bài báo cáo sinh hóa tiểu luận các nguồn dinh dưỡng nitơ

Chương 1: TẦM QUAN TRỌNG CỦA NITƠ TRONG TỰ NHIÊN Nitơ là một nguyên tố có nguồn dữ trữ khá giàu trong khí quyển chiếm khoảng 78% về thể tích  Là nguyên liệu cho các loại vi sinh vật ph

BỘ CÔNG THƯƠNGTRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP THỰC PHẨM TP.HCM

NGUYỄN NGỌC DIỄM UYÊN (2008160151)

MỤC LỤ

MỤC LỤC 1

LỜI NÓI ĐẦU 2

LỜI CẢM ƠN 3

Chương 1: TẦM QUAN TRỌNG CỦA NITƠ TRONG TỰ NHIÊN 4

Chương 2: CHU TRÌNH NITƠ TRONG TỰ NHIÊN 5

2.1 Khái niệm chu trình nitơ trong tự nhiên 5

2.2 Các quá trình trong chu trình nitơ trong tự nhiên 5

Chương 3: CÁC NGUỒN DINH DƯỠNG NITƠ 8

3.1 Nguồn nitơ vô cơ 8

3.2 Nguồn nito hữu cơ 11

3.2.1 Protein 11

3.2.2 Acid amin 12

3.2.3 Vi sinh vật cố định Nitơ 15

Chương 4: ỨNG DỤNG TRONG THỰC TIỄN 20

4.1 Ứng dụng vô cơ nitơ 20

4.2 Các loại phân bón chứa Đạm (N) 20

4.2.1 Phân đạm Amonium 20

4.2.2 Đạm Nitorat 21

4.2.3 Đạm Urê (UREA) 21

4.2.4 Phân photphat Đạm 22

LỜI NÓI ĐẦU

LỜI CẢM ƠN

Chương 1: TẦM QUAN TRỌNG CỦA NITƠ TRONG TỰ NHIÊN

 Nitơ là một nguyên tố có nguồn dữ trữ khá giàu trong khí quyển (chiếm khoảng 78% về thể tích)

 Là nguyên liệu cho các loại vi sinh vật phân hủy và chuyển hóa nguồn khí nitơ bềnvững thành ra nitơ dạng dễ tiêu NH3 hoặc NH4+

 Nitơ phân tử (N2) có nhiều trong khó quyển nhưng chúng không có hoạt tính sinh học đối với phần lớn các loài sinh vật, chỏ một số rất ít các loài sinh vật có khả năng đồng hóa được nito ở dạng nay

 Khoảng 85% tác dụng cố định nitơ trên Trái đất là do vi sinh vật cố định nito thực hiện

 Nitơ là thành phần quan trọng của mọi cơ thể sống, cấu thành các axit amin, protein, axit nucleic, chlorophyll,…

 Là nguyên tố dinh dưỡng quan trọng đối với sự sinh trưởng và phát triển của thực vật ( cây trồng hấp thu Nitơ ở 2 dạng nitrate (NO3-) và dạng amon (NH4+)

Chương 2: CHU TRÌNH NITƠ TRONG TỰ NHIÊN

2.1 Khái niệm chu trình nitơ trong tự nhiên

 Là một quá trình mà theo đó ni tơ bị biến đổi qua lại giữa các dạng hợp chất hóa học của nó

 Việc biến đổi này có thể được tiến hành cả hai quá trình sinh học và phi sinh học

 Qúa trình quan trọng trong chu trình nitơ gồm sự cố định nitơ khoáng hóa, nitrat hóa và khử nitrat

2.2 Các quá trình trong chu trình nitơ trong tự nhiên

 Con đường sinh học : nhờ vào các loài vi khuẩn sống tự do hoặc cộng sinh.

