تثبيت النيتروجين
تثبيت النيتروجين بالإنگليزية: Nitrogen fixation، هي العملية التي يتحول فيها النيتروجين (N2) الموجود في الجوإلى أمونيوم النيتروجين الجوي أوالنيتروجين الجزيئي (N2) هوخامل نسبياً: فلا يتفاعل مع مواد كيميائية أخرى مولداً مركبات جديدة. تقوم عملية تثبيت النيتروجين على تحويله من الشكل الثنائي (N2) حتى يستخدم بطرق أخرى.
تثبيت النيتروجين الطبيعي والصناعي هوجوهري لجميع أشكال الحياة لأنه ضروري للتكوين البيولوجي لكتل البناء الأساسية في النباتات والحيوانات وغيرها من أشكال الحياة. مثلا: النوكليوتيدات والحمض النووي والحموض الأمينية للبروتينات. لذا فإن تثبيت النيتروجين هام للزراعة وصناعة الأسمدة. كما أنه هام في صناعة المتفجرات (مثل البارود والديناميت والتي إذا تي). يحدث تثبيت النيتروجين بشكل طبيعي عند حدوث البرق.
كما يشير تثبيت النيتروجين إلى تحويلات حيوية أخرى للنيتروجين، كتحويله إلى ثاني أكسيد النيتروجين. الميكروبات التي بإمكانها تثبيت النيتروجين هي بدائيات النوى (بكتيريا وعتائق معاً موزعين في ممالكهم الخاصة) تدعى دايازتروف. طورت بعض النباتات والحيوانات (مثل أرضة) علاقة تعايش مع الدايازتروف.
التثبيت الحيوي للنيتروجين
اكتشف التثبيت الحيوي للنيتروجين جميع من المهندس الزراعي الألماني هيرمان هيلريگل وعالم الميكروبات الهولندي مارتينوس بايرينك. يحدث التثبيت الحيوي للنيتروجين (BNF) عندما يتحول النيتروجين الجوي إلى أمونيا عن طريق أنزيمات النيتروجيناز. وتفاعل التثبيت الحيوي للنيتروجين هو:
- N2 +ثمانية H+ +ثمانية e− → 2 NH3 + H2
العملية مقرونة بحلمهة 16 مكافئ من ثلاثي فوسفات الأدينوسين ويرافقها تشكل جزيء H2. في الدايازتروف التي تعيش بشكل حر تهضم الأمونيا التي ولدها النيتروجيناز إلى گلوتامات عن طريق أنزيم سينثيتاز الگلوتامين .
الجينات الميكروبية المطلوبة لتثبيت النيتروجين موزعة على نطاق عريض في البيئات المتنوعة.
الأنزيمات المسئولة عن عمل النيتروجيناز حساسة جداً للتخريب بالأوكسيجين. كثير من البكتيريا تتوقف عن إنتاج الأنزيمات في وجود الأوكسيجين. توجد الكثير من أحياء تثبيت النيتروجين فقط في ظروف لا هوائية، وتتنفس لإنقاص معدلات الأوكسيجين، أوتربطة ببروتين مثل ليگيموگلوبين.
الميكروبات التي تثبت النيتروجين
الدايازتروفات هي زراقم مثل التريكوديزميوم والخضربيات والآزوتيات والريزوبيا والفرانكيا.
تعيش الزراقم تقريباً في جميع البيئات المضائة وتلعب دوراً رئيسياً في دورة الكربون والنيتروجين في غلاف الأرض الحيوي. بشكل عام فيمكن للزراقم الاستفادة من مصادر متنوعة عضوية وغير عضوية من مركبات النيتروجين، مقل النيترات أوالنتريت أوالأمونيوم أواليوريا أوبعض الحموض الأمينية. ويمكن لبعض سلالات الزراقم تحقيق نمودايازتروفي، وهي إمكانية كانت موجودة في آخر الأسلاف المعروفين للعتائق
يمكن للزراقم في الشعاب المرجانية حتى تثبت ضعف كمية النيتروجين على اليابسة، حيث يتم تثبيت حوالي 1.8 كغ من النيتروجين لكل هيكتار في اليوم. يعتقد حتى الزراقم البحرية الاستعمارية التريكوديزميوم تثبت النيتروجين يعادل نصف النيتروجين المثبت في الأنظمة البحرية على مستوى العالم.
