ไนโตรเจน

ไนโตรเจน จาเปนสาหรบพชเพราะเปนสวนประกอบของโปรตนและกรดนวคลอกทกชนด ดงนนจงเปนสวนประกอบสาคญของ โปรโตปลาสซม

ไนโตรเจน (N) เปนธาตอาหารทสาคญสาหรบพชมาก เพราะเปนธาตอาหารทพชตองการในปรมาณมาก ถาพชขาดไนโตรเจนจะเกดลกษณะใบสเหลอง (chlorosis)โดยเกดทใบแกกอน การเจรญเตบโตหยดชะงก

2

ไนโตรเจนกบการเจรญเตบโตของพช (Nitrogen and plant growth)

ความเขมขนของธาต N ในพชจะมมากทสดเมอเปรยบเทยบกบ

ธาตในกลมของ mineral elements โดยทวไปแลวพชจะมปรมาณ

ไนโตรเจนประมาณ 1-5% โดยนาหนก ไนโตรเจนมความสาคญตอพช

อยางยงเพราะมนเปนสวนประกอบพนฐานของรงควตถในใบสเขยวของ

พช คอ คลอโรฟลล (Chlorophyll) ซงชวยในการสงเคราะหแสง

พชตองการไนโตรเจนในการสรางสารประกอบหลายชนด เชน

กรดนวคลอก (Nucleic acids), กรดอะมโน (amino acids), โปรตน

(Proteins), และนาตาล (sugars) อกกลมหนงของสารประกอบ

ไนโตรเจนกคอ เอนไซม (enzyme) ซงเปนตวเรงกระบวนการทาง

ชววทยา (Biological process) ในพช3

องคประกอบของคลอโรฟลล (Chlorophyll)

N เปนสวนหนงของ

องคประกอบของ Chlorophyll

drvsrs.com/innovation.htm4

Amino acid structure

mwsu-bio101.ning.com/xn/detail/2…ent:99155

Protein structure

Peptide bond

6

ระบบคอลลอยดดนทสมพนธกบรปตางๆ ของไนโตรเจน

หนาตดดนตามแนวดงแสดงระบบคอลลอยดดนทสมพนธกบรปตาง ๆ ของธาตอาหาร

ในดน และการดดใชธาตอาหารโดยรากพช (ปทมา, 2547)

สารละลายดน

1 µm

คอลลอยดดน

NH4+

NH4+

NO3-

NO3-

N in Organic matter

NO3-

รปของ N ในดนแบงเปน 2 รปหลก คอ รปอนทรยและอนนทรย

7

ไนโตรเจนเปนธาตทมมากทสดในธรรมชาต แตไนโตรเจนมกจะ

เปนธาตทจากดการเจรญเตบโตของพช เนองจากอยในรปของกาซ N2

สวนในดนมปรมาณของ N นอยมากเมอเทยบกบสวนอนๆ ซงในปรมาณ

นอยนกมสดสวนทนอยมากทเปนประโยชนตอพชโดยตรง โดยท

ประมาณ 90% ของสารประกอบไนโตรเจนอยในสวนประกอบของ

อนทรยวตถหรออกนยหนงกคออยในรปของอนทรยไนโตรเจน (organic

nitrogen)

N อนทรยจะเปนประโยชนตอพชเมอถกเปลยนมาอยในรปของ

อนนทรยไนโตรเจน (inorganic nitrogen) คอ NO3- หรอ NH4

+ อยางไรก

ตามพชสวนใหญไดรบหรอมแนวโนมทจะดดใชไนโตรเจนในรปของ NO3-

มากกวา NH4+

รปของไนโตรเจนในดน (forms of soil nitrogen)

8

อนทรยไนโตรเจนในดน (soil organic nitrogen)

อนทรยไนโตรเจนในดนม >90% ของ N ทงหมดในดน เปน

สวนประกอบของโปรตน (20-40%) และสารประกอบโมเลกลเชงซอน

อนๆ ซงสวนใหญของสารนจะอยในรปของ amine group (-NH2) ซง

เปนสวนประกอบของ amino acid และ amino sugars

นอกจากนกเปนสวนประกอบของ Hexosamines (5-10%),

purine และ pyrimindine derivative (~1%), และสารประกอบ

เชงซอนตางๆ ซงเกดจาก ปฏกรยาของ ammonium กบ lignin, เกด

จากกระบวนการ polymerization ของ quinones กบสารประกอบ

nitrogen, และเกดจากการ condensation ของ sugar และ amines

9

แบบจาลองโครงสรางของกรดฮวมก humic acid (Stevenson, 1982)

