da proteína nitrogenase incorporando um componente proteico de ferro. A nitrogenase dependente de molibdênio é a forma mais prevalente. O componente específico da proteína ferro permite a diferenciação dos tipos de nitrogenase. A nitrogenase exibe alta conservação. O sequenciamento de DNA da expressão gênica pode determinar qual complexo proteico está presente e potencialmente ativo dentro de um microrganismo. Normalmente, o gene nifH serve para identificar a nitrogenase dependente de molibdênio, seguido pelas redutases de nitrogenase intimamente relacionadas (componente II) vnfH e anfH, que correspondem à nitrogenase dependente de vanádio e somente de ferro, respectivamente. Para investigações sobre a ecologia e evolução de bactérias fixadoras de nitrogênio, o gene nifH é o biomarcador mais utilizado. O gene nifH possui dois genes homólogos, anfH e vnfH, que também codificam o componente nitrogenase redutase do complexo nitrogenase.

Evolução da Nitrogenase

Supõe-se que a nitrogenase tenha evoluído aproximadamente 1,5 a 2,2 bilhões de anos atrás (Ga), embora evidências isotópicas sugiram que seu surgimento possa remontar a 3,2 Ga. A enzima parece ter se originado de proteínas semelhantes à maturase, embora a função precisa dessas proteínas precursoras permaneça indeterminada.

A nitrogenase existe em três formas distintas (Nif, Anf e Vnf), cada uma correspondendo ao específico metal presente no sítio ativo da proteína: molibdênio, ferro e vanádio, respectivamente. Postula-se que as variadas abundâncias de metais marinhos ao longo da história geológica da Terra influenciaram a prevalência relativa de cada forma de nitrogenase. Atualmente, não há consenso definitivo sobre qual forma de nitrogenase surgiu mais cedo.

Microorganismos

Os diazotróficos estão amplamente distribuídos no domínio Bactérias, abrangendo cianobactérias (por exemplo, as altamente significativas Trichodesmium e Cyanothece), bactérias sulfurosas verdes, bactérias sulfurosas roxas, Azotobacteraceae, rizóbios e Frankia. Numerosas bactérias obrigatoriamente anaeróbias, incluindo muitas (embora não todas) Espécies Clostridium, são capazes de fixar nitrogênio. Certas archaea, como Methanosarcina acetivorans, também fixam nitrogênio, e vários outros táxons metanogênicos desempenham papéis substanciais na fixação de nitrogênio em solos deficientes em oxigênio.

As cianobactérias, comumente conhecidas como algas verde-azuladas, são onipresentes em quase todos os ambientes terrestres e aquáticos iluminados, desempenhando papéis cruciais nos ciclos globais de carbono e nitrogênio. Esses organismos normalmente utilizam diversos compostos de nitrogênio inorgânicos e orgânicos, incluindo nitrato, nitrito, amônio, uréia e certos aminoácidos. Além disso, numerosas cepas de cianobactérias exibem crescimento diazotrófico, uma capacidade potencialmente herdada de seu último ancestral comum no éon Arqueano. A fixação de azoto não se limita aos solos terrestres, mas também é predominante em ecossistemas aquáticos de água doce e marinhos, com quantidades de fixação de azoto oceânico comparáveis ​​ou superiores às taxas terrestres. Estima-se que a cianobactéria marinha colonial Trichodesmium contribua com quase metade da fixação total de nitrogênio marinho em todo o mundo. A fixação significativa de nitrogênio atmosférico também é realizada por líquenes de superfície marinha e bactérias não fotossintéticas dos filos Proteobacteria e Planctomycetes. As cianobactérias fixadoras de nitrogênio de água doce incluem espécies como Aphanizomenon e Dolichospermum (anteriormente Anabaena). Essas espécies possuem células especializadas, conhecidas como heterócitos, onde a enzima nitrogenase facilita a fixação do nitrogênio.

Algas

Uma nova organela, denominada nitroplasto, capaz de converter o gás nitrogênio atmosférico em uma forma biodisponível, foi identificada em algas. Esta organela originou-se de endossimbiontes cianobacterianos designados UCYN-A2 e foi observada especificamente na alga marinha *Braarudosphaera bigelowii*.

Diatomáceas da família Rhopalodiaceae hospedam endossimbiontes cianobacterianos, conhecidos como corpos esferóides ou diazoplastos. Embora estes endossimbiontes tenham sofrido a perda de capacidades fotossintéticas, eles retêm a capacidade crucial de fixação de azoto, permitindo assim que as suas diatomáceas hospedeiras fixem o azoto atmosférico. Gêneros adicionais de diatomáceas, incluindo Hemiaulus, Rhizosolenia e Chaetoceros, também se envolvem em relações simbióticas com cianobactérias fixadoras de nitrogênio.

