Dinh dưỡng Nitơ ở thực vật

I. Vai trò sinh lí của nguyên tố nitơ

– Nitơ là một nguyên tố dinh dưỡng khoáng thiết yếu của thực vật. Nitơ được rễ cây hấp thụ từ môi trường ở dạng NH₄⁺ và NO₃^–. Trong cây NO₃^– được khử thành NH4⁺.

– Nitơ có vai trò quan trọng đối với đời sống của thực vật:

• Vai trò chung: Đảm bảo cho cây sinh trưởng và phát triển tốt
• Vai trò cấu trúc:
  • Tham gia cấu tạo nên các phân tử protein, enzim, coenzim, axit nucleic, diệp lục, ATP …
  • Nito có trong các chất điều hòa sinh trưởng.
  • Dấu hiệu khi cây thiếu nguyên tố Nitơ là cây sinh trưởng kém, xuất hiện màu vàng nhạt trên lá.
• Vai trò điều tiết:
• Tham gia điều tiết các quá trình trao đổi chất và trạng thái ngậm nước của tế bào → ảnh hưởng đến mức độ hoạt động của tế bào.

 → Nitơ có vai trò quyết định đến toàn bộ các quá trình sinh lý của cây trồng

– Ví dụ: cây trồng thiếu đạm (N)

II. Quá trình đồng hóa Nitơ ở thực vật 

– Rễ cây hấp thụ nitơ ở dạng NH₄⁺ (dạng khử) và NO₃^– (dạng oxi hóa) từ đất nhưng nitơ trong các hợp chất hữu cơ cấu trúc nên mô, tế bào thì chỉ tồn tại ở dạng khử.

 → Vì vậy, sự đồng hóa nitơ trong mô thực vật gồm 2 quá trình: khử nitrat và đồng hóa amôn.

1. Quá trình khử nitrat

– Là quá trình chuyển hoá NO₃^– thành NH₄⁺, có sự tham gia của Mo và Fe (hoạt hóa các enzim tham gia vào quá trình khử).

– Được thực hiện ở mô rễ và mô lá theo sơ đồ:

NO₃^– (nitrat) → NO₂^– (nitrit) → NH₄⁺ (amoni)

– Các bước khử có sự tham gia của các enzim khử  -reductaza

NO₃^–­­ + NAD(P)H + H⁺ +2e^– → NO₂^– + NAD(P)⁺ + H₂O

NO₂– + 6 Feredoxin khử + 8H⁺ + 6e^– → NH₄⁺ + 2H₂O

– Điều kiện cho quá trình khử nitrat:

• Có các enzim đặc hiệu xúc tác cho các phản ứng
• Có các lực khử mạnh

– Ý nghĩa: Hạn chế tích lũy nitrat trong mô thực vật.

2. Quá trình đồng hoá NH₄⁺ trong mô thực vật:

– Quá trình đồng hóa NH4+ diễn ra theo 3 con đường:

Amin hoá trực tiếp các axit xêtô:

• Axit xêto + NH₄⁺ → Axit amin.
• Ví dụ: Axit α-xetoglutaric + NH₄⁺ → Axit glutamic

Chuyển vị amin:

• Axit amin + axit xêto  → a. amin mới + a. xêto mới
• Ví dụ: Axit glutamic + Axit piruvic → Alanin + Axit α-xetoglutaric

Hình thành amit: là con đường liên kết phân tử NH₃ với axit amin đicacboxilic.

• Axit amin đicacboxilic + NH₄⁺ → amit
• Ví dụ: Axit glutamic + NH4+ → Glutamin

– Ý nghĩa của sự hình thành amit: Sự hình thành amit có ý nghĩa sinh học quan trọng

• Đó là cách giải độc NH₃ tốt nhất (NH₃ tích luỹ lại sẽ gây độc cho tế bào)
• Amit là nguồn dự trữ NH₃ cho quá trình tổng hợp a. amin khi cần thiết. 

III. Nguồn cung cấp Nitơ tự nhiên cho cây

IV. Quá trình chuyển hóa Nitơ trong đất và cố định Nitơ

1. Quá trình chuyển hóa nitơ trong đất

– 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:

– 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^–

*Quá 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 thành HNO₂ và Nitrosobacter tiếp tục oxi hóa HNO₂ thành HNO₃ theo sơ đồ:

– Quá trình nitrat hóa diễn ra như sau:

• 2NH₃ + 3O₂ → 2 HNO₂ + H₂O
• 2 HNO₂ + O₂ → 2 HNO₃

* Lưu ý: Trong điều kiện môi trường đất kị khí, xảy ra quá trình chuyển hóa nitrat thành nitơ phân tử (NO₃^– → N₂) gọi là quá trình phản nitrat hóa:

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

2. 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 sử dụng trong quá trình sinh trưởng và phát triển.

– Cố định nitơ phân tử diễn ra theo 2 con đường: Con đường vật lý – hóa học và con đường sinh học.

* Con đường vật lý hóa học: xảy ra trong điều kiện có sấm sét, tia lửa điện,…

* Con đường sinh học:

– Là con đương cố định nitơ phân tử nhờ các vi sinh vật thực hiện.

– Vi sinh vật cố định nitơ gồm 2 nhóm:

• Nhóm vi sinh vật sống tự do: vi khuẩn lam, Azotobacter, Clotridium, Anabeana, Nostoc,…
• Nhóm vi sinh vật sống cộng sinh với thực vật: Các vi khuẩn thuộc chi Rhizobium trong nốt sần rễ cây họ Đậu, Anabeana azollae trong bèo hoa dâu,…

– Các VSV cố định nitơ có enzim nitrogenaza có khả năng bẻ gẫy 3 liên kết trong phân tử N₂ để N liên kết với H tạo ra NH₃. Trong môi trường nước, NH₃ chuyển thành NH₄⁺.

– Quá trình cố định nitơ phân tử có thể tóm tắt:

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

V. Phân bón với năng suất cây trồng và môi trường

1. Bón phân hợp lí và năng suất cây trồng

– Để cây trồng có năng suất cao cần phải bón phân hợp lí bằng cách:

• Đúng loại: Bón đúng loại phân;
• Đúng lượng: Bón đủ liều lượng cần bón, và tỉ lệ các thành phần dinh dưỡng;
• Đúng lúc: Bón đúng nhu cầu của giống, loài cây trồng, phù hợp với thời kì sinh trưởng và phát triển của cây, phù hợp với điều kiện thổ nhưỡng, đất đai, điều kiện thời tiết, mùa vụ;
• Đúng cách: Bón đúng cách.

2. Các phương pháp bón phân

– Bón phân qua rễ (bón vào đất):

• Rễ cây có khả năng hấp thụ các ion khoáng từ đất.
• Bón phân vào đất có 2 cách: Bón lót (bón trước khi trồng cây) và Bón thúc (bón sau khi trồng cây).

– Bón phân qua lá (phun lên lá):

• Lá cũng có thể hấp thụ các ion khoáng qua khí khổng.
• Dung dịch phân bón qua lá phải có nồng độ ion khoáng thấp, chỉ bón qua lá khi trời không mưa và năng không gay gắt.

3. Phân bón và môi trường

– Bón phân hợp lí sẽ tăng năng suất cây trồng và không gây ô nhiễm môi trường. 

– Khi lượng phân bón bón cho cây vượt quá mức tối ưu, cây sẽ không hấp thụ hết. Lượng phân bón dư thừa sẽ gây ra các ảnh hưởng xấu như thay đổi tính chất lí hóa của đất, ô nhiễm nông sản, ô nhiễm môi trường.