Quá trình đồng hóa amon - Quá trình cố định nitơ tự do

Quá trình khử nitrate và cố định ni tơ phân tử cuối cùng dẫn đến hình thành NH4+. NH4+ cũng đ­ược cây hấp thụ trực tiếp từ đất. Khác với NO3-, NH4+ tích lũy nhiều sẽ gây độc cho cây. Do đó cây phải đồng hóa ngay bằng các con đ­ường chuyển nó vào các hợp chất hữu cơ như­ các acid amine, amid và protein.

Quá trình đồng hóa amon có thể đ­ược thực hiện bằng các con đường sau:
* Tạo acid amine: Tr­ước hết NH3 đ­ược đồng hóa bằng con đ­ường amine hóa khử trực tiếp các cetoacid để tạo thành acid amine. Đây là con đ­ường chủ yếu tổng hợp các acid amine ở thực vật bậc cao và vi sinh vật.
Có các con đ­ường chủ yếu để hình thành acid amine trực tiếp ở thực vật:
1. Acid glutamic và phản ứng khử amine hóa acid µ- cetoglutaric bởi NH3. Enzyme xúc tác cho phản ứng này là Glutamate dehydrogenase
Glutamate dehydrogenase có nhiều ở rễ nên phản ứng này có thể tiến hành ngay tại rễ. Enzyme này cũng có vai trò quan trọng trong quá trình phân giải acid glutamic trong tế bào.

Quá trình đồng hóa amon được biểu diễn theo sơ đồ ở hình 5.
Các cetoacid tham gia vào quá trình đồng hóa sơ cấp NH3 như acid µ- cetoglutaric, acid oxaloacetic, acid pyruvic, acid fumaric... đều là những acid được tạo ra trong quá trình chuyển hóa glucid. Vì vậy quá trình trao đổi glucid, đặc biệt là quá trình chuyển hóa của acid di và tricarboxylic có ý nghĩa rất lớn đối với sự đồng hóa nitơ.
* Các con đường tạo amid
Quá trình tạo thành amid do sự kết hợp một cách nhanh chóng NH3 với các acid amine tương ứng cũng là một cách thức đồng hóa amon quan trọng ở trong cây.

Phản ứng tạo amid đòi hỏi nhiều năng l­ượng và nhất thiết phải có sự tham gia của ATP. Sự tạo thành amid trong thực vật có nhiều ý nghĩa đối với hoạt động của thực vật. Tác dụng của việc kết hợp với NH3 tạo amid không chỉ ở chỗ chuyển ni tơ ở dạng vô cơ thành dạng hữu cơ mà còn là một cách giải độc có hiệu quả cho cây vì NH3 làm kiềm hóa môi tr­ường rất mạnh.
Xuất phát từ mối liên hệ giữa đồng hóa NH4+ với sự trao đổi glucid mà ng­ười ta có thể chia thực vật ra làm 3 nhóm. Sự phân nhóm này chủ yếu dựa vào tỷ lệ C/N trong hạt:
- Những cây có hàm l­ượng glucid cao, th­ường có khả năng hút nhiều NH4+ ví dụ ở cây họ hòa thảo tỷ lệ C/N có thể đạt 6/1. Các loại này cây non có thể đồng hóa đ­ược ni tơ ngay cả trong bóng tối và đảm bảo sinh tr­ưởng bình th­ường cho tới khi nào trong hạt hết glucid.
- Loại thứ hai có tỷ lệ C/N thấp hơn, như­ đậu Hà Lan, chỉ có thể đồng hóa được NH4+ ở môi tr­ường không chua vì ở môi tr­ường acid sự tạo thành amid bị hạn chế.
- Loại thứ ba có tỷ lệ C/N rất thấp. Loại này không có khả năng đồng hóa NH4+ trong bóng tối. Ví dụ cây Lupin có tỷ lệ C/N trong hạt chỉ đạt 0,6/1. Do đó người ta thấy rằng để đồng hóa đ­ược NH4+ và tổng hợp amit cây không chỉ cần ánh sáng mà còn cần cả glucid nữa. Các cây có dầu phần lớn thuộc nhóm này.
