Chu trình nitơ là gì?
Chu trình nitơ là một chuỗi các quá trình, trong đó nitơ chuyển hóa qua lại giữa các hợp chất Nitơ trong môi trường và trong cơ thể sống: khí quyển, đất, nước, thực vật, động vật và vi khuẩn… Trong khí quyển, nitơ tồn tại dưới dạng khí (N2). Còn trong đất, nitơ tồn tại dưới dạng nitơ oxit (NO) và nitơ đioxit (NO2). Khi được sử dụng làm phân bón, nitơ ở các dạng khác như amoniac (NH3), NH4NO3… Trong nước thải, ni tơ chủ yếu tồn tại ở amoni (NH4+/NH3), nitrit (NO2) và nitrat (NO3).
Sơ đồ chu trình nitơ
Hình trên giới thiệu sơ đồ chu trình nitơ diễn ra trong tự nhiên
Có năm giai đoạn trong chu trình nitơ: cố định nitơ, khoáng hóa, nitrat hóa, khử khoáng hóa và khử nitrat. Trong phần tiếp theo chúng ta sẽ lần lượt thảo luận về từng giai đoạn. Ở hình ảnh trên, các vi sinh vật trong đất biến khí nitơ (N2) thành amoniac dễ bay hơi (NH3). Quá trình cố định này được gọi là bay hơi. Ngoài ra còn có quá trình hòa tan, xảy ra ở một số dạng nitơ nhất định (như NO3) hòa tan trong nước và thấm vào đất. Nitơ dưới dạng NO2, NO3 có khả năng gây ô nhiễm nguồn nước.
5 quá trình trong sơ đồ chu trình nitơ
Giai đoạn 1 trong chu trình Nitơ: Cố định Nitơ
Trong giai đoạn này, nitơ di chuyển từ khí quyển vào đất. Bầu khí quyển của Trái đất chứa một lượng lớn khí nitơ (N2). Nhưng nitơ ở dạng khí (N2) thực vật không thể sử dụng trực tiếp được mà phải qua quá trình biến đổi. Để thực vật sử dụng được, N2 phải được chuyển hóa thông qua một quá trình được gọi là quá trình cố định nitơ. Quá trình này chuyển đổi nitơ trong khí quyển (N2) thành các dạng mà thực vật có thể hấp thụ qua bộ rễ.
Một lượng nhỏ nitơ được cố định khi trời có sét. Sét cung cấp năng lượng để N2 phản ứng với oxy, tạo ra NO và NO2. Các dạng nitơ này sau đó đi vào đất thông qua nước mưa. Ngày nay Nitơ cũng được tạo ra từ ngành công nghiệp sản xuất phân bón. Dạng cố định này xảy ra dưới nhiệt độ và áp suất cao. Trong đó nitơ trong khí quyển và hydro được kết hợp để tạo thành amoniac (NH3). Sau đó có thể được xử lý thêm, để tạo ra muối amoni nitrat (NH4NO3). Một dạng nitơ có thể được sử dụng bởi thực vật.
Nitơ cố định sau đó được mang đến các bộ phận khác của cây và được sử dụng để tạo thành các mô cây. Các vi khuẩn khác sống tự do trong đất hoặc nước và có thể cố định nitơ mà không cần mối quan hệ cộng sinh này. Những vi khuẩn này cũng có thể tạo ra các dạng nitơ có thể được sử dụng bởi các sinh vật.
Giai đoạn 2: Khoáng hóa
Giai đoạn này diễn ra trong đất. Nitơ chuyển từ chất hữu cơ, chẳng hạn như phân hoặc xác thực vật sang dạng nitơ vô cơ mà thực vật có thể sử dụng. Cuối cùng, chất dinh dưỡng được cây sử dụng hết và cây chết và phân hủy. Điều này trở nên quan trọng trong giai đoạn thứ hai của chu trình nitơ.
Quá trình khoáng hóa xảy ra khi vi sinh vật hoạt động phân hủy chất hữu cơ (phân hoặc xác thực vật…). Sau đó chuyển nó thành dạng nitơ mà cây trồng hấp thụ được. Tất cả các loại cây đang trồng trọt, ngoại trừ cây họ đậu đều nhận được nitơ qua đất. Các loại đậu nhận nitơ nhờ quá trình cố định ởtrong các nốt sần ở rễ của chúng, như đã mô tả ở trên.
Quá trình amoni hóa
Dạng nitơ đầu tiên được tạo ra từ quá trình khoáng hóa là amoniac, NH3. Sau đó NH3 trong đất phản ứng với nước tạo thành amoni, NH4. Amoni này được giữ trong đất và có sẵn để sử dụng cho các loài thực vật không lấy nitơ thông qua mối quan hệ cố định nitơ cộng sinh được mô tả ở trên.
Trong hệ thống xử lý nước thải, quá trình chuyển đổi nitơ thành amoni được diễn ra nhờ quá trình amoni hóa. Amoni là một dạng tồn tại của Nitơ trong nước thải. Gần như tất cả nitơ trong nước chưa xử lý là amoni (NH4+). Thông qua quá trình thủy phân, nitơ hữu cơ bắt đầu chuyển đổi thành amoniac hoặc amoni. Quá trình thủy phân là sự chuyển hóa chất hữu cơ phức tạp thành các dạng đơn giản để vi khuẩn hấp thụ.
Lượng amoniac và amoni được tạo thành phụ thuộc vào độ pH và nhiệt độ của chất lỏng. Khi pH của nước thải có tính axit (<6,9) hoặc trung tính (7,0), phần lớn nitơ là amoni (NH4+). Khi pH tăng lên 8,0 và đang tăng, amoni bắt đầu chuyển sang dạng khí amoniac hòa tan (NH3). Ở pH 10 và cao hơn, hầu như tất cả amoni đã chuyển thành khí NH3.
Bài chi tiết: Amoni trong nước thải là gì? Cách đo và xử lý amoni
Giai đoạn 3: Quá trình Nitrat hóa
Giai đoạn thứ ba, quá trình nitrat hóa, cũng xảy ra trong đất và trong nước (nước thải, nước ao nuôi tôm, ao hồ…) Trong quá trình nitrat hóa, amoniac trong đất, được tạo ra trong quá trình khoáng hóa, được chuyển đổi thành các hợp chất gọi là nitrit, NO2− và nitrat, NO3−. Nitrat có thể được sử dụng bởi thực vật và động vật tiêu thụ thực vật.
Bài chi tiết: Quá trình nitrat hóa là gì? Ba yếu tố ảnh hưởng đến quá trình nitrat hóa.
Một số vi khuẩn trong đất có thể biến NH3 thành NO2. Mặc dù thực vật và động vật không thể sử dụng trực tiếp NO2. Nhưng các vi khuẩn khác có thể biến đổi NO2 thành NO3 một dạng mà thực vật và động vật có thể sử dụng được. Phản ứng này cung cấp năng lượng cho vi khuẩn tham gia vào quá trình này.
Vi khuẩn mà chúng ta đang nói đến được chia làm hai loại: vi khuẩn tự dưỡng (nitrosomonas và nitrobacter) và vi khuẩn dị dưỡng (pseudomonas và bacillus) Cả hai loại vi khuẩn chỉ có thể hoạt động khi có oxy. Quá trình nitrat hóa rất quan trọng đối với thực vật, vì nó tạo ra một lượng nitơ bổ sung có thể được cây trồng hấp thụ qua hệ thống rễ của chúng. Đối với nước thải và nước ao, quá trình nitrat hóa làm giảm lượng ô nhiễm amoni và nitơ.
Bài chi tiết: Vi khuẩn nitrat hóa tự dưỡng và dị dưỡng. Ngoài nitrosomonas và nitrobacter còn những chủng nào?
Giai đoạn 4: Khử khoáng hóa
Giai đoạn thứ tư của chu trình nitơ là sự đảo ngược của quá trình khoáng hóa. Hai quá trình này cùng nhau kiểm soát lượng nitơ trong đất. Cũng giống như thực vật, vi sinh vật sống trong đất cần nitơ như một nguồn năng lượng. Các vi sinh vật này hấp thụ nitơ từ đất khi thực vật phân hủy không chứa đủ nitơ.
Giai đoạn 5: Khử nitrat hóa (phản nitrat hóa)
Trong giai đoạn thứ năm của chu trình nitơ, nitơ được trả lại trong không khí khi nitrat được vi khuẩn chuyển thành khí nitơ bay vào khí quyển (N2). Quá trình này gọi là quá trình khử nitrat.
Khử nitrat là bước tiếp theo của chu trình nitơ, sau khi quá trình nitrat hóa đã chuyển đổi amoni thành nitrit và nitrat. Quá trình khử nitrat là quá trình chuyển đổi Nitrat (NO3) thành khí nitơ (N2) nhờ vi khuẩn khử Nitrat trong môi trường thiếu khí. Khử nitrat xảy ra khi lượng oxy bị cạn kiệt. Lúc này nitrat (NO3) trở thành nguồn oxy chính cho vi sinh vật sử dụng. Quá trình được thực hiện trong điều kiện thiếu khí. Nghĩa là nồng độ oxy hòa tan nhỏ hơn 0,5 mg/L, lý tưởng là nhỏ hơn 0,2. Khi vi khuẩn phân tách nitrat (NO3) để lấy oxy (O2), nitrat (NO3) bị khử thành khí nitơ (N2).
Vì khí nitơ không hòa tan trong nước nên nó thoát ra ngoài khí quyển dưới dạng bong bóng khí. Quá trình xử lý Nitơ được xem là hoàn tất vì khí N2 thoát ra không gây hại.
Bài chi tiết: Quá trình khử nitrat là gì? 4 lưu ý để quá trình khử nitrat hiệu quả
Tham khảo: kids.frontiersin.org
Xem thêm: Xử lý amoni khó là do đâu và giải pháp
Bạn vừa xem xong bài viết Chu trình nitơ là gì? 5 quá trình trong sơ đồ chu trình nitơ. Nếu bạn có thắc mắc và gặp khó khăn gì thì hãy gọi hoặc inbox cho Flash nhé.
