Sự cố định đạm sinh học

Chất đạm (còn gọi là protein) là một chất hữu cơ giàu dinh dưỡng, có trong động vật, thực vật. Đạm là chất căn bản của sự sống mọi tế bào. Đạm là chất dinh dưỡng có vai trò quan trọng hàng đầu đối với cây trồng. Hàm lượng của chúng trong đất rất ít. Vì vậy cây trồng thường thiếu đạm. Một trong những phương pháp tăng cường lượng đạm cho đất được nhiều người quan tâm là sử dụng các loại vi sinh vật cố định nitơ từ không khí. Nitơ là nguyên tố dinh dưỡng quan trọng không chỉ với cây trồng mà ngay cả đối với vi sinh vật. Nguồn dự trữ nito trong tự nhiên rất lớn, chỉ tính riêng trong không khí nitơ chiếm khoảng 78,16% thể tích. Người ta ước tính trong bầu không khí bao trùm lên một ha đất đai chứa khoảng 8 triệu tấn nitơ, lượng nitơ này có thể cung cấp chất dinh dưỡng cho cây trồng hàng chục triệu năm nếu như cây trồng đồng hóa được chúng. Trong cơ thể các loại sinh vật chứa khảong 4,1015 tỷ tấn nitơ. Nhưng tất cả nguồn nitơ trên cây trồng đều không tự đồng hóa được mà phải nhờ VSV. Thông qua hoạt động của các loài vi sinh vật, nitơ nằm trong các dạng khác nhau được chuyển hóa thành dễ tiêu cho cây trồng sử dụng. Các vi sinh vật có khả năng biến N2 trong khí quyển thành NH3 cung cấp đạm cho cây, chúng được gọi là các vi sinhvật cố định đạm

docx25 trang | Chia sẻ: superlens | Lượt xem: 14629 | Lượt tải: 1download
Bạn đang xem trước 20 trang tài liệu Sự cố định đạm sinh học, để xem tài liệu hoàn chỉnh bạn click vào nút DOWNLOAD ở trên
TRƯỜNG ĐẠI HỌC TÔN ĐỨC THẮNG KHOA KHOA HỌC ỨNG DỤNG BỘ MÔN CÔNG NGHỆ SINH HỌC BÀI TIỂU LUẬN: SINH HỌC CHỨC NĂNG THỰC VẬT SỰ CỐ ĐỊNH ĐẠM SINH HỌC GVHD: T.s Trần Thị Dung Sinh viên thực hiện: Nguyễn Minh Cẩm Tiên (61103194) Trần Mỹ Thanh (61103171) Nguyễn Hà Lê Uyên (61103) MỤC LỤC I. Khái quát về cố định đạm sinh học Cố định đạm sinh học là quá trình khử N2 thành NH3 dưới sự xúc tác của enzyme nitrogenase. Sau đó, NH3 có thể kết hợp với các acid hữu cơ để tạo thành các acid amin và protein. Vi khuẩn cố định đạm có thể cộng sinh hoặc sống tự do nhưng cũng có thể nội sinh. Hình: Chu trình cố định N trong tự nhiên Đạm là gì? Chất đạm (còn gọi là protein) là một chất hữu cơ giàu dinh dưỡng, có trong động vật, thực vật. Đạm là chất căn bản của sự sống mọi tế bào. Đạm là chất dinh dưỡng có vai trò quan trọng hàng đầu đối với cây trồng. Hàm lượng của chúng trong đất rất ít. Vì vậy cây trồng thường thiếu đạm. Một trong những phương pháp tăng cường lượng đạm cho đất được nhiều người quan tâm là sử dụng các loại vi sinh vật cố định nitơ từ không khí. Nitơ là nguyên tố dinh dưỡng quan trọng không chỉ với cây trồng mà ngay cả đối với vi sinh vật. Nguồn dự trữ nito trong tự nhiên rất lớn, chỉ tính riêng trong không khí nitơ chiếm khoảng 78,16% thể tích. Người ta ước tính trong bầu không khí bao trùm lên một ha