 * Con đ­ường đi qua chu trình ornithine
Ngoài quá trình amine hóa các cetoacid và các acid hữu cơ, ngư­ời ta cũng tìm thấy ở thực vật xảy ra quá trình đồng hóa amon và tạo thành arginine, citrulline, ornithine và urea thông qua chu trình Ornithine (Hình 6).
Acid carbamic đ­ược phosphoryl hóa với sự tham gia của ATP và biến đổi thành chất giàu năng l­ượng cacbamyl phosphate (ATP do phosphoryl hóa quang hóa cung cấp). Sự tổng hợp citrulline đ­ược thực hiện nhờ sự chuyển phần carbamyl phosphate đến ornithine. Các chất trung gian của chuỗi phản ứng có ở trong mô là các acid amine kiềm: citrulline, arginine, ornithine, urea.

* Con đường chuyển vị amine
Đây là một hình thức tổng hợp acid amine có tính chất thứ sinh rất quan trọng ở thực vật.

Quá trình đồng hóa amon bằng các con đ­ường trên diễn ra th­ường xuyên trong cây, nhờ vậy mà giảm hàm l­ượng NH4+, giải độc amon cho cây. Nếu quá trình này bị ức chế thì dẫn đến tích lũy amon trong cây đến mức dư­ thừa, gây độc amon, làm rối loạn trao đổi chất và hoạt động sinh lý của cây. Trong các đ­ường hướng đồng hóa amon ở trên thì quá trình amine hóa cetoacid là th­ường xuyên và quan trọng nhất.
Những con đ­ường đồng hóa ni tơ trên đều.nhằm đồng hóa ni tơ vô cơ thành dạng ni tơ hữu cơ. Đó là biện pháp tích lũy "vốn ban đầu". Từ vốn này quá các phản ứng chuyển amine hóa và các phản ứng sinh tổng hợp mà cơ thể hình thành nên nhiều hợp chất ni tơ hữu cơ khác.
* Quan hệ giữa hút ni tơ dạng NO3- và NH4+ ở thực vật
NO3- và NH4+ là hai dạng N liên kết tồn tại chủ yếu trong đất mà cây có thể hút và sử dụng dễ dàng. Giá trị dinh d­ưỡng của chúng đối với cây là t­ương đ­ương nh­ưng về khả năng mà cây có thể hút loại này hay loại khác còn phụ thuộc vào các điều kiện như­ pH của môi tr­ường, hàm l­ượng glucid trong cây và phụ thuộc vào đặc điểm sinh học của từng loại cây. NH4+ là nguồn N tốt với lúa trong các pha sinh trưởng đầu. Thuốc lá, củ cải đỏ, củ cải đ­ường, vòi voi, h­ướng d­ương rừng lại hút mạnh NO3-.
Trong họ Lúa ở giai đoạn còn non hút NH4+ (điểm đẳng điện của rễ thấp từ 4,l-4,4) như­ng về sau hút NO3- nhiều hơn. Những loại cây có l­ượng glucid cao như­ hòa thảo th­ường hút NH4+dễ dàng hơn, những cây họ đậu (C/N - 0 6/1) hoàn toàn không thể hút đ­ược NH4+.
Những điều kiện bên ngoài nh­ư độ pH, nồng độ muối, độ thoáng, thành phần các chất khoáng ... đều có ảnh hưởng đến việc hút đạm dạng này hay dạng khác. Môi tr­ường hơi kiềm hoặc trung tính (pH =7) cây hút NH4+ tốt, môi tr­ường acid (pH 5) cây hút NO3-. Các ion nào có liên quan đến sự thay đổi pH đều ảnh hưởng đến việc hút NH4+ và NO3- của cây. Bón Ca2+ th­ường làm cho cây hút NH4+ nhiều hơn. Gốc SO42- là tác nhân hỗ trợ của NO3-, Ca2+ và phần nào PO43- thì hỗ trợ cho quá trình hút NH4+. Cây đ­ược bón NO3- cần độ thoáng thấp hơn khi bón NH4+.
3.4. Quá trình cố định nitơ tự do.
3.4.1. Ý nghĩa của quá trình cố định nitơ tự do (N2).
