Trong tự nhiên nito có ở đâu

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 (bao gồm sinh học và phi sinh học). Quá trình diễn ra chu trình Nitơ như thế nào? Nó có tác động gì đến quá trình xử lý nước thải? Hãy cùng Biogency Biogency tìm hiểu qua bài viết dưới đây.

Chu trình Nitơ là gì?

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.

Quá trình quan trọng trong chu trình Nitơ bao gồm: Sự cố định Nitơ, khoáng hóa, Nitrat hóa, và khử Nitrat. Thành phần chính của khí quyển (khoảng 78,1%) là Nitơ, bởi vậy có thể xem đó là một bể chứa Nitơ lớn nhất.

Chu trình Nitơ mô tả các quá trình chuyển hóa cũng như dạng chuyển hóa tồn tại của Nitơ vào trong các môi trường khác nhau để sinh vật có thể sử dụng và hấp thụ.

Hình 1. Mô tả về chu trình Nitơ.

Chu trình Nitơ diễn ra như thế nào?

Nitơ trong môi trường tồn tại ở nhiều dạng hóa học khác nhau bao gồm: Nitơ hữu cơ (như Amoni (NH4+), Nitrit (NO2-), Nitrat (NO3-), Đinitơ Monoxit (N2O), Nitric Oxit (NO) hoặc Nitơ vô cơ như khí Nitơ (N2).

Nitơ hữu cơ có thể ở dạng cơ thể sống, mùn hoặc trong các sản phẩm trung gian của quá trình phân hủy chất hữu cơ.

Quá trình diễn ra chu trình Nitơ biến đổi Nitơ từ dạng này sang dạng khác. Nhiều quá trình trong số đó được thực hiện bởi vi khuẩn, trong nỗ lực thu hoạch năng lượng hoặc tích lũy Nitơ ở dạng cần thiết cho sự phát triển của chúng.

1. Cố định đạm

Thường được gọi là cố định Nitơ, là quá trình biến đổi Nitơ tự do (N2) trong khí quyển thành các hợp chất có Nitơ.

Sản phẩm ban đầu của quá trình này rất đa dạng: Có thể là muối NH3, từ đó tạo nên Amoni (NH4+) hoặc nhiều hợp chất khác.

Điều này rất quan trọng vì Nitơ tự do trong khí quyển là khí trơ, trong cấu tạo phân tử nó có liên kết ba giữa 2 nguyên tử Nitơ rất bền vững, rất khó phản ứng với các hóa chất khác để tạo ra hợp chất mới.

2. Đồng hóa Nitơ

Thực vật lấy Nitơ trong đất bằng cách hấp thụ chúng qua rễ cây ở dạng ion Nitrat hoặc Amoni. Tất cả Nitơ mà động vật tiêu thụ có thể quay ngược trở lại làm thức ăn cho thực vật ở một vài giai đoạn trong chuỗi thức ăn.

Thực vật có thể hấp thụ các ion Nitrat hoặc Amoni từ đất thông qua lông của rễ, đây là quá trình khử đầu tiên là các ion Nitrat và sau đó là các Amoni cho việc tổng hợp thành Amino Axit, Nucleic Axit và diệp lục.

3. Amoni hóa

Khi thực vật hoặc động vật chết đi thì dạng ban đầu của Nitơ là chất hữu cơ. Vi khuẩn hoặc nấm, trong một số trường hợp, chuyển đổi Nitơ trong xác của chúng thành Amoni (NH4+), quá trình này được gọi là quá trình Amoni hóa hay khoáng hóa. Theo quá trình rửa trôi của nước mưa hoặc nước ngầm Amoni này sẽ đi vào nước và gây ô nhiễm nước.

4. Nitrat hóa

Trong giai đoạn Nitrat hóa, sự oxy hóa Amoni (NH4+) được tiến hành bởi các loài vi khuẩn Nitrosomonas, quá trình này chuyển đổi Amoniac thành Nitrit (NO2–). Các loại vi khuẩn khác như Nitrobacter có nhiệm vụ oxy hóa Nitrit thành Nitrat (NO3).Việc biến đổi Nitrit thành Nitrat là một quá trình quan trọng vì sự tích tụ của Nitrit sẽ gây ngộ độc cho sinh vật trong nước cũng như thực vật.

Hình 2. Sơ đồ chuyển hóa Nitrit và Nitrat trong chu trình Nitơ.

Hình 3. Vi sinh Microbe-Lift N1 – Chứa 2 chủng Nitrosomonas và Nitrobacter giúp thúc đẩy quá trình Nitrat hóa diễn ra mạnh mẽ.

