Giáo viên hướng dẫn: Bùi Văn Bắc

Sinh viên: Thắng JSin

MSV: 1053060553

Kiến thức tổng quanNITƠ

Nitơ là một nguyên tố có nguồn dự trữ khá giàu trong khí quyển, chiếm gần 80% thể tích, gấp gần 4 lần thể tích khí O2.

Nitơ phân tử (Nitơ tự do - N2) có nhiều trong khí quyển, nhưng chúng không có hoạt tính sinh học đối với phần lớn các loài sinh vật, chỉ một số rất ít các loài sinh vật có khả năng đồng hoá được nitơ ở dạng này.

Nitơ là thành phần quan trọng cấu thành nguyên sinh chất tế bào, thành phần bắt buộc trong cấu trúc protein, axit nucleic, diệp lục,…

Là nguyên tố dinh dưỡng thiết yếu cần cho sự sinh trưởng, phát triển của thực vật (Các loài thực vật có thể sử dụng được nitơ ở dạng muối như nitrat - đạm dễ tiêu (NO3-) hoặc ở dạng ion amon (NH4+), NO2....).

Tham gia điều tiết các quá trình trao đổi chất và trạng thái ngậm nước ảnh hưởng đến mức độ hoạt động của tế bào .

Một hiện tượng kỳ thúMột ưu đãi của tự nhiên với thực vật

"Lúa chiêm lấp ló đầu bờHễ nghe tiếng sấm phất cờ mà lên"

Thành phần không khí chủ yếu là N2 và O2. Ở điều kiện thường thì N2 và O2 không

phản ứng với nhau, nhưng khi có sấm chớp (tia lửa điện 3000oC) thì chúng lại phản

ứng : N2 + O2 = > NO

Khí NO tiếp tục tác dụng với O2 trong không khí: 2NO + O2 = > 2NO2

Khí NO2 hòa tan trong nước mưa có mặt O2: 2NO2 + O2 + 2H2O = > 2HNO3

HNO3 theo mưa rơi xuống đất (do đó nước mưa thường có tính axit): HNO3 = H+ + NO3-

Ion NO3- là một loại phân đạm mà cây dễ đồng hóa, do đó mà khi mưa có sấm chớp thì cây xanh tốt.

Chu trình NITƠ

Phản nitrat

Amon hóa

Nitrat hóa

Cố định đạm

Khái quát chu trình NITƠ Chu trình nitơ là một quá trình mà theo đó Nitơ bị biến đổi

qua lại giữa các dạng hợp chất hóa học của nó. Việc biến đổi này có thể được tiến hành bởi cả hai quá trình sinh học và phi sinh học.

Chu trình nitơ về cơ bản cũng tương tự như các chu trình khí khác, được sinh vật sản xuất hấp thụ và đồng hoá rồi được chu chuyển qua các nhóm sinh vật tiêu thụ, cuối cùng bị sinh vật phân huỷ trả lại nitơ phân tử cho môi trường. Quá trình quan trọng trong chu trình nitơ bao gồm sự cố định Nitơ, khoáng hóa, nitrat hóa và khử nitrat.

Chu trình nitơ là một nhân tố đáng chú ý của các nhà sinh thái học do chúng có thể ảnh hưởng đến tốc độ phát triển của các quá trình sinh thái chính, như sản lượng thứ cấp và phân hủy. Việc Nitơ trong khí quyển có quá nhiều nhưng giá trị sử dụng hạn chế đối với sinh vật, dẫn đến việc khan hiếm lượng nitơ có thể sử dụng được đối với một số kiểu hệ sinh thái.

Các hoạt động của con người như đốt nhiên liệu hóa học, sử dụng các loại phân bón nitơ nhân tạo và thải nitơ trong nước thải làm biến đổi đáng kể đến chu trình nitơ trên trái đất.

