窒素固定

大気中の窒素は、その三重共有結合が非常に強いため、ほとんどの生物によって代謝されません。 ^{[ 18 ]} ほとんどの生物は、さまざまな供給源から固定窒素を取り込みます。炭素原子100個につき、窒素原子がおよそ2～20個同化されます。プランクトンバイオマスで平均的に観察される炭素（C） ：窒素（N） ：リン（P）の原子比は、もともとアルフレッド・レッドフィールドによって記述され、^{[ 19 ]}彼はC：N：P原子間の化学量論的関係、レッドフィールド比を106：16：1と決定しました。^{[ 19 ]}

タンパク質複合体ニトロゲナーゼは、窒素ガス（N ₂）をアンモニア（NH ₃）に還元する反応を触媒する役割を担っています。 ^{[ 20 ] [ 21 ]}シアノバクテリアでは、この酵素系はヘテロシストと呼ばれる特殊な細胞に収容されています。^{[ 22 ]}ニトロゲナーゼ複合体の産生は遺伝的に制御されており、タンパク質複合体の活性は周囲の酸素濃度、細胞内および細胞外のアンモニアと酸化窒素種（硝酸塩と亜硝酸塩）の濃度に依存します。^{[ 23 ] [ 24 ] [ 25 ]}さらに、アンモニウムと硝酸塩の両方の濃度がN _{Fixを阻害すると考えられており、特に細胞内の2-}オキソグルタル酸（2-OG）濃度が臨界閾値を超えた場合に阻害されます。^{[ 26 ]}特殊なヘテロシスト細胞は、周囲の酸素に対する感受性のため、ニトロゲナーゼの働きに必要です。^{[ 27 ]}

ニトロゲナーゼは、触媒作用を持つ鉄依存性タンパク質（一般にMoFeタンパク質と呼ばれる）と還元作用を持つ鉄のみのタンパク質（Feタンパク質）の2つのタンパク質から構成されます。鉄依存性タンパク質は、モリブデン依存性、バナジウム依存性、鉄のみの3種類が知られており、これら3種類のニトロゲナーゼタンパク質はすべて鉄タンパク質成分を含んでいます。モリブデン依存性ニトロゲナーゼが最も一般的です。^{[ 1 ]}ニトロゲナーゼの異なるタイプは、特定の鉄タンパク質成分によって判別できます。^{[ 28 ]}ニトロゲナーゼは高度に保存されています。DNAシーケンスによる遺伝子発現解析により、微生物に存在し発現している可能性のあるタンパク質複合体を区別できます。最も頻繁には、モリブデン依存性ニトロゲナーゼの存在を特定するためにnif H遺伝子が使用され、続いて、密接に関連するニトロゲナーゼ還元酵素（成分II）vnf Hとanf Hが、それぞれバナジウム依存性ニトロゲナーゼと鉄のみニトロゲナーゼを表します。^{[ 29 ]}窒素固定細菌の生態と進化を研究する際には、nifH遺伝子が最も広く使用されているバイオマーカーです。 ^{[ 30 ]} nif H には、ニトロゲナーゼ複合体のニトロゲナーゼ還元酵素成分をコードするanf H と vnfH という2 つの類似遺伝子があります。^{[ 31 ]}

窒素固定酵素は15億～22億年前（Ga）の間に進化してきたと考えられているが、^{[ 32 ] [ 33 ]}窒素固定酵素の進化は32億年前頃に遡るという同位体による裏付けもある。^{[ 34 ]}窒素固定酵素は成熟酵素様タンパク質から進化してきたようだが、その前のタンパク質の機能は現在不明である。^{[ 35 ]}

窒素固定酵素には、活性部位に存在する金属（それぞれモリブデン、鉄、バナジウム）に対応する3 つの異なる形態（ Nif、Anf、Vnf ）があります。 ^{[ 36 ]}地球の地質時代における海洋中の金属の存在量が、どの形態の窒素固定酵素が最も一般的であったかの相対的な存在量を決定づけたと考えられています。^{[ 37 ]}現在、どの形態の窒素固定酵素が最初に出現したかについては、決定的な合意はありません。

ジアゾトロフは、シアノバクテリア（例えば、非常に重要なTrichodesmiumやCyanothece）、緑色硫黄細菌、紫色硫黄細菌、アゾトバクター科、リゾビウム、フランキアなど、バクテリアドメインに広く分布している。^{[ 38 ] [ 39 ]}多くの（ただしすべてではない）クロストリジウム属を含む、偏性嫌気性細菌のいくつかは窒素を固定する。Methanosarcina acetivoransなどの一部の古細菌も窒素を固定し、^{[ 40 ]}他のいくつかのメタン生成分類群は、酸素欠乏土壌における窒素固定に大きく貢献している。^{[ 41 ]}