+Vi khuẩn tự do: vi khuẩn lam, Clostridium,…

+Vi khuẩn cộng sinh: vi khuẩn nốt sần Rhizobium ccongjsinh với các cây họ Đậu, vi khuẩn lam Anabaena azollae cộngsinh với Bèo hoa dâu,…

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

Nitơ hữu cơ + vi khuẩn amôn hóa à NH4+

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

-* Qúa 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 thànhHNO2 và Nitrosobacter tiếp tục oxi hóa HNO2 thành HNO3 theo sơ đồ

NH4 + Nitrosomonas NO2- + Nitrosobacter NO3

-Quá trình nitrat hóa diễn ra như sau:

2NH3 + 3O 2 2 HNO2 + H2O

2 HNO2 + O2 2 HNO3

Hình 2.1:Chu trình Nitơ

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

NO3- + vi khuẩn phản nitrat hóa à N2

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

Chương 3: CÁC NGUỒN DINH DƯỠNG NITƠ

3.1 Nguồn nitơ vô cơ

Các nguồn dinh dưỡng nito với lại nguồn vô cơ

Nitơ có vai trò đặc biệt quan trọng đối với sự sinh trưởng, phát triển của cây trồng và do

đó nó quyết định năng suất và chất lượng thu hoạch Nitơ có trong thành phần của hầuhết các chất trong cây: protein, axit nucleic, các sắc tố quang hợp, các hợp chất dự trữnăng lượng: ADP, ATP, các chất điều hoà sinh trýởng ,…Như vậy Nitơ vừa có vai tròcấu trúc, vừa tham gia trong các quá trình trao đổi chất và năng lượng Nitơ có vai tròquyết định đến toàn bộ các quá trình sinh lý của cây trồng

Vai trò của ni tơ đối với thực vật

Đối với thực vật nói chung và cây trồng nói riêng, N có vai trò sinh lý đặc biệt quan trọngđối với sinh trưởng, phát triển và hình thành năng suất N có mặt trong rất nhiều hợp chấthữu cơ quan trọng có vai trò quyết định trong quá trình trao đổi chất và năng lượng, đếnhoạt động sinh lý của cây

- N là nguyên tố đặc thù của protein mà protein lại có vai trò cực kỳ quan trọng đối vớicây

+ Protein là thành phần chủ yếu tham gia cấu trúc nên hệ thống chất nguyên sinhtrong tế bào, cấu tạo nên hệ thống màng sinh học, các bào quan trong tế bào

- N có trong thành phần của acid nucleic (AND và ARN) Ngoài chức năng duy trì vàtruyền thông tin di truyền, acid nucleic đóng vai trò rất quan trọng trong quá trình sinhtổng hợp protein, sự phân chia và sự sinh trưởng của tế bào

- N là thành phần quan trọng của chlorophyll, là một trong những yếu tố quyết định hoạtđộng quang hợp của cây, cung cấp chất hữu cơ cho sự sống của các sinh vật trên trái đất

- N là thành phần của một số phytohormone như auxin và cytokinin

Đây là những chất quan trọng trong quá trình phân chia và sinh trưởng của tế bào và củacây

- N tham gia vào thành phần của ADP, ATP, có vai trò quan trọng trong trao đổi nănglượng của cây

- N tham gia vào thành phần của phytochrome có nhiệm vụ điều chỉnh quá trình sinhtrưởng, phát triển của cây có liên quan đến ánh sáng như phản ứng quang chu kỳ, sự nảymầm, tính hướng quang

Vì vậy cây rất nhạy cảm với N N có tác dụng hai mặt đến năng suất cây trồng, nếu câytrồng thừa hay thiếu N đều có hại

- Thừa N: khác với các nguyên tố khác, việc thừa N có ảnh hưởng rất nghiêm trọng đếnsinh trưởng, phát triển và hình thành năng suất ở cây trồng Cây sinh trưởng quá mạnh,thân lá tăng nhanh mà mô cơ giới kém hình thành nên cây rất yếu, dễ lốp đổ, giảm năngsuất nghiêm trọng và có trường hợp không có thu hoạch

- Thiếu N: thiếu N cây sinh trưởng kém, chlorophyll không được tổng hợp đầy đủ, lávàng, đẻ nhánh và phân cành kém, sút giảm hoạt động quang hợp và tích lũy, giảm năngsuất Tùy theo mức độ thiếu đạm mà năng suất giảm nhiều hay ít Trong trường hợp cótriệu chứng thiếu đạm thì chỉ cần bổ sung phân đạm là cây sinh trưởng và phát triển bìnhthường