Điều kiện để quá trình Nitrat hóa diễn ra tối ưu:

STT	Điều kiện tối ưu	Cách điều chỉnh
1	kH > 150 ppm	Bổ sung NaHCO3 (nhanh hơn) hoặc Na2CO3
2	DO ≥ 3 ppm	Tăng công suất của máy sục khí
3	pH từ 7,0 – 8,5	Bổ sung NaHCO3 hoặc Na2CO3
4	Nhiệt độ: 30 – 36 độ C	Tháp giải nhiệt hoặc pha loãng NT (cao)
5	Thời gian lưu bùn > 10 ngày (tuổi bùn)	Tính toán thiết kế

5. Khử Nitrat

Quá trình diễn ra chu trình Nitơ kết thúc bằng quá trình Nitrat hóa. Đây là quá trình khử Nitrat thành khí Nitơ (N2), hoàn tất chu trình Nitơ.

Quá trình này xảy ra nhờ các loại vi khuẩn như Pseudomonas và Clostridium trong môi trường kỵ khí. Chúng sử dụng Nitrat làm chất nhận Electron từ oxy trong quá trình hô hấp, từ đó phá vỡ liên kết N-O và hình thành liên kết N-N bền vững hình thành khí N2 và thoát ra khỏi nước. Các vi khuẩn kỵ khí ngẫu nhiên này cũng có thể sống trong các môi trường hiếu khí.

Hình 4. Vi sinh Microbe-Lift IND – Chứa chủng Pseudomonas giúp khử Nitrat thành N2 hiệu quả.

Điều kiện hoạt động của vi sinh Microbe-Lift IND để khử Nitrat:

• DO < 0,5 mg/l
• pH = 7,0 – 8,5
• Nguồn carbon: Methanol (CH3OH) ưu tiên vì ko ảnh hưởng pH và Axit acetic (CH3COOH).
• Nhiệt độ: từ 5 đến 30 độ C.

Ý nghĩa của chu trình Nitơ trong xử lý nước thải

Quá trình diễn ra chu trình Nitơ đóng vai trò quan trọng trong xử lý Nitơ ở hệ thống xử lý nước thải. Đặc biệt, quá trình Nitrat hóa và khử Nitrat đóng vai trò trực tiếp để xử lý nước thải đầu ra đạt chuẩn các chỉ tiêu về Nitơ. Để quá trình Nitrat hóa và khử Nitrat diễn ra nhanh chóng, cần có sự góp mặt của các chủng vi sinh chuyên biệt.

—–

Liên hệ Biogency để được tư vấn chi tiết về các chủng vi sinh có khả năng thúc đẩy chu trình Nitơ cũng như các phương án nhằm làm tăng hiệu suất của quá trình Nitrat hóa và khử Nitrat hiệu quả. Hotline liên hệ: 0909 538 514.

>>> Xem thêm: Giải pháp xử lý Nitơ, Amonia bằng men vi sinh Microbe-Lift

- Nitơ là một nguyên tố dinh dưỡng khoáng thiết yếu của thực vật. Nitơ được rễ cây hấp thụ từ môi trường ở dạng NH4+ và NO3-. Trong cây NO3- được khử thành NH4+.

- Nitơ có vai trò quan trọng đối với đời sống của thực vật:

• Vai trò chung: Đảm bảo cho cây sinh trưởng và phát triển tốt
• Vai trò cấu trúc:
  • Tham gia cấu tạo nên các phân tử protein, enzim, coenzim, axit nucleic, diệp lục, ATP …
  • Nito có trong các chất điều hòa sinh trưởng.
  • Dấu hiệu khi cây thiếu nguyên tố Nitơ là cây sinh trưởng kém, xuất hiện màu vàng nhạt trên lá.
• Vai trò điều tiết:
• Tham gia điều tiết các quá trình trao đổi chất và trạng thái ngậm nước của tế bào → ảnh hưởng đến mức độ hoạt động của tế bào.

 → Nitơ có vai trò quyết định đến toàn bộ các quá trình sinh lý của cây trồng

- Ví dụ: cây trồng thiếu đạm (N)

II. Quá trình đồng hóa Nitơ ở thực vật 

- Rễ cây hấp thụ nitơ ở dạng NH4+ (dạng khử) và NO3- (dạng oxi hóa) từ đất nhưng nitơ trong các hợp chất hữu cơ cấu trúc nên mô, tế bào thì chỉ tồn tại ở dạng khử.

 → Vì vậy, sự đồng hóa nitơ trong mô thực vật gồm 2 quá trình: khử nitrat và đồng hóa amôn.

