Azotofiksacija

Biološku fiksaciju azota otkrili su nemački agronom Herman Helrigel^[6] i holandski mikrobiolog Martin Bejerink.^[7] Biološka fiksacija azota (BNF) nastaje kada se atmosferski azot pretvara u amonijak pomoću enzima nitrogenaza.^[1] Ukupna reakcija BNF-a je:

${\displaystyle \mathrm {N_{2}+8\ H^{+}+8\ e^{-}\longrightarrow 2\ NH_{3}+H_{2}\!} }$

Proces se odvija u kombinaciji sa hidrolizom 16 ekvivalenata adenozin-trifosfata (ATP) i to prati koformiranje jednog molekula ${\displaystyle {\ce {H2}}}$ .^[8] Pretvaranje ${\displaystyle {\ce {N2}}}$ u amonijak javlja se na klasteru zvanom FeMoco, što je skraćenica za željezo-molibden kofaktor. Mehanizam se odvija preko serija protonacija i redukcijskih koraka pri čemu aktivna mesta FeMoco hidrogenizuju supstrat ${\displaystyle {\ce {N2}}}$ .^[9] U slobodno živećim diazotrofima, amonijak koji se generiše pomoću nitrogenaze asimilira se u glutamat, uz katalizu enzimom glutamin sintetaza, na putu glutamat sintaze.

Mikrobni geni potrebni za fiksaciju azota su široko rasprostranjeni u različitim okruženjima.^[10][11]

Enzimi koji su odgovorni za aktivnost nitrogenaze, vrlo su podložni uništenju kiseonikom. Iz tog razloga, u prisustvu kiseonika, mnoge bakterije prestaju proizvodnju enzima. Mnogi azotofiksatorni organizmi postoje samo u anaerobnim uslovima, smanjujući respiracijom nivo kiseonika ili vezivanjem kiseonika sa proteinima kao što je leghemoglobin.^[1]

Diazotrofi su raznolika grupa prokariota koja uključuje cijanobakterije (npr. veoma značajane rodove Trichodesmium i Cyanothece), zelene sumporne bakterije, zajedno sa Azotobacteraceae, Rhizobia i Frankia.

Cijanobakterije nastanjuju skoro sve osvetljene sredine na Zemlji i igraju ključnu ulogu u ciklusima ugljenika i azota u biosferi. U principu, cijanobakterije su u mogućnosti da koriste različite neorganske i organske izvore u kombinaciji azota, kao što su nitrati, nitriti, amonijak, urea ili neke aminokiseline. Nekoliko sojeva cijanobakterija je u stanju diazotrofnog rasta, tj. imaju sposobnost koja može biti prisutna kod poslednjeg zajedničkog pretka u arkajskom eonu.^[12] Fiksacija azota u cijanobakterijama na koralnom grebenu može udvostručiti količinu azota koji je na kopnu - oko 1,8 kg azota se fiksira po hektaru dnevno (oko 660 kg/ha/godišnje). Smatra se da kolonije morskih cianobakterija roda Trichodesmium fiksiraju azot na takvoj skali da to čini gotovo polovinu azotofiksacije u morskim sistema na globalnom nivou.^[13]

Biljke koje imaju sposobnost fiksacije azota uključuju porodicu leguminoze – Fabaceae – sa taksonima kao što su kudzu, deteline, soje, alfalfa, leće, kikirikiji i crvenogrmni južnoafrički grašak ruibos. One sadrže simbiotske bakterije zvane rizobije unutar kvržica u korenskim sistemima, proizvodeći azotna jedinjenja koja pomažu rast i kompetitivnost biljaka, u odnosima sa drugim biljkama. Kada biljka ugine, fiksirani azot se otpušta, što ga čini dostupnim drugim biljkama, i to pomaže stvaranju plodnijeg zemljišta.^[1][14] Velika većina mahunarki ima ove asocijacije, ali nekoliko rodova nemaju (npr. Styphnolobium). U mnogim tradicionalnim i organskim poljoprivrednim praksama, usevi na poljima se rotiraju, smenom različitih kultura, koje obično uključuju jednu koja se sastoji uglavnom ili u potpunosti od deteline ili heljde (bez mahunarki porodice Polygonaceae), često se naziva „zeleno đubrenje”.