Ở Vi sinh vật

Nguồn N là nguồn cung cấp N cho vi sinh vật để tổng hợp nên các hợp chất chứa N trong

tế bào Thường không là nguồn năng lượng, chỉ một số ít vi sinh vật tự dưỡng (thuộcnhóm ammon hoá-ammonification, nhóm nitrate hoá- nitrification) dùng muối ammone,muối nitrate làm nguồn năng lượng Trong điều kiện thiếu nguồn C một số vi sinh vật kỵkhí trong điều kiện không có oxy có thể sử dụng một số aminoacid làm nguồn nănglượng Nguồn N thường được vi sinh vật sử dụng là protein và các sản phẩm phân huỷcủa protein ( peptone, peptide, aminoacid ), muối ammone, nitrate, N phân tử (N2),purine, pyrimidine, urea, amine, amide, cyanide (bảng 13.7)

Bảng 3.1: Nguồn N được vi sinh vật sử dụng

Ammone và muối

ammone

NH3, (NH4)2SO4, (dễ được hấp thu)

Nitrate KNO3 (dễ được hấp thu)

N phân tử N2 (với vi sinh vật cố định N)

Các nguồn N khác purine, pyrimidine, urea, amine, amide, cyanide (chỉ một số nhóm

vi sinh vật mới có thể đồng hoá được)

Nguồn N thường được sử dụng để nuôi cấy vi sinh vật gồm có pepton, bột cá, bộtnhộng tằm, bột đậu tương, bột khô lạc, cao ngô, cao thịt, cao nấm men Vi sinh vật sửdụng chọn lọc đối với nguồn N Chẳng hạn xạ khuẩn sản sinh terramycin sử dụng caongô với tốc độ nhanh hơn so với sử dụng khô đậu tương hay khô lạc, bởi vì nguồn Ntrong cao ngô là các sản phẩm phân giải dễ hấp thu của protein Cao ngô được coi lànguồn N tốc hiệu, còn khô dầu được coi là nguồn N trì hiệu Loại N tốc hiệu là có lợi cho

sự sinh trưởng của vi sinh vật, còn loại trì hiệu lại có lợi cho sự hình thành các sản phẩmtrao đổi chất Khi sản xuất terramycin chẳng hạn, người ta phối hợp sử dụng cao ngô vàkhô dầu theo một tỷ lệ nhất định để phối hợp giữa giai đoạn sinh trưởng tạo sinh khối vàgiai đoạn sinh tổng hợp các sản phẩm trao đổi chất, nhằm mục tiêu là nâng cao sản lượngterramycin

Năng lực hấp thu muối ammone và nitrate ở vi sinh vật là khá mạnh Ion NH4 sau khiđược tế bào hấp thu có thể được trực tiếp sử dụng, do đó các nguồn muối ammone đượccoi là nguồn N tốc hiệu Còn nitrate sau khi được hấp thụ cần khử thành NH4+ rồi mớiđược vi sinh vật sử dụng Đa số các vi khuẩn hoại sinh (saprophyte), vi khuẩn đườngruột, vi sinh vật gây bệnh ở người, động vật, thực vật đều có thể dùng muối ammone,

muối nitrate làm nguồn N Chẳng hạn các vi khuẩn Escherichia coli, Enterobacter aerogenes, Bacillus subtilis, Pseudomonas aeruginosa đều có thể sử dụng nguồn

(NH4)2SO4 và NH4NO3 làm nguồn N; xạ khuẩn có thể sử dụng KNO3 làm nguồn N; nấmsợi có thể sử dụng KNO3 làm nguồn N Lúc dùng các muối như (NH4)2SO4 để làm nguồn

N nuôi cấy vi sinh vật cần chú ý là sau khi vi sinh vật hấp thu NH4+ thì sẽ làm hạ thấp pHcủa môi trường Người ta gọi đó là những muối có tính sinh lý acid Ngược lại khi dùngcác muối nitrate (như KNO3) sau khi vi sinh vật hấp thu NO3- thì sẽ làm nâng cao pH củamôi trường Người ta gọi đó là các muối có tính sinh lý kiềm Để làm cho pH trong cácmôi trường nuôi cấy vi sinh vật ít bị biến động người ta bổ sung thêm các chất có tínhđệm (buffer substance)

Nguồn vô cơ

Bao gồm ba loại: +muối amon

+Urea

+Muối nitrate

• Muối amon (NH4+): Muối amoni của acid hữu cơ vì ít làm chua môi trường

• Urea: Nguồn nitơ trung tính Khi cho vào môi trường dưới tác dụng của enzyme urease tạo NH3 NH3 được vi sinh vật sử dụng không lầm thay đổi pH môi trường

