固氮作用

固氮作用

生物过程

上级分类	氮循环代谢过程
所属实体	氮循环

固氮作用简称固氮（英语：nitrogen fixation），是一种化学过程，指将空气中游离态的单质氮（氮气）转化为氮化合物（如硝酸盐、氨、二氧化氮）的过程。可分为自然固氮以及人工固氮两种。

固氮对于地球上的生命至关重要，因为所有含氮有机化合物（如胺基酸、多肽和蛋白质、三磷酸核苷和核酸）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，它对于土壤肥力以及陆生植物和半水生植被的生长至关重要，而这些生态系统的所有消费者都依赖这些植被的生物量。因此，固氮对于人类社会维持农业产量（特别是主要作物）、牲畜饲料和[[[渔业]]（野生渔业和水产养殖）收成的粮食安全至关重要。它也与所有含氮工业产品的制造间接相关，其中包括化学肥料、药品、纺织品、染料和炸药。

自然固氮

自然固氮（Natural nitrogen fixation）是在自然状态下（非人工），将大气中游离态的氮（氮气）转化为含氮化合物（如硝酸盐、氨、二氧化氮）的过程。自然固氮的途径主要有两种：

1. 气电固氮：在大气中游离态的氮通过闪电等产生含氮化合物的高能固氮，约占自然固氮的10%。
2. 生物固氮：即自然界中的一些微生物种群（如豆科植物的根瘤菌）通过体内的固氮酶将空气中的氮气通过生物化学过程转化为含氮化合物，约占自然固氮的90%。

生物固氮

更多信息：固氮生物

微生物自生或与植物共生，通过体内固氮酶的作用，将大气中的氮还原成氨的过程。

自生固氮的细菌有固氮菌、巴氏梭菌、克氏杆菌、光合细菌等。与豆科植物共生固氮的有根瘤菌。非豆科植物共生固氮的有放线菌。蓝绿藻如念珠藻、项圈藻等能自身固氮，也能与其他植物如满江红共生固氮。此外茜草科、紫金牛科和薯蓣科中某些植物叶片上有固氮微生物共生的叶瘤。

固氮机制

因故氮对于植物和土壤的氮肥供应有重要作用。其机制即菌体通过固氮酶将大气中游离态的氮（氮气）转化为含氮化合物、注入到土壤中，从而提高土壤的肥力，谓之生物固氮。或大气中游离态的氮通过闪电等产生含氮化合物的高能固氮，谓之气电固氮。

人工固氮

人工固氮一般指通过化学方法，使氮气单质转化为含氮的化合物。历史上曾经使用伯克兰-艾德法与弗兰克-卡罗法，但两者能耗大、效率低，已经停用。目前工业上最常用的是哈伯法，也就是氮气与氢气在高温高压并以铁为催化剂的条件下发生化合生成氨，然后再经一系列的反应转化为其他有价值的化合物，如硝酸、氮肥、硝基炸药（如硝化甘油）等等。

人工固氮的另一种则是仿生固氮。目前仿生固氮的研究正在进行之中，主要以双氮配合物为基础，用钼和钌等过渡金属的双氮配合物弱化氮氮间的三键，从而达到固氮的目的。第一个双氮配合物于1965年制得（[Ru(NH₃)₅(N₂)]²⁺）。此类配合物中的双氮配体可以只和一个金属中心相连，也可以作两个（或多个）金属的桥连配体。2003年报道了首个在常温常压下将氮气还原为氨的例子（见下图），然而催化效果不理想，催化剂容易失去活性：

仿生固氮Yandulov 2006

闪电

闪电在高温等离子体中加热周围的空气，破坏氮气的键，开始形成亚硝酸。

闪电将大气中的氮气和氧气转化为氮氧化物。由于氮原子之间的三键，氮气分子高度稳定且没有反应。闪电产生足够的能量和热量来打破这种结合 让氮原子与氧反应，形成氮氧化物。这些化合物不能被植物利用，但当分子冷却时，它会与氧气反应形成二氧化氮， 进而与水反应生成亚硝酸或硝酸。当这些酸渗入土壤时，会产生硝酸盐，对植物有用。

外部链接

• A Brief History of the Discovery of Nitrogen-fixing Organisms, Ann M. Hirsch (2009)
• Marine Nitrogen Fixation laboratory at the University of Southern California（页面存档备份，存于互联网档案馆）