CHU TRÌNH NITƠ: ĐẶC ĐIỂM, HỒ CHỨA VÀ CÁC GIAI ĐOẠN - MÔI TRƯỜNG - 2025

Các chu trình nitơ là quá trình di chuyển nitơ giữa khí quyển và sinh quyển. Nó là một trong những chu trình sinh địa hóa có liên quan nhất. Nitơ (N) là một nguyên tố có tầm quan trọng lớn, vì nó được yêu cầu bởi tất cả các sinh vật cho sự phát triển của chúng. Nó là một phần của thành phần hóa học của axit nucleic (DNA và RNA) và protein.

Lượng nitơ lớn nhất trên hành tinh nằm trong khí quyển. Nitơ trong khí quyển (N ₂ ) không thể được sử dụng trực tiếp bởi hầu hết các sinh vật. Có những vi khuẩn có khả năng cố định nó và kết hợp nó vào đất hoặc nước theo những cách mà các sinh vật khác có thể sử dụng.

Vùng nước bị phú dưỡng bằng cách làm giàu nitơ và phốt pho, ở Lille (miền Bắc nước Pháp). Tác giả: F. lamiot (tác phẩm riêng), từ Wikimedia Commons

Sau đó, nitơ được đồng hóa bởi các sinh vật tự dưỡng. Hầu hết các sinh vật dị dưỡng thu nhận nó thông qua thức ăn. Sau đó, chúng thải ra ngoài dưới dạng nước tiểu (động vật có vú) hoặc phân (chim).

Trong một giai đoạn khác của quá trình này, có những vi khuẩn tham gia vào quá trình biến đổi amoniac thành nitrit và nitrat được đưa vào đất. Và vào cuối chu kỳ, một nhóm vi sinh vật khác sử dụng oxy có sẵn trong các hợp chất nitơ để hô hấp. Trong quá trình này, chúng giải phóng nitơ trở lại khí quyển.

Hiện nay, lượng nitơ lớn nhất được sử dụng trong nông nghiệp là do con người tạo ra. Điều này dẫn đến tình trạng dư thừa nguyên tố này trong đất và nguồn nước, làm mất cân bằng chu trình sinh địa hóa này.

Đặc điểm chung

Gốc

Nitơ được coi là có nguồn gốc từ quá trình tổng hợp hạt nhân (tạo ra hạt nhân nguyên tử mới). Những ngôi sao có khối lượng lớn heli đã đạt đến áp suất và nhiệt độ cần thiết để nitơ hình thành.

Khi Trái đất ra đời, nitơ ở trạng thái rắn. Sau đó, với hoạt động của núi lửa, nguyên tố này trở thành trạng thái khí và được đưa vào bầu khí quyển của hành tinh.

Nitơ ở dạng N ₂ . Có lẽ các dạng hóa học được sử dụng bởi sinh vật (NH ₃ amoniac ) đã xuất hiện bởi các chu trình nitơ giữa biển và núi lửa. Bằng cách này, NH ₃ sẽ được đưa vào khí quyển và cùng với các nguyên tố khác tạo ra các phân tử hữu cơ.

Các dạng hóa học

Nitơ xảy ra ở nhiều dạng hóa học khác nhau, đề cập đến các trạng thái oxy hóa khác nhau (mất electron) của nguyên tố này. Những hình thức khác nhau này khác nhau cả về đặc điểm và hành vi của chúng. Khí nitơ (N ₂ ) không bị oxi hóa.

Các dạng oxy hóa được phân thành hữu cơ và vô cơ. Các dạng hữu cơ chủ yếu xảy ra trong axit amin và protein. Các trạng thái vô cơ là amoniac (NH ₃ ), ion amoni (NH ₄ ), nitrit (NO ₂ ) và nitrat (NO ₃ ), trong số những loại khác.

Lịch sử

Nitơ được phát hiện vào năm 1770 bởi ba nhà khoa học độc lập (Scheele, Rutherford và Lavosier). Năm 1790, người Pháp Chaptal đặt tên cho khí là nitơ.

Trong nửa sau của thế kỷ 19, nó được tìm thấy là một thành phần thiết yếu của các mô của sinh vật sống và trong sự phát triển của thực vật. Tương tự như vậy, sự tồn tại của một dòng chảy liên tục giữa các dạng hữu cơ và vô cơ đã được chứng minh.

Nguồn nitơ ban đầu được coi là sét và lắng đọng trong khí quyển. Năm 1838, Boussingault xác định sự cố định sinh học của nguyên tố này trong cây họ đậu. Sau đó, vào năm 1888, người ta phát hiện ra rằng các vi sinh vật có liên quan đến rễ của cây họ đậu chịu trách nhiệm cho việc cố định N ₂ .

Một khám phá quan trọng khác là sự tồn tại của vi khuẩn có khả năng oxy hóa amoniac thành nitrit. Cũng như các nhóm khác đã chuyển nitrit thành nitrat.

Ngay từ năm 1885, Gayon đã xác định rằng một nhóm vi sinh vật khác có khả năng biến đổi nitrat thành N ₂ . Theo cách đó, chu trình nitơ trên hành tinh có thể được hiểu.

Yêu cầu đại lý

Tất cả các sinh vật đều cần nitơ cho các quá trình quan trọng của chúng, nhưng không phải tất cả đều sử dụng nó theo cách giống nhau. Một số vi khuẩn có khả năng sử dụng nitơ khí quyển trực tiếp. Những người khác sử dụng các hợp chất nitơ làm nguồn cung cấp oxy.

Các sinh vật tự dưỡng yêu cầu nguồn cung cấp dưới dạng nitrat. Về phần mình, nhiều sinh vật dị dưỡng chỉ có thể sử dụng nó ở dạng nhóm amin mà chúng thu được từ thức ăn của mình.

Các thành phần

-Dự trữ

Nguồn nitơ tự nhiên lớn nhất là khí quyển, nơi 78% nguyên tố này được tìm thấy ở thể khí (N ₂ ), với một số dấu vết của nitơ oxit và nitơ monoxit.

Đá trầm tích chứa khoảng 21% được giải phóng rất chậm. 1% còn lại chứa trong chất hữu cơ và đại dương dưới dạng nitơ hữu cơ, nitrat và amoniac.

-Các vi sinh vật tham gia

Có ba loại vi sinh vật tham gia vào chu trình nitơ. Đây là chất cố định, chất nitrat hóa và chất khử nitơ.

Vi khuẩn cố định N

Chúng mã hóa một phức hợp các enzym nitrogenase tham gia vào quá trình cố định. Hầu hết các vi sinh vật này cư trú trong tầng sinh quyển của thực vật và phát triển trong các mô của chúng.

Chi vi khuẩn cố định phổ biến nhất là Rhizobium, có liên quan đến rễ cây họ đậu. Có những chi khác như Frankia, Nostoc và Pasasponia cộng sinh với rễ của các nhóm cây khác.

Vi khuẩn lam ở dạng tự do có thể cố định nitơ khí quyển trong môi trường nước

Vi khuẩn nitrat hóa

Có ba loại vi sinh vật tham gia vào quá trình nitrat hóa. Những vi khuẩn này có khả năng oxy hóa amoniac hoặc ion amoni có trong đất. Chúng là những sinh vật hóa trị (có khả năng oxy hóa các vật liệu vô cơ như một nguồn năng lượng).

Các vi khuẩn thuộc nhiều giống khác nhau can thiệp vào quá trình một cách tuần tự. Nitrosoma và Nitrocystis oxy hóa NH3 và NH4 thành nitrit. Nitrobacter và Nitrosococcus sau đó sẽ oxy hóa hợp chất này thành nitrat.

Năm 2015, một nhóm vi khuẩn khác đã được phát hiện can thiệp vào quá trình này. Chúng có khả năng oxy hóa trực tiếp amoniac thành nitrat và nằm trong chi Nitrospira. Một số loại nấm cũng có khả năng nitrat hóa amoniac.

Vi khuẩn khử nitơ

Người ta cho rằng hơn 50 giống vi khuẩn khác nhau có thể khử nitrat thành N ₂ . Điều này xảy ra trong điều kiện yếm khí (thiếu oxy).

Các chi khử nitơ phổ biến nhất là Alcaligenes, Paracoccus, Pseudomonas, Rhizobium, Thiobacillus và Thiosphaera. Hầu hết các nhóm này là sinh vật dị dưỡng.

Năm 2006, một loại vi khuẩn (Methylomirabilis oxyfera) được phát hiện là loại vi khuẩn hiếu khí. Nó là methanotrophic (nó lấy carbon và năng lượng từ methane) và có khả năng lấy oxy từ quá trình khử nitơ.

Các giai đoạn

Chu trình nitơ trải qua nhiều giai đoạn khác nhau trong quá trình vận động của nó trên khắp hành tinh. Các giai đoạn này là:

Sự cố định

Đó là sự chuyển đổi nitơ trong khí quyển thành các dạng được coi là phản ứng (có thể được sử dụng bởi các sinh vật sống). Việc phá vỡ ba liên kết chứa trong phân tử N ₂ đòi hỏi một năng lượng lớn và có thể xảy ra theo hai cách: phi sinh học hoặc sinh học.

