CHU TRÌNH CHUYỂN HÓA NITƠ

Đạm vô cơ trong thiên nhiên tồn tại dưới dạng muối nitrat, muối amon trong đất nước, đây là dạng đạm duy nhất mà thực vật sử dụng được mà động vật không sử dụng được.. Là quá trình N2 sẽ

TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP THỰC PHẨM HỒ CHÍ MINH KHOA CÔNG NGHỆ SINH HỌC VÀ KỸ THUẬT MÔI TRƯỜNG

NHÓM 12:

 NỘI DUNG CHÍNH

5 QUÁ TRÌNH PHẢN NITRAT HÓA

Tổng hợp

N 2

 Quá trình đồng hóa đạm vô cơ

Quá trình phản nitrat hóa

Quá trình này được thực hiện do thực vật và một số VSV Đạm vô cơ trong thiên nhiên tồn tại dưới dạng muối nitrat, muối amon trong đất nước, đây là dạng đạm duy nhất mà thực vật sử dụng được mà động vật không sử dụng được Với VSV, chỉ trừ loại chuyên kí sinh còn hầu hết tiêu thụ đạm vô cơ bằng cách hấp thụ chúng rồi chuyển chúng thành acid amin, protid, acid nucleic để xây dựng và đổi mới tế bào.

Là quá trình N2 sẽ chuyển thành nitơ ở dạng hợp chất hay là chuyển nitơ vô cơ thành nitơ hữu cơ

N2 chiếm thành phần lớn trong không khí với 78% là nguồn cung cấp Nitơ dồi dào cho vsv nhưng sử dụng không được nên nhờ tới vsv chuyển hóa N2 thành NH3 và NH4 để dễ dàng hấp thu

Những vsv này được gọi là vsv cố định đạm Chúng có khả năng cố định đạm thông trong điều kiện nhiệt độ và áp suất bình thường thông qua enzyme nitrogenaza Chúng được thành hai loại:

 Vi sinh vật cố định N2 (đạm) sống tự do

Azotobacter là vi khuẩn sống tự do, hô hấp hiếu khí, không có

bào tử, tế bào hình trứng Azotobacter dùng nito của không khí

để biến thành hợp chất nito của cơ thể sống Khi sống trong môi trường có đầy đủ thức ăn thì tác dụng cố định nito sẽ rất thấp

Vi khuẩn Azotobacter

Vi khuẩn Azotobacter thích ứng ở pH 7,2 – 8,2, ở nhiệt độ 28 –

300oC, độ ẩm 40 – 60% Azotobacker đồng hóa tốt các loại đường đơn và đường kép, cứ tiêu tốn 1 gam đường gluco nó có khả năng đồng hóa được 8 – 18 mg N Ngoài ra Azotobacker còn

có khả năng tiết ra một số vitamin thuộc nhóm B như B1, B6…, một số acid hữu cơ như: acid nicotinic, acid pentotenic, biotin, auxin Các loại chất kháng sinh thuộc nhóm Anixomyxin

Azotobacter chroococcum: sinh sắc tố nâu đen, không tan trong nước, đồng hóa tinh bột, mantiol, ramnoza có chu

mao, GX (trong AND) là 65-66%

Azotobacter beijerinckii: sinh sắc tố nâu vàng, không tan

trong nước, không đồng hóa tinh bột, mantiol, ramnoza có chu mao, không di động, GX: 66%

Azomonas agilis: sinh sắc tố huỳnh quang màu trắng, tan

trong nước, không đồng hóa tinh bột, mantiol và ramnoza có chu mao, GX: 53-54%, thường sống trong nước ngọt

Azomonas macrocytogenes: sinh sắc tố huỳnh quang màu trắng, tan trong nước, không đồng hóa tinh bột và ramnoza, đơn mao, GX: 58-59%

Vi khuẩn Beijerinskii

Vi khuẩn Beijerinskii có khả năng đồng hóa tốt các loại đường đơn, đường

kép, cứ tiêu tốn 1 gam đường gluco nó có khả năng cố định được 5 – 10 mgN Khác với vi khuẩn Azotobacter, vi khuẩn Beijerinskii có tính chống chịu cao với acid, nó có thể phát triển ở môi trường pH= 3, nhưng vẫn phát triển ở pH

trung tính hoặc kiềm yếu, vi khuẩn Beijerinskii thích hợp ở độ ẩm 70 – 80% ở nhiệt độ 25 – 28 độ C Vi khuẩn Beijerinskii phân bố rộng trong tự nhiên, nhất

là ở vùng nhiệt đới và á nhiệt đới

Beijerinckia indica: khuẩn lọc màu hung hung hay màu hồng, không đồng hóa eritritol

Beijerinckia mobilis: khuẩn lạc màu nâu hổ phách, không đồng hóa

lactoza, di động mạnh.