N in organic matter

ไนโตรเจนอนทรย (organic N)

นอกจากนยงม N อนทรยรปทละลายอยในสารละลายดน (dissolved

organic N) เชน กรดอมโน เปนตน 10

รปหลกไดแก แอมโมเนยม (NH4+ ) และไนเตรต (NO3

- )

รปของ NH4+ พชจะดดใชนอยกวาเพราะวาความเขมขนสงของ

NH4+ ในพชจะเปนพษตอพชได พชสามารถใชไนโตรเจนในรปของ NO3

-

และ/หรอ NH4+ แตสารประกอบทงสองดงกลาวมปรมาณจากดในดน

และมกจะสญเสยไดงายโดยกระบวนการตางๆ เชน การชะลาง

(leaching) และกระบวนการอนๆ เชน biological reduction of NO3-

(denitrification) ในขณะทพชตองการไนโตรเจนในปรมาณมากสาหรบ

การเจรญเตบโต ดงนนเราจงมกกลาวกนวา ไนโตรเจนเปนธาตทมกจะ

จากดการเจรญเตบโตของพช

ไนโตรเจนรปอนนทรย

11

sci.waikato.ac.nz/farm/content/n...ing.html

วงจรของไนโตรเจน (Nitrogen cycle)

12

การทบถมแบบเปยกเปนกระบวนการทสสารทอยในรปกาซและ

ของแขงถกเคลอนยายจากบรรยากาศลงสดนโดยฝนและหมะ สวนการ

ทบถมแบบแหงคอ การเคลอนยายของสาร เชน สงแขวนลอยใน

บรรยากาศ เชน เกลอของแอมโมเนยม ทเกดจากแรงดงดดของโลก

ยกตวอยางเชน กาซไนโตรเจน N2 เปลยนรปโดยปรากฏการณ

ฟาแลบ (lighting) เปน oxide ของไนโตรเจนในรปตางๆ และสดทายเปน

NO3- เปนตน

วงจรของไนโตรเจน

กระบวนนาไนโตรเจนเขามาสระบบดน-พช

การทบถมแบบเปยกและแบบแหง

13

การตรงไนโตรเจน (Nitrogen fixation)

ถงแมวาแหลงเกบกก N ในบรรยากาศจะมมากถง 78% ของ

บรรยากาศ แตพชชนสงไมสามารถเปลยนกาซไนโตรเจนใหมาเปน

โปรตนไดโดยตรง และกอนทพชหรอสตวจะสามารถใชประโยชนจากกาซ

ไนโตรเจนในบรรยากาศได กาซไนโตรเจนตองผานกระบวนการ “ตรง”

ซงกคอการเปลยนกาซไนโตรเจน ใหเปนรปไนโตรเจนทพชใชประโยชนได

เรยกกระบวนการนวา “การตรงไนโตรเจน” (nitrogen fixation หรอ

dinitrogen fixation)

ไนโตรเจนสามารถจะถกตรงจากบรรยากาศไดทงกระบวนการ

ทางธรรมชาตและการสงเคราะหเทยม ซงจะเปลยนกาซ N2 ใหมาเปน

ไนโตรเจนในรปทพชใชประโยชนได เชน NH4+ หรอ NO3

-

14

sci.waikato.ac.nz/farm/content/n...ing.html

Nitrogen cycle

15

กระบวนการตรงไนโตรเจน (ตอ)

กระบวนการการตรงไนโตรเจน ม 3 กระบวนการหลก คอ

1. การตรงไนโตรเจนเมอเกดฟาแลบตามธรรมชาต (N2-fixation in natural lighting)

