Nhóm vi khuẩn nào có khả năng chuyển hóa NO3 và N2?

1. Nhóm vi khuẩn nào có khả năng chuyển hóa NO3 và N2?

Nhóm vi khuẩn có khả năng chuyển hóa NO3- thành N2 là vi khuẩn phản nitrat. Quá trình này gọi là quá trình phản nitrat hóa, làm giảm lượng nito dinh dưỡng trong đất. Vi khuẩn phản nitrat hóa thường hoạt động trong điều kiện kị khí, chuyển hóa NO3- thành các dạng nito khác như N2O, NO, N2 . Vi khuẩn phản nitrat hóa khác với các nhóm vi khuẩn khác như vi khuẩn amôn hóa (chuyển hóa chất hữu cơ thành NH4+), vi khuẩn nitrat hóa (chuyển hóa NH4+ thành NO3-) và vi khuẩn cố định nitơ (chuyển hóa N2 thành NH4+).

2. Vi khuẩn phản nitrat là gì?

Vi khuẩn phản nitrat là một nhóm vi khuẩn có khả năng thực hiện quá trình khử nitrat trong môi trường. Quá trình này giúp giảm tổng nitơ, amoni, nitrit và nitrat trong nước thải, đảm bảo tiêu chuẩn chất lượng nước. 

Vi khuẩn phản nitrat, cùng với vi khuẩn khử nitrat và vi khuẩn cổ, là một nhóm vi khuẩn đa dạng có thể thực hiện quá trình khử nitrat để hoàn thành chu trình nitơ. Nhiều loại vi khuẩn thường thấy trong đất và bùn thực hiện quá trình. Nó chuyển hóa các hợp chất nitơ bằng nhiều loại enzyme khác nhau, chuyển đổi oxit nitơ thành khí nitơ. Loại vi khuẩn phản nitrat bao gồm một số nhóm đại diện như Pseudomonas, Alcaligenes và Bacillus. Trong số đó, Pseudomonas là một trong những chi vi khuẩn được nghiên cứu nhiều nhất. Vì lý do này, người ta thường sử dụng các chủng Pseudomonas làm sinh vật mẫu nhằm làm các nghiên cứu quá trình  khử nitrat. Không chỉ vậy, Pseudomonas là chủng vi khuẩn còn có thể thực hiện cả quá trình nitrat hóa (NO2→NO3) và khử nitrat (NO3→N2). Có thể nói, vi khuẩn phản nitrat không chỉ có nhiều ứng dụng thực tiễn liên quan đến quản lý môi trường mà còn được dùng như là một chất quan trọng và thiết yếu trong xử lý nước thải.

3. Quá trình vi khuẩn phản nitrat chuyển hóa NO3 và N2:

Quá trình Vi khuẩn phản nitrat chuyển hóa NO3 và N2 là quá trình tách oxi ra khỏi nitrat (NO3) dưới tác dụng của vi khuẩn phản nitrat hóa. Oxy được chiết xuất từ nitrat được tái sử dụng để oxy hóa chất hữu cơ. Vi khuẩn này sẽ lấy oxi từ nitrat để hô hấp và phân hủy chất hữu cơ. Khi oxi bị tách ra, nitrat sẽ biến đổi thành các hợp chất khác như nitrit (NO2), nitơ monoxit (NO), nitơ oxit (N2O) và cuối cùng là khí nitơ (N2). Khí nitơ là một khí trơ, không gây hại cho môi trường. Quá trình này diễn ra thông qua một loạt các phản ứng như sau:

NO3 – + 2H+ + 2e- → NO2 – + H2O

NO2- + 2H+ + e- → NO + H2O

2NO + 2H+ + 2e- → N2O + H2O

N2O + H+ + e- → N2 + 1/2O2

Sản phẩm cuối cùng là khí nitơ tự do (N2) và một lượng nhỏ khí oxi (O2). Quá trình này có vai trò quan trọng trong xử lý nước thải, giúp giảm lượng nitơ hữu cơ và vô cơ trong nước, đồng thời tiết kiệm năng lượng và giảm thiểu ô nhiễm môi trường.

