Báo cáo quá trình tồn lưu và vận chuyển các hợp chất của nitơ trong môi trường

TRUONG DAI HOC QUOC GIA HA NOI TRUONG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN BÁO CÁO QUÁ TRÌNH TỒN LƯU VÀ VẬN CHUYỂN CÁC HỢP CHẤT CỦA NITƠ TRONG MOI TRUONG Nhóm thực hiện: nhóm 4 Các thành viên: N

TRUONG DAI HOC QUOC GIA HA NOI TRUONG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN

BÁO CÁO QUÁ TRÌNH TỒN LƯU VÀ VẬN CHUYỂN CÁC HỢP CHẤT CỦA NITƠ

TRONG MOI TRUONG

Nhóm thực hiện: nhóm 4 Các thành viên:

Nguyễn Thị Thu Hoàn

Đỗ Thúy Hằng Mạc Thị Thanh Thư Nguyễn Thị Thương Thương

Hà Nội ngày 11 thang 11 nam 2018

ID

ID

IV)

V)

VD

MỤC LỤC

CAC DANG TON TAI CUA HOP CHAT NITO'TRONG MOI TRUONG 1

VAI TRÒ CHÍNH CỦA CÁC HỢP CHẤT NITƠ -.-.c 22c 722222222 cà: 1

NGUON THAI CHÍNH CỦA CÁC HỢP CHẤT NITƠ ccccSc 2S 2

QUÁ TRÌNH CHUYỂN HÓA CÁC HỢP CHẤT CỦA NITƠ 3

1 CHU TRÌNH SINH ĐỊA HÓA CỦA CÁC HỢP CHẤT NITƠ 3

2 CHU TRINH CHUYEN HOA NITƠ TRONG NƯỚC cằẰ 7

3 CHU TRÌNH HỢP CHẤT NITƠ TRONG KHÔNG KHÍ 10

TÁC HẠI CỦA CÁC CHẤT THẢI ĐẾN HỆ SINH THÁI 10

1 ANH HUONG DEN SUC KHỎE CON NGƯỜI ccc c2 22c: 10

2 ẢNH HƯỞNG ĐẾN HỆ SINH THÁI c c2 2222111212251 115Es+2 11

KET LUAN 0.00 cccccccccccccccccccccececuteeecneeeceteseceeecuueeecuneessuneeseneeeaes 13

1)

QUA TRÌNH TỒN LƯU VÀ VẬN CHUYỂN CỦA CÁC HỢP CHẤT NITƠ

TRONG MÔI TRƯỜNG

CÁC DẠNG TỒN TẠI CỦA CÁC HỢP CHẤT NITƠ TRONG MOI TRUONG Oda kiện bình thưởng, nitơ là một chất khí không màu, không mùi, không vị, khá trợ v`ềmặt hóa học, t ân tại dưới dạng phân tử, còn gọi là đạm khí.[2]

Hợp chất hữu cơ chứa nitơ là một ph cấu thành phân tử protein hoặc thành ph ân phân hủy protein như các peptit, axit amin, urê|4]:

ID

Amoniac (NH;): là một hợp chất quan trọng giữa N và H, có tính bazơ trong dung dịch tạo ra các cation amoni (NH¿')

Sự thủy phân uré: CO(NH2)2 + 2H20 -> (NH4)2COs

(NHa4)2COs3 -> 2NH3 + CO2 + H20

Nitrit(NO,): la san phaim trung gian cla qua trinh oxy hóa amoniac hoặc nito amoni trong đi âi kiện hiếu khí nhờ các loại vi khuẩn Nitrosomonas Sau đó nitrit hình thành tiếp tục được vi khuẩn Nitrobacter oxy hóa thành nitrat Là một hợp chat khong bh

NH," + 1.502 NO + H2O + 2H"

NO; + 0.502 -> NO3"

