La fissazione dell’azoto è un processo chimico mediante il quale l’azoto in forma molecolare presente nell’atmosfera si converte in ammoniaca e composti azotati.
L’azoto gioca un ruolo fondamentale per la vita e usato dagli organismi per ottenere un numero elevato di molecole organiche tra cui amminoacidi, proteine e acidi nucleici
Nonostante l’abbondanza dell’azoto presente nell’atmosfera esso costituisce un nutriente limitante per la crescita delle piante. Esse, infatti, possono assumere azoto sotto forma di ione ammonio NH4+ e di nitrato NO3–.
La maggior parte delle piante ottengono l’azoto di cui hanno bisogno come il nitrato inorganico dal suolo. Le piante utilizzano lo ione ammonio solo in piccole quantità perché in grandi concentrazioni è estremamente tossico. Gli animali ricevono l’azoto di cui hanno bisogno per il metabolismo, la crescita, la riproduzione da sostanze organiche contenenti azoto.
L’azoto presente nell’atmosfera non può essere assorbito dagli organismi viventi fatta eccezione per particolari batteri detti azotofissatori.
Ciclo dell’azoto
Inizia così il ciclo dell’azoto che si compone di diverse fasi di cui la prima è la fissazione (BNF) cui segue la nitrificazione, l’assimilazione, l’ammonificazione ed infine la denitrificazione. La fissazione avviene con la conversione dell’azoto in ammoniaca secondo la semireazione:
N2 + 8 H+ + 8 e– → 2 NH3 + H2
resa possibile dal metalloenzima nitrogenasi. Affinché la reazione possa avvenire è necessaria energia che viene fornita dall’idrolisi dell’ATP pertanto la semireazione di riduzione si accoppia con l’idrolisi di 16 equivalenti di ATP e pertanto la reazione complessiva è:
N2 + 8 H+ + 8 e– + 16 ATP → 2 NH3 + H2 + 16 ADP + 16 Pi
Per la riduzione di N2 in NH3 è necessario un sale di magnesio MgATP e un agente riducente come Na2S2O4 in vitro e una proteina Fe4S4 in vivo.
Gli enzimi che costituiscono la nitrogenasi vengono distrutti dall’ossigeno e pertanto molti degli organismi che fissano l’azoto utilizzano l’ossigeno come accettore terminale per la respirazione. La nitrogenasi, enzima appartenente alla classe delle ossidoreduttasi, è costituita da due proteine ovvero dalla dinitrogenasi e dalla dinitrogenasi reduttasi che contengono entrambe un centro Ferro-Zolfo.
La dinitrogenasi contiene anche molibdeno che con il ferro costituisce un cofattore detto FeMo-co che entra in gioco nella riduzione dell’azoto. Alcuni batteri possono contenere il vanadio al posto del molibdeno o solo ferro.
La capacità di fissare l’azoto è propria di pochi organismi procarioti, batteri e cianobatteri provvisti di nitrogenasi. Questi batteri possono vivere sia liberi che in simbiosi o in associazione con piante verdi. Tra i batteri che vivono in simbiosi con specie vegetali e, in particolare con le leguminose, vi sono i batteri appartenenti al genere Rhizobium.
Tra i batteri eterotrofi vi sono quelli appartenenti al genere Clostridium di tipo anaerobico o Azobacter, mentre tra quelli autotrofi vi sono quelli appartenenti al genere Rhodospirillum.
La fissazione dell’azoto e la sua trasformazione in ammoniaca è il primo passo da cui inizia il ciclo biologico dell’azoto