Stickstoff-Fixieren ist ein Prozess, biologisch, abiotisch, oder synthetisch, durch den Stickstoff (N) in der Atmosphäre in Ammoniak (NH) umgewandelt wird. Atmosphärischer Stickstoff oder elementarer Stickstoff (N) sind relativ träge: Es reagiert mit anderen Chemikalien nicht leicht, um neue Zusammensetzungen zu bilden. Fixieren-Prozesse befreien die Stickstoff-Atome ihre Diatomic-Form (N), um auf andere Weisen verwendet zu werden.

Stickstoff-Fixieren, natürlich und synthetisch, ist für alle Formen des Lebens notwendig, weil Stickstoff zu biosynthesize grundlegenden Bausteinen von Werken, Tieren und anderen Lebensformen, z.B, nucleotides für die DNA und RNS und Aminosäuren für Proteine erforderlich ist. Deshalb ist Stickstoff-Fixieren für die Landwirtschaft und die Fertigung von Dünger notwendig. Es ist auch ein wichtiger Prozess in der Fertigung von Explosivstoffen (z.B Schießpulver, Dynamit, TNT, usw.) Stickstoff-Fixieren kommt natürlich in der Luft mittels des Blitzes vor.

Stickstoff-Fixieren bezieht sich auch auf andere biologische Konvertierungen des Stickstoffs wie seine Konvertierung zum Stickstoff-Dioxyd. Kleinstlebewesen, die Stickstoff befestigen, sind genannter diazotrophs von Bakterien. Einige höhere Werke und einige Tiere (Termiten), haben Vereinigungen (Symbiose) mit diazotrophs gebildet. Biologisches Stickstoff-Fixieren wurde vom deutschen Agronomen Hermann Hellriegel und holländischen Mikrobiologen Martinus Beijerinck entdeckt.

Biologisches Stickstoff-Fixieren

Biologisches Stickstoff-Fixieren (BNF) kommt vor, wenn atmosphärischer Stickstoff zu Ammoniak durch genannten nitrogenase eines Enzyms umgewandelt wird. Die Reaktion für BNF ist:

: N + 8 H + 8 e  2 NH + H

Der Prozess wird mit der Hydrolyse von 16 Entsprechungen von ATP verbunden und wird durch die Co-Bildung eines Moleküls von H begleitet. In liederlichem diazotrophs wird das nitrogenase-erzeugte Ammonium in glutamate durch den glutamine synthetase/glutamate synthase Pfad assimiliert.

Für die nitrogenase Handlung verantwortliche Enzyme sind gegen die Zerstörung durch Sauerstoff sehr empfindlich. Viele Bakterien hören Produktion des Enzyms in Gegenwart von Sauerstoff auf. Viele Stickstoff befestigende Organismen bestehen nur in anaerobic Bedingungen, atmend, um unten Sauerstoff-Niveaus zu ziehen, oder den Sauerstoff mit einem Protein wie Leghemoglobin bindend.

Kleinstlebewesen dieser Stickstoff der üblen Lage (diazotrophs)

• Cyanobacteria
• Grüne Schwefel-Bakterien
• Azotobacteraceae
• Rhizobia
• Frankia

Stickstoff-Fixieren durch rhizobia und frankia

Rhizobia sind mit der Fähigkeit mit dem Gramm negativ, eine N-Befestigen-Symbiose auf Hülsenfrucht-Wurzeln und auf den Stämmen von einigen Wasserhülsenfrüchten zu gründen. Während dieser Wechselwirkung bacteroids weil werden rhizobia der symbiotische Staat herbeigerufen, werden in intrazellulären Abteilungen innerhalb eines Spezialorgans, des Knötchens enthalten, wo sie N befestigen.

Ähnlich Frankia, mit dem Gramm positive Boden-Bakterien veranlassen die Bildung von Stickstoff befestigenden Knötchen in actinorhizal Werken.

