Kvävefixering – biologisk och industriell omvandling av kväve

Mikroorganismer som fixerar kväve (diazotrofa organismer).

• Cyanobakterier, t.ex. den mycket betydelsefulla Trichodesmium.
• Gröna svavelbakterier
• Azotobacteraceae
• Rhizobia
• Frankia Gram-positiva jordbakterier orsakar kvävefixerande knölar i aktinorhizaplantor.

Cyanobakterier finns i de flesta miljöer på jorden. De spelar viktiga roller i biosfärens kol- och kvävecykel. Cyanobakterier använder många källor till kombinerat kväve, t.ex. nitrat, nitrit, ammonium, urea eller vissa aminosyror.

Flera cyanobakterier är också diazotrofa och kan binda kväve från luften. Detta är en förmåga som kan ha funnits hos deras sista gemensamma förfader i Arkeiska havet. Cyanobakterier i korallrev kan binda dubbelt så mycket kväve som på land - cirka 1,8 kg kväve binds per hektar och dag. Den koloniala marina cyanobakterien Trichodesmium kan binda kväve i en sådan omfattning att den står för nästan hälften av kvävefixeringen i marina system på global nivå.

Symbioser med rotknölar

Familjen av baljväxter

Växter som bidrar till kvävefixering är bl.a. baljväxter (Fabaceae) med taxa som kudzu, klöver, sojabönor, alfalfa, lupiner, jordnötter och rooibos. De har symbiotiska bakterier som kallas Rhizobia i knölar i sina rotsystem som producerar kväveföreningar som hjälper växten att växa och konkurrera med andra växter. När växten dör frigörs det bundna kvävet, vilket gör det tillgängligt för andra växter och bidrar till att gödsla jorden. De flesta baljväxter har denna förening, men några få släkten (t.ex. Styphnolobium) har inte det. I traditionell jordbrukspraxis roterar åkrarna mellan olika typer av grödor, vilket vanligtvis inkluderar en som huvudsakligen eller helt består av klöver eller bovete (familjen Polygonaceae, som inte är baljväxter), som ofta kallas "gröngödsling".

Icke-leguminösa

Även om de flesta växter som kan bilda kvävefixerande rotknölar tillhör baljväxtfamiljen Fabaceae finns det några få undantag:

• Parasponia, ett tropiskt släkte i Cannabaceae som också kan interagera med rhizobier och bilda kvävefixerande knölar.

• Aktinorhizaliknande växter som al och lagerbär kan också bilda kvävefixerande knölar tack vare en symbiotisk förening med Frankia-bakterier. Dessa växter tillhör 25 släkten i åtta växtfamiljer. I dessa familjer är det inte alla som kan binda kväve. Av 122 släkten i Rosaceae är det till exempel bara fyra släkten som kan fixera kväve.

Alla dessa familjer tillhör ordningarna Cucurbitales, Fagales och Rosales, som tillsammans med Fabales bildar en klad. I denna klad var Fabales den första släkten som förgrenade sig. Förmågan att binda kväve gick därför förlorad hos de flesta ättlingar till den ursprungliga kvävefixerande växten.

Biologisk kvävefixering upptäcktes av Hermann Hellnegel (1831-1895) och Martinus Beijerinck (1851-1931).

• Blixtnedslag. Kväveoxid (NO} från kvävgas och syrgas på grund av ljus och blixtar är viktiga för luftens kemi, men för små för att vara viktiga för livet.
• Genom Haber-processen. Kvävgas kombineras med vätgas till ammoniak för gödningsmedel och sprängämnen.
• Bränning.