การตรงไนโตรเจนทเกดขนตามธรรมชาตอยางหนงกคอ ปรากฏการณฟาแลบ ซง

เรยกวาเปนแบบ non-biological nitrogen fixation หรอ abiotic nitrogen fixation

2. การตรงไนโตรเจนทางชวภาพ (biological N2 fixation หรอ biotic N2 fixation) เปน

ปรากฏการณทเกดขนเองตามธรรมชาต หมายถง ปฏกรยาการรดวซกาซไนโตรเจน

ในบรรยากาศ (reduction of atmospheric nitrogen gas (N2)) ใหเปนแอมโมเนย

(NH3) ซงปฏกรยานสามารถเกดขนไดโดยจลนทรยเฉพาะกลมทสามารถผลต

เอนไซมไนโตรจเนส (nitrogenase enzyme) ซงเปนเอนไซมททาหนาทเรงปฏกรยา

การแยกพนธะ triple bond ของกาซไนโตรเจน จลนทรยทสามารถตรงไนโตรเจนได

จะจากดอยเฉพาะกลม prokaryotic microorganisms (bacteria, cyanobacteria,

actinomycetes และ Archaea) เทานน 16

กระบวนการตรงไนโตรเจน (ตอ)

3. การตรงไนโตรเจนทางเคม (Chemical หรอ Artificial N2 – fixation)

เปนการนาธาตไนโตรเจนมาเปลยนเปนสารประกอบเคมทสามารถ

นาไปผลตและใชเปนป ยเคมไนโตรเจน (Chemical Nitrogen

fertilizers) Haber-Bosch process

จะเหนไดวาการตรงไนโตรเจนเกดขนไดจากกระบวนการทงทาง

ชวภาพและทางเคม ซงอาจจะเกดขนเองตามธรรมชาตหรอจากการ

สงเคราะห อยางไรกตาม ทกกระบวนการตองอาศยพลงงานในรปแบบ

ใดรปแบบหนงในการเปลยนรปของกาซ N2 ใหเปนรปทเปนประโยชนได

17

การสญเสยไนโตรเจนในรปกาซ

(Gaseous Losses of Nitrogen)

ไนโตรเจนในดนสามารถสญเสยไปในบรรยากาศไดในรปของ

กาซหลายชนด ไดแก กาซไนโตรเจน (molecular nitrogen (N2)), กาซ

แอมโมเนย (ammonia (NH3)), และกาซในรปของออกไซดตางๆ ของ

ไนโตรเจน เชน nitric oxide (NO) และ nitrous oxide (N2O) เปนตน

การสญเสยไนโตรเจนจากดนในรปของกาซทพบบอยคอกระบวนการ

denitrification, urea hydrolysis และ ammonia volatilization

กระบวนการตางๆ ททาใหสญเสยไนโตรเจน(output)จากระบบดน

18

sci.waikato.ac.nz/farm/content/n...ing.html

Nitrogen cycle

19

การสญเสยไนโตรเจนในรปกาซ (ตอ)

กระบวนการ Denitrification

กจกรรมของจลนทรยดนตองการ O2 ดงนนเมอดนขาด O2 หรออยในสภาพ

นาขง (anaerobic conditions) ไมมชองวางใหอากาศผาน กจะมจลนทรยกลมหนงท

สามารถดงเอา oxygen ทมนตองการจากโมเลกลของสารประกอบไนโตรเจนในดนคอ

nitrite (NO2-) และ nitrate (NO3

-) เมอเกดการดงเอา oxygen จากสารประกอบ

ไนโตรเจนไปใชซงกคอ การรดวซ nitrate ใหเปน nitrite และในทสดกจะเกดกาซ

nitrous oxide (N2O) และ nitrogen (N2) กลบคนสบรรยากาศ เรยกกระบวนการนวา

denitrification ซงในสภาพนาขงทเออตอการเกดกระบวนการนตองม สารประกอบ

อนทรยเพยงพอเพอเปนแหลงพลงงานและเปนตวใหไฮโดรเจน (Hydrogen donors)

