Исследования фиксации азота могут пролить свет на биологическую загадку: новый процесс может сделать производство удобрений более устойчивым

Удобрения — это химические источники питательных веществ, которых в почве не хватает. Чаще всего удобрения поставляют азот, который необходим всем живым существам, поскольку он является основным строительным блоком ДНК, РНК и белков. Газообразный азот очень распространен на Земле, составляя 78 процентов нашей атмосферы.

Однако большинство организмов не может использовать азот в газообразной форме.Чтобы азот можно было использовать, его необходимо «закрепить» — превратить в форму, которая может войти в пищевую цепочку в качестве питательного вещества.

Это может произойти двумя основными способами: натуральным и синтетическим.Закрепление азота происходит естественным образом благодаря действию микробов, которые живут в клубеньках на корнях растений.

Эти организмы превращают азот в аммиак с помощью специализированных ферментов, называемых нитрогеназами. Аммиак, производимый этими азотфиксирующими организмами, удобряет растения, которые затем могут потребляться животными, в том числе людьми. В статье 2008 года, опубликованной в журнале Nature Geoscience, группа исследователей подсчитала, что фиксированный естественным образом азот обеспечивает пищу примерно половине людей, живущих на планете.

Другая половина мировых запасов продовольствия обеспечивается за счет искусственной фиксации азота, и основным методом для этого является процесс Габера-Боша, реакция промышленного масштаба, разработанная в Германии более 100 лет назад. В этом процессе газообразные водород и азот объединяются в больших реакционных сосудах под сильным давлением и высокой температурой в присутствии твердотельного железного катализатора с образованием аммиака.

«Газы сжимаются до многих сотен атмосфер и нагреваются до нескольких сотен градусов по Цельсию, — говорит Бен Матсон из Калифорнийского технологического института, аспирант лаборатории Джонаса С. Петерса, профессора химии Брена и директора Института устойчивого развития Резника. «С железным катализатором, используемым в промышленном процессе, эти экстремальные условия необходимы для производства аммиака с подходящей скоростью».В недавней статье, опубликованной в ACS Central Science, Матсон, Петерс и их коллеги описывают новый способ фиксации азота, вдохновленный тем, как это делают микробы.Нитрогеназы состоят из семи атомов железа, окруженных белковым каркасом.

Структура одного из этих ферментов нитрогеназы была впервые решена Дугласом Рисом из Калифорнийского технологического института, профессором химии Роско Гилки Дикинсоном. Исследователи из лаборатории Питерса разработали нечто похожее на бактериальную нитрогеназу, хотя и гораздо более простое — молекулярный каркас, окружающий единственный атом железа.Молекулярные каркасы были впервые разработаны в 2013 году, и, хотя первоначальная конструкция показала многообещающую фиксацию азота, она была нестабильной и неэффективной.

Исследователи улучшили его эффективность и стабильность, настроив химическую ванну, в которой происходит реакция фиксации, и охладив ее примерно до температуры сухого льда (-78 градусов Цельсия). В этих условиях реакция превращает 72 процента исходного материала в аммиак, что является значительным улучшением по сравнению с первоначальным методом, который преобразовывал только 40 процентов исходного материала в аммиак и для этого требовалось больше энергии.Матсон, Питерс и его коллеги говорят, что их работа может принести два основных преимущества:

Простота производства: поскольку разрабатываемая технология не требует высоких температур или давления, нет необходимости в крупномасштабной промышленной инфраструктуре, необходимой для процесса Габера-Боша. Это означает, что когда-нибудь станет возможным фиксировать азот на небольших предприятиях, расположенных ближе к местам выращивания сельскохозяйственных культур. «Наша работа может помочь вдохновить на создание новых технологий для производства удобрений», — говорит Тревор дель Кастильо, аспирант Калифорнийского технологического института и соавтор статьи. «Хотя этот тип технологии вряд ли вытеснит процесс Габера-Боша в обозримом будущем, он может иметь большое влияние в местах, где нет очень стабильной энергосистемы, но есть доступ к обильным возобновляемым источникам энергии, например в развивающемся мире. Здесь определенно есть место для развития новых технологий, своего рода «по требованию» процессов с использованием солнечной, гидро- или ветровой энергии ».

Понимание естественной азотфиксации: фермент нитрогеназа сложен и привередлив, не работает, если окружающие условия не подходят, что затрудняет его изучение. С другой стороны, новый катализатор относительно прост. Команда считает, что их катализатор выполняет фиксацию концептуально аналогично ферменту, и что его относительная простота позволит изучать реакции фиксации в лаборатории с использованием современных спектроскопических методов. «Интересно то, что мы действительно не знаем на молекулярном уровне, как фермент нитрогеназа в этих бактериях фактически превращает азот в аммиак. Это большой вопрос без ответа», — говорит аспирант Мэтью Чалкли, также соавтор книги. бумага.

Петерс говорит, что их исследование этого катализатора уже дало им более глубокое понимание того, что происходит во время реакции связывания азота.«Преимущество нашей синтетической системы железной нитрогеназы состоит в том, что мы можем изучать ее очень подробно», — говорит он. «В самом деле, помимо значительного повышения эффективности этого нового катализатора для фиксации азота, мы добились большого прогресса в понимании на атомном уровне критических этапов разрыва связей и изготовления, которые приводят к синтезу аммиака из азота».Петерс добавляет, что если процессы этого типа можно будет усовершенствовать и повысить их эффективность, они могут найти применение и вне производства удобрений.

«Если этого удастся достичь, распределенный синтез аммиака на солнечных батареях может стать реальностью. И не только в качестве источника удобрений, но и в качестве альтернативного, устойчивого и пригодного для хранения химического топлива», — говорит он.Статья «Каталитическое превращение N2 в NH3 под действием Fe при более низкой движущей силе: предлагаемая роль PCET, опосредованной металлоценом», опубликована в февральском номере журнала ACS Central Science. Студент Калифорнийского технологического института Джозеф П. Родди также является соавтором.

Финансирование этого проекта поступило от Национальных институтов здравоохранения и Фонда Гордона и Бетти Мур. Связанная с этим работа также финансируется Resnick Sustainability Institute.


Оставьте комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *