Azotofissazióne.

In biochimica, l'insieme dei processi naturali o effettuati dall'uomo, che hanno come effetto finale la trasformazione dell'azoto dalla forma gassosa (come è presente nell'atmosfera) non utilizzabile direttamente dalla biomassa (cioè l'insieme degli organismi viventi) in una forma diversa, che può essere utilizzata direttamente. Questi processi hanno quindi come risultato la trasformazione dell'azoto molecolare N₂ (V. AZOTO) gassoso in azoto combinato, ossido o ridotto, che può essere sia inorganico (ammoniaca, urea, nitrati, nitriti, ecc.). L'a. è quindi quella parte del ciclo dell'azoto (V. AZOTO, CICLO DELL'.) che trasforma l'azoto dalla forma molecolare atmosferica in forma solubile o in complesse molecole organiche. È da notare che parlando di azoto atmosferico o di azoto molecolare ci si riferisce sempre alla molecola biatomica N₂ dell'azoto, sia che questo si trovi a far parte dell'atmosfera sia che si trovi disciolto nel terreno, nell'acqua e così via. Per semplificare la trattazione si può supporre che questo azoto, almeno idealmente, si trovi tutto nell'atmosfera. In tal caso l'a. si può descrivere come il processo di combinazione chimica dell'azoto atmosferico che ne permette il passaggio nella litosfera, nell'idrosfera o nella biosfera, cioè nella crosta terrestre, nelle acque presenti sul nostro globo (escluse quelle presenti nell'atmosfera) o nel complesso degli organismi viventi sul pianeta. La quantità di azoto presente nell'atmosfera, di cui questo gas costituisce il 79% circa in peso, è valutata in circa 4 · 10¹⁵ tonnellate (cioè 4.000 milioni di milioni di tonnellate) e costituisce quindi una riserva praticamente inesauribile; inoltre la maggior parte dell'azoto fissato ritorna di nuovo all'atmosfera mediante il processo inverso alla a., cioè la denitrificazione del terreno e dell'idrosfera. Questa enorme quantità di azoto non è utilizzabile direttamente dalle piante e animali superiori in quanto si trova in forma solubile e poco reattiva; d'altra parte l'azoto in forma assimilabile è essenziale per la crescita delle piante che servono come alimento al regno animale e quindi alla vita di quasi tutta la biosfera. Secondo le teorie più accreditate, l'atmosfera terrestre fu per molto tempo composta in parte anche di ammoniaca, cioè di azoto solubile; col passare delle ere preistoriche le trasformazioni dell'atmosfera (che hanno permesso l'insorgere dei progenitori dell'attuale forma di vita esistente sulla Terra) hanno portato alla fissazione di una parte di questo azoto e alla trasformazione della parte residua in azoto atmosferico molecolare. Da tempi remoti l'uomo, abbandonata la vita nomade e dedicatosi all'agricoltura, scoprì che il raccolto dei campi poteva venir aumentato con l'impiego di sostanze naturali, quali escrementi animali, ceneri, ecc. Fino a un'epoca molto recente, tutti i concimi impiegati erano di origine naturale: stallatico, letame, nitro del Cile e così via. L'apporto di azoto necessario per aumentare la produttività dei terreni ed impedire che si isterilissero contava solo sull'impiego di sostanze naturali, derivanti da una fissazione naturale dell'azoto. Un primo passo avanti verso l'agricoltura moderna si ebbe con l'introduzione della rotazione delle coltivazioni: dopo aver coltivato per uno o due anni un campo a cereali (avidi di azoto), lo si destina alla produzione di piante (in particolare delle leguminose) che hanno la proprietà di aumentare le riserve azotate del terreno. La rotazione delle colture è oggi pressoché generale in tutto il mondo là dove esiste un'agricoltura intensiva; in generale però l'apporto di azoto è insufficiente a compensare la sottrazione e si verifica quindi una progressiva diminuzione della produttività del terreno a cui si è ovviato attraverso la fissazione artificiale dell'azoto per mezzo di impianti chimici. Attualmente l'a. operata dall'uomo per via sintetica è una rilevante quota facente parte dell'a. totale. Esaminiamo ora più in dettaglio i vari meccanismi di fissazione dell'azoto:
a) Fissazione biologica
b) Fissazione atmosferica naturale
c) Fissazione atmosferica sintetica (cioè industriale)
d) Fissazione di azoto iuvenile.