4. Chu trình nitơ:

Chu trình nitơ là quá trình chuyển hóa các dạng nitơ khác nhau trong tự nhiên. Nitơ có thể tồn tại ở dạng phân tử (N2) trong không khí, dạng ion (NO3- và NH4+) trong đất và nước, hoặc dạng hữu cơ trong xác sinh vật. Các vi khuẩn đóng vai trò quan trọng trong chu trình nitơ, bằng cách cố định, khoáng hóa, nitrat hóa và phản nitrat hóa nitơ. Cây chỉ có thể hấp thụ nitơ ở dạng ion NO3- và NH4+, do đó cần phải có sự chuyển hóa từ các dạng nitơ khác. Chu trình nitơ gồm có bốn quá trình chính:

4.1. Cố định nitơ: 

Cố định nitơ là quá trình biến đổi nitơ tự do (N2) trong khí quyển thành các hợp chất có nitơ, như amoniac (NH3), ion amoni (NH4+), nitrat (NO3-) hoặc các oxit nitơ khác. Các hợp chất này có thể được sử dụng làm chất dinh dưỡng bởi các sinh vật sống. Cố định nitơ là một phần quan trọng của chu trình nitơ, vòng tuần hoàn của nguyên tố nitơ trong tự nhiên.

Có nhiều cách để cố định nitơ, bao gồm cả các quá trình tự nhiên và tổng hợp. Các quá trình tự nhiên bao gồm:

– Sét: Sét cung cấp năng lượng để phản ứng nước (H2O) và khí nitơ (N2) để tạo thành nitrat (NO3-) và amoniac (NH3). Các hợp chất này sau đó được mang xuống bề mặt bởi mưa và tuyết, nơi thực vật sử dụng chúng.

– Vi khuẩn: Các vi sinh vật cố định nitơ được gọi là sinh vật dị dưỡng. Chúng chiếm khoảng 90% quá trình cố định nitơ tự nhiên. Một số sinh vật dị dưỡng sống tự do hoặc là tảo xanh lam, trong khi một số khác sống cộng sinh với động vật nguyên sinh, mối hoặc thực vật. Sinh vật dị dưỡng chuyển nitơ từ khí quyển thành amoniac, có thể chuyển hóa thành nitrat hoặc hợp chất amoni. Thực vật và nấm sử dụng các hợp chất này làm chất dinh dưỡng. Động vật có được nitơ bằng cách ăn thực vật hoặc động vật ăn thực vật.

Các quá trình tổng hợp bao gồm:

– Quy trình Haber hoặc Haber-Bosch: Quy trình Haber hoặc quy trình Haber-Bosch là phương pháp thương mại phổ biến nhất để cố định nitơ và sản xuất amoniac. Phản ứng được mô tả bởi Fritz Haber, mang về cho ông giải Nobel Hóa học năm 1918 và được Karl Bosch điều chỉnh để sử dụng trong công nghiệp vào đầu thế kỷ 20. Trong quá trình này, nitơ và hydro được đốt nóng và tạo áp suất trong một bình chứa chất xúc tác là sắt để tạo ra amoniac.

– Quá trình xyanamit: Quá trình xyanamit tạo thành canxi xyanamit (CaCN2), còn được gọi là Nitrolime, từ canxi cacbua được đun nóng trong môi trường nitơ tinh khiết. Canxi xyanamit sau đó được sử dụng làm phân bón thực vật.

– Quá trình hồ quang điện: Quá trình này được phát minh bởi Lord Rayleigh vào năm 1895. Tương tự như cách sét cố định nito thì cố định nito được thực hiện trong phòng thí nghiệm cũng diễn ra như vậy. 

4.2. Khoáng hóa nitơ: 

Khoáng hóa nitơ là quá trình chuyển hóa nitơ từ dạng hữu cơ sang dạng vô cơ trong đất nhờ sự tham gia của các vi sinh vật. Nitơ là một nguyên tố dinh dưỡng thiết yếu cho thực vật, nhưng thực vật chỉ có thể hấp thụ nitơ ở dạng amoni (NH4+) hoặc nitrat (NO3-). Nitơ hữu cơ trong xác thực vật phải được phân giải thành nitơ vô cơ trước khi có thể được sử dụng bởi thực vật. Khoáng hóa nitơ gồm hai bước chính: amôn hóa và nitrat hóa.

– Amôn hóa là quá trình chuyển hóa nitơ hữu cơ thành amoni (NH4+) nhờ vi khuẩn amôn hóa. Ví dụ: C6H12O6 + 4NH3 → 6CO2 + 10H2O + 4NH4+.

– Nitrat hóa là quá trình chuyển hóa amoni (NH4+) thành nitrat (NO3-) nhờ vi khuẩn nitrat hóa. Ví dụ: 2NH4+ + 3O2 → 2NO3- + 2H2O + 4H+.

Khoáng hóa nitơ là một quá trình quan trọng trong chu trình nitơ, giúp duy trì sự cân bằng của nguyên tố này trong đất và sinh quyển.

