Quá trình quang hợp:
CO2 + PO4 + NO3 + H2O ==> CH2O,P,N + O2
Phú dưỡng là hiện tượng thường gặp trong các hồ đô thị, các sông và kênh dẫn nước thải. Biểu hiện phú dưỡng của các hồ đô thị là nồng độ chất dinh dưỡng N, P cao, tỷ lệ P/N cao do sự tích luỹ tương đối P so với N, sự yếm khí và mơi trường khử của lớp nước đáy thuỷ vực, sự phát triển mạnh mẽ của tảo và nở hoa tảo, sự kém đa dạng của các sinh vật nước, đặc biệt là cá, nước có màu xanh đen hoặc đen, có mùi khai thối do thốt khí H2S v.v...
Để xác định ngun tố "chìa khóa" (hay yếu tố giới hạn) gây ra sự phú dưỡng, cân xem xét tỷ số Tổng N/Tổng P (WHO, 2002)
Theo UNEP 1999 thì:
Khi tỷ số (Total N/Total P) < 10 : N là dưỡng chất hạn chế tảo phát triển. Khi tỷ số (Total N/Total P) > 20 : P là dưỡng chất hạn chế tảo phát triển. Các hồ nằm ở bắc bán cầu có P là dưỡng chất hạn chế. Nước sơng Mêkơng có N/P=13
Một thơng số chỉ thị khác cho phép xác định điều kiện phú dưỡng cüa một nguồn nước mặt là nồng độ chlorophyl-a. Theo D. Chapman, nồng độ chlorophyl-a cüa các nguồn nước giàu dinh dưỡng thường dao động trong khoảng 5 - 140 µg/l, cịn đối với các nguồn nước nghèo dinh dưỡng, ít khi vượt q 2,5µg/l. Mặc khác,
cần theo dõi hàm lượng Si trong nước, vì nó cũng có liên quan đến sự xuất hiện tảo độc (WHO, 2002).
Nhiều tài liệu nghiên cứu đưa ra ngưỡng phú dưỡng hóa là tổng N >0,2mg/l . Theo D.Chapman (1992) nguồn nước có nguy cơ bị phú dưỡng nếu PO4-P>0,01 mg/l. Trong đó phú dưỡng thường do P có quá nhiều trong nước. Khi lượng rong tảo tăng mạnh có thể làm tắc nghẽn hệ thống lọc trong quá trình xử lý ở nhà máy nước, gây giảm oxygen khi rong tảo chết đi.
Theo Viện chất lượng nước Đan Mạch thì khi nước bị phú dưỡng, hàm lượng tổng P > 0.15 mg/l, tổng N > 0.10 mg/l.
Nitrat và phosphat chỉ thị tác động của con người tới môi trường do nước thải sinh họat, công nghiệp (chất bài tiết từ động vật, bột giặt, ...) và canh tác nơng nghiệp (phân bón).
Các hợp chất vơ cơ hịa tan quan trọng của nitơ là NH3, NH4+, NO3- và NO2-. Trong đó NH3 và NO2- độc đối với các lồi động vật thủy sinh cịn NO3- là nguồn dinh dưỡng tốt mà thực vật thủy sinh dễ hấp thu nhất, tạo nên các hợp chất hữu cơ trong thủy vực. Trong môi trường nước hiếu khí, dưới tác dụng của vi khuẩn Nitrosomonas bacteria, NH4+ sẽ bị biến đổi thành NO2- và tiếp theo vi khuẩn Nitrobacter bacteria chuyển hóa về NO3-, gọi chung là quá trình nitrat hóa (nitrification). Nếu các hợp chất NO3- này bị vi khuẩn khử về N2, gọi là quá trình phản nitrat hóa (denitrification) hồn trả N2 cho khí quyển, khép kín chu trình nitơ.
Có 95% N trong đất thường ở dạng các hợp chất hữu cơ mà cây trồng không
sử dụng được. Q trình khống hóa sẽ phân hủy vật thể hữu cơ về dạng NH4+ và
NO3-. Tuy nhiên nếu mơi trường thiếu O2, q trình sẽ dừng lại NH4+. Phân bón cung cấp N cho cây trồng dạng hấp thu NO3- hồ tan trong nước. Cịn nếu bón phân ở dạng như urea -hợp chất diamide thì vi khuẩn sẽ chuyển hố về NO3-.
Ure là loại phân đạm tốt nhất hiện nay, có tỉ lệ %N rất cao (46%), khơng làm thay đổi độ axit - bazơ của đất do đó thích hợp với nhiều loại đất trồng.
(NH2)2CO + 2H2O = (NH4)2CO3
Khi xử lý nước thải, người ta làm theo 2 bước: nitrat hoá (sục bùn để "hoạt hoá" trong điều kiện hiếu khí) rồi phản nitrat hố (thêm methanol - kỵ khí). Để cho vi khuẩn kỵ khí thực hiện q trình phản nitrat hóa, ta thêm vào methanol cung cấp carbon cho vi khuẩn, ngồi ra methanol cịn giúp hạ thấp oxy trong nước.
Cố định N là chuyển từ dạng khí về dạng hợp chất N liên kết với nguyên tố khác(NH3, NO2, NO3-). Một số loại tảo và vi khuẩn sống ở nốt sần rễ cây họ đậu có khả năng cố định N. Tuy nhiên đóng góp này thấp so với phần do phân huỷ vật thể
hữu cơ, các trận mưa có sấm sét,...Phản ứng tổng hợp NH3 dưới áp suất lớn, nhiệt độ cao thực hiện như sau:
N2 + H2 → NH3
Thông qua việc sản xuất phân bón, tức là cố định nitơ, con người đã làm thay đổi chu trình N trên phạm vi tồn cầu.
Phân bón chứa P được điều chế bằng cách xử lý quặng phosphat (rất ít tan) với H2SO4 chuyển về dạng superphosphat dễ tan cho cây trồng hấp thu.
Ca3(PO4)2 + H2SO4 → Ca(HPO4)2 + 2 CaSO4