固氮作用

固氮作用

生物過程

上級分類	氮循環代謝過程
所屬實體	氮循環

固氮作用簡稱固氮（英語：nitrogen fixation），是一種化學過程，指將空氣中游離態的單質氮（氮氣）轉化為氮化合物（如硝酸鹽、氨、二氧化氮）的過程。可分為自然固氮以及人工固氮兩種。

固氮對於地球上的生命至關重要，因為所有含氮有機化合物（如胺基酸、多肽和蛋白質、三磷酸核苷和核酸）的生物合成都需要固定的無機氮化合物。作為氮循環的一部分，它對於土壤肥力以及陸生植物和半水生植被的生長至關重要，而這些生態系統的所有消費者都依賴這些植被的生物量。因此，固氮對於人類社會維持農業產量（特別是主要作物）、牲畜飼料和[[[漁業]]（野生漁業和水產養殖）收成的糧食安全至關重要。它也與所有含氮工業產品的製造間接相關，其中包括化學肥料、藥品、紡織品、染料和炸藥。

自然固氮

自然固氮（Natural nitrogen fixation）是在自然狀態下（非人工），將大氣中遊離態的氮（氮氣）轉化為含氮化合物（如硝酸鹽、氨、二氧化氮）的過程。自然固氮的途徑主要有兩種：

1. 氣電固氮：在大氣中遊離態的氮通過閃電等產生含氮化合物的高能固氮，約佔自然固氮的10%。
2. 生物固氮：即自然界中的一些微生物種群（如豆科植物的根瘤菌）通過體內的固氮酶將空氣中的氮氣通過生物化學過程轉化為含氮化合物，約佔自然固氮的90%。

生物固氮

更多資訊：固氮生物

微生物自生或與植物共生，通過體內固氮酶的作用，將大氣中的氮還原成氨的過程。

自生固氮的細菌有固氮菌、巴氏梭菌、克氏桿菌、光合細菌等。與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線菌。藍綠藻如念珠藻、項圈藻等能自身固氮，也能與其他植物如滿江紅共生固氮。此外茜草科、紫金牛科和薯蕷科中某些植物葉片上有固氮微生物共生的葉瘤。

固氮機制

因故氮對於植物和土壤的氮肥供應有重要作用。其機制即菌體通過固氮酶將大氣中遊離態的氮（氮氣）轉化為含氮化合物、注入到土壤中，從而提高土壤的肥力，謂之生物固氮。或大氣中遊離態的氮通過閃電等產生含氮化合物的高能固氮，謂之氣電固氮。

人工固氮

人工固氮一般指通過化學方法，使氮氣單質轉化為含氮的化合物。歷史上曾經使用伯克蘭-艾德法與弗蘭克-卡羅法，但兩者能耗大、效率低，已經停用。目前工業上最常用的是哈伯法，也就是氮氣與氫氣在高溫高壓並以鐵為催化劑的條件下發生化合生成氨，然後再經一系列的反應轉化為其他有價值的化合物，如硝酸、氮肥、硝基炸藥（如硝化甘油）等等。

人工固氮的另一種則是仿生固氮。目前仿生固氮的研究正在進行之中，主要以雙氮配合物為基礎，用鉬和釕等過渡金屬的雙氮配合物弱化氮氮間的三鍵，從而達到固氮的目的。第一個雙氮配合物於1965年製得（[Ru(NH₃)₅(N₂)]²⁺）。此類配合物中的雙氮配體可以只和一個金屬中心相連，也可以作兩個（或多個）金屬的橋連配體。2003年報道了首個在常溫常壓下將氮氣還原為氨的例子（見下圖），然而催化效果不理想，催化劑容易失去活性：

仿生固氮Yandulov 2006

閃電

閃電在高溫等離子體中加熱周圍的空氣，破壞氮氣的鍵，開始形成亞硝酸。

閃電將大氣中的氮氣和氧氣轉化為氮氧化物。由於氮原子之間的三鍵，氮氣分子高度穩定且沒有反應。閃電產生足夠的能量和熱量來打破這種結合 讓氮原子與氧反應，形成氮氧化物。這些化合物不能被植物利用，但當分子冷卻時，它會與氧氣反應形成二氧化氮， 進而與水反應生成亞硝酸或硝酸。當這些酸滲入土壤時，會產生硝酸鹽，對植物有用。

外部連結

• A Brief History of the Discovery of Nitrogen-fixing Organisms, Ann M. Hirsch (2009)
• Marine Nitrogen Fixation laboratory at the University of Southern California（頁面存檔備份，存於互聯網檔案館）