Light-driven nitrogen fixation catalyzed by nanomaterials: link between PNF and BNF

Resumo

A fixação fotocatalítica de nitrogênio (FFN) e a fixação biológica de nitrogênio (FBN) representam duas estratégias típicas no ciclo do nitrogênio, cada uma desempenhando um papel crítico na conversão do nitrogênio atmosférico (N₂) em formas biodisponíveis. A FFN utiliza energia luminosa para reduzir N₂ em amônia (NH₃) e nitrato, enquanto a FBN depende de microrganismos fixadores de nitrogênio para converter N₂ em NH₃ via nitrogenase. Apesar de seus mecanismos divergentes, os insights dos processos naturais da FBN são inestimáveis para o avanço da FFN. Por exemplo, a estrutura do cofator FeMo (o núcleo catalítico da nitrogenase na FBN) inspirou pesquisadores a simular essa estrutura no desenvolvimento de fotocatalisadores inovadores. Notavelmente, o excelente desempenho de fixação de nitrogênio do sistema híbrido fotocatalisador-Azotobacter indica que a combinação de FFN e FBN tem um potencial promissor para sua exploração. Por outro lado, a FFN oferece novas perspectivas para aprimorar a FBN, como a utilização de energia solar e a otimização de catalisadores. A nanotecnologia conecta ainda mais esses campos, permitindo o design preciso de catalisadores e sistemas eficientes de entrega de elétrons, desempenhando um papel crucial no fornecimento de fertilizantes nitrogenados para a produção agrícola e apoiando a agricultura sustentável. Por fim, espera-se que a integração da FFN e da FBN estabeleça soluções ecologicamente corretas para o manejo global do nitrogênio.

Abstract

Photocatalytic nitrogen fixation (PNF) and biological nitrogen fixation (BNF) represent two typical strategies in the nitrogen cycle, each planning a critical role in converting atmospheric nitrogen (N2) into bioavailable forms. PNF utilizes light energy to reduce N2 into ammonia (NH3) and nitrate, while BNF relies on nitrogen-fixing microorganisms to convert N2 into NH3 via nitrogenase. Despite their divergent mechanisms, insights from natural processes of BNF are invaluable for the advancement of PNF. For instance, the structure of the FeMo cofactor—the catalytic core of nitrogenase in BNF—has inspired researchers to simulate this structure in the development of innovative photocatalysts. Notably, the excellent nitrogen fixation performance of the photocatalyst-Azotobacter hybrid system indicates that the combination of PNF and BNF has promising potential for exploration. Conversely, PNF offers novel perspectives for enhancing BNF, such as solar energy utilization and catalyst optimization. Nanotechnology further bridges these fields by enabling precise catalyst design and efficient electron delivery systems, playing a crucial role in the supply of nitrogen fertilizers for agricultural production and supporting sustainable agriculture. Ultimately, the integration of PNF and BNF are expected to establish eco-friendly solutions for global nitrogen management.