Azot fiksasyonu, moleküler dinitrojenin (N2) amonyağa (NH3) dönüştüğü kimyasal bir prosesi belirtir. Bu süreç hem biyolojik olarak hem de abiyotik endüstriyel yöntemlerle kendini gösterir. Diazotrofi olarak da adlandırılan biyolojik nitrojen fiksasyonuna nitrojenazlar enzimatik olarak aracılık eder. Bu enzimatik kompleksler, Nif genleri (veya bunların Nif homologları) tarafından kodlanır ve sıklıkla ikincil bir metal olan molibden, bazen de vanadyum ile birlikte demir içerir.
Azot fiksasyonu, moleküler dinitrojenin (N
§89§) amonyağa (NH
§1920§). Kimya endüstrilerinde hem biyolojik hem de biyolojik olarak meydana gelir. Biyolojik nitrojen fiksasyonu veya diazotrofi, nitrojenaz adı verilen enzimler tarafından katalize edilir. Bu enzim kompleksleri Nif genleri (veya Nif homologları) tarafından kodlanır ve çoğunlukla ikinci bir metalle (genellikle molibden, ancak bazen vanadyum) birlikte demir içerir.
Belirli nitrojen sabitleyen bakteriler, başta baklagiller, yosunlar ve Azolla gibi suda yaşayan eğrelti otları olmak üzere çeşitli bitki türleriyle simbiyotik ilişkiler kurar. Diazotroflar ve bitkiler arasındaki daha az sıkı, simbiyotik olmayan etkileşimler sıklıkla birleştirici olarak sınıflandırılır ve bunun örneği pirinç köklerinde gözlemlenen nitrojen fiksasyonudur. Ayrıca bazı termitler ve mantarlar arasındaki ilişkilerde nitrojen fiksasyonu gözlenir. Doğal olarak bu süreç, yıldırım deşarjları yoluyla NOx üretimi yoluyla da atmosferde gerçekleşir.
Sabit nitrojen, Dünya'daki yaşamın sürdürülmesi için vazgeçilmezdir. DNA ve proteinler de dahil olmak üzere önemli organik makromoleküller nitrojen içerir. Endüstriyel nitrojen fiksasyonu, gübreler, ilaçlar, tekstil ürünleri, boyalar ve patlayıcılar da dahil olmak üzere nitrojen içeren tüm endüstriyel malların üretiminin temel temelini oluşturur.
Geçmişe Genel Bakış
Biyolojik nitrojen fiksasyonu olgusu ilk olarak 1838'de Jean-Baptiste Boussingault tarafından tanımlandı. Daha sonra, 1880'de, altta yatan mekanizma Alman tarım uzmanları Hermann Hellriegel ve Hermann Wilfarth tarafından, Hollandalı mikrobiyolog Martinus Beijerinck tarafından sağlanan kapsamlı bir açıklamayla aydınlatıldı.
Bitkiler ve nitrojen kazanımı arasındaki ilişkiye ilişkin kapsamlı araştırma, de Saussure, Ville, Lawes, Gilbert tarafından başlatıldı. ve diğer araştırmacıların çalışmaları, Hellriegel ve Wilfarth'ın 1887'de simbiyotik fiksasyonu keşfetmesiyle sonuçlandı.
1855'te Boussingault ve daha sonra 1887'de Pugh, Gilbert ve Lawes tarafından yürütülen araştırmalar, nitrojenin bitkiler tarafından doğrudan absorbe edilmediğini gösterdi. Nitrojen sabitleyen bakterilerin işlevinin 1886 ile 1888 yılları arasında Hermann Hellriegel ve Hermann Wilfarth tarafından tanımlanması, toprak biliminde yeni bir çığır açtı.
1901'de Beijerinck, Azotobacter chroococcum'un atmosferik nitrojeni sabitleme kapasitesini gösterdi. Bu organizma, kendisinin oluşturduğu bir isim olan Azotobacter cinsi içindeki ilk tanımlanan türü temsil ediyordu. Ayrıca diatomik nitrojeni tam nitrojen döngüsünün tamamlayıcı bir bileşeni olarak kullanabilen bir tür olarak tanımlanan, tanınan ilk diazotroftur.
