Fiksasi nitrogen adalah proses alami atau industri yang menyebabkan nitrogen bebas (N2), merupakan gas yang relatif inert dan berlimpah di udara, untuk bergabung secara kimia dengan unsur-unsur lain untuk membentuk senyawa nitrogen yang lebih reaktif seperti amonia, nitrat, atau nitrit. Dalam kondisi biasa, nitrogen tidak bereaksi dengan unsur lainnya.
Namun senyawa nitrogen yang ditemukan di semua tanah yang subur, di semua makhluk hidup, dalam banyak bahan makanan, batubara, dan seperti bahan kimia alami natrium nitrat (sendawa) dan amonia. Nitrogen juga ditemukan dalam inti setiap sel hidup sebagai salah satu komponen kimia DNA.
Fiksasi nitrogen dilakukan secara alami oleh sejumlah prokariota berbeda, termasuk bakteri. Banyak tanaman yang lebih tinggi, dan beberapa binatang (rayap), telah membentuk asosiasi simbiosis dengan mikroorganisme ini. Sebagian besar spesies kacang-kacangan, misalnya, menyediakan habitat bagi bakteri pengikat nitrogen, dan menerima bentuk nitrogen yang dapat digunakan sebagai manfaat.
Manusia telah berkontribusi terhadap fiksasi nitrogen, yang mengekspresikan kreativitas mereka dengan mengkonversi N2 ke NH3, menggunakan bahan bakar fosil sebagai energi. Namun, penggunaan seperti nitrogen yang diproduksi dalam pupuk kimia dan amunisi juga telah meningkatkan polusi (seperti eutrofikasi danau dari limpasan pupuk berlebih) dan korban perang.
Nitrogen Fiksasi secara Biologis (BNF) terjadi ketika nitrogen yang di atmosfer diubah menjadi amonia oleh enzim bakteri yang disebut nitrogenase. Mikroorganisme yang memperbaiki nitrogen disebut Diazotrof. Rumus untuk BNF adalah:
N2 +8H+ + 8e-+16 ATP → 2NH3 + H2 + 16ADP + 16 Pi
Meskipun amonia (NH3) adalah produk langsung dari reaksi ini, maka dengan cepat terionisasi ke amonium (NH4). Dalam Diazotrof yang hidup bebas, amonium nitrogenase-yang dihasilkan berasimilasi ke dalam glutamat melalui sintetase glutamin / jalur sintase glutamat. Fiksasi nitrogen secara biologis ditemukan oleh ahli mikrobiologi Belanda Martinus Beijerinck.
Apa itu Fiksasi nitrogen
Fiksasi nitrogen berarti kombinasi nitrogen molekul atau dinitrogen dengan oksigen atau hidrogen untuk menghasilkan oksida atau amonium yang dapat dimasukkan ke dalam biosfer. Nitrogen molekuler, yang merupakan komponen utama atmosfer, inert dan tidak langsung dapat digunakan oleh sebagian besar makhluk hidup. Fiksasi nitrogen dapat terjadi abiotik (tanpa campur tangan makhluk hidup) atau oleh mikroorganisme (fiksasi nitrogen biologis). Fiksasi secara umum menyiratkan penggabungan ke dalam biosfer sejumlah besar nitrogen, yang secara global dapat mencapai sekitar 250 juta ton per tahun, 150 di antaranya sesuai dengan fiksasi biologis.
Fiksasi nitrogen abiotik
Fiksasi nitrogen abiotik terjadi dalam kondisi alami sebagai akibat dari kejutan listrik atau proses pembakaran dan air hujan bertanggung jawab untuk menyeret senyawa yang terbentuk ke tanah. Fiksasi nitrogen abiotik juga berasal dari sintesis kimia pupuk dengan konsumsi energi yang tinggi.
Fiksasi nitrogen biologis (FBN)
Reduksi nitrogen menjadi ammonium dilakukan oleh bakteri yang hidup bebas atau dalam simbiosis dengan beberapa spesies tumbuhan (polongan dan beberapa kayu non-polongan), dikenal sebagai fiksasi nitrogen biologis (FBN). Organisme yang mampu memperbaiki nitrogen dikenal sebagai diazotrof.
