Nguồn nitơ là gì? Các bài báo nghiên cứu khoa học liên quan

Giới thiệu chung về nguồn nitơ

Nitơ (N) là nguyên tố thiết yếu cho sự sống, tham gia cấu thành axit amin, protein, axit nucleic và các hợp chất quan trọng khác. “Nguồn nitơ” dùng để chỉ các dạng hợp chất chứa nitơ có khả năng tham gia vào chu trình sinh địa hóa, cung cấp nitơ cho sinh vật hoặc các quy trình công nghiệp.

Nguồn nitơ phân thành hai nhóm chính theo nguồn gốc: tự nhiên và nhân tạo. Trong tự nhiên, nitơ có trong khí quyển, đất, nước và sinh khối; trong công nghiệp, nitơ được sản xuất qua các quy trình tổng hợp như Haber–Bosch hoặc nhập khẩu từ dầu mỏ và khí tự nhiên.

Vai trò của nitơ thể hiện ở:

• Sinh học: thành phần cấu trúc của tế bào, tổng hợp protein và enzyme.
• Nông nghiệp: phân bón đạm (NH₄⁺, NO₃⁻) tăng năng suất cây trồng.
• Công nghiệp: nguyên liệu sản xuất axit nitric, thuốc nổ (NH₄NO₃), dược phẩm.

Chu trình sinh địa hóa của nitơ

Chu trình nitơ mô tả chuyển đổi giữa các dạng vô cơ và hữu cơ của nitơ trong đất, nước, khí quyển và sinh vật. Các bước chính bao gồm cố định nitơ, khoáng hóa, nitrification, denitrification và khử nitrat.

• Cố định nitơ: chuyển N₂ khí thành NH₃ hoặc NH₄⁺ do vi sinh vật cố định hoặc sét đánh.
• Khoáng hóa (mineralization): chuyển nitơ hữu cơ (protein, axit amin) thành NH₄⁺ qua hoạt động phân hủy của vi sinh.
• Nitrification: $\mathrm{NH_{4}^{+} \xrightarrow{Nitrosomonas} NO_{2}^{-} \xrightarrow{Nitrobacter} NO_{3}^{-}}$
• Denitrification: vi khuẩn chuyển NO₃⁻ thành N₂, N₂O trả về khí quyển.
• Khử nitrat: chuyển NO₃⁻ thành NH₄⁺ trong điều kiện yếm khí.

Chu trình này cân bằng trao đổi nitơ giữa các bể chứa (hệ sinh thái đất, nước, khí quyển), kiểm soát độ phì nhiêu và ô nhiễm môi trường.

Nguồn nitơ khí quyển

Không khí chứa khoảng 78% thể tích N₂, nhưng phân tử N₂ rất bền, trơ về mặt sinh học do liên kết ba mạnh giữa hai nguyên tử. Trực tiếp nitơ khí quyển không được sinh vật hấp thụ, phải qua quá trình cố định để trở thành dạng khả dụng.

Các cơ chế cố định nitơ khí quyển bao gồm:

1. Sét đánh: năng lượng cao phá vỡ liên kết N≡N, kết hợp với O₂ tạo NOx, sau đó chuyển thành NO₃⁻ hòa tan vào mưa.
2. Vi sinh cố định: vi khuẩn tự do (Azotobacter), cộng sinh trong rễ cây họ đậu (Rhizobium) hoặc rễ thực vật gỗ (Frankia) chuyển N₂ thành NH₃ nhờ enzyme nitrogenase.

Tỷ lệ cố định thiên nhiên ước tính ~100–200 triệu tấn N mỗi năm, ảnh hưởng bởi biến đổi khí hậu và hoạt động con người (khai thác đất, thay đổi hệ sinh thái).

Nguồn nitơ trong đất

Trong đất, nitơ tồn tại dưới dạng vô cơ (NH₄⁺, NO₃⁻) và hữu cơ (protein, axit amin, hợp chất humic). Hạt khoáng và chất mùn giữ NH₄⁺ theo cơ chế hấp phụ trao đổi cation, trong khi NO₃⁻ dễ tan, di chuyển nhanh trong đất.

Quá trình khoáng hóa giải phóng NH₄⁺ từ chất hữu cơ phụ thuộc vào điều kiện:

• pH: tối ưu 6–8, pH thấp ức chế hoạt động vi sinh.
• Độ ẩm: 50–70% độ ẩm trường giữ vi sinh hoạt động hiệu quả.
• Nhiệt độ: 20–35 °C thúc đẩy tốc độ phân hủy và khoáng hóa.

Yếu tố	Phạm vi tối ưu	Ảnh hưởng
pH đất	6–8	Kiểm soát hoạt tính enzyme khoáng hóa
Độ ẩm	50–70% trường giữ	Đảm bảo vi sinh phân hủy hữu cơ
Nhiệt độ	20–35 °C	Tốc độ phản ứng sinh hóa cao nhất

Kết quả khoáng hóa NH₄⁺ có thể bị nitrification chuyển tiếp thành NO₃⁻, hoặc bị cố định bởi vi sinh khử nitrat trong điều kiện yếm khí, đóng vai trò quan trọng trong duy trì cân bằng nitơ đất.

Nguồn nitơ trong nước

Nitơ trong môi trường nước tồn tại chủ yếu ở dạng vô cơ (NO₃⁻, NO₂⁻, NH₄⁺) và hữu cơ hòa tan (DON – Dissolved Organic Nitrogen). Nồng độ tổng nitơ (TN) được xác định bằng cách đo tổng N vô cơ và hữu cơ trong mẫu nước. Các nguồn nitơ chủ yếu đi vào hệ thủy sinh bao gồm phân bón chảy tràn từ ruộng đồng, nước thải sinh hoạt, và nước thải công nghiệp chứa NH₄⁺.

Sự dư thừa nitơ trong nước có thể gây phú dưỡng hóa (eutrophication), tạo điều kiện cho tảo nở hoa (algal bloom) và cạn oxy (hypoxia), hình thành “vùng chết” (dead zones) trong vùng ven biển. Ví dụ, vùng Vịnh Mexico hàng năm xuất hiện diện tích “vùng chết” lên đến hàng nghìn km² do hàm lượng NO₃⁻ cao từ sông Mê Kông và sông Nile đưa vào biển cả.

• NO₃⁻ (Nitrat): Rất tan, di chuyển nhanh qua đất và tầng nước ngầm, có khả năng gây methemoglobin ở trẻ nhỏ khi > 10 mg/L.
• NH₄⁺ (Ammoni): Ở pH cao dễ bay hơi thành NH₃, gây ngộ độc cá và thủy sinh vật.
• NO₂⁻ (Nitrit): Trung gian trong nitrification, độc tính cao gấp nhiều lần NO₃⁻, gây rối loạn hô hấp ở hệ thủy sinh.

Quy chuẩn chất lượng nước uống của WHO (2011) khuyến nghị NO₃⁻ không vượt 50 mg/L và NO₂⁻ không vượt 3 mg/L để đảm bảo an toàn sức khỏe con người .

Nguồn nitơ sinh học (cố định sinh học)

Cố định sinh học là quá trình vi sinh vật hoặc thực vật cộng sinh chuyển đổi N₂ khí trơ trong không khí thành NH₃ hoặc NH₄⁺ có thể sử dụng. Vi khuẩn cố định tự do như Azotobacter và vi khuẩn cộng sinh như Rhizobium (chung chân đậu) hoặc Frankia (chung chân cây gỗ) đều mang enzyme nitrogenase chịu trách nhiệm cho phản ứng:

$\mathrm{N_{2} + 8H^{+} + 8e^{-} \xrightarrow{Nitrogenase} 2NH_{3} + H_{2}}$

Trong nông nghiệp, vi sinh cố định sinh học giúp giảm phụ thuộc vào phân đạm hóa học, cải thiện độ phì nhiêu đất. Ví dụ, luân canh cây họ đậu (đậu tương, lạc) có thể đóng góp 50–100 kg N/ha mỗi mùa vụ nhờ cố định sinh học .

Đề tài nghiên cứu hợp chất rhizobia-genomics đã khám phá những gene điều khiển hiệu suất cố định nitơ, mở ra khả năng cải biến vi khuẩn để nâng cao năng suất cây trồng trong vùng đất nghèo nitơ.

Nguồn nitơ công nghiệp

Quy trình Haber–Bosch là phương pháp công nghiệp chủ yếu để sản xuất NH₃ từ N₂ khí và H₂ (thường lấy từ khí tự nhiên), diễn ra ở 200–300 °C và áp suất 150–200 atm với xúc tác Fe hoặc Ru:

$\mathrm{N_{2} + 3H_{2} \xrightarrow{Fe\,catalyst,\,200–300°C,\,150–200\,atm} 2NH_{3}}$

Hằng năm, quy trình này cung cấp hơn 150 triệu tấn NH₃, trong đó phần lớn dùng để tổng hợp phân bón nitơ như Urea, NH₄NO₃ và NH₄₂PO₄. Tuy nhiên, quá trình tiêu thụ năng lượng cao (khoảng 1–2% sản lượng khí tự nhiên toàn cầu) và phát thải CO₂ đáng kể tạo ra áp lực môi trường .

Các nghiên cứu hiện nay tập trung vào phương pháp sản xuất NH₃ “xanh” sử dụng năng lượng tái tạo (điện phân nước tạo H₂ sạch) và xúc tác mới để giảm nhiệt độ, áp suất cho quy trình, hướng tới giảm phát thải và tiêu thụ năng lượng.

Ứng dụng và ý nghĩa kinh tế – môi trường

Phân bón nitơ đóng vai trò chủ chốt trong sản xuất nông nghiệp toàn cầu, góp phần nâng cao năng suất cây trồng lên 30–50%. Tuy nhiên, khoảng 30–50% đạm sử dụng bị thất thoát qua rửa trôi, bay hơi NH₃ hoặc chuyển thành NOx, gây ô nhiễm không khí và ô nhiễm nguồn nước .

Trong xử lý nước thải, công nghệ nitrification–denitrification và loại bỏ NH₄⁺ bằng hấp phụ hạt nano từ tính đang được thử nghiệm, giúp tái sử dụng nguồn nitơ và giảm chi phí vận hành. Công nghệ màng MBR (Membrane Bioreactor) kết hợp cố định nitơ sinh học có thể đạt hiệu suất loại bỏ TN trên 90%.

• Công nghiệp: Sản xuất axit nitric (HNO₃), thuốc nổ (NH₄NO₃), chất tẩy rửa.
• Môi trường: Giảm ô nhiễm nitơ đô thị và nông nghiệp thông qua công nghệ sinh học và hấp phụ.
• Y tế: Sử dụng ^15N làm dấu vết nghiên cứu chuyển hóa nitơ trong cơ thể.

Đầu tư vào công nghệ quản lý nitơ hiệu quả có thể giảm thiểu chi phí môi trường, bảo vệ sức khỏe cộng đồng và hướng tới nông nghiệp bền vững.

Tài liệu tham khảo

1. WHO. (2011). “Nitrate and Nitrite in Drinking-water.” World Health Organization.
2. Nature Reviews Microbiology. (2013). “Biological Nitrogen Fixation.” Nature Publishing Group.
3. ScienceDirect. (2004). “Haber-Bosch Process: Energy and Environmental Impact.”
4. Howarth, R. W., et al. (2012). “Nitrogen biogeochemical cycle in the global coastal zone.” Science of The Total Environment.
5. USGS. (n.d.). “Nitrogen Cycling in Soils.” U.S. Geological Survey.
6. Frontiers in Microbiology. (2019). “Rhizobium Genomics and Nitrogen Fixation Efficiency.”
7. Environmental Science & Technology. (2020). “Innovations in Nitrogen Removal from Wastewater.”
8. AGU. (2018). “Atmospheric Nitrogen Fixation by Lightning.” American Geophysical Union.