本Valsler
不久前，@SimonBayly在推特上建议我们研究固氮酶——一种使我们的生态系统平稳运行的酶。卡特里娜Krämer报道。
卡特里娜克莱默
纯粹的形式，氮是一个惰性元素。作为氮，它几乎占我们大气体积的80%。但不像氧气氮能与各种物质发生反应，是呼吸的首选气体，但很少有人说服氮参与任何冒险的化学结合。有一个三键连接着两个氮原子，它很快乐。
然而氮化合物是地球上所有生命的基础。它们包括核酸和蛋白质，以及携带能量的分子三磷酸腺苷(ATP)。几乎所有的固氮转化氮2某些化合物，通常是氨，是由含有固氮酶的细菌产生的。
固氮酶是一种神秘的酶。它们对氧气极其敏感，所以它们的细菌非常小心，不让它们暴露在气体中。大多数固氮细菌生活在土壤中，有些与植物共生。例如，豌豆植物有特殊的根结构，细菌被安置在低氧环境中，以换取生命所需的氮化合物。
长期以来，化学家们一直对固氮酶的内部工作原理着迷。尽管如此，经过近100年的研究，他们仍然不太确定这种酶是如何发挥固氮的魔力的。
这是化学家斯坦福大学的罗斯·米尔顿说，谈到了科学家们已经发现的问题:
罗斯弥尔顿
固氮酶实际上是一种双蛋白或双酶组合。它有一个中央催化蛋白，也就是N2被还原成氨，这一切都与还原酶相辅相成。这种蛋白质将电子传递给催化蛋白。当这两者短暂结合时，一个电子从还原蛋白转移到催化蛋白，一次一个。因此，我们知道ATP必须被水解才能实现这种转移，但我们并不完全了解ATP水解的作用以及它是如何促进活性的。
卡特里娜克莱默
但这只是一个电子转移。总的来说，必须有8个原子聚集足够的电子来固定N2氨。每产生一个氨分子，这种酶就会吞噬多达16个ATP，这在生物能货币中是一个很高的价格。固定氮需要如此多的能量，而细菌仍然在这样做，这表明这个过程是多么重要。
真正的固氮发生在固氮酶的金属心脏内。酶储存了一簇铁而且钼称为FeMoco(铁钼辅因子)的原子。
罗斯弥尔顿
如何减少仍在争论中。这个场一致认为存在一个临界态，叫做E4态，这是一个四电子还原的FeMoco在钼的情况下，N2在被还原为氨之前必须与辅因子相互作用。但这是如何进行的，我们实际上并不知道。
卡特里娜克莱默
争论的焦点是金属本身。许多著名的化学家争论是铁还是钼起催化作用。但这是一场值得讨论的辩论。如果科学家们能找到一种催化剂，能像固氮酶一样分解氮三键，它就能与世界上最耗能的反应——哈伯-博世反应(Haber-Bosch process)相媲美。
罗斯弥尔顿
总的来说，我们每年生产约5亿吨氨，其中大部分来自Haber-Bosch工艺。为了使这一过程更加高效，它需要大约400°C的高温和200个大气压，大约是普通汽车轮胎压力的100倍。因此，整个过程需要地球上产生的1%的能量，被认为负责约3%的CO2排放。
卡特里娜克莱默
虽然Haber-Bosch过程消耗了大量的能源，但它是人类最重要的肥料来源。用氨水合成肥料种植的农作物养活了地球上一半的人口。这仍然是我们拥有的最好的流程。在撬开氮方面，没有其他方法比这个有100年历史的化学大锤更好了。
罗斯弥尔顿
Haber-Bosch工艺确实需要大量的能量，但它的作用是伟大的。每一遍N2在Haber-Bosch工艺中固定氨的效率只有15%左右，但总的来说，通过系统回收这些气体，效率达到95%以上。它非常擅长它的工作。但我认为未来是哈伯-博世过程的分散化，这样我们就不必在全球各地的特定地点拥有这些大型压力反应堆和氨生产工厂。如果你的农场不需要高压设备就能生产氨，那么我们就能提高环境的可持续性。
卡特里娜克莱默
为了米尔顿和他的团队雪莱Minteer来自美国犹他大学的他认为，这已经足够激励他了。但他们并没有创造出新奇的金属催化剂，而是利用了自然界的氨工厂。
研究小组从细菌中提取固氮酶，并将其粘附在电极上。与粘在另一个电极上的氢氧化酶一起，该装置将一种混合的氢在室温和环境压力下，空气变成氨。不仅如此，反应过程中还会产生一点电。
罗斯弥尔顿
目前这只是一个原型系统，它的规模非常小。它可以做N次2在环境压力和温度下固定，并证明了从相同的过程中回收少量电化学能量是可能的。它确实需要ATP水解，这在化学上仍然非常昂贵。所以一种方法是改造固氮酶或系统使其不需要水解ATP。
卡特里娜克莱默
这种生物燃料电池是否是氨合成的前进方向还有待观察。虽然固氮酶仍然是将惰性氮转化为救命肥料的大师，但目前，Haber-Bosch工艺仍然存在。
本Valsler
以上是卡特里娜Krämer，我是罗斯·米尔顿。再次感谢Simon Bayly的建议!下次，迈克·弗里曼特尔提出了一个化学问题:
迈克Freemantle
这里有一个测试问题。意大利文艺复兴艺术家莱昂纳多·达·芬奇，18世纪德国作曲家约翰·塞巴斯蒂安·巴赫，橡树和硫酸亚铁有什么联系?
本Valsler
让我们知道你的想法，下周和迈克一起寻找答案。在那之前，用常用的方式联系——发邮件chemistryworld@rsc.org或推特@chemistryworld．感谢收听，我是本·瓦尔斯勒。
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