Bài 5 - 6. Dinh dưỡng nitơ ở thực vật

BÀI 5 -6: DINH DƯỠNG NITƠ Ở THỰC VẬT

PHẦN I. KIẾN THỨC

I. Vai trò sinh lí của nguyên tố nitơ

- Nitơ là một nguyên tố dinh dưỡng khoáng thiết yếu của thực vật. Nitơ được rễ cây hấp thụ từ môi trường ở dạng NH₄⁺ và NO₃^-. Trong cây NO₃^- được khử thành NH4⁺.

- Nitơ có vai trò quan trọng đối với đời sống của thực vật:

• Vai trò chung: Đảm bảo cho cây sinh trưởng và phát triển tốt
• Vai trò cấu trúc:
  • Tham gia cấu tạo nên các phân tử protein, enzim, coenzim, axit nucleic, diệp lục, ATP …
  • Nito có trong các chất điều hòa sinh trưởng.
  • Dấu hiệu khi cây thiếu nguyên tố Nitơ là cây sinh trưởng kém, xuất hiện màu vàng nhạt trên lá.
• Vai trò điều tiết:
  • Tham gia điều tiết các quá trình trao đổi chất và trạng thái ngậm nước của tế bào → ảnh hưởng đến mức độ hoạt động của tế bào.

 → Nitơ có vai trò quyết định đến toàn bộ các quá trình sinh lý của cây trồng

- Ví dụ: cây thiếu Nitơ

II. Quá trình đồng hóa Nitơ ở thực vật 

- Rễ cây hấp thụ nitơ ở dạng NH₄⁺ (dạng khử) và NO₃^- (dạng oxi hóa) từ đất nhưng nitơ trong các hợp chất hữu cơ cấu trúc nên mô, tế bào thì chỉ tồn tại ở dạng khử.

 → Vì vậy, sự đồng hóa nitơ trong mô thực vật gồm 2 quá trình: khử nitrat và đồng hóa amôn.

1. Quá trình khử nitrat

- Là quá trình chuyển hoá NO₃^- thành NH₄⁺, có sự tham gia của Mo và Fe (hoạt hóa các enzim tham gia vào quá trình khử).

- Được thực hiện ở mô rễ và mô lá theo sơ đồ:

NO₃^- (nitrat) → NO₂^- (nitrit) → NH₄⁺ (amoni)

- Các bước khử có sự tham gia của các enzim khử  -reductaza

NO₃^-­­ + NAD(P)H + H⁺ +2e^- → NO₂^- + NAD(P)⁺ + H₂O

NO₂- + 6 Feredoxin khử + 8H⁺ + 6e^- → NH₄⁺ + 2H₂O

- Điều kiện cho quá trình khử nitrat:

• Có các enzim đặc hiệu xúc tác cho các phản ứng
• Có các lực khử mạnh

- Ý nghĩa: Hạn chế tích lũy nitrat trong mô thực vật.

2. Quá trình đồng hoá NH₄⁺ trong mô thực vật:

- Quá trình đồng hóa NH4+ diễn ra theo 3 con đường:

Amin hoá trực tiếp các axit xêtô: 

• Axit xêto + NH₄⁺ → Axit amin.
• Ví dụ: Axit α-xetoglutaric + NH₄⁺ → Axit glutamic

Chuyển vị amin:

• Axit amin + axit xêto  → a. amin mới + a. xêto mới
• Ví dụ: Axit glutamic + Axit piruvic → Alanin + Axit α-xetoglutaric

Hình thành amit: là con đường liên kết phân tử NH₃ với axit amin đicacboxilic.

• Axit amin đicacboxilic + NH₄⁺ → amit
• Ví dụ: Axit glutamic + NH4+ → Glutamin

- Ý nghĩa của sự hình thành amit: Sự hình thành amit có ý nghĩa sinh học quan trọng

• Đó là cách giải độc NH₃ tốt nhất (NH₃ tích luỹ lại sẽ gây độc cho tế bào)
• Amit là nguồn dự trữ NH₃ cho quá trình tổng hợp a. amin khi cần thiết. 