• Muối nitrate: Thường được tính hợp với các loại nấm mốc, tảo, xạ khuẩn, không tích hợp cho nấm men và vi khuẩn Người ta thường sử dụng đạm NH4NO3 hơn KNO3, NaNO3,Mg(NO3)2 Vì sau khi vi sinh vật sử dụng gốc ntrate còn lại các iondương kim loại dễ khiếm môi trường trở nên kiềm tính

3.2 Nguồn nito hữu cơ

Nhiều vi sinh vật có khả năng đồng hóa tốt nito chứa trong các hợp chất hữu cơ Cácchất này vừa là nguồn nito vừa là nguồn cacbon cho vi sinh vật

3.2.1 Protein

Vi sinh vật có thể đồng hóa nito chứa trong các thức ăn Tuy nhiên chúng không cókhả năng hấp thụ trược tiếp các protein cao phân tử, mà chỉ có các olygopeptid* chứakhông quá 5 gốc acid amin mới có thể hấp thụ trực tiếp qua màng tế bào của vi sinh vật

Bù lại, nhiều vi sinh vật có khả năng tạo ra protease cũng như peptiddase ngoại bào, xúc

tác và thủy phân protein thành các hợp chất peptid phân tử nhỏ và acid amin, có thể hấpthụ vào tế bào vi sinh vật.

Olygopeptide*: là một chuỗi ngắn các amino acid liên kết với nhau bằng liên kếtpeptide Có từ 2 – 10 gốc amino acid Đây là thuật ngữ được sử dụng với các peptide với

ít thành viên nó trái ngược với polypeptide Bao gồm đipeptide, tripeptide, tetrapeptide,pentapeptid,

3.2.2 Acid amin

Xét về nhu cầu acid amin vi sinh vật được chia làm 3 nhóm:

Vi sinh vật tự dưỡng amin: là những vi sinh vật không cần đòi hỏi phải cung cấp bất kì

acid amin nào Chúng có khả năng tự tổng hợp ra các acid amin mà chúng cần thiết từ

NH4+ và các chất hữu cơ

Nhóm tự dưỡng amin gồm: vi khuẩn cố định nito, vi khuẩn amib hóa, nitrat hóa,

Vi sinh vật dị dưỡng amin: ngược lại nó là những vi sinh vật bắt buộc phải được

cung cấp một hoặc nhiều acid amin mà chúng cần thiết Chúng không có khả năng tổnghợp ra các Acid amin này

Các vi sinh vật thuộc nhóm này bao gồm: các vi khuẩn kí sinh và các vi khuẩn gâythối háo khí

Vi sinh vật được khích thích sự phát triển bởi các acid amin: chúng thường

không đòi hỏi các acid amin có sẵn, nhưng sự có mặt của các acid amin có trong môitrường thì dinh dưỡng sẽ được tăng cường tốt độ phát triển của chúng tăng lên rất mạnh

mẽ

Nấm móc, nấm men, xạ khuẩn là những vi sinh vật thuộc nhóm ngây

Nguồn nito hữu cơ trong nuôi cấy vi sinh vật

- Nguồn nito hữu cơ thường được sử dụng để nuôi cấy vi sinh vật là bột đậu tương, cao ngô nấm men, cao thịt Tuy nhiên trong công nghiệp vì lí do kinh tế - kĩ thuật mà trong số các nguồn nito rất tốt đã nêu thường chỉ có bột đậu tương và cao ngô là được ứng dụng, cũng như thay cho cao nấm men rát đắt thì nấm men tươi lại được ưa dùng

- Pepton* nguồn dinh dưỡng hữu cơ chứa cả cacbon và nito Đây là một chế phẩm thủy phân chưa triệt để của một nguồn protein nào đó (thịt bò).

