Nitơ là một nguyên tố dinh dưỡng khoáng thiết yếu cho sự sống của thực vật. Nitơ được rễ cây hấp thụ ở dạng NH4+ (dạng khử) và NO3- (dạng oxi hóa) từ đất. Nitơ có vai trò quan trọng trong cấu trúc và điều tiết các quá trình sinh lí của thực vật, đặc biệt là quá trình tổng hợp protein, quang hợp và hô hấp.
Trong bài viết này, Thuonghieuviet sẽ giới thiệu về các vai trò sinh lí của nitơ gồm những vài trò nào, các nguồn cung cấp nitơ tự nhiên cho cây, các phương pháp đồng hóa nitơ ở thực vật và ảnh hưởng của phân bón nitơ đến năng suất cây trồng và môi trường.
Vai trò cấu trúc của nitơ
Nitơ là thành phần cấu tạo của nhiều phân tử quan trọng trong cơ thể thực vật, bao gồm:
- Protein:
là các phân tử lớn gồm nhiều axit amin liên kết với nhau bằng liên kết peptit. Protein có nhiều chức năng trong cơ thể thực vật, như xây dựng các cấu trúc (như thành tế bào, màng tế bào, sợi vi tế bào, sợi actin, sợi collagen…), xúc tác các phản ứng hóa học (như enzim, coenzim…), vận chuyển các chất (như hemoglobin, chlorophyll…), điều hoà các hoạt động sinh lí (như hormon, kháng thể…), lưu trữ các chất (như albumin, globulin…).
Mỗi axit amin có một nhóm amino (-NH2) và một nhóm carboxyl (-COOH) liên kết với một nguyên tử cacbon. Nhóm amino chứa nitơ và là nguồn cung cấp nitơ cho sự tổng hợp protein.
Thiếu nitơ sẽ làm giảm quá trình tổng hợp protein, từ đó ảnh hưởng đến sự sinh trưởng và phát triển của các cơ quan cây
- Axit nucleic:
là các phân tử lớn gồm nhiều nucleotit liên kết với nhau bằng liên kết phosphodiester. Axit nucleic có hai loại chính là DNA (deoxyribonucleic acid) và RNA (ribonucleic acid). DNA chứa thông tin di truyền của thực vật và được lưu trữ trong nhân tế bào. RNA tham gia vào quá trình biểu hiện gen và tổng hợp protein. Mỗi nucleotit gồm một nhóm phosphat, một đường ribose (hoặc deoxyribose) và một bazơ nitơ.
Bazơ nitơ có hai loại là purin (gồm adenin và guanin) và pyrimidin (gồm cytosin, thymine và uracil). Bazơ nitơ chứa nitơ trong cấu trúc vòng benzen của mình. Thiếu nitơ sẽ làm giảm quá trình tổng hợp axit nucleic, từ đó ảnh hưởng đến sự sao chép và biểu hiện gen của thực vật
- Diệp lục:
là một loại protein phức hợp có chứa một phân tử porphyrin liên kết với một nguyên tử magiê. Diệp lục có màu xanh lá cây và có vai trò quan trọng trong quá trình quang hợp của thực vật. Diệp lục có khả năng hấp thụ ánh sáng và chuyển hóa năng lượng ánh sáng thành năng lượng hóa học. Diệp lục được tổng hợp từ axit glutamic, một loại axit amin chứa nitơ. Thiếu nitơ sẽ làm giảm quá trình tổng hợp diệp lục, từ đó ảnh hưởng đến khả năng quang hợp của thực vật
- ATP (adenosine triphosphate):
là một loại nucleotit có ba nhóm phosphat liên kết với nhau bằng liên kết cao năng. ATP là nguồn năng lượng chính cho các quá trình sinh lí của thực vật. ATP được tổng hợp từ ADP (adenosine diphosphate) và Pi (phosphat) trong quá trình quang hợp và hô hấp. ATP cung cấp năng lượng bằng cách thủy phân một nhóm phosphat và tạo ra ADP và Pi. ATP chứa nitơ trong cấu trúc bazơ nitơ adenin của mình. Thiếu nitơ sẽ làm giảm quá trình tổng hợp ATP, từ đó ảnh hưởng đến cung cấp năng lượng cho các quá trình sinh lí của thực vật
Vai trò điều tiết của nitơ
Nitơ cũng có vai trò điều tiết các quá trình sinh lí của thực vật, bao gồm:
- Xúc tác các phản ứng hóa học:
Nitơ là thành phần của nhiều loại enzim và coenzim, là những protein có khả năng xúc tác các phản ứng hóa học trong cơ thể thực vật. Enzim và coenzim giúp tăng tốc độ phản ứng, giảm năng lượng kích hoạt và duy trì sự cân bằng của các phản ứng.
Ví dụ, nitrat reductase là một enzim có chứa nitơ, có vai trò khử nitrat thành nitrit trong quá trình đồng hóa nitơ. NAD (nicotinamide adenine dinucleotide) và NADP (nicotinamide adenine dinucleotide phosphate) là hai loại coenzim có chứa nitơ, có vai trò chuyển hoá các electron và proton trong các chu trình oxi hóa khử.
- Cung cấp năng lượng:
Nitơ là thành phần của ATP, là nguồn năng lượng chính cho các quá trình sinh lí của thực vật. Nitơ cũng là thành phần của các phân tử khác có liên quan đến việc cung cấp năng lượng, như ADP, AMP (adenosine monophosphate), GTP (guanosine triphosphate), GDP (guanosine diphosphate), FAD (flavin adenine dinucleotide) và FMN (flavin mononucleotide).
- Điều tiết trạng thái ngậm nước của các phân tử protein:
Nitơ là thành phần của các nhóm amino và carboxyl trong các axit amin, là những đơn vị cấu tạo protein. Các nhóm này có khả năng ion hóa trong dung dịch nước, tạo ra các điện tích dương hoặc âm. Các điện tích này giúp duy trì sự ngậm nước của các phân tử protein, từ đó ảnh hưởng đến tính tan. Tính co giãn và tính hoạt động của các phân tử protein. Thiếu nitơ sẽ làm giảm trạng thái ngậm nước của các phân tử protein, từ đó ảnh hưởng đến chức năng của chúng.
- Điều tiết sự phân bố và vận chuyển các ion và chất hữu cơ:
Nitơ là thành phần của các phân tử có khả năng tạo ra điện tích hoặc tham gia vào các quá trình oxi hóa khử, như protein, axit nucleic, ATP, NAD, NADP, FAD, FMN… Các phân tử này giúp duy trì sự cân bằng điện tích và pH trong các màng tế bào và các ngăn tế bào.
Các phân tử này cũng giúp vận chuyển các ion và chất hữu cơ qua các màng tế bào và các ngăn tế bào, từ đó điều tiết sự trao đổi chất và năng lượng của thực vật. Thiếu nitơ sẽ làm giảm khả năng điều tiết và vận chuyển của các phân tử này, từ đó ảnh hưởng đến sự cân bằng và hoạt động của các tế bào.
Nguồn cung cấp nitơ tự nhiên cho cây
Nitơ là một nguyên tố dinh dưỡng khoáng thiết yếu cho sự sống của thực vật, nhưng lại là một nguyên tố khan hiếm trong tự nhiên. Nitơ chiếm khoảng 78% thể tích không khí, nhưng hầu hết các loại cây không thể hấp thụ nitơ ở dạng khí (N2) do thiếu enzim nitrogenase. Do đó, cây phải hấp thụ nitơ ở dạng hợp chất nitơ từ đất hoặc từ không khí. Các nguồn cung cấp nitơ tự nhiên cho cây bao gồm:
- Sét hoá:
là quá trình mà nitơ ở dạng khí (N2) được chuyển hóa thành nitrat (NO3-) hoặc amoniac (NH3) do tác động của các yếu tố vật lý như sấm sét, ánh sáng mặt trời, bức xạ có bản. Sét hoá có thể xảy ra trong không khí hoặc trên bề mặt đất. Sét hoá trong không khí tạo ra nitrat (NO3-) và oxit nitơ (NOx), sau đó được rửa xuống đất bởi mưa hoặc tuyết. Sét hoá trên bề mặt đất tạo ra amoniac (NH3), sau đó được oxi hóa thành nitrat (NO3-) hoặc được hấp thụ trực tiếp bởi cây. Sét hoá là một nguồn cung cấp nitơ tự nhiên quan trọng cho cây, nhưng chỉ chiếm khoảng 10% lượng nitơ được hấp thụ bởi cây.
- Phân huỷ:
là quá trình mà các chất hữu cơ chứa nitơ như rác thải sinh vật, phân động vật, xác cây hay xác động vật được phân huỷ thành các hợp chất nitơ đơn giản do tác động của vi sinh vật hoặc enzim. Phân huỷ có thể xảy ra trong đất hoặc trên bề mặt đất.
Phân huỷ trong đất tạo ra amoniac (NH3) hoặc amoni (NH4+), sau đó được oxi hóa thành nitrit (NO2-) và nitrat (NO3-) hoặc được hấp thụ trực tiếp bởi cây. Phân huỷ trên bề mặt đất tạo ra nitrat (NO3-) hoặc oxit nitơ (NOx), sau đó được rửa xuống đất bởi mưa hoặc tuyết hoặc được hấp thụ trực tiếp bởi cây. Phân huỷ là một nguồn cung cấp nitơ tự nhiên chính cho cây, chiếm khoảng 60% lượng nitơ được hấp thụ bởi cây.
- Cố định:
là quá trình mà nitơ ở dạng khí (N2) được chuyển hóa thành amoniac (NH3) hoặc amoni (NH4+) do tác động của vi sinh vật có khả năng tổng hợp enzim nitrogenase. Cố định có thể xảy ra trong không khí, trong đất hoặc trong cơ thể thực vật. Cố định trong không khí do vi sinh vật tự do như Azotobacter, Beijerinckia hay Clostridium.
Cố định trong đất do vi sinh vật ký sinh như Rhizobium, Frankia hay Anabaena. Cố định trong cơ thể thực vật do vi sinh vật cộng sinh như Rhizobium trong rễ của các loại cây họ Đậu, Frankia trong rễ của các loại cây họ Dẻ, Anabaena trong lá của các loại cây họ Rau răm. Cố định là một nguồn cung cấp nitơ tự nhiên quan trọng cho cây, chiếm khoảng 30% lượng nitơ được hấp thụ bởi cây.
Phương pháp đồng hóa nitơ ở thực vật
Đồng hóa nitơ là quá trình mà các hợp chất nitơ được chuyển hóa thành các phân tử chứa nitơ có vai trò sinh lí quan trọng cho thực vật, như protein, axit nucleic, diệp lục và ATP. Đồng hóa nitơ ở thực vật có hai giai đoạn chính là:
- Đồng hóa ban đầu: là quá trình mà nitrat (NO3-) và amoni (NH4+) được chuyển hóa thành axit glutamic và axit aspartic, là hai loại axit amin chứa nitơ. Đồng hóa ban đầu xảy ra trong lá và rễ của cây. Đồng hóa ban đầu gồm hai bước:
- Khử nitrat: là quá trình mà nitrat (NO3-) được khử thành nitrit (NO2-) và sau đó thành amoni (NH4+) do tác dộng của hai loại enzim là nitrat reductase và nitrit reductase. Khử nitrat xảy ra chủ yếu trong lá của cây và tiêu tốn năng lượng từ NADH hoặc NADPH.
- Tổng hợp axit glutamic: là quá trình mà amoni (NH4+) được kết hợp với axit glutamic để tạo thành axit glutamin do tác dộng của enzim glutamin synthetase. Tổng hợp axit glutamic xảy ra chủ yếu trong rễ của cây và tiêu tốn năng lượng từ ATP.
- Đồng hóa tiếp theo: là quá trình mà axit glutamic và Axit aspartic, là hai loại axit amin chứa nitơ, được chuyển hóa thành các axit amin khác hoặc các phân tử chứa nitơ khác do tác động của các enzim khác nhau. Đồng hóa tiếp theo xảy ra chủ yếu trong lá của cây và không tiêu tốn năng lượng. Đồng hóa tiếp theo gồm nhiều bước:
- Tổng hợp axit aspartic: là quá trình mà axit glutamic được chuyển hóa thành axit aspartic do tác động của enzim aspartat aminotransferase. Tổng hợp axit aspartic cũng giúp tái tạo axit glutamic từ axit glutamin.
- Tổng hợp các axit amin khác: là quá trình mà axit glutamic và axit aspartic được chuyển hóa thành các axit amin khác như alanin, valin, leucin, isoleucin, prolin, arginin, serin, glycine, cystein, methionin, phenylalanin, tyrosin, tryptophan và histidin do tác động của các enzim khác nhau. Các axit amin này có vai trò cấu trúc và điều tiết các quá trình sinh lí của thực vật.
- Tổng hợp các phân tử chứa nitơ khác: là quá trình mà axit glutamic và axit aspartic được chuyển hóa thành các phân tử chứa nitơ khác như purin, pyrimidin, diệp lục và ATP do tác động của các enzim khác nhau. Các phân tử này có vai trò cấu trúc và điều tiết các quá trình sinh lí của thực vật.
Ảnh hưởng của phân bón nitơ đến năng suất cây trồng và môi trường
Phân bón nitơ là một loại phân bón cung cấp nitơ cho cây trồng bằng cách sử dụng các hợp chất nitơ như urea, amoni sulfat, amoni nitrat, kali nitrat hay canxi nitrat. Phân bón nitơ có ảnh hưởng đến năng suất cây trồng và môi trường như sau:
- Tăng năng suất cây trồng: Phân bón nitơ giúp cải thiện sự cung cấp nitơ cho cây trồng, từ đó tăng khả năng tổng hợp protein, axit nucleic, diệp lục và ATP cho cây. Phân bón nitơ cũng giúp tăng sự sinh trưởng và phát triển của các cơ quan cây, như rễ, thân, lá và hoa quả. Phân bón nitơ cũng giúp tăng sức đề kháng và khả năng chịu đựng của cây trước các điều kiện bất lợi như thiếu nước, thiếu ánh sáng hay sâu bệnh. Phân bón nitơ do đó giúp tăng năng suất cây trồng.
- Gây ô nhiễm môi trường: Phân bón nitơ có thể gây ô nhiễm môi trường do việc sử dụng quá mức hoặc không phù hợp với nhu cầu của cây. Phân bón nitơ có thể gây ô nhiễm môi trường theo các cách sau:
- Gây ô nhiễm không khí: Phân bón nitơ có thể bị phân huỷ thành các khí như amoniac (NH3), oxit nitơ (NOx) hay nitơ oxi (N2O) do tác động của vi sinh vật hoặc nhiệt độ cao. Các khí này có thể gây hại cho sức khỏe con người và động vật, gây kích ứng đường hô hấp, gây mưa axit, gây hiệu ứng nhà kính và gây suy giảm tầng ozon.
- Gây ô nhiễm nước: Phân bón nitơ có thể bị rửa trôi vào các nguồn nước như sông, hồ, ao hay biển do tác động của mưa hoặc tưới tiêu. Phân bón nitơ có thể gây ô nhiễm nước theo các cách sau:
- Gây suy giảm chất lượng nước: Phân bón nitơ có thể làm tăng nồng độ nitrat (NO3-) và amoni (NH4+) trong nước, từ đó làm giảm nồng độ oxy hòa tan trong nước. Nồng độ nitrat (NO3-) và amoni (NH4+) cao trong nước có thể gây hại cho sức khỏe con người và động vật, gây methemoglobinemia, gây ung thư, gây rối loạn chức năng gan, thận và não.
- Gây hiện tượng hoa nổi: Phân bón nitơ có thể làm tăng sự sinh trưởng của các loại tảo và vi khuẩn trong nước, từ đó tạo ra các mảng hoa nổi trên bề mặt nước. Hoa nổi có thể làm giảm ánh sáng và oxy hòa tan trong nước, từ đó ảnh hưởng đến sự sống của các loài thủy sinh khác. Hoa nổi cũng có thể tạo ra các chất độc như microcystin, anatoxin hay saxitoxin, từ đó gây hại cho sức khỏe con người và động vật.
Trên đây là những thông tin về Vai Trò Sinh Lí Của Nitơ. Thuonghieuviet hi vọng bài viết này hữu ích với bạn!
