Eine mögliche präbiotische Bildung von Ammoniak aus molekularem Stickstoff auf Eisensulfidoberflächen
✍ Scribed by Mark Dörr; Johannes Käßbohrer; Renate Grunert; Günter Kreisel; Willi A. Brand; Roland A. Werner; Heike Geilmann; Christina Apfel; Christian Robl; Wolfgang Weigand
- Publisher
- John Wiley and Sons
- Year
- 2003
- Tongue
- English
- Weight
- 96 KB
- Volume
- 115
- Category
- Article
- ISSN
- 0044-8249
No coin nor oath required. For personal study only.
✦ Synopsis
Die Bildung von Ammoniak aus Distickstoff ist in der Theorie des chemoautotrophen Ursprungs des Lebens eine noch ungeklärte Frage. Man nimmt an, dass die Bildung von Ammoniak aus Distickstoff, die in der belebten Natur durch eisen-und schwefelhaltige Enzyme katalysiert wird, in präbiotischer Zeit auf das Reduktionspotential von Eisensulfid zurückgeführt werden kann, das zu Pyrit umgesetzt wird. [1] Stickstoff-fixierende Bakterien produzieren aus molekularem Luftstickstoff etwa 1.7 10 8 t Ammoniak pro Jahr. [2] Diese Reaktion wird von Nitrogenase-Enzymen katalysiert und läuft unter milden Bedingungen bei Atmosphärendruck (10 5 Pa) und Umgebungstemperatur (273-323 K) ab. Die Einzelheiten des Reaktionsmechanismus sind noch weitgehend unbekannt und Gegenstand intensiver Diskussion in der Wissenschaft. [3] Kürzlich wurde eine hochauflösende Röntgen-Einkristallstrukturanalyse des Nitrogenase-FeMo-Proteins aus Azotobacter vinelandii beschrieben. [4] Das FeMo-Protein enthält den FeMo-Cofaktor, der aus zwei Cuban-ähnlichen Eisen-Schwefel-Einheiten [4 Fe:3 S] und [Mo:3 Fe:3 S] aufgebaut ist, die durch Sulfidliganden verbrückt sind. In dem von ihnen umschlossenen Hohlraum ist ein leichtes Atom -wahrscheinlich Stickstoff -koordiniert. Die weit verbreiteten und häufig auftretenden Elemente Eisen und Schwefel spielen also eine wichtige Rolle bei der Stickstoff-Fixierung und in der lebhaft diskutierten Theorie des chemautotrophen Ursprungs des Lebens in einer urzeitlichen Eisen-Schwefel-Welt. [1,5] Hier beschreiben wir eine Methode, NH 3 aus N 2 unter Verwendung von H 2 S als Reduktionsmittel in Anwesenheit von frisch gefälltem Eisensulfid herzustellen. Diese Reaktion könnte ein präbiotischer Vorläufer der Nitrogenase-Enzyme sein. Sowohl das Reduktionsmittel als auch die Reaktionsbedingungen (Atmosphärendruck des Stickstoffs und Temperaturen zwischen 70 und 80 8C) ähneln denen in biologischen Prozessen und sind damit sehr mild. Die treibende Kraft der Gesamtreaktion ist die Oxidation des Eisensulfids zu Eisendisulfid und die Bildung von Wasserstoff aus H 2 S. [6] Hazen et al. berichten über die Reduktion von elementarem Stickstoff zwischen 300 und 800 8C und 0.1 bis 0.4 GPa. [7] Der molekulare Wasserstoff, der für die Reaktion benötigt wurde, wurde aus Wasser erzeugt: Hierzu verwendeten die Autoren ein System aus Magnetit/Ameisensäure oder elementares Eisen als Reduktionsmittel. Unter den beschriebenen Reaktionsbedingungen könnte nach Ansicht von Hazen et al. diese Reaktion auf der urzeitlichen Erde abgelaufen sein.
Neben wichtigen molekularbiologischen und mikrobiologischen Untersuchungen [8] wurden viele Modellverbindungen entwickelt, um die Funktionsweise der Nitrogenase untersuchen und verstehen zu können. Diese Modelle beruhen oft auf niedermolekularen Metallkomplexen oder Metallhydroxiden. Beachtenswerte Untersuchungen zur Fixierung von molekularem Stickstoff an Modellverbindungen wurden von Shilov und Bazhenova durchgeführt: [9] Wässrige Suspensionen von Mo III -, Ti II -, V II -, Mn II -und Ta III -hydroxiden sind in der Lage, N 2 bei ca. 10 7 Pa zu reduzieren. Nennenswerte Ausbeuten konnten mit Mischungen aus V II -und Mg II -hydroxiden erzielt werden. Eisenhydroxide reduzierten N 2 jedoch unter den gewählten Bedingungen nicht. Die höchsten Umsätze wurden von Folkesson und Larsson beschrieben, die einen Catecholat-V II -Komplex -in Methanol bei ca. 1.5 10 6 Pa -verwendeten. [10] Zahlreiche Experimente zur N 2 -Reduktion in nichtwässerigem Milieu wurden seit den ersten Arbeiten von Chatt et al. unternommen. [11,12] Eine schrittweise Reduktion von End-on-koordiniertem Distickstoff über Diazenido-und