สวน NO3- ในดนกทาหนาทเปนตวรบ อเลคตรอน (electron accepter) นนเอง

+5 +3 +2 +1 0

NO3- NO2

- NO N2O N2

สมการแสดงกระบวนการ Denitrification และตวเลขแสดงคา valence ของ N 20

การสญเสยไนโตรเจนจากดนในรปของกาซโดย Urea hydrolysis

ป ยไนโตรเจนในรปของยเรย (Urea – CO(NH2)2) เปนป ยทมปรมาณการใช

สงมากทวโลก และนยมใชกนมากในกลมเกษตรกรในประเทศไทย ดงนนเราจงควร

ทราบถงปฏกรยาของ urea ในดนดวย เมอเราใสป ยยเรยลงไปในดนกจะเกด

กระบวนการ hydrolysis ของ urea ขนดงสมการ

ปฏกรยาของ urea ในดน

สมการท 3: NH4+ + OH- NH3 + H2O หรอ NH4

+ NH3 + H+ (pH>7.0)

สมการท 2: (NH4)2CO3 + 2 H+ 2NH4+ + HCO3

- + H+ 2NH4+ + CO2 + H2O

สมการท 1: CO(NH4)2 + 2 H2O (NH4)2CO3

กาซ

กาซกาซ

การสญเสยไนโตรเจนจากดนในรปของกาซ

โดย Ammonia Volatilization

นอกจากป ย Urea แลว ป ยแอมโมเนยมหรอป ยอนๆ ทใหไนโตรเจนออกมาใน

รปของ NH4+ (ammonium หรอ ammonium-producing fertilizers) กเกดการสญเสย

ไนโตรเจนในรปของกาซ NH3 ไดเชนกน ซงการสญเสยไนโตรเจนในกระบวนการ

ammonia volatilization นจะมประมาณ 0-50% ของป ยทใสลงไปในดน ทงนขนอยกบ

ปจจยหลายประการ เชน รปแบบของป ย, วธการใสป ย, คา pH, คา cation exchange

capacity (CEC) และ ระยะการเจรญเตบโตของพช เปนตน

Ammonia (NH3) ทเกดขนหรอใสลงไปในดนในรปของป ยตางๆ นน ถาในดน

ม H+ เพยงพอ NH3 กจะดดซบ H+ กลายเปน NH4+ และกมโอกาสถกดดซบบนผว

คอลลอยดได ทาใหการสญเสยโดยการระเหยนอยลง ผลการทดลองบางงานพบวา

กระบวนการ ammonia volatilization จะเกดตาทสดในดนทม CEC สง ความชนสง

และม pH ตา สวนการสญเสยทมากมายนนจะเกดขนเมอใสป ยไนโตรเจนในดนทราย

ดาง (alkaline sandy soils) โดยไมมการปลกพช 22

การสญเสย NO3- โดยการชะลาง (Nitrate leaching)

การสญเสยธาตอาหารจากดนในรปของ NO3- ไดรบความสนใจ

อยางมากเนองจากทาใหสงแวดลอมโดยเฉพาะแหลงนามการปนเปอนของ

NO3- ทสงมากเกนไปจนทาใหนาไมเหมาะในการนามาบรโภค NO3

- เปน

สารทละลายไดดมากในนาและไมถกดดซบโดย soil colloids ดงนนมนจง

ถกชะลางไปกบนาสชนใตผวดนไดงาย การ leaching ของ NO3- เกดขน

เมอม NO3- ในดนมากเกนไปและไมถกใชโดยพชจงทาใหถกชะลางออก

จากบรเวณรากพชไปกบนาและลงสนาใตดนในทสด ซงเปนสาเหตให

ปนเปอนในนาดมและมปญหาตอสขภาพ ดงนน การใสป ยไนโตรเจนจง

ควรใสในอตราทเหมาะสมในชวงระหวางการปลกพช

23

24

กระบวนการเปลยนรปไนโตรเจนในระบบดน-พช

(N transformation)

การตรงแอมโมเนยม (Ammonium Fixation)