Biyolojik Mekanizmalar
Biyolojik nitrojen fiksasyonu (BNF), atmosferik nitrojenin, bir nitrojenaz enziminin etkisiyle amonyağa dönüştürüldüğü süreçtir. BNF'ye yönelik kapsamlı tepki şu şekilde özetleniyor:
- N2 + 16ATP + 16H§34§O + 8e− + 8H+ → 2NH§1112§ +H§1314§ + 16ADP + 16Pi
Bu süreç, doğası gereği 16 ATP eşdeğerinin hidrolizi ile bağlantılıdır ve eşzamanlı olarak bir H
§67§ eşdeğerinin oluşumunu içerir. N
§1718§'in amonyağa dönüşümü, demir-molibden kofaktörünün kısaltması olan FeMoco olarak adlandırılan belirli bir metal kümede meydana gelir. Temel mekanizma, FeMoco aktif bölgesinin N
§2829§ substratının hidrojenasyonunu katalize ettiği bir dizi protonasyon ve indirgeme aşamasını içerir. Serbest yaşayan diazotroflarda nitrojenaz tarafından üretilen amonyak, glutamin sentetaz/glutamat sentaz yolu yoluyla glutamata asimile edilir. Nitrojen fiksasyonu için vazgeçilmez olan mikrobiyal nif genleri, çeşitli çevresel nişlerde yaygın bir dağılım sergiler.
Nitrojenazlar, oksijen tarafından hızla parçalanmaya karşı oldukça hassastır. Sonuç olarak, çok sayıda bakteri türü oksijen mevcut olduğunda enzim üretimini engeller. Azot sabitleyen organizmaların önemli bir kısmı, ya oksijen konsantrasyonlarını tüketmek için solunum yaparak ya da leghemoglobin gibi özel proteinlerle oksijeni hapsederek, yalnızca anaerobik koşullar altında gelişir.
Nitrojenin Önemi
Atmosferik nitrojenin güçlü üçlü kovalent bağı, onu organizmaların çoğunluğu için metabolik olarak erişilemez hale getirir. Sonuç olarak, çoğu organizma sabit nitrojeni çeşitli çevresel rezervuarlardan alır. Tipik olarak her 100 karbon atomu için yaklaşık 2 ila 20 nitrojen atomu asimile edilir. Planktonik biyokütledeki karbon (C), nitrojen (N) ve fosforun (P) ortalama atom oranı ilk olarak Alfred Redfield tarafından tanımlanmış ve Redfield Oranı olarak bilinen stokiyometrik ilişkiyi C:N:P atomları için 106:16:1 olarak kurmuştur.
Nitrojenaz Enzim Kompleksi
Nitrogenaz protein kompleksi, nitrojen gazının (N2) amonyağa (NH3) indirgenmesini katalize eder. Siyanobakterilerde bu enzimatik sistem, heterosist olarak bilinen özel bir hücrede bulunur. Nitrojenaz kompleksinin sentezi genetik kontrol altındadır ve aktivitesi, ortamdaki oksijen seviyelerinin yanı sıra, amonyak ve nitrat ve nitrit dahil olmak üzere çeşitli oksitlenmiş nitrojen türlerinin hücre içi ve hücre dışı konsantrasyonlarına bağlıdır. Ayrıca, hem amonyum hem de nitratın kümülatif konsantrasyonlarının, özellikle hücre içi 2-oksoglutarat (2-OG) seviyeleri kritik bir eşiği aştığında, NFix'i engellediğine inanılmaktadır. Özel heterokist hücresi, enzimin ortamdaki oksijene duyarlılığı nedeniyle nitrojenaz fonksiyonu için gereklidir.