Uzgoj inga leja oslanja se na leguminozu roda Inga , koja je malo tropsko, debelolisno, azotofiksatorsko drvo.^[15]

Iako je velika većina biljaka koje formiraju korenske kvržice pripada porodici Fabaceae, postoji nekoliko izuzetaka:

• Parasponia je tropski rod porodice Cannabaceae čiji predstavnici sarađuju sa rizobijima i formiraju kvržice koje fiksiraju azot.^[16]
• Aktinorizne biljke, kao što su joha i neke vrste jagodičastog voća u Severnoj Americi, mogu takođe da formiraju azotofiksacijske korenske kvržice, zahvaljujući simbiozi sa bakterijama roda Frankia. Ove biljke uključene su u oko 25 rodova^[17] iz oko osam porodica.

Sposobnost da se usvoji azot je daleko od univerzalno prisutne u ovim porodicama. Na primer, od 122 roda Rosaceae, samo četiri roda su sposobna da fiksiraju azot. Sve ove porodice pripadaju redovima Cucurbitales, Fagales i Rosales, koji zajedno sa Fabales formiraju granu eurozide. U ovom kladusu (grani), Fabales su prva loza koja se odvaja; dakle, sposobnost fiksacije azota može biti pleziomorfnost, koja se potom gubi u većini potomaka izvornih biljnih azotofiksatora. Međutim, to može biti zato su osnovni genetički i fiziološki zahtevi bili prisutni u početnim stanjima i kod poslednjeg zajedničkog pretka svih ovih biljaka, ali su u punoj funkciji evoluirali samo kod nekih od njih:

Ovde pripada i nekoliko simbiotski udruženih azotofiksatora koji uključuju cijanobakterije (kao što su u rodu Nostoc):

• Neki lišaji kao u rodovima Lobaria i Peltigera
• Vrste paprati roda Azolla
• Cikade
• Gunnera

Rhopalodia gibba, alga, diatoma, je eukariot sa cijanobakterijskim, endosimbiontskim organelama koje fiksiraju ${\displaystyle {\ce {N2}}}$ . Loptasta tela u citoplazmi dijatomeja su neodvojiva od njihovih domaćina.^[18][19]

Putem munja tokom grmljanivinama, sagorijevanja i vulkana, od azota i kiseonika u vazduhu nastaju azotovi oksidi, koji reagiraju sa kapljicama vode u atmosferi i stvaraju azotastu i azotnu kiselinu. U toj reakciji stvaraju se kisele kiše koje stižu u u tlo.

${\displaystyle \mathrm {N_{2}+O_{2}\quad \rightarrow \quad 2\,NO} }$

${\displaystyle \mathrm {4\,NO+3\,O_{2}+2\,H_{2}O\quad \rightarrow \quad 4\,HNO_{3}} }$

${\displaystyle {\ce {N2}}}$ se može redukovati u Haberovom procesu, koji zahteva temperaturu od 500 °C, a pritisak od 450 bara i katalizatore. Većina ovog amonijaka pretvara se u nitratno đubrivo. U nitrifikaciji azota za dobijanje cijanamida, fiksacija se odvija u skladu sa sledećom reakcijom:

${\displaystyle \mathrm {CaC_{2}+N_{2}\longrightarrow \ Ca(CN)_{2}} }$ ${\displaystyle \mathrm {\longrightarrow \ Ca^{2+}\ +\ ^{-}N{=}C{=}N^{-}\ +C} }$

• Azot
• Nitrifikacija
• Denitrifikacija
• Azotni ciklus
• Nitrogenaza

• Postgate, J. (1998). Nitrogen Fixation (3rd изд.). Cambridge: Cambridge University Press. 

• Hirsch, Ann M. (2009). „A Brief History of the Discovery of Nitrogen-fixing Organisms” (PDF). University of California, Los Angeles. 
• „Marine Nitrogen Fixation laboratory”. University of Southern California.