Chu trình của nitơ. Được YanLebrel làm lại từ một hình ảnh của Cơ quan Bảo vệ Môi trường: http://www.epa.gov/maia/html/nitrogen.html, qua Wikimedia Commons

Cố định phi sinh học

Nitrat thu được bằng cách cố định năng lượng cao trong khí quyển. Nó đến từ năng lượng điện của tia chớp và bức xạ vũ trụ.

N ₂ kết hợp với oxy để tạo thành các dạng nitơ bị oxy hóa như NO (nitơ đioxit) và NO ₂ (nitơ oxit). Sau đó, những hợp chất này được mưa mang đến bề mặt trái đất dưới dạng axit nitric (HNO ₃ ).

Sự cố định năng lượng cao kết hợp khoảng 10% nitrat có trong chu trình nitơ.

Cố định sinh học

Nó được thực hiện bởi các vi sinh vật trong đất. Những vi khuẩn này thường liên quan đến rễ cây. Sự cố định nitơ sinh học hàng năm được ước tính là khoảng 200 triệu tấn mỗi năm.

Nitơ trong khí quyển được chuyển hóa thành amoniac. Trong giai đoạn đầu của phản ứng, N ₂ bị khử thành NH ₃ (amoniac). Ở dạng này, nó được kết hợp thành các axit amin.

Trong quá trình này, một phức hợp enzym với các trung tâm oxy hóa-khử khác nhau được tham gia. Phức hợp nitrogenase này được tạo thành từ một reductase (cung cấp điện tử) và một nitrogenase. Chất sau sử dụng electron để khử N ₂ thành NH ₃ . Một lượng lớn ATP được tiêu thụ trong quá trình này.

Phức hợp nitrogenase bị ức chế không thể đảo ngược khi có nồng độ O _{2 cao} . Trong các nốt sần, một protein (leghemoglobin) có mặt giúp giữ cho hàm lượng O ₂ rất thấp . Protein này được tạo ra bởi sự tương tác giữa rễ và vi khuẩn.

Đồng hóa

Thực vật không có quan hệ cộng sinh với vi khuẩn cố định N _2- sẽ lấy nitơ từ đất. Sự hấp thụ của nguyên tố này được thực hiện dưới dạng nitrat qua rễ.

Khi nitrat xâm nhập vào cây, một số nitrat sẽ được tế bào rễ sử dụng. Một phần khác được phân bố bởi xylem cho toàn bộ cây.

Khi nó được sử dụng, nitrat bị khử thành nitrit trong tế bào chất. Quá trình này được xúc tác bởi enzyme nitrate reductase. Nitrit được vận chuyển đến lục lạp và các plastids khác, tại đây chúng bị khử thành ion amoni (NH ₄ ).

Ion amoni với số lượng lớn sẽ gây độc cho cây. Vì vậy, nó nhanh chóng được kết hợp vào bộ xương cacbonat để tạo thành các axit amin và các phân tử khác.

Trong trường hợp của người tiêu dùng, nitơ thu được bằng cách cho ăn trực tiếp từ thực vật hoặc động vật khác.

Đạn

Trong quá trình này, các hợp chất nitơ có trong đất bị phân hủy thành các dạng hóa học đơn giản hơn. Nitơ có trong các chất hữu cơ chết và các chất thải như urê (nước tiểu của động vật có vú) hoặc axit uric (phân chim).

Nitơ có trong các chất này ở dạng các hợp chất hữu cơ phức tạp. Vi sinh vật sử dụng các axit amin có trong các chất này để sản xuất protein của chúng. Trong quá trình này, chúng giải phóng nitơ dư thừa dưới dạng amoniac hoặc ion amoni.

Các hợp chất này có sẵn trong đất để các vi sinh vật khác hoạt động trong các giai đoạn sau của chu trình.

Nitrat hóa

Trong giai đoạn này, vi khuẩn đất sẽ oxy hóa amoniac và ion amoni. Trong quá trình này, năng lượng được giải phóng được vi khuẩn sử dụng trong quá trình trao đổi chất của chúng.

Trong phần đầu tiên, vi khuẩn nitro hóa thuộc giống Nitrosomas oxy hóa amoniac và ion amoni thành nitrit. Enzyme amoniac mooxygenase được tìm thấy trong màng của các vi sinh vật này. Điều này sẽ oxy hóa NH ₃ thành hydroxylamine, sau đó được oxy hóa thành nitrit trong ngoại vi của vi khuẩn.

Sau đó, vi khuẩn nitrat oxy hóa nitrit thành nitrat bằng cách sử dụng enzym nitrit oxidoreductase. Nitrat vẫn có sẵn trong đất, nơi chúng có thể được cây hấp thụ.

Khử nitơ

Trong giai đoạn này, các dạng nitơ bị oxy hóa (nitrit và nitrat) được chuyển trở lại thành N ₂ và ở mức độ thấp hơn thành nitơ oxit.

