Hình 4.7: Chu trinh Nitơ
Từ chu trình Nitơ, khí quyển đóng vai trò quan trọng trong việc nhận các nguồn nitơ từ sự phóng điện, vi khuẩn - tảo cốđịnh nitơ, quá trình đốt cháy...
Nitơ bị oxi hóa thành NO bởi tác dụng của bão điện từ, NO sẽ bị oxi hóa thành NO2 bởi sự hiện diện của Ozon trong không khí. NO2 sẽ bị khử trở lại thành NO bởi quá trình quang hóa.
Quá trình đốt cháy các nhiên liệu hóa thạch (động cơ đốt trong của ôtô) cũng chuyển hóa N2 thành NO và NO2. Các phản ứng tiếp theo trong khí quyển sẽ oxi hóa NO2 thành N2O5. N2O5 sẽ liên kết với nước trong không khí tạo thành nitrat (NO3-) của axit nitric (HNO3). Đây là một trong những nguyên nhân gây ra mưa axit. Nitrat cũng được tạo ra từ quá trình oxi hóa trực tiếp nitơ hoặc ammonia từ phân bón hóa học. Nitrat đóng vai trò quan trọng cung cấp nguồn dinh dưỡng cho cây trồng và được hấp thu để chuyển hóa thành protein (nitơ hữu cơ).
NO3- + CO2 + thực vật xanh + ánh sáng mặt trời → protein
Ngoài ra nitơ trong khí quyển được chuyển hóa thành protein bởi sự tham gia của vi khuẩn cốđịnh đạm Cyanobacteria, một loài vi khuẩn có nhiều đặc điểm giống tảo
N2 + Vi khuẩn cốđịnh đạm → protein
Ammonia (NH3) và hợp chất ammonium (NH4+) chứa trong urea là nguồn dinh dưỡng được dùng để bón cho đất cung cấp nguồn nitơ cho cây trồng chuyển hóa thành protein.
NH3 + CO2 + thực vật + ánh sáng → protein
Thực vật và con người không có khả năng chuyển sử dụng nitơ và các hợp chất vô cơđể tổng hợp thành protein mà phải dựa vào động vật khác. Trong cơ thểđộng vật, protein được sử dụng với một lượng lớn cho sự phát triển và hình thành tế bào mới. Cùng với quá trình sử dụng, các hợp chất nitơđược thải ra trong suốt quá trình sống. Urine là hợp chất chứa nitơđược thải ra qua quá trình phân giải protein. Urine (urea) nhanh chóng bị thủy phân tạo thành ammonium cacbonat. Quá trình vi khuẩn phân hủy xác động thực thực vật sẽ trả về nguồn nitơ cho đất dưới dạng NH3
C=O + 2H2O (NHUrease enzyme 4)2CO3 NH2
NH2
Một số nitơ hữu cơ không phân hủy sinh học tồn tại ở dạng cặn lắng trong nước và mùn bã trong đất.
Ammonia được giải phóng từ quá trình phân hủy urea và protein được thực vật sử dụng để tổng hợp nên protein cho tế bào. Khi nguồn cung cấp ammonia nhiều hơn nhu cầu sử dụng của thực vật, ammonia sẽ được sử dụng bởi vi khuẩn nitrat hóa tự dưỡng (nhóm). Vi khuẩn Nitrosomonas sẽ chuyển hóa ammonia thành nitrit (NO2-) dưới điều kiện hiếu khí.
2NH3 + 3O2 2NO2- + 2H+ + 2H2O
Nitrit được tạo thành sẽ bị oxi hóa thành nitrat bởi sự tham gia của nhóm vi khuẩn Nitrobacter.
Nitrat được hình thành cung cấp chất dinh dưỡng cho đất. Khi nitrat trong đất thừa, nó sẽ thấm vào nước bởi vì đất không có khả năng lưu giữ nitrat. Quá trình này sẽ làm gia tăng nồng độ nitrat trong nước ngầm. Dưới điều kiện yếm khí nitrat sẽ bị khử thành nitrit, quá trình khử tiếp tục xảy ra chuyển hóa nitrit thành N2 và được giải phóng vào khí quyển. Quá trình này làm mất chất dinh dưỡng của phân bón cho đất nhất là khi điều kiện yếm khí xảy ra.