基本介紹
- 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
- 常見現象：大豆的根瘤固氮
簡介,生物固氮,自生固氮菌,聯合固氮,共生固氮菌,電離固氮,非生物固氮,
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、高溫放電等固氮，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。
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。
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，再合成胺基酸、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。
聯合固氮
近年在上述兩個類型之間又提出一個中間類型，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。
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。
電離固氮
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。隨著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、合成氨的發明者弗里茨·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溫、高壓合成氨發生爆炸的訊息中獲得啟示，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。是化工生產實現高溫、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溫、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巨額經費支出，哈伯、博施也一舉成名。