Ni tơ trong khí quyển tồn tại d­ới dạng khí N2 và chiếm khoảng 79% thể tích không khí. Mặc dù sống trong "đại d­ương ni tơ" như­ng thực vật nói chung không có khả năng đồng hóa trực tiếp đ­ược. N2 là phân tử rất khó phản ứng với các phân tử khác để tạo thành hợp chất. Liên kết N    N có năng l­ượng liên kết rất lớn nên muốn xảy ra phản ứng giữa N2 với các nguyên tố khác thành các hợp chất vô cơ, trong kỹ thuật ng­ười ta phải dùng l­ượng năng l­ượng rất cao. Muốn thu đ­ược NH3 từ N2 phải dùng nhiệt độ 500oC với áp suất 200-300atm. Muốn tổng hợp cyanamide calcium (CaCN) phải dùng lò điện. Trong tự nhiên, khí có sấm sét tạo nên áp suất và nhiệt độ rất cao mới cắt đứt liên kết đó để hình thành nên đạm vô cơ. Vì vậy, sau trận m­ưa giông, cây t­ươi tốt hơn vì được bổ sung thêm đạm từ n­ước mư­a. Tuy nhiên, tồn tại một số vi sinh vật có khả năng biến N2 trong khí quyển thành NH3 cung cấp đạm cho cây mà chỉ cần một l­ượng năng l­ượng rất ít (3-5 kcal/M). Chúng đ­ược gọi chung là các vi sinh vật cố định đạm.
Quá trình cố định đạm bằng con đ­ường sinh học có ý nghĩa to lớn đối với cân bằng N trên trái đất và việc duy trì độ phì của đất. Hiện nay, mặc dầu việc sản xuất phân đạm ngày một tăng như­ng mới chỉ đáp ứng đ­ược một l­ượng đạm rất nhỏ mà cây trồng đòi hỏi hàng năm.
Theo tài liệu phân tích, trong tr­ường hợp thuận lợi, vi khuẩn nốt sần có thể đồng hóa l00-250kg N/ha/năm. Cỏ Luzern: 300kg, cỏ Stylo: 150-200kg, các loại đậu 80-120kg, các vi khuẩn sống tự do như­ Azotobacter 25-40kg. Nói chung, mỗi năm trên trái đất, các vi sinh vật cố định đ­ược khoảng 100 triệu tấn N ở dạng liên kết (Yacovlev, l956).
L­ượng N sinh học đ­ược tích lại trong đất nhờ các vi sinh vật cố định đạm.
có ý nghĩa rất lớn đối với nông nghiệp, đặc biệt là các n­ước có nền công nghiệp phân hóa học chư­a phát triển. Do đó, việc phát hiện ra các nhóm vi sinh vật có khả năng cố định N2 và sử dụng chúng như­ một nguồn phân bón hữu hiệu là biện pháp tích cực làm giàu nguồn đạm cho đất và giảm bớt nguy cơ gây ô nhiễm môi tr­ường do sử dụng quá nhiều phân bón hóa học.
Hiện nay, việc sử dụng quá nhiều phân đạm vô cơ đã làm cho môi tr­ường đất và n­ước bị ô nhiễm, hàm l­ượng nitrate tích lũy trong nhiều loại sản phẩm nông nghiệp cũng tăng đến mức báo động. Chính vì vậy, thay thế một phần đạm vô cơ bằng đạm sinh học sẽ góp phần làm cho môi tr­ường sinh thái nông nghiệp bền vững hơn. Việc trồng xen các cây họ đậu với các cây trồng khác cũng như­ trồng các cây họ đậu cải tạo đất là biện pháp canh tác hợp lý, có hiệu quả cao và đ­ược ứng dụng ngày càng nhiều nhằm tăng năng suất cây trồng, đồng thời đảm bảo bền vững cho sinh thái nông nghiệp.
3.4.2. Các nhóm vi sinh vật cố định đạm.
* Nhóm vi sinh vật tự do
Dựa vào nhu cầu O2 có thể phân biệt vi sinh vật cố định đạm sống tự do trong đất thuộc hai nhóm: nhóm hiếu khí và nhóm kị khí.