4.3. Nitrat hóa: 

Quá trình Nitrat hóa là quá trình chuyển đổi các hợp chất chứa nitơ thành nitrat (NO3-) thông qua quá trình oxy hóa sinh học. Đây là một quá trình quan trọng trong xử lý nước thải và quản lý môi trường. 

– Quá trình Nitrat hóa chuyển đổi amoniac (NH3) thành nitrit (NO2-) thông qua hoạt động của vi khuẩn nitrat hóa.

– Sau đó, nitrit (NO2-) được oxy hóa tiếp thành nitrat (NO3-) bởi các vi khuẩn phản nitrat hóa.

– Vi khuẩn nitrat hóa thường thuộc vào nhóm vi khuẩn nitrat hóa, bao gồm các loài như Nitrosomonas và Nitrobacter.

Quá trình Nitrat hóa diễn ra trong môi trường có sự hiện diện của oxy và các chất dinh dưỡng cần thiết cho vi khuẩn, như amoniac và nitrit.

Quá trình này giúp giảm tổng lượng nitrat trong môi trường, cải thiện chất lượng nước và giảm tác động của nitrat đến môi trường.

Quá trình Nitrat hóa được áp dụng trong xử lý nước thải y tế, trong đó nitrat có thể gây ô nhiễm môi trường và ảnh hưởng đến sức khỏe con người. Việc hiểu và áp dụng quá trình Nitrat hóa là một phần quan trọng trong việc bảo vệ môi trường và đảm bảo an toàn cho nguồn nước.

4.4. Phản nitrat hóa: 

Quá trình phản Nitrat hóa là một quá trình quan trọng trong xử lý Nitơ trong nước thải. Nó có nhiệm vụ khử Nitrat (NO3-) thành khí Nitơ trở lại khí quyển.

– Quá trình phản Nitrat hóa là bước vô cùng quan trọng trong quá trình xử lý Nitơ trong nước thải.

– Quá trình này giúp giảm tổng lượng Nitrat trong môi trường, cải thiện chất lượng nước và giảm tác động của Nitrat đến môi trường.

– Trong chế phẩm sinh học, các vi khuẩn phản Nitrat hóa được kết hợp với nhau. Từ đó, chúng có hoạt tính rất cao, linh động trong nhiều môi trường.

– Quá trình phản Nitrat hóa (hay còn gọi là khử Nitrat) là quá trình tách oxi ra khỏi Nitrit (NO2) và Nitrat (NO3) dưới tác dụng của vi khuẩn Nitrat hóa.

– Quá trình phản Nitrat hóa diễn ra trong môi trường có sự hiện diện của oxy và các chất dinh dưỡng cần thiết cho vi khuẩn, như amoniac và Nitrit.

4. Các nhóm vi khuẩn chính tham gia vào chu trình nitơ:

Vi khuẩn là những sinh vật quan trọng trong chu trình nitơ, vì chúng có khả năng chuyển hóa các dạng nitơ khác nhau trong tự nhiên. Có bốn nhóm vi khuẩn chính tham gia vào chu trình nitơ, mỗi nhóm có một vai trò riêng:

– Vi khuẩn cố định nitơ: Chúng có khả năng chuyển hóa nitơ phân tử (N2) trong không khí thành nitơ amon (NH4+) trong đất. Nitơ amon là một dạng nitơ mà cây có thể hấp thụ và sử dụng để tạo ra các hợp chất hữu cơ. Vi khuẩn cố định nitơ có thể sống tự do trong đất hoặc kết hợp với rễ của một số loại cây như đậu, đỗ, lạc.

– Vi khuẩn amôn hóa: Chúng có khả năng chuyển hóa nitơ hữu cơ trong xác sinh vật thành nitơ amon (NH4+). Nitơ hữu cơ là các hợp chất có chứa nitơ trong cấu trúc phân tử, như protein, axit amin, nucleic acid. Quá trình này gọi là khoáng hóa nitơ, làm tăng lượng nitơ dinh dưỡng trong đất.

– Vi khuẩn nitrat hóa: Chúng có khả năng chuyển hóa nitơ amon (NH4+) thành nitrat (NO3-). Nitrat là một dạng nitơ khác mà cây cũng có thể hấp thụ và sử dụng. Quá trình này gọi là nitrat hóa, làm tăng lượng nitrat trong đất và nước.

– Vi khuẩn phản nitrat hóa: Chúng có khả năng chuyển hóa nitrat (NO3-) thành các dạng nito khí như N2O, NO, N2. Các dạng nito khí này không thể được cây hấp thụ và sử dụng, do đó làm giảm lượng nitơ dinh dưỡng trong đất. Quá trình này gọi là phản nitrat hóa, thường xảy ra trong điều kiện kị khí.