Fixation de l'azote

Définition

La fixation de l'azote est une diazotrophie qui qualifie la transformation biologique de l'azote en ammoniac, généralement par un fixateur biologique de l'azote, un diazotrophe. La fixation de l'azote désigne la combinaison d'azote moléculaire ou de diazote avec de l'oxygène ou de l'hydrogène pour donner des oxydes ou de l'ammonium pouvant être incorporés dans la biosphère.

La fixation de l'azote :

Les racines des plantes permettent la fixation de l'azote et certaines plantes sont meilleures que d'autres à ce jeu-là.

Explications

⭐ Voir aussi la fixation biologique de l'azote (diazotrophie) et un fixateur d'azote. Les bactéries fixatrices d'azote sont absolument essentielles à la vie, car elles fixent l'azote - l'un des éléments clés, l'un des éléments constitutifs clés de toutes nos cellules et de toute notre biochimie. Tous les animaux et plantes de la Terre en dépendent, mais aussi les êtres humains. La seule façon d'obtenir de l'azote est la nourriture que nous mangeons, qui était à l'origine fixée par les bactéries.

L'azote moléculaire, qui est le composant majoritaire de l'atmosphère, est inerte et n'est pas directement utilisable par la plupart des êtres vivants. La fixation de l'azote peut exister de manière abiotique (sans l'intervention d'êtres vivants) ou par l'action de micro - organismes (fixation biologique de l'azote). La fixation en général suppose l'incorporation à la biosphère d'une quantité importante d'azote, qui au niveau mondial peut atteindre environ 250 millions de tonnes par an, dont 150 correspondent à la fixation biologique.

✅ La fixation biologique de l'azote est connue depuis longtemps. Bien avant de connaître la relation symbiotique rhizobiums-légumineuse et ses avantages, les légumineuses ont été utilisées pour améliorer la fertilité des terres pour les cultures futures au moyen de techniques telles que la "jachère" ou la culture rotative appelée "engrais-vert">engrais vert". Jean-Baptiste Boussingault, chimiste français de renom, a donné les premières indications sur l'incorporation de l'azote par les trèfles et les haricots. Mais ce sont Hellriegel et Wilfarth (1886–1888) qui ont établi la relation entre les nodules des légumineuses et la fixation de l'azote. D'autre part, Beijerinck, l'un des plus grands microbiologistes, a été le premier à isoler et cultiver un microorganisme à partir des nodules végétaux en 1888. Il l'a appelé le Bacillus radicicola, qui est maintenant placé dans la manuel de Bergey de bactériologie déterminante du genre rhizobium.

✅ Bien qu'environ 80 % de l'atmosphère terrestre soit composée d'azote, il est trop stable pour que la plupart des plantes et des animaux se décomposent. Mais c'est là que les microbes entrent en jeu. Les bactéries du sol fixent l'azote. Cela signifie qu'ils le combinent avec de l'oxygène ou de l'hydrogène en composés que les plantes peuvent utiliser. Certains microbes fixateurs d'azote ont même développé une relation symbiotique avec certaines plantes, comme les pois et les haricots. L'azote entre dans la chaîne alimentaire du fait que les microbes le prennent de l'air et le convertissent en un composé plus accessible - comme l'ammoniac - que les plantes peuvent ensuite absorber.

Ces bactéries fixatrices d'azote vivent souvent dans les racines des légumineuses - comme les plants de haricots - et les plants de haricots sont très intelligents. Ils envoient des poils de leurs racines qui suivent ces bactéries. Et les bactéries s'installent essentiellement dans les racines de ces plantes.

Ces bactéries sont incorporées dans les nodules racinaires et dans ces maisons protectrices spéciales, les bactéries travaillent de manière anaérobie pour fixer l'azote dans l'ammoniac, en utilisant une enzyme spéciale appelée azotée - qui combine l'hydrogène et l'azote.

En 1909, l'Allemand Fritz Haber a découvert comment fixer l'azote chimiquement pour créer de l'ammoniac. Conduisant à la production d'engrais inorganiques à l'échelle industrielle. Un tiers de la population mondiale est désormais alimenté par des cultures utilisant des engrais artificiels. Mais les engrais inorganiques peuvent être mauvais pour l'environnement.