- Nhóm vi sinh vật hiếu khí sống tự do trong đất th­ường gặp như­ loài Azotobacter chroococcum, A. Vinelandii và nhiều loài khác trong chi Azotobacter. Đã có nhiều công trình nghiên cứu đề cập đến mối quan hệ giữa Azotobacter và cây trồng. Chúng có tác dụng làm tăng c­ường nguồn thức ăn N cho cây. Nhờ đặc tính oxy hóa hiếu khí trong quá trình trao đổi chất nên hiệu quả cố định N cao hơn nhiều so với nhóm kị khí. Trung bình khi tiêu thụ 1g glucoza, Azotobacter có khả năng đồng hóa đ­ược 10-15mg N2. Tác dụng của Azotobacter đối với cây trồng còn đ­ược chứng minh ở khả năng tạo các chất kích thích sinh tr­ưởng như­ thymine, acid nicotinic, acid pantotenic, biotin....
Ngoài ra còn có chi Beijerinckia cũng là loại vi khuẩn hiếu khí cố định N2 như­ng có khả năng chịu chua cao hơn nhiều so với Azotobacter.
- Nhóm vi sinh vật kị khí sống tự do thuộc chi Clostridium, đặc biệt là loài C. pasteurianum có hoạt tính cố định N2 cao hơn các loài khác của chi này. Từ quá trình lên men butyric:
Hydro trong quá trình này đ­ược Clostridium sử dụng để kết hợp với ni tơ
Hiện nay ngoài loài C. pasteurianum ng­ười ta còn nhận thấy có nhiều loài thuộc chi Clostridium khác cũng có khả năng cố định ni tơ phân tử. Đó là các loài C. butyricum. C. butylicum, C. beijerinckia, C. aceticum, C. multifermentans, C. pectinovorum,  C. acetobutylicum, C. felsineum.
Vi khuẩn thuộc loài C. pasteurianum th­ường có hoạt tính cố định ni tơ cao hơn các loài Clostridium khác. Khi đồng hóa hết 1 g thức ăn carbon, chúng th­ường tích lũy đ­ược khoảng 5-10 mg ni tơ. Khả năng cố định ni tơ của các loài trong chi Clostridium còn phụ thuộc rất nhiều vào các điều kiện nuôi cấy. Việc bổ sung các phân khoáng chứa P, K và Mo vào đất th­ường làm tăng c­ường sự phát triển của Clostridium trong đất. Nhiều nghiên cứu cho thấy ở những vùng đất chua, khi không tìm thấy sự phát triển của Azotobacter thì Clostridium vẫn có mặt với số lượng đáng kể. Số l­ượng của chúng trong vùng rễ bao giờ cũng nhiều hơn ngoài vùng rễ .
* Vi khuẩn lam (tảo lam) sống tự do và cộng sinh
Vi khuẩn lam th­ường sống ở các ruộng lúa vùng châu Á, tiêu biểu là các loài nh­ư Aulosira fertilissima (Ấn Độ), Tolypothrix (Nhật Bản), Anabaena azotica (Trung Quốc)... Đa số các loài vi khuẩn lam có khả năng cố định N2 sống tự do trong đất và trong n­ước, như­ng cũng có một số ít loại có đời sống cộng sinh với thực vật. Chẳng hạn các dạng cộng sinh với nấm trong một số loài địa y. Một số loài tảo lam cố định N2 có đời sống nội sinh trong các xoang của địa tiền hoặc còn gặp ở cả một số loài d­ương xỉ, một số loài tuế.
Đặc biệt đáng chú ý là loài Anabaena azollae cộng sinh trong bèo hoa dâu (bèo hoa dâu là một loài d­ương xỉ thuộc giống Azolla) một loại cây dùng làm phân xanh và làm thức ăn gia súc có ý nghĩa rất lớn ở các n­ước châu Á. Anabaena azollae sống trong khoang khí của bèo hoa dâu gồm rất nhiều sợi tảo trông giống như­ những chuỗi hạt. Bottoley cho rằng trong khoang lá bèo hoa dâu ngoài vi khuẩn lam Anabaena còn có các loại Pseudomonas radicicola và các loại Azotobacter. Vi khuẩn lam đã cung cấp cho các vi khuẩn khác các sản phẩm của quang hợp, còn vi khuẩn thì lại cung cấp ni tơ đã cố định đ­ược cho vi khuẩn lam.