Nitrojenaz iki proteinden oluşur: sıklıkla MoFe proteini olarak adlandırılan katalitik demire bağımlı bir protein ve indirgeyici yalnızca demir içeren bir protein (Fe proteini). Üç farklı demire bağımlı protein tanınır: molibdene bağımlı, vanadyuma bağımlı ve yalnızca demir; nitrojenaz proteininin her üç çeşidi de bir demir proteini bileşeni içerir. Molibden bağımlı nitrojenaz en yaygın formdur. Spesifik demir protein bileşeni, nitrojenaz türlerinin farklılaşmasına izin verir. Nitrojenaz yüksek koruma gösterir. Gen ifadesinin DNA dizilimi, bir mikroorganizma içinde hangi protein kompleksinin mevcut olduğunu ve potansiyel olarak aktif olduğunu tespit edebilir. Tipik olarak nifH geni, molibden bağımlı nitrojenazı tanımlamaya hizmet eder ve bunu sırasıyla vanadyum bağımlı ve yalnızca demir nitrojenaza karşılık gelen yakından ilişkili nitrojenaz redüktazlar (bileşen II) vnfH ve anfH takip eder. Nitrojen sabitleyen bakterilerin ekolojisi ve evrimine yönelik araştırmalarda nifH geni en yaygın şekilde kullanılan biyobelirteçtir. nifH geni, aynı zamanda nitrojenaz kompleksinin nitrojenaz redüktaz bileşenini de kodlayan anfH ve vnfH olmak üzere iki homolog gene sahiptir.
Nitrojenazın Evrimi
Nitrojenazın yaklaşık 1,5 ila 2,2 milyar yıl önce (Ga) evrimleştiği varsayılmaktadır, ancak izotopik kanıtlar, ortaya çıkışının 3,2 Ga'ya kadar uzanabileceğini göstermektedir. Enzim, maturaz benzeri proteinlerden kaynaklanmış gibi görünse de, bu öncü proteinlerin kesin işlevi henüz belirlenmemiştir.
Nitrojenazın, her biri karşılık gelen üç farklı formda (Nif, Anf ve Vnf) mevcuttur. proteinin aktif bölgesinde bulunan spesifik metal: sırasıyla molibden, demir ve vanadyum. Dünyanın jeolojik tarihi boyunca değişen deniz metali bolluğunun, her bir nitrojenaz formunun göreceli yaygınlığını etkilediği ileri sürülmektedir. Şu anda hangi nitrojenaz formunun en erken ortaya çıktığı konusunda kesin bir fikir birliği yoktur.
Mikroorganizmalar
Diazotroflar, siyanobakterileri (örneğin, son derece önemli Trichodesmium ve Cyanothece), yeşil sülfür bakterilerini, mor sülfür bakterilerini, Azotobacteraceae, rhizobia ve Frankia'yi kapsayan Bakteriler alanı boyunca geniş bir dağılım gösterir. Çok sayıda zorunlu anaerobik bakteri (tümü olmasa da) Clostridium türleri dahil, Azot fiksasyonu yeteneğine sahiptirler. Methanosarcina acetivorans gibi belirli arkeler de nitrojeni sabitler ve diğer çeşitli metanojenik taksonlar, oksijeni yetersiz topraklarda nitrojenin sabitlenmesinde önemli rol oynar.
Genellikle mavi-yeşil algler olarak bilinen siyanobakteriler, neredeyse tüm aydınlatılmış kara ve su ortamlarında her yerde bulunur ve küresel karbon ve nitrojen döngülerinde önemli roller oynar. Bu organizmalar tipik olarak nitrat, nitrit, amonyum, üre ve bazı amino asitler dahil olmak üzere çeşitli inorganik ve organik nitrojen bileşiklerini kullanır. Dahası, çok sayıda siyanobakteriyel suş, Arkean dönemindeki son ortak atalarından potansiyel olarak miras alınan bir yetenek olan diazotrofik büyüme sergiliyor. Azot fiksasyonu karasal topraklarla sınırlı değildir, aynı zamanda hem tatlı su hem de deniz su ekosistemlerinde de yaygındır; okyanustaki nitrojen fiksasyon miktarları karasal oranlarla karşılaştırılabilir veya bu oranları aşar. Koloni deniz siyanobakterisi Trichodesmium'un dünya çapında toplam deniz nitrojen fiksasyonunun neredeyse yarısına katkıda bulunduğu tahmin edilmektedir. Önemli atmosferik nitrojen fiksasyonu aynı zamanda deniz yüzeyi likenleri ve Proteobakteriler ve Planctomycetes filumlarından fotosentetik olmayan bakteriler tarafından da gerçekleştirilir. Tatlı suda nitrojen sabitleyen siyanobakteriler arasında Aphanizomenon ve Dolichospermum (eski adıyla Anabaena) gibi türler bulunur. Bu türler, nitrojenaz enziminin nitrojen fiksasyonunu kolaylaştırdığı, heterositler olarak bilinen özel hücrelere sahiptir.
