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Stickstofffixierung ist der Prozess, bei dem Stickstoff aus seiner relativ inerten molekularen Form (N2) in der Atmosphäre entnommen und in Stickstoffverbindungen umgewandelt wird, die für andere chemische Prozesse nützlich sind (wie insbesondere Ammoniak, Nitrat und Stickstoffdioxid) .
Die Stickstofffixierung erfolgt auf natürliche Weise durch eine Reihe verschiedener Prokaryoten, einschließlich Bakterien, und Actinobakterien bestimmte Arten von anaeroben Bakterien. Mikroorganismen, die Stickstoff fixieren, werden Diazotrophe genannt. Einige höhere Pflanzen und einige Tiere ( Termiten) haben Assoziationen mit Diazotrophen gebildet.
Die biologische Stickstofffixierung wurde vom niederländischen Mikrobiologen Martinus Beijerinck entdeckt.
Biologische Stickstofffixierung
Die biologische Stickstofffixierung (BNF) tritt auf, wenn atmosphärischer Stickstoff durch ein Paar bakterieller Enzyme, die als Nitrogenase bezeichnet werden, in Ammoniak umgewandelt wird . Die Formel für BNF lautet:
N2 + 8H+ + 8e- + 16 ATP → 2NH3 + H2 + 16ADP + 16 Pi
Obwohl Ammoniak (NH3) das direkte Produkt dieser Reaktion ist, wird es schnell zu Ammonium (NH4+) ionisiert. In frei lebenden Diazotrophen wird das durch Nitrogenase erzeugte Ammonium über den Glutaminsynthetase / Glutamatsynthase-Weg in Glutamat assimiliert.
In den meisten Bakterien sind die Nitrogenase-Enzyme sehr anfällig für die Zerstörung durch Sauerstoff (und viele Bakterien stellen die Produktion des Enzyms in Gegenwart von Sauerstoff ein) . Niedrige Sauerstoffspannung wird durch verschiedene Bakterien durch erreicht: leben unter anaeroben Bedingungen, Atmung, um den Sauerstoffgehalt zu senken, oder Bindung des Sauerstoffs an ein Protein (z. B. Leghämoglobin) . Die große Mehrheit der Leguminosen hat diese Assoziation, aber einige Gattungen (z. B. Styphnolobium) nicht.
Nicht Leguminöse Stickstofffixierpflanzen
Pflanzen aus vielen anderen Familien haben ähnliche Assoziationen, einschließlich: * Lobaria flechten und einige andere flechten
- Moskito farn (Azolla arten)
- Cycads
- Gunnera
- Erle (Alnus arten)
- Ceanothus (Ceanothus arten)
- Wachs myrte ( Myrica-Arten)
- Berg-Mahagoni (Cercocarpus-Arten)
- Bitterbrush (Purshia tridentata)
- Büffelbeere (Shepherdia argentea)
- Eisenholz (Casuarina-Arten), Sheoak (Allocasuarina-Arten) und andere Gattungen der Casuarinaceae
Chemische Stickstofffixierung
Stickstoff kann auch künstlich fixiert zur Verwendung in Düngemitteln, Sprengstoffen oder anderen Produkten. Die beliebteste Methode ist der Haber-Prozess. Diese Kunstdüngerproduktion hat einen solchen Umfang erreicht, dass sie heute die größte Quelle für festen Stickstoff im Ökosystem der Erde ist.
Der Haber-Prozess erfordert hohe Drücke und sehr hohe Temperaturen, und die aktive Forschung widmet sich der Entwicklung von Katalysatorsystemen, die Stickstoff bei Umgebungstemperaturen in Ammoniak umwandeln. Der erste Distickstoffkomplex wurde 1965 auf der Basis von an Ruthenium (2 +) koordiniertem Ammoniak entdeckt Dieser Entdeckung folgte das erste Beispiel einer homolytischen Spaltung von Stickstoff durch einen Molybdänkomplex zu zwei Äquivalenten eines dreifach gebundenen MoN-Komplexes (1995). Das erste katalytische System, das Stickstoff bei Raumtemperatur und 1 Atmosphäre in Ammoniak umwandelt, wurde 2003 entdeckt und basiert auf einem anderen Molybdänkatalysator, einer Protonenquelle und einem starken Reduktionsmittel .
