Khí nitơ chiếm khoảng 76% bầu không khí bao quanh chúng ta, trên mỗi hecta đất trọng lượng của nó nặng tới 80.000 tấn. Khí nitơ thường xuyên được hình thành và bổ sung vào không khí do quá trình phản nitrat hoá. Con người, động vật, thực vật đều cần đạm, song sống giữa bầu không khí mênh mông đạm như vậy tuyệt đại đa số sinh vật đều không sử dụng trực tiếp khí nitơ. Chỉ có nhóm sinh vật cố định nitơ là có khả năng này. Hàng năm nhu cầu của cây trồng trên toàn thế giới đối với nitơ là hàng trăm triệu tấn. Tuy nhiên, phân bón hoá học chỉ đáp ứng được khoảng 30%. Lượng còn lại là do quá trình cố định nitơ phân tử cung cấp.
Cơ chế của quá trình cố định nitơ phân tử Nitơ: Phân tử được cấu tạo từ 2 N. Để phá vỡ được 3 dây nguyên tử nitơ nối với nhau bằng 3 dây nối N nối này bằng phương pháp hoá học cần phải tiến hành ở nhiệt độ và áp suất rất cao. Ví dụ như muốn tạo thành xianamit canxi là một loại phân đạm hoá học người ta phải tiến hành phản ứng giữa nitơ phân tử và cacbit canxi ở nhiệt độ 1000 – 1100 0C.
Nếu muốn liên kết nitơ với hydro để tạo thành amoniac thì phản ứng phải được tiến hành ở nhiệt độ 600 0C và áp suất 1000at với những chất xúc tác đắt tiền. Trong khi đó nhóm vi khuẩn cố định nitơ có thể biến khí nitơ thành hợp chất đạm ở các điều kiện bình thường về nhiệt độ và áp suất. Vậy cơ chế cố định của nó là như thế nào? Đó là điều các nhà khoa học nghiên cứu trong lĩnh vực này hết sức quan tâm. Từ trước tới nay có rất nhiều giả thiết về cơ chế của quá trình cố định đạm sinh học.
Đa số nhà nghiên cứu đều thống nhất cho rằng: Quá trình cố định nitơ sinh học là một quá trình khử N2 thành NH3 dưới tác dụng của men nitrogenaza sinh ra bởi vi sinh vật.
Nitrogenaza đã được chiết xuất ra từ Azotobacter vinelandii 1loài vi khuẩn cố định nitơ sống tự do trong đất. Nitrogenaza bao gồm hai thành phần khác nhau, 1 thành phần gồm protein và Fe, 1 thành phần gồm protein, Fe, Mo. Electron của các chất khử sẽ đi vào thành phần thứ 1 của nitrogenza (phần có chứa protein và sắt) sau đó được chuyển sang thành phần thứ 2, qua đó electron được hoạt hoá có thể phản ứng với N2. N2 cũng đi qua 2 thành phần của nitrogeneza và được hoạt hoá. Hydro được hoạt hoá nhờ các enzymcủa hệ thống hydrogenaza. Năng lượng dùng trong quá trình này là ATP của tế bào. Cuối cùng NH3 được hình thành. Có thể tóm tắt trong sơ đồ sau:
Enzym nitrogenaza ngoài tác dụng khử N2 thành NH3 còn có khả năng xúc tác cho việc khử một số chất khác. Ví dụ như nó có thể khử axetylen thành etylen. Phản ứng khử axetylen ngày nay được dùng để xác định hoạt tính nitrogenaza.
Azotobater là loại vi khuẩn hiếu khí, song quá trình cố định nitơ lại là một quá trình khử ở điều kiện không có oxy. Hai điều kiện trái ngược nhau được thoả mãn dối với một tế bào là do Azotobacter có nhiều màng lipoporotein. Bên ngoài màng là những men hô hấp hoạt động, sử dụng oxy để hình thành ATP và làm cho oxy không thấm vào phía trong màng, nơi đó có nitrogenaza tiến hành cố định nitơ ở điều kiện kỵ khí. đó có nitrogenaza tiến hành cố định nitơ ở điều kiện kỵ khí. NH3 được hình thành đến một mức độ nào đó sẽ kìm hãm sự hoạt động của nitrogenaza, nó chính là yếu tố điều hoà hoạt tính của enzym.
Ở vi khuẩn cố định nitơ sống cộng sinh với cây bộ đậu, cơ chế cố định nitơ có phần nào phức tạp hơn vì nó có liên quan đến thực vật. Vai trò của thực vật ở đây chính là sự hình thành Leghemoglobin, chất này đóng vai trò chuỗi chuyển điện tử từ quá trình quang hợp của cây vào nitrogenaza của vi khuẩn. Enzym nitrogenaza của vi khuẩn nốt sần sống cộng sinh với cây đậu cũng có cấu trúc giống như nitrogenaza của vi khuẩn cố định nitơ sống tự do trong đất. Mối quan hệ giữa thực vật và vi khuẩn trong quá trình cố định nitơ cộng sinh có thể biểu diễn bởi sơ đồ sau:
Tuy nhiên gần đây có một số tác giả cho rằng, quá trình cố định nitơ phân tử xảy ra ở tế bào thực vật chứ không xảy ra ở tế bào vi khuẩn. Những tác giả này dựa vào kết quả thí nghiệm dùng nguyên tố phóng xạ N15 thấy nó xuất hiện chủ yếu ở màng tế bào thực vật trong khi xuất hiện rất ít ở tế bào vi khuẩn. Vi sinh vật cố định nitơ.
Nhiều loài vi sinh vật có khả năng cố định nitơ phân tử. Chúng bao gồm 3 nhóm chính: Nhóm vi khuẩn cố định nitơ cộng sinh, nhóm vi khuẩn cố định nitơ sống tự do và nhóm vi tảo cố định nitơ. Ở đây chúng ta chỉ nghiên cứu kỹ 2 nhóm đầu.
Bảo Nam
