تثبيت النيتروجين

تثبيت النيتروجين بالإنگليزية: Nitrogen fixation، هي العملية التي يتحول فيها النيتروجين (N2) الموجود في الجو إلى أمونيوم[1] النيتروجين الجوي أو النيتروجين الجزيئي (N2) هو خامل نسبياً: فلا يتفاعل مع مواد كيميائية أخرى مولداً مركبات جديدة. تقوم عملية تثبيت النيتروجين على تحويله من الشكل الثنائي (N2) حتى يستخدم بطرق أخرى.

عقد مستجذرات جذرية على نباتات الفصة الحولية - لاحظ النبات على يسار الصورة لا يحتوي عقداً جذرية نظراً لعدم القيام بتلقيحه بالمستجذرة

تثبيت النيتروجين الطبيعي والصناعي هو جوهري 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 إن تي). يحدث تثبيت النيتروجين بشكل طبيعي عند حدوث البرق.[2][3]

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

 
مخطط توضيحي لدورة النيتروجين تم إهمال تثبيت النيتروجين للاأحيائي.

اكتشف التثبيت الحيوي للنيتروجين كل 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.[1] وتفاعل التثبيت الحيوي للنيتروجين هو:

N2 + 8 H+ + 8 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.[4][5]

الأنزيمات المسئولة عن عمل النيتروجيناز حساسة جداً للتخريب بالأوكسيجين. كثير من البكتيريا تتوقف عن إنتاج الأنزيمات في وجود الأوكسيجين.[1] توجد الكثير من أحياء تثبيت النيتروجين فقط في ظروف لا هوائية، وتتنفس لإنقاص معدلات الأوكسيجين، أو تربطة ببروتين مثل ليگيموگلوبين.[1]


الميكروبات التي تثبت النيتروجين

الدايازتروفات هي زراقم مثل التريكوديزميوم و الخضربيات 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 أو النتريت أو الأمونيوم أو اليوريا أو بعض الحموض الأمينية. ويمكن لبعض سلالات الزراقم تحقيق نمو دايازتروفي، وهي إمكانية كانت موجودة في آخر الأسلاف المعروفين للعتائق[6]

يمكن للزراقم في الشعاب المرجانية أن تثبت ضعف كمية النيتروجين على اليابسة، حيث يتم تثبيت حوالي 1.8 كغ من النيتروجين لكل هيكتار في اليوم. يعتقد أن الزراقم البحرية الاستعمارية التريكوديزميوم تثبت النيتروجين يعادل نصف النيتروجين المثبت في الأنظمة البحرية على مستوى العالم.[7]

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 النمو منافسة النباتات الأخرى. يتحرر النيتروجين عندما يموت النبات، مما يجعله متوافراً للنباتات الأخرى ويساعد في تسميد التربة.[1][8] 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 أو الحنطة 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.[9]

غير البقليات

 
مقطع لعقدة جذرية لشجرة النغت.

بالرغم من أن الغالبية العظمى من النباتات المثبتة للنيتروجين عن طريق العقد الجذرية هي من الفصيلة البقولية، إلا أنه يوجد بعض الاستثنائات:

  • Parasponia، هي جنس استوائي من الفصيلة القنبية يمكنها التفاعل مع بكتيريا الريزوبيا مشكلة عقد مثبتة للنيتروجين[10]
  • النباتات شعاعية الجذر: مثل النغت والشمعاء (Myrica) يمكنها تشكيل عقد مثبتة للنيتروجين، بفضل العلاقة التعايشية مع بكتيريافرانكيا. تنتمي هذه النباتات إلى 25 جنس[11] موزعة على 8 فصائل نباتية.

قابلية تثبيت النيتروجين نادرة الوجود في هذه الفصائل. فمثلاً، 4 فقط من بين 122 جنس في الفصيلة الوردية يمكنها صنع النيتروجين. كل 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:

Allocasuarina
الكازارينا
Ceuthostoma
Gymnostoma


Coriariaceae: Coriaria

Datiscaceae: Datisca

الخلافية:

Elaeagnus (silverberries)
Hippophae (sea-buckthorns)
Shepherdia (buffaloberries)


Myricaceae:

Comptonia (sweetfern)
Morella
Myrica (bayberries)


السدرية:

Ceanothus
Colletia
Discaria
Kentrothamnus
Retanilla
Talguenea
Trevoa


الوردية:

Cercocarpus (mountain mahoganies)
Chamaebatia (mountain miseries)
الدرياس
Purshia/Cowania (bitterbrushes/cliffroses)

كما أن 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 أن 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-كارو وعملية أوستوالد على صناعة تثبيت النيتروجين حتى اكتشاف عملية هابر-بوش في عام 1909.[12][13] قبل 1900، اختبر نيكولا تسلا الإنتاج الصناعي للنيتروجين "باستخدام تيارات كهربائية ذات ترددات عالية جداً".[14][15]

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.[16]

عقدت الكثير من الأبحاث حول اكتشاف محفزات لتثبيت الهيدرجين، والتي تهدف إلى تقليل الطاقة اللازمة لهذا التحويل. إلا أن 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 التعرف عليه معتمداً على الروثينيوم [Ru(NH3)5(N2)]2+.[17]

انقاص النيتروجين الجوي

تثبيت النيتروجين الكيميائي التحفيزي عند درجات حرارة منخفضة نسبياً عن طريقة هابر هو مسعى علمي مستمر. عام 1970 قام ألكسندر إ. شيلوڤ بتحويل النيتروجين إلى أمونيا وهيدرازين.[18][19]

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.[20] Since then, this triple bonded complex has been used to make نتريل.[21]

يتفاعل كلوريد ثلاثي المثيلسيليل، الليثيوم، وجزيء نيتروجين ليكون أمين ثلاثي المثيلسيليل، بتحفيز سلك نيكروم أو كلوريد الكروم الثلاثي في tetrahydrofuran.

3 Me3SiCl + 3 Li + 1/2 N2 → (Me3Si)3N + 3 LiCl

قد يستخدم أمين ثلاثي المثيلسيليل للتفاعل مع كيتونات α,δ,ω-tri لينتج بيرولات ثلاثية الحلقة.[22]