1. Quá trình khử nitrat

- Là quá trình chuyển hoá NO3- thành NH4+, có sự tham gia của Mo và Fe (hoạt hóa các enzim tham gia vào quá trình khử).

- Được thực hiện ở mô rễ và mô lá theo sơ đồ:

NO3- (nitrat) → NO2- (nitrit) → NH4+ (amoni)

- Các bước khử có sự tham gia của các enzim khử  -reductaza

NO3-­­ + NAD(P)H + H+ +2e- → NO2- + NAD(P)+ + H2O

NO2- + 6 Feredoxin khử + 8H+ + 6e- → NH4+ + 2H2O

- Điều kiện cho quá trình khử nitrat:

• Có các enzim đặc hiệu xúc tác cho các phản ứng
• Có các lực khử mạnh

- Ý nghĩa: Hạn chế tích lũy nitrat trong mô thực vật.

2. Quá trình đồng hoá NH4+ trong mô thực vật:

- Quá trình đồng hóa NH4+ diễn ra theo 3 con đường:

Amin hoá trực tiếp các axit xêtô:

• Axit xêto + NH4+ → Axit amin.
• Ví dụ: Axit α-xetoglutaric + NH4+ → Axit glutamic

Chuyển vị amin:

• Axit amin + axit xêto  → a. amin mới + a. xêto mới
• Ví dụ: Axit glutamic + Axit piruvic → Alanin + Axit α-xetoglutaric

Hình thành amit: là con đường liên kết phân tử NH3 với axit amin đicacboxilic.

• Axit amin đicacboxilic + NH4+ → amit
• Ví dụ: Axit glutamic + NH4+ → Glutamin

- Ý nghĩa của sự hình thành amit: Sự hình thành amit có ý nghĩa sinh học quan trọng

• Đó là cách giải độc NH3 tốt nhất (NH3 tích luỹ lại sẽ gây độc cho tế bào)
• Amit là nguồn dự trữ NH3 cho quá trình tổng hợp a. amin khi cần thiết. 

III. Nguồn cung cấp Nitơ tự nhiên cho cây

	Nitơ trong không khí	Nitơ trong đất
Dạng tồn tại	- Chủ yếu dạng Nitơ phân tử ( N2) ngoài ra còn tồn tại dạng NO, NO2	- Nitơ khoáng (Nitơ vô cơ, gồm NO3- và NH4+) trong các muối khoáng như muối nitrat, muối nitrit, muối amôn - Nitơ hữu cơ trong xác động vật, thực vật, vi sinh vật
Đặc điểm	- Cây không hấp thụ được Nitơ phân tử → phải nhờ các vi sinh vật cố định Nitơ chuyển hóa thành dạng NH3 cây mới hấp thụ được. - Nitơ trong NO, NO2 trong không khí độc hại đối với cây trồng.	- Nitơ khoáng cây có thể hấp thụ trực tiếp - Cây không hấp thụ được Nitơ hữu cơ trong xác sinh vật → nhờ VSV đất khoáng hóa thành NO3- và NH4+ mà cây mới hấp thụ được - Cây chỉ hấp thụ Nitơ khoáng từ trong đất dưới dạng NO3- và NH4+ - NO3- dễ bị rửa trôi xuống các lớp đất nằm sâu bên dưới. NH4+ được các hạt keo đất tích điện âm giữ lại trên bề mặt của chúng nên ít bị rửa trôi hơn.

IV. Quá trình chuyển hóa Nitơ trong đất và cố định Nitơ

1. Quá trình chuyển hóa nitơ trong đất

- Con đường chuyển hóa nitơ hữu (trong xác sinh vật) trong đất thành dạng nitơ khoáng (NO3- và NH4+) gồm 2 giai đoạn:

*Quá trình amôn hóa: Các axit amin nằm trong các hợp chất mùn, trong xác bã động vật, thực vật sẽ bị vi sinh vật (Vi khuẩn amôn hóa) trong đất phân giải tạo thành NH4+ theo sơ đồ:

- Quá trình amôn hóa diễn ra như sau:

• Chất hữu cơ trong đất → RNH2 + CO2 + phụ phẩm
• RNH2 + H2O → NH3 + ROH
• NH3 + H2O  → NH4+ + OH-

*Quá trình nitrat hóa: khí NH3 được tạo thành do vi sinh vật phân giải các hợp chất hữu cơ sẽ bị vi khuẩn hiếu khí (vi khuẩn nitrat hóa) như Nitrosomonas oxy hóa thành HNO2 và Nitrosobacter tiếp tục oxi hóa HNO2 thành HNO3 theo sơ đồ:

- Quá trình nitrat hóa diễn ra như sau:

• 2NH3 + 3O2 → 2 HNO2 + H2O
• 2 HNO2 + O2 → 2 HNO3

* Lưu ý: Trong điều kiện môi trường đất kị khí, xảy ra quá trình chuyển hóa nitrat thành nitơ phân tử (NO3- → N2) gọi là quá trình phản nitrat hóa:

=> Hậu quả: gây mất mát nitơ dinh dưỡng trong đất

2. Quá trình cố định nitơ phân tử

- Khái niệm: Quá trình cố định nitơ là quá trình liên kết N2 với H2 thành NH3.