تعايش العقد الجذرية
فصيلة البقليات
فصيلة البقليات هي من النباتات التي تشارك في تثبيت النيتروجين – بقوليات - أصناف من النفل وفول الصويا والبرسيم الحجازي والترمس والفول السوداني وKudzu وRooibos. حيث تحتوي على بكتيريا تعايشية تسمى ريزوبيا في عقد على جذورها، تنتج مركبات نيتروجينية تساعد النبات على النمومنافسة النباتات الأخرى. يتحرر النيتروجين عندما يموت النبات، مما يجعله متوافراً للنباتات الأخرى ويساعد في تسميد التربة. معظم البقليات لديها هذا الارتباط، باستثناء بعض الأجناس مثل (Styphnolobium). في الزراعة العضوية والتقليدية يتم تدوير الحقول على عدة أنواع من المحاصيل، والتي عادة ما تتضمن النفل أوالحنطة السوداء (فصيلة البطباطية الغير بقلية) والتي تدعى أحياناً بالسماد الأخضر.
تعتمد الزراعة في أزقة الأنگا على الجنس البقولي إنگا، وهي شجرة استوائية صغيرة قاسية الأوراق مثبتة للنيتروجين.
غير البقليات
بالرغم من حتى الغالبية العظمى من النباتات المثبتة للنيتروجين عن طريق العقد الجذرية هي من الفصيلة البقولية، إلا أنه يوجد بعض الاستثنائات:
- Parasponia، هي صنف استوائي من الفصيلة القنبية يمكنها التفاعل مع بكتيريا الريزوبيا معضلة عقد مثبتة للنيتروجين
- النباتات شعاعية الجذر: مثل النغت والشمعاء (Myrica) يمكنها تشكيل عقد مثبتة للنيتروجين، بفضل العلاقة التعايشية مع بكتيريافرانكيا. تنتمي هذه النباتات إلى 25 جنس موزعة علىثمانية فصائل نباتية.
قابلية تثبيت النيتروجين نادرة الوجود في هذه الفصائل. فمثلاً، أربعة فقط من بين 122 جنس في الفصيلة الوردية يمكنها خلق النيتروجين. جميع هذه الفصائل تنتمي إلى رتبة القرعيات والتي تشكل مع البلوطيات والورديات والفوليات فرع (eurosids). وفي هذا الفرع فإن الفوليات هي أول نسل يتفرع.
|
الفصيلة: الجنس
القضبانية: النغت القنبية: تريمة الكازارينية:
|
Datiscaceae: Datisca الخلافية:
|
|
|
|
كما حتى هناك عدة علاقات تعايش مثبتة للنيتروجين تستخدم الزراقم (مثل Nostoc):
- بعض الأشنات مثل Lobaria وPeltigera
- Mosquito fern
- Cycads
- Gunnera
التثبيت الصناعي للنيتروجين
تم اكتشاف قابلية النيتروجين للتفاعل مع بعض المركبات للمرة الأولى على يد (Desfosses) في عام 1828. حيث لاحظ حتى خليط الكربون مع أكاسيد المعادن القلوية يتفاعل مع النيتروجين عند درجات الحرارة العالية. في عام 1860 طور Margueritte وSourdeval العملية الأولى المستخدمة تجارياً باستخدام كربونات الباريوم كمادة بادئة. حيث يمكن مفاعلة سيانيد الباريوم الناتج مع البخار معطياً الأمونيا. في عام 1898 فصل Adolph Frank وNikodem Caro العملية حيث قاموا أولاً بإنتاج كربيد الكالسيوم ثم فاعلوه في خطوة لاحقة مع النيتروجين معطياً سياناميد الكالسيوم. اكتشفت عملية أوستوالد لإنتاج حمض الآزوت عام 1902. وسيطرت عملية فرانك-كارووعملية أوستوالد على صناعة تثبيت النيتروجين حتى اكتشاف عملية هابر-بوش في عام 1909. قبل 1900، اختبر نيكولا تسلا الإنتاج الصناعي للنيتروجين "باستخدام تيارات كهربائية ذات ترددات عالية جداً".
عملية هابر
يعتبر إنتاج الأسمدة الاصطناعية الآن مصدراً كبيراً لتثبيت النيتروجين في النظام البيئية للأرض. الأمونيا مي مادة بادئة ضرورية لإنتاج الأسمدة|المتفجرات ومنتجات أخرى. تعتبر عملية هابر-بوش هي الطريقة الأكثر شيوعاً. وتتطلب عملية هابر ضغط عالي (حوالي 200 ض.ج.) ودرجات حرارة عالية (400 °س على الأقل)، الظروف التقليدية للتحفيز الصناعي. تستخدم هذه العملية عالية الكفاءة الغاز الطبيعي كمصدر للهيدروجين والهواء كمصدر للنيتروجين.
عقدت الكثير من الأبحاث حول اكتشاف محفزات لتثبيت الهيدرجين، والتي تهدف إلى تقليل الطاقة اللازمة لهذا التحويل. إلا حتى معظم الأبحاث فشلت في الوصول لمهنجية الكفاءة وتسهيل طريقة هوبر. تتفاعل الكثير من المركبات مع نيتروجين الغلاف الجوي لتنتج مركبات ثنائي النيتروجين. كان أول مركب ثنائي النيتروجين يتم التعهد عليه معتمداً على الروثينيوم [Ru(NH3)5(N2)]2+.
انقاص النيتروجين الجوي
تثبيت النيتروجين الكيميائي التحفيزي عند درجات حرارة منخفضة نسبياً عن طريقة هابر هومسعى فهمي مستمر. عام 1970 قام ألكسندر إ. شيلوڤ بتحويل النيتروجين إلى أمونيا وهيدرازين.
سوف تتكسر بضعة مركبات إلى جزيء N2. تحت غلاف من النيتروجين، يتحول فلز الليثيوم إلى نتريد الليثيوم. معالجة النتيريد الناتج يعطي الأمونيا. عام 1955 تم نشر مثال آخر على التكسر المتماثل تحت ظروف معتدلة. يتفاعل مكافئان لمركب الموليبدنوم مع مكافئ ثنائي النيتروجين ، مما يخلق رابطة ثلاثية لمركب MoN. Since then, this triple bonded complex has been used to make نتريل.
يتفاعل كلوريد ثلاثي المثيلسيليل، الليثيوم، وجزيء نيتروجين ليكون أمين ثلاثي المثيلسيليل، بتحفيز سلك نيكروم أوكلوريد الكروم الثلاثي في tetrahydrofuran.
- 3 Me3SiCl + ثلاثة Li + 1/2 N2 → (Me3Si)3N + ثلاثة LiCl
قد يستخدم أمين ثلاثي المثيلسيليل للتفاعل مع كيتونات α,δ,ω-tri لينتج بيرولات ثلاثية الحلقة.
انظر أيضاً
- عملية بيركلاند-إيد: عملية إنتاج للأسمدة الصناعية.
- نزع النيتروجين: عملية عضوية لتحرير النيتروجين.
- النترجة: الإنتاج الحيويي للنيتروجين.
- دورة النيتروجين: سير وتحول النيتروجين في البيئة.
- عوز النيتروجين في النبات
- نيتروجيناز: أنزيم تستخدم بعض الأحياء لتثبيت النيتروجين.
- جورج واشنطن كارڤر: عالم نبات أمريكي
- جين نيف: جين عثر عليه في بكتريا تثبيت النيتروجين
- عملية أوستفالد: عملية كيميائية لتصنيع أكسيد النتريك HNO3
- تكنولوجيا الدفع والجذب: استخدام العضيات الطاردة والجاذبة في الزراعة.
المصادر
- ^ Postgate, J. (1998). Nitrogen Fixation, 3rd Edition. Cambridge University Press, Cambridge UK.
- ^ Creative Chemistry. New York: The Century Co. 1919. pp. 19–37.