Properti ini terbatas hanya untuk prokariota dan didistribusikan secara luas di antara berbagai kelompok bakteri dan beberapa archaea. Ini adalah proses yang menghabiskan banyak energi yang terjadi dengan mediasi enzim nitrogenase sesuai dengan persamaan berikut:
Amonia, senyawa stabil pertama dalam proses, diasimilasi dengan fiksatif bebas atau dipindahkan ke inang yang sesuai dalam kasus hubungan dengan tumbuhan. Meskipun amonia (NH3) adalah produk langsung dari reaksi ini, amonia dengan cepat terionisasi menjadi amonia (NH4). Dalam diazotrof yang hidup bebas, nitrogenase amonium diasimilasi menjadi glutamat melalui siklus sintesis glutamin sintetase / glutamat.
Nitrogenase, yang terdiri dari dua metalloprotein, ferroprotein dan molyboferroprotein, dikonservasi dengan baik di semua mikroorganisme pengikat. Ia memiliki jangkauan aktivitas yang luas terhadap molekul-molekul lain yang mengandung ikatan rangkap tiga, yang telah memunculkan metode praktis untuk pendeteksian dan pengukuran kapasitas fiksatif, dan untuk memikirkan kemungkinan peran detoksifikasi enzim ini di lingkungan asli Bumi.
Pada banyak bakteri, nitrogenase sangat rentan terhadap kerusakan oleh oksigen (banyak bakteri berhenti memproduksi nitrogen fix di hadapan oksigen). Ketegangan oksigen rendah dieksploitasi oleh bakteri berbeda yang hidup dalam anaerobiosis, menghirup oksigen dalam kadar rendah, atau memperoleh oksigen dengan protein (misalnya leghemoglobin).
Fiksasi nitrogen menghadirkan minat ekonomi dan ekologis yang besar. Faktanya, dan sebagai contoh, produksi kedelai yang tinggi di seluruh dunia disebabkan oleh proses ini melalui penerapan inokulan mikroba berkualitas. Ini terjadi di semua habitat dan menyeimbangkan siklus biogeokimia nitrogen dengan memulihkan biosfer yang hilang karena denitrifikasi.
Keterlibatan dalam fiksasi simbiosis tumbuhan sama pentingnya dalam pemberian makanan manusia dan hewan seperti kacang-kacangan, dan kemungkinan memperluas properti ini ke spesies tumbuhan lain yang memiliki kepentingan pertanian, dengan konsekuensi penghapusan kebutuhan untuk menggunakan pupuk nitrogen, telah membuat FBN menjadi topik penelitian intensif selama bertahun-tahun.
Fiksasi nitrogen industri
Bahan nitrogen telah lama digunakan dalam pertanian sebagai pupuk, dan pada abad ke 19 pentingnya nitrogen tetap untuk menanam tanaman semakin dipahami. Karenanya, amonia yang dilepaskan dalam membuat kokas dari batu bara ditemukan kembali dan digunakan sebagai pupuk, seperti halnya deposito natrium nitrat (saltpetre) dari Chili. Di mana pun pertanian intensif dipraktikkan, muncul permintaan untuk senyawa nitrogen untuk menambah pasokan alami di tanah. Pada saat yang sama, meningkatnya kuantitas garam Chili yang digunakan untuk membuat mesiu menyebabkan pencarian di seluruh dunia untuk deposit alami dari senyawa nitrogen ini. Pada akhir abad ke-19, sudah jelas bahwa pemulihan dari industri karbonisasi batubara dan impor nitrat Chili tidak dapat memenuhi permintaan di masa depan. Selain itu, disadari bahwa, jika terjadi perang besar, sebuah negara yang terputus dari pasokan Chili akan segera tidak dapat memproduksi amunisi dalam jumlah yang memadai.
