Stikstofvaslegging is 'n proses waardeur molekulêre stikstof in die lug omgeskakel word na ammoniak () of verwante stikstofverbindings in die grond. Atmosferiese stikstof is molekulêre dinitrogeen, 'n relatief nie-reaktiewe molekule wat metabolies nutteloos is, met uitsluiting van slegs 'n paar mikroörganismes. Biologiese stikstofvaslegging skakel om na ammoniak, wat dan deur die meeste organismes metaboliseer word.
Stikstofvaslegging is lewensnoodsaaklik omdat vaste anorganiese stikstofverbindings benodig word vir die biosintese van alle stikstofbevattende organiese verbindings, soos aminosure en proteïene, nukleosied-trifosfate en nukleïensure. As deel van die stikstofsiklus is dit noodsaaklik vir die landbou en die vervaardiging van kunsmis. Dit is ook indirek relevant vir die vervaardiging van alle chemiese stikstofverbindings, wat plofstof, farmaseutiese middels en kleurstowwe insluit.
Stikstofvaslegging word op natuurlike wyse in die grond deur mikro-organismes, wat as diasotrofe bekend staan en wat bakterieë soos Azotobacter en archaea insluit, uitgevoer. Sommige stikstofbevattende bakterieë het simbiotiese verwantskappe met plantgroepe, veral peulgewasse. Losser, nie-simbiotiese verwantskappe tussen diasotrofe en plante word dikwels na verwys as assosiatief, soos gesien word tydens stikstofvaslegging op ryswortels. Stikstofvaslegging kom tussen sommige termiete en swamme voor. Dit vind op natuurlike wyse in die lug plaas deur middel van NO -produksie deur weerlig.
Alle biologiese stikstofvaslegging word gedoen deur ensieme wat nitrogenase genoem word. Hierdie ensieme bevat yster, dikwels met 'n tweede metaal, meestal molibdeen, maar somtyds vanadium.
Vaslegging
Nie-biologies duimnael|Weerlig verhit die lug rondom dit en breuk sodoende die verbindings, wat die vorming van salpetersuur van stapel stuur. Stikstof kan deur weerlig vasgelê word wat stikstof en suurstof omskakel na NOx (stikstofoksiede). NOx kan met water reageer om salpetersuur te vervaardig, wat in die grond insypel, waar dit nitrate maak wat vir plante nuttig is. Stikstof in die atmosfeer is baie stabiel en nie-reaktief as gevolg van die drievoudige verbinding tussen atome in die molekule. Weerlig produseer genoeg energie en hitte om hierdie verbinding te breek waardeur stikstofatome met suurstof kan reageer en vorm. Hierdie verbindings kan nie deur plante gebruik word nie, maar terwyl hierdie molekule afkoel, reageer dit met suurstof om te vorm. Hierdie molekule reageer op sy beurt met water om (salpetersuur), of sy ioon (nitraat) te vorm, wat deur plante gebruik kan word.
Biologies regs|duimnael|320x320px|Skematiese voorstelling van die stikstofsiklus. Abiotiese stikstofvaslegging is uitgelaat. Biologiese stikstofvaslegging is deur die Duitse landboukundige Hermann Hellriegel en die Nederlandse mikrobioloog Martinus Beijerinck ontdek. Biologiese stikstofvaslegging (BNF) vind plaas wanneer atmosferiese stikstof deur 'n nitrogenase- ensiem na ammoniak omgeskakel word.
Die proses word gekoppel aan die hidrolise van 16 ekwivalente van ATP en gaan gepaard met die gelyktydige vorming van een ekwivalent van . Die omskakeling van na ammoniak kom voor by 'n metaalgroepering genaamd FeMoco, wat 'n afkorting is vir die yster-molibdeen ko-faktor. Die meganisme vind plaas via 'n reeks protonering - en reduksiestappe waarin die FeMoco aktiewe ligging (die gebied van 'n ensiem waar substraatmolekules met mekaar verbind en 'n chemiese reaksie ondergaan) die substraat met water kombineer. By vrye diazotrope word nitrogenase-gegenereerde ammoniak na glutamaat geassimileer by wyse van glutaminsintetase/glutamaat-sintase. Die mikrobiese nif-gene wat benodig word vir stikstofvaslegging kom wydverspreid voor in verskeie omgewings.
Nitrogenase word vinnig deur suurstof afgebreek. Om hierdie rede staak baie bakterieë die produksie van die ensiem in die teenwoordigheid van suurstof. Baie stikstofvasleggende organismes bestaan slegs in anaërobiese toestande, en kan deur respirasie suurstofvlakke afbring, of die suurstof met 'n proteïen soos beenhemoglobien verbind.