NH¿' + QO: -> NO3 + H20 + 2H*

Nitrat(NO;): la dang hop chat vé co’ ctia nito cé héa tri cao nhat Cac herp chất nitrat hữu cơ như: thuốc nd TNT

Cac oxit: N20, NO, NOQz, N203 N2Os.[2]

Cac axit trong ứng: HNO; ( axit nitro’), HNO; ( axit nitric)

VAI TRO CHÍNH CỦA CÁC HỢP CHẤT NITƠ|4]

Nitơ chiếm khoảng 78% khí quyển trái đất và là thành ph*n không thể thiếu của mọi cơ thể sống Nitơ là một tác nhân làm lạnh, có thể làm cứng ngay lập tức các mô sống khi tiếp xúc với nó, khả năng duy trì nhiệt độ tốt

Các muối của axit nitric ø`ân nhi `âi hợp chất quan trọng như diêm tiêu, thuốc súng và nitrat amoni — một loại phân bón hóa học quan trọng

Các hợp chât nitơ hữu cơ như nitroglyxerin hay nitrotoluen được sử dụng làm thuốc nổ

Nitơ là một ph không thể tách rời của vật chất sống Khi một cây tr ông hay một động vật chết đi, lượng nitơ của chúng hòa vào trong đất, và sau đó, lượng nitơ

Dae

này cũng nuôi dưỡng thực vật và hòa vào trong các thực thể sống trong nước

HD NGUON THAI CHINH CUA CÁC HỢP CHẤT NITƠ

Nitơ tần tại ở nhi ầi dạng hợp chất hóa học tham gia và chuyển héa trong nhi & qua trình, quan trọng hơn cả là chuyển hóa giữa các dạng hợp chất vô cơ và hữu cơ chứa nitơ

Hoat động tự nhiên

© 1936 #usgeaoaeia Evi14eica, lrcc,

Hình 1 Chu trình sinh địa hóa của nitơ

1) TỰ NHIÊN

Trong môi trưởng nước tự nhiên, các hợp chất amoniac (NH:), hợp chất hữu cơ chứa nitơ: khí nitơ (N;), nitrat (NOz) và nitrit (NOz) có ng độ không đáng kể, tuy vậy chúng là ngu ôn nitơ cho ph lớn sinh vật trong đất và nước Vi sinh vật sử dụng ngu ồn nitơ kể trên vào quá trình tổng hợp axit amin, protein, tế bào và chuyển hóa năng lượng Trong các quá trình đó, hợp chất nitơ thay đổi hóa trị và chuyển hóa thành các hợp chất hóa học khác nhau

Nitơ cũng được cố định tự nhiên là NOx bởi sét, trong đó N phản ứng tương đối xa các vùng của tầng đối lưu [1]

2) NHAN TAO

Các hợp chất được tạo ra do các hoạt động của con người Ngu ôn phát thải hợp chất nitơ vào môi trưởng rất phong phú: từ các chất thải rắn, khí thải, nước thải nhưng quan trọng nhất là tử ngu n phân và chất bài tiết trong nước thải sinh hoạt

IV)

Ngu ền nước thải từ sinh hoạt g ân: nước vệ sinh tắm, giặt, nước rửa rau, thịt,

cá, nước tử bể phốt, tử khách sạn, nhà hàng, các dịch vụ công cộng như thương mại, bến tàu xe, bệnh viện, trưởng học, khu du lịch, vui chơi, giải trí, Chúng thưởng được thu gom vào các kênh dẫn thải Trong nước thải, các hợp chất của nitơ tên tại dưới 3 dạng: các hợp chất hữu cơ, amoni và các hợp chất dạng ôxy hoá (nitrit và nitrat) [rong nước thải sinh hoạt nitơ tôn tại dưới dạng vô cơ (65%) và hữu cơ (35%) Ngu n nitơ chủ yếu là từ nước tiểu Mỗi người trong một ngày xả vào hệ thống thoát nước 1,2 lít nước tiểu, tương đương với 12 g nitơ tổng số Trong số đó nitơ trong urê ((NH;)CO) là 07g, còn lại là các loại nitơ khác [4]

