Фиксация азота в природе

Одной из важнейших проблем современности является возможность фиксации атмосферного аз ота в мягких условиях. Природа давно справилась с этой задачей. Биологическая фиксация азота происходит в результате восстановительных процессов, в ходе которых атмосферный азот переходит в аммиак. Решающую роль здесь играет фермент нитрогеназа. Содержащиеся в нем соединения железа и молибдена активируют азот, при контакте кото- [c.281]

До последнего времени биохимики почти не знали природы этого превращения. Лишь недавно удалось выяснить, что биологическая фиксация азота — с точки зрения химической — процесс восстановительный, то есть идущий с присоединением электронов. Бактерии связывают азот и превращают его в аммиак. Но для того чтобы эта [c.116]

Природа активных центров, вызывающих активацию молекулы азота, еще недостаточно ясна, однако очень важным для понимания процесса биологической фиксации азота является обязательное присутствие соединений ряда переходных металлов (Мо, Ге. Со и др.) в биологически активных системах, связывающих азот. Полагают [96], что взаимодействие молекулы азота с металлсодержащим ферментом протекает следующим образом [c.193]

Хотя процессы биологической фиксации азота в природе протекают и без постороннего вмешательства человека, но наука дала в его руки методы рационального управления этими процессами. Разработаны н научно обоснованы способы обработки почвы и создана мощная сельскохозяйственная техника, позволяющая осуществлять эту обработку на практике. [c.44]

Во время грозы молекулярный азот воздуха соединяется с кислородом и вместе с влагой попадает в почву. В свою очередь, в почве протекают процессы биологической фиксации азота. Фиксированный азот усваивается растениями и, переходя в организм человека и животного, совершает круговорот, который уже миллиарды лет осуществляется в природе. [c.67]

Можно было бы пойти по другому пути — вместо фиксации азота связать кислород, который легко вступает в соединения со многими элементами, встречающимися в природе. Азот в этом случае остался бы в газообразном состоянии. Но этот дорогой и мало производительный метод не мог служить источником азота для промышленных целей. [c.78]

РАСПРЕДЕЛЕНИЕ И ПРИРОДА ФЕРМЕНТОВ ФИКСАЦИИ АЗОТА [c.231]

N+ образует исключительно ковалентные связи. Молекулы азота связаны исключительно прочно тройной связью. Эта связь имеет длину 0,1098 нм и энергию диссоциации 224,5 ккал/моль сравните (НС)2—199,6 О2— 117,8 СО —256,2 N0 — 150,0 [1] Н2—102,5 [2] . Характером этой связи главным образом и обусловливается инертная природа газообразного азота [1]. Для превращения молекулярного азота в соединения, которые могут служить источниками питания, требуется большое количество энергии. В этих соединениях, относящихся к соединениям со связанным азотом, последний фиксирован слабее, чем в газообразном азоте. Процесс фиксации азота в действительности не фиксирует азот, а лишь ослабляет его связи в молекуле. [c.48]

Установлено, что фиксация происходит и в том случае, когда два белка происходят не только из одного и того же организма, но и из разных организмов. По-видимому, природа создала только один основной механизм фиксации азота, и возможны лишь некоторые вариации на этой основе. Интересно, что нитратредуктаза (NOj - -- N02 ) из Neurospora rassa тоже состоит из двух белков, один из которых содержит молибден, причем этот молибденсодержащий белок можно заменить на другие молибденовые белки (обычно после обработки кислотой), входящие в состав совершенно отличных ферментов, включая ксантин-, альдегид- и сульфитоксидазы, или MoFe-белок нитрогеназы из двух разных бактерий [156]. Пока не появлялись сообщения о реконструкции нитрогеназы из обычного Fe-белка и свободного Мо-белка. В работе [156] было отмечено, что, возможно, существуют молибденсодержащие субъединицы, которые выступают в качестве кофактора и являются общими для всех молибденсодержащих ферментов животных,растений и микроорганизмов. Эти субъединицы, вероятно, не только функционируют как переносчики электронов, но и связывают между собой субъединицы фермента. Если это предположение справедливо, то весьма вероятно, что основную электрон-транспортную реакцию в нитрогеназах осуществляет Мо-белок, тогда как другой белок модифицирует реакцию, приспосабливая ее к определенному субстрату. Таким [c.232]

