Fixação de nitrogênio

Fixação de azoto é o processo através do qual azoto é retirado a partir de sua forma molecular natural, relativamente inerte (N ₂₎ na atmosfera e convertidos em compostos de azoto (tais como amónia , nitrato e dióxido de azoto).

Fixação de nitrogênio é realizada naturalmente por uma série de diferente procariotas, incluindo bactérias , actinobactéria, e certos tipos de bactérias anaeróbias. Microorganismos que fixam nitrogênio são chamados diazotróficas. Algumas plantas mais altas, e alguns animais ( cupins ), formaram associações com bactérias diazotróficas.

Fixação de azoto também ocorre como um resultado de processos não-biológicos. Estes incluem relâmpago, industrialmente através do Processo de Haber-Bosch, e de combustão.

Fixação biológica de nitrogênio foi descoberto pelo microbiologista holandês Martinus Beijerinck.

Fixação biológica de nitrogênio

Representação esquemática do ciclo do nitrogênio .

Fixação Biológica de Nitrogênio (FBN) ocorre quando o nitrogênio atmosférico é convertido em amônia por um par de enzimas bacterianas chamado nitrogenase. A fórmula para BNF é:

N ₂ + 8H ⁺ + 8e ^- 16 + ATP → 2NH ₃ + H ₂ + 16 ADP + 16 P _i

Apesar de amoníaco _(NH3) é o produto directo da presente reacção, é rapidamente protonado em de amónio _(NH4 ^+). Em diazotróficas de vida livre, o amônio gerado pelo nitrogenase é assimilado glutamato através da via da sintetase de glutamina sintetase / glutamato.

Na maioria das bactérias, as enzimas nitrogenase são muito sensíveis à destruição por oxigénio (e muitas bactérias cessar a produção da enzima na presença de oxigénio). Baixa tensão de oxigénio é conseguida por diferentes bactérias por: a viver em condições anaeróbicas, respiring para extrair os níveis de oxigénio, ou o oxigénio de ligação com uma proteína, tal como Leghemoglobina - também escrito leghemoglobina ..

As plantas mais conhecidas que contribuem para a fixação de nitrogênio na natureza, está na família das leguminosas - Fabaceae, que inclui tais como taxa trevo, feijão, alfafa, tremoço e amendoim. Eles contêm bactérias simbióticas chamados rizóbio dentro nódulos em sua sistemas de raiz, produzindo compostos de azoto que ajudam a planta a crescer e competir com outras plantas. Quando a planta morre, o nitrogênio fixado é liberado, tornando-o disponível para outras plantas e isso ajuda a fertilizar o solo A grande maioria dos legumes têm essa associação, mas alguns géneros (por exemplo, Styphnolobium) não. Em muitas práticas agrícolas tradicionais e orgânicos, os campos são rodados através de vários tipos de culturas, que normalmente inclui um consistindo principalmente ou inteiramente de trevo ou de trigo mourisco (família Polygonaceae), que foram muitas vezes referida como "adubo verde", uma vez que a outra forma natural de adição de azoto ao solo é por via de produtos de resíduos de animais. A planta inteira é muitas vezes reinvestidos no campo, assim, não só a adição de mais azoto, mas também melhorar o conteúdo eo volume orgânico do solo.

Plantas fixadoras de nitrogênio não-leguminosas

A Alder nódulo raiz da árvore seccionado.

Todo um nódulo da raiz da árvore Alder.

Embora, de longe, a maioria das plantas fixadoras de nitrogênio está na família das leguminosas Fabaceae, existem algumas plantas não leguminosas que fixam nitrogênio também pode. Estas plantas, conhecidos como actinorrízicas plantas, composto por 22 gêneros de arbustos lenhosos ou árvores espalhadas em oito famílias de plantas. A capacidade de fixar nitrogênio não é universalmente presente nestas famílias. Por exemplo, de 122 géneros no Rosaceae, a apenas 4 gêneros são capazes de fixar nitrogênio.

Família: Genera

Betulaceae (bétula): Alnus (Alder)

Cannabaceae: Trema

Casuarinaceae (ela-carvalhos):

Allocasuarina

Casuarina

Gymnostoma

Coriariaceae: Coriaria

Datiscaceae: Datisca

Elaeagnaceae (oleaster):

Elaeagnus (silverberry)

Hippophae (mar-espinheiro)

Shepherdia (buffaloberries)

Myricaceae:

Morella arborea

Myrica

Comptonia

Rhamnaceae (espinheiro):

Ceanothus

Colletia

Discaria

Kentrothamnus

Retanilla

Trevoa

Rosaceae (rosa):

Cercocarpus (mogno montanha)

Chamaebatia (montanha miséria)

Purshia (bitterbrush ou cliff-rosa)