Simbioses de nódulos radiculares

Família das leguminosas

A fixação de nitrogênio é significativamente fornecida por plantas da família das leguminosas (Fabaceae), abrangendo táxons como kudzu, trevo, soja, alfafa, tremoço, amendoim e rooibos. Essas plantas abrigam bactérias rizóbios simbióticas dentro de nódulos radiculares especializados, que sintetizam compostos de nitrogênio essenciais para o crescimento das plantas e a competição interespecífica. Após a senescência da planta, o nitrogênio fixado é liberado no solo, aumentando sua fertilidade e disponibilidade para outras floras. Embora a grande maioria das leguminosas exiba esta associação simbiótica, certos géneros, como Styphnolobium, são excepções. Os métodos agrícolas tradicionais incorporam frequentemente ciclos de rotação de culturas que muitas vezes apresentam culturas compostas predominantemente ou inteiramente por trevo.

A eficiência da fixação de azoto no solo depende de múltiplas variáveis, incluindo as espécies específicas de leguminosas e as condições atmosféricas e edáficas prevalecentes. Por exemplo, as taxas de fixação de nitrogênio pelo trevo vermelho podem variar substancialmente, variando de 50 a 200 lb/acre (56 a 224 kg/ha).

Não leguminosas

A fixação de nitrogênio nos nódulos radiculares também ocorre em plantas actinorrízicas, como o amieiro e o louro, facilitada pela bactéria simbiótica Frankia. Estas plantas estão distribuídas em 25 géneros dentro das ordens Cucurbitales, Fagales e Rosales, que, juntamente com os Fabales, constituem um clado fixador de azoto distinto entre os euroídeos. No entanto, esta capacidade de fixação de azoto não é omnipresente em todos os géneros destas famílias; por exemplo, apenas quatro dos 122 gêneros de Rosaceae exibem fixação de nitrogênio. Dado que Fabales representa a linhagem divergente mais antiga dentro deste clado, a capacidade de fixação de nitrogênio pode ser considerada plesiomórfica, posteriormente perdida na maioria dos descendentes da planta ancestral fixadora de nitrogênio. Alternativamente, os pré-requisitos genéticos e fisiológicos fundamentais podem ter existido de forma incipiente nos ancestrais comuns mais recentes dessas plantas, evoluindo para plena funcionalidade apenas em linhagens específicas. Além disso, o gênero tropical Trema (também conhecido como Parasponia), pertencente à família Cannabaceae, exibe uma capacidade atípica de se envolver em interações simbióticas com rizóbios, levando à formação de fixadores de nitrogênio. nódulos.

Outros Simbiontes de Plantas

Várias outras espécies de plantas estabelecem relações simbióticas com cianobiontes (por exemplo, cianobactérias como Nostoc), que realizam a fixação de nitrogênio em seu nome:

• Certos líquenes, incluindo Lobaria e Peltigera
• Samambaia-mosquito (espécie Azolla)
• Cicas
• Guerreiro
• Blasia (uma hepática)
• Hornworts

Relações simbióticas notáveis envolvendo plantas de importância agrícola incluem:

• Cana-de-açúcar, em associação com endófitos não identificados
• Milho-raposa e Azospirillum brasilense.
• Grama Kallar e Azoarcus sp. cepa BH72.
• Arroz e Herbaspirillum seropedicae.
• Trigo e Klebsiella pneumoniae.
• A raça tradicional de milho 'Sierra Mixe' ou 'olotón' e vários Bacteroidota e Pseudomonadota.

Processos Industriais.

Contexto histórico.

Henry Cavendish documentou pela primeira vez um método de fixação de nitrogênio em 1784, empregando arcos elétricos para reagir com nitrogênio e oxigênio atmosféricos. Esta técnica foi posteriormente adotada no processo Birkeland-Eyde de 1903. Um fenômeno que ocorre naturalmente, a fixação de nitrogênio por raios, opera através de um mecanismo altamente análogo.

Em 1828, M. Desfosses, um farmacêutico de Besançon, observou inicialmente o potencial do azoto atmosférico reagir com produtos químicos específicos. Ele observou que as altas temperaturas induziam reações entre o nitrogênio e misturas de óxidos de metais alcalinos e carbono. Utilizando carbonato de bário como precursor, Margueritte e Sourdeval desenvolveram o primeiro processo comercial na década de 1860, onde o cianeto de bário resultante reagiu com vapor para produzir amônia. Posteriormente, em 1898, Frank e Caro desenvolveram o processo Frank-Caro, que fixava nitrogênio como cianamida cálcica. Este processo acabou sendo substituído pelo processo Haber, descoberto em 1909.