Việc sử dụng phân bón nitơ trong nông nghiệp Rò rỉ từ việc sử dụng phân bón N góp phần tăng hàm lượng nitrat (NO; ) trong nước, đất nông nghiệp

và khí thải của các hợp chất N2 đến b`âi không khí Phát thải, chủ yếu là amoniac (NH;) tử đất, tử sự sản xuất amoniac, rò rỉ tử hệ thống làm lạnh sử dụng amoniac cùng các ôxít nitơ (NOx) tử quá trình đốt cháy hóa thạch nhiên liệu bằng động cơ đốt trong và hoạt động công nghiệp, bao g ồn cả sản xuất điện, đóng góp vào khí quyển, được vận chuyển giữa các quốc gia và được

xử lý trong khí quyển, tạo ra các chất gây ô nhiễm thứ cấp bao g ẵn ôzôn và các chất oxy hóa quang học, đặc biệt là amoni nitrat (NHaNO;) va amoni sulfat (NH2);SO.).[ 1]

Vận tải đường sông (NO;) đóng góp đến vùng biển ven bở và đại dương, cùng với đầi vào đại dương từ lắng đọng khí quyển kết hợp với cố định đạm sinh học biển để tăng hàm lượng Ñạ trong đại đương.[1]

QUÁ TRÌNH CHUYỂN HÓA CÁC HỢP CHẤT CỦA NITƠ

1) CHU TRÌNH SINH ĐỊA HÓA CỦA CÁC HỢP CHẤTT NITƠ [2]

Hợp chất nitơ vô cơ đơn giản và đẦn tiên hết là nitơ tự do trong không khí Nitơ vô

cơ này chuyển hóa thành nitơ hữu cơ nhờ quá trình cố định nitơ của vi sinh vật, thực vật Trong cơ thể sinh vật, nitơ tê tại chủ yếu dưới dạng các hợp chất đạm hữu cơ như protein, acid amin Khi cơ thể sinh vật chết đi lượng nitơ hữu cơ này tôn tại trong đất Dưới tác dụng của nhóm vi sinh vật hoại sinh thực hiện quá trình amon hóa phân giải thành các acid amin Các acid amin này lại được một nhóm vi sinh vật phân giải thành ammoniac Ammoniac tiếp tục được chuyển hóa thành các hợp chất

thanh nito’ phan ttr nho qua trinh phan nitrate héa tra lai nitơ tự do cho khí quyển

Như vậy, vòng tu ân hoàn nitơ được khép kín Trong hân hết các giai đoạn chuyển

hóa của vòng tu Ân hoàn đ ầi có sự tham gia của các vi sinh vật khác nhau Nếu sự

hoạt động của nhóm nào đó ngửng lại, toàn bộ sự chuyển hóa của vòng tu %h hoàn

sẽ bị ảnh hưởng rất nghiêm trọng

Nitơ khí quyển

Nitrat tổng hợp hóa học Denitrat hó Nitơ cố định bằng vi

Denitrat héa

Nitơ trong vật chất hữu cơ Nitơ cố định như NH; trong protein bằng hóa học

Nitrosmonas

NO, +<—_

Nitrobacter

Hình 2 Chu trình Nitơ

a) Quá trình amon hóa

Quá trình amon hóa là quá trình oxy hóa các hợp chất nitơ hữu cơ như acid

amin, protein, ure thành nitơ vô cơ, CO¿ và nước Quá trình amon hóa bao g ‘Gn 2

quá trình

Amon héa ure

Ure cé trong thanh ph% nue tiéu cla ngudi va déng vat, chiém khoang 22%

nước tiểu Trong công thức cấu tạo, ure chứa tới 46,6% nmitơ, vì thế nó là ngu ồn đinh

dưỡng đạm tốt với cây tr Ông

urease được tạo ra bởi các vi sinh vật, ure sẽ phân hủy tạo thành muối carbonat amoni Sau đó, carbonat amoni được chuyển hóa thành NH3, CO2 và H2O bằng một phản ứng hóa học thông thương

