Биологическая фиксация азота представляет собой процесс превращения молекулярного азота (N₂) атмосферы в доступные для растений соединения, главным образом аммоний (NH₄⁺). Основными агентами биологической фиксации являются микроорганизмы, среди которых выделяются:
Симбиотические бактерии, такие как род Rhizobium, вступающие в ассоциацию с бобовыми растениями. Формируются специализированные органы — клубеньки корней, где создаются анаэробные условия, оптимальные для активности фермента нитрогеназы. Нитрогеназа катализирует реакцию: [ N_2 + 8H^+ + 8e^- + 16ATP 2NH_3 + H_2 + 16ADP + 16P_i] Аммиак, образованный в результате, быстро ассимилируется растением в аминокислоты, белки и другие органические соединения.
Ассимиляционные свободноживущие бактерии, например Azotobacter, Clostridium, способные фиксировать азот в почве независимо от растений. Эффективность их деятельности зависит от доступности углерода, кислорода и микроэлементов (молибден, железо, ванадий) для синтеза фермента нитрогеназы.
Сине-зелёные водоросли (цианобактерии), такие как Anabaena и Nostoc, фиксируют азот в водных и влажных почвенных экосистемах. Они формируют гетероцисты — специализированные клетки с ограниченным проникновением кислорода, где происходит активная фиксация азота.
Химическая фиксация азота осуществляется промышленными методами, ведущими к образованию азотсодержащих удобрений. Основные процессы:
Процесс Габера–Боша: синтез аммиака из атмосферного азота и водорода под высокими температурами (400–500 °C) и давлениями (150–250 атм) в присутствии катализаторов (железо с добавками Al₂O₃, K₂O, CaO). Уравнение реакции: [ N_2 + 3H_2 2NH_3] Аммиак служит исходным продуктом для получения азотных удобрений, включая селитру, аммонийные соли и карбамид.
Производство нитратов: аммиак окисляется до оксида азота и далее до нитратной кислоты, которая реагирует с щелочными основаниями, образуя комплексные удобрения. Этот метод обеспечивает массовое снабжение сельского хозяйства легко усвояемым азотом.
Эффективность как биологической, так и химической фиксации определяется рядом факторов:
Фиксация атмосферного азота играет ключевую роль в поддержании плодородия почв:
Биологическая фиксация, особенно через симбиотические системы с бобовыми культурами, является естественным и экологически безопасным способом восполнения азотного питания, в то время как химические методы позволяют масштабировать производство удобрений для интенсивного сельского хозяйства.
Эффективное управление азотным режимом почв требует сочетания биологической и химической фиксации. Использование бобовых культур с высокоэффективными симбиотическими бактериями, чередование с минерализованными азотными удобрениями, оптимизация условий влажности и pH позволяет достичь устойчивой урожайности и минимизации потерь азота через денитрификацию или вымывание.