Les plantes qui contiennent des bactéries fixatrices d'azote peuvent souvent pousser dans des sols beaucoup plus pauvres que les autres plantes, elles sont donc extrêmement utiles pour les agriculteurs. Les agriculteurs peuvent cultiver les plantes fixatrices d'azote, les bactéries fixeront l'azote, puis elles peuvent venir avec la charrue et baratter ces plantes dans le sol et enrichir ainsi le sol en azote. C'est une des raisons pour lesquelles les bactéries fixatrices d'azote sont si essentielles pour notre agriculture.

La rotation des cultures utilise la relation symbiotique entre les plantes et les microbes pour fertiliser le sol naturellement. Il est pratiqué depuis que les anciens ont commencé à cultiver. Les méthodes de rotation historiques sont mentionnées dans la littérature romaine et mentionnées par plusieurs civilisations en Asie. Aujourd'hui, cette technique ancienne est devenue la pierre angulaire de l'agriculture biologique moderne.

Alors que nous apprennent ces bactéries fixatrices d'azote ? Elles nous apprennent que les êtres humains n'ont pas seulement besoin de microbes - ils ne sont pas seulement utiles pour nous - nous dépendons en fait d'eux pour notre survie.

Fixation biologique de l'azote

La fixation biologique de l'azote, qu'on abrège en FBA, est un processus impliquant la transformation de l'azote gazeux (N₂) en ammoniac de manière biologique (à la différence de la fixation industrielle de l'azote). De nombreux micro-organismes comme Rhizobium, Azotobacter, ABV et les diazotrophes utilisent l'azote moléculaire en le réduisant en NH₃ grâce à l'enzyme nitrogénase. La réaction est : N₂ + 6H⁺ + 6e^- → 2NH₃.

Ce processus représente une source importante d'azote pour la vie végétale. Les estimations mondiales de FBA varient de 100 à 290 millions de tonnes de N/an dont 40 à 48 millions de tonnes sont imputées à la fixation biologique dans les champs et les cultures agricoles. Le molybdène et le cobalt tiennent un rôle particulièrement important pour la FBA.

Ces réactions interviennent de manière abiotique dans des conditions naturelles à la suite de décharges électriques ou de processus de combustion et l'eau de pluie est responsable de la traînée des composés formés vers le sol. Ils sont également dérivés de la synthèse chimique d'engrais à forte consommation d'énergie.

✅ La réduction de l'azote en ammonium réalisée par des bactéries libres ou en symbiose avec certaines espèces de plantes (légumineuses et certaines ligneuses non légumineuses) est connue sous le nom de fixation biologique de l'azote (FBN). Les organismes capables de fixer l'azote sont connus sous le nom de diazotrophes.

L'ammonium, premier composé stable du procédé, est assimilé par les fixateurs libres ou transféré à l'hôte correspondant en cas d'association avec des plantes. Bien que l'ammoniac NH₃ soit le produit direct de cette réaction, il se ionise rapidement en ammonium NH₄. Dans les diazotrophes libres, l'ammonium de nitrogénase est assimilé en glutamate au cours du cycle de synthèse glutamine synthétase / glutamate.

La nitrogénase, formée de deux métalloprotéines, la ferroprotéine et la molibdoferroprotéine, est assez bien conservée chez tous les microorganismes de fixation. Il présente une gamme d'activités étendues contre d'autres molécules contenant des triples liaisons, ce qui a donné une méthode pratique de détection et de mesure de la capacité de fixation et permet de réfléchir au rôle de détoxication possible de cette enzyme dans l'environnement original de la Terre.

Dans de nombreuses bactéries, la nitrogénase est très susceptible d'être détruite par l'oxygène (de nombreuses bactéries ne produisent plus de fixation de l'azote en présence d'oxygène). Différentes bactéries vivant dans l'anaérobiose, respirant de faibles quantités d'oxygène ou obtenant de l'oxygène avec une protéine (par exemple la leghémoglobine) utilisent les tensions basses en oxygène.

La fixation de l'azote présente un grand intérêt économique et écologique. En fait, et à titre d'exemple, les fortes productions mondiales de soja sont dues à ce processus grâce à l'application d'inoculants microbiens de qualité. Le processus existe dans tous les habitats et équilibre le cycle biogéochimique de l'azote afin de récupérer pour la biosphère perdue par la dénitrification.