โดยปกตแลว NH4+ จะถกดดซบ (absorb) ไวทผวของคอลลอยด

ดนซงเรยกวาเปน exchangeable NH4+ ซงสามารถแลกเปลยนกบ

cations ตวอนๆ ทอยในสารละลายดนไดอยและเปนประโยชนตอพชได

แตเมอใดท NH4+ ถกดกจบ (trapped) หรอตรง (fixed) ในระหวางชน

(interlayer) ของแรดนเหนยว เรยกกลไกนวา Ammonium fixation ซงจะ

ทาให NH4+ ไมสามารถแลกเปลยนกบ cations ตวอนๆ ในสารละลาย

ดนได และเราเรยกวาเปน non-exchangeable NH4+ ซงไมเปน

ประโยชนตอพช

25

การตรงแอมโมเนยม (ตอ)

โดยทวไปแลวในดน NH4+ สามารถถกตรงไดโดยแรดนเหนยวทม

ชนทยดหยนไดคอประเภท 2:1 clay minerals โดยการแลกเปลยนกบ Ca2+,

Mg2+, Na+ และ H+ แรดนเหนยวทม ammonium fixation สวนใหญคอ

montmorillonite, illite และ vermiculites

กระบวนการท NH4+ ถกดกจบไวในระหวางชนของ clay minerals

คลายกบ K+ ใน Mica การตรง NH4+ อาจจะเกดขนเองเมอดนแหง หรอ เมอ

ดนมอณหภมสงทาใหนาทอยระหวางชนออกมาและ NH4+ เขาไปแทนท

NH4+ จะเปนประโยชนอกครงเมอชนของแรดนเหนยวมการขยายตวตอนทม

ความชนเพมขน

26

ไดอะแกรมของ NH4+ ทเกยวของกบแรดนเหนยวประเภท 2:1

Fixed NH4+ or K+

Exchangeable Ca2+, Mg2+, Na+, H+

Si-O layer

Al-O-OH layer

Exchangeable NH4+ or K+

Soil solution NH4+ or K+

Soil solution Ca2+, Mg2+, Na+, H+

27

sci.waikato.ac.nz/farm/content/n...ing.html

Nitrogen cycle

28

การเปลยนรปไนโตรเจนจากอนทรยเปนไนโตรเจนอนนทรยใน

ดน (Mineralization of Soil Organic Nitrogen)

ไนโตรเจนในอนทรยวตถสวนใหญอยในรปของ amine group ซง N

จะจบกบ C หนงอะตอม และ H สองอะตอมดวย covalent bond ทาให N

ไมสามารถแตกตวออกมาได

อนทรยวตถตองผานการยอยสลายอยางนอยบางสวนจงจะทาให N

เรมเปนประโยชนได ซงกจกรรมของจลนทรยดนจะคอยๆ ยอยสลาย

(decompose) อนทรยวตถ ทาให organic N ถกเปลยนใหเปน inorganic N

ซงเราเรยกกระบวนการนวา Mineralization 29

การปลดปลอยไนโตรเจนจากอนทรยไนโตรเจนในดน (ตอ)

กระบวนการ Mineralization เกดขนโดยปฏกรยาอยางเปนขนตอน 3

ขนตอนดวยกนคอ aminization, ammonification และ nitrification

• ขนตอนท 1 Aminization เปนการยอยสลายสารประกอบอนทรยซบซอน

โดยจลนทรยหลายชนดในกลม heterotrophs ไดแก bacteria, fungi และ

actinomycetes โดยขนตอนสดทายเปนการยอยสลายโปรตนและ

ปลดปลอย N ออกมาในรปของ amines, amino acid และ urea ดงสมการ

ขนตอนท 1 Aminization

Proteins R-C-COOH + R-NH2 + C=O + CO2 + พลงงาน

จลนทรยยอยสลาย H NH2

Amino acid Amines Urea

NH2 NH2H2O

30

การปลดปลอยไนโตรเจนจากอนทรยไนโตรเจนในดน (ตอ)

ขนตอนท 2 Ammonification

• ขนตอนท 2 Ammonification เปนกระบวนการทางชววทยาท organic N เปลยนรป

ไปเปน Ammonia (NH3) หรอ ammonium ions (NH4+) โดยทหลงจากขนตอนท 1

amine และ amino acids ทถกปลดปลอยมาจากกระบวนการ Aminization จะถก

จลนทรยอกกลมหนงยอยสลายตอซงปฏกรยาขนสดทายของกระบวนการนคอการ

hydrolysis ของ amino group ซงจะปลดปลอย N ออกมาในรปของ inorganic

NH4+ จลนทรยทมบทบาทในกระบวนการนมทงประเภท aerobic และ anaerobic

ซงอยในกลมของ bacteria, fungi และ actinomycetes อยางไรกตามในสภาพ

aerobic environments อตราของปฏกรยาจะเกดไดดและเรวกวา

R-NH2 + H2O NH3 + R-OH + พลงงาน

+ H2O NH4+ + OH-

31

การปลดปลอยไนโตรเจนจากอนทรยไนโตรเจนในดน (ตอ)