Ognuno di questi processi di a. avviene con un meccanismo proprio ed ha una certa importanza. Nel seguito parlando di quantità di azoto fissate ci si riferirà a stime globali per l'intero pianeta, salvo indicazioni diverse. ║ Fissazione biologica: la fissazione biologica interessa circa 54 milioni di tonnellate di azoto ogni anno, pari a oltre il 50% del totale dell'azoto fissato. Essa viene operata da microrganismi sia simbionti che a vita libera. Si conoscono tre generi di microrganismi in grado di operare questa fissazione, e precisamente: a) i rizobi (del genere Rhizobium), simbionti delle radici delle leguminose; b) azotobatteri (del genere Azotobacter), aerobici; c) i clostridi (del genere Clostridium) anaerobici. I rizobi sono responsabili di oltre il 90% dell'azoto fissato biologicamente, essi però non sono in grado di condurre vita libera. Vivono in simbiosi con le radici delle leguminose e queste due specie simbionti sono in grado insieme di fissare l'azoto mentre separatamente non possiedono queste capacità. I rizobi vivono nei tubercoli delle radici delle piante con le quali sono simbionti e assorbono da esse diverse sostanze utili per il loro sostentamento; in cambio operano la sintesi di composti azotati che servono poi come nutrimento alla pianta. Da un punto di vista chimico si ignora l'esatto meccanismo di questa sintesi. Si sa che la fissazione porta in generale alla formazione di ioni ammonio NH₄ o se si vuole, di sali ammonici solubili. Nella reazione interviene un enzima, detto azotasi, che fa da catalizzatore. Dagli studi fatti appare che sull'intero pianeta la quantità di azotasi presente è dell'ordine di pochi kg e che questo basta per catalizzare la fissazione di quasi 40 milioni di tonnellate/anno di azoto. D'altra parte la sintesi dell'ammoniaca, cioè la fissazione dell'azoto per combinazione con idrogeno operata dall'uomo (che porta anch'essa a ioni ammonici) richiede condizioni di temperatura e pressione estremamente drastiche, mentre i batteri citati operano questa sintesi in condizioni ambiente. La quantità di azoto sintetizzato è poi molto rilevante anche in confronto alla quantità di batteri che la operano. Un campo coltivato a leguminose può fissare da 100 a 300 kg di azoto per ettaro per anno. Naturalmente questi dati si riferiscono a coltivazioni di leguminose (ad esempio erba medica) in terreni abbastanza adatti a questo tipo di colture. Ad esempio è stato osservato che in assenza di tracce di metalli pesanti (particolarmente molibdeno e cobalto) la crescita delle leguminose stesse è impedita da insufficienza di azoto, dato che i rizobi non sono in grado di sintetizzarne quantità sufficienti. Mentre è chiara l'azione del molibdeno, in quanto esso fa parte della molecola dell'enzima azotasi, per molti altri elementi non è ancora chiara la relazione di causa-effetto. D'altra parte questi fattori, almeno per quanto ne è noto, devono essere considerati in un'agricoltura intensiva moderna. Occorre però ricordare che l'elevata produzione di azoto fissato che si opera in una coltura di leguminose richiede che le piante stesse siano adeguatamente nutrite dagli altri elementi essenziali per la loro vita, quali ad esempio fosforo e potassio. Occorre quindi, se si vuol massimizzare il rendimento in azoto fissato, operare un'attenta concimazione dei terreni con i prodotti adatti, non esclusi quelli azotati, anche se sembra un controsenso. Per il loro sviluppo e per far sì che la quantità di azoto fissato sia la massima possibile, può essere vantaggioso adottare una concimazione contenente anche composti azotati, per mantenere alta nel terreno la concentrazione di questi, soprattutto quando le piante sono nel periodo di massima crescita. Nello stesso tempo è dimostrato che l'introduzione di rizobi in un terreno coltivato a leguminose provoca un benefico effetto sulla crescita di queste piante; questo metodo