đất đai chứa khoảng 8 triệu tấn nitơ, lượng nitơ này có thể cung cấp chất dinh dưỡng cho cây trồng hàng chục triệu năm nếu như cây trồng đồng hóa được chúng. Trong cơ thể các loại sinh vật chứa khảong 4,1015 tỷ tấn nitơ. Nhưng tất cả nguồn nitơ trên cây trồng đều không tự đồng hóa được mà phải nhờ VSV. Thông qua hoạt động của các loài vi sinh vật, nitơ nằm trong các dạng khác nhau được chuyển hóa thành dễ tiêu cho cây trồng sử dụng. Các vi sinh vật có khả năng biến N2 trong khí quyển thành NH3 cung cấp đạm cho cây, chúng được gọi là các vi sinhvật cố định đạm II. Vi sinh vật cố định đạm 1. Vi sinh vật cố định đạm là gì? Vi sinh vật cố định đạm là nhóm vi sinh vật có vai trò quan trọng nhất trong việc cố định N2 trong đất và trong cây trồng. Đặc biệt là nhóm vi sinh vật sống 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. 2. Vai trò của vi sinh vật cố định đạm: Cố định đạm là khả năng đồng hóa nitơ phân tử của một số sinh vật và dùng nitơ này để cấu tạo nên tất cả các hợp chất chứa nitrogen của tế bào. Khả năng này có ở nhiều vi sinh vật sống tự do trong đất và trong nước. Trong môi trường đất, vi sinh vật tham gia chuyển hóa các chất hữu cơ, cố định nitơ làm giàu đạm cho đất, tích lũy vào đất các auxin kích thích sự phát triển của cây trồng, tổng hợp các vitamin thyamin, nicotinic và biotin Vi sinh vật cố định đạm góp phần vào cân bằng sinh thái trong đất. Phần lớn VSV (vi sinh vật) sống trong đất là những sinh vật có ích sống theo kiểu cộng sinh, chỉ một số rất ít là có hại, gây bệnh cho cây trồng sống theo kiểu vừa ký sinh (gây bệnh cho thực vật) vừa hoại sinh (sống trong đất). Số lượng quần thể VSV có ích trong đất chiếm ưu thế hơn rất nhiều lần so với VSV gây bệnh hại. Phần lớn các VSV có ích tham gia vào quá trình phân giải xác thực vật thành thức ăn có nguồn gốc hữu cơ cho cây trồng và VSV khác, chúng có vai trò rất quan trọng trong quá trình khoáng hóa và cố định đạm. VSV còn tạo ra rất nhiều loại enzym, acid amin, vitamin, kháng sinhlà thức ăn và vũ khí tự vệ quan trọng cho cây trồng. Ngoài ra khi các VSV đất chết đi sẽ để lại một lượng thức ăn khổng lồ và có chất lượng rất tốt cho cây trồng VSV có ích giữ vai trò quan trọng cải tạo đất, làm cho đất tăng độ mùn, tơi xốp, thoáng khí, có độ pH trung tính; làm cho khả năng giữ nước, giữ phân của đất được tăng cường Nhờ có hoạt động của VSV làm cho đời sống của đất được tăng lên. VSV có ích đã giúp cho cây trồng hấp thụ dinh dưỡng được tốt hơn. VSV đã góp phần bảo vệ cây trồng làm giảm tác hại của ký sinh gây bệnh cây. Trong tập đoàn VSV có ích có một số lượng rất lớn VSV đối kháng ngăn chặn sự phát triển các VSV gây bệnh hại cho cây trồng rất hữu hiệu 3. Phân loại Vi khuẩn nốt sần:  Vai trò cố định N2 quan trọng nhất thuộc về nhóm vi sinh vật cộng sinh. 