קיבוע חנקן ימי
קיבוע חנקן הוא תגובה כימית שבה חנקן גזי מן האטמוספירה (N2) מומר לתרכובות חנקן מקובע (fixed) כגון אמוניה (NH3) וניטראט (NO3). התהליך מתייחס גם להמרה של חנקן גזי לצורות אחרות, כגון NO2. החנקן האטמוספירי מהווה כשמונים אחוזים מן האוויר, ואחוז גבוה מאד מהחנקן באוקיינוס, אך הוא אינו זמין לצמחים כגז, אלא לאחר קיבועו בלבד. החנקן המקובע (בעיקר בצורת אמוניה NH3), דרוש ליצירת הנוקלאוטידים, חומצות אמינו. מכאן שהחנקן המקובע הוא נוטריינט בסיסי לכל צורות החיים ועל כן תהליך הקיבוע משמעותי לחיים בים וביבשה.
מחזור החנקן ופרופיל החנקן באוקיינוס
מחזור החנקן בטבע הוא תהליך בו נעשים חילופים מתמידים בין חנקן אטמוספירי לחנקן הספוח בקרקע. מחזור החנקן מושפע באופן משמעותי מתהליכים ביולוגים. חנקן מן האוויר מקובע על ידי אורגניזמים שונים, העיקרי שבהם הוא כחוליות, בשכבות נמוכות של האוקיינוס ובמים חמים בלבד. המולקולות שנוצרו (ניטריט ואמוניום) נקלטות לתוך חומר אורגני בתהליך שנקרא אסימילציה. בתהליך הפוך, ניטריפיקציה, מפורק החומר האורגני ל-NO3. המחזור נשלם בחזרת החנקן לאטמוספירה בצורה גזית, בתהליך אשר נקרא דנטריפיקציה, תוצאה של נשימה אנאירובית של חיידקים במעמקי האוקיינוס. עקב תהליכים אלו, פרופיל החנקן המקובע הוא כשל נוטריינטים רבים — חסר בפני השטח ומצטבר בעומק. לעומת חנקן גזי שרמתו קבועה בעומקים שונים. לא ברור האם קיים איזון בין תהליך הדנטריפיקציה לתהליך הקיבוע, וקיימים מחקרים הטוענים כי הדנטריפיקציה גוברת והאוקיינוס מאבד חנקן זמין.
קיבוע חנקן בתהליכים א-ביוטים
חנקן נקשר באטמוספירה על ידי סערות ברקים. תרכובות חנקן נוצרות גם תוך כדי תהליכי שרפת דלק, במנועי רכב ובתחנות הכוח. בתחילת המאה העשרים, החלו בייצור דשנים חנקניים בתהליך אשר נקרא הבר בוש (Haber-Bosch) על שם ממצאיו. עקב תהליכים תעשייתיים אלו, ניתן לראות עלייה בכמות החנקן המקובע באוקיינוס. מאמצים גדולים נעשים במשך העשורים האחרונים על מנת להבין כיצד הברזל מבצע את משימתו, וכיצד ניתן לקבע חנקן לשימוש מסחרי, בעיקר לצורכי חקלאות.
קיבוע חנקן ביולוגי
למולקולת החנקן שמונה מצבי חמצון-חיזור שונים, ועל כן היא יכולה לשמש כקולט אלקטרונים בתהליכים ביולוגים. קיבוע נעשה על ידי חיידקים שונים, באמצעות האנזים ניטרוגנאז, המחזר חנקן לאמוניה, בתהליך שניתן לסכמו במשוואה:
N2 + 8H+ + 8e− → 2NH3 + H2.
מיקרואורגניזמים אלו יכולים להיות אירובים (קיבוע נעשה באמצעות חמצן), אנאירובים. במקרה של החיידקים האירובים, יש צורך בהגנה על פעילות האנזים מפני החמצן[דרושה הבהרה]. בים התהליך נעשה בעיקר באמצעות ציאנובקטריות, אשר חלקן נמצאות בסימביוזה עם שרכים. תהליך זה מוגבל על ידי כמות הזרחן והברזל הזמין באוקיינוס. הברזל מגביל עקב תפקידו הקריטי במערכת הפוטוסינתטית, הוא מאפשר הגנה על האנזים ניטרוגנאז מחמצון וחשוב להפקת אנרגיה. בנוסף הברזל חשוב לפעולה יעילה של האנזים ניטרוגנאז עצמו.
