Nhóm vi khuẩn nào có khả năng chuyển đổi NO3 thành N2?

Nitơ là nguyên tố dinh dưỡng thiết yếu cho thực vật, nhưng rễ cây chỉ có thể hấp thụ nitơ dưới dạng NH4+ và NO3-. Trong không khí, nitơ chủ yếu có dạng N2, trong khi các dạng NO và NO2 có thể gây độc cho cây. Trong đất, nitơ chủ yếu nằm trong các hợp chất hữu cơ từ xác động thực vật. Vì vậy, cần chuyển hóa nitơ từ dạng N2 và các hợp chất chứa nitơ thành dạng dễ hấp thụ như NH4+ hoặc NO3-. Trong bài viết này, Mytour sẽ phân tích quá trình chuyển hóa nitơ trong đất từ NO3- thành N2.

1. Nitơ trong khí quyển

Nitơ là một nguyên tố rất phổ biến trong tự nhiên, chủ yếu có mặt trong không khí và đất.

Nitơ phân tử (N2) chiếm khoảng 80% khí quyển, nhưng cây không thể hấp thụ trực tiếp dạng này. Để cây có thể sử dụng nitơ, nó phải được các vi sinh vật cố định nitơ chuyển đổi thành NH3. Các dạng NO và NO2 trong khí quyển có thể gây hại cho thực vật.

2. Nitơ trong đất

Đất là nguồn cung cấp chính nitơ cho cây trồng. Nitơ trong đất có hai dạng chính: nitơ khoáng (hay nitơ vô cơ) trong các muối khoáng, và nitơ hữu cơ trong xác sinh vật như thực vật, động vật, và vi sinh vật.

Rễ cây chỉ có thể hấp thụ nitơ khoáng dưới dạng NO3- và NH4+. NO3- có xu hướng bị rửa trôi xuống các tầng đất sâu hơn, trong khi NH4+ được giữ lại nhờ các hạt keo đất có điện tích âm và ít bị cuốn trôi bởi nước mưa.

Cây không thể hấp thụ trực tiếp nitơ hữu cơ trong xác sinh vật. Nó chỉ có thể hấp thụ nitơ sau khi các vi sinh vật trong đất chuyển hóa nitơ hữu cơ thành nitơ khoáng dưới dạng NH4+ và NO3-.

3. Quy trình chuyển hóa nitơ trong đất

Vi khuẩn amon hóa trong đất chuyển đổi nitơ từ các hợp chất hữu cơ thành dạng NH4+, sau đó chuyển hóa thành NO3-. Dạng ion NO3- này cũng được cây hấp thụ.

Tuy nhiên, NO3- trong đất có thể bị chuyển hóa thành nitơ khí N2 dưới điều kiện kị khí và tác động của vi khuẩn phản nitrat hóa, gây thất thoát lượng nitơ dinh dưỡng. Để hạn chế mất mát nitơ trong đất nông nghiệp, cần duy trì độ thông thoáng cho đất.

4. Quá trình cố định nitơ phân tử

Quá trình liên kết N2 với H2 để tạo ra NH3 gọi là cố định nitơ. Trong tự nhiên, các nhóm vi sinh vật cố định nitơ đóng vai trò quan trọng trong việc bổ sung nitơ cho đất mà cây đã sử dụng.

- Con đường sinh học để cố định nitơ là quá trình mà các vi sinh vật thực hiện. Có hai nhóm vi sinh vật tham gia: nhóm sống tự do như vi khuẩn lam thường thấy ở ruộng lúa và nhóm cộng sinh với cây, ví dụ như vi khuẩn thuộc chi Rhizobium tạo nốt sần trên rễ cây họ đậu.

Vi khuẩn cố định nitơ có khả năng đặc biệt nhờ vào enzyme độc quyền nitrogenaza. Enzyme này có khả năng phá vỡ ba liên kết cộng hóa trị giữa hai nguyên tử nitơ, cho phép nitơ liên kết với hydro để tạo ra amoniac (NH3). Trong môi trường nước, NH3 chuyển hóa thành NH4+.

5. Ảnh hưởng của phân bón đối với năng suất cây trồng và môi trường

- Sử dụng phân bón hiệu quả và ảnh hưởng đến năng suất cây trồng

Để đạt được năng suất cao cho cây trồng, cần bón phân một cách hợp lý: chọn đúng loại phân, đủ lượng và tỷ lệ dinh dưỡng; phù hợp với nhu cầu của giống cây trồng; theo giai đoạn sinh trưởng và điều kiện đất đai, thời tiết mùa vụ (bón lót, bón thúc).