Quá trình cố định đạm (Nitrogen fixation)Trong tự nhiên, cố định đạm xảy ra bằng con đường hoá - lý và sinh học, trong đó con đường sinh học có ý nghĩa nhất và cung cấp 1 khối lượng lớn đạm dễ tiêu cho môi trường đất. Sự cố định đạm bằng điện hoá và quang hoá trung bình hàng năm tạo ra 7,6 triệu tấn (4-10kg/ha/năm), còn bằng con đường sinh học khoảng 54 triệu tấn

Cố định đạm xảy ra ở con đường sinh học Những sinh vật có khả năng cố định đạm là vi khuẩn và tảo. Chúng gồm 2 nhóm chính: Nhóm sống cộng sinh (phần lớn là vi khuẩn, một số ít tảo và nấm) và nhóm sống tự do (chủ yếu là vi khuẩn và tảo). Vi khuẩn cố định đạm sống cộng sinh gặp nhiều trong đất, ngược lại các loài cố định đạm sống tự do lại gặp nhiều trong nước và trong đất.

Nhóm sống cộng sinh:

Các loài của chi Rhizobium sống cộng sinh với các cây họ Đậu để tạo nên các nốt sần ở rễ, cố định được một lượng lớn nitơ. Ví dụ, cỏ 3 lá (Trifolium sp.) và đậu chàm (Medicago sp.) Một số các loài xạ khuẩn ( Actinomycetes ) (nhất là các nấm nguyên thuỷ) cộng sinh trong rễ của chi Alnus và một số loài cây khác cũng có khả năng cố định đạm. Các loài của chi Alnus , các loài khác đều thuộc các chi Ceanothus, Comptonia, Eleagnus, Myrica, Casuarina, Coriaria, Araucaria và Ginkgo (Torrey, 1978)

Ngoài ra các vi khuẩn cố định đạm cần năng lượng lấy từ nguồn cacbon bên ngoài, cùng với loài vi khuẩn tía (Rhodopseudomonas capsulata) có thể sinh sống bằng nitơ phân tử trong điều kiện kỵ khí mà ánh sáng được sử dụng như một nguồn năng lượng (Madigan 1979)

Nhóm sống tự dưỡng Trong môi trường nước, vi sinh vật

cố định nitơ khá phong phú. Ở đây thường gặp những loài vi khuẩn kỵ khí thuộc các chi Clostridium, Methano, Bacterium, Methanococcus , Desulfovibrio và một số vi sinh vật quang hợp khác.

Ở những nơi thoáng khí thường gặp các đại diện của Azotobacteriaceae (như Azotobacter ) và các loài tảo (vi khuẩn lam) thuộc các chi Anabaena, Aphanozinemon, Nostoc, Microcystis, Nodularia, Gloeocapsa ... Để hoạt hoá nitơ, những sinh vật tự dưỡng sử dụng năng lượng của quá trình quang hoá hoặc hoá tổng hợp, còn các vi sinh vật dị dưỡng sử dụng năng lượng chứa trong các hợp chất hữu cơ có sẵn trong môi trường

Quá trình amon hoá (Ammoniafication) hay

khoáng hoá (Mineralization). Sau khi gắn kết hợp chất nitơ vô cơ (NO3-) thành dạng hữu

cơ (thường là nhóm amin - NH2) Thông qua sự tổng hợp protein và acid nucleic thì phần

lớn chúng lại quay trở về chu trình như các chất thải của quá trình trao đổi chất (urê, acid uric...) hoặc chất sống (protoplasma) trong cơ thể chết.

Rất nhiều vi khuẩn dị dưỡng, Actinomycetes và nấm trong đất, trong nước lại sử dụng các hợp chất hữu cơ giàu đạm, cuối cùng chúng thải ra môi trường các dạng nitơ vô cơ (NO2-, NO3-và NH3).

Trong đều kiện háo khí sự phân giải protein, ammonium, sulfate và nước xảy ra nhanh và cho ra CO2. Trong điều kiện yếm khí, sự phân giải chậm hơn và cho ra ammonium, amino acid, CO2, các acid hữu cơ, H2S... Vi khuẩn tham gia vào sự khoáng hóa các protein có thể kể: Pseudomonas, Bacillus, Clostridium, Serratia, Micrococus. Còn tham gia vào việc phân giải các nucleic acid gồm có các vi khuẩn Pseudomonas, Micrococus, Corynebacterium, Clostridium... Tham gia vào quá trình hóa khoáng phân urea có nhiều loài vi khuẩn, nấm và xạ khuẩn. Trong số vi khuẩn có thể kể đến các chi Bacillus, Micrococcus, Sarcinia, Pseudomonas, Achromobacter, Corynebacterium, Clostridium, trong đó có các loài sau đây được nghiên cứu nhiều: Bacillus pasteurii, B. freudenrichii.

