CHƢƠNG 2 LƢỢC KHẢO TÀI LIỆU
2.3.2. Chu trình nitơ trong tự nhiên
Hình 3. Chu trình Nitơ tự nhiên
Nitơ trong tự nhiên luôn được biến đổi qua lại giữa các hợp chất hóa học của nó. Quá trình quan trọng trong biến đổi Nitơ bao gồm: cố định Nitơ phân tử, khoáng hóa Nitơ, Nitrat hóa, phản Nitrat hóa.
a. Cố định Nitơ (Nitrogen fixation)
Cố định Nitơ là quá trình tách phân tử N2 thành hai nguyên tử N. Khi kết hợp N với H sẽ tạo thành amoniac.
Trong quá trình cố định Nitơ hai enzyme đóng vai trò quan trọng là: nitrogenase và hydrogenase, chúng đòi hỏi nguồn năng lượng rất thấp.
Trong tự nhiên, quá trình cố định Nitơ xảy ra bằng con đường hóa-lý và sinh học, trong đó con đường sinh học có ý nghĩa nhất và cung cấp khối lượng lớn đạm dễ tiêu cho đất. Cố định đạm bằng con đường quang hóa và điện hóa trung bình hằng năm tạo ra 7,6 triệu tấn, còn bằng con đường sinh học tạo ra 54 triệu tấn.
Những sinh vật cố định Nitơ chủ yếu là vi khuẩn. Theo tài liệu phân tích, trong trường hợp thuận lợi, vi khuẩn nốt sần có thể đồng hóa 100-150 kg N/ha/năm, các vi khuẩn sống tự do như Azotobacter 25-40 kg. Nói chung, mỗi năm trên trái đất các vi sinh vật cố định được khoảng 100 triệu tấn đạm dưới dạng liên kết (Yacovlev, 1956). Ngoài những vi khuẩn cố định đạm cần nguồn năng lượng carbon bên ngoài còn có các loài vi khuẩn có thể sống bằng Nitơ phân tử trong điều kiện kỵ khí mà ánh sáng mặt trời được sử dụng làm nguồn năng lượng (Madigan, 1979).
Cơ chế cố định Nitơ của vi sinh vật:
Quá trình cố định Nitơ phân tử theo 2 hướng cơ bản: con đường khử và con đường oxy hóa.
- Con đường khử:
N2 HN=NH H2N-NH2 NH3 NH4OH
- Con đường oxy hóa:
N2 N2O (HNO)2 NH4OH
Qua hai hướng đó, người ta thu được kết quả sau:
- Nếu nồng độ oxy cao sẽ ức chế quá trình cố định Nitơ phân tử.
- Hiệu suất cố định Nitơ phân tử của những vi sinh vật kỵ khí thường cao hơn những vi sinh vật hiếu khí.
- Tìm thấy hợp chất loại khử khi nuôi các vi sinh vật cố định Nitơ phân tử. Qua đó cho thấy con đường khử có nhiều khả năng xảy ra hơn.
b. Khoáng hóa Nitơ (Mineralization) hay amon hóa (Ammoniafication)
Sau khi gắn kết hợp chất Nitơ vô cơ thành dạng hữu cơ thông qua sự tổng hợp protein hay acid nucleic thì phần lớn chúng quay trở về chu trình như các chất thải của quá trình trao đổi chất hoặc chất sống trong cơ thể chết. Rất nhiều vi khuẩn dị dưỡng và nấm trong đất, trong nước sử dụng các hợp chất hữu cơ giàu đạm, cuối cùng chúng thải ra môi trường các dạng Nitơ vô cơ. Quá trình này được gọi là khoáng hóa Nitơ hay amon hóa.
c. Nitrat hóa (Nitrification)
Quá trình biến đổi NH3, NH4 +
thành NO2 -
, NO3 -
được gọi là quá trình nitrat hóa. Quá trình này phụ thuộc vào pH của môi trường.
Nitrat hay nitric dễ dàng lọc khỏi đất, đặc biệt trong đất chua. Nếu không được thực vật đồng hóa, chúng có thể thoát ra khỏi hệ sinh thái này đến hệ sinh thái khái theo chu trình nước ngầm.
d. Phản Nitrat (Denitrification)
Con đường chuyển hóa của nitrat qua các quá trình đồng hóa, dị hóa để trở về các dạng N2, NO, N2O được gọi là quá trình phản nitrat hóa. Vi sinh vật sử dụng nitrat như nguồn oxy với sự có mặt của glucose và photphat. Phần lớn vi khuẩn phản nitrat chỉ khử nitrat đến nitric, các loài khác lại khử nitric đến amoniac.
Trong điều kiện kỵ khí, sự phản nitrat đến dạng N2O khi có mặt của glucose, giải phóng 545 Cal/mol; còn phản nitrat đến nitơ phân tử cho 570 Cal/mol.
Dù là dạng oxit nitơ hay nitơ phân tử có được tạo thành hay không đều tùy thuộc vào pH của môi trường. Sự gia tăng oxit nitơ xuất hiện ở pH < 7. Nếu pH > 7,3 thì dinitơ oxit có xu hướng bị tái hấp thụ và tiếp theo bị khử trong quá trình phản nitrat trở thành nitơ phân tử.