Quá trình sinh học để cố định nitơ là kết hợp nitơ khí quyển thành liên kết hóa học theo phản ứng:
3{CH2O} + 2N2 + 3H2O + 4H+→ 3CO2 + 4NH4+
(5.1) Đây là một quá trình hết sức phức tạp và cho đến nay vẫn chưa biết rõ về cơ chế phản ứng. Phản ứng cố định nitơ là quá trình sinh hóa then chốt trong môi trường và cần thiết cho thực vật phát triển khi không có
phân bón tổng hợp. Chỉ có một ít các vi sinh vật của môi trường nước có khả năng cố định nitơ khí quyển và được gọi là vi khuẩn tổng hợp quang hóa như Azotobecter, Clostridium và cyanobactery. Tuy nhiên, trong hầu hết hệ thống nước tự nhiên, phần cố định nitơ bằng sinh vật rất thấp. Các loại vi khuẩn biến đổi nitơ và lưu huỳnh trong môi trường đưa ra trong bảng 5.1.
Bảng 5.1. Vi khuẩn phân hủy các hợp chất nitơ
Vi khuẩn Loại Chất nền Sản phẩm
Arthrobacter Heterotroph NH4+
NO3-
Arthrobacter Heterotroph NH4+
NO3-
Aspergillus Heterotroph NH4+
NO3-
Nitrosomonas Autotroph NH4+
NO3-
Nitrobacter Autotroph NO2- NO3-
5.2.2. Nitrat hóa
Biến đổi các mức oxy hóa của nitơ từ N(-III) thành N(V) rất phổ biến và là quá trình hết sức quan trọng trong nước và trong đất. Nitơ trong nước cân bằng nhiệt động học với không khí ở trạng thái oxy hóa +5 như NO3-. Ngược lại, trong hầu hết các hợp chất sinh học, nitơ ở mức oxy hóa -3 như –NH2trong các amino axit. Hằng số cân bằng của phản ứng nitrat hóa được viết đối với một mol electron,
1/4O2 + 1/8NH4+→ 1/8NO3-
+ 1/4H+ + 1/8H2O (5.2) Hằng số cân bằng của phản ứng rất lớn và bằng 107,59 , chứng tỏ phản ứng tự xảy ra theo quan điểm của nhiệt động học.
Nitrat hóa đặc biệt quan trọng trong tự nhiên vì nitơ được hấp thụ bởi thực vật chủ yếu dưới dạng nitrat. Khi phân bón được sử dụng ở dạng muối amoni hoặc muối amoni khan, sự biến đổi của vi sinh vật thành nitrat để thực vật đồng hóa nitơ lớn nhất.
Sự biến đổi nitrat hóa của nitơ ammonia thành ion nitrat xảy ra nếu sục khí kéo dài. Quá trình này xảy ra trong quá trình xử lý bùn hoạt tính.
Vi khuẩn trong bể sục khí tiến hành khử nitrat trong khi sử dụng nitrat như là nguồn oxy để tạo thành N2. Trong tự nhiên, nitrat hóa được xúc tác bởi hai nhóm vi khuẩn, Nitrosomonas và Nitrobacter. Vi khuẩn Nitrosomonas biến đổi ammonia thành nitrit:
NH3 + 3/2O2→ H+ + NO2- + H2O (5.3)
Ngược lại, Nitrobacter oxy hóa nitrit thành nitrat:
NO2-
+ 1/2O2→ NO3-
(5.4) Hai loại vi khuẩn trên là loại vi khuẩn ưa khí, chúng chỉ hoạt động khi có mặt oxy. Ngoài ra, chúng còn là Chemo-lithotrophic có thể sử dụng các chất vô cơ có khả năng oxy hóa như là chất cho electron trong phản ứng oxy hóa để tạo ra năng lượng cần thiết cho quá trình chuyển hóa.