Quá trình nitrat hoá (Nitrification)

Quá trình biến đổi của NH3, NH4+ thành NO2-, NO3- được gọi là quá trình nitrit hoá và nitrat hoá hay gọi chung là quá trình nitrat hoá. Quá trình này phụ thuộc vào pH của môi trường và xảy ra chậm chạp, Trong điều kiện pH thấp, tuy không phải tất cả, quá trình nitrat trải qua hai bước- Bước đầu: Biến đổi amôn hay amoniac thành nitrit (Oxi hóa ammonium thành nitrite (NO2))

NH4+ + 3O2 ----- Oxi hoá --- 2NO2 + 4H+ + Năng lượng- Tiếp theo: Biến đổi nitrit thành nitrat (Oxi hóa NO2 thành nitrát (NO3))

2NO2 +O2 ---- Oxi hoá--- 2NO3 + Năng lượngNitơ dưới dạng nitrat là dạng thích hợp nhất cho cây trồng.Nitrat dễ hòa tan trong nước nên dễ bị rửa trôi, nhất là trong mùa

mưa.Không phải mọi hợp chất amoniac và nitrat được tạo theo phương

thức trên được tái sử dụng cho các cơ thể sống, một số chuyển sang dạng trầm lắng.

Những đại diện của chủng vi sinh vật Nitrosomonas có thể biến đổi amoniac thành nitrit, một chất độc thậm chí với hàm lượng rất nhỏ. Những vi sinh vật khác như Nitrobacter lại dinh dưỡng bằng nitrit, tiếp tục biến đổi nó thành nitrat . Những vi sinh vật nitrit hoá đều là những sinh vật tự dưỡng hoá tổng hợp, lấy năng lượng từ quá trình oxy hoá. Có 2 nhóm vi sinh vật tham gia 2 giai

đoạn của quá trình này. Trong đó có 7 nhóm vi khuẩn tự dưỡng:

====Nhóm vi khuẩn ôxít hoá NH4 thành NO2: nhóm này do 5 chi vi khuẩn đảm nhiệm:

Vi khuẩn hình (que) bầu dục: Nitrosomonas.

Vi khuẩn hình cầu: Nitrosococcus. Vi khuẩn xoắn: Nitrosospira. Vi khuẩn có khuẩn lạc nhầy nhụa

(zoogloae) và có nang (cyst): Nitrosococystis.

Vi khẩn có khuẩn lạc nhầy nhụa, không có nang: Nitrosogcola.

Quá trình phản nitrat hoá (Denitrification)

Con đường chuyển hoá của nitrat qua các quá trình đồng hoá - dị hoá để trở về các dạng như N2, NO, N 2O được gọi là quá trình phản nitrat.

Những đại diện của vi khuẩn đóng vai trò quan trọng trong quá trình này là Pseudomonas, Escherichia và nấm. Chúng sử dụng nitrat như nguồn oxy với sự có mặt của glucose và photphat. Phần lớn những vi khuẩn phản nitrat chỉ khử nitrat đến nitrit, các loài khác lại khử nitrit đến amoniac.

Do quá trình phản nitrat đến nitơ phân tử chỉ xảy ra trong điều kiện kỵ khí hay kỵ khí một phần, nên quá trình này thường gặp trong đất yếm khí và trong đáy sâu của các hồ, các biển...không có oxy hoặc giàu các chất hữu cơ đang bị phân huỷ.

Vai trò và ý nghĩa của chu trình Nitơ

Chu trình nitơ là cơ chế duy trì sự cân bằng nitơ trên Trái Đất.

Chu trình nitơ còn là động lực cho mối tương tác dương.Quá trình cố định đạm bằng con đường sinh học có ý

nghĩa trong việc duy trì độ phì của đất. Lượng nitơ sinh học được tích lũy trong đất nhờ các vsv

cố định đạm cố ý nghĩa to lớn đói với nông nghiệp, đặc biệt là các nước có nền công nghiệp phân bón hóa học chưa phát triển.

Việc phát hiện ra các nhóm vsv có khả năng cố định nitơ và sử dụng chúng như 1 nguồn phân bón hữu hiệu là biện pháp tích cực làm giàu nguồn đạm cho đất và giảm nguy cơ ô nhiễm môi trường do sử dụng quá nhiều phân bón hóa học.