III. Nguồn cung cấp Nitơ tự nhiên cho cây

	Nitơ trong không khí	Nitơ trong đất
Dạng tồn tại	- Chủ yếu dạng Nitơ phân tử ( N2) ngoài ra còn tồn tại dạng NO, NO2	- Nitơ khoáng (Nitơ vô cơ, gồm NO3- và NH4+) trong các muối khoáng như muối nitrat, muối nitrit, muối amôn - Nitơ hữu cơ trong xác động vật, thực vật, vi sinh vật
Đặc điểm	- Cây không hấp thụ được Nitơ phân tử → phải nhờ các vi sinh vật cố định Nitơ chuyển hóa thành dạng NH3 cây mới hấp thụ được. - Nitơ trong NO, NO2 trong không khí độc hại đối với cây trồng.	- Nitơ khoáng cây có thể hấp thụ trực tiếp - Cây không hấp thụ được Nitơ hữu cơ trong xác sinh vật → nhờ VSV đất khoáng hóa thành NO3- và NH4+ mà cây mới hấp thụ được - Cây chỉ hấp thụ Nitơ khoáng từ trong đất dưới dạng NO3- và NH4+ - NO3- dễ bị rửa trôi xuống các lớp đất nằm sâu bên dưới. NH4+ được các hạt keo đất tích điện âm giữ lại trên bề mặt của chúng nên ít bị rửa trôi hơn.

IV. Quá trình chuyển hóa Nitơ trong đất và cố định Nitơ

1. Quá trình chuyển hóa nitơ trong đất

- Con đường chuyển hóa nitơ hữu (trong xác sinh vật) trong đất thành dạng nitơ khoáng (NO₃^- và NH₄⁺) gồm 2 giai đoạn:

*Quá trình amôn hóa: Các axit amin nằm trong các hợp chất mùn, trong xác bã động vật, thực vật sẽ bị vi sinh vật (Vi khuẩn amôn hóa) trong đất phân giải tạo thành NH₄⁺ theo sơ đồ:

- Quá trình amôn hóa diễn ra như sau:

• Chất hữu cơ trong đất → RNH₂ + CO₂ + phụ phẩm
• RNH₂ + H₂O → NH₃ + ROH
• NH₃ + H₂O  → NH₄⁺ + OH^-

*Quá trình nitrat hóa: khí NH₃ được tạo thành do vi sinh vật phân giải các hợp chất hữu cơ sẽ bị vi khuẩn hiếu khí (vi khuẩn nitrat hóa) như Nitrosomonas oxy hóa thành HNO₂ và Nitrosobacter tiếp tục oxi hóa HNO₂ thành HNO₃ theo sơ đồ:

- Quá trình nitrat hóa diễn ra như sau:

• 2NH₃ + 3O₂ → 2 HNO₂ + H₂O
• 2 HNO₂ + O₂ → 2 HNO₃ 

* Lưu ý: Trong điều kiện môi trường đất kị khí, xảy ra quá trình chuyển hóa nitrat thành nitơ phân tử (NO₃^- → N₂) gọi là quá trình phản nitrat hóa:

=> Hậu quả: gây mất mát nitơ dinh dưỡng trong đất

2. Quá trình cố định nitơ phân tử

- Khái niệm: Quá trình cố định nitơ là quá trình liên kết N₂ với H₂ thành NH₃.

=> Ý nghĩa: có vai trò quan trọng trong việc bù đắp lượng nitơ mất đi do cây trồng sử dụng trong quá trình sinh trưởng và phát triển.

- Cố định nitơ phân tử diễn ra theo 2 con đường: Con đường vật lý – hóa học và con đường sinh học.

*Con đường vật lý hóa học: xảy ra trong điều kiện có sấm sét, tia lửa điện,...

*Con đường sinh học:

- Là con đương cố định nitơ phân tử nhờ các vi sinh vật thực hiện.

- Vi sinh vật cố định nitơ gồm 2 nhóm:

• Nhóm vi sinh vật sống tự do: vi khuẩn lam, Azotobacter, Clotridium, Anabeana, Nostoc,...
• Nhóm vi sinh vật sống cộng sinh với thực vật: Các vi khuẩn thuộc chi Rhizobium trong nốt sần rễ cây họ Đậu, Anabeana azollae trong bèo hoa dâu,...

- Các VSV cố định nitơ có enzim nitrogenaza có khả năng bẻ gẫy 3 liên kết trong phân tử N₂ để N liên kết với H tạo ra NH₃. Trong môi trường nước, NH₃ chuyển thành NH₄⁺.

- Quá trình cố định nitơ phân tử có thể tóm tắt:

- Cơ sở khoa học: Vi khuẩn cố định nitơ có khả năng tuyệt vời như vậy là do trong cơ thể chúng có chứa 1 loại enzim đọc nhất vô nhị là Nitrogenaza. Enzim nay có khả năng bẻ gẫy ba liên kết cộng hóa trị giữa 2 nguyên tử nitơ để liên kết với H₂ tạo thành NH₃, trong môi trường nước NH₃ chuyển thành NH₄⁺ 

- Điều kiện để quá trình cố định nitơ diễn ra:

• Có các lực khử mạnh với thế năng khử cao (NAD, FADP).
• Được cung cấp năng lượng ATP
• Có sự tham gia của enzim Nitrogenaza
• Thực hiện trong điều kiện kị khí

- Ý nghĩa: có tầm quan trọng trong cải tạo đất nghèo dinh dưỡng, hàng năm các loại vi sinh vật cố định nitơ có khả năng tổng hợp khoảng 100-400 kg nitơ/ha.