Pepton* còn được gọi là cao thịt: nó chứa các chất đạm hữu cơ, đường, muối khoáng vàcác vitamin nói nôm na là thịt được thủy phân bằng protease, hoặc acid sau đó cô lạithành bột

3.2.3 Vi sinh vật cố định Nitơ

Bản chất – giới thiệu về cơ chế cố định đạm trong vi sinh vật

Cơ chế sinh hóa của quá trình cố định nitơ của vi sinh vật rất phức tạp và cũng chưa cótài liệu chính thức nào xác định chính xác 100% bản chất của nó, nhưng hầu hết các nhànghiên cứu sinh hóa vẫn đồng ý với giả thuyết cho rằng NH3 là sản phẩm đồng hóa sơcấp của nitơ Và có thể nêu ra giả thuyết về 2 con đường chuyển hóa từ nitơ vô cơ trongkhông khí của vi sinh vật sống tự do trong đất như hình sau N2 + 8H+ + 8e + 16ATP →2NH3 + H2 + 16ADP + 16Pi

Năm 1961-1962, người ta đã tách từ Clostridium pasteurrianum hai tiểu phần hoạt hóaH2 và N2 Sau này người ta tìm thấy ởAzotobacter cũng có các tiểu phần đó Trong quá

Hình: Sơ đồ giả thuyết về các con đường của quá trình cố định

Nguồn hydro để khử N2 có thể là hydro phân tử (H2) Trong trường hợp này thì dưới tácdụng của enzyme hydrogenase, điện tử được chuyền theo hệ thống:

Nguồn cho điện tử và hydro là acid pyruvic Đáng chú ý là trong quá trình chuyền điện tử

có sự tham gia tích cực của feredocine (Fd) Fd là cầu nối giữa 2 hệ enzyme hydrogenase

và nitrogenase để cố định N2

Trong thực tế ngoài môi trường, lượng năng lượng cần thiết để thực hiện các phảnứng oxi hóa và khử để phá hủy liên kết 3 của N2 là rất lớn Thế nhưng do mục đích côngnghiệp, chúng ta đã nghiên cứu các chất xúc tác nhằm mục đích giảm thiểu mức nănglượng cần ( vào khoảng 16-20Kcalo/Mol ), song lượng năng lượng vẫn còn lớn so với cơthể sinh vật Để có được sự gia tăng về tốc độ phản ứng trong tế bào vi sinh vật ở nhiệt độthấp, công nhờ vào hệ thống enzyme hydrogenase giúp hoạt hóa H2 và enzymenitrogenase hoạt hóa nitơ

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 sửdụng trong quá trình sinh trưởng và phát triển

- Cố định nitơ phân tử diễn ra theo 2 con đường:

- Cơ sở khoa học: Vi khuẩn cố định nitơ có khả năng tuyệt vời như vậy là do trong cơ thểchúng có chứa 1 loại enzim đọc nhất vô nhị là Nitrogenaza Enzim nay có khả năng bẻgẫy ba liên kết cộng hóa trị giữa 2 nguyên tử nitơ để liên kết với H2 tạo thành NH3, trongmôi 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 visinh vật cố định nitơ có khả năng tổng hợp khoảng 100-400 kg nitơ/ha

Vai trò của Vi sinh vật cố định đạm

Phần lớn vi sinh vật sống trong đất là những sinh vật có ích sống theo kiểu cộngsinh, chỉ một số rất ít là có hại, Số lượng quần thể VSV có ích trong đất chiếm ưu thế hơnrất nhiều lần so với VSV gây bệnh hại Phần lớn các VSV có ích tham gia vào quá trìnhphân giải xác thực vật thành thức ăn có nguồn gốc hữu cơ cho cây trồng và VSV khác,chúng có vai trò rất quan trọng trong quá trình khoáng hóa và cố định đạm Ngoài ra,thông qua các quá trình trao đổi chất, vi sinh vật còn tạo ra các loại enzyme, acid amin,các vitamin, là thức ăn và vũ khí tự vệ quan trọng cho cây trồng Hơn thế nữa, khi các visinh vật này chết đi sẽ để lại một lượng lớn thức ăn khổng lồ có chất lượng cao cho câytrồng

Một số lợi ích khác của các vi sinh vật này là có vai trò trong việc cải tạo đất, tang

độ mùn cho đất, tơi đất, thoáng khí, cân bằng độ pH, tạo khả năng giữ nước, giữ phân.Nhờ vào hoạt động trao đổi chất của vi sinh vật, môi trường đất được cải thiện và nângcao hơn về lượng dinh dưỡng cung cấp cho cây trồng cũng như bảo vệ và làm giảm cáchoạt động ký sinh gây bệnh cho cây Trong quần thể vi sinh vật có ích, có số lượng lớn visinh vật là thiên địch đối với các vi sinh vật ký sinh gây bệnh cho cây trồng rất hiệu quả