Азотные удобрения из воздуха: нитрогеназа и ее модель

На нас постоянно давит огромная масса азота (78% объема воздуха) - основного строительного материала всего живого. Однако мы не можем использовать эти инертные молекулы для нашего обмена веществ. То же самое происходит и у большинства растений: лишь связанный азот (соли аммония, нитраты, мочевина) может усваиваться. Освоение промышленного синтеза аммиака позволило человечеству начать использовать этот огромный природный резервуар азота в своих целях. Однако уже задолго - до человека ферментативный синтез аммиака из азота воздуха "открыт" микроорганизмами. Наряду с фотосинтезом зеленых растений он является основой существования высших форм жизни на Земле. Биологическим путем фиксируется примерно 175 млн. тонн азота, а химическим путем 40 млн. тонн (данные 1974 г.).

Связывание азота воздуха - привилегия относительно небольшой группы микроорганизмов. Высокоэффективные азот - фиксирующие бактерии Rhizobium живут в корневых клубеньках растений семейства Leguminosae (бобовых культур, например клевера, люпинов, люцерны) в симбиозе с растениями-хозяевами. Наряду с этим существуют еще свободноживущие азотфиксирующие виды бактерий (Azotobacter, Clostridium, Klebsiella) и сине-зеленые водоросли^*Nostoc и Anabaena.

^* (По современной номенклатуре цианобактерии.- Прим. перев.)

Клубеньковые бактерии бобовых фиксируют от 100 до 300 кг азота "на гектар в год, в то время как Anabaena вместе с восточноазиатским водным папоротником Azolla фиксирует на рисовых полях во Вьетнаме 300 кг азота. Поэтому планирование севооборота "поставщиков азота" (таких, как бобовые) и "потребителей азота" (таких, как злаки и картофель) - азбучная истина современного сельского хозяйства. Однако, несмотря на планируемый севооборот, культурным растениям нехватает азота, фиксируемого микроорганизмами. Современное мировое производство азотных удобрений далеко не удовлетворяет потребности сельского хозяйства. Особенно велика нехватка азота на пахотных землях развивающихся стран. Обычными методами решить эту проблему уже нельзя. Особую тревогу вызывает рост потребления энергии, связанный с постоянно увеличивающимся промышленным синтезом аммиака из азота воздуха. Например, промышленный метод Габера-Боша требует давления в несколько сот атмосфер и температур 400-450°С. Азотсвязывающие ферменты, напротив, функционируют, как и все ферменты, при нормальных температурах и нормальном давлении. Их использование представляет собой альтернативу промышленному синтезу аммиака.

Рис. 36. Круговорот азота (по Брилю, с изменениями). Ежегодно 175 млн. тонн азота ферментативно превращаются в аммиак под действием азотфиксирующих микроорганизмов. Промышленным путем получают всего 40 млн. тонн аммиака. Кроме того, небольшие количества азота превращаются в аммиак при электрических грозовых разрядах. Аммиак окисляется нитрифицирующими бактериями в нитраты, которые используются высшими растениями для синтеза белков. При гниении организмов аммиак снова поступает в почву. Денитрифицирующие бактерии превращают нитраты в молекулярный азот. С круговоротом воды связанный азот вымывается из почвы в водоемы

Все азотфиксирующие микроорганизмы имеют содержащий молибден и железо ферментный комплекс нитрогеназу. Атомы молибдена ее активного центра связывают молекулярный азот N₂ и восстанавливают его при ступенчатой подаче электронов и протонов H⁺ в аммиак NH₃. Электроны при этом поступают в результате фотосинтеза растения-хозяина.

Усилия ученых всего мира направлены на изучение механизмов биологического связывания азота для разрешения проблем его дефицита. Одним из возможных решений проблемы могла бы быть пересадка клубеньковых бактерий другим растениям-хозяевам (например, злакам, картофелю). Другой очень непривычный путь выбран в генной инженерии. С этой целью пытаются встроить в наследственный аппарат высших растений гены, кодирующие нитрогеназу. При удаче отпадает необходимость в азотных удобрениях, так как, например, злаки и картофель сами будут обеспечивать себя азотом из воздуха! Тем самым, возможно, были бы, по крайней мере частично, решены и экологические проблемы. С одной стороны, можно было бы предупредить отмирание растений, вызванное разрушением биологических экосистем вследствие их неконтролируемого бурного роста (эутрофикация), а с другой - предотвратить гибель рыб в водоемах, загрязненных удобрениями, вымытыми из почвы. Но в обоих случаях нужно будет преодолеть почти непреодолимое. Дело в том, что нитрогеназа - очень чувствительный фермент, для инактивации которого достаточно уже следов кислорода. Поэтому в корневых клубеньках бобовых специальный защитный белок (леггемоглобин или легоглобин) ловит все "мешающие" свободные молекулы кислорода. Следовательно, в клетки реконструируемых растений необходимо встроить не только систему подачи электронов для нитрогеназы, но и специальную защитную систему от кислорода.

Третий путь - химическое моделирование принципа действия нитрогеназы. В Институте химической физики АН СССР специальная лаборатория под руководством проф. А. Е. Шилова занимается разработкой новых искусственных катализаторов, которые имитируют механизмы действия ферментов; предпринимаются также попытки сконструировать химические модели нитрогеназы. С химической моделью каталазы, другого фермента, мы уже познакомились. Шилов и сотр. пытались решить проблему фиксации азота при нормальном давлении и нормальной температуре. Отправной предпосылкой всех исследуемых моделей нитрогеназы служило представление, что атом азота должен получить электроны. Следовательно, в любой модели нитрогеназы должен действовать сильный восстановитель, поставляющий электроны, который сохранял бы свою активность в воде, не вступая, однако, с ней в реакцию. По аналогии с нитрогеназой выбор пал на молибден. Его связали в комплекс с ванадием (который был также обнаружен у некоторых азотфиксирующих микроорганизмов). С помощью этого комплекса действительно удалось получить аммиак из молекулярного азота. Это и другие усовершенствованные модельные соединения могут указать путь к промышленным "суперкатализаторам" для синтеза аммиака.

Другая модель молибденсодержащей нитрогеназы, созданная Т. А. Джорджем (Университет шт. Небраска, Линкольн, США), позволяет получать из газообразного азота либо природный продукт аммиак, либо гидразин. Гидразин используется в качестве реактивного топлива, а также как важный промежуточный продукт при химических синтезах.

В целом химическая модель нитрогеназы свидетельствует о возможности разработки новых эффективных катализаторов для химической промышленности на основе механизмов ферментативного катализа.