V. Phân bón với năng suất cây trồng và môi trường

1. Bón phân hợp lí và năng suất cây trồng

- Để cây trồng có năng suất cao cần phải bón phân hợp lí bằng cách:

• Đúng loại: Bón đúng loại phân;
• Đúng lượng: Bón đủ liều lượng cần bón, và tỉ lệ các thành phần dinh dưỡng;
• Đúng lúc: Bón đúng nhu cầu của giống, loài cây trồng, phù hợp với thời kì sinh trưởng và phát triển của cây, phù hợp với điều kiện thổ nhưỡng, đất đai, điều kiện thời tiết, mùa vụ;
• Đúng cách: Bón đúng cách.

2. Các phương pháp bón phân

- Bón phân qua rễ (bón vào đất):

• Rễ cây có khả năng hấp thụ các ion khoáng từ đất.
• Bón phân vào đất có 2 cách: Bón lót (bón trước khi trồng cây) và Bón thúc (bón sau khi trồng cây).

- Bón phân qua lá (phun lên lá):

• Lá cũng có thể hấp thụ các ion khoáng qua khí khổng.
• Dung dịch phân bón qua lá phải có nồng độ ion khoáng thấp, chỉ bón qua lá khi trời không mưa và năng không gay gắt.

3. Phân bón và môi trường

- Bón phân hợp lí sẽ tăng năng suất cây trồng và không gây ô nhiễm môi trường. 

- Khi lượng phân bón bón cho cây vượt quá mức tối ưu, cây sẽ không hấp thụ hết. Lượng phân bón dư thừa sẽ gây ra các ảnh hưởng xấu như thay đổi tính chất lí hóa của đất, ô nhiễm nông sản, ô nhiễm môi trường.

PHẦN II - HƯỚNG DẪN TRẢ LỜI CÂU HỎI VÀ BÀI TẬP SÁCH GIÁO KHOA

Câu 1. Vì sao thiếu nitơ trong môi trường dinh dưỡng, cây lúa không thể sống được?

Hướng dẫn:

- Vì nitơ là một trong các nguyên tố khoáng dinh dưỡng thiết yếu trong cây, nó tham gia vào hình thành các đại phân tử hữu cơ quan trọng cấu thành nên tế bào và cơ quan như axit nucleic, axit amin,…, do đó khi trong môi trường dinh dưỡng thiếu nito thì cây không thể sống được.

Câu 2. Vì sao trong mô thực vật phải diễn ra quá trình khử nitrat?

Hướng dẫn:

- Vì trong hai dạng nitơ cây hấp thụ từ môi trường bên ngoài có dạng NO₃^- là dạng ôxi hóa, nhưng trong cơ thể thực vật nitơ chỉ tồn tại ở dạng khử NH₄⁺. Do đó, nitrat cần được khử thành amôniac để tiếp tục được đồng hóa thành axit amin, amit và prôtêin.

Câu 3. Thực vật đã có đặc điểm thích nghi như thế nào trong việc bảo vệ tế bào khỏi bị dư lượng NH₄⁺ đầu độc?

Hướng dẫn:

- Khác với NO₃^-, NH₄⁺ tích lũy nhiều trong cây sẽ gây ngộ độc amon cho tế bào, vì vậy để tránh vấn đề này, thực vật phải đồng hóa tiếp tục NH₄⁺ bằng các con đường chuyển hóa nó vào các chất hữu cơ  như axit amin, protein,.. . và chủ yếu là chuyển chúng thành dạng amit. Amit nhằm khử độc cho tế bào và dự trữ nhóm amin cần cho sự tổng hợp axít amin và prôtêin khi cơ thể có nhu cầu.

Câu 4. Nêu các dạng nitơ có trong đất và các dạng nitơ mà cây hấp thụ được.

Hướng dẫn:

- Các dạng nitơ có trong đất là nitơ vô cơ trong các muối khoáng và nitơ hữu cơ trong xác sinh vật (vi sinh vật, thực vật, động vật). Dạng nitơ cây hấp thụ được: dạng nitơ khoáng NH₄⁺ và NO₃^-.

Câu 5. Trình bày vai trò của quá trình cố định nitơ phân tử bằng con đường sinh học đối với sự dinh dưỡng nitơ của thực vật.