Đối với sự chuyển đổi hiếu khí một mol-electron của nitơ ammonia thành ion nitrit ở pH 7, biến thiên năng lượng tự do là -10,8 kcal theo phản ứng:
1/4O2 + 1/6NH4+→1/6NO2-
+ 1/3H+ + 1/6H2O (5.5) Biến thiên năng lượng tự do để oxy hóa hiếu khí một mol-electron nitrit thành ion nitrat là -9,0 kcal theo phản ứng:
1/4O2 + 1/2NO2-→1/2NO3-
(5.6) Cả hai giai đoạn của quá trình nitrat hóa liên quan đến lượng thích hợp của năng lượng tự do. Có thể thấy lượng năng lượng tự do trên mỗi mol-electron là tương đương để chuyển đổi NH4+
thành NO2- và chuyển NO2-
thành NO3-khoảng 10 kcal/ mol-electron.
5.2.3. Khử nitrat
Nói chung, khử nitrat được xem là các quá trình sinh học nitơ trong các hợp chất hóa học bị khử về trạng thái oxy hóa thấp hơn. Khi không có oxy tự do, nitrat có thể được sử dụng bởi một số vi khuẩn như là chất nhận electron thay thế. Sự khử có thể thực hiện hoàn toàn khi nitơ ở dạng ion nitrat tiếp nhận 8 electron và chuyển thành N-ammonia (+5 thành – 3). Nitơ là thành phần cần thiết của protein và bất kỳ sinh vật sử dụng nitơ từ nitrat để tổng hợp protein phải khử nitơ tới trạng thái oxy hóa -3 (dạng ammonia).
Chức năng của ion nitrat là chất nhận electron thường tạo ra NO2: 1/2NO3-
+ ẳ{CH2O} → 1/2NO2-
+ 1/4H2O + 1/4CO2 (5.7) Lượng năng lượng tự do trên mỗi một mol-electron khoảng bằng 2/3 lượng năng lượng tự do khi oxy là chất oxi hóa; tuy nhiên, ion nitrat là chất nhận electron tốt khi không có mặt oxy. Một trong những yếu tố hạn chế sử dụng ion nitrat thực hiện chức năng này là nồng độ của nó tương đối thấp trong nước. Hơn nữa, nitrit, NO2-, là hợp chất độc và có khuynh hướng kiềm chế sự tăng trưởng của vi sinh vật sau khi chúng sử dụng một lượng NO2-
. Natri nitrat đã được sử dụng như là chất bổ trợ oxy cho các bể chứa nước thải sinh hoạt bị thiếu hụt oxy.
Ion nitrat có thể là tác nhân oxy hóa hiệu quả đối với một số chất trong nước có thể bị oxy hóa bởi hoạt động của vi sinh vật. Ví dụ, nitrat là tác nhân oxy hóa vi sinh vật để chuyển Fe(II) thành Fe(III):
2NO3-
+ 10Fe2+ + 24H2O → N2 + 10Fe(OH)3 + 18H+ (5.8) Một trường hợp quan trọng đặc biệt là khử nitrat, trong đó sản phẩm là nitơ ở dạng khí, thường là N2. Ở pH 7, biến đổi năng lượng tự do cho mỗi electron-mol là -2,84 kcal:
1/5NO3-
+ ẳ{CH2O} + 1/5H+→ 1/10N2 + 1/4CO2 + 7/20H2O (5.9) Lượng năng lượng tự do cho mỗi mol nitrat khử thành N2 (5 electron-mol) thấp hơn so với sự khử cùng một lượng nitrat thành nitrit.
Khử ion nitrat thành khí N2 tiêu thụ 5 electron, trong khi đó khử NO3-
thành NO2-chỉ tiêu thụ 2 electron.
Khử nitrat là một quá trình quan trọng trong tự nhiên, là cơ chế giải phóng nitơ cố định quay trở lại khí quyển. Khử nitrat cũng được sử dụng trong xử lý nước thải để loại bỏ nitơ dinh dưỡng. Vì khí nitơ là chất khí bay hơi không độc, không làm hạn chế đến sự tăng trưởng của vi sinh vật và vì ion nitrat là chất nhận electon hiệu quả, khử nitrat cho phép tăng trưởng mạnh vi khuẩn trong điều kiện kỵ khí.