Nitơ trong khí quyển: khí lười chiếm 78% và nuôi cả sinh quyển

Nitơ chiếm khoảng 78% không khí khô, là khí nhiều nhất trong khí quyển Trái Đất. Phân tử N₂ có liên kết ba cực bền, nên gần như không phản ứng ở điều kiện thường, vì thế được gọi vui là khí "lười". Nhưng mọi sinh vật đều cần nitơ để tạo protein và ADN; muốn dùng được, nitơ phải được "cố định" thành dạng hoạt động qua sét, vi khuẩn, hoặc từ đầu thế kỷ 20, qua nhà máy phân đạm theo quy trình Haber–Bosch.

Vì sao nitơ lại nhiều đến thế

Khí quyển nguyên thuỷ của Trái Đất được cho là hình thành phần lớn từ khí thoát ra qua núi lửa và từ vật chất hình thành hành tinh, trong đó có nitơ, CO₂, hơi nước. Hơi nước ngưng tụ thành đại dương. CO₂ hoà vào nước biển rồi bị khoá vào đá vôi qua hàng trăm triệu năm. Nitơ thì không tan nhiều trong nước, không dễ tạo khoáng, không bị tia Mặt Trời bẻ gãy dễ dàng, cũng đủ nặng để không thoát ra vũ trụ. Kết quả là nó cứ tích lại, trở thành thành phần chính.

Nitơ trong khí quyển có "thời gian lưu" rất dài, theo ước tính vào cỡ hàng chục triệu năm, trước khi được cố định và chôn vào đất đá. Nói cách khác, nitơ trong hơi thở của ta đã ở trong không khí từ rất lâu trước khi có loài người.

So với các hành tinh lân cận, điều này khá đặc biệt. Sao Kim và sao Hoả có khí quyển gần như toàn CO₂, nitơ chỉ chiếm vài phần trăm. Trong hệ Mặt Trời, ngoài Trái Đất chỉ có Titan, mặt trăng lớn nhất của sao Thổ, có khí quyển chủ yếu là nitơ.

Liên kết ba: lý do nitơ "lười"

Hai nguyên tử nitơ trong phân tử N₂ nối với nhau bằng ba cặp electron dùng chung. Năng lượng cần để bẻ gãy liên kết này khoảng 945 kJ/mol, thuộc nhóm liên kết hoá học mạnh nhất trong các phân tử hai nguyên tử. So sánh: liên kết đôi trong O₂ chỉ cần khoảng 498 kJ/mol.

Vì vậy nitơ đóng vai trò "chất pha loãng" trong không khí. Nó làm giảm tốc độ cháy: nếu không khí là oxy nguyên chất, mọi thứ cháy dữ dội hơn rất nhiều. Ngành công nghiệp tận dụng tính trơ của nitơ để bơm vào bao bì đồ ăn vặt, giữ cho dầu mỡ không bị oxy hoá, hoặc để bơm lốp và phủ thùng chứa nhiên liệu.

Ba con đường cố định nitơ

"Cố định nitơ" là biến N₂ thành các hợp chất sinh vật dùng được, như amoniac (NH₃) hay nitrat (NO₃⁻). Có ba con đường chính:

Enzym nitrogenase làm được ở nhiệt độ thường điều mà nhà máy phải dùng vài trăm độ C và hàng trăm atm. Nhưng nó rất nhạy với oxy, nên vi khuẩn cố định đạm phải có cách bảo vệ, ví dụ nốt sần ở rễ đậu có một loại protein giữ oxy (leghemoglobin) khiến nốt sần có màu hồng khi cắt ra. Người nông dân trồng xen cây họ đậu, hoặc thả bèo hoa dâu (Azolla, cộng sinh với vi khuẩn lam) trên ruộng lúa, là đang tận dụng con đường thứ hai.