Quá trình này được thực hiện bởi vi khuẩn kỵ khí, chúng sử dụng các hợp chất nitơ làm chất nhận electron trong quá trình hô hấp. Tốc độ khử nitrat phụ thuộc vào một số yếu tố, chẳng hạn như nitrat có sẵn, độ bão hòa và nhiệt độ của đất.

Khi đất bão hòa với nước, O _{2 không} còn sẵn có nữa và vi khuẩn sử dụng NO ₃ làm chất nhận điện tử. Khi nhiệt độ rất thấp, vi sinh vật không thể thực hiện quá trình.

Giai đoạn này là cách duy nhất nitơ được loại bỏ khỏi hệ sinh thái. Bằng cách này, N ₂ đã được cố định quay trở lại bầu khí quyển và sự cân bằng của nguyên tố này được duy trì.

Tầm quan trọng

Chu kỳ này có sự liên quan lớn về mặt sinh học. Như chúng tôi đã giải thích trước đây, nitơ là một phần quan trọng của cơ thể sống. Thông qua quá trình này, nó trở nên có thể sử dụng được về mặt sinh học.

Trong quá trình phát triển của cây trồng, sự sẵn có của nitơ là một trong những hạn chế chính của năng suất. Kể từ khi bắt đầu nông nghiệp, đất đã được làm giàu bằng nguyên tố này.

Việc trồng các loại đậu để cải thiện chất lượng đất là một việc làm phổ biến. Tương tự như vậy, việc trồng lúa trên đất ngập nước thúc đẩy các điều kiện môi trường cần thiết cho việc sử dụng nitơ.

Trong thế kỷ 19, phân chim (phân chim) được sử dụng rộng rãi như một nguồn nitơ bên ngoài cho cây trồng. Tuy nhiên, vào cuối thế kỷ này, không đủ để tăng sản lượng lương thực.

Vào cuối thế kỷ 19, nhà hóa học người Đức Fritz Haber đã phát triển một quy trình mà sau đó được Carlo Bosch thương mại hóa. Điều này bao gồm phản ứng N ₂ và khí hydro để tạo thành amoniac. Nó được gọi là quy trình Haber-Bosch.

Hình thức sản xuất amoniac nhân tạo này là một trong những nguồn nitơ chính mà chúng sinh có thể sử dụng. Người ta coi rằng 40% dân số thế giới phụ thuộc vào các loại phân bón này để làm thực phẩm.

Rối loạn chu trình nitơ

Sản lượng amoniac do con người sản xuất hiện nay là khoảng 85 tấn mỗi năm. Điều này có hậu quả tiêu cực đối với chu trình nitơ.

Do sử dụng nhiều phân hóa học nên đất và các tầng chứa nước bị ô nhiễm. Người ta coi rằng hơn 50% sự nhiễm bẩn này là hậu quả của quá trình tổng hợp Haber-Bosch.

Sự dư thừa nitơ dẫn đến quá trình tạo dinh dưỡng (làm giàu chất dinh dưỡng) của các vùng nước. Quá trình dinh dưỡng nhân tạo diễn ra rất nhanh và chủ yếu gây ra sự phát triển nhanh chóng của tảo.

Chúng tiêu thụ nhiều oxy và có thể tích tụ độc tố. Do thiếu oxy, các sinh vật khác trong hệ sinh thái sẽ chết.

Ngoài ra, việc sử dụng nhiên liệu hóa thạch sẽ giải phóng một lượng lớn nitơ oxit vào khí quyển. Chất này phản ứng với ozone và tạo thành axit nitric, một trong những thành phần của mưa axit.

Người giới thiệu

1. Cerón L và A Aristizábal (2012) Động lực học của chu trình nitơ và phốt pho trong đất. Đức Cha Colomb. Công nghệ sinh học. 14: 285-295.
2. Estupiñan R và B Quesada (2010) quy trình của Haber-Bosch trong xã hội nông nghiệp: mối nguy hiểm và các giải pháp thay thế. Hệ thống nông sản: hàng hóa, đấu tranh và kháng chiến. ILSA biên tập. Bogota Colombia. 75-95
3. Galloway JN (2003) Chu trình nitơ toàn cầu. Trong: Schelesinger W (ed.) Treatise on Geochemistry. Elsevier, Hoa Kỳ. tr 557-583.
4. Galloway JN (2005) Chu trình nitơ toàn cầu: quá khứ, hiện tại và tương lai. Khoa học ở Trung Quốc Ser C Life Sciences 48: 669-677.
5. Pajares S (2016) Dòng thác nitơ do hoạt động của con người gây ra. Oikos 16: 14-17.
6. Stein L và M Klotz (2016) Chu trình nitơ. Sinh học hiện tại 26: 83-101.