L'implication dans la fixation symbiotique de plantes aussi importantes dans l'alimentation humaine et animale que les légumineuses, et la possibilité d'étendre cette propriété à d'autres espèces végétales d'intérêt agricole, avec pour conséquence la suppression de la nécessité d'utiliser des engrais azotés, FBN est un sujet de recherche intense au fil des ans.

Fixation de l'azote en milieu aqueux

Indépendamment des réactions du diazote, les preuves ont commencé à s'accumuler que la fixation pourrait exister d'une autre manière. Schrauzer et son groupe ont publié une série d'articles sur de nombreuses années intitulées : l'évolution chimique d'un modèle de nitrogénase. Initialement, l'essence de leur travail était qu'une solution aqueuse de molybdate, de thiol et de fer, convenablement tamponnée et en présence d'un agent réducteur, réduit le diazote en ammoniac et réduit également plusieurs des substrats alternatifs de la nitrogénase. Les quantités d'ammoniac produites ont toujours été assez faibles, mais le système est apparemment reproductible.

L'analyse cinétique d'un système aussi compliqué est clairement difficile, mais Scbrauzer a interprété ses données en termes d'intermédiaire clé dans lequel le diazote est lié latéralement à un seul atome de molybdène à l'état d'oxydation IV. Il est juste de dire que cette interprétation des données n'a pas été acceptée comme exacte dans certains cercles. Comme la plupart des réactions discutées dans cette section, l'absence de dioxygène semble être obligatoire, car les systèmes sont très sensibles à l'air.

À peu près au même moment, le groupe de Shilov en Union soviétique a développé une autre série de réactions de fixation. En règle générale, les solutions ou suspensions fortement alcalines de molybdène (III) avec un agent réducteur approprié (Ti^III, Cr^II ou Ta^III) ou de vanadium (II) avec du magnésium (II) produisent à la fois de l'ammoniac et de l'hydrazine.

De tels systèmes sont actifs sur une gamme considérable de températures et de pressions de diazote. Ils sont apparemment constitués de suspensions d'hydroxydes métalliques, et le cheminement précis de la réaction n'a pas été clarifié à la satisfaction de tous. Néanmoins, ces systèmes ont donné lieu à de véritables systèmes catalytiques de fixation de l'azote en conditions aqueuses, comme décrit ci-dessous, et à quelques observations intéressantes ont été faites quant aux exigences d'un ion métallique susceptible de lier le diazote, peut-être le plus important étant que les ions d3 sont les mieux adaptés.

Les systèmes au vanadium ont été élaborés pour montrer que le vanadium(II) en présence de catéchol et dans une gamme étroite de pH, d'environ 9 à 11, peut réduire le diazote en ammoniac et en hydrazine. En même temps, des quantités considérables de dihydrogène sont générées.

Ce travail a été reproduit dans d'autres laboratoires, mais la voie réactionnelle reste à préciser à la satisfaction de tous. Sur la base d'études spectroscopiques, Shilov et ses collaborateurs ont proposé un intermédiaire clé dans les systèmes vanadium-catéchol et vanadium-magnésium avec le diazote lié en bout entre deux ions vanadium. En effet, c'est le genre de pontage diazote intermédiaire qui est proposé pour tous les systèmes Shilov, qu'ils soient à base de vanadium ou non.

En rapport avec "fixation de l'azote"

• azote

  

  L'azote (N) est le 7ème élément du tableau périodique, un élément incolore et inodore, non métallique du groupe 15.

• azote ammoniacal

  

  Un azote ammoniacal (NH3-N) est une expression spécifique se référant au poids total de l'azote sous forme ionisée, par distinction de l'azote moléculaire.

• azote atmosphérique

  

  L'azote atmosphérique spécifie que l'azote provient de l'air. En effet, l'air contient 78 % d'azote sous forme gazeuse (N2, azote moléculaire).

• azote inorganique

  

  L'azote inorganique comprend le gaz N2 dissous, les ions oxydés tels que le nitrate (NO3-) et le nitrite (NO2-), l'ion ammonium réduit (NH4+)...