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. Vi khuẩn nốt sần thuộc loại hiếu khí không tạo bào tử có thể đồng hóa nhiều nguồn cacbon khác nhau. pH thích hợp: 6,5 – 9,2; nhiệt độ phát triển thích hợp: 24 – 260C. Phân loại vi khuẩn nốt sần có nhiều ý kiến chưa thống nhất: Theo Todorovic chia vi khuẩn nốt sần ra 2 loài: Rhizibiomonas leguminosarum và Rhizobacterum leguminosrum. Hình: Sinorhizobium và nốt sần trên rễ Theo Bergli thì giống Rhizobiumbao gồm 6 loài vi khuẩn nốt sần: Rh.leguminosarum, Rh.phaseoli, Rh.Trifolii, Rh.lupini, Rh.sapnicum, Rh.meliloti. Hình: Rhizobium và nốt sần trên rễ Hình: Bradyrhizobium và nốt sần trên rễ 3.2.Vi khuẩn cộng sinh với cây không thuộc họ Đậu Có khoảng vài trăm loài thực vật, không thuộc họ Đậu có nốt cố định đạm, nhưng sự cộng sinh ít khi được thực hiện với các Rhizobium, mà hường nhất là với các Actinomycetes (xạ khuẩn) thuộc giống Frankia. Cây chủ là Alnus, Casuarine, Hippophae, Elaeagnus, Myrica Những nghiên cứu gần đây cố gắng tạo sự hợp tác giữa lúa với Spirillum. Trong trường hợp này, vi khuẩn cố định không vào rễ, chỉ ở gần rễ, và phóng thích một lượng đạm quan trọng cho thực vật (NH4+, aminoacid). Hình: Xạ khuẩn (Actinomycetes) Hình: Loài alnus glutinosa Hình:Casuarine 3.3.Vi khuẩn cố định đạm sống tự do Vi khuẩn cố định đạm sống tự do ở vùng rễ lúa và những cây thuộc họ hòa bản đã giúp cây trồng phát triển tốt cũng như hạn chế đến mức thấp nhất lượng đạm hóa học trong nền sản xuất nông nghiệp. Hình. Một số nguồn nitơ cung cấp cho cây Vi khuẩn hiếu khí sống tự do thuộc giống Azotobacter và Beiferinckia: Azotobacter: Chi vi khuẩn cố định nitơ hiếu khí, sống tự do trong đất và nước. Tế bào hình bầu dục, hình cầu, được bọc trong lớp vỏ nhày, kích thước khoảng 2 × 5 µm, di động hoặc không, gram âm, không sinh bào tử. Khi dùng 1 g đường, thường cố định được 2 mg N. Ngoài ra, còn có khả năng tổng hợp vitamin, chất sinh trưởng (loại auxin) và một số chất chống nấm. Loại chế phẩm được dùng trong nông nghiệp có nhiều tên thương phẩm khác nhau (azotobacterin, vv.). Các loài Azotobacter thuộc loại các VSV cố định nitơ họat động nhất, chúng có khả năng đồng hóa manit, tinh bột, sử dụng nhiều loại hợp chất hữu cơ khác nhau để phát triển và cố định nitơ, làm giàu nitơ cho đất. Azotobacter chủ yếu có 4 loài: - Azotobacter chroocuccum: Kích thước 3,1x2,0µ; khi còn non có khả năng di động, khi già có sắc tố màu nâu đến màu đỏ, không khuyếch tán vào môi trường. - Azotobacter beijerincki: kích thước 3,1x2,0µ; không di động, khi già có sắc tố màu vàng đến màu nâu sáng, không khuyếch tán vào môi trường. - Azotobacter Vinelandi: Kích thước 3,4x1,5µ; có khả năng di động, sắc tố màu vàng lục đến huỳnh quang, khuyếch tán vào môi trường. - Azotobacter agilis: Kích thước 3,3x2,8µ; có khả năng di động, sắc tố màu lục, huỳnh quang, khuyếch tán vào môi