non è ancora stato trasferito dal laboratorio alle coltivazioni in grande scala. La simbiosi dei microrganismi azotofissatori non è limitata alle leguminose, ma è presente anche fra varie specie di piante superiori, molto diffuse nel regno vegetale. Alcune di queste specie di piante simbionti con tali microrganismi sono molto antiche, risalendo al periodo carbonifero, cioè a circa 300 milioni di anni fa. Fra queste specie ricordiamo ad esempio l'ontano e il ginkgo, una delle gimnosperme più antiche che si conoscano. La quantità di azoto fissata annualmente da queste piante è molto elevata, malgrado la quantità specifica per ettaro che esse possono fissare sia senz'altro inferiore a quella delle leguminose. Laddove non esistono o non possono esistere degli ecosistemi simbionti quali quelli ricordati, il maggior apporto di azoto fissato è dato da altri microrganismi come gli azotobatteri e i clostridi oppure da certe alghe e certi miceti. Gli azotobatteri ad esempio sono i più importanti fissatori di azoto nelle praterie e nelle steppe; il loro apporto è stimato da due a sei kg di azoto fissato per ettaro per anno. Essi sono aerobici, cioè possono sopravvivere (e quindi fissare azoto) solo a contatto con l'atmosfera. I clostridi sono invece anaerobici e vivono fuori del contatto con l'atmosfera, ad esempio in risaie, paludi, acque poco profonde, nelle tundre e così via. Non essendo a contatto diretto con l'atmosfera, operano la fissazione di azoto prelevato non direttamente dall'aria ma dall'acqua con cui sono a contatto. L'azoto molecolare N₂ è infatti leggermente solubile in acqua; un litro di questa scioglie 23,5 cm³ normali di azoto a 0 °C e 15,5 cm³ normali di azoto a 20 °C. La quantità totale di azoto che si stima sia sciolta negli oceani è di ben 20:10¹² tonnellate. La fissazione biologica dell'azoto che avviene nell'idrosfera ammonta a circa 10 milioni di tonnellate per anno su un totale di circa 54 tonnellate per anno che viene globalmente fissato. L'a. biologica, si è detto, porta principalmente alla formazione di ioni ammonio, cioè al cosiddetto azoto ammoniacale, in quanto in questi composti l'azoto è presente con stato di ossidazione -3, come nell'ammoniaca. In alcuni casi l'a. porta anche a prodotti più complessi, che potrebbero dirsi organici, come certi amminoacidi semplici (acido aspartico, acido glutammico, ecc.). Dall'azoto ammoniacale altri organismi producono azoto nitroso (azoto con stato di ossidazione +3, come nell'acido nitroso) e azoto nitrico (azoto con stato di ossidazione +5, come nell'acido nitrico); solo quest'ultimo viene utilizzato dalle piante. Queste trasformazioni sono descritte come parte del ciclo dell'azoto. ║ Fissazione atmosferica naturale: è noto che l'azoto in miscela con l'ossigeno, come appunto si trova nell'atmosfera, può reagire per formare ossidi di azoto, e in particolare l'ossido di azoto NO. La reazione avviene solo ad elevatissime temperature quali ad esempio quelle raggiungibili con un arco elettrico: nell'atmosfera le condizioni perché la reazione avvenga si hanno in prossimità di scariche elettriche (fulmini). In presenza dell'ossigeno atmosferico si ha poi la reazione di trasformazione dell'ossido NO in biossido di azoto NO₂ ovvero N₂O₄. A sua volta questo viene dilavato dalle gocce di acqua piovana che attraversano l'atmosfera, sciogliendosi in esse a dare acido nitrico. È dimostrato che l'acqua piovana contiene sempre dell'acido nitrico, anche se in piccolissime quantità; questo apporto di azoto, già in forma nitrica e quindi direttamente utilizzabile da tutte le piante anche superiori, costituisce un termine abbastanza importante nel bilancio dell'azoto. Si stima che per questa via vengano fissate circa 7,5 milioni di tonnellate di azoto per anno; quasi la metà di questa quantità è però praticamente persa ai fini delle colture agricole, in quanto cade sopra gli specchi d'acqua. In