• ขนตอนท 3 Nitrification เปนชดของกระบวนการ oxidation ทเรมจาก NH4+

และมผลตภณฑสดทายเปน NO3- ดงสมการสรปของกระบวนการดงน

Nitrosomonas Nitrobacter

Nitrification: NH4+ NO2

- NO3-

Nitrification ประกอบดวยกระบวนการ 2 ขนตอน ในขนตอนแรก ammonium (NH4+)

จะถกเปลยนไปเปน nitrite (NO2-) โดยจลนทรยทเรยกวา Nitrosomonas และ ในขนตอน

ท 2 nitrite จะถกเปลยนไปเปน nitrate (NO3-) โดยจลนทรยทเรยกวา Nitrobacter

ขนตอน 1: 2 NH4+ + 3 O2 2 NO2

- + 2 H2O + 4 H+

(-3) (+3) เพม oxidation state ของ N

Nitrosomonas

ขนตอน 2: 2 NO2- + O2 2 NO3

-

(+3) (+5) เพม oxidation state ของ N

Nitrobacter

32

การเกด net mineralization และ net immobilization ของ N

กระบวนการ mineralization และ immobilization เกดขนไป

ดวยกน แตมผลสวนทางกนหรอดาเนนไปในทศทางตรงกนขาม กระบวนการ

mineralization ทาใหอนทรยวตถสลายตว ในขณะทกระบวนการ immobilization

สรางอนทรยวตถ เมอนาปรมาณของผลผลตจากกระบวนการทงสองมาหกลบกน

จะไดผลสทธ ซงอาจเปนผลสทธของ mineralization (net mineralization) หรอผล

สทธของ immobilization (net immobilization)

อตราสวนคารบอนตอไนโตรเจน (C/N ratio) ของสารอนทรยหรอ

อนทรยวตถในดน จะเปนตวชวาจะเกด net mineralization หรอ net

immobilization ได ถาอตราสวน C/N อยในชวงประมาณ 20-30 สารอนทรยนนจะ

ทาใหเกด net mineralization ถาสงกวาน จะทาใหเกด net immobilization เมอเกด

การสลายตวในดน33

กระบวนการเปลยนรปไนโตรเจนอนนทรยใหเปนรป

อนทรย (Nitrogen immobilization)

พชและจลนทรยจะดดใช (absorb) ammonium และ nitrate ions (NH4+

และ NO3-) เพอจะนาไปสรางโปรตนและสารประกอบอนๆ ทม N เปนองคประกอบ

การดดใชหรอเรยกวา absorption เปนสวนหนงของกระบวนการทเรยกวา

assimilation

N immobilization คอการเปลยนรปของ inorganic N (NH4+ และ NO3

-)

ใหเปน organic N ซงคอรปทไมเปนประโยชนตอพช หรออกนยหนงเปนการกกเกบ

ไวในพชและจลนทรย

34

ปรมาณไนโตรเจนและอตราสวน C/N ในวสดอนทรยตางๆ

วสดอนทรย %N C:N เอกสารอางอง

มลไก 2.76 8 ปทมาและสรศกด

ใบถวลสง 2.17 13

มลวว 1.38 19

ใบกระถนณรงค 2.73 22

ใบยคาลปตส 1.63 29

มลหม 0.83 30

หญาทตดจากสนาม 4 12 ปทมา (2524)

กะหลาปล 3.6 12

มะเขอเทศ 3.3 12

หอมใหญ 2.6 15

สาหรายทะเล 1.9 19

ฟางจากขาวโอต 1.03 48

ฟางจากขาวสาล 0.32 128

ขเลอยดบ 0.11 510