מחקר קיבוע חנקן יכול לשפוך אור על המסתורין הביולוגי

שיטות מחקר תוקף מתכנס (יוני 2019).

Anonim

בהשראת תהליך טבעי שנמצא בחיידקים מסוימים, צוות של חוקרים קאלטק מתקרב קרוב יותר שיטה חדשה לייצור דשן שיכול יום כלשהו להחזיק הטבות לחקלאים, במיוחד בעולם המתפתח - תוך גם לשפוך אור על תעלומה ביולוגית.

דשנים הם מקורות כימיים של חומרים מזינים, כי הם חסרים אחרת בקרקע. בדרך כלל, דשנים מספקים את החנקן אלמנט, שהוא חיוני לכל היצורים החיים, שכן הוא אבן היסוד של DNA, RNA, וחלבונים. גז החנקן הוא שופע מאוד על פני כדור הארץ, מה שהופך 78 אחוז מהאווירה שלנו. עם זאת, רוב האורגניזמים לא יכולים להשתמש חנקן בצורת גז שלה.

כדי להפוך את חנקן שמיש, זה חייב להיות "קבוע" - הפך צורה שיכולה להזין את שרשרת המזון כמו חומר מזין. ישנן שתי דרכים עיקריות שיכול לקרות, אחד טבעי ואחד סינתטי.

קיבוע חנקן מתרחש באופן טבעי בשל פעולתם של חיידקים שחיים בגושים על שורשי צמחים. אורגניזמים אלה ממירים חנקן לאמוניה באמצעות אנזימים מיוחדים הנקראים ניטרוגנזות. אמוניה אלה חנקן לתקן אורגניזמים ליצור דשן צמחים שיכולים להיות נצרך על ידי בעלי חיים, כולל בני אדם. במאמר שפורסם ב -2008 בכתב העת Nature Geoscience, צוות של חוקרים העריך כי חנקן קבוע באופן טבעי מספק מזון לכמחצית מהאנשים החיים על הפלנטה.

המחצית השנייה של אספקת המזון בעולם מתמשכת באמצעות קיבוע חנקן מלאכותי והשיטה העיקרית לעשות זאת היא תהליך האבר-בוש, תגובה תעשייתית שהתפתחה בגרמניה לפני למעלה מ -100 שנה. בתהליך זה, גז מימן וחנקן משולבים בכלי תגובה גדולים, תחת לחץ וחום אינטנסיביים בנוכחות של מצב מוצק ברזל זרז, כדי ליצור אמוניה.

"הגזים נלחצים עד למאות רבות של אטמוספרות ומחוממות עד כמה מאות מעלות צלזיוס", אומר בן קאטק בן מטסון, סטודנט לתואר שני במעבדה של ג'ונאס סי. פיטרס, פרופסור לכימיה בכימיה ומנהל מכון כושר ברסניק. "עם זרז ברזל המשמש בתהליך התעשייה, תנאים קיצוניים אלה נדרשים לייצר אמוניה בשיעורים מתאימים."

במאמר שפורסם לאחרונה ב- ACS Central Science, מטסון, פיטרס ועמיתיהם מתארים דרך חדשה לתיקון חנקן, בהשראת האופן שבו מיקרובים עושים זאת.

ניטרוגנזות מורכבות משבעה אטומי ברזל המוקפים בשלד חלבון. המבנה של אחד האנזימים האלה nitrogenase נפתרה לראשונה על ידי דאגלס ריס Caltech, רוסקו גריקי דיקינסון פרופסור לכימיה. החוקרים במעבדה של פיטרס פיתחו משהו דומה לניטרוגנזה חיידקית, אם כי הרבה יותר פשוטה - פיגום מולקולרי המקיף אטום ברזל יחיד.

