2.6-Nitrogen Fixation
2.6-Nitrogen Fixation Important Formulae
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2.6 - Nitrogen Fixation
- Nitrogen fixation is the process of converting atmospheric nitrogen ($N_2$) into a form that plants can use, such as ammonia ($NH_3$).
- This process is carried out by nitrogen-fixing bacteria found in soil and root nodules of legumes like peas and beans.
- Bacteria like Rhizobium play a key role in converting nitrogen into a usable form for plants.
- Some bacteria can also fix nitrogen in the soil, enriching the soil for plant growth.
- Fixed nitrogen is essential for plant protein synthesis and overall growth.
2.6 - Nitrogen Fixation
Nitrogen fixation is a crucial process in nature where nitrogen gas (N2) from the atmosphere is converted into forms that plants can use. Nitrogen is an essential element for all living organisms as it is a major component of amino acids, proteins, and nucleic acids. However, plants cannot directly use atmospheric nitrogen, as it is in an inert form. Nitrogen fixation helps convert it into useful compounds like ammonia (NH3) and nitrates (NO3-).
There are two main types of nitrogen fixation:
1. Biological Nitrogen Fixation
Biological nitrogen fixation is carried out by certain bacteria and cyanobacteria, commonly known as nitrogen-fixing bacteria. These microorganisms can convert atmospheric nitrogen into ammonia with the help of an enzyme called nitrogenase. This process occurs primarily in the root nodules of leguminous plants (e.g., peas, beans, and lentils), where the bacteria live in a symbiotic relationship with the plant.
In this process, the nitrogen-fixing bacteria convert nitrogen gas into ammonia, which is then used by the plant. In exchange, the plant provides the bacteria with carbohydrates produced during photosynthesis. This mutual relationship benefits both the plant and the bacteria.
The general reaction for biological nitrogen fixation can be represented as:
$N_2 + 8H^+ + 8e^- \xrightarrow{\text{Nitrogenase}} 2NH_3 + H_2$
Here, $N_2$ represents nitrogen gas, and $NH_3$ is ammonia. The process requires energy, which is provided by the plant, and the presence of an enzyme called nitrogenase.
2. Industrial Nitrogen Fixation
In addition to biological nitrogen fixation, nitrogen fixation can also occur through industrial processes. One of the most common industrial methods is the Haber process. In the Haber process, nitrogen from the atmosphere reacts with hydrogen gas to produce ammonia under high pressure and temperature in the presence of a catalyst. The ammonia produced is used as fertilizer, which is essential for agricultural growth.
The chemical equation for the Haber process is:
$N_2 + 3H_2 \xrightarrow{\text{Catalyst, High Pressure, Temperature}} 2NH_3$
3. Role of Nitrogen Fixation in the Ecosystem
Nitrogen fixation plays a vital role in the nitrogen cycle, which is a natural process that moves nitrogen through the ecosystem. Nitrogen is initially fixed by nitrogen-fixing bacteria into a usable form for plants. These plants, in turn, provide nitrogen to herbivores and other organisms that consume them. When organisms die or excrete waste, nitrogen compounds are returned to the soil, where they are broken down by decomposers into nitrogenous compounds like ammonium (NH4+).
These nitrogen compounds are further processed by nitrifying bacteria into nitrates (NO3-), which are then available for plants. Denitrifying bacteria complete the nitrogen cycle by converting nitrates back into nitrogen gas, which is released back into the atmosphere, maintaining the balance of nitrogen in the ecosystem.
4. Importance of Nitrogen Fixation in Agriculture
Nitrogen fixation is crucial for sustainable agriculture. Plants require nitrogen to grow and develop, and many farmers rely on nitrogen-rich fertilizers to improve soil fertility. However, overuse of chemical fertilizers can lead to environmental problems such as water pollution. Biological nitrogen fixation offers a natural, sustainable alternative, especially through the cultivation of leguminous crops, which can enhance soil nitrogen content without the need for synthetic fertilizers.