Selama dekade pertama abad ke-20, upaya penelitian intensif memuncak dalam pengembangan beberapa proses fiksasi nitrogen komersial. Tiga pendekatan yang paling produktif adalah kombinasi langsung nitrogen dengan oksigen, reaksi nitrogen dengan kalsium karbida, dan kombinasi langsung nitrogen dengan hidrogen. Pada pendekatan pertama, udara atau campuran oksigen dan nitrogen yang tidak terkombinasi lainnya dipanaskan pada suhu yang sangat tinggi, dan sebagian kecil campuran bereaksi untuk membentuk gas nitrat oksida. Nitrit oksida kemudian secara kimia dikonversi menjadi nitrat untuk digunakan sebagai pupuk. Pada tahun 1902 generator listrik digunakan di Niagara Falls, New York, untuk menggabungkan nitrogen dan oksigen dalam suhu tinggi busur listrik. Usaha ini gagal secara komersial, tetapi pada tahun 1904 Christian Birkeland dan Samuel Eyde dari Norwegia menggunakan metode busur di pabrik kecil yang merupakan cikal bakal beberapa pabrik besar yang sukses secara komersial yang dibangun di Norwegia dan negara-negara lain.
Proses busur, bagaimanapun, adalah mahal dan secara inheren tidak efisien dalam penggunaan energinya, dan segera ditinggalkan untuk proses yang lebih baik. Salah satu metode tersebut menggunakan reaksi nitrogen dengan kalsium karbida pada suhu tinggi untuk membentuk kalsium sianamida, yang terhidrolisis menjadi amonia dan urea. Proses sianamid digunakan dalam skala besar oleh beberapa negara sebelum dan selama Perang Dunia I, tetapi juga intensif energi, dan pada tahun 1918 proses Haber-Bosch telah membuatnya usang.
Proses Haber-Bosch secara langsung mensintesis amonia dari nitrogen dan hidrogen dan merupakan proses fiksasi nitrogen yang paling ekonomis. Sekitar tahun 1909 ahli kimia Jerman Fritz Haber memastikan bahwa nitrogen dari udara dapat dikombinasikan dengan hidrogen di bawah tekanan yang sangat tinggi dan suhu yang cukup tinggi di hadapan katalis aktif untuk menghasilkan proporsi amonia yang sangat tinggi, yang merupakan titik awal untuk produksi dari berbagai senyawa nitrogen. Proses ini, yang dibuat layak secara komersial oleh Carl Bosch, kemudian disebut proses Haber-Bosch atau proses amonia sintetis. Ketergantungan Jerman yang sukses pada proses ini selama Perang Dunia I menyebabkan ekspansi cepat industri dan pembangunan pabrik serupa di banyak negara lain setelah perang. Metode Haber-Bosch sekarang merupakan salah satu proses industri kimia terbesar dan paling mendasar di seluruh dunia.
Proses Haber
Metode produksi amonia yang paling umum adalah proses Haber. Produksi pupuk sekarang merupakan sumber nitrogen tetap terbesar yang diproduksi manusia di ekosistem terestrial. Amonia adalah prekursor yang diperlukan untuk pupuk, bahan peledak, dan produk lainnya. Proses Haber membutuhkan tekanan tinggi (sekitar 200 atm) dan suhu tinggi (setidaknya 400 ° C), yang merupakan kondisi rutin untuk katalisis industri. Proses ini menggunakan gas alam sebagai sumber hidrogen dan udara sebagai sumber nitrogen.
Banyak penelitian telah dilakukan pada penemuan katalis untuk fiksasi nitrogen, seringkali dengan tujuan mengurangi kebutuhan energi. Namun, penelitian tersebut sejauh ini gagal untuk mendekati efisiensi dan kemudahan proses Haber. Banyak senyawa bereaksi dengan nitrogen atmosferik untuk menghasilkan kompleks dinitrogen. Kompleks dinitrogen pertama yang dilaporkan adalah Ru (NH3)5 (N2) 2 +.
Sumber gini.com
EmoticonEmoticon