Yosun
Alglerde, atmosferik nitrojen gazını biyolojik olarak kullanılabilir bir forma dönüştürebilen, nitroplast adı verilen yeni bir organel tanımlandı. Bu organel, UCYN-A2 olarak adlandırılan siyanobakteriyel endosembiyoz ortaklarından kaynaklandı ve özellikle deniz yosunu *Braarudosphaera bigelowii*'de gözlendi.
Rhopalodiaceae ailesindeki diatomlar, küresel cisimler veya diazoplastlar olarak adlandırılan siyanobakteriyel endosimbiyontlara ev sahipliği yapar. Bu endosembiyoz ortakları fotosentetik yeteneklerini kaybetmiş olsalar da, nitrojen sabitleme için kritik kapasiteyi korurlar, böylece diatom konakçılarının atmosferik nitrojeni sabitlemesine olanak tanırlar. Hemiaulus, Rhizosolenia ve Chaetoceros'un da aralarında bulunduğu ek diatom cinsleri de nitrojen sabitleyen siyanobakterilerle simbiyotik ilişkiler kurar.
Kök Nodül Simbiyozları
Baklagil Ailesi
Azot fiksasyonuna, kudzu, yonca, soya fasulyesi, yonca, acı bakla, fıstık ve rooibos gibi taksonları kapsayan baklagil familyasının (Fabaceae) bitkileri önemli ölçüde katkıda bulunur. Bu bitkiler, bitki büyümesi ve türler arası rekabet için gerekli olan nitrojen bileşiklerini sentezleyen özel kök nodülleri içinde simbiyotik rhizobia bakterilerini barındırır. Bitki yaşlanınca, sabit nitrojen toprağa salınır, böylece toprağın verimliliği ve diğer bitki örtüsü için kullanılabilirliği artar. Baklagillerin büyük çoğunluğu bu simbiyotik birlikteliği sergilerken, Styphnolobium gibi bazı cinsler istisnadır. Geleneksel tarım yöntemleri sıklıkla, ağırlıklı olarak veya tamamen yoncadan oluşan mahsullerin yer aldığı ürün rotasyon döngülerini içerir.
Topraktaki nitrojen fiksasyonunun verimliliği, belirli baklagil türleri ve hakim atmosferik ve edafik koşullar da dahil olmak üzere birçok değişkene bağlıdır. Örneğin, kırmızı yoncanın nitrojen sabitleme oranları, 50 ila 200 lb/akr (56 ila 224 kg/ha) arasında önemli ölçüde değişiklik gösterebilir.
Baklagil olmayan
Kök nodüllerindeki azot fiksasyonu, simbiyotik Frankia bakterileri tarafından kolaylaştırılan, kızılağaç ve defne meyvesi gibi aktinorhizal bitkilerde de meydana gelir. Bu bitkiler Cucurbitales, Fagales ve Rosales takımları içerisinde 25 cinse dağılmış olup Fabales ile birlikte eurosidler arasında ayrı bir nitrojen sabitleyici dal oluştururlar. Ancak bu nitrojen sabitleme yeteneği, bu ailelerin tüm cinslerinde yaygın değildir; örneğin 122 Rosaceae cinsinden yalnızca dördü nitrojen fiksasyonu sergiler. Fabales'in bu sınıftaki en erken ayrılan soyu temsil ettiği göz önüne alındığında, nitrojen sabitleme kapasitesi plesiomorfik olarak kabul edilebilir ve daha sonra ata nitrojen sabitleyici bitkinin soyundan gelenlerin çoğunda kaybolmuş olabilir. Alternatif olarak, temel genetik ve fizyolojik önkoşullar, bu bitkilerin en yeni ortak atalarında başlangıç halinde mevcut olabilir ve yalnızca belirli soylarda tam işlevselliğe evrilebilir.