Фиксация азота в природе. Некоторые бактерии и сине-зеленые водоросли способны связывать молекулярный азот. Наибольшей способностью к фиксации азота обладают бактерии, живущие в корнях различных трав (клевер, альфа, горох и др.). [c.591]

Из результатов этих опытов следует, что овет необходим для образования в растениях веществ, при наличии которых только и возможна фиксация азота в клубеньковой ткани. Какова природа этих веществ, неизвестно, но речь может идти не только об углевода . Во всех частях растений, даже в наихудшем ва- [c.209]

Изучение строения, свойств и превращений азотсодержащих биологически активных веществ не имеет смысла без познания первичных путей образования данных соединений в биосфере, поскольку человек, животные и высшие растения не способны самостоятельно усваивать азот из единственного его природного источника на Земле — атмосферного воздуха, который содержит до 78,2 %(об.) N2. Молекулярный азот, образованный исключительно важным биогенным элементом, отличается сравнительно высокой химической инертностью в условиях поверхности Земли, которая была преодолена природой с помощью специальных механизмов фиксации азота, созданных в процессе эволюции живого. [c.362]

Клубеньковые бактерии, проникая в корни бобовых, индуцируют образование специфической клубеньковой ткани, и в этом заключается их важная роль в процессе связывания азота бобовыми. Вероятно, бактерии. выделяют какое-то вещество, под воздействием которого образуется на корнях бобовых специфическая клубеньковая ткань, обладающая соответствующей ферментной системой, при участии которой и осуществляется связывание атмосферного азота. И, может быть, когда-нибудь удастся установить химическую природу этого вещества, синтезировать его и искусственно, без участия бактерий, вызывать биологическое связывание азота атмосферы не только бобовыми,, но и другими растениями. Существующее до сих тор представление о том, что, фиксация азота атмосферы происходит в телах клубеньковых бактерий, нам кажется, не соответствует фактическому положению. [c.282]

Молибден в природе. Молибден — жизненно важный микроэлемент для всех организмов. Он входит в состав ферментов нитрогеназы и нитратредуктазы, которые участвуют в фиксации азота и в восстановлении нитрат-ионов, а также присутствует в оксидазах. В ферментах молибден играет роль переносчика электронов. [c.544]

Даже в такой сложной системе, как фотосинтез, можно осуществить изменение или перестановку определенных генов, влияющих на характеристики процесса. Уже есть аргументы в пользу того, что возможно более эффективное поглощение углекислого газа растениями, в результате чего повысится и эффективность фотосинтеза. На этом пути еще предстоят фундаментальные исследования (и, хочется верить, — открытия). Есть немало и других фундаментальных проблем, например, фиксация азота растениями (мы только начинаем понимать, почему природа создает для этого столь сложные структуры). [c.48]

Баланс доступного растениям азота на земном шаре поддерживается за счет деятельности особой группы организмов — так называемых азотфиксаторов. В экономике природы процессам биологической фиксации азота принадлежит исключительная роль, которая по значению вполне равнозначна процессу фотосинтеза. [c.457]

Фиксация азота в природе осуществляется с помощью двух механизмов. [c.362]

Задача фиксации атмосферного азота в обычных условиях температуры и давления требует еще неразгаданных процессов, освоенных природой лишь в биохимических явлениях, и до сих пор составляет предмет усиленного научного поиска. [c.266]

Другим источником является биологическая фиксация молекулярного азота, которую осуществляют многие группы микроорганизмов. Она безвредна для человека и окружающей среды (в том объеме, в котором она осуществляется в агрофитоценозах и в естественных экосистемах). Большая часть азота в природе фиксируется симбиотическими азотфиксаторами. Они используют продукты фотосинтеза макросимбионта для покрытия энергетических затрат на фиксацию азота и передают связанный азот растению. Способность формировать азотфиксирующие симбиозы, однако, приобрели в процессе эволюции только определенные виды растений и микроорганизмов. [c.54]

Производство азотных удобрений во всех странах базируется в основном на синтезе аммиака. Ни чилийская селитра, ни дуговой способ связывания атмосферного азота, ни производство цианамида кальция не идут в сравнение по экономическому эффекту с синтезом аммиака. Современные промышленные методы связывания азота сложны технически, требуют высоких температур и давлений, осуществляются с большими затратами энергии. Советские ученые вплотную приблизились к решению важнейшей проблемы—фиксации азота способами, подобными способам фиксации азота в природе. В лабораториях Института элементорганиче-ских соединений им. А. Н. Несмеянова и Института химической физики АН СССР синтезированы металлокомплексные катализаторы— комплексы переходных металлов хрома, молибдена, железа, никеля и др. с графитом, способные функционировать по принципу клубеньковых бактерий (работы чл.-корр. АН СССР М. Е. Вольпина н проф. А. Е. Шилова с сотрудниками). Эти соединения образуют с азотом комплекс, в котором связь с азотом настолько слабая, что появляется возможность присоединения еще водорода. Когда комплекс разлагается, выделяется аммиак. К со- [c.177]

Механизм фиксации азота долгие годы был интригующей химической и биохимической проблемой отчасти из-за характерной химической инертности молекулы азота. Самая старая и самая общепринятая гипотеза была выдвинута Виландом еще в 1922 г. согласно этой гипотезе, молекула азота восстанавливается в три стадии (схема 6). Однако в процессе восстановления азота не было обнаружено ни одно из предполагаемых промежуточных соединений (диимин и гидразин). Более того, диимин вообще не восстанавливается этим ферментом, хотя гидразин при действии нитрогеназы превращается в аммиак. В последние годы предпринимались попытки решить эту проблему с помощью химических исследований. Так, Чатт и сотр. [9] показали, что комплекс металл— азот типа М(Н2)2(РРз)4 (где М = Мо или Ш) при обработке серной кислотой в метаноле образует аммиак с выходом до 90%- Этим исследователям удалось, используя различные лиганды фосфиновой природы и различные кислоты, получить вольфрамовые и молибденовые комплексы, в состав которых входят содержащие азот лиганды (N2H, N2H2 и М2Нз), соответствующие различным стадиям восстановления азота. В аналогичных исследованиях Ван Тамелен и Брюле [10] нашли, что молибденовое комплексное соединение (7) при обработке бромоводородной кислотой в Л -метилпирролидоне образует аммиак (0,36 моль на 1 моль комплекса). [c.402]

Научные работы посвящены изучению механизмов действия ферментов и других физиологически активных веществ, а также инсектицидов. Установил (1950-е) механизм взаимодействия фосфорорганических инсектицидов с ферментом холннэстеразой, что позволило планировать (с 1967) синтез новых инсектицидов и лекарственных веществ с антихолинэстеразным действием. Развил исследования по кинетическому анализу ферментативных реакций в присутствии необратимо действующих ингибиторов. Изучил электронный механизм ферментативной фиксации азота, выделил участвующие в этом процессе белки, содержащие железо негеминовой природы и молибден (1963—1966). Изучал (с 1967) кинетику и механизм действия ко-ферментов. [23] [c.603]

Начиная с 1960 г. биохимия фиксации азота развивается быстрыми темпами, после того как было установлено, что фиксация молекулярного азота возможна бесклеточными экстрактами. Современный обзор имеющихся в этой области результатов дан в работах [44, 98]. Все биохимические данные, приведенные в этой главе, кроме указанных особо, взяты из этих обзоров. Так называемые нитрогеназные ферменты катализируют восстановительную фиксацию азота с образованием аммиака. Сведений об окислительной фиксации с образованием нитратов не появлялось. Пока еще получено мало данных о механизме реакции и природе активных центров, однако некоторые важные свойства этого процесса надежно установлены, и интересы исследователей концентрируются именно на механизмах процессов, которые природа создала для решения проблемы связывания молекулярного азота. [c.229]

Нитрогеназные ферменты могут катализировать и другие, на первый взгляд совершенно не связанные с фиксацией азота реакции и восстанавливать другие субстраты. Если начать с полного набора компонентов, необходимых для проявления нитрогеназной активности (азот, восстановитель, АТФ, ионы магния, два белка), и исключить из этой системы азот, то будет наблюдаться зависящее от АТФ выделение водорода. Другими словами, происходит гидролиз АТФ с образованием АДФ и неорганического фосфата и одновременное выделение водорода. Никаких реакций не наблюдается, если исключить АТФ, восстановитель или один из упомянутых белков. Но если использовать в качестве восстановителя водород в присутствии гидрогеназы, то будет наблюдаться главным образом каталитический гидролиз АТФ, поскольку водород, выделяемый нитрогеназой, снова поглощается гидрогеназой. Это зависящее от АТФ выделение водорода не подавляется окисью углерода как активность обычных гидрогеназ, катализирующих обратимое освобождение и поглощение водорода. Фиксация азота и выделение водорода одинаково зависят от pH и характеризуются одним и тем же отношением числа расходуемых молекул АТФ, приходящихся на пару электронов. Очевидно, что эти две реакции тесно связаны между собой, и приходится сделать вывод, что выделение водорода, которое могло бы показаться совершенно лишним, бесполезным побочным процессом, играет важную роль в механизме фиксации азота. Необратимое выделение водорода показывает, что водород генерируется при более отрицательных потенциалах, чем потенциал обратимой гидрогеназы, причем гидролиз АТФ, очевидно, создает движущую силу реакции. Эти данные свидетельствуют в пользу того, что при восстановлении азота используется более сильный восстановитель, чем молекулярный водород,—это и представляет собой способ, который природа использовала для преодоления затруднений, связанных с крайне энергетически невыгодной первой стадией восстановления азота. Они подтверждают мысль, высказанную автором в 1968 г. [180], состоящую в том. [c.233]

Восстановление азота до аммиака — это, по-видимому, хороший пример реакции, для которой природа не создала катализатора в прямом смысле этого слова. Как было отмечено в начале главы, суммарное восстановление азота до аммиака с использованием восстановителей, близких по окислительно-восстановительному потенциалу к водороду, представляет собой термодинамически выгодный процесс, однако присоединение первых двух электронов с образованием диимина термодинамически крайне невыгодно. В процессе эволюции возник лишь один способ фиксации азота, основанный на том, что первая стадия становится возможной благодаря использованию более эффективного восстановителя. Необратимое выделение водорода показывает, что при участии АТФ сначала образуется более эффективный, чем водород, восстановитель (потенциал которого неизвестен а сопоставление с ацетиленом показывает, что продуктом, который образуется на этой первоначальной стадии, может быть ч с-диимин. Таким образом, фермент катализирует две совершенно различные реакции (1) превращение двух восстановительных эквивалентов (2Н), которые вводятся в систему при потенциале, близком к потенциалу молекулярного водорода, в более эффективный восстановитель (2Н ) за счет гидролиза АТФ [c.236]

В регуляции скорости важную роль могут играть аминокислотные остатки, окружающие координационный центр. Белок может ускорить реакцию путем связывания субстрата вблизи металла в предравновесном состоянии, что приведет к увеличению времени контакта, или путем более благоприятной ориентации субстрата по отношению к металлу. В этом отчасти состоит механизм, удерживающий ион НОг вблизи активного центра (см. выше), который способствует ускорению реакций Ре -каталазы и Ре -пероксидазы с перекисью водорода (разд. 8.6). Порфириновый лиганд также может играть определенную роль в связывании гидрофобных субстратов. Связывание субстратов белком и лигандами, вероятно, должно быть довольно слабым и происходить в зависимости от природы субстрата при участии водородных связей, электростатических или вандерваальсовых взаимодействий. Очевидное условие протекания реакций, в которых участвуют несколько активных центров, состоит в том, чтобы эти центры находились вблизи друг друга. Так, по всей вероятности, осуществляется фиксация азота, для которой требуется один активный центр (по-видимому. [c.242]

При изучении симбиотической фиксации N2 внимание исследователей было сосредоточено главным образом па бобовых растениях. Однако существуют многочисленные небобовые растения, способные к симбиотической фиксации азота. Из них наиболее интенсивно исследовали ольху, поскольку она широко распространена, интенсивно фиксирует азот и имеет большие клубеньки. Природа микроорганизма, который вызывает образование клубеньков у ольхи, до сих пор не выяснена, так как его до настоящего времепи не удавалось культивировать вне растения и затем заразить свободное от микроорганизма растение и вызвать образование клубеньков. Многие исследователи на основании довольно убедительных косвенных данных считают, что этот микроорганизм относится к актиномицетам. [c.592]

Исследования, проведенные с бесклеточными экстрактами, позволили выяснить некоторые аспекты механизма фиксации азота. Существующие гипотезы о природе этого механизма объединены д Эустахио и Харди [5], а также Мортен-соном [12] (фиг. 242). [c.596]

Первая промышленная установка окисления азота кислородом при температуре около 3000° С путем пропускания воздуха через дуговую электрическую печь по методу X. Биркелаида и С. Эйде была введена в действие в Ноттодене (Норвегия) в мае 1905 г. К. А. Тимирязев откликнулся на это событие восторженной статьей Новая победа науки над природой . Пуск установки завершил собой многочисленные исследования ряда ученых и доказал принципиальную возможность промышленной фиксации азота атмосферы. Азотные удобрения выпускались в виде кальциевой селитры, получившей название норвежской, в отличие от природной натриевой, называемой но месту добычи чилийской. [c.9]

Вероятно, многие азотфиксирующие организмы нам еще не известны. Число уже обнаруженных говорит о том, что наше представление о круговороте азота в природе должно коренным образом измениться. Живущие на корнях растений Rhizobia и другие почвенные организмы, которые мы давно знаем, играют, несомненно, главную роль в осуществлении этого круговорота, однако сейчас стало ясно, что и океаны могут быть огромными резервуарами связывания азота. Быть может, морские организмы, в том числе и сине-зеленые водоросли, связывают даже больше азота, 4eiM почвенные организмы. Усиленная фиксация азота, может быть, происходит также в тропических джунглях, болотах и озерах. Давно известно, например, что рисовые поля долгое время остаются плодородными, не требуя удобрений. Индийский исследователь П. Де в 1938 г. показал, что некоторые сине-зеленые водоросли, живущие в почве рисовых полей Индии, весьма активно связывают азот, и пришел к выводу, что они являются, по-видимому, главной причиной сохранения плодородия почвы. [c.62]

После фотоспнтетической ассимиляции двуокиси углерода одним из наиболее фундаментальных процессов в природе является биологическая фиксация азота. Этот процесс поддерживает равновесие мирового расхода азота. Дональд [112 ] считает, что во всем мире ежегодно происходит биологическая фиксация около 100 миллионов тонн азота. [c.351]

Приводятся данные, что молибден необходим для фиксации газообразного азота синезелеными водорослями No to и АпаЬаепа. Вопрос о биохимической природе процесса фиксации азота еще до конца не решен не описан также механизм участия в этом процессе тяжелых металлов, в том числе и молибдена. [c.122]

Справочник химика 21

Химия и химическая технология