Mikro-organismes Diazotrope kom wydverspreid voor binne bakterieë, insluitend sianobakterieë (byvoorbeeld die belangrike Trichodesmium en Cyanothece), sowel as groen swawelbakterieë, Azotobacteraceae, rhizobia en Frankia. Verskeie anaërobiese bakterieë lê stikstof vas, insluitend baie (maar nie almal nie) Clostridium spp. Sommige archaea lê ook stikstof vas, insluitend verskeie methanogeniese taksa, wat 'n belangrike bydraer is tot stikstofvaslegging in suurstofarm grond.
Sianobakterieë bewoon byna alle verligte omgewings op Aarde en speel sleutelrolle in die koolstof- en stikstofsiklus van die biosfeer. Oor die algemeen kan sianobakterieë verskillende anorganiese en organiese bronne van gekombineerde stikstof gebruik, soos nitrate, nitriete, ammonium, ureum of sommige aminosure. Verskeie sianobakterie-stamme is ook in staat om diazotrofiese groei te bewerkstellig, wat moontlik in hul laaste voorouer in die Argeïkum-Eon aanwesig was. Stikstofvaslegging deur sianobakterieë in koraalriwwe kan twee keer soveel stikstof oplos soos op land — na raming sowat 660 kg/ha/jaar. Daar word vermoed dat die koloniale mariene sianobakterium Trichodesmium stikstof op so 'n skaal vaslê dat dit byna die helfte van die stikstofvaslegging in mariene stelsels wêreldwyd uitmaak.
Mariene oppervlak-korstmosse en nie-fotosintetiese bakterieë wat aan Proteobacteria en Planctomycetes behoort, lê belangrike atmosferiese stikstof vas.
Wortelknopsimbiose
Peulgewas-familie Plante wat bydra tot stikstofvaslegging sluit in dié van die peulplant familie — Fabaceae — met taksa soos kudzu, klawer, sojabone, lusern, lupiene, grondboontjies en rooibos. Dit bevat simbiotiese rhizobia-bakterieë binne knoppies in hul wortelstelsels, en produseer stikstofverbindings wat die plant help groei en met ander plante meeding. As die plant sterf, word die vaste stikstof vrygestel, wat dit aan ander plante beskikbaar stel; dit help om die grond te bemes. Die oorgrote meerderheid peulgewasse beskik oor hierdie assosiasie, maar 'n paar genera (bv. Styphnolobium ) beskik nie daaroor nie. In baie tradisionele en organiese boerderypraktyke word lande deur verskillende soorte gewasse geroteer, wat gewoonlik een insluit wat hoofsaaklik of geheel en al bestaan uit klawer of bokwiet (nie-peulgewas-familie Polygonaceae), oftewel "groen bemesting". Die doeltreffendheid van stikstofvaslegging in die grond is afhanklik van baie faktore, insluitend die voorkoms van peulgewasse, en lug- en grondtoestande. Byvoorbeeld, stikstofvaslegging deur rooi klawer kan wissel van 50-200 lb./akker.
Inga-akkerverbouing (Inga-akkerverbouing verwys na die plant van landbougewasse tussen rye Inga-bome. Dit is deur Mike Hands bevorder. Die gebruik van die Inga-boom vir die doeleindes is al voorgestel as 'n alternatief vir die veel meer ekologies-vernietigende "slash and burn" verbouing. Daar is gevind dat die tegniek die opbrengste verhoog. Dit is 'n volhoubare landboutegniek, omdat dieselfde stuk herhaaldelik verbou kan word en dit sodoende die benodigdheid om reënwoude af te brand, ten einde vrugbare erwe te bekom, uitskakel) is afhanklik van die peulgenus Inga, 'n klein tropiese, taai, stikstofbevattende boom.
Nie-peulagtig regs|duimnael|'n Gedeelte van 'n boomwortelknop Ander stikstofvasleggingfamilies sluit in:
Parasponia, 'n tropiese genus in die familie Cannabaceae, wat in staat is om in wisselwerking met rhizobia te tree en stikstofvasleggende nodules te vorm Aktinorhizale plante soos die els en lourierboom kan stikstofvasleggende nodules vorm, danksy 'n simbiotiese assosiasie met Frankia- bakterieë. Hierdie plante behoort tot 25 genera wat oor agt families versprei is.