Beijerinckia derxii: khuẩn lạc màu da bò, không di động, không đồng hóa eritritol, propanol và benzoat, không đồng hóa hoặc đồng hóa yếu axetat, butirat, fumarat, lactat.

trường thừa P, K, Ca và có tính ổn định với pH, nó có thể phát triển ở pH 4,5 – 9, độ ẩm thích hợp 60 – 80%, nhiệt độ 25-30 độ C -Vi khuẩn

Clostridium có rất nhiều loài khác nhau: Clostridiumbutyrium; Clostridium beijerinskii; Clostridium pectinovorum…

 Vi sinh vật cố định nitơ cộng sinh:

Vi khuẩn lam cố định nito cộng sinh: Anabaena asollae

cộng sinh trong bèo hoa dâu Bèo hoa dâu (Azolla) được dùng

làm phân xanh, làm thức ăn chăn nuôi Toàn bộ lượng nito trong protein của bèo là được cố định từ không khí nhờ các vi khuẩn

lam sống cộng sinh này

Vi khuẩn nốt sần họ đậu là Rhizobium có vai trò cố định nito

khi cộng sinh trong nốt sần

Khi cố định trong nốt sần cây họ đậu, các vi khuẩn Rhizobium hấp thụ nito không khí cung cấp nguồn nito vô cơ cho cây và cây đậu cung cấp cho chúng nguồn glucid do cây hấp thụ được trong đất Ngoài ra, chúng có thể đồng hóa muối amon, nitrat và nhiều loại acid amin Không sử dụng được tinh bột và Xenluloza Khuẩn lạc không màu hoặc màu trắng

Vi khuẩn Rhizobium

Là loại trực khuẩn gram âm không sinh nha bào, hảo khí Kích thước tế bào dao động 0,5 – 1,2 x 2,0 – 3,5 micrometre, khuẩn lạc thuộc nhóm S, nhày lồi, màu trắng trong hoặc trắng đục, kích thước khuẩn lạc dao động 2,3 – 4,5 mm sau một tuần nuôi trên môi trường thạch bằng Vi khuẩn Rhizobium có tiêm mao, có khả năng di động được, chúng thích hợp ở pH từ 6,5 – 7,5, nhiệt độ

25 – 28 độ C, độ ẩm 50 – 70% Khi già có một số loài tạo được nang xác, khuẩn lạc sẽ chuyển sang màu nâu nhạt Vi khuẩn

Rhizobium gồm nhiều loài khác nhau: Rh.Leguminosarum;

Rh.Phaseoli; Rh Trifolii; Rh Lupini; Rh Japonicum;

Rh.Meliloti; Rh Cicer; Rh.Simplese; Rh Vigna; Rh Robinii…

Hiện nay người ta tạm chia VKNS thành 4 nhóm lớn:

+ Sinorhizobiumfredy là những loài mà trong hoạt động sống của chúng

sản sinh ra axit, hay là chúng làm axit hóa môi trường.

+ Bradyrhizobium là những loài mà trong hoạt động sống của chúng sản

sinh ra chất kiềm, hay là chúng làm kiềm hóa môi trường.

+ Agrobacterium và Phyllobacterium, hai giống này là VKNS nhưng

không cộng sinh ở cây họ đậu, mà cộng sinh ở rễ-thân-kẽ lá cây rừng và

Nhóm vi khuẩn cố định nitơ phân tử hảo khí: Azotomonas insolita; Azotomonas fluorescens; Pseudomonas azotogenis; Azospirillum…

azospirillum Nhóm vi khuẩn cố định nitơ phân tử hảo khí không bắt buộc: Klebsiella

pneumoniae; Aerobacter aerogenes…

Klebsiella pneumoniae Aerobacter aerogenes Cytophaga

Nhóm vi khuẩn cố định nitơ phân tử kị khí quang hợp: Rhodospirillum

rubrum; Chromatium sp.; Chlorobium sp.; Rhodomicribium sp.,…

Nhóm vi khuẩn cố định nitơ phân tử kỵ khí không quang hợp:

Desulfovibrio desulfuricans; Methanobacterium sp…

Bacillus Desulfovibrio desulfuricans Methanobacterium

Xạ khuẩn : Một số loài thuộc giống: Actinomyces; Frankia; Nocardia;

Actinopolyspora; …

Nocardia Actinomyces

Actinopolyspora

Nấm: rhodotorula

Tảo – Vi khuẩn lam: Plectonema;; Anabaena azollae; Anabaena ambigua;

Anabaenacylindrica; Calothrix elenkii

Tảo lam (Cyanophyta)

Tảo lục (Chlorophyta)

Plectonema Plectonema

Anabaena azollae

Anabaena ambigua Actinopolyspora

Quá trình amon hóa là quá trình phân hủy, gây thối rữa các hợp chất hữu cơ có chứa nitơ do vi sinh vật gây ra

Quá trình amon hóa bao gồm 2 phần:

Amôn hóa urê

Amôn hóa protid

Arthrobacter Baccillus cereus

Tiêu biểu như các loài sinh vật sau: A.proteolytica, Arthrobacter spp,

Baccillus cereus, Staphilococcus aureus,Thermonospora fusca, termoactinomyces vulgarries

Trong thế giới sinh vật, chỉ có vi sinh vật mới có khả năng làm phân giải urê mà trong đó chủ yếu là vi khuẩn

Urobactericum, hầu hết chúng thuộc 2 họ: cầu

khuẩn(Coccacea) và trực khuẩn( Bacillaceae)

(NH4)2CO3 2NH3 + CO2 + H20

CO-NH2 + 2H20 CO-OH + 2NH3 (NH

4)2CO3OH

NH2

Ureaza

1 Amon hóa urê

Cơ chế:

Tóm tắt quá trình Amôn hóa protid

Acid aminProtein Pepton Polipeptid NH3

Phenol,indol, scatol, amin, mecaptal, H2S,

Acid amin

Protein đơn giản

Acid phosphoric Đường pentoza Các bazơ nitơ hữu cơ

Chỉ những vi sinh vật có enzym eczoproteaza mới có thể tác dụng trực tiếp lên protid tự nhiên.

Giai đoạn 1

Giai đoạn 2

NH2

2 -COOH + NH3

Thủy phân:

Oxy hóa- điều kiện hiếu khí:

Hidro – điều kiện kị khí:

-Điều kiện hiếu khí: các hợp chất hữu cơ đươc tạo thành sẽ oxi hóa và vô cơ hóa hoàn toàn thành các cấu tử cơ bản của protid như NH3, CO2, H2O, H2S, H3PO4.

Các hợp chất hữu cơ được tạo thành do sự phân giải sơ bộ các acid amin.

-Điệu kiện yếm khí: các sản phẩm không được, oxi hóa hoàn toàn, môi trường tích tụ nhiều acid hữu cơ, rượu, amin trong đó có nhiều chất gây mùi khó chịu và rất độc

-Điều kiện hiếu khí: các hợp chất hữu cơ đươc tạo thành sẽ oxi hóa và vô cơ hóa hoàn toàn thành các cấu tử cơ bản của protid như NH3, CO2, H2O, H2S, H3PO4

Giai đoạn 3

 Làm hư hỏng nhiều thức ăn giàu protid.

Bacillus mycoides

Bacillus mezentericus

Proteus vulgaris

• Bacterium coli

- Nitrat hóa: NH 3 bị ôxi hóa bởi vi khuẩn nitrite hóa và

nitrat hóa thành NO 2 - và NO 3

-2HNO2 + O2 = 2HNO3 + 48 Kcal

NH3 NH2OH HNO HN(OH)2 HNO22NH3 + 3O2 = 2HNO2 + 2H20 + 158Kcal

Tác nhân vi sinh vật Ứng dụng

Quá trình oxi hóa muối amôn thành

nitrit:

-Nitrosomonas: Hình bầu dục hoặc

hình cầu, gram âm, không có khả

năng sinh bào tử.

-Nitrosospira: Trực khuẩn dấu

phảy, di động được nhờ tiên mao, có

thể biến dạng được.

Quá trình oxi hóa nitrit thành nitrat

-Nitrobacter: trực khuẩn gram âm,

kích thước nhỏ, không sinh bào tử.

Phát triển nông nghiệp Tồn tại trong đá granit, núi đá

Các vi sinh vật tiêu biểu

như: Nitrosomonas,

Nitrobacter, Thiobacillus

denitrificans …

Là tất cả các quá trình khử nitrat để tạo thành những hợp chất nitơ có hóa trị nhỏ hơn Hoặc khử nitrat đến sản phẩm cuối cùng

là nitơ

HNO3 HNO2 + H2O HNO + H2O NH2OH NH4OH NH3 + H20

Quá trình phản nitrat có 2 loại:

Phản nitrat hóa trực tiếp

- Khử acid nitric thành acid nitơ ( NO3- thành NO2-):

- Khử nitrat ( NO3-) đến NH3:

- Khử nitrat thành nitơ N2 :

6H2O + N22NO3- + 12H

HNO2 + H2O HNO3 + 2H

 Tác nhân vi sinh vật

Đa số các loài vi khuẩn đều có thể tạo nên quá trình phản nitrat hóa nhưng có một số loại sau hoạt động mạnh nhất: Chromobacterium denitrificans, Pseudomonas fluorescens, Achromobacter stutzeri, Bacterium pyocyaneum Chúng là những trực khuẩn chuyển động mạnh, không có bào tử, dinh dưỡng hữu cơ và hô hấp tùy tiện.

Những vi khuẩn phản nitrat hóa điển hình như :

Pseudomonas,denitrificans, Ps.Acruginosa, Ps Stutzeri,

Ps Fluorescens, micrococcus……

Nhóm vi sinh vật tự dưỡngAlcaligenes Ps.Acruginosa

 Ứng dụng

Sản xuất các sản phẩm thịt, lạp sườn, xúc xích,…màu đỏ hồng

là do hợp chất của nitrit với một chất màu của thịt là mioglobin, để tạo thành hợp chất đó người ta cho nitrat hoặc nitrat vào thịt băm hoặc nước muối

R-CH(NH2)COOH + O=N-OH R-CH(OH)COOH + N2 + H2O

R-CO-NH2 + O=N-OH R-COOH + N2 + H2O

 Phản nitrat hóa gián tiếp

Vi sinh vật chỉ tham gia giai đoạn đầu khử NO3-  NO2- , giai đoạn cuối cùng từ NO2-  N2 là do các phản ứng hóa học thuần túy giữa HNO2 và acid amin

Trong quá trình này vi khuẩn chỉ sử dụng gián tiếp là làm cho hình thành acid nitơ, các acid amin và amino acid

Đối với nông nghiệp quá trình phản nitrat hóa gián tiếp

không có quan trọng lớn lắm vì với tác dụng này phải tiến hành trong môi trường acid mà hầu hết đất trồng trọt là có phản ứng kiềm

Chu trình nit ơ

- Nito là một nguyên tố thiết yếu trong sinh chất

- Trong tự nhiên hiện diện ở các thế khử khác nhau: NH 3 , NH 2 -, N 2 , N 2 O, NO,

NO 2- , NO 3- Dự trữ nitrogen quan trọng nhất là N 2 trong khí quyển

- Sự chuyển hóa qua lại giữa các dạng này cần có vai trò của vi sinh vật

- Cố định nito:

+ Được thực hiện bởi một số vi sinh vật cố định đạm tự do và cộng sinh

+ Chuyển N từ dạng không thể sử dụng bởi đa số sinh vật thành dạng có thể sử dụng được

+ Dạng cố định NH 3 được chuyển từ khu vực phi sinh vật vào sinh khối (NH 2- ) bởi vi sinh vật, thực vật

- Ammôn hóa: NH 3 được tạo ra do sự phân hủy N hữu cơ

+ NH 3 được tái sử dụng bởi thực vật, vi sinh vật, tồn tại bền ở dạng NH 4+ trong điều kiện kỵ khí hấp phụ mạnh bởi các hạt đất, ít tan trong nước

- Nitrat hóa NH 3 : NH 3 bị ôxi hóa bởi vi khuẩn nitrite hóa và nitrate hóa thành

NO 2- và NO

3-+ NO 3- tan tốt trong nước và dễ bị rửa trôi, làm thất thóat đạm trong đất

- Phản nitrat hóa:

+ NO 3- bị khử bới vi sinh vật kỵ khí thành N 2 làm thất thóat đạm trong đất

+ Giảm NO 3- trong nước, cản trở hiện tượng nở hoa của tảo làm ô nhiễm nước.