Nefronus, CC BY-SA 4.0, via Wikimedia Commons
2.6-नाइट्रोजन स्थिरीकरण (Nitrogen Fixation)
नाइट्रोजन स्थिरीकरण वह प्रक्रिया है जिसमें नाइट्रोजन गैस (N2) को जैविक रूप में परिवर्तित किया जाता है, जिसे पौधे उपयोग कर सकते हैं। यह प्रक्रिया मुख्य रूप से नाइट्रोजन-स्थिरक बैक्टीरिया द्वारा की जाती है। नाइट्रोजन गैस वातावरण में 78% पाई जाती है, लेकिन अधिकांश जीवधारी इसे सीधे उपयोग नहीं कर सकते।
नाइट्रोजन स्थिरीकरण के दो मुख्य प्रकार हैं:
- जैविक नाइट्रोजन स्थिरीकरण: यह प्रक्रिया नाइट्रोजन-स्थिरक बैक्टीरिया द्वारा होती है। ये बैक्टीरिया वातावरण में उपस्थित नाइट्रोजन गैस को अमोनिया (NH3) में परिवर्तित कर देते हैं, जिसे पौधे अपने पोषक तत्व के रूप में उपयोग करते हैं।
- निर्जैविक नाइट्रोजन स्थिरीकरण: यह प्रक्रिया उच्च तापमान और दबाव के तहत कृत्रिम रूप से की जाती है, जैसे कि हाबेर प्रक्रिया (Haber Process), जो अमोनिया बनाने के लिए प्रयुक्त होती है।
नाइट्रोजन स्थिरीकरण का कार्य मुख्यतः कुछ विशेष बैक्टीरिया द्वारा किया जाता है, जो या तो पौधों के जड़ों के साथ सहजीविता में रहते हैं, या स्वतंत्र रूप से मिट्टी में रहते हैं। इन बैक्टीरिया में से कुछ महत्वपूर्ण हैं:
- Rhizobium: यह बैक्टीरिया दलहनी फसलों (leguminous plants) जैसे कि मूंग, मसूर, सोयाबीन आदि की जड़ों में पाये जाते हैं।
- Azotobacter: यह मुक्त रहने वाले बैक्टीरिया हैं जो मिट्टी में नाइट्रोजन स्थिरीकरण करते हैं।
- Clostridium: यह एक ऐरोबिक बैक्टीरिया है जो मुख्य रूप से अमोनिया का उत्पादन करता है।
नाइट्रोजन स्थिरीकरण के लिए एक महत्त्वपूर्ण एंजाइम है नाइट्रोजेनेज़, जो नाइट्रोजन गैस को अमोनिया में बदलने में मदद करता है। यह प्रक्रिया निम्नलिखित रासायनिक समीकरण द्वारा व्यक्त की जाती है:
$N_2 + 8H^+ + 8e^- → 2NH_3 + H_2$
यह रासायनिक प्रतिक्रिया दर्शाती है कि नाइट्रोजन गैस (N2) को 8 हाइड्रोजन आयन (H+) और 8 इलेक्ट्रॉनों (e-) के साथ अमोनिया (NH3) में परिवर्तित किया जाता है।
नाइट्रोजन स्थिरीकरण की प्रक्रिया पृथ्वी के पारिस्थितिकी तंत्र में अत्यंत महत्वपूर्ण है, क्योंकि यह नाइट्रोजन को पुनः उपयोग योग्य रूप में परिवर्तित करती है। इसके बिना, नाइट्रोजन की कमी हो सकती है, जिससे पौधों की वृद्धि पर प्रतिकूल प्रभाव पड़ता है।
नाइट्रोजन स्थिरीकरण न केवल पौधों के लिए बल्कि मिट्टी की उर्वरता बनाए रखने के लिए भी आवश्यक है। यह मिट्टी में नाइट्रोजन की आपूर्ति करता है, जो कृषि के लिए अत्यंत महत्वपूर्ण है।