Фиксация молекулярного азота воздуха

Подсчитано, что на Земле содержится около 3,8 ×10¹⁵ т азота (в расчете на элементарный). Основную часть его составляет молекулярный азот атмосферы — N₂. Однако человек, животные и высшие растения не способны самостоятельно усваивать такой азот. Тем не менее, все живые организмы для нормального функционирования должны потреблять азот в большом количестве; азотсодержащие соединения — белки и аминокислоты — являются важнейшими компонентами пищевого рациона человека и животных, столь же важны и необходимы минеральные соли азота для питания высших растений.

Обеспечение населения пищевым белком — одна из наиболее острых проблем, стоящих в настоящее время перед человечеством, особенно в развивающихся, бывших колониальных странах. Этой проблеме уделяется столь большое внимание, что при Организации Объединенных Наций создан специальный комитет по всестороннему изучению проблемы белковых ресурсов и разработке практических рекомендаций по предотвращению белкового голода. Д. И. Менделеев, оценивая эту проблему, писал, что вопрос о способах превращения азота воздуха в почвенные азотистые соединения или в ассимилируемый азот, способный поглощаться растениями и давать в них сложные (белковые) вещества, составляет один из таких вопросов, которые представляют великий теоретический и практический интерес. По мнению акад. С. П. Костычева, азотное голодание является тем фактором, который преимущественно перед всеми остальными ограничивает развитие жизни на Земле и задерживает размножение организмов.

При производстве азотных минеральных удобрений азот воздуха превращают промышленным путем в аммиак или азотную кислоту. Однако этот азот составляет только 2—3% от азота, содержащегося в урожае сельскохозяйственных растений всей Земли. Практически почти весь азот, находящийся в живых организмах нашей планеты, имеет своим источником азот атмосферы, фиксированный микроорганизмами, ибо только они способны к самостоятельному усвоению молекулярного азота.

Некоторые высшие растения фиксируют атмосферный азот, вступая в симбиотические отношения с бактериями своих корневых клубеньков, и таким путем вносят значительный вклад в общее усвоение молекулярного азота. Считают, что из известных 13 000 видов бобовых растений большинство способно симбиотически фиксировать азот, причем в значительных количествах, особенно это относится к культурным бобовым растениям (горох, соя и др.). Примерно 250 видов других семейств, небобовых, тоже способны к симбиотичеокой фиксации азота (например, ольха, лисохвост, облепиха).

Бактерии клубеньковых бобовых растений принадлежат в основном к роду Rhizobium. Из свободноживущих бактерий фиксируют молекулярный азот почвенные бактерии рода Azotobacter (аэроб), Clostridium (анаэроб) и некоторые факультативные анаэробы, а также все фотосинтезирующие бактерии. На долю сине-зеленых водорослей приходится 10—15% всего количества фиксируемого N₂ атмосферы.

При промышленном получении аммиака из N₂ затрачивается большое количество энергии, даже в присутствии катализаторов требуется повышение температуры до +500°С и давления до 300— 350 атм. Поэтому не может не восхищать способность микроорганизмов осуществлять практически тот же процесс при обычном атмосферном давлении и невысоких температурах. Основной «секрет» этой способности — наличие у микроорганизмов особой ферментативной системы фиксации азота. Поэтому не удивительно, что во многих лабораториях мира в настоящее время очень активно исследуют фиксацию N₂, и крайне заманчивой, интересной и важной является попытка решить вопрос об имитации в промышленных условиях ферментативных процессов, протекающих у азотфиксирующих микроорганизмов.

Все самые разнообразные азотфиксирующие микроорганизмы содержат одинаковую ферментативную систему, катализирующую превращение молекулярного азота в аммиак. Эта система получила название нитрогеназы. Кроме того, для фиксации N₂ необходимы сильные восстановители (поток электронов), АТФ и Mg²⁺. Природа доноров электронов различна у разных микроорганизмов. У аэробных бактерий (Azotobacter, Rhizobium) необходимые для фиксации N₂ восстановители и АТФ образуются в ходе углеводного обмена, в реакциях с участием НАДФ. Фотосинтетические бактерии и сине-зеленые водоросли способны к фотохимическому образованию сильных восстановителей.

В процессе фиксации АТФ взаимодействует с азоферредоксцном. При этом выделяется АДФ, а азоферредоксин претерпевает конформационную перестройку, вследствие чего его окислительно-восстановительный потенциал понижается с —280 до —400 мВ. Азоферредоксин становится сильным восстановителем, передает электроны на молибдоферредоксин, где и осуществляется восстановление N₂ до NH₃. Суммарно, процесс фиксации азота можно выразить реакцией

N₂ + 6е^- + 12АТФ + 12Н₂0 →2NH₄⁺ + 12АДФ + 12Н₃Р0₄ + 4Н⁺

Нитрогеназа обладает широкой субстратной специфичностью, кроме N₂ она может восстанавливать цианиды, закись азота, ацетилен и др. Нитрогеназа при участии АТФ катализирует также восстановление ионов водорода с образованием молекулярного водорода. У некоторых азотфиксаторов этот процесс протекает одновременно с азотфиксацией. Предполагают, что данное свойство азотфиксирующих микроорганизмов в будущем можно будет использовать для получения дешевого топлива в виде молекулярного водорода.

Для азотфиксации очень важен молибден, функции его в этом процессе разнообразны. Он поддерживает определенную конформацию молекулы нитрогеназы, участвует в связывании азота и переносе электронов, индуцирует синтез нитрогеназы. Молекула газообразного азота очень прочна, для разрыва трех связей, соединяющих ее атомы, требуется около 940 кДж/моль.

Существенным вопросом в процессе азотфиксации является потребление достаточно большого количества энергии, необходимой для разрыва прочных внутримолекулярных связей N₂ при его восстановлении до аммиака. Azotobacter, например, для связывания 15 мг азота расходует на дыхание 1 г сахара, a Clostridium pasteurianum еще больше (5—6 г сахара). У клубеньковых бактерий энергетическим материалом являются продукты фотосинтеза, поступающие в корневую систему из листьев. Часть этих ассимилятов может перерабатываться и откладываться в запас в бактероидах в форме поли-β-гидроксимасляной кислоты (ПОМ).

Способность бактероидов к азотфиксации связана и с особенностями их окислительно-восстановительных систем, в частности с присутствием особого гемопротеина — легоглобина. Предполагают, что он, подобно гемоглобину животных, выполняет роль переносчика кислорода к бактероидам, находящимся в клубеньке в условиях затрудненного доступа кислорода. Образовавшийся в результате азотфиксации аммиак в дальнейшем ассимилируется в основном в растительной ткани клубенька. Первый этап этой ассимиляции заключается в связывании аммиака кетокислотами с образованием аминокислот.

Биосинтез аминокислот