Dryas

Existem também várias associações simbióticas fixadoras de nitrogênio que envolvam cianobactérias (tais como Nostoc). Estes incluem alguns líquenes como Lobaria e Peltigera:

• Mosquito samambaia ( Espécies Azolla)
• Cycads
• Gunnera

Microorganismos que fixam nitrogênio

• Diazotróficas
• As cianobactérias
• Azotobacteraceae
• Rizóbios
• Frankia

Fixação de nitrogênio por cianobactérias

Cianobactérias habitam quase todos os ambientes iluminados na Terra e desempenham papéis fundamentais no carbono e ciclo do nitrogênio da biosfera . Geralmente, cianobactérias são capazes de utilizar uma variedade de fontes inorgânicas e orgânicas de azoto combinado, tais como nitrato , nitrito, de amónio, ureia ou alguns aminoácidos . Várias linhagens de cianobactérias também são capazes de crescimento destas bactérias. A sequenciação do genoma tem proporcionado uma grande quantidade de informações sobre a base genética do metabolismo do nitrogênio e seu controle em cianobactérias diferente. Genómica comparativa, em conjunto com estudos funcionais, tem levado a um avanço significativo neste campo nos últimos anos. 2-oxoglutarato acabou por ser o centro de molécula de sinalização que reflecte o balanço de carbono / nitrogênio de cianobactérias. Jogadores central de controle de azoto estão o factor de transcrição NTCA mundial, que controla a expressão de muitos genes envolvidos no metabolismo de azoto, bem como a proteína de sinalização P _II, que as actividades afina celular em resposta à mudança das condições de C / N. Estas duas proteínas são sensores do celular nível 2-oxoglutarato e foram conservados em todos cianobactérias. Em contraste, a adaptação à privação de nitrogênio envolve respostas heterogêneas em diferentes estirpes.

Fixação de nitrogênio químico

De azoto também pode ser fixo artificialmente para utilização em fertilizantes , explosivos, ou em outros produtos. O método mais popular é pela Processo Haber. Esta produção de fertilizantes artificiais alcançou tal escala que é agora a maior fonte de nitrogênio fixado na Terra 's ecossistema.

O processo Haber requer altas pressões e temperaturas muito altas e pesquisa ativa está comprometida com o desenvolvimento de sistemas de catalisadores que convertem o nitrogênio em amônia em temperaturas ambientes. Muitos compostos podem reagir com o azoto atmosférico em condições ambientes (por exemplo, lítio faz lítio nitreto se ficarem expostos), mas os produtos de tais reacções não são facilmente convertidos em fontes de azoto biologicamente acessíveis. Após o primeiro diazoto complexo foi descoberto em 1965, com base em amoníaco coordenado a ruténio ([Ru _{(NH3) 5} (N _2)] ^2+), pesquisa na fixação química focada em complexos de metais de transição. Desde essa altura foram descobertas um grande número de compostos de metais de transição que contêm diazoto como ligando. O ligando de diazoto pode ser ligado quer a uma única dois (ou mais) de metal ou metais ponte. A química de coordenação de dinitrogen é rico e sob intenso estudo. Esta pesquisa pode levar a novas formas de utilização dinitrogen na síntese e em escala industrial.

O primeiro exemplo de clivagem homolítica de diazoto em condições suaves, foi publicado em 1995. Dois equivalentes de uma molibdénio complexo feito reagir com um equivalente de diazoto, criando um triplo complexo MoN ligado. Uma vez que este complexo delimitada tripla tem sido usado para fazer nitrilos. O primeiro sistema de conversão catalítica de azoto ao amoníaco à temperatura ambiente e 1 atmosfera foi descoberto em 2003 e é baseada em um outro composto de molibdénio, uma fonte de protões e um forte agente redutor. Infelizmente, a redução catalítica única sofre poucos volumes de negócios antes do catalisador morre.

Em contraste com o gráfico mostrado acima, o produto principal desta reacção é o amoníaco (NH3) e não um seu sal de amónio ([NH4] [X]). De facto, cerca de 75% do amoníaco produzido pode ser removido por destilação a partir do recipiente de reacção (o que sugere a amónia não é protonado) num vaso contendo HCl como uma armadilha. Este método de prender o NH3 foi sem dúvida escolhido porque ele torna o produto mais fácil de manusear. Além disso, observe que, porque apenas 1 equiv de ânion Cl está disponível em condições catalíticas (via redução do cloreto de pré-catalisador molbdenum, mostrado), portanto, é improvável que o sal de amônio produto teria sempre este contra-ião.

Note-se também que, embora o complexo de diazoto é mostrada entre parêntesis esta espécie pode ser isolado e caracterizado. Aqui os suportes não indicam que o intermediário não é observado.