Haber–Bosch: phát minh làm thay đổi khí quyển và bữa ăn

Đầu thế kỷ 20, thế giới lo thiếu phân đạm. Nguồn chính lúc đó là phân chim (guano) và mỏ diêm tiêu ở Chile, đều có hạn. Năm 1909, nhà hoá học Đức Fritz Haber chứng minh có thể tổng hợp amoniac trực tiếp từ nitơ không khí và hydro trong phòng thí nghiệm. Carl Bosch, kỹ sư của hãng BASF, đưa quy trình lên quy mô công nghiệp; nhà máy lớn đầu tiên hoạt động ở Oppau năm 1913. Haber nhận giải Nobel Hoá học năm 1918, Bosch nhận năm 1931 (cùng Friedrich Bergius) cho các phương pháp hoá học áp suất cao.

Ngày nay, quy trình Haber–Bosch sản xuất hàng trăm triệu tấn amoniac mỗi năm, phần lớn để làm phân bón. Theo các ước tính được trích dẫn rộng rãi (như của Vaclav Smil và nhóm Erisman, công bố trên Nature Geoscience năm 2008), lương thực nhờ phân đạm tổng hợp nuôi khoảng gần một nửa dân số thế giới. Quy trình này cũng tiêu tốn khoảng 1–2% năng lượng toàn cầu, chủ yếu từ khí thiên nhiên dùng để tạo hydro.

Câu chuyện Haber cũng có mặt tối: ông là người dẫn đầu chương trình vũ khí hoá học của Đức trong Thế chiến I. Lịch sử khoa học thường nhắc ông như một ví dụ về việc cùng một tài năng có thể phục vụ những mục đích rất khác nhau.

Chu trình nitơ khép lại thế nào

Nitơ sau khi được cố định đi qua nhiều dạng trong đất, nước và sinh vật:

1. Cố định: N₂ thành amoniac/amoni.
2. Nitrat hoá: vi khuẩn trong đất biến amoni thành nitrit rồi nitrat, dạng rễ cây hấp thụ dễ.
3. Đồng hoá: cây dùng nitrat, amoni để tạo protein; động vật ăn cây.
4. Khoáng hoá: xác sinh vật, phân bị phân huỷ, nitơ trở lại dạng amoni.
5. Khử nitrat: trong đất, bùn thiếu oxy, vi khuẩn biến nitrat trở lại thành N₂ (và một phần N₂O), trả về khí quyển.

Bước cuối khép vòng. Nếu không có vi khuẩn khử nitrat, nitơ khí quyển sẽ dần bị rút cạn vào đất và biển qua thời gian địa chất.

Khi nitơ hoạt động quá nhiều

Con người đã gần như nhân đôi lượng nitơ hoạt động đi vào chu trình trên đất liền so với thời tiền công nghiệp. Phần dư không ở yên một chỗ:

• N₂O: một phần phân đạm thoát ra dưới dạng nitơ oxit, khí nhà kính mạnh và chất phá ozone.
• NOx từ đốt nhiên liệu: động cơ, nhà máy nhiệt điện đốt ở nhiệt độ cao vô tình "cố định" nitơ không khí thành NO, NO₂. Đây là nguyên liệu tạo ozone mặt đất, bụi mịn thứ cấp và mưa axit.
• Amoniac từ chăn nuôi, phân bón: bay vào không khí, kết hợp với các khí khác tạo hạt bụi mịn.
• Phú dưỡng: nitrat theo nước xuống sông, hồ, biển, làm tảo nở hoa, gây thiếu oxy ở vùng nước ven bờ.

Góc nhìn hôm nay

Bón phân đạm đúng lượng, đúng lúc, chia nhiều lần, kết hợp cây họ đậu và phân hữu cơ là những cách nông học đã biết để giảm thất thoát nitơ. Các khuyến cáo cụ thể cho từng loại cây ở Việt Nam do cơ quan khuyến nông địa phương hướng dẫn.

Muốn đọc kỹ hơn về lịch sử Haber–Bosch, cuốn Enriching the Earth (2001) của Vaclav Smil là tài liệu kinh điển. Ở góc thí nghiệm đơn giản, nhổ một cây đậu phộng hay đậu xanh, rửa rễ, sẽ thấy những nốt sần nhỏ — nơi vi khuẩn đang làm việc mà nhà máy cần nhiệt độ và áp suất rất cao mới làm được.