Hướng dẫn:

- Vai trò của quá trình cố định nitơ phân tử bằng con đường sinh học đối với sự dinh dưỡng nitơ của thực vật là:

• Biến nitơ phân tử (N₂) sẵn có trong khí quyển nhưng thực vật không hấp thụ được thành dạng nitơ khoáng NH₃ (NH₄⁺ trong môi trường nước) cây dễ dàng hấp thụ.
• Nhờ có quá trình cố định nitơ phân tử bằng con đường sinh học xảy ra ở điều kiện bình thường hầu khắp mọi nơi trên Trái Đất mà lượng nitơ bị mất hàng năm do cây lấy đi luôn được bù đắp lại đảm bảo nguồn cung cấp dinh dưỡng nitơ bình thường của cây.

Câu 6. Thế nào là bón phân hợp lí, vai trò của biện pháp đó đối với năng suất cây trồng và môi trường?

Hướng dẫn:

- Bón phân hợp lí là: bón đúng nhu cầu của cây theo đặc điểm di truyền của giống, loài cây, theo pha sinh trưởng và phát triển, theo đặc điểm địa lí, họat tính của đất và theo điều kiện thời tiết. Phân bón phải đúng loại, đủ số lượng và tỉ lệ các thành phần dinh dưỡng.

- Bón phân không đúng, năng suất sẽ thấp, hiệu quả kinh tế thấp. Bón phân vượt quá liều lượng cần thiết sẽ làm giảm năng suất. Chi phí phân bón cao dẫn tới hiệu quả kinh tế thấp và gây ô nhiễm nông phẩm, môi trường, đe dọa sức khỏe của con người.

PHẦN III - HỆ THỐNG CÂU HỎI MỞ RỘNG (TỰ GIẢI)

Câu 1. Trình bày vai trò của nitơ đối với đời sống thực vật

Câu 2. Để sử dụng nitơ phân tử (N₂) và nitơ từ xác sinh vật, cây xanh phải nhờ quá trình nào?

Câu 3. Dựa vào kiến thức đã học hãy giải thích ý nghĩa hoá - sinh học của câu ca dao sau: “Lúa Chiêm lấp ló đầu bờ – Hễ nghe tiếng sấm phất cờ mà lên”

Câu 4. Vì sao nói cây xanh “tắm mình trong biển khí nitơ” nhưng cây vẫn có thể thiếu đạm? Điều kiện nào để sinh vật có thể cố định được nitơ không khí?

Câu 5. Điều kiện để quá trình cố định nitơ khí quyển có thể xảy ra? Viết sơ đồ tóm tắt quá trình nitrat hóa trong đất từ amoni thành nitrit và từ nitrit thành nitrat.

Câu 6. Vì sao nói thực vật tắm mình trong biển nitơ mà vẫn thiếu nitơ? Làm thế nào để nitơ trong không khí trở thành dạng nitơ mà vây có thể sử dụng được? Nêu cơ chế và điều kiện thực hiện quá trình này?

Câu 7. Cây xanh sử dụng nguồn nitơ trong không khí và trong đất bằng phương thức nào?

Câu 8. Nhóm VSV nào có khả năng cố định N₂ khí quyển? Cho biết điều kiện để mỗi nhóm thực hiện được quá trình cố định đạm?

Câu 9. Trong quá trình cố định đạm, nguyên tử H trong NH₃ có nguồn gốc từ chất nào? Giải thích?

Câu 10: Tại sao thiếu nito lá cây lại có màu vàng? Có khi nào cây thừa nito không? Nếu thừa sẽ có biểu hiện như thế nào?

Câu 11. Thực vật đã có đặc điểm thích nghi như thế nào trong việc bảo vệ tế bào khỏi bị dư lượng NH₄⁺ đầu độc? Sự hình thành các amit có vai trò gì đối với cơ thể thực vật?

Câu 12. Vì sao việc bón phân cho cây hợp lý phải tùy thuộc vào loại đất, loại phân bón, thời kì phát triển của cây, giống và loại cây trồng. Cho các ví dụ minh họa?

Câu 13: Khi nào môi trường dinh dưỡng trong đất bị mất nitơ dinh dưỡng? Nguyên nhân do đâu? Và trong sản xuất cần làm gì để ngăn chặn hiện tượng trên?

Câu 14: Hãy tính lượng phân bón nitơ cho một thu hoạch 15 tấn chất khô/ha. Biết rằng nhu cầu dinh dưỡng của cây này đối với nitơ là 8g/kg chất khô và hệ số sử dụng phân bón là 60%, khả năng cung cấp chất dinh dưỡng của đất bằng 0.