Ayrıca, Cannabaceae familyasına ait tropikal cins Trema (ayrıca Parasponia olarak da bilinir), rhizobia ile simbiyotik etkileşimlere girme konusunda atipik bir kapasite sergileyerek nitrojen sabitleyici oluşumuna yol açar. nodüller.
Diğer Bitki Ortakyaşamları
Diğer bazı bitki türleri, nitrojen fiksasyonunu kendileri adına gerçekleştiren siyanobiyontlarla (ör. Nostoc gibi siyanobakteriler) simbiyotik ilişkiler kurar:
- Lobaria ve Peltigera dahil olmak üzere belirli likenler
- Sivrisinek eğrelti otu (Azolla türü)
- Cycad'lar
- Gunnera
- Blasia (ciğer otu)
- Boynuzotları
Tarımsal öneme sahip bitkileri içeren dikkate değer simbiyotik ilişkiler şunları içerir:
- Şeker kamışı, tanımlanamayan endofitlerle birlikte
- Tilki kuyruğu darı ve Azospirillum brasilense.
- Kallar otu ve Azoarcus sp. BH72 suşu.
- Pirinç ve Herbaspirillum seropedicae.
- Buğday ve Klebsiella pneumoniae.
- Mısırın yerel çeşidi 'Sierra Mixe' veya 'olotón' ve çeşitli Bacteroidota ve Pseudomonadota.
Endüstriyel Süreçler.
Tarihsel Bağlam.
Henry Cavendish, atmosferik nitrojen ve oksijeni reaksiyona sokmak için elektrik arklarını kullanan bir nitrojen sabitleme yöntemini ilk olarak 1784'te belgeledi. Bu teknik daha sonra 1903 Birkeland-Eyde sürecinde benimsendi. Doğal olarak meydana gelen bir olay olan yıldırımla nitrojenin sabitlenmesi oldukça benzer bir mekanizma aracılığıyla işler.
1828'de Besançonlu eczacı M. Desfosses, ilk olarak atmosferik nitrojenin belirli kimyasallarla reaksiyona girme potansiyelini gözlemledi. Yüksek sıcaklıkların nitrojen ile alkali metal oksitler ve karbon karışımları arasında reaksiyonlara neden olduğunu belirtti. Baryum karbonatı öncü olarak kullanan Margueritte ve Sourdeval, 1860'larda ilk ticari süreci geliştirdiler; burada elde edilen baryum siyanür, amonyak üretmek için buharla reaksiyona girdi. Daha sonra, 1898'de Frank ve Caro, nitrojeni kalsiyum siyanamid olarak sabitleyen Frank-Caro sürecini tasarladılar. Sonunda bu sürecin yerini 1909'da keşfedilen Haber süreci aldı.
Haber Süreci.
1909'daki başlangıcından bu yana Haber-Bosch süreci olarak da tanımlanan Haber süreci, amonyak sentezi için baskın endüstriyel metodolojiyi temsil ediyor. Şu anda gübre üretimi, karasal ekosistemdeki sabit nitrojenin birincil antropojenik kaynağını oluşturmaktadır. Amonyak gübreler, patlayıcılar ve diğer çeşitli ürünler için temel bir öncü madde olarak hizmet eder. Haber prosesi, endüstriyel katalizde rutin olarak kullanılan koşullar olan yüksek basınçları (yaklaşık 200 atm) ve yüksek sıcaklıkları (minimum 400 °C) gerektirir. Bu proseste hidrojen kaynağı olarak doğal gaz, nitrojen kaynağı olarak da atmosferik hava kullanılmaktadır. Amonyak üretiminin yaygın biçimde benimsenmesi, nitrojenli gübre kullanımının küresel düzeyde yoğunlaşmasına yol açtı; bunun, insan nüfusunun 20. yüzyılın başlarında yaklaşık 2 milyardan bugün tahmini olarak 8 milyar bireye çıkmasını kolaylaştırdığı yaygın olarak kabul ediliyor.
Homojen Kataliz.
Kapsamlı araştırmalar nitrojen fiksasyonu için katalizörlerin belirlenmesine odaklandı ve sıklıkla enerji taleplerini azaltmayı hedefliyor. Bununla birlikte, bu araştırmalar Haber sürecinin verimlilik ve operasyonel basitlik özelliklerine henüz ulaşamamıştır. Çok sayıda bileşik, dinitrojen kompleksleri oluşturmak için atmosferik nitrojenle etkileşime girer. Belgelenen ilk dinitrojen kompleksi Ru(NH
§67§)
§15
16§(N
§2627§)2+. Bazı çözünür kompleksler gerçekten de nitrojen fiksasyonunu katalize etme kapasitesine sahiptir.
Yıldırım Kaynaklı Azot Sabitlemesi.
Yıldırım, atmosferik nitrojen gazını (N
§67§) ve oksijen gazını (O
§1718§) nitrojen oksitlere (NOx) dönüşür. N
§3435§ molekülü, nitrojen atomlarını birbirine bağlayan üçlü bağ nedeniyle yüksek stabilite ve eylemsizlik sergiler. Yıldırım bu bağı parçalamak için yeterli enerji ve ısı üreterek nitrojen atomlarının oksijenle reaksiyona girmesini sağlar ve böylece NOx'i oluşturur. Bu bileşikler bitkiler tarafından doğrudan özümsenemese de, daha sonra soğutulmaları oksijenle reaksiyona girerek nitrojen dioksit oluşmasına yol açar (NO
§5152§). Nitrojen dioksit daha sonra suyla reaksiyona girerek nitro asit (HNO
§6263§) veya nitrik asit (HNO
§7374§
- Birkeland–Eyde süreci: endüstriyel bir gübre üretim süreci
- Denitrifikasyon: organik bir nitrojen salınımı süreci
- Heterosist
- Nitrifikasyon: nitrojenin biyolojik üretimi
- Nitrojen eksikliği
- Nitrojenaz: organizmalar tarafından nitrojeni sabitlemek için kullanılan enzimler
- Katalitik süreçlerin elektrifikasyonu: N2
Referanslar
Hirsch AM (2009). "Azot Sabitleyen Organizmaların Keşfinin Kısa Tarihi" (PDF) . Kaliforniya Üniversitesi, Los Angeles. Bu belge 9 Temmuz 2010 tarihinde orjinalinden (PDF) arşivlendi ve 14 Nisan 2012'de erişildi.
- Hirsch AM (2009). "Azot Sabitleyen Organizmaların Keşfinin Kısa Tarihi" (PDF). Kaliforniya Üniversitesi, Los Angeles. 9 Temmuz 2010 tarihinde orijinal (PDF) kaynağından arşivlendi. Erişim tarihi: 14 Nisan 2012."Travis P. Hignett Sabit Nitrojen Araştırma Laboratuvarı Fotoğrafları Koleksiyonu // Bilim Tarihi Enstitüsü Dijital Koleksiyonları". Erişim tarihi: 16 Ağustos 2019. Bilim Tarihi Enstitüsü Dijital Koleksiyonları, nitrojen fiksasyonu sürecinin çeşitli aşamalarını ve atmosferik nitrojen üretiminde kullanılan jeneratörler, kompresörler, filtreler, termostatlar ve vakum gibi çeşitli ekipman ve aparatları gösteren fotoğraflar içerir. ve yüksek fırınlar.
- "Travis P. Hignett Sabit Azot Araştırma Laboratuvarı Fotoğrafları Koleksiyonu // Bilim Tarihi Enstitüsü Dijital Koleksiyonları". digital.sciencehistory.org. Erişim tarihi: 16 Ağustos 2019.
- Dizileri Tara Okyanusu'ndaki hücrelerle eşleştirerek nitrojen sabitleyicilerin küresel okyanus görüntüsü