تثبيت النيتروجين

لا تستطيع معظم الكائنات الحية استقلاب النيتروجين الجوي، ^{[ 18 ]} نظرًا لقوة الرابطة التساهمية الثلاثية فيه. لذا، تحصل معظمها على النيتروجين المثبت من مصادر متنوعة. فمقابل كل 100 ذرة كربون، يتم استيعاب ما يقارب 2 إلى 20 ذرة نيتروجين. وقد وصف ألفريد ريدفيلد ^{[ 19 ]}  النسبة الذرية للكربون (C) إلى النيتروجين (N)  إلى الفوسفور (P) التي تُلاحظ في المتوسط ​​في الكتلة الحيوية للعوالق، وحدد العلاقة القياسية بين ذرات C:N:P، والمعروفة بنسبة ريدفيلد، لتكون 106:16:1. ^{[ 19 ]}

يُعدّ مُركّب البروتين نيتروجيناز مسؤولاً عن تحفيز اختزال غاز النيتروجين (N₂ ₎ إلى أمونيا (NH₃ ₎ . ^{[ 20 ] [ 21 ]} في البكتيريا الزرقاء ، يوجد هذا النظام الإنزيمي في خلية متخصصة تُسمى الخلية المتغايرة . ^{[ 22 ]} يُنظّم إنتاج مُركّب النيتروجيناز وراثيًا، ويعتمد نشاط هذا المُركّب البروتيني على تركيزات الأكسجين المُحيطة، وتركيزات الأمونيا وأنواع النيتروجين المؤكسدة (النترات والنتريت) داخل وخارج الخلية. ^{[ 23 ] [ 24 ] [ 25 ]} بالإضافة إلى ذلك، يُعتقد أن التركيزات المُجتمعة لكل من الأمونيوم والنترات تُثبّط تثبيت النيتروجين _، وتحديدًا عندما تتجاوز التركيزات داخل الخلية لـ 2- أوكسوغلوتارات (2-OG) عتبة حرجة. ^{[ 26 ]} تُعدّ الخلية المتغايرة المُتخصصة ضرورية لأداء النيتروجيناز نظرًا لحساسيتها للأكسجين المُحيط. ^{[ 27 ]}

يتكون إنزيم النيتروجيناز من بروتينين: بروتين محفز يعتمد على الحديد، ويُشار إليه عادةً ببروتين MoFe، وبروتين مُختزل يعتمد على الحديد فقط (بروتين Fe). توجد ثلاثة أنواع معروفة من البروتينات المعتمدة على الحديد: بروتين يعتمد على الموليبدينوم ، وبروتين يعتمد على الفاناديوم ، وبروتين يعتمد على الحديد فقط، وتحتوي جميع أنواع بروتينات النيتروجيناز الثلاثة على مكون بروتيني حديدي. يُعد النيتروجيناز المعتمد على الموليبدينوم هو الأكثر شيوعًا. ^{[ 1 ]} يمكن تحديد أنواع النيتروجيناز المختلفة من خلال المكون البروتيني الحديدي المحدد. ^{[ 28 ]} يتميز النيتروجيناز بدرجة عالية من الحفظ. يمكن من خلال تحليل التعبير الجيني عبر تسلسل الحمض النووي (DNA) التمييز بين مُركب البروتين الموجود في الكائن الحي الدقيق والذي يُحتمل أن يتم التعبير عنه. في أغلب الأحيان، يُستخدم جين nifH لتحديد وجود النيتروجيناز المعتمد على الموليبدينوم، يليه جينات اختزال النيتروجيناز ذات الصلة الوثيقة (المكون الثاني) vnfH و anfH ، والتي تُمثل النيتروجيناز المعتمد على الفاناديوم والنيتروجيناز الذي يعتمد على الحديد فقط، على التوالي. ^{[ 29 ]} في دراسة بيئة وتطور البكتيريا المثبتة للنيتروجين ، يُعد جين nifH المؤشر الحيوي الأكثر استخدامًا. ^{[ 30 ]} يمتلك جين nifH جينين متشابهين هما anfH وvnfH، واللذان يُشفّران أيضًا مُكوّن اختزال النيتروجيناز في مُركّب النيتروجيناز. ^{[ 31 ]}

يُعتقد أن إنزيم النيتروجيناز قد تطور في الفترة ما بين 1.5 و2.2 مليار سنة مضت، ^{[ 32 ] [ 33 ]} على الرغم من وجود بعض الأدلة النظائرية التي تدعم تطوره في وقت مبكر يعود إلى حوالي 3.2 مليار سنة مضت. ^{[ 34 ]} ويبدو أن النيتروجيناز قد تطور من بروتينات شبيهة ببروتينات الماتوراز ، مع أن وظيفة البروتين السابق غير معروفة حاليًا. ^{[ 35 ]}

يوجد إنزيم النيتروجيناز بثلاثة أشكال مختلفة ( Nif وAnf وVnf ) تتوافق مع المعدن الموجود في الموقع النشط للبروتين (الموليبدينوم والحديد والفاناديوم على التوالي). ^{[ 36 ]} يُعتقد أن وفرة المعادن البحرية على مر العصور الجيولوجية للأرض قد حددت الوفرة النسبية لأي شكل من أشكال النيتروجيناز كان الأكثر شيوعًا. ^{[ 37 ]} حاليًا، لا يوجد اتفاق قاطع حول أي شكل من أشكال النيتروجيناز ظهر أولًا.