- Các phương pháp bón phân

• Bón phân qua rễ (bón vào đất): Phương pháp này dựa vào khả năng của rễ cây để hấp thụ các ion khoáng từ đất. Bao gồm bón lót trước khi trồng và bón thúc sau khi cây đã mọc.
• Bón phân qua lá: Phương pháp này dựa vào khả năng hấp thụ các ion khoáng qua khí khổng trên lá. Dung dịch phân bón qua lá cần có nồng độ thấp và chỉ nên thực hiện khi thời tiết khô ráo và không quá nắng gắt.

- Tác động của phân bón đối với môi trường

Khi sử dụng phân bón vượt quá mức cần thiết, cây sẽ không hấp thụ hết và dư lượng phân bón có thể làm thay đổi tính chất lý hóa của đất. Những dư lượng này có thể bị rửa trôi bởi nước mưa và gây ô nhiễm các nguồn nước.

6. Bài tập áp dụng

Câu 1: Liệt kê các dạng nitơ có trong đất và các dạng nitơ mà cây có thể hấp thụ

Hướng dẫn giải: Nitơ trong đất tồn tại dưới hai dạng chính: nitơ vô cơ trong các muối khoáng và nitơ hữu cơ từ xác sinh vật (vi sinh vật, thực vật, động vật). Cây chỉ có thể hấp thụ nitơ dưới dạng nitơ khoáng, cụ thể là NH4+ và NO3-.

Câu 2: Giải thích tầm quan trọng của quá trình cố định nitơ phân tử qua con đường sinh học đối với dinh dưỡng nitơ của thực vật.

Hướng dẫn giải: Quá trình cố định nitơ phân tử (N2) từ khí quyển thành dạng nitơ khoáng NH3 (hoặc NH4+ trong môi trường nước) cho phép cây hấp thụ dễ dàng. Quá trình này, diễn ra trong điều kiện tự nhiên trên toàn cầu, giúp bù đắp lượng nitơ mà cây lấy đi hàng năm, đảm bảo cung cấp đầy đủ dinh dưỡng nitơ cho cây trồng.

Câu 3: Định nghĩa bón phân hợp lý và nêu tác dụng của biện pháp này đối với năng suất cây trồng cũng như bảo vệ môi trường.

Hướng dẫn giải: Bón phân cần phải phù hợp với nhu cầu của cây dựa trên đặc điểm di truyền của giống và loài, giai đoạn sinh trưởng và phát triển, cũng như tính chất lý hóa của đất và điều kiện thời tiết. Phân bón cần phải được lựa chọn đúng loại, đủ lượng và tỉ lệ các thành phần dinh dưỡng hợp lý.

Việc bón phân không đúng cách có thể dẫn đến năng suất thấp và hiệu quả kinh tế kém. Nếu bón phân quá mức cần thiết, sẽ làm giảm năng suất, tăng chi phí phân bón, gây ô nhiễm nông sản và môi trường, đồng thời đe dọa sức khỏe con người.

Câu 4: Xác sinh vật phải trải qua quá trình biến đổi nào để cây có thể sử dụng nguồn nitơ?

A. Quá trình nitrat hóa và phản nitrat hóa

B. Quá trình amon hóa và phản nitrat hóa

C. Quá trình amon hóa và nitrat hóa

D. Quá trình cố định đạm

Hướng dẫn giải: Đáp án C

Câu 5: Nhóm vi sinh vật nào có khả năng chuyển đổi NO3- thành N2?

A. Vi khuẩn amon hóa

B. Vi khuẩn cố định nitơ

C. Vi khuẩn nitrat hóa

D. Vi khuẩn phản nitrat hóa

Hướng dẫn giải: Đáp án D. Vi khuẩn có khả năng chuyển hóa NO3- thành N2 là vi khuẩn phản nitrat hóa

Câu 6: Quá trình cố định nitơ từ khí quyển là gì?

A. Chuyển hóa nitơ phân tử trong không khí thành các hợp chất đạm vô cơ

B. Chuyển đổi nitơ phân tử trong không khí thành dạng đạm dễ hấp thu trong đất với sự hỗ trợ của con người

C. Biến nitơ phân tử trong không khí thành nitơ tự do trong đất thông qua tia lửa điện

D. Chuyển hóa nitơ phân tử trong không khí thành đạm dễ tiêu trong đất nhờ các loại vi khuẩn cố định đạm

Hướng dẫn giải: Đáp án D. Cố định nitơ là quá trình chuyển hóa nitơ phân tử trong không khí thành đạm dễ hấp thu trong đất (liên kết N2 với H2 thành NH3), nhờ vào các loại vi khuẩn cố định đạm.

Câu 7: Điều kiện nào sau đây không cần thiết cho quá trình cố định nitơ trong khí quyển?

A. Cung cấp ATP

B. Sự hiện diện của các lực khử mạnh

C. Xảy ra trong môi trường hiếu khí

D. Sự tham gia của enzyme nitrogenaza

Hướng dẫn giải: Điều kiện không phù hợp cho quá trình cố định nitơ là C, vì quá trình này cần điều kiện kỵ khí để xảy ra.