trường. Azotobacter làm tăng cường nguồn thức ăn cung cấp cho cây trồng, kích thích khả năng tăng trưởng, nâng cao tỷ lệ nảy mầm và độ phát triển của mầm (vì nó tiết ra môi trường thiamin, a.nicotinic, a.pantotenic, piridoxin, biotin,..) và có khả năng tiết ra một số chất chống nấm. Chế phẩm Azotobacterin là dịch Azotobacter cho hấp thụ trong than bùn (hoặc các loại đất giàu hữu cơ đã trung hòa và bổ sung photpho, kali). Beiferinckia: Là loài hiếu khí, cố định nitơ giống Azotobacter nhưng có khả năng chịu chua cao hơn. Gồm có 3 nhóm: - B.Indica: Kích thước tế bào 0,5-1,5 x 1,7-3,0µ; có khả năng di động hoặc không di động, khi già có sắc tố màu đỏ đến màu nâu, có tốc độ cố định nitơ nhanh. - B.fluminensis: Kích thước tế bào 1,1-1,5 x 3,0-3,5µ; có khả năng di động, sắc tố màu nâu tối, tốc độ cố định nitơ chậm. - B.derxii: Kích thước tế bào 1,5-2,0 x 3,5-4,5µ; không di động, sắc tố màu lục huỳnh quang. Hình : Azotobacter Vinelandi Vi khuẩn kỵ khí sống tự do thuộc Clostridium: Loài được nghiên cứu nhiều nhất là Clostridium pasteriaum, ngoài ra còn có các loài Clostridium khác như Cl.butylicum, Cl. Bacterinkin, Cl. Aceticum,.. Kích thước tế bào 2,5-7,5 x 0,7-1,3µ có thể riêng rẽ hoặc xếp đôi hoặc thành chuỗi ngắn. Có khả năng di động khi còn non, có khả năng tạo bào tử, bào tử có kích thước lớn hơn tế bào và có thể nằm ở đầu hoặc ở giữa tế bào. Ít mẫn cảm với môi trường, nhất là môi trường thừa P, K, Ca và có tính ổn định với pH, nó có thể phát triển ở pH 4,5 – 9; độ ẩm 60-80%, nhiệt độ 25-300C. Hình: Vi khuẩn Clostridium pasteriaum Tảo lam sống tự do và tảo lam cộng sinh trong bèo hoa dâu: Là thành phần cố định N quan trọng trong thiên nhiên. Có trong các ao, mặt nước ruộng lúaCần độ ẩm cao, ánh sáng, điều kiện nhiệt độ khoảng 30oC, pH tối hảo là từ 7-8.5.Ở ruộng chua, sự tăng trưởng của tảo lam bị hạn chế, trường hợp này bón vôi giúp tăng thêm lượng tảo và lượng N cố định được. Hình: Asiabaena azollae Hiện nay đã phát hiện nhiều loài tảo lam sống tự do trong đất và trong nước có khả năng cố định nitơ. Có một số sống cộng sinh với thực vật, trong đó đáng chú ý nhất là tảo cộng sinh trong bèo hoa dâu (tảo này có tên là Asiabaena azollae). Đa số các loài tảo phát triển tốt trong môi trường trung tính hoặc kiềm, hiếu khí, thích hợp ở nhiệt độ 28-30oC, cần khí CO2. 3.4. Vi khuẩn cố định nitơ sống hội sinh Vi sinh vật được sử dụng trong sản xuất phân bón nhiều nhất hiện nay là Azospirillum – sống hội sinh trong rễ cây hoà thảo, cây họ đậu, bông và rau. Hai giống được biết đến nay là Azospirillum lipoferum và Azospirillum brasilense. Hình: Azospirillum lipoferu Hình:Azospirillum brasilense  III. Sự cố định đạm sinh học 1. Cơ chế cố định đạm 1.1. Enzyme nitrogenase Quá trình cố định đạm xảy ra trong tế bào vi khuẩn và vi khuẩn lam đều giống nhau là nhở chúng có