הפיגום המולקולרי פותח לראשונה ב -2013, ולמרות שהעיצוב הראשוני הראה הבטחה לתיקון חנקן, הוא היה בלתי יציב ולא יעיל. החוקרים שיפרו את היעילות ואת היציבות על ידי tweaking אמבט כימי שבו התגובה קיבוע מתרחשת, ועל ידי מצמרר אותו על הטמפרטורה של הקרח היבש (-78 מעלות צלזיוס). בתנאים אלה, התגובה ממירה 72% מהחומר המוצא לאמוניה, שיפור גדול לעומת השיטה הראשונית, אשר רק המרה של 40% מהחומר המוצא לאמוניה ודורש יותר אנרגיה קלט כדי לעשות זאת.

מאטסון, פיטרס ועמיתיו אומרים כי עבודתם מחזיקה פוטנציאל לשני יתרונות עיקריים:

קלות הייצור:

בגלל הטכנולוגיה המתפתחת אינה דורשת טמפרטורות גבוהות או לחצים, אין צורך בתשתית תעשייתית בקנה מידה גדול הנדרש עבור תהליך Haber-Bosch. משמעות הדבר היא שיום אחד ניתן יהיה לתקן חנקן במתקנים קטנים יותר הממוקמים קרוב יותר לגידולים.

"העבודה שלנו יכולה לעזור בהשראת טכנולוגיות חדשות לייצור דשנים", אומר טרבור דל קסטילו, סטודנט לתואר ראשון בקלטק ומחבר משותף של העיתון. "בעוד סוג זה של טכנולוגיה לא סביר לעקור את תהליך Haber-Bosch בעתיד הנראה לעין, זה יכול להיות רב השפעה במקומות שאין להם רשת אנרגיה יציבה מאוד, אבל יש גישה לאנרגיה מתחדשת שופעת, כגון את העולם המתפתח, יש בהחלט מקום לפיתוח טכנולוגיה חדשה כאן, איזושהי "על פי דרישה" השמש, הידרואלקטרי, או הרוח מופעל תהליך. "

הבנת קיבוע חנקן טבעי:

האנזים nitrogenase הוא מסובך ו finicky, לא עובד אם התנאים הסביבה אינם צודקים, מה שמקשה על המחקר. הזרז החדש, לעומת זאת, הוא פשוט יחסית. הצוות סבור כי הזרז שלהם הוא ביצוע קיבעון באופן דומה מושגית כמו האנזים, וכי הפשטות היחסית שלו יאפשר ללמוד קיבוע התגובות במעבדה באמצעות טכניקות ספקטרוסקופיות מודרנית.

"דבר אחד מרתק הוא שאנחנו באמת לא יודעים, ברמה המולקולרית, איך האנזיום של ניטרוגנאז בחיידקים האלה הופך חנקן לאמוניה, זו שאלה גדולה ללא מענה", אומר מת'יו צ'לקלי, הנייר.

פיטרס אומר המחקר שלהם לתוך זרז זה כבר נתן להם הבנה עמוקה יותר של מה שקורה במהלך התגובה תיקון חנקן.

"יתרון של מערכת ניטרוגנאז שלנו סינתטי ברזל הוא שאנחנו יכולים ללמוד את זה בפירוט רב", הוא אומר. "ואכן, בנוסף לשיפור משמעותי ביעילות של זרז חדש זה עבור קיבוע חנקן, יש לנו התקדמות רבה בהבנה, ברמה האטומית, קריטי האג"ח קריטי צעדים שהופכים סינתזה אמוניה חנקן."

אם תהליכים מסוג זה יכולים להיות מעודן יותר ויעילות שלהם גדל, מוסיף פיטרס, הם עשויים להיות יישומים מחוץ לייצור דשנים גם כן.

"אם זה יכול להיות מושגת, סינתזה המופצת באמצעות אנרגיה סולרית המופקת באמצעות השמש יכולה להפוך למציאות, ולא רק כמקור דשן, אלא גם כאל דלק כימי חלופי, בר-קיימא ואחסון", הוא אומר.

menu
menu