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固氮作用
鎖定
- 中文名
- 固氮作用
- 外文名
- nitrogen fixation
- 類 別
- 化學反應過程
- 方 式
- 生物固氮、非生物固氮
- 釋 義
- 分子態氮被還原成氨和其他化合物
固氮作用簡介
固氮作用(nitrogen fixation) 是分子態氮被還原成氨和其他含氮化合物的過程。自然界氮(N2)的固定有兩種方式:一種是非生物固氮,即通過閃電、高温放電等固氮,這樣形成的氮化物很少;二是生物固氮,即分子態氮在生物體內還原為氨的過程。大氣中90%以上的分子態氮都是通過固氮微生物的作用被還原為氨的。
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固氮作用生物固氮
生物固氮是固氮微生物的一種特殊的生理功能,已知具固氮作用的微生物約近50個屬,包括細菌、放線菌和藍細菌(即藍藻),它們的生活方式、固氮作用類型有較大區別,但細胞內都具有固氮酶。不同固氮微生物的固氮酶均由鉬鐵蛋白和鐵蛋白組成。固氮酶必須在厭氧條件下,即在低的氧化還原條件下才能催化反應。固氮作用過程十分複雜,目前還不完全清楚。各種固氮微生物進行固氮作用的總反應可用以下簡式表示:
另外,還有大豆等生物,跟也有固氮作用。
固氮作用自生固氮菌
自生固氮菌(Azotobacteria)是自由生活在土壤或水域中,能獨立進行固氮作用的某些細菌。以分子態氮為氮素營養,將其還原為NH3,再合成氨基酸、蛋白質。包括好氧性細菌,如固氮菌屬、固氮螺菌屬以及少數自養菌;兼性厭氧菌,如克雷伯氏菌屬;厭氧菌,如梭狀芽孢桿菌屬的一些種。還有光合細菌如紅螺菌屬、綠菌屬以及藍細菌(藍藻),如魚腥藻屬、念珠藻屬等。
固氮作用聯合固氮
近年在上述兩個類型之間又提出一箇中間類型,稱為聯合固氮。即有的固氮菌生活在某些植物根的粘質鞘套內或皮層細胞間,不形成根瘤,但有較強的專一性,如雀稗固氮菌與點狀雀稗聯合,生活在雀稗根的粘質鞘套內,固氮量可達15~93千克/公頃·年。其他如生活在水稻、甘蔗及許多熱帶牧草的根際的微生物,由於與這些植物根系聯合,因而都有很強的固氮作用。
固氮作用共生固氮菌
共生固氮菌在與植物共生的情況下才能固氮或才能有效地固氮,固氮產物氨可直接為共生體提供氮源。共生固氮效率比自生固氮體系高數十倍。主要有根瘤菌屬(Rhizobium)的細菌與豆科植物共生形成的根瘤共生體,弗氏菌屬(Frankia)與非豆科植物共生形成的根瘤共生體;某些藍細菌與植物共生形成的共生體,如念珠藻或魚腥藻與裸子植物蘇鐵共生形成蘇鐵共生體,紅萍與魚腥藻形成的紅萍共生體等。在實驗條件下培養自生固氮菌,培養基中只需加入碳源(如蔗糖、葡萄糖)和少量無機鹽,不需加入氮源,固氮菌可直接利用空氣中的氮(N2)作為氮素營養;如培養根瘤菌,則需加入氮素營養,因為根瘤菌等共生固氮菌,只有與相應的植物共生時,才能利用分子態氮(N2)進行固氮作用。
固氮作用電離固氮
即採用人工或自然的方式,使空氣中的氮氣轉化為氮化物。電離作用和大自然中的閃電能使空氣中的氮氣和氧氣產生化合作用,形成 一氧化氮,一氧化氮極其不穩定,會瞬間被氧化成二氧化氮。二氧化氮溶於水形成稀薄的硝酸,而硝酸會與土壤裏的元素形成氮化物,從而被植物吸收。
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固氮作用非生物固氮
19世紀末化肥工業的出現和發展推動了農業生產的發展。隨着世界人口增長對糧食的需求也日趨增大,再加上工業發展和軍事上的迫切需要,使人工固氮在本世紀初成了世界性的重大研究課題。儘管不少化學家耗費了相當大的精力,但仍未掌握一種較理想的人工固氮方法。
1905年德國物理化學家、合成氨的發明者弗裏茨·哈伯(Fritz Haber)赴美國考察,回國後也採用高壓放電固氮,實驗歷時一年效果不盡人意。後來從法國化學家用高温、高壓合成氨發生爆炸的消息中獲得啓示,他也毅然採用該法進行試驗,表現了他的果斷和勇氣。在歷經無數次失敗後, 1909年7月2日哈伯在實驗室採用600℃、 200個大氣壓和用金屬鐵作催化劑的條件下,人工固氮成功,平衡後氨的濃度達到6%,首次取得突破,當年德國巴登苯胺純鹼公司總經理、工業化學家博施(Carl Bosch),參觀了哈伯的實驗室,確認他的方法成功、有效,決定擴大進行中間試驗。此後哈伯提出了原料氣循環使用的合理建議;博施也解決了從水煤氣中獲得氫氣的問題。1910年建成新工藝流程的中試工廠。該公司的研究人員在化學家米塔斯(Mitas)的主持下,用2500種不同的催化劑經上萬次試驗,終於研製成功含有鉀、鋁氧化物作助催化劑的價廉易得的高效鐵催化劑。1911年巴登公司在德國奧堡建成世界第一座日產30 噸合成氨的工廠。人稱這種合成氨方法為“哈伯-博施法”,這是具有世界意義的人工固氮技術的重大成就。是化工生產實現高温、高壓、催化反應的第一個里程碑。合成氨的原料來自空氣、煤和水,因此是最經濟的人工固氮法,從而結束了人類完全依靠天然氮肥的歷史,給世界農業發展帶來了福音;為工業生產、軍工需要的大量硝酸、炸藥解決了原料問題)在化工生產上推動了高温、高壓、催化劑等一系列的技術進步。合成氨的成功也為德國節省了鉅額經費支出,哈伯、博施也一舉成名。