تنتشر الكائنات المثبتة للنيتروجين على نطاق واسع ضمن نطاق البكتيريا ، بما في ذلك البكتيريا الزرقاء (مثل جنسي Trichodesmium و Cyanothece ذوي الأهمية الكبيرة )، وبكتيريا الكبريت الخضراء ، وبكتيريا الكبريت الأرجوانية ، وعائلة Azotobacteraceae ، وبكتيريا Rhizobia ، وبكتيريا Frankia . ^{[ 38 ] [ 39 ]} وتقوم العديد من البكتيريا اللاهوائية الإجبارية بتثبيت النيتروجين، بما في ذلك العديد من أنواع Clostridium (وليس جميعها) . كما تقوم بعض العتائق، مثل Methanosarcina acetivorans ، بتثبيت النيتروجين، ^{[ 40 ]} وتُعد العديد من الأنواع الأخرى المنتجة للميثان من المساهمين الرئيسيين في تثبيت النيتروجين في التربة الفقيرة بالأكسجين. ^{[ 41 ]}

تنتشر البكتيريا الزرقاء ، المعروفة أيضًا باسم الطحالب الخضراء المزرقة، في جميع البيئات المضاءة تقريبًا على سطح الأرض، وتلعب أدوارًا محورية في دورة الكربون والنيتروجين في المحيط الحيوي . وبشكل عام، تستطيع البكتيريا الزرقاء استخدام مصادر عضوية وغير عضوية متنوعة للنيتروجين المركب، مثل النترات والنتريت والأمونيوم واليوريا ، أو بعض الأحماض الأمينية . كما تتميز العديد من سلالات البكتيريا الزرقاء بقدرتها على النمو المثبت للنيتروجين، وهي قدرة ربما كانت موجودة لدى سلفها المشترك الأخير في حقبة الأركي . ^{[ 42 ]} لا يقتصر تثبيت النيتروجين على التربة فحسب ، بل يحدث أيضًا في الأنظمة المائية، بما في ذلك المياه العذبة والمالحة. ^{[ 43 ] [ 44 ]} في الواقع، تُعادل كمية النيتروجين المُثبتة في المحيطات على الأقل تلك الموجودة على اليابسة. ^{[ 45 ]} يُعتقد أن بكتيريا Trichodesmium البحرية الزرقاء المستعمرة تُثبت النيتروجين على نطاق واسع، بحيث تُساهم بنحو نصف عملية تثبيت النيتروجين في الأنظمة البحرية على مستوى العالم. ^{[ 46 ]} تقوم الأشنات السطحية البحرية والبكتيريا غير الضوئية التابعة لشعبتي البروتيوكتيريا والبلانكتوميسيتات بتثبيت كميات كبيرة من النيتروجين الجوي. [47] تشمل أنواع البكتيريا الزرقاء المثبتة للنيتروجين في المياه العذبة: أفانيزومينون ودوليكوسبيرموم ^{( المعروفة سابقًا} باسم أنابينا ) . ^{[ 48 ]} تمتلك هذه الأنواع خلايا متخصصة تُسمى الخلايا المغايرة ، حيث يتم تثبيت النيتروجين بواسطة إنزيم النيتروجيناز. ^{[ 49 ] [ 50 ]}

يوجد نوع من العضيات ، يُسمى UCYN-A 2، وهو عضية مشتقة من بكتيريا زرقاء متكافلة داخلية ، ^{[ 51 ] [ 52 ]} قادرة على تحويل غاز النيتروجين إلى شكل متاح بيولوجيًا. وقد اكتُشفت هذه البلاستيدة النيتروجينية في الطحالب ، وخاصة في الطحالب البحرية Braarudosphaera bigelowii . ^{[ 53 ]}

تمتلك الدياتومات من عائلة Rhopalodiaceae أيضًا بكتيريا زرقاء داخلية تكافلية تُسمى الأجسام الكروية أو الديازوبلاستات. ^{[ 54 ]} فقدت هذه البكتيريا الداخلية التكافلية خصائصها الضوئية، لكنها احتفظت بقدرتها على تثبيت النيتروجين، مما يسمح لهذه الدياتومات بتثبيت النيتروجين الجوي. ^{[ 55 ] [ 56 ]} ومن بين الدياتومات الأخرى التي تعيش في تكافل مع البكتيريا الزرقاء المثبتة للنيتروجين، أجناس Hemiaulus و Rhizosolenia و Chaetoceros . ^{[ 57 ]}

تعيش بعض النباتات الأخرى في ارتباط مع كائنات زرقاء (مثل النوستوك ) التي تثبت النيتروجين لها:

• بعض أنواع الأشنات مثل لوباريا وبيلتيجيرا
• سرخس البعوض ( أنواع أزولا )
• السيكاديات ^{[ 64 ]}
• غونيرا
• البلاسيا ( عشبة الكبد )
• نباتات القرن ^{[ 65 ]}

بعض العلاقات التكافلية التي تشمل النباتات ذات الأهمية الزراعية هي: ^{[ 66 ]}

• قصب السكر والفطريات الداخلية غير الواضحة
• الدخن ذيل الثعلب وبكتيريا أزوسبيريلوم برازيلينس
• عشب كالار وسلالة أزواركوس BH72
• الأرز و Herbaspirillum seropedicae
• القمح وكليبسيلا الرئوية
• سلالة الذرة المحلية ' سييرا ميكس ' / 'أولوتون' ^{[ 67 ]} وأنواع مختلفة من البكتيريا من فصيلة البكتيرويدات والزائفة .

وصف هنري كافنديش لأول مرة طريقة لتثبيت النيتروجين عام 1784 باستخدام الأقواس الكهربائية لتفاعل النيتروجين والأكسجين في الهواء. طُبقت هذه الطريقة في عملية بيركلاند-إيدي عام 1903. ^{[ 68 ]} ويُعد تثبيت النيتروجين بواسطة البرق عملية طبيعية مشابهة جدًا.

لاحظ الصيدلي م. ديسفوس، من بيزانسون ، لأول مرة إمكانية تفاعل النيتروجين الجوي مع بعض المواد الكيميائية ، ^{[ 69 ]} عام 1828. ^{[ 70 ]} ولاحظ أن مخاليط أكاسيد المعادن القلوية والكربون تتفاعل مع النيتروجين عند درجات حرارة عالية. وباستخدام كربونات الباريوم كمادة أولية، أصبحت أول عملية تجارية متاحة في ستينيات القرن التاسع عشر، والتي طورها مارغريت وسورديفال. يتفاعل سيانيد الباريوم الناتج مع البخار، منتجًا الأمونيا. وفي عام 1898، طور فرانك وكارو ما يُعرف بعملية فرانك-كارو لتثبيت النيتروجين على شكل سياناميد الكالسيوم . وقد طغت عملية هابر ، التي اكتُشفت عام 1909، على هذه العملية . ^{[ 71 ] [ 72 ]}

الطريقة الصناعية السائدة لإنتاج الأمونيا هي عملية هابر ، المعروفة أيضًا باسم عملية هابر-بوش. طوّرها الكيميائيان الألمانيان فريتز هابر وكارل بوش ، وتمّ عرضها لأول مرة عام 1909. ^{[ 73 ] [ 74 ]} يُعدّ إنتاج الأسمدة حاليًا أكبر مصدر للنيتروجين المثبّت الذي ينتجه الإنسان في النظام البيئي الأرضي . تُعتبر الأمونيا مادةً أوليةً ضروريةً للأسمدة والمتفجرات وغيرها من المنتجات. تتطلب عملية هابر ضغوطًا عالية (حوالي 200 ضغط جوي) ودرجات حرارة عالية (400 درجة مئوية على الأقل)، وهي ظروف شائعة في التحفيز الصناعي. تستخدم هذه العملية الغاز الطبيعي كمصدر للهيدروجين والهواء كمصدر للنيتروجين. أدّى إنتاج الأمونيا إلى زيادة إنتاج الأسمدة النيتروجينية عالميًا ^{[ 75 ]} ، ويُعزى إليه الفضل في دعم نمو عدد سكان العالم من حوالي ملياري نسمة في أوائل القرن العشرين إلى أكثر من 8 مليارات نسمة حاليًا. ^{[ 76 ]} 

أُجريت أبحاثٌ كثيرةٌ لاكتشاف محفزاتٍ لتثبيت النيتروجين، وغالبًا ما كان الهدف منها خفض متطلبات الطاقة. مع ذلك، لم تُفلح هذه الأبحاث حتى الآن في الاقتراب من كفاءة وسهولة عملية هابر. تتفاعل العديد من المركبات مع النيتروجين الجوي لتكوين معقداتٍ ثنائية النيتروجين . وكان أول معقدٍ ثنائي النيتروجين يُبلَّغ عنه هو Ru(NH3)2.₃ )₅ (شمال)₂ )²⁺. ^{[ 77 ]} بعض المركبات القابلة للذوبان تحفز تثبيت النيتروجين. ^{[ 78 ]}