انظر أيضاً


المصادر

  1. ^ أ ب ت ث ج Postgate, J. (1998). Nitrogen Fixation, 3rd Edition. Cambridge University Press, Cambridge UK. Cite has empty unknown parameters: |subscription=, |last-author-amp=, |registration=, and |lay-summary= (help)
  2. ^ Creative Chemistry. New York: The Century Co. 1919. pp. 19–37. Cite has empty unknown parameters: |subscription=, |last-author-amp=, |registration=, and |lay-summary= (help)
  3. ^ Biological Sciences | The University of Edinburgh
  4. ^ Gaby, J.C.; Buckley, D.H. (2011). "A global census of nitrogenase diversity". Environmental Microbiology. 13 (7): 1790–1799. doi:10.1111/j.1462-2920.2011.02488.x. Unknown parameter |المؤلف= ignored (|author= suggested) (help); Unknown parameter |الصفحات= ignored (|pages= suggested) (help); Unknown parameter |السنة= ignored (|date= suggested) (help); Unknown parameter |العنوان= ignored (|title= suggested) (help); More than one of author-name-list parameters specified (help)CS1 maint: multiple names: authors list (link)
  5. ^ Hoppe, B.; Kahl, T.; Karasch, P.; Wubet, T.; Bauhus, J.; Buscot, F.; Krüger, D. (2014). "Network analysis reveals ecological links between N-fixing bacteria and wood-decaying fungi". PLoS ONE. 9 (2): e88141. doi:10.1371/journal.pone.0088141. Unknown parameter |المؤلف= ignored (|author= suggested) (help); Unknown parameter |الصفحات= ignored (|pages= suggested) (help); Unknown parameter |السنة= ignored (|date= suggested) (help); Unknown parameter |العنوان= ignored (|title= suggested) (help); More than one of author-name-list parameters specified (help)CS1 maint: multiple names: authors list (link)
  6. ^ "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
  7. ^ Bergman, B.; Sandh, G.; Lin, S.; Larsson, H.; and Carpenter, E. J. (2012). "Trichodesmium – a widespread marine cyanobacterium with unusual nitrogen fixation properties". FEMS Microbiology Reviews. 37 (3): 1–17. doi:10.1111/j.1574-6976.2012.00352.x. Unknown parameter |المؤلف= ignored (|author= suggested) (help); Unknown parameter |الصفحات= ignored (|pages= suggested) (help); Unknown parameter |السنة= ignored (|date= suggested) (help); Unknown parameter |العنوان= ignored (|title= suggested) (help); More than one of author-name-list parameters specified (help)CS1 maint: multiple names: authors list (link)
  8. ^ Smil, V (2000). Cycles of Life. Scientific American Library. Cite has empty unknown parameters: |subscription=, |last-author-amp=, |registration=, and |lay-summary= (help)
  9. ^ Elkan, Daniel. "Slash-and-burn farming has become a major threat to the world's rainforest". The Guardian, 21 April 2004.
  10. ^ Op den Camp, Rik; Streng, A.; et al. (2010). "LysM-Type Mycorrhizal Receptor Recruited for Rhizobium Symbiosis in Nonlegume Parasponia". Science. 331 (6019): 909–912. doi:10.1126/science.1198181. Unknown parameter |الأخير4= ignored (|last4= suggested) (help); Cite uses deprecated parameter |displayauthors= (help); Unknown parameter |الأول3= ignored (|first3= suggested) (help); Unknown parameter |العنوان= ignored (|title= suggested) (help); Unknown parameter |الأخير5= ignored (|last5= suggested) (help); Unknown parameter |الأول= ignored (|first= suggested) (help); Unknown parameter |الأخير= ignored (|last= suggested) (help); Unknown parameter |الأخير2= ignored (|last2= suggested) (help); Unknown parameter |الأول4= ignored (|first4= suggested) (help); Unknown parameter |الأخير3= ignored (|last3= suggested) (help); Unknown parameter |الأول5= ignored (|first5= suggested) (help); Unknown parameter |الصفحات= ignored (|pages= suggested) (help); Unknown parameter |الأول2= ignored (|first2= suggested) (help); Unknown parameter |السنة= ignored (|date= suggested) (help)
  11. ^ Nitrogen-fixing Actinorhizal Symbioses. Springer. 2008. pp. 199–234. Cite has empty unknown parameters: |subscription=, |last-author-amp=, |registration=, and |lay-summary= (help)
  12. ^ Nevbner, Rolf (1934). "Die Umwandlungsgleichung Ba(Cn)2 → BaCN2 + C Im Temperaturgebiet von 500 Bis 1000 °C". Zeitschrift für Elektrochemie und angewandte physikalische Chemie. 40 (10): 693–698. doi:10.1002/bbpc.19340401005. Unknown parameter |السنة= ignored (|date= suggested) (help); Unknown parameter |العنوان= ignored (|title= suggested) (help); Unknown parameter |الأول1= ignored (|first1= suggested) (help); Unknown parameter |doi_inactivedate= ignored (help); Unknown parameter |الصفحات= ignored (|pages= suggested) (help); Unknown parameter |الأخير2= ignored (|last2= suggested) (help); Unknown parameter |الأول2= ignored (|first2= suggested) (help); Cite has empty unknown parameter: |المسار= (help); Missing pipe in: |الأول1= (help); |الأول1= missing |الأول1= (help)
  13. ^ Fixed nitrogen. 1932. Cite has empty unknown parameters: |subscription=, |last-author-amp=, |registration=, and |lay-summary= (help); |first1= missing |last1= (help)
  14. ^ "The Problem of Increasing Human Energy" by Nikola Tesla
  15. ^ THE PROBLEM OF INCREASING HUMAN ENERGY
  16. ^ 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
  17. ^ A. D. Allen, C. V. Senoff (1965). "Nitrogenopentammineruthenium(II) complexes". Journal of the Chemical Society, Chemical Communications (24): 621. doi:10.1039/C19650000621. Unknown parameter |المؤلف= ignored (|author= suggested) (help); Unknown parameter |الصفحات= ignored (|pages= suggested) (help); Unknown parameter |السنة= ignored (|date= suggested) (help); Unknown parameter |العنوان= ignored (|title= suggested) (help); Cite has empty unknown parameter: |المسار= (help); More than one of author-name-list parameters specified (help)
  18. ^ "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
  19. ^ "Reduction of dinitrogen" Richard R. Schrock PNAS 14 November 2006 vol. 103 no. 46 17087 doi:10.1073/pnas.0603633103
  20. ^ "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
  21. ^ "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
  22. ^ Silicon in Organic, Organometallic, and Polymer Chemistry. New York: John Wiley & Sons, Inc. 2000. pp. 193–194. Cite has empty unknown parameters: |subscription=, |last-author-amp=, |registration=, and |lay-summary= (help)


. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

وصلات خارجية