Chu trình nitơ (N)

Chu trình nitơ (N)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 oxy. Nitơ là thành phần quan trọng cấu thành nguyên sinh chất tế bào, là cấu trúc của protein... 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. Các loài thực vật...
Nội dung trích xuất từ tài liệu:
Chu trình nitơ (N) Chu trình nitơ (N)Nitơ là một nguyên tố có nguồn dự trữkhá giàu trong khí quyển, chiếm gần80% thể tích, gấp gần 4 lần thể tích khíoxy. Nitơ là thành phần quan trọng cấu thành nguyên sinh chất tế bào, là cấu trúc của protein... Nitơ phân tử (Nitơ tự do - N2) có nhiều trong khí quyển, nhưng chúng không có hoạt tínhsinh học đối với phần lớn các loài sinhvật, chỉ một số rất ít các loài sinh vật cókhả năng đồng hoá được nitơ ở dạng này.Các loài thực vật có thể sử dụng đượcnitơ ở dạng muối như nitrat - đạm dễ tiêu(NO3-) hoặc ở dạng ion amon (NH4+),NO2....Chu trình nitơ về cơ bản cũng tương tựnhư các chu trình khí khác, được sinh vậtsản xuất hấp thụ và đồng hoá rồi đượcchu chuyển qua các nhóm sinh vật tiêuthụ, cuối cùng bị sinh vật phân huỷ trả lạinitơ phân tử cho môi trường. Tuy nhiênquá trình này diễn ra phức tạp hơn nhiều,tuy vậy chu trình nitơ là chu trình xảy ranhanh và liên tục. Do tính chất phức tạp của chu trình bao gồm nhiều công đoạntheo từng bước: sự cố định đạm, sựamôn hoá, nitit hoá, nitrat hoá và phảnnitrat.+ Sự cố định đạm (Nitrogen fixation)Cố định đạm trước hết đòi hỏi sự hoạthoá phân tử nitơ để tách nó thành 2nguyên tử (N2 => 2N), trong cố địnhnitơ sinh học thì đó là bước đòi hỏi nănglượng là 160 Cal/mol. Khi kết hợp nitơvới hydro tạo thành amoniac (N+H => NH3). Tất cả các sinh vật cố địnhnitơ đều cần năng lượng từ bên ngoài, màcác hợp chất cacbon đóng vai trò đó đểthực hiện những phản ứng nội nhiệt (Endothermic). Trong quá trình cố định đạm, vai trò điều hoà chính là 2loại enzym: nitrogenase và hydrogenase;chúng đòi hỏi nguồn năng lượng rất thấp.Trong tự nhiên, cố định đạm xảy ra bằngcon đường hoá - lý và sinh học, trong đócon đường sinh học có ý nghĩa nhất vàcung cấp 1 khối lượng lớn đạm dễ tiêucho môi trường đất. Sự cố định đạm bằngđiện hoá và quang hoá trung bình hàngnăm tạo ra 7,6 triệu tấn (4-10kg/ha/năm),còn bằng con đường sinh học khoảng 54triệu tấn .Những sinh vật có khả năng cố định đạmlà vi khuẩn và tảo. Chúng gồm 2 nhómchính: Nhóm sống cộng sinh (phần lớn làvi khuẩn, một số ít tảo và nấm) và nhómsống tự do (chủ yếu là vi khuẩn và tảo).Vi khuẩn cố định đạm sống cộng sinhgặp nhiều trong đất, ngược lại các loài cốđịnh đạm sống tự do lại gặp nhiều trongnước và trong đất. Song nhóm cộng sinhvề mặt số lượng có vai trò quan trọnghơn, gấp trăm lần nhóm sống tự do.Ngoài những vi khuẩn cố định đạm cầnnăng lượng lấy từ nguồn cacbon bênngoài, còn có loài vi khuẩn tía(Rhodopseudomonas capsulata) có thể sinh sống bằng nitơ phân tử trong điều kiện kỵ khí mà ánh sáng được sửdụng