hệ thống gen nif (ni là chữ viết tắt của nitrogen- nitơ và f là fixing –cố định.) điều khiển quá trình tổng hợp Enzyme nitrogenase. Nitrogenase là một đa enzyme (phức hệ enzyme) xúc tác cho phản ứng cố định N2, khử N2 thành NH3. Như vậy, hệ thống gen nif được xem là hệ thống gen điều khiển cho quá trình cố định đạm sinh học. 1.2. Bộ gen (genome) của Pseudomonas và sự điều khiển tổng hợp nitrogenase Genome và hệ thống gen nif của Pseudomonas Thông tin di truyền chuyên biệt về sự cố định đạm đã được xác định trong bộ genome của Pseudomonas stutzeri A1501. Đó là “vùng cố định đạm” (nitrogen fixation region) có kích thước 49kb, gồm 59 gen có liên quan. Thứ tự của các gen nif trong cấu trúc của “vùng cố định đạm” ở Pseudomonas stutzeri A1501 được khởi đầu là vùng PST1301, vùng giữa lần lượt bao gồm các gen nifQ – nifB – nifA – nifL - nifY2 – nifHDKTY – nifENX – nifUSV – nifWZM – nifF và vùng PST1360 ở đầu còn lại. Sự điều khiển tổng hợp enzyme nitrogenase Theo nghiên cứu của Yan et al. (2008), hệ thống của gen nif ở Pseudomonas stutzeri A1501 là một hệ thống hoàn chỉnh gồm các loại gen nif quy định tổng hợp các thành phần cấu tạo nên phức nitrogenase. Hình 3.1. “Vùng cố định đạm” (nitrogen fixation region) của Pseudomonas stutzeri A1501 (Yan et al., 2008) 1.3. Cơ chế cố định đạm Trong thành phần cấu tạo nitrogenase, số nguyên tử Fe và nguyên tử S có thể không ổn định với acid. Phân tử protein nhỏ hơn có chức năng vận chuyển e–, trong đó e– của ferredoxin hoặc flavodoxin vận chuyển lên phức hệ Mo-Fe. Hầu hết các vi sinh vật không thể sử dụng N2 nên chúng phải cố định nguồn N2 tự nhiên để dễ dàng sử dụng. Cơ chế cố định đạm xảy ra theo phương trình: N2 + 8H+ + 8e + 16ATP → 2NH3 + H2 + 16ADP + 16Pi Cơ chế hóa sinh của quá trình cố định N cho đến nay vẫn chưa được sáng tỏ hoàn toàn, nhưng đa số các nhà nghiên cứu đồng ý với giả thuyết cho rằng N là sản phẩm đồng hóa sơ cấp của N2 và có thể nêu ra 2 giả thuyết về 2 con đường cố định N của vi sinh vật sống tự do trong đất như sau: Hình: Sơ đồ giả thuyết về các con đường của quá trình cố định N2 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 ởAzotobacter 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: Nguồn cho điện tử và hydro là acid pyruvic. Đáng chú ý là trong quá trình chuyền điện tử có sự tham gia tích cực của feredocine (Fd). Fd là cầu nối giữa 2 hệ enzyme hydrogenase và nitrogenase để cố định N2. CƠ CHẾ CỐ ĐỊNH NITƠ TRONG NỐT SẦN CỦA RỄ CÂY HỌ ĐẬU: 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: - Quá trình cố định nitơ được thực hiện bởi phức hệ nitrogenase. Thành phần chính của phức hệ này là nitrogenase reductase và nitrogenase. Phức hệ này nằm trong tế bào chất của thể vi khuẩn (bacteroid). Có thể coi đây là nhân tố chìa khóa cho quá trình này. Enzyme này hoạt động trong điều