Stickstoff-Fixieren durch cyanobacteria

Cyanobacteria bewohnen fast alle beleuchteten Umgebungen auf der Erde und den Spiel-Schlüsselrollen im Kohlenstoff und Stickstoff-Zyklus der Biosphäre. Im Allgemeinen sind cyanobacteria im Stande, eine Vielfalt von anorganischen und organischen Quellen des vereinigten Stickstoffs, wie Nitrat, nitrite, Ammonium, Harnstoff oder einige Aminosäuren zu verwerten. Mehrere Cyanobacterial-Beanspruchungen sind auch zum diazotrophic Wachstum, eine Fähigkeit fähig, die in ihrem letzten gemeinsamen Ahnen in Archaean da gewesen sein kann. Genom sequencing hat einen großen Betrag der Information auf der genetischen Basis des Stickstoff-Metabolismus und seiner Kontrolle in verschiedenem cyanobacteria zur Verfügung gestellt. Vergleichender genomics, zusammen mit funktionellen Studien, hat zu einem bedeutenden Fortschritt in diesem Feld im Laufe der letzten Jahre geführt. 2-Oxoglutarate hat sich erwiesen, das Hauptsignalmolekül zu sein, das das Gleichgewicht des Kohlenstoff/Stickstoffs von cyanobacteria widerspiegelt. Hauptspieler der Stickstoff-Kontrolle sind der globale transcriptional Faktor NtcA, der den Ausdruck von vielen Genen kontrolliert, die am Stickstoff-Metabolismus, sowie dem P Signalprotein, der feine Melodien Zelltätigkeiten als Antwort auf das Ändern von C/N Bedingungen beteiligt sind. Diese zwei Proteine sind Sensoren des 2-oxoglutarate Zellniveaus und sind im ganzen cyanobacteria erhalten worden. Im Gegensatz schließt die Anpassung an Stickstoff-Verhungern heterogene Antworten in verschiedene Beanspruchungen ein. Das Stickstoff-Fixieren durch cyanobacteria in Korallenriffen kann zweimal den Betrag des Stickstoffs befestigen als auf dem Land - ungefähr 1.8 Kg des Stickstoffs werden pro Hektar pro Tag befestigt.

Wurzelknötchen-Symbiose

Hülsenfrucht-Familie

Werke, die zu Stickstoff-Fixieren beitragen, schließen die Hülsenfrucht-Familie - Fabaceae - mit taxa wie Klee, Sojabohnen, Luzerne, Lupinen, Erdnüsse und rooibos ein. Sie enthalten symbiotische Bakterien genannt Rhizobia innerhalb von Knötchen in ihren Wurzelsystemen, Stickstoffverbindungen erzeugend, die dem Werk helfen, zu wachsen und sich mit anderen Werken zu bewerben. Wenn das Werk stirbt, wird der feste Stickstoff veröffentlicht, es zu anderen Werken bereitstellend, und das hilft, den Boden fruchtbar zu machen, Die große Mehrheit von Hülsenfrüchten hat diese Vereinigung, aber einige Klassen (z.B, Styphnolobium) tun nicht. In vielen traditionellen und organischen Landwirtschaft-Methoden werden Felder durch verschiedene Typen von Getreide rotieren gelassen, der gewöhnlich denjenigen einschließt, der hauptsächlich oder völlig des Klees oder Buchweizens besteht (Nichthülsenfrucht-Familie Polygonaceae), die häufig "grünen Mist genannt werden."

Allee-Landwirtschaft von Inga verlässt sich auf die Hülsenklasse Inga, ein kleiner tropischer, zäh-blätteriger, Stickstoff befestigender Baum.

Nichthülsentragend

Obwohl bei weitem Majoritätswerke, die fähig sind, Stickstoff befestigende Wurzelknötchen zu bilden, in der Hülsenfrucht-Familie Fabaceae sind, gibt es einige Ausnahmen:

• Parasponia, tropischer Celtidaceae, der auch fähig ist, mit rhizobia aufeinander zu wirken und Stickstoff befestigende Knötchen zu bilden
• Werke von Actinorhizal wie Erle und bayberry, der auch Form-Knötchen des Stickstoff-Befestigens dank einer symbiotischen Vereinigung mit Bakterien von Frankia kann. Diese Werke gehören 25 unter 8 Pflanzenfamilien verteilten Klassen. Die Fähigkeit, Stickstoff zu befestigen, ist von der allgemein Gegenwart in diesen Familien weit. Zum Beispiel, 122 Klassen in Rosaceae, sind nur 4 Klassen dazu fähig, Stickstoff zu befestigen. Alle diese Familien gehören den Ordnungen Cucurbitales, Fagales und Rosales, die zusammen mit Fabales einen clade von eurosids bilden. In diesem clade waren Fabales die erste Abstammung zum Zweig davon; so kann die Fähigkeit, Stickstoff zu befestigen, plesiomorphic und nachher verloren in den meisten Nachkommen des ursprünglichen Stickstoff befestigenden Werks sein; jedoch kann es sein, dass die grundlegenden genetischen und physiologischen Voraussetzungen in einem beginnenden Staat in den letzten gemeinsamen Ahnen aller dieser Werke da gewesen sind, aber sich nur zur vollen Funktion in einigen von ihnen entwickelt haben:

Es gibt auch mehrere Stickstoff befestigende symbiotische Vereinigungen, die cyanobacteria (wie Nostoc) einschließen:

• Einige Flechten wie Lobaria und Peltigera
• Moskito-Farn (Arten von Azolla)
• Cycads
• Gunnera

Industriestickstoff-Fixieren

Prozess von Haber

Künstliche Dünger-Produktion ist jetzt die größte Quelle des von den Menschen erzeugten befestigten Stickstoffs im Ökosystem der Erde. Ammoniak ist erforderlicher Vorgänger zu Düngern, Explosivstoffen, oder in anderen Produkten. Der grösste Teil der üblichen Methodik ist der Prozess von Haber. Der Prozess von Haber verlangt Hochdruck (ungefähr 200 atm) und hohe Temperaturen (mindestens 400 °C), alltägliche Bedingungen für die Industriekatalyse. Dieser hoch effiziente Prozess verwendet Erdgas als eine Wasserstoffquelle und Luft als eine Stickstoff-Quelle.

Viel Forschung ist auf der Entdeckung von Katalysatoren für das Stickstoff-Fixieren häufig mit der Absicht geführt worden, die für diese Konvertierung erforderliche Energie zu reduzieren. Jedoch hat solche Forschung so weit gescheitert, sich sogar der Leistungsfähigkeit und Bequemlichkeit des Prozesses von Haber zu nähern. Viele Zusammensetzungen reagieren mit dem atmosphärischen Stickstoff, um [dinitrogen Komplex]] es zu geben. Der erste dinitrogen zu berichtende Komplex hat auf dem Ruthenium, [Ru (NH) (N)] basiert.

Die umgebende Stickstoff-Verminderung

Das katalytische chemische Stickstoff-Fixieren bei Temperaturen beträchtlich tiefer als der Prozess von Haber ist ein andauernder wissenschaftlicher Versuch. Stickstoff wurde zu Ammoniak und hydrazine von Alexander E. Shilov 1970 umgewandelt.

Wenige Zusammensetzungen werden das N Molekül zerspalten. Unter einer Atmosphäre des Stickstoffs wandelt sich Lithiummetall zu Lithiumnitrid um. Die Behandlung des resultierenden Nitrids gibt Ammoniak. Ein anderes Beispiel der homolytic Spaltung von dinitrogen unter milden Bedingungen wurde 1995 veröffentlicht. Zwei Entsprechungen von einem Molybdän-Komplex haben mit einer Entsprechung von dinitrogen reagiert, einen dreifachen verpfändeten Komplex von MoN schaffend. Seitdem ist dieser dreifache verpfändete Komplex verwendet worden, um nitriles zu machen.

Katalytische Systeme, um Stickstoff zu Ammoniak umzuwandeln, sind seit den 1980er Jahren entwickelt worden. 2003 wurde ein anderer gestützt auf der Molybdän-Zusammensetzung, einer Protonenquelle und einem starken abnehmenden Agenten berichtet. Jedoch fixiert diese katalytische Verminderung nur einige Stickstoff-Moleküle.

2011 hat Arashiba. noch berichtet, dass ein anderes System mit einem Katalysator, der wieder auf Molybdän, aber mit einem diphosphorus gestützt ist, ligand ergreift.

Siehe auch

• Birkeland-Eyde bearbeiten
• Ostwald bearbeiten
• Prozess von Haber
• Entstickung
• Bildhauer von George Washington
• Gen von Nif
• Nitrierung
• Stickstoff-Zyklus
• Stickstoff-Mangel
• Nitrogenase
• Technologie des Stoß-Ziehens

Außenverbindungen

• Eine kurze Geschichte der Entdeckung von Stickstoff befestigenden Organismen, Ann M. Hirsch (2009)
• Seestickstoff-Fixieren-Laboratorium an der Universität des Südlichen Kaliforniens