固氮作用

固气作用是一种化学过程，分子氮（N_{2）在空气中具有很强的三重共价键 转化为氨 (NH3) 或相关的含氮化合物，通常存在于土壤或水生系统中，也存在于工业中。 大气中的氮是分子二氮，一种相对不活泼的分子，除了少数微生物外，对所有微生物都没有新陈代谢作用。 生物固氮或固氮是一种重要的微生物介导过程，利用固氮酶蛋白复合物 (Nif) 将氮气 (N2) 转化为氨气 (NH3)。}

固氮作用对生命至关重要，因为所有含氮有机化合物（如氨基酸和蛋白质、核苷三磷酸和核酸）的生物合成都需要固定的无机氮化合物。 作为氮循环的一部分，它对农业和化肥生产至关重要。 它还间接地与所有含氮化合物的制造有关，其中包括一些炸药、药物和染料。

固氮作用是通过称为固氮菌的微生物在土壤中自然进行的，这些微生物包括细菌，如固氮菌和古细菌。 一些固氮细菌与<a href="https://vibaike.com/228382/" target="_blank">植物群有共生关系，尤其是豆类。 固氮菌和植物之间较松散的非共生关系通常被称为缔合关系，如水稻根部的固氮作用所示。 固气作用发生在一些白蚁和真菌之间。 它通过闪电产生的氮氧化物在空气中自然发生。

所有涉及固氮过程的生物反应都是由称为固氮酶的酶催化的。 这些酶含有铁，通常含有第二种金属，通常是钼，但有时是钒。

生物固氮作用于 1838 年由 Jean-Baptiste Boussingault 发现。后来，在 1880 年，德国农学家 Hermann Hellriegel 和 Hermann Wilfarth 发现了它发生的过程，并由荷兰微生物学家 Martinus Beijerinck 进行了全面描述。

Saussure、Ville、Lawes 和 Gilbert 等人开始对植物与氮获取之间的关系进行了长期研究，最终于 1887 年由 Hellriegel 和 Wilfarth 发现了共生固定。

Bossingault 于 1855 年和 Pugh、Gilbert & 进行的实验 劳斯在 1887 年已经表明，氮并没有直接进入植物。 Herman Hellriegel 和 Herman Wilfarth 在 1886-8 年发现的固氮细菌的作用开启了土壤科学的新纪元。

1901 年 Beijerinck 表明 Azotobacter chroococcum 能够固定大气中的氮。 这是固氮菌属的xxx个物种，由他命名。 它也是xxx个已知的固氮菌，即使用双原子氮作为完整氮循环中的一个步骤的物种。

当固氮酶将大气中的氮转化为氨时，就会发生生物固氮 (BNF)。 BNF 的总体反应是：

N 2 + 16 ATP + 16 H 2 O + 8 e − + 8 H + ⟶ 2 NH 3 + H 2 + 16 ADP + 16 {\displaystyle {\ce {N2 + 16ATP + 16H2O + 8e- + 8H+ - > 2NH3 +H2 + 16ADP + 16}}} P i {\displaystyle {\text{P}}_{i}}

该过程与 16 个当量 ATP 的水解相结合，并伴随着一个当量 H _{的共同形成 2. N2 转化为氨发生在称为 FeMoco 的金属簇中，FeMoco 是铁钼辅助因子的缩写。 该机制通过一系列质子化和还原步骤进行，其中 FeMoco 活性位点氢化 N2 底物。 在自由生活的固氮菌中，固氮酶产生的氨通过谷氨酰胺合成酶/谷氨酸合成酶途径被同化为谷氨酸。 固氮所需的微生物nif基因广泛分布于不同的环境中。}

例如，通常具有低氮含量的分解木材已被证明具有重氮营养群落。 细菌通过固定使木材基质富含氮，从而使枯木能够被真菌分解。

固氮酶被氧气迅速降解。 出于这个原因，许多细菌在氧气存在的情况下停止产生这种酶。 许多固氮生物仅存在于厌氧条件下，呼吸以降低氧气水平，或将氧气与蛋白质（如豆血红蛋白）结合。

大气中的氮对于大多数生物来说是无法接近的，因为它的三重共价键非常强。 生命以各种方式吸收固定氮。