(NH;z;CO+2HO ——XNH¿)CO: (giai đoạn 1)

(NH¿;CO; ———*2NH; + CO¿;+ HạO (giai đoạn 2)

Một số loài vi sinh vật tiết enzyme urease có hoạt tính phân giải cao như Bacillus amylovorum, planosarcina ureae, Micrococcus ureae Đa số chúng thuộc nhóm hiếu khí hoặc ky khí không bắt buộc, chúng ưa pH trung tính hoặc hơi ki ên Bởi vậy khi sử dụng ure làm phân bón người ta kết hợp với bón vôi, đồng thời xới xáo làm thoáng đất

Amon hóa protein

Protein là thành phần quan trọng của tế bào sinh vật Khi sinh vật chết đi, protein được tích lũy trong đất Protein chứa 15 — 17% nitơ nhưng cây tr ng không thể hấp thụ trực tiếp protein mà phải thông qua quá trình amon hóa Quá trình này có thể xảy ra trong đi 'âi kiện hiếu khí hoặc ky khí nhờ nhóm vi sinh vật phân hủy protein

có kha nang tiét ra enzyme protease bao g tm proteinase va peptidase Enzyme protease xúc tác quá trình thuỷ phân liên kết liên kết peptide (-CO-NH-)n trong phân

tử protein, polypeptide tạo sản phẩm là acid amin

Dưới tác dụng của enzyme proteinase phân tử protein sẽ được phân giải thành các polypeptide và oligopeptide Các chất này hoặc tiếp tục phân hủy thành các axit amin nhở enzyme peptidase ngoại bào hoặc được tế bào vi khuẩn hấp thụ r`ổ sau đó được phân hủy tiếp thành các acid amin trong tế bào Một phẦn các axit amin được

tế bào vi khuẩn sử dụng để tổng hợp protein tạo sinh khối Một ph các acid amin theo các con đường phân giải khác nhau để sinh NH:, CO; và các sản phẩm trung gian khác Với các protein có chứa Š, nhở enzyme desulfurase của nhóm vi khuẩn lưu huỳnh và các nhóm dị dưỡng hiếu khí khác, sẽ bị phân hủy tạo H;S, scatol, indol hay mercaptan

Trong đi âi kiện hiếu khí, các acid amin bị vô cơ hóa tạo sản phẩm là amoniac, carbonic và nước Trong đi`âi kiện ky khí lại điễn ra quá trình khử amin tạo nhi ên loại hợp chất hữu cơ như axit hữu cơ, rượu, HạS và các sản phẩm bốc mùi khó chịu như indol và scatol Khử amin có thể xảy ra theo một trong những phương thức sau:

R - CH(NH;)COOH —>› R - CHCOOH + NH;

R - CH(NH,)COOH +H;O—› R —- CH;OH - COOH + CO;+ NH;

R - CH(NH,)COOH + 1⁄2 Oz—> R - CÔ - COOH + NH;

R — CH(NH2)COOH + O2 — R - COOH + CO; + NH;

R — CH(NH2)COOH +H20 — R- CO — COOH +NH: + 2H

Vi khuan: Bacillus mycoides, B mesentericus, B.subtilis, Pseudomonas fluorescens

Xa khuan: Streptomyces rimosus, S griseus

Vi nam Aspergillus oryzae, A flavour, A niger, Penicilium camemberti

Vi sinh vat yém khi :