=> Ý nghĩa: có vai trò quan trọng trong việc bù đắp lượng nitơ mất đi do cây trồng sử dụng trong quá trình sinh trưởng và phát triển.

- Cố định nitơ phân tử diễn ra theo 2 con đường: Con đường vật lý – hóa học và con đường sinh học.

* Con đường vật lý hóa học: xảy ra trong điều kiện có sấm sét, tia lửa điện,...

* Con đường sinh học:

- Là con đương cố định nitơ phân tử nhờ các vi sinh vật thực hiện.

- Vi sinh vật cố định nitơ gồm 2 nhóm:

• Nhóm vi sinh vật sống tự do: vi khuẩn lam, Azotobacter, Clotridium, Anabeana, Nostoc,...
• Nhóm vi sinh vật sống cộng sinh với thực vật: Các vi khuẩn thuộc chi Rhizobium trong nốt sần rễ cây họ Đậu, Anabeana azollae trong bèo hoa dâu,...

- Các VSV cố định nitơ có enzim nitrogenaza có khả năng bẻ gẫy 3 liên kết trong phân tử N2 để N liên kết với H tạo ra NH3. Trong môi trường nước, NH3 chuyển thành NH4+.

- Quá trình cố định nitơ phân tử có thể tóm tắt:

- Cơ sở khoa học: Vi khuẩn cố định nitơ có khả năng tuyệt vời như vậy là do trong cơ thể chúng có chứa 1 loại enzim đọc nhất vô nhị là Nitrogenaza. Enzim nay có khả năng bẻ gẫy ba liên kết cộng hóa trị giữa 2 nguyên tử nitơ để liên kết với H2 tạo thành NH3, trong môi trường nước NH3 chuyển thành NH4+

- Điều kiện để quá trình cố định nitơ diễn ra:

• Có các lực khử mạnh với thế năng khử cao (NAD, FADP).
• Được cung cấp năng lượng ATP
• Có sự tham gia của enzim Nitrogenaza
• Thực hiện trong điều kiện kị khí

- Ý nghĩa: có tầm quan trọng trong cải tạo đất nghèo dinh dưỡng, hàng năm các loại vi sinh vật cố định nitơ có khả năng tổng hợp khoảng 100-400 kg nitơ/ha.

V. Phân bón với năng suất cây trồng và môi trường

1. Bón phân hợp lí và năng suất cây trồng

- Để cây trồng có năng suất cao cần phải bón phân hợp lí bằng cách:

• Đúng loại: Bón đúng loại phân;
• Đúng lượng: Bón đủ liều lượng cần bón, và tỉ lệ các thành phần dinh dưỡng;
• Đúng lúc: Bón đúng nhu cầu của giống, loài cây trồng, phù hợp với thời kì sinh trưởng và phát triển của cây, phù hợp với điều kiện thổ nhưỡng, đất đai, điều kiện thời tiết, mùa vụ;
• Đúng cách: Bón đúng cách.

2. Các phương pháp bón phân

- Bón phân qua rễ (bón vào đất):

• Rễ cây có khả năng hấp thụ các ion khoáng từ đất.
• Bón phân vào đất có 2 cách: Bón lót (bón trước khi trồng cây) và Bón thúc (bón sau khi trồng cây).

- Bón phân qua lá (phun lên lá):

• Lá cũng có thể hấp thụ các ion khoáng qua khí khổng.
• Dung dịch phân bón qua lá phải có nồng độ ion khoáng thấp, chỉ bón qua lá khi trời không mưa và năng không gay gắt.

3. Phân bón và môi trường

- Bón phân hợp lí sẽ tăng năng suất cây trồng và không gây ô nhiễm môi trường. 

- Khi lượng phân bón bón cho cây vượt quá mức tối ưu, cây sẽ không hấp thụ hết. Lượng phân bón dư thừa sẽ gây ra các ảnh hưởng xấu như thay đổi tính chất lí hóa của đất, ô nhiễm nông sản, ô nhiễm môi trường.

Nguồn: hoc24.vn