Tuyển chọn định hướng các nhóm vi sinh vật đất có khả năng chống chịu với nồng độ muối cao và chuyển phèn gây độc với thực vật để sử dụng trong các vùng đất canh tác bị tác động bởi biến đổi khí hậu pptx

TUYỂN CHỌN ĐỊNH HƯỚNG CÁC NHÓM VI SINH VẬT ĐẤT CÓ KHẢ NĂNG CHỐNG CHỊU VỚI NỒNG ĐỘ MUỐI CAO VÀ CHUYỂN PHÈN GÂY ĐỘC VỚI THỰC VẬT ĐỂ SỬ DỤNG TRONG CÁC VÙNG ĐẤT CANH TÁC BỊ TÁC ĐỘNG BỞI BIẾN ĐỔI KHÍ HẬU Đoàn Kim Hạnh 1 , Nguyễn Viết Hiệp 1 , Đặng Thương Thảo 1 . Summary Orient selection of soil microorganism groups that having ability to alleviate salt stress (up to 6%) and convert sulfidic materials for use in agriculture production areas which will be affected by climate changes This study was carried out to deal with subjunctive effects of climate change on the Mekong River Delta (MRD) and the Southeast of MRD in the future when almost agriculture production area will be flooded with sea water and formed sulfidic materials. Base on soil microorganism population adapting to unfavourable environment changes. From 2006 to 2007, 114 soil samples were collected from 2 soil groups (saline soils and acid sulphate soils) of 6 provinces in the Mekong River Delta (MRD) and the Southeast of MRD to isolate microorganism strains. 28 AMF strains, 36 bacteria strains, 11 actinomyces strains, 8 yeast strairs, 11 mold strains that having ability to alleviate salt stress (up to 6%) and convert sulfidic materials (>35%) were selected. The sulfidic materials converting and salt - alleviating property of these isolates can be applied for dealing with effects of climate change Keywords: Acid sulphate soils, climate change, microorganisms, saline soils, sea level rise, sulfidic materials. I. ĐẶT VẤN ĐỀ Hội nghị thượng đỉnh toàn cầu về phát triển bền vững tại Johannesburg (Cộng hòa Nam Phi) năm 2002 đã nhận định rằng những hậu quả của biến đổi khí hậu toàn cầu trực tiếp tác động đến sự sinh tồn của loài người, cụ thể đến tài nguyên nước, năng lượng, sức khỏe con người, nông nghiệp và an ninh lương thực và đa dạng sinh học. Đứng thứ 5 về khả năng dễ tổn thương do tác động của biến đổi khí hậu, Việt Nam đã được Liên hiệp quốc chọn là quốc gia để tiến hành nghiên cứu điển hình về biến đổi khí hậu và phát triển con người. Theo đó, sinh kế của người Việt đang bị đe dọa nghiêm trọng bởi những thay đổi khí hậu toàn cầu. Quá trình xâm nhập mặn và thay đổi lưu lượng chảy của hệ thống sông Cửu Long sẽ làm thay đổi thành phần cơ giới, độ phì của đất, tăng diện tích đất bị nhiễm phèn, ảnh hưởng trực tiếp đến năng suất và sản lượng cây trồng. Trước khi con người kịp đưa ra các biện pháp ứng phó với biến đổi khí hậu, đã và đang có một quá trình tiến hóa mới của sinh vật nhằm tự thích nghi và điều chỉnh với quá trình này. Sự tiến hóa, thích nghi này mở màn cho những thay đổi có tính chất quyết định đến khả năng sinh tồn của mọi sinh vật về sau. 1 Viện Thổ nhưỡng Nông hóa. Một số loài vi sinh vật đất sống trong vùng rễ thực vật ở các khu vực đất mặn thông qua quá trình tự biến đổi gen đã nâng cao tính chống chịu mặn của mình, tự làm cho chúng tồn tại, sinh trưởng và phát triển được trong điều kiện môi trường sống có những thay đổi bất lợi (như gia tăng nồng độ muối trong đất, ). Fe 2+ có trong đất phèn hoạt động đã được chứng minh là có tính gây độc với thực vật. Cây trồng muốn tồn tại trong đất phèn hoạt động thì hoặc là hệ rễ phải tiết ra các phức chất hoặc quần thể vi sinh vật hội sinh trong vùng rễ phải hoạt động đủ mạnh để chuyển F 2+ thành dạng Fe 3+ không độc với cây. Khi quần thể vi sinh vật trong đất có khả năng chuyển hóa F 2+ thành Fe 3+ hoạt động mạnh sẽ làm tăng mức độ sống sót của thực vật sống trên đất phèn hoạt động. Tận dụng tính chất “đi trước” thích nghi của thế giới sống (đặc biệt là vi sinh vật đất) để xây dựng các biện pháp khác nhau để đối phó và thích ứng với hệ quả của biến đổi khí hậu là điều tất yếu hiện nay. II. VẬT LIỆU VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 1. Vật liệu Các mẫu đất thuộc nhóm đất mặn và đất phèn khu vực Đông Nam bộ cũng như đồng bằng sông Cửu Long. 2. Phương pháp Lấy mẫu đất: Mẫu đất được lấy theo chỉ dẫn của FAO (1967) và Richard Bardgett, Michael Usher, David Hopkins (2005). Phân lập chủng Bằng phương pháp Koch trên đĩa Petri có chứa môi trường tương ứng. Phân lập vi khuNn s dng 2 môi trưng: Thch dinh dưng và Molongoski - Klug. Phân lp x khuNn s dng môi trưng Kuster - William. Phân lp nm men s dng môi trưng Czapek - Dox - propionat. Phân lp nm mc s dng môi trưng Czapek - Dox (Atlas M. Ronald, 2005). Riêng phân lp bào t nm r cng sinh: K thut sàng ưt và ly tâm trong thang nng  Sucarose 50% (Brundrett Mark và cng s, 1996). Kỹ thuật tuyển chọn: ánh giá mc  chng chu nng  mui bng k thut th nghim nng  liên tip ca Pepper I. L. và Gerba C. P. (2005). Xác nh kh năng chuyn nguyên liu sinh phèn gây c theo hưng dn ca Donahue L. R., Miller W. R. và Shickluna C. J. (1998); King M. G. và Garey A. M. (1999); Wang T và Peverly H. J. (1999). III. KT QU VÀ THO LUN 1. Lấy mẫu T năm 2006, nhóm  tài ã tin hành ly tng cng 114 mu t thuc 2 nhóm t là nhóm t mn và nhóm t phèn trên a bàn 6 tnh khu vc ông N am b cùng vi ng bng sông Cu Long là: Thành ph H Chí Minh, Bà Ra - Vũng Tu, Trà Vinh, Bc Liêu, Sóc Trăng và Long An. Các v trí ly mu là nhng v trí ang tin hành canh tác nông nghip, không nm trong din quy hoch phát trin công nghip - dch v - du lch, ưc xác nh s b nh hưng khi nưc bin dâng trong thi gian ti (hoc là b nhim mn thêm hoc là chuyn sang trng thái phèn hot ng). Các mu t sau khi ly ưc bo qun  4 - 5 0 C và vn chuyn ngay v phòng thí nghim B môn Vi sinh vt, Vin Th nhưng N ông hóa  tin hành phân tích. 2. Phân lập Trên môi trưng thch dinh dưng và Molongoski - Klug ã phân lp ưc tng s 377 chng vi khuNn trong ó có 256 chng vi khuNn phân lp t t mn, 121 chng phân lp ưc t t phèn. Có 144 chng x khuNn phân lp ưc trên môi trưng Kuster - William. Trong s này 95 chng phân lp t t mn và 49 chng phân lp t t phèn. S dng môi trưng Czapek - Dox - propionat ã phân lp ưc 202 chng nm men (151 chng t t mn và 51 chng t t phèn). 243 chng nm mc (203 chng t t mn và 40 chng t t phèn) phân lp ưc trên môi trưng Czapek - Dox. Bng k thut sàng ưt và ly tâm trong thang nng  Sucarose 50% ã tách ưc 127 chng nm r ni cng sinh (AMF) trong s ó 85 chng là t mu t mn và 42 chng là t mu t phèn. Các chng sau khi phân lp ưc làm sch và to dòng thun (vi vi khuNn, x khuNn, nm men, nm mc bng cách pha loãng và cy gt liên tip trên ĩa petri có cha môi trưng tương ng vi khi phân lp, riêng nm r ni sinh bng cách cho ny mm bng k thut màng kép sau ó lây nhim ch ng vào r cây ký ch tương ng). N hng chng này ưc s dng như là ngun vt liu cho công tác tuyn chn nh hưng v sau. Bảng 1. Số chủng vi sinh vật phân lập được ban đầu trên các nguồn mẫu đất khác nhau Stt Nhóm vi sinh