Vi khuan Clostridium sporogenes, Clostridium putrificum

Vi sinh vật hiểu khí tùy tiện

Vi khuan Proteus vulgaris, Bacillus coli

b) Quá trình Nitrate hóa

Sau quá trình amon hóa, NH; được hình thành một ph được thực vật hấp thụ, một phần kết hợp với các hợp chất trong đất tạo thành các muối amon với Ion NHa+ Một

ph & muối amon cũng được cây tr Ông và vi sinh vật hấp thụ, một ph ân được oxy hóa thành nitrate Quá trình nitrate hóa bao ø ân 2 giai đoạn: nitrite hóa và nitrate hóa Giai doan nitrite hóa

La quá trình oxy hóa NH¿r+ tạo thành NOz- được tiến hành bởi các vi khuẩh nitrate hóa thuộc nhóm tự dưỡng hóa năng, có khả năng oxy hóa NH4+ bằng oxy không khí

và tạo ra năng lượng

NH4” + 3/2 Ó; —› NOz+ H;O + 2H + Năng lượng

Năng lượng dùng để đ êng hóa CO2 tạo ra carbon hữu cơ Enzyme xúc tác cho quá trình này là các enzyme của quá trình hô hấp hiếu khí Nhóm vi sinh vat nitrite héa bao g 4m 4 chi khdc nhau: Nitrosomonas, Nitrozocystis, Nitrozolobus, Nitrosospira

Giai đoạn nitrate hóa

NO2- tạo thành tiếp tục được oxy hóa thành NO3- bởi nhóm vi khuan nitrate Day cũng là các vi khuẫn tự dưỡng hóa năng, thực hiện phản ứng oxi hóa nitrite để cung cấp năng lượng cho quá trình đ ng hóa Năng lượng CO2

NO; + 44 OQ > NOs

Nhom vi khuah nitrate g Gm 3 chi khac nhau: Nitrobacter, Nitrospira, Nitrococcus Ngoài nhóm vi khuẩn tự dưỡng hóa năng nói trên, trong đất còn có một số loài vi sinh vật dị dưỡng cũng tiến hành quá trình nitrate hóa Đó là loài vi khuẩn và xạ khuẩn thuộc các chi Pseudomonas, Corynebacterium, Streptomyces

c) Qua trinh phan nitrate

1/5NO; + 4{CH2O0} + 1/5H' - > 1L/10N; + 1⁄4CO; + 7/20H20 [3]

Các hợp chất đạm dạng nitrate ở trong đất rất dễ bị khử thành nitơ phân tử Quá trình này gọi là quá trình phản nitrate hóa được thực hiện trong đi âi kiện ky khí nhờ các vi sinh vật phản nitrate hóa Khi đó, NOz- là chất nhận điện tử cuối cùng trong chuổi hô hấp ky khí và năng lượng tạo thành dùng để tổng hợp nên ATP cho tế bào Nhóm vi khuẩn thực hiện quá trình phản nitrate hóa phân bố rộng rãi trong đất Thuộc nhóm tự dưỡng hóa năng cé Thiobacillus denitrificans, hydrogenomonas agilis .thuộc nhóm dị dưỡng có Pseudomonas denitriicans, Micrococcus

denitrificanas, Bacillus licheniformis Trong các môi trưởng tự nhiên ngoài quá trình phản nitrate sinh học nói trên còn có quá trình phản nitrate hóa học không có sự tham gia của vi sinh vật thưởng xảy ra ở pH < 5.5

d) Quá trình cố định Niơ

Quá trình cố định nitơ sinh học là một quá trình khử nitơ thành NH3 dưới tác dụng enzyme cla enzyme nitrogenase ctia vi sinh vat Day 1a qua trinh quan trọng nhất để chuyén hóa nitơ vô cơ thành nitơ hữu cơ