realtà le quantità di azoto presenti nelle piogge sono molto superiori a quelle ora dette, ma si deve tener conto che nell'atmosfera sono sempre presenti concentrazioni importanti (anche se bassissime) di ammoniaca e di ossidi di azoto, derivanti dalla decomposizione di sostanze organiche, da processi industriali inquinanti, dalla combustione di carbone, ecc. Anche questi composti azotati vengono dilavati dalle piogge e portati alla litosfera o all'idrosfera: si stima che in complesso si tratti di circa 25 milioni di tonnellate per anno riferite all'azoto. Di queste, come si è detto, solo 7,5 tonnellate per anno deriverebbero dalla fissazione atmosferica naturale. Indubbiamente la quantità di azoto dilavato è ingente: questo fatto è importante non solo per l'apporto di azoto al terreno ma anche perché è il meccanismo di disinquinamento naturale dell'aria dai composti azotati e uno dei mezzi di apporto di azoto fissato all'idrosfera. ║ Fissazione atmosferica sintetica: si intende con questa dizione la fissazione di ossigeno atmosferico che viene operata dall'uomo sintetizzando un prodotto opportuno (ad esempio ammoniaca) a partire da azoto atmosferico. Si tratta di una voce estremamente importante; la quantità di azoto annualmente fissata per questa via supera già i 30 milioni di tonnellate per anno ed è in vertiginoso aumento, dato che si raddoppia ogni sei anni circa. Si prevede che nell'anno 2000 la quantità di azoto fissata dall'uomo si aggirerà sui 100 milioni di tonnellate per anno; ciò costituirà circa 2/3 del totale dell'azoto fissato. Da questi dati è facile comprendere quali gravi problemi di ordine ecologico porrà una simile situazione, e la preoccupazione che già oggi molti ecologi nutrono sulle profonde conseguenze che una simile alterazione del ciclo dell'azoto può provocare. D'altra parte il vertiginoso aumento della popolazione umana spinge alla ricerca di una sempre maggior produzione agricola e quindi a uno sfruttamento sempre più spinto del terreno, con la necessità di fornire a questo un apporto di sostanze azotate sempre maggiore. Si può veramente affermare che se il problema della fame nel mondo non si è ancora presentato in termini catastrofici, il merito è della sempre maggiore diffusione della pratica della concimazione, che ormai è basata essenzialmente sui concimi sintetici. Ad onor del vero occorre dire che il più importante metodo di fissazione dell'azoto atmosferico per via industriale fu frutto della necessità di azoto fissato per la fabbricazione di esplosivi. Il processo di sintesi dell'ammoniaca (V.) dagli elementi, secondo la reazione:

N₂ + 3H₂ → 2 NH₃

fu sviluppato nel periodo immediatamente antecedente alla prima guerra mondiale dai tedeschi Haber e Bosch. Questo processo ebbe una grande spinta dalla guerra in quanto ai quei tempi l'unica fonte di ammoniaca era la distillazione del carbon fossile, mentre l'unica fonte di azoto nitrico era il nitro del Cile, di difficile approvvigionamento nel corso degli eventi bellici. Il processo venne poi ripreso in Francia, soprattutto ad opera di G. Claude che applicò all'impianto di sintesi un impianto di frazionamento dell'aria per distillazione frazionata dall'aria liquida. Oggi la preparazione dell'ammoniaca è effettuata ancora secondo lo stesso processo, che consiste nel comprimere la miscela stechiometrica di azoto e idrogeno, detta gas di sintesi, a pressioni molto elevate (350-1.000 atmosfere) e nel farla passare poi in un reattore a pressione ove viene riscaldata a circa 500 °C prima di essere portata a contatto con un opportuno catalizzatore. La reazione non è completa e all'uscita del reattore si separa l'ammoniaca prodotta condensandola e si riciclano i gas non reagiti. Modernamente, anziché preparare separatamente l'azoto per distillazione dell'aria liquida e l'idrogeno per elettrolisi dell'acqua, cracking di idrocarburi, frazionamento del gas d'acqua e del gas illuminante si prepara direttamente il gas di sintesi partendo da idrocarburi (metano, frazioni di C5, nafte non direttamente utilizzabili come combustibili o lubrificanti, petrolio grezzo, ecc.) e aria atmosferica, in un unico impianto. Dal punto di vista di un bilancio energetico, la sintesi dell'ammoniaca è una reazione esotermica, che avviene quindi con svolgimento di energia (che può essere recuperata nell'impianto industriale). Per ogni mole di ammoniaca si liberano infatti per effetto della reazione sopra scritta circa 11,6 kcal, pari a circa 840 calorie per kg di azoto fissato. Il frazionamento dell'aria o comunque qualsiasi altro metodo per avere allo stato puro l'azoto da fissare è relativamente poco costoso dal punto di vista energetico; lo stesso discorso non vale però per l'idrogeno. Se si fa un bilancio energetico completo di quanto costa la produzione di un chilo di azoto fissato a partire da azoto atmosferico, si trova che occorrono circa 6.000 kcal. Un simile valore dice che il processo di sintesi di ammoniaca è un inconveniente metodo di fissazione dell'azoto, in quanto la quantità di energia spesa per fissarlo è non molto maggiore di quella teoricamente calcolabile per una simile operazione. D'altra parte anche la sintesi biologica non può sottrarsi alle leggi della termodinamica, onde la fissazione dell'azoto avverrà con distribuzione di un qualche genere di "combustibile" (ad esempio dei glucidi) in quantità corrispondente ai valori energetici sopra riportati. Queste considerazioni riportano il problema della disponibilità di azoto atmosferico in grandi quantità al problema della disponibilità di quantità altrettanto grandi di energia a basso costo e dell'esaurimento delle fonti di energia. La produzione di ammoniaca sintetica è il più importante metodo di fissazione dell'azoto che l'uomo abbia sviluppato, ma non è l'unico. Quantità notevoli di azoto vengono anche fissate per produrre la calciocianammide (V.), un composto avente formula CaCN₂ che si forma inviando azoto molto caldo (circa 1.000°C) su carburo di calcio CaC₂ finemente polverizzato. La calciocianammide è usata come fertilizzante azotato; infatti a contatto con il terreno umido essa libera ammoniaca e carbonato di calcio, che è inerte. Questo azoto ammoniacale viene poi trasformato in azoto nitrico per azione di microrganismi nitrificanti. Per quanto riguarda l'ammoniaca sintetica prodotta, una parte di questa viene devoluta alla fabbricazione di prodotti chimici diversi dai fertilizzanti (ad esempio materie plastiche); la maggior parte però è impiegata come concime. Sta oggi prendendo piede l'impiego dell'ammoniaca in soluzione o addirittura liquefatta come concime liquido per irrorazione. La maggior parte dell'ammoniaca è però ancora trasformata in sali di ammonio o acido nitrico, in modo da avere fertilizzanti solidi quali il solfato di ammonio, il nitrato di calcio, il nitrato di ammonio, il fosfato di ammonio, ecc.; come si vede, la concimazione viene fatta abbastanza indifferentemente o con azoto ammoniacale o con azoto nitrico o con i due in miscela. ║ Fissazione di azoto iuvenile: è ancora una fissazione atmosferica naturale, ma ha un carattere alquanto particolare; opera non su ossidi di azoto formati per scariche elettriche, ma su ossidi di azoto presenti nell'atmosfera in quanto prodottisi nella litosfera per decomposizione di rocce ignee composte in parte di nitrati. L'emissione di azoto in forma di ossidi avviene soprattutto attraverso bocche vulcaniche; questi ossidi vengono poi dilavati dalle piogge e ricadono al suolo in forma di acido nitrico sciolto nell'acqua piovana. ║ Denitrificazione: è il fenomeno inverso dell'a. cioè la liberazione di azoto già fissato che viene restituito in forma molecolare all'atmosfera. In realtà questo termine significa solo riduzione dell'azoto nitrico ad azoto ammoniacale o molecolare; fra i due fenomeni però prevale in generale quest'ultimo. La denitrificazione del terreno e delle acque può avvenire con meccanismi di tipo chimico o con meccanismi di tipo biologico, ad opera di microrganismi denitrificanti. In presenza di particolari condizioni di basicità o in certi ambienti riduttivi, l'azoto nitrico può comportarsi da ossidante nei confronti di altre sostanze, trasformandosi in azoto molecolare che ritorna all'atmosfera. Questo tipo di denitrificazione appare però poco importante rispetto alla denitrificazione biologica, operata da certi microrganismi, quali ad esempio il Clostridium welchii e l'Escherichia coli. Questi operano la denitrificazione solo se si trovano in ambiente completamente anaerobico; in presenza di ossigeno infatti essi ricavano una maggior quantità di energia ossidando sostanze mediante ossigeno molecolare che non mediante ossigeno combinato con azoto nitrico. Le zone in cui si hanno condizioni anaerobiche sono però alquanto diffuse: si pensi alle paludi, alle tundre, alle acque calme, ecc., oltre che agli strati profondi del terreno. Una forte perdita di azoto fissato si ha indubbiamente per un cattivo trattamento dei rifiuti, soprattutto organici, da parte dell'uomo. Questi rifiuti, sempre ricchi di azoto, dovrebbero essere restituiti al terreno come concimazione. In realtà, mentre un tempo i trattamenti delle acque luride di città avvenivano con la tecnica delle marcite, che rendeva al terreno quasi tutti i composti azotati, oggi si usano tecniche diverse. La più usata è lo scarico delle acque luride in fiume o canale. Questo provoca un abbassamento del tenore di ossigeno nel fiume, in quanto i batteri aerobici operano la decomposizione delle sostanze organiche mediante l'ossigeno sciolto nell'acqua. Se però lo scarico è massiccio, è inevitabile che si instaurino delle condizioni anaerobiche o di ossigenazione insufficiente dell'acqua, cosicché intervengono anche delle decomposizioni anaerobiche che operano una riduzione di azoto combinato con produzioni di notevole quantità di azoto molecolare. Questo significa una perdita netta di azoto, senza contare le grandi conseguenze di ordine ecologico quali la distruzione delle acque di fiume e costiere, l'inquinamento delle falde freatiche, l'eutrofizzazione di certi bacini chiusi e con scarsa comunicazione con gli oceani. È molto difficile una stima di quantitativi di azoto perso per denitrificazione: stime recenti parlano di 80-85 milioni di tonnellate di azoto per anno complessivamente. Si deve però tener conto che una parte di questo azoto viene immesso nell'atmosfera non in forma molecolare ma in forma solubile (ad esempio ammoniaca) e quindi ritorna sulla terraferma e sulle acque con le piogge. Nel complesso però la denitrificazione non è un fenomeno dannoso, anzi è essenziale per la regolarità del ciclo dell'azoto. Negli ultimi anni del secolo scorso molti scienziati, dopo la scoperta dei microrganismi denitrificanti, avanzarono fosche previsioni sul futuro andamento della produzione agricola mondiale ed invocarono lo sviluppo di metodi artificiali di fissazione dell'azoto, unico mezzo per impedire che i terreni coltivati si impoverissero tanto di azoto da diventare sterili. Oggi le preoccupazioni degli ecologi sono dirette in senso opposto. Dai più recenti studi effettuati sembra che la quantità annua di azoto che viene fissata sia sensibilmente superiore a quella che viene liberata dalla denitrificazione soprattutto per il pesante intervento della fissazione biologica dovuta all'estendersi delle coltivazioni di leguminose. Gli ecologi stanno oggi ponendo il problema di come sia possibile conciliare la maggiore richiesta di azoto fissato per sopperire alle sempre maggiori necessità di non intervenire con profonde alterazioni del ciclo dell'azoto, al cui corretto svolgimento è legata la sopravvivenza dell'umanità a lungo termine.