35
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