Có 3 nhóm vi sinh vật có khả năng cố định nitơ: Nhóm cộng sinh với cây họ đậu, nhóm sống tự do trong đất và nhóm tảo Trong đó, góp phẦn quan trọng nhất là nhóm Rhizobium sống cộng sinh với cây họ đậu Cơ chế của quá trình cố định nitơ

cn enzyme nitrogenase của vi sinh vật, leghemoglobin của thực vật và năng lượng

tế bào

Ñ¿ + 6e+ 12ATP+ 12HO —> 2NH¿„+ + 12ATP + 12P + 4H+ Nitrogenase Nitrogenase bao s ần 2 thành phần khác nhau, một ph ân g Gm protein va Fe, một phần g ồn protein, Fe, Mo Electron của chất khử sẽ đi vào thàh phần thứ nhất của nitrogenase (ph %n chia protein va Fe) sau đó được chuyểh sang thành ph thứ hai, qua đó electronic được hoạt hóa có thể phản ứng với nitơ Nitơ cũng đi qua hai thành ph của nitrogenase và được hoạt hóa Hydro được hoạt hóa nhờ các enzyme của hệ thống hydrogenase

Năng lượng dùng trong quá trình này là ATP của tế bào Cuối cùng NH:; được hình thành NH; được hình thành đến một mức độ nào đó sẽ ki`ên hãm sự họat động của Nitrogenase, nó chính là yếu tố đi âi hòa hoạt tính của enzyme

2) CHU TRÌNH CHUYỂN HÓA NITƠ TRONG NƯỚC|2]

^^

Trong môi trưởng nước, nitơ có thể t ồn tại dưới dạng hợp chất vô cơ, hữu cơ hòa tan hay không hòa tan Các hợp chất vô cơ quan trọng của nitơ là NH:, NH¿+, NOz-, NO:-

Hình 3 Chu trình nitơ trong nước

Nitơ dạng khí có được chủ yếu là sự khuếch tán tử ngoài không khí vào hay còn có thể được hình thành trong quá trình phản nitrate hóa Các dạng hợp chất vô cơ hòa tan có được là do quá trình phân hủy các hợp chất hữu cơ, nitơ lắng đọng dưới dạng hợp chất Albumine dưới tác dụng của vi sinh vật, đạm albumine sẽ biến thành dạng dam ammoniac (NH:) và ammoniac sẽ hòa tan vào nước hình thành NHa+ Sau đó, NH: và ion NHa+ sẽ biến thành dạng đạm nitrite(NO2z-) và nitrate (NO:-) nhớ hoạt động của vi khuẩn nitrite và nitrate hóa Thực vật có thể hấp thu nhi`âi dạng đạm nói trên nhưng hấp thu NH¿+ và NO›- là tốt nhất, mỗi loài thực vật ưa một dạng đạm khác nhau Một số loài vi khuẩn và tảo lại có khả năng sử dụng nitơ phân tử nhờ quá trình cố định mtơ

H3 hết đạm NO được vi sinh vật, thực vật thủy sinh sử dụng cho các quá trình sinh trưởng và phát triển của chúng, sau đó bị lắng tụ ở bùn đáy Đạm chứa trong tảo bị ăn bởi động vật phù du và các ấu trùng, động vật đáy khác Hai quá trình yếm khí là cố định nitơ và phản nitrate do tảo lam và vi khuẩn thực hiện, trong đó, quá trình phản nitrate hâi như xảy ra trong tầng đáy ở vùng cửa sông hay đất ngập nước Các chất đạm hữu cơ trong môi trường nước hiện diện trong cơ thể thực vật, động vật, xác bã hữu cơ lơ lửng hoặc hòa tan

Quá trình amon hóa các hợp chất hữu cơ chứa nitơ trong môi trưởng nước diễn ra tương đối mạnh mẽ trong cả đi âu kiện hiếu khí lẫn ky khí Trong đi `âi kiện hiếu khí, các hợp chất hữu cơ được chuyển hóa hoàn toàn thành các hợp chất vô cơ, giúp làm sạch môi trường nước Trong đi kién ky khí, các acid amin không được vô cơ