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. 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. Tuy nhiên, nitơ trong khí quyển có những 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. 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. 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.

Một nghiên cứu năm 2011 đã đặt ra nghi ngờ đối với mô hình truyền thống của chu trình nitơ như miêu tả bên dưới; nitơ từ các đá cũng có thể là một nguồn cần phải tính đến mà trước đây chưa được đưa vào.

Chức năng sinh thái

Nitơ là một yếu tố thiết yếu trong nhiều quá trình và là thành phần chủ yếu của mọi hình thái sống trên Trái Đất. Nó là phần cơ bản của tất cả các axit amin, liên kết với các protein và có mặt trong các phân tử cấu thành axit nucleic như DNA và RNA. Trong thực vật, nitơ chủ yếu được sử dụng trong phân tử chlorophyll, quan trọng cho quá trình quang hợp và sự phát triển sau này của chúng. Mặc dù khí nitơ trong không khí Trái Đất rất phong phú, nhưng hầu hết nó không thể được thực vật sử dụng trực tiếp. Quá trình hóa học hay cố định tự nhiên của nitơ là cần thiết để chuyển đổi khí nitơ thành dạng mà các sinh vật có thể sử dụng được, điều này làm cho nitơ trở thành thành phần quan trọng trong sản xuất thực phẩm. Sự phong phú hay khan hiếm của nitơ đã được cố định này ám chỉ lượng thực phẩm có sẵn để hỗ trợ sự phát triển của một vùng đất.

Các quá trình trong chu trình nitơ

Nitơ tồn tại trong môi trường ở nhiều dạng hóa học khác nhau bao gồm amoni (NH₄), nitrit (NO₂), nitrat (NO₃), đinitơ monoxide (N₂O), nitric oxide (NO), hoặc khí nitơ (N₂). Nitơ hữu cơ có thể tồn tại trong sinh vật sống, đất mùn hoặc các sản phẩm trung gian của quá trình phân hủy các vật liệu hữu cơ. Các quá trình trong chu trình nitơ biến đổi nitơ từ một dạng này sang dạng khác. Một số quá trình này được thực hiện bởi vi khuẩn, sử dụng nitơ để lấy năng lượng hoặc tích tụ nitơ vào dạng cần thiết cho sự phát triển của chúng. Sơ đồ trên mô tả cách các quá trình này tương tác với nhau để hình thành chu trình nitơ.

Cố định đạm

Đồng hóa nitơ

Thực vật lấy nitơ từ đất bằng cách hấp thụ chúng qua rễ cây dưới dạng ion nitrat hoặc amoni. Mọi lượng nitơ được động vật tiêu thụ có thể được trả lại cho thực vật trong các giai đoạn khác nhau của chuỗi thức ăn.

Thực vật có khả năng hấp thụ ion nitrat hoặc amoni từ đất qua các lông rễ, đây là quá trình khử đầu tiên là nitrat và sau đó là amoni để tổng hợp thành amino axit, axit nucleic và chlorophyll. Trong các loại thực vật có quan hệ cộng sinh với Rhizobia, nitơ được chuyển hóa trực tiếp thành amoni từ nodule. Động vật, nấm và các sinh vật ký sinh khác tiêu thụ nitơ từ amino axit, nucleotide và các phân tử hữu cơ nhỏ khác.

Amoni hóa

Khi thực vật hoặc động vật chết, nitơ ban đầu trong họ sẽ là hữu cơ. Vi khuẩn hoặc nấm, trong một số trường hợp, chuyển đổi nitơ trong xác thành amoni (NH₄), quá trình này gọi là amoni hóa hoặc khoáng hóa. Các enzyme liên quan bao gồm:

• GS: Gln Synthetase (Cytosolic & PLastid)
• GOGAT: Glu 2-oxoglutarate aminotransferase (Ferredoxin & NADH dependent)
• GDH: Glu Dehydrogenase:
  • Vai trò phụ trong quá trình amoni hóa.
  • Vai trò quan trọng trong việc dị hóa amino axit.

Nitrat hóa

Quá trình chuyển đổi amoni thành nitrat được tiến hành đầu tiên bởi các vi khuẩn sống trong đất và các loại vi khuẩn nitrat hóa khác. Trong giai đoạn nitrat hóa đầu tiên này, sự oxy hóa amoni (NH₄) được tiến hành bởi các loài vi khuẩn Nitrosomonas, quá trình này chuyển đổi amonia thành nitrit (NO₂). Các loại vi khuẩn khác như Nitrobacter

Do khả năng hòa tan rất cao nên nitrat có thể di chuyển vào trong nước ngầm. Nồng độ nitrat cao trong nước ngầm là một mối quan tâm đối với nước uống vì nitrat có thể xen vào ngăn cản sự hòa tan của oxy trong máu của trẻ sơ sinh và gây bệnh methemoglobinemia hoặc hội chứng trẻ da xanh. Ở nơi mà nước ngầm bổ cấp cho sông suối, nước ngầm có hàm lượng nitrat cao có thể góp phần vào hiện tượng phú dưỡng, đây là một hiện tượng làm tăng số lượng tảo, đặc biệt là các loài tảo lục và gây chết các loài thủy sinh do chúng tiêu thụ hết lượng oxy trong nước.

Khử nitrat

Là quá trình chuyển hoá NO3- thành NH4+, có sự tham gia của Mo và Fe được thực hiện ở mô rễ và mô lá của thực vật diễn ra qua 2 giai đoạn: Giai đoạn1: NO3- được khử thành NO2-, cần có sự tham gia của enzim nitrat reductaza. Giai đoạn 2: NO2- được khử thành NH4+ được xúc tác bởi enzim nitrit reductaza.

Sơ đồ:

NO₃ (Nitrat) → NO₂ (Nitrit) →NH₄ (Amoni)

oxy hóa amoni kỵ khí

Trong quá trình này, nitrit và amoni bị biến đổi trực tiếp thành khí nitơ. Quá trình này tạo nên phần lớn nitơ trong đại dương.

NH₄ + NO₂ → N₂ + 2H₂O.

• (tiếng Việt)Chu trình nitơ