- ^ Biological Sciences | The University of Edinburgh
-
^ Environmental Microbiology. 13 (7). doi:10.1111/j.1462-2920.2011.02488.x. Unknown parameter
|المؤلف=ignored (help); Unknown parameter|الصفحات=ignored (help); Unknown parameter|السنة=ignored (help); Unknown parameter|العنوان=ignored (help); Missing or empty|title=(help) -
^ PLoS ONE. 9 (2). doi:10.1371/journal.pone.0088141. Unknown parameter
|المؤلف=ignored (help); Unknown parameter|الصفحات=ignored (help); Unknown parameter|السنة=ignored (help); Unknown parameter|العنوان=ignored (help); Missing or empty|title=(help) - ^ "The evolution of nitrogen fixation in cyanobacteria" N. Latysheva, V. L. Junker, W. J. Palmer, G. A. Codd and D. Barker; Bioinformatics; 2012: 28(5) pp 603–606; (Article) doi:10.1093/bioinformatics/bts008
-
^ FEMS Microbiology Reviews. 37 (3). doi:10.1111/j.1574-6976.2012.00352.x. Unknown parameter
|المؤلف=ignored (help); Unknown parameter|الصفحات=ignored (help); Unknown parameter|السنة=ignored (help); Unknown parameter|العنوان=ignored (help); Missing or empty|title=(help) - ^ Smil, V (2000). Cycles of Life. Scientific American Library.
- ^ Elkan, Daniel. "Slash-and-burn farming has become a major threat to the world's rainforest". The Guardian, 21 April 2004.
-
^ Science. 331 (6019). doi:10.1126/science.1198181. Unknown parameter
|الأخير4=ignored (help); Unknown parameter|الأول3=ignored (help); Unknown parameter|العنوان=ignored (help); Unknown parameter|الأخير5=ignored (help); Unknown parameter|الأول=ignored (help); Unknown parameter|الأخير=ignored (help); Unknown parameter|الأخير2=ignored (help); Unknown parameter|الأول4=ignored (help); Unknown parameter|الأخير3=ignored (help); Unknown parameter|الأول5=ignored (help); Unknown parameter|الصفحات=ignored (help); Unknown parameter|الأول2=ignored (help); Unknown parameter|السنة=ignored (help); Missing or empty|title=(help)CS1 maint: display-authors (link) - ^ Nitrogen-fixing Actinorhizal Symbioses. Springer. 2008. pp. 199–234.
-
^ Zeitschrift für Elektrochemie und angewandte physikalische Chemie. 40 (10). doi:10.1002/bbpc.19340401005. Unknown parameter
|السنة=ignored (help); Unknown parameter|العنوان=ignored (help); Unknown parameter|الأول1=ignored (help); Unknown parameter|doi_inactivedate=ignored (help); Unknown parameter|الصفحات=ignored (help); Unknown parameter|الأخير2=ignored (help); Unknown parameter|الأول2=ignored (help); Missing or empty|title=(help) -
^ Fixed nitrogen. 1932.
|first1=missing|last1=(help) - ^ "The Problem of Increasing Human Energy" by Nikola Tesla
- ^ THE PROBLEM OF INCREASING HUMAN ENERGY
- ^ http://www.epa.gov/watertrain/nitroabstr.html US Enivronmental Protection Agency: Human Alteration of the Global Nitrogen Cycle: Causes and Consequences by Peter M. Vitousek, Chair, John Aber, Robert W. Howarth, Gene E. Likens, Pamela A. Matson, David W. Schindler, William H. Schlesinger, and G. David Tilman
-
^ Journal of the Chemical Society, Chemical Communications (24). doi:10.1039/C19650000621. Unknown parameter
|المؤلف=ignored (help); Unknown parameter|الصفحات=ignored (help); Unknown parameter|السنة=ignored (help); Unknown parameter|العنوان=ignored (help); Missing or empty|title=(help) - ^ "Catalytic reduction of molecular nitrogen in solutions" A. E. Shilov Russian Chemical Bulletin Volume 52, Number 12, 2555–2562, doi:10.1023/B:RUCB.0000019873.81002.60
- ^ "Reduction of dinitrogen" Richard R. Schrock PNAS 14 November 2006 vol. 103 no. 46 17087 doi:10.1073/pnas.0603633103
- ^ "Dinitrogen Cleavage by a Three-Coordinate Molybdenum(III) Complex" Catalina E. Laplaza and Christopher C. Cummins Science 12 May 1995: 861–863.10.1126/science.268.5212.861
- ^ "A Cycle for Organic Nitrile Synthesis via Dinitrogen Cleavage" John J. Curley, Emma L. Sceats, and Christopher C. Cummins J. Am. Chem. Soc., 2006, 128 (43), pp. 14036–14037 doi:10.1021/ja066090a
- ^ Silicon in Organic, Organometallic, and Polymer Chemistry. New York: John Wiley & Sons, Inc. 2000. pp. 193–194.
وصلات خارجية
- 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.