O Processo Haber.

O processo Haber, também identificado como processo Haber-Bosch desde seu início em 1909, representa a metodologia industrial predominante para a síntese de amônia. Atualmente, a fabricação de fertilizantes constitui a principal fonte antropogênica de nitrogênio fixo no ecossistema terrestre. A amônia serve como precursor essencial de fertilizantes, explosivos e vários outros produtos. O processo Haber necessita de pressões elevadas (aproximadamente 200 atm) e altas temperaturas (um mínimo de 400 °C), condições rotineiramente empregadas na catálise industrial. Este processo utiliza gás natural como fonte de hidrogênio e ar atmosférico como fonte de nitrogênio. A adoção generalizada da produção de amônia levou a uma intensificação global do uso de fertilizantes nitrogenados, que é amplamente reconhecido por facilitar a expansão da população humana de aproximadamente 2 bilhões no início do século 20 para cerca de 8 bilhões de indivíduos hoje.

Catálise Homogênea.

Extensas pesquisas têm se concentrado na identificação de catalisadores para fixação de nitrogênio, frequentemente com o objetivo de reduzir a demanda energética. No entanto, estas investigações ainda não alcançaram a eficiência e simplicidade operacional características do processo Haber. Numerosos compostos interagem com o nitrogênio atmosférico para formar complexos de dinitrogênio. O complexo inicial de dinitrogênio documentado foi Ru(NH
§6^7§)
§15
16§(N
§2627§)²⁺. Certos complexos solúveis são de fato capazes de catalisar a fixação de nitrogênio.

Fixação de nitrogênio induzida por raios.

Os raios facilitam a fixação de nitrogênio ao transformar o gás nitrogênio atmosférico (N
§67§) e gás oxigênio (O
§1718§) em óxidos de nitrogênio (NO_x). A molécula N
§3435§ exibe alta estabilidade e inércia devido à ligação tripla que conecta seus átomos de nitrogênio. Os raios geram energia e calor suficientes para quebrar essa ligação, permitindo que os átomos de nitrogênio reajam com o oxigênio, formando assim NO_x. Embora esses compostos não sejam diretamente assimiláveis ​​pelas plantas, seu resfriamento subsequente leva a uma reação com o oxigênio, produzindo dióxido de nitrogênio (NO
§5152§). O dióxido de nitrogênio então reage com a água para produzir ácido nitroso (HNO
§6263§) ou ácido nítrico (HNO
§73^74§). Ao permear o solo, esses ácidos geram nitrato (NO§78^{79§−), uma forma prontamente utilizada pelas plantas.}

• Processo Birkeland–Eyde: um processo industrial de produção de fertilizantes
• Desnitrificação: um processo orgânico de liberação de nitrogênio
• Heterocisto
• Nitrificação: produção biológica de nitrogênio
• Deficiência de nitrogênio
• Nitrogenase: enzimas usadas pelos organismos para fixar nitrogênio
• Eletrificação de processos catalíticos: redução eletroquímica de N₂

Referências

Hirsch AM (2009). "Uma breve história da descoberta de organismos fixadores de nitrogênio" (PDF). Universidade da Califórnia, Los Angeles. Este documento foi arquivado de seu original (PDF) em 9 de julho de 2010 e acessado em 14 de abril de 2012.

• Hirsch AM (2009). "Uma breve história da descoberta de organismos fixadores de nitrogênio" (PDF). Universidade da Califórnia, Los Angeles. Arquivado do original (PDF) em 9 de julho de 2010. Obtido em 14 de abril de 2012."Travis P. Hignett Collection of Fixed Nitrogen Research Laboratory Photographs // Science History Institute Digital Collections". Recuperado em 16 de agosto de 2019. As coleções digitais do Science History Institute apresentam fotografias que ilustram vários estágios do processo de fixação de nitrogênio e os diversos equipamentos e aparelhos empregados na produção de nitrogênio atmosférico, como geradores, compressores, filtros, termostatos e vácuo e explosão fornos.
• "Coleção Travis P. Hignett de fotografias de laboratório de pesquisa de nitrogênio fixo // Coleções digitais do Science History Institute". digital.sciencehistory.org. Obtido em 16 de agosto de 2019.
• Um instantâneo oceânico global de fixadores de nitrogênio combinando sequências com células no Oceano Tara