The world’s nitrogen fixation, explained 固氮作用

Yale University

Yale University scientists may have cracked a part of the chemical code for one of the most basic, yet mysterious, processes in the natural world — nature’s ability to transform nitrogen from the air into usable nitrogen compounds.

The world’s nitrogen fixation, explained

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固氮作用(氮的固定/Nitrogen fixation、簡稱固氮)，是指將空氣中游離態的氮（氮氣）轉化為含氮化合物（如硝酸鹽、氨、二氧化氮）的過程。可分為自然固氮以及人工固氮兩種。

目錄

  [隱藏] 

• 1 自然固氮
  • 1.1 生物固氮
  • 1.2 固氮機制
• 2 人工固氮
• 3 參考資料
• 4 外部連結

自然固氮[編輯]

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，約占自然固氮的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，約占自然固氮的90%。

生物固氮[編輯]

更多資料：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。藍藻如念珠藻、項圈藻等能自身固氮，也能與其他植物如滿地紅共生固氮。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[編輯]

固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[編輯]

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。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催化劑（鐵）作用下發生化合生成氨，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、含氮炸藥等等。

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⁺）。^[1]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年報導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：^[2][3]