Die vermoë om stikstof vas te lê is teenwoordig by ander families wat aan die ordes Cucurbitales, Fagales en Rosales behoort, wat saam met die Fabales 'n klade van eurosiede vorm. Die vermoë om stikstof vas te lê kom nie algemeen in hierdie families voor nie. Byvoorbeeld, van 122 Rosaceae- genera, is daar net vier wat stikstof vaslê. Fabales was die eerste geslag wat hierdie van hierdie stikstofvasleggende klade vertak het; dus kan die vermoë om stikstof vas te lê plesiomorfies wees en derhalwe verlore gaan by die meeste nasate van die oorspronklike stikstofvasleggende plant. Dit kan egter ook wees dat die basiese genetiese en fisiologiese vereistes in 'n begin-toestand aanwesig was by die mees onlangse voorouers van al hierdie plante, maar slegs in sommige van hulle ontwikkel het. Familie: Genera Betulaceae : Alnus (els) Cannabaceae : Parasponia Casuarinaceae : Allocasuarina Casuarina Ceuthostoma Gymnostoma Coriariaceae : Coriaria Datiscaceae : Datisca Elaeagnaceae : Elaeagnus (silwerbessies) Hippophae
Shepherdia Myricaceae : Comptonia (sweetfern) Morella Myrica (bessies) Rhamnaceae : Ceanothus Colletia Discaria Kentrothamnus Retanilla Talguenea Trevoa Rosaceae : Cercocarpus (bergmahonie) Chamaebatia Dryas Purshia / Cowania (bitterkwassies)
Verskeie stikstofvasleggende simbiotiese assosiasies behels sianobakterieë (soos Nostoc ):
Sommige korstmosse soos Lobaria en Peltigera Muskietvaring ( Azolla-spesie) broodbome Gunnera Blasia ( lewerwortel ) Horingblad
Endosimbiose in diatome Rhopalodia gibba, 'n diatome- alge, is 'n eukarioot met sianobakteriese -vasleggende endosimbiont organelle. Die sferoïede liggame woon in die sitoplasma van die diatome en is onlosmaaklik van hul gashere.
Eukariotiese nitrogenase-ingenieurswese Sommige wetenskaplikes werk daaraan om die gene wat verantwoordelik is vir stikstofvaslegging direk in plant-DNA in te voer. Aangesien alle bekende voorbeelde van stikstofvaslegging by prokariote plaasvind, is die oordrag van funksionaliteit na eukariote soos plante 'n uitdaging; een span gebruik gis as hul eukariotiese toetsorganisme. 'n Groot versperring is die suurstofgevoeligheid van die geproduseerde ensieme, sowel as die energiebehoeftes. Die proses wat binne mitokondrië of chloroplaste plaasvind, word oorweeg.
Industriële prosesse Die moontlikheid dat atmosferiese stikstof met sekere chemikalieë reageer, is die eerste keer in 1828 deur Desfossés waargeneem. Hy het opgemerk dat mengsels van alkalimetaaloksiede en koolstof by hoë temperature met stikstof reageer. Met die gebruik van bariumkarbonaat as uitgangsmateriaal het die eerste kommersiële proses in die 1860's beskikbaar geword, ontwikkel deur Margueritte en Sourdeval. Die resulterende bariumsianied kan reageer met stoom, wat ammoniak lewer.
Geskiedenis Voor 1900 het Tesla met industriële stikstofvaslegging geëksperimenteer "deur gebruik te maak van strome met 'n buitengewone hoë frekwensie of vibrasiekoers".
Frank-Caro-proses In 1898 het Frank en Caro die proses ontkoppel en kalsiumkarbied geproduseer, en tydens 'n daaropvolgende stap dit met stikstof laat reageer om kalsiumsianamied te vorm. Die Ostwald-proses vir die produksie van salpetersuur is in 1902 ontdek. Die Frank-Caro- en Ostwald-prosesse het industriële vaslegging oorheers, tot die ontdekking van die Haber-proses in 1909.
Haber-proses regs|duimnael| Toerusting vir die studie van stikstofvaslegging by wyse van alfa-strale (Fixed Nitrogen Research Laboratory, 1926) Die mees algemene ammoniak produksiemetode is die Haber-proses. Kunsmisproduksie is nou die grootste bron van menslik-geproduseerde vasgelegde stikstof in die aardse ekosisteem. Ammoniak is 'n voorloper vir kunsmisstowwe, plofstowwe en ander produkte. Die Haber-proses verg hoë druk (ongeveer 200 atm) en hoë temperature (minstens 400 °C), wat roetine-omstandighede is vir industriële katalise. Hierdie proses gebruik aardgas as waterstofbron en lug as stikstofbron.