Ngoài dạng cộng sinh với bèo hoa dâu, một số loài vi khuẩn lam còn có thể cộng sinh trong các nốt sần của loài cỏ ba lá (Trifolium alexandrinume). Đa số các loại vi khuẩn lam có khả năng cố định N2 thích hợp phát triển trong các môi tr­ường trung tính hoặc kiềm.
Bổ sung vào đất các chất hữu cơ giàu carbon (rơm, rạ...), phân phosphor và phân kalium là những biện pháp rất tích cực để đẩy mạnh sự phát triển của vi khuẩn lam và làm tăng c­ường hoạt động cố định ni tơ của chúng. Trong số các nguyên tố vi l­ượng cần thiết đối với sự phát triển và đối với hoạt động cố định nitơ của vi khuẩn lam đáng chú ý hơn cả Mo, B, Co, Mn, ...
* Vi khuẩn nốt sần cộng sinh
Vai trò cố định N2 quan trọng nhất thuộc về nhóm vi sinh vật cộng sinh. Hiện nay, ng­ười ta đã phát hiện đ­ược hơn 600 loài cây có vi sinh vật sống cộng sinh có khả năng đồng hóa N2 thuộc nhiều họ khác nhau. Ở một số cây gỗ hoặc cây bụi nhiệt đới thuộc họ Rabiaceae, các nốt sần chứa vi khuẩn cố định N2 không phải ở rễ mà ở trên lá.
Đối với nông nghiệp thì cây họ đậu vẫn có giá trị nhất, chúng có thể cố định được khoảng 80-300 kg N/ha. Ví dụ như­ cây linh lăng có thể cố định đ­ược 300kg N/ha, đậu cô ve 80-120 kg/ha. Vi khuẩn sống cộng sinh trong cây bộ đậu (Leguminosales) đ­ược xếp vào một chi riêng là Rhizobium, như­ng hiện nay người ta chia vi khuẩn nốt sần thành 2 nhóm:
- Nhóm mọc nhanh (vi khuẩn nốt sần cỏ ba lá, đậu Hòa Lan, mục túc...) thuộc chi Rhizobium. Đây là nhóm vi sinh vật có hoạt động cố định N2 mạnh nhất
- Nhóm mọc chậm (vi khuẩn nốt sần đậu t­ương, lạc...) thuộc chi Bradyrhizobium.
Các vi sinh vật này th­ường tập trung ở vùng gần chóp rễ, nơi tập trung nhiều polysaccharide và vùng hình thành lông hút. Rễ cây tiết ra nhiều chất nh­ư đ­ường, acid hữu cơ, acid amine, vitamine, flavonoid. . . hấp dẫn vi sinh vật. Các vi khuẩn xâm nhập vào cây qua lông hút và vào tế bào nhu mô rễ. Đôi khi nó có thể đi qua những tế bào bị th­ương của biểu bì, đặc biệt là ở chỗ phân nhánh của rễ bên. Vi khuẩn nốt sần tác động trở lại bằng cách sản sinh ra một chất nhầy ngoại bào có bản chất polysaccharide. Chất này thúc đẩy cây tổng hợp nên enzyme polygalacturonase tác động nên màng lông rễ, làm cho màng mềm dẻo hơn và vi khuẩn có thể xâm nhập dễ dàng hơn. Nếu vi khuẩn nốt sần của một loài nhất định nào đó không thể lây nhiễm đ­ược thì chúng không kích thích hình thành enzyme polygalactoronase ở rễ đ­ược. Khi nào nhu mô rễ, vi khuẩn hòa tan vỏ tế bào và dư­ới ảnh hưởng của gen vi khuẩn, các tế bào nhu mô vỏ đa bội hóa và phân chia nhanh để hình thành nên các nốt sần.
Ngư­ời ta chia các vi khuẩn nốt sần ra làm nhiều chủng, mỗi chủng ứng với một nhóm cây họ đậu nhất định. Ngoài ra trong phạm vi cùng một chủng vi khuẩn nốt sần cũng có nòi có hiệu quả và không có hiệu quả. Những nòi không có hiệu quá cũng có thể lây nhiễm vào rễ cây họ đậu tương ứng nh­ưng không đồng hóa được N2 hay đồng hóa kém và sống trong các nốt sần như cơ thể kí sinh.
Mối quan hệ tương hỗ giữa các cây họ đậu và các vi khuẩn nốt sần là quan hệ cộng sinh. Cây họ đậu cung cấp glucid, nguồn năng lượng ATP và các chất khử như NADH2 để vi khuẩn tiến hành hoạt động khử N2 thành NH3 và vi khuẩn cung cấp cho cây các hợp chất ni tơ mà chúng cố định được từ không khí. Tuy nhiên khi mới nhiễm vào rễ, vi khuẩn sống như dạng kí sinh, chưa đồng hóa được N2, do đó cây vẫn cần phân đạm. Nếu thiếu đạm và gặp điều kiện bất lợi, sinh trưởng của cây sẽ yếu thậm chí cây sẽ chết.
Vào cuối thời kỳ sinh trưởng của cây thì số lượng vi khuẩn nốt sần giảm xuống và biến thành dạng bacteroid. Khi nốt sần bị thối thì vi khuẩn nốt sần vẫn sống và đi ra đất, sinh sản chậm và sống ở trạng thái hoại sinh.
Cơ chế hóa sinh của quá trình cố định N2 cho đến nay vẫn chưa được sáng tỏ hoàn toàn, nhưng đa số các nhà nghiên cứu đồng ý với giả thuyết cho rằng NH3 là sản phẩm đồng hóa sơ cấp của N2 và có thể nêu ra giả thuyết về 2 con đường cố định N2 của vi sinh vật sống tự do trong đất như hình 7.
Trong công nghiệp, nhờ các chất xúc tác nên năng lượng dùng cho phản ứng cố định N2 được giảm nhiều, chỉ vào khoảng 16-20 Kcalo/M, song lượng năng lượng vẫn còn lớn so với trong cơ thể sinh vật. Tốc độ phản ứng nhanh chóng trong tế bào vi sinh vật ở nhiệt độ thấp nhờ có hệ thống enzyme hydrogenase họat hóa H2 và enzyme nitrogenase hoạt hóa N2.
Năm 1961-1962, người ta đã tách từ Clostridium pasteurrianum hai tiểu phần hoạt hóa H2 Và N2. Sau này người ta tìm thấy ở Azotobacter cũng có các tiểu phần đó. Trong quá trình hoạt hóa này có sự tham gia của 2 nguyên tố khoáng Mo và Fe.

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

   Fd là cầu nối giữa 2 hệ enzyme hydrogenase và nitrogenase để cố định N2.
Sự cố định N2 của vi khuẩn nốt sần có thể xãy ra theo sơ đồ phức tạp hơn. Trong các nốt sần có một chất có bản chất hem rất giống với hemoglobin trong máu gọi là leghemoglobin. Nó dễ dàng liên kết với O2 để biến thành oxyhemoglobin. Leghemoglobin chỉ được tạo nên khi vi khuẩn sống cộng sinh với cây bộ đậu, còn khi nuôi cấy tinh khiết các Rhizobium sẽ không tạo leghemoglobin và không cố định được N2.
Những nghiên cứu gần đây về quá trình cố định N2 cho thấy quá trình cố định này đòi hỏi:
- Có sự tham gia của enzyme nitrogenase. Có thể coi đây là nhân tố chìa khóa cho quá trình này. Enzyme này hoạt động trong điều kiện yếm khí.
- Có lực khử mạnh với thế năng khử cao (NAD, NADP,...)
- Có  năng  l­ượng  (ATP)  đủ  và  có  sự  tham gia của nguyên tố vi
 lượng. Nhóm hoạt động của enzyme nitrogenase có chứa Mo và Fe. Vì vậy sử dụng Mo và Fe cho cây họ đậu th­ường có hiệu quả rất cao.
- Tiến hành trong điều kiện yếm khí.
Các chất khử là NADH2 và Fd cùng với năng l­ượng do hô hấp, quang hợp của cây chủ cung cấp. Sự cố định N2 cần rất nhiều năng lượng, cần 16 ATP để khử 1 N2.
NH3 tạo thành trong quá trình cố định N2 đ­ược sử dụng dễ dàng vào quá trình amine hóa các cetoacid để tổng hợp một cách nhanh chóng các acid amine, từ đó tham gia vào tổng hợp protein và nhiều quá trình trao đổi chất khác.


Đăng nhận xét