như một nguồn năng lượng(Madigan và nnk, 1979).Những vi khuẩn có khả năng cố định nitơ gồm các loài của chi Rhizobiumsống cộng sinh với các cây họ Đậu để tạonên các nốt sần ở rễ, cố định được một lượng lớn nitơ. Ví dụ, cỏ 3 lá (Trifolium sp.) và đậu chàm(Medicago sp.) cố định được 150 -400kg/ha/năm. Ngoài ra gần đây, ngườita còn phát hiện ra một số các loài xạkhuẩn (Actinomycetes) (nhất là các nấmnguyên thuỷ) cộng sinh trong rễ của chiAlnus và một số loài cây khác cũng có khả năng cố định đạm, tuy hiệu suất thấp hơn so với Rhizobium. Đến nay,người ta đã biết được xạ khuẩn sốngcộng sinh trong rễ của 160 loài cây thuộc8 chi của 8 họ thực vật khác nhau. Ngoàicác loài của chi Alnus, các loài khác đều thuộc các chi Ceanothus, Comptonia, Eleagnus, Myrica, Casuarina, Coriaria, Araucaria và Ginkgo (Torrey, 1978) và chúng sốngtập trung ở vùng ôn đới.Trong môi trường nước, vi sinh vật cốđịnh 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 vậtquang hợp khác. Ở những nơi thoáng khí thường gặp các đại diện củaAzotobacteriaceae (như Azotobacter) vàcác loài tảo (vi khuẩn lam) thuộc các chi Anabaena, Aphanozinemon, Nostoc, Microcystis, Nodularia,Gloeocapsa ... Để hoạt hoá nitơ, nhữngsinh vật tự dưỡng sử dụng năng lượngcủa quá trình quang hoá hoặc hoá tổnghợp, còn các vi sinh vật dị dưỡng sửdụng năng lượng chứa trong các hợp chấthữu 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 lànhóm amin - NH2) thông qua sự tổnghợp protein và acid nucleic thì phần lớnchúng lại quay trở về chu trình như cácchất 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, trongnước lại sử dụng các hợp chất hữu cơgiàu đạm, cuối cùng chúng thải ra môitrường các dạng nitơ vô cơ (NO2-, NO3- và NH3). Quá trình đó được gọi là amônhoá hay khoáng hoá. Quá trình này là cácphản ứng giải phóng năng lượng hay phản ứng ngoại nhiệt. Chẳng hạn nếuprotein là glyxin baz thì quá trình amônhoá sẽ giải phóng ra 176 Cal/mol. Nănglượng này được vi khuẩn sử dụng để duytrì các hoạt động sống của mình. Tạinhững nơi yếm khí, nhiều vi khuẩn, nấm,xạ khuẩn đóng vai trò đặc biệt quan trọngtrong sự phân giải protein để giải phóngNH3 và H2S... trong đó, một số vi sinhvật amôn hoá khá “hẹp thực”, chỉ sửdụng pepton mà không phân huỷ các acidamin, sử dụng urê mà không phân huỷuric; ngược lại nhiều loài sử dụng rấtrộng rãi nguồn chất hữu cơ chứa nitơ, từdạng đơn giản nhất đến cả dạng phức tạpnhất.- Quá trình nitrat hoá (Nitrification)Quá trình biến đổi của NH3, NH4+ thànhNO2-, NO3- được gọi là quá trình nitrithoá và nitrat hoá hay gọi chung là quátrình nitrat hoá. Quá trình này phụ thuộcvào pH của môi trường và xảy ra chậmchạp, Trong điều kiện pH thấp, tuykhông phải tất cả, quá trình nitrat trải quahai bước:- Bước đầu: Biến đổi amôn hay amoniacthành nitrit2NH4+ + 3O2 ----- Oxi hoá ----->2NO2 + 4H+ + Năng lượng- Tiếp theo: Biến đổi nitrit thành nitrat2NO2 ...