vật Nguồn mẫu đất Tổng số Đất mặn Đất phèn 1 Vi khuẩn (chủng) 256 121 377 2 Xạ khuẩn (chủng) 95 49 144 3 Nấm men (chủng) 151 51 202 4 Nấm mốc (chủng) 203 40 243 5 Nấm rễ (chủng) 85 42 127 Tổng số (chủng) 790 303 1093 Ảnh 1. Khun lạc vi khun (ảnh trái) và nấm men (ảnh phải) phân lập từ đất mặn Ảnh 2. Bào tử nấm rễ nội cộng sinh (AMF) phân lập từ đất mặn (ảnh trái) và đất phèn (ảnh phải) 3. Tuyển chọn Theo kịch bản biến đổi khí hậu, các khu vực đất mặn ở Đông Nam bộ sẽ có nguy cơ bị mặn hóa cao hơn so với hiện nay, khu vực đất phèn tiềm tàng ở đồng bằng sông Cửu Long sẽ chuyển thành phèn hoạt động vì vậy hướng chọn lọc ở đây là chọn lọc theo định hướng. Các chủng phân lập từ đất mặn sẽ chọn lọc theo hướng chịu mặn cao, các chủng phân lập từ đất phèn chọn lọc theo hướng chuyển phèn gây độc (từ Fe 2+ thành Fe 3+ ). Tuyển chọn theo hướng chịu mặn: Kết quả tuyển chọn theo hướng chống chịu mặn (bảng 02) cho thấy: Mức chống chịu của vi sinh vật tỷ lệ nghịch với nồng độ muối tan có trong đất. Điều này là hoàn toàn hợp lý vì ở một mức nồng độ nào đấy trong môi trường sống các cation (như Na + ) và anion (Cl - ) đóng vai trò như nhân tố kìm hãm sự phát triển của vi sinh vật (Tortora J. Gerard và cộng sự, 2002). Ở nồng độ muối cao, đa số các chủng vi sinh vật thử nghiệm đều không biểu hiện khả năng chống chịu tuy nhiên một số chủng vẫn tồn tại và phát triển được. Khả năng tồn tại ở nồng độ muối cao của các chủng này được quyết định nhờ sự phát triển mạnh mẽ các “bơm” proton chủ động phân bố dày đặc trên bề mặt màng sinh chất của chính tế bào đó hoặc khả năng sinh và tiết các chất trao đổi bậc 1, bậc 2 vào môi trường sống (Bruce Alberts, 2004). Với nồng độ muối tan trong đất cao nhất ở dãy thử nghiệm là 6,4%, có 15 chủng vi khuNn, 9 chng x khuNn, 6 chng nm men, 7 chng nm r có kh năng chng chu ưc.  mc nng  mui tan trong t là 3,2% (nng  mà theo d oán ca Bernard P. K. Yerima và E. Van Ranst năm 2005 có khong 30% din tích t các nưc khu vc ven bin b xâm mn n ngưng như vy) có 17 chng vi khuNn, 13 chng x khuNn, 13 chng nm men, 18 chng nm mc và 24 chng nm r có biu hin kh năng chng chu tt. N u tính v t l % các chng vi sinh vt tham gia tuyn chn v tính chng chu nng  mui d dàng nhn thy kh năng chng chi ca các chng nm r và x khuNn là tương i tt. Chính bn cht mi quan h cng sinh c bit gia nm r và thc vt quyt nh tính cht chng chu cao ca chúng trong các iu kin môi trưng bt li (Brundrett Mark và cng s, 1996). Mc  tn thương t bào ca nm men và vi khuNn cao hơn rt nhiu. Bảng 2. Khả năng chống chịu nồng độ muối trong đất của các chủng vi sinh vật phân lập trên nhóm đất mặn STT Nhóm vi sinh vật Nồng độ NaCl trong đất (%) 0,05 0,1 0,2 0,4 0,8 1,6 3,2 6,4 1 Vi khuẩn (chủng) 212 134 81 77 43 26 17 15 2 Xạ khuẩn (chủng) 75 44 36 29 22 17 13 9 3 Nấm men (chủng) 127 92 76 49 34 22 13 6 4 Nấm mốc (chủng) 177 95 86 49 37 26 18 7 5 Nấm rễ (chủng) 77 68 59 49 38 30 24 20 Tuyển chọn theo hướng chuyển đổi nguyên liệu sinh phèn gây độc cho thực vật: Nghiên cứu về điều kiện hình thành phèn người ta nhận thấy trong phạm vi 10.000 năm trở lại đây, sau sự kiện dâng lên của nước biển (biển tiến) lớn nhất gần đây. Khi mực nước biển dâng lên và làm ngập đất, sulfat trong nước biển trộn lẫn với các trầm tích đất chứa các ô-xít sắt và các chất hữu cơ. Trong các điều kiện hiếm khí này, các vi khuNn ưa phân hy các cht vô cơ như Thiobacillus ferrooxidans to ra các