Trong tự nhiên, chu trình nitơ (Nitrogen Cycle) diễn ra 2 quá trình chính là nitrat hóa và phản nitrate hóa (hay còn gọi là khử nitrat).
Hai nhóm vi khuẩn quan trọng trong chu trình nitrat hóa – Nitrosomonas spp. và Nitrobacter spp. – đóng vai trò trung tâm trong việc chuyển hóa các hợp chất nitơ độc hại thành dạng ít độc hơn, đảm bảo môi trường sống ổn định cho thủy sản.
1. Quá trình Nitrat hóa là gì?
Quá trình Nitrat hóa là quá trình oxy hoá Amonia (NH3) thành Nitrate (NO3–) với sản phẩm trung gian là Nitrite (NO2–). Quá trình Nitrat hóa là một bước quan trọng để khởi động chu trình chuyển hóa Nitơ.
Nitơ tồn tại ở 2 dạng chính là Nitơ vô cơ (bao gồm amonia, nitrate, nitrite) và Nitơ hữu cơ (axit amin, protein, chitin, axit nucleic,…). Nhưng dạng Nitơ vô cơ chiếm phần lớn và dưới dạng Amonia (NH3). Nếu hợp chất Nitơ hữu cơ (urê và phân) thì quá trình thủy phân sẽ chuyển hóa thành Amonia theo phương trình chuyển hóa dưới đây:
CO(NH2)2 + H2O → 2NH3 + CO2
NH3 + H2O → NH4+ + OH–
Quá trình Nitrate hóa sẽ chuyển hóa Amonia về dạng Nitrite (NO2–) và Nitrate (NO3–). Quá trình này rất quan trọng trong chu trình Nitơ. Quá trình nitrat hóa này được thúc đẩy và chuyển hóa mạnh mẽ bởi nhóm vi khuẩn nitrat hóa.
NH4+/NH3 (rất độc) → NO2– (rất độc) → NO3– (ít độc)
Vi khuẩn nitrat hóa là nhóm các vi khuẩn tham gia vào quá trình nitrat hóa. Hai trong số đó là vi khuẩn Nitrosomonas spp. và Nitrobacter spp.. Đây là hai loài vi khuẩn cực kì quan trọng, góp phần rất lớn trong việc giải quyết 2 loại khí rất độc và rất khó trị trong ao nuôi là NH3 và NO2.
Quá trình nitrat hóa cơ bản trong ao nuôi
Chủng vi khuẩn Nitrosomonas spp. tỏ ra khá hữu hiệu trong việc chuyển hóa Amonia (NH4+) về dạng Nitrite (NO2–).
Nitrosomonas spp. phải tiêu thụ một lượng lớn Amonia trước khi phân chia tế bào có thể xảy ra. Quá trình phân chia tế bào có thể mất đến vài ngày. Dưới đây là phản ứng Amonia chuyển hóa về Nitrit:
2NH4+ + 3O2 → 2NO2– + 4H+ + 2H2O
Nitrit là sản phẩm trung gian của quá trình Nitrat hóa. Để hoàn thành quá trình này cần vi khuẩn Nitrobacter spp. để chuyển hóa từ Nitrite (NO2–) về Nitrate (NO3–).
Vi khuẩn Nitrobacter spp. đóng một vai trò quan trọng trong chu trình Nitơ bằng cách oxy hóa nitrit thành nitrat trong ao nuôi. Vi khuẩn Nitrobacter spp. sử dụng năng lượng từ quá trình oxy hóa các ion Nitrite (NO2–), thành ion Nitrat (NO3–), để đáp ứng nhu cầu năng lượng của chúng.
2NO2– + H2O → NO3– + 2H+ + 2e−
2H+ + 2e− + 1,5O2 → H2O
Tóm lại, quá trình nitrat hóa là quá trình chuyển hóa khí độc amoni (được hình thành từ mùn bã hữu cơ, thức ăn dư thừa, phân tôm, cá, … xác tảo chết, xác động vật hay thực vật sau một thời gian phân hủy dưới tác động của các vi sinh vật) thành khí nitrat ít độc hơn.
Phương trình tổng quan như sau:
NH4+/NH3 (rất độc) + (Nitrosomonas spp. và / hoặc Nitrosococcus spp.)
↓
NO2– (rất độc) + (Nitrobacter spp. và / hoặc Nitrospira spp.)
↓
NO3– (ít độc)
2. Quá trình phản nitrate hóa (hay còn gọi là khử nitrat)
Quá trình phản Nitrat hoá còn gọi là quá trình khử Nitrat. Quá trình phản Nitrat hoá là quá trình chuyển hoá N-NO3– thành khí Nitơ tự do nhờ vi sinh vật.
Vi khuẩn tham gia thực hiện quá trình này được gọi là vi khuẩn phản Nitrat hoá. Đặc biệt trong môi trường yếm khí quá trình này diễn ra mạnh mẽ.
Quá trình phản Nitrat hóa diễn ra thông qua một loạt các phản ứng gồm:
NO3– + 2H+ + 2e– → NO2– + H2O
NO2– + 2H+ + e– → NO + H2O
2NO + 2H+ + 2e– → N2O + H2O
N2O + 2H+ + 2e– → N2 + H2O
Phản ứng tổng thể có thể được biểu diễn như sau:
2NO3– + 10e– + 12H+ → N2 + 6H2O
Quá trình này chủ yếu được thực hiện bởi vi khuẩn dị dưỡng như Paracoccus denitrificans và một số loài Pseudomonas. Đồng thời, một số vi khuẩn khử Nitơ tự dưỡng như Thiobacillus denitrificans cũng tham gia vào quá trình này.
Bên cạnh đó, quá trình phản Nitrat hóa diễn ra sau quá trình Nitrat hóa trong xử lý nước thải để chuyển các hợp chất chứa Nitơ thành khí Nitơ trước khi thải vào khí quyển.
Thông tin chi tiết vui lòng liên hệ:
Hotline/Zalo: 08888 3 15 17 | Email: labvn.net@gmail.com
LabVN - Chuyên vật tư, dịch vụ và vi sinh thủy sản