kiện yếm khí (Nitrogenase đặc biệt nhạy với oxy và bị bất hoạt khi có mặt oxy). - 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. Bacteroid cần năng lượng từ thực vật cung cấp để cố định đạm. - 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. Quá trình cố định nitơ phân tử theo hai hướng cơ bản: Con đường khử và con đường oxy hóa. Con đường khử theo chuỗi biến hóa: N2 è HN=NH èH2N-NH2 èNH3 èNH4OH Con đường oxy hóa: N2 è N2O è HNO2 èNH4OH Qua 2 hướng đó, người ta thu được kết quả sau: - Nếu nồng độ Oxy nhiều sẽ ức chế quá trình cố định nitơ phân tử. - Hiệu suất cố định nitơ phân tử của những vi sinh vật kỵ khí thường cao hơn những vi sinh vật hiếu khí. - Tìm thấy hợp chất loại khử khi nuôi các vi sinh vật cố đinh nitơ phân tử. N2 + 8H+ + 8e- → 2NH3 + H2. 16-24ADP + 16-24Pi è16-24ATP Qua đó cho thấy con đường khử có nhiều khả năng xảy ra hơn. 1.4. Các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình cố định đạm Sự tổng hợp enzyme nitrogenase được điều khiển bởi enzyme glutamate synthetase, xúc tác cho tổng hợp glutamin từ NH3. Nếu trong hệ thống có ít NH3 thì glutamate synthetase kích thích tổng hợp nitrogenase, nồng độ NH3 cao thì ức chế sự tổng hợp nitrogenase. Phức hệ enzyme nitrogenase không bền khi có mặt oxy. Vi khuẩn tự do cố định đạm chỉ thể hiện hoạt tính ở điều kiện yếm khí nhờ sử dụng điện tử xuất hiện trong quá trình tổng hợp ATP để ngăn ngừa oxy xâm nhập. Các điều kiện ảnh hưởng đến quá trình cố định đạm: • Ảnh hưởng của các điều kiện ngoại cảnh đối với quá trình cố định N cộng sinh. • Ảnh hưởng của hàm lượng chất đường bột trong cây. • Ảnh hưởng của P và K. • Ảnh hưởng của pH của đất. • Ảnh hưởng của chất Molybden (Mo). • Ảnh hưởng của Phage (thực khuẩn thể). 2. Đạm khoáng trong đất Trừ các cây họ đậu cộng sinh với vi khuẩn để lấy đạm từ không khí, thực vật lấy đạm từ đất (mùn và đạm khoáng). Trong chu trình nitrogen, các dạng đạm hữu cơ trở lại đất theo xác bã động vật và thực vật, được biến đổi thành ammonia (NH4+ và NH3), nhờ các vi khuẩn và nấm trong đất. Trong vài tuần đầu, khỏang 70% chất hữu cơ ban đầu (cellulose và protein) bị phân hủy. Giai đoạn kế tiếp xảy ra ở tốc độ chậm hơn nhiều, chỉ khoảng 1-6% chất sau giai đoạn phân hủy nhanh được tiếp tục phân hủy hàng năm, tạo nên chất mùn, hỗn hợp có màu nâu đen chứa acid humic (được tạo chủ yếu bởi các phức hợp lignin- protein), acid fulvic (dẫn xuất của hemicellulose và sáp) và humin (được tạo chủ yếu từ các mảnh vỡ cellulose). Đạm khoáng có thể được tạo trong giai đoạn phân hủy các hợp chất hữu cơ ban đầu, trong sự tạo mùn, hay trong sự khoáng hóa chất mùn, theo các bước: - Tạo NH4+ từ các amid hay acid amin: R-CONH2 + H2O + H+ è RH + CO2 + NH4+ R-CHNH2-COOH + O2 + H+ èRH + 2CO2 + NH4+ - Tạo NO2-: NH4+ +3/2O2 + H+ è NO2- + H2O + 2H+ - Tạo NO3-: NO2- + 1/2O2 