Trong lớp đất mặt dày khoảng 30 cm bao quanh Trái Đất có khoảng 3 – 7,5 tỷ tấn nitơ mà phần lớn tồn tại trong các hợp chất hữu cơ. Sự phân giải các hợp chất hữu cơ chứa nitơ có ý nghĩa rất lớn trong nông nghiệp và đối với vòng tuần hoàn vật chất trong tự nhiên.
Quá trình amôn hoá là quá trình phân giải các hợp chất hữu cơ chứa nitơ dưới tác dụng của vi sinh vật thành các chất đơn giản hơn là NH4+ hoặc NH3. Vi sinh vật tham gia vào quá trình này gọi là vi sinh vật amôn hoá.
Protein là thành phần cơ bản của nguyên sinh chất tế bào, chứa khoảng 15 – 17,6% nitơ (tính theo chất khô). Protein thường xuyên được đưa vào đất với một số lượng lớn cùng với xác động, thực vật, phân chuồng, rác ...
Trong tự nhiên có nhiều vi sinh vật có khả năng phân giải protein, chẳng hạn:
- Nấm mốc: Aspergillus candidus, Aspergillus flavus, Aspergillus oryzae, Fusarium solani, Mucor pusillus...
- Nấm men: Candida albicans, Endomycopsis fibuligera, Saccharomyces cerevisiae, Saccharomyces carlsbergensis...
- Vi khuẩn: Bacillus cereus, Bacillus pasteurianus, Bacillus subtilis, Aeromonas hydrophyla, Pseudomonas aeruginosa...
- Xạ khuẩn: Streptomyces erythreus, Streptomyces griseus, Thermonospora fusca, Thermonospora vulgaris...
Để phân giải protein các vi sinh vật này có khả năng sản sinh ra enzim proteaza (proteinaza và peptidaza) ngoại bào. Các enzim này xúc tác cho quá trình thuỷ phân protein thành các hợp chất có phân tử nhỏ hơn (các polipeptit và oligopeptit). Các chất này tiếp tục được phân giải thành các axit amin hoặc được hấp thụ ngay vào tế bào vi sinh vật sau đó mới chuyển hoá thành axit amin. Một phần các axit amin này được vi sinh vật sử dụng trong quá trình tổng hợp protein của chúng, một phần khác tiếp tục được phân giải để tạo ra NH3, CO2 và nhiều sản phẩm trung gian khác.
Các vi sinh vật không có khả năng sản sinh ra các enzim phân giải protein ngoại bào không có khả năng đồng hoá các protein thiên nhiên mà chỉ có thể sử dụng các sản phẩm thuỷ phân của protein (polipeptit, oligopeptit, axit amin).
Có thể tóm tắt sơ đồ amôn hoá protein như sau:
Proteinaza ngoại bào Peptidaza ngoại bào
Protein Polipeptit, Oligopeptit
Axit amin
Peptidaza nội bào
Các axit amin nội bào
Khử amin và Khử amin Chuyển amin và Trực tiếp sử dụng trong quá trình
phân giải mạch cacbon phân giải mạch cacbon sinh tổng hợp protein
Quá trình phân giải axit amin thành NH3, CO2, và nhiều sản phẩm trung gian khác có thể xảy ra nhờ quá trình khử amin, khử cacboxyl, hoặc đồng thời vừa khử amin vừa khử cacboxyl.
R CH COOH + ½ O2 R CO COOH + NH3 NH2 Decacboxylaza R CO COOH R CH O + CO2 R CH COOH + H2O R CH COOH + NH3 NH2 OH R CH COOH R CH2 OH + CO2 OH Ví dụ:
- Khử amin oxy hoá để tạo ra α – cetoaxit:
CH3 CH3
H C NH2 + ½ O2 C = O + NH3
COOH COOH
(Alanin) (α – ceto pyruvic)
hoặc tạo ra CO2 và axit axetic:
Axit aspactic + O2 CH3COOH + NH3 + CO2
- Khử amin khử để tạo ra một axit bão hoà, phản ứng này thường xảy ra trong điều kiện kỵ khí:
CH3 CH3
H C NH2 + 2 H+ H C H + NH3
COOH COOH
- Khử amin thuỷ phân tạo ra một axit hydroxyl:
CH3 CH3
H C NH2 + H2O H C OH + NH3
COOH COOH
(axit lactic)
- Khử amin, khử cacboxyl thuỷ phân tạo ra rượu bậc thấp có số cacbon giảm đi 1:
CH3 CH3
H C NH2 + H2O H C OH + NH3 + CO2
COOH H
- Axit amin có thể bị chuyển hoá thành 1 amin cùng với quá trình khử cacboxyl:
CH3 CH3
H C NH2 H C NH2 + CO2
COOH H
(Etyl amin)
Một số vi khuẩn như E. coli, Proteus ... có khả năng chuyển hoá triptophan thành 2 chất có mùi hôi là indol, skatol.
Chú ý:
- Khi phân giải axit amin có chứa lưu huỳnh sẽ giải phóng ra H2S, nếu tích luỹ nhiều trong đất có thể làm thối rễ cây trồng, đây cũng là chất khí làm cho phân hoặc thịt cá thối rữa có mùi hôi.
