Der Haber-Prozess ist eine chemische Reaktion, bei der zweiatomiges Stickstoffgas mit Wasserstoffgas zu Ammoniak reagiert. Die Reaktionsgleichung lautet: N2 + 3H2 --> 2NH3. Obwohl diese Reaktion täuschend einfach aussieht, erzeugt das Haber-Verfahren Ammoniak nur unter hohen Druck- und Temperaturbedingungen in der Größenordnung von 200 Atmosphären und 400 Grad Celsius. Eisenoxide oder Osmium können als Katalysatoren wirken, um die Reaktion zu beschleunigen.
Im Bereich der Mikrobiologie haben bestimmte Bakterien die Fähigkeit entwickelt, atmosphärischen Stickstoff in Ammoniak umzuwandeln. Diese stickstoffbindenden Bakterien leben im Boden sowie in Knöllchen an den Wurzeln von Hülsenfrüchten und anderen Pflanzen. Diese Bakterien haben eine ausgeklügelte Strategie entwickelt, die es ihnen ermöglicht, Stickstoffgas bei viel niedrigeren Temperaturen und Drücken als beim Haber-Verfahren in Ammoniak umzuwandeln.
Stickstofffixierende Bakterien sind auf einen enzymatischen Komplex namens Nitrogenase angewiesen, um die Dreifachbindung, die N2 zusammenhält, aufzuspalten und jedes Stickstoffatom mit Wasserstoff zu reduzieren, um Ammoniak zu bilden. Nitrogenase enthält Cluster aus Molybdän, Eisen und Schwefel, die diese mehrstufige Reaktion irgendwie koordinieren.
Obwohl die Details unvollständig verstanden werden, sind zwei Funktionen gut etabliert; Erstens funktioniert Nitrogenase ausschließlich in einer anaeroben Umgebung. Ein spezielles Eisen-Schwefel-Protein namens Shethna fängt freien Sauerstoff ein, um zu verhindern, dass es die Nitrogenase inaktiviert. Zweitens erfordert jedes in NH3 umgewandelte Mol N2 eine Zufuhr von 16 Molekülen ATP – eine enorme (aber letztendlich lohnende) Energieinvestition für ein einzelliges Bakterium.