èNO3- Sự oxid hóa NH4+ phóng thích năng lượng, năng lượng này có thể được vi khuẩn dùng để khử CO2 và tổng hợp các hợp chất hữu cơ. 3. Sự dùng đạm khoáng bởi thực vật 3.1. Đặc tính Sự dùng đạm khoáng ở thực vật có vài đặc tính đáng chú ý: - Cây non thích NH4+ (cà chua, bắp, lúa; ngoại lệ: mía, bông vải). - NH4+ đối kháng với K+, Ca2+ hay Mg2+. Do đó, sự dùng NH4+ quá liều sẽ gây ra thiếu K+, Ca2+ hay Mg2+ ( lúa mì). Sự bổ sung Ca2+ làm giảm tính độc của NH4+. Ngược lại, NO3- giúp sự thấm cation. Nhất là K+, NH4+ cản trở NO3-, nhưng giúp các ion photpho và tế bào. Sự hạ thấp pH kích thích sự hấp thu và đồng hóa nitrat, trong khi sự tăng pH kích thích sự hấp thu và đồng hóa ammonium. Tuy nhiên khi pH bên ngoài cao, ammonia (base yếu) khuếch tán nhanh vào tế bào chất (acid hơn). Do đó, ammonia, thiết yếu ở pH trung tính, trở thành độc trong môi trường kiềm. Spirulina platensis là trường hợp đặc biệt, có thể dùng ammonia ở nồng độ cao, như nguồn nitrogen duy nhất, ngay cả ở pH 10 hay cao hơn, do khả năng duy trì pH cao trong tế bào. Sự thừa NH4+ thường rất độc so với NO3- vì gây nhiều xáo trộn trong tính thấm của tế bào. - Hàm lượng đường của rễ có vai trò quan trọng trong sự dinh dưỡng đạm, vì các acid cetonic được tổng hợp từ đường giúp sự gia nhập N vào acid amin. Do đó, tính độc của NH4+ sẽ rất mạnh nếu quang hợp yếu, khi ấy sự dùng NH4+ hạ thấp hàm lượng tinh bột. 3.2. Sự khử nitrat Giai đoạn đầu tiên của sự cố định đạm khoáng là sự khử nitrat, nói chung xảy ra ở rễ, trong tối. Tuy nhiên, ở nhiều loài, nhất là ở các cây dạng cỏ, sự khử được thực hiện đồng thời trong lá, dưới ánh sáng (phân nửa trong rễ, phân nửa trong lá lúa mì; gần như hoàn toàn trong lá cà chua). Sự khử nitrat xảy ra theo hai giai đoạn: khử nitrat (NO3-) thành nitrit (NO2-), và khử nitrit thành ammonia: NO3- + 2H+ + 2e- èNO2- + H2O NO2- + 6H+ + 6e- èNH3 +H2O + OH- Nitrat được khử trong cytosol nhờ nitrat reductase, sau đó nitrit vào diệp lạp của lá hay tiền lạp của rễ để được tiếp tục khử nhờ nitrit reductase. NH3 có thể ở dạng R-NH2 hay ở dạng ion hóa NH4+ khi nhận 1 H+. 3.3.Sự tổng hợp acid amin Các acid amin được tổng hợp từ sự cố định nhóm NH3 (được hấp thu dưới dạng NH4+ hay từ sự khử nitrat) trên các acid a-cetonic, theo 3 quá trình căn bản sau: - Sự amin hóa khử Phản ứng amin hóa khử được thực hiện trong ti thể từ các acid cetonic của chu trình Krebs, và hầu như chỉ xảy ra ở các nấm, ít phổ biến ở thực vật. R-CO-COOH + NADH + H+ +NH3 è R-CH(NH2)-COOH + NAD+ + H2O Ví dụ: Glutamat được tổng hợp từ a-cetoglutarat, nhờ glutamate dehydrogenase (GDH). Glutamat: HOOC-CH2-CH2-CH(NH2)-COOH a-cetoglutarat: HOOC-CH2-CH2-CO-COOH - Con đường Glutamin Glutamin (amid của acid glutamic) là dạng đạm dự trữ quan trọng của hột và củ. Sự tổng hợp Glutamin từ glutamate cần NH3,
Luận văn liên quan