- Một số amin sinh ra trong quá trình khử cacboxyl của axit amin có thể độc đối với người và gia súc như: histamin (tạo thành từ histidin), acmatin (tạo thành từ acginin), putrexin (tạo thành từ ocnitin), cadaverin (tạo thành từ lizin). Các loại đồ hộp mất phẩm chất, thức ăn hư hỏng rất có thể mang loại amin độc này.
- Khi chế biến phân chuồng, phân xanh cần chú ý điều chỉnh tỷ lệ C/N cho thích hợp để tạo điều kiện tốt nhất cho quá trình amôn hoá protein.
- Để tránh hiện tượng vi sinh vật tranh chấp thức ăn nitơ đối với lúa, việc cày vặn rạ hoặc bón phân xanh vào ruộng lúa nên tiến hành trước khi cấy 3 – 4 tuần và cần bổ sung thêm phân chuồng, phân đạm hoá học và vôi.
- Chế biến thức ăn cho người và gia súc.
- Chế biến phân hữu cơ cũng như một số phân vô cơ chứa nitơ.
- Vận dụng vào quá trình chế biến và bảo quản nông sản phẩm như trứng, sữa, thịt hộp, cá hộp.
* Amôn hoá urê, axit uric:
+ Urê là một loại chất hữu cơ đơn giản có chứa 46,6% N. Urê được bổ sung vào đất bằng phân hoá học dạng urê, trong nước tiểu người và động vật. Hàm lượng urê trong nước tiểu là 2,2%. Lượng urê mà nhân loại sinh ra trong một ngày đếm là 15.000 tấn, nếu tính cả động vật thì có tới 150.000 tấn. Thực vật không có khả năng đồng hoá trực tiếp urê, nếu không có vi sinh vật phân giải urê thành NH3 thì tất cả nguồn nitơ lớn lao này cũng trở thành vô ích đối với mọi thực vật.
Trong tự nhiên có nhiều vi khuẩn có khả năng phân giải urê như: Sarcina hansenii, Planosarcina ureae, Bacillus pasteurii, Micrococcus ureae, Proteus vulgaris, Pseudobacterium ureolyticum, Chromobacterium prodiogiosum ... Ngoài ra nhiều loài nấm mốc và xạ khuẩn cũng có khả năng phân giải mạnh urê.
Vi khuẩn phân giải urê thuộc loại hiếu khí hoặc kỵ khí không bắt buộc, chúng phát triển tốt trong môi trường trung tính hoặc hơi kiềm. Chúng không sử dụng được cacbon trong urê, urê chỉ là nguồn cung cấp nitơ đối với chúng. Quá trình phân giải urê xảy ra một cách đơn giản với sự xúc tác của enzim ureaza:
ureaza
CO(NH2)2 + 2 H2O (NH4)2CO3
(NH4)2CO3 2NH3 + CO2 + H2O
+ Axit uric cũng là một chất hữu cơ chứa nitơ có trong nước tiểu ( trong 1 lít nước tiểu có khoảng 0,5 gam axit uric). Vi sinh vật có khả năng phân giải urê thường cũng có khả năng phân giải axit uric. Dưới tác dụng của vi sinh vật, axit uric được chuyển hoá thành urê và axit tactronic:
NH - CO
CO C – NH + 4 H2O 2(NH2)2CO +
CHOH(COOH)
CO NH – C - NH
Sau đó urê tiếp tục được phân giải như trên.
* Amôn hoá kitin:
Kitin là một hợp chất hữu cơ cao phân tử bền vũng, có cấu trúc gần giống với xenluloza nhưng khác ở chỗ gốc –OH ở nguyên tử C thứ 2 được thay thế bằng những gốc amin đã được axetyl hoá (-NHCOOCH3). Kitin có mặt trong thành phần của màng tế bào nhiều loài vi sinh vật, nhất là nấm Ascomycetes, Basidiomycetes, đồng thời cũng là một thành phần quan trọng của vỏ côn trùng và nhiều động vật khác (giáp xác).
Trong tự nhiên cũng có nhiều vi sinh vật có khả năng phân giải kitin, đáng chú ý là các loài thuộc giống: Achromobacter, Flavobacterium, Bacillus,
Cytophaga, Pseudomonas, Penicillium. Quá trình phân giải kitin được nghiên cứu khá kỹ ở vi khuẩn Bacillus chitinovorum và xạ khuẩn Streptomyces griseus.
Sự phân giải kitin được thực hiện nhờ enzim kitinaza và kitobiaza ngoại bào. Kitinaza tác dụng đồng thời lên các phần khác nhau của phân tử kitin và tạo thành kitobioza và kitotrioza, sau đó dưới tác dụng của enzim kitobiaza chúng được chuyển hoá thành các gốc monomer (glucozamin). Sơ đồ chuyển hoá như sau:
C32H54O21N4 + 7H2O 4C6H11O5NH2 + 3CH3COOH 4C6H11O5NH2 + 4H2O 4C6H12O6 + 4NH3