シアノバクテリアは、一般的に藍藻類として知られており、地球上のほぼすべての光が当たる環境に生息し、生物圏の炭素と窒素の循環において重要な役割を果たしています。一般的に、シアノバクテリアは、硝酸塩、亜硝酸塩、アンモニウム、尿素、または一部のアミノ酸など、さまざまな無機および有機の結合窒素源を利用できます。いくつかのシアノバクテリア株は、ジアゾ栄養性増殖も可能であり、この能力は、太古代の最後の共通祖先に存在していた可能性があります。^{[ 42 ]}窒素固定は、土壌だけでなく、淡水と海洋の両方を含む水系でも自然に発生します。^{[ 43 ] [ 44 ]}実際、海洋で固定される窒素の量は、陸上で固定される量と少なくとも同量です。^{[ 45 ]}群体性の海洋シアノバクテリアであるトリコデスミウムは、地球上の海洋系における窒素固定のほぼ半分を占めるほどの規模で窒素を固定していると考えられています。^{[ 46 ]}海洋表面の地衣類や、プロテオバクテリアとプランクトミセスに属する非光合成細菌は、大気中の窒素を相当量固定する。^{[ 47 ]}淡水に生息する窒素固定シアノバクテリアの種には、アファニゾメノンとドリコスペルムム（以前はアナベナと呼ばれていた）が含まれる。^{[ 48 ]}これらの種は、窒素固定酵素を介して窒素固定が行われるヘテロシストと呼ばれる特殊な細胞を持っている。^{[ 49 ] [ 50 ]}

シアノバクテリアの内部共生体であるUCYN-A 2に由来するある種の細胞小器官は、窒素ガスを生物学的に利用可能な形に変換することができる。[51][52] この^{ニトロプラストは藻類、特に}海洋藻類Braarudosphaera bigelowiiで発見された。^{[ 53 ]}

Rhopalodiaceae科の珪藻は、球状体またはジアゾプラストと呼ばれるシアノバクテリアの内部共生体も持っている。^{[ 54 ]}これらの内部共生体は光合成能力を失っているが、窒素固定を行う能力は保持しており、これらの珪藻が大気中の窒素を固定することを可能にしている。^{[ 55 ] [ 56 ]}窒素固定シアノバクテリアと共生している他の珪藻は、Hemiaulus属、Rhizosolenia属、Chaetoceros属などである。^{[ 57 ]}

他の植物の中には、窒素固定を行うシアノバクテリア（ノストックなど）と共生しているものもある。

• ロバリア属やペルティゲラ属などの地衣類
• 蚊シダ（アゾラ属）
• ソテツ類^{[ 64 ]}
• グンネラ
• ブラシア（ゼニゴケ）
• ツノゴケ類^{[ 65 ]}

農業上重要な植物が関わる共生関係の例としては、以下のようなものがある。^{[ 66 ]}

• サトウキビと不明な内生菌
• アワとアゾスピリルム・ブラジレンセ
• カラルグラスとアゾアルクス属株BH72
• イネとハーバスピリルム・セロペディカエ
• 小麦と肺炎桿菌
• トウモロコシの在来種「シエラ・ミヘ」/「オロトン」^{[ 67 ]}と様々なバクテロイデス門およびシュードモナス門

窒素固定法は、 1784年にヘンリー・キャベンディッシュによって初めて記述され、空気中の窒素と酸素を電気アークで反応させる方法が用いられた。この方法は、 1903年のバークランド・アイデ法に採用された。^{[ 68 ]}雷による窒素固定は、これと非常によく似た自然現象である。

大気中の窒素が特定の化学物質と反応する可能性は、 1828 年にブザンソンの薬剤師 M. Desfosses によって初めて観察されました。^{[ 69 ] [ 70 ]}彼は、アルカリ金属酸化物と炭素の混合物が高温で窒素と反応することを観察しました。炭酸バリウムを原料として使用して、最初の商業プロセスが 1860 年代に Margueritte と Sourdeval によって開発されました。生成されたシアン化バリウムは水蒸気と反応してアンモニアを生成します。1898 年にFrankとCaro は、シアナミドカルシウムの形で窒素を固定するFrank-Caro 法として知られる方法を開発しました。このプロセスは、1909 年に発見されたハーバー プロセスによって取って代わられました。^{[ 71 ] [ 72 ]}

アンモニアを製造する主要な工業的方法は、ハーバー・ボッシュ法としても知られるハーバー法です。これはドイツの化学者フリッツ・ハーバーとカール・ボッシュによって開発され、1909年に初めて実証されました。 ^{[ 73 ] [ 74 ]}肥料生産は現在、陸上生態系 における人間が生産する固定窒素の最大の供給源となっています。アンモニアは、肥料、爆発物、その他の製品の必須の前駆体です。ハーバー法は、工業触媒の通常の条件である高圧（約200気圧）と高温（少なくとも400  ℃）を必要とします。このプロセスでは、水素源として天然ガス、窒素源として空気を使用します。アンモニア製品は、世界的に窒素肥料の集約化をもたらし^{[ 75 ]}、20世紀初頭の約20億人から現在80億人以上にまで増加した人類の人口増加を支えたとされています。^{[ 76 ]}

窒素固定触媒の発見に関する研究は数多く行われており、多くの場合、エネルギー要件の低減を目的としている。しかし、これまでのところ、そのような研究はハーバー・ボッシュ法の効率性と簡便性には及ばない。多くの化合物が大気中の窒素と反応して二窒素錯体を生成する。最初に報告された二窒素錯体はRu(NH)であった。₃ )₅（N）₂ )²⁺。 ^{[ 77 ]}一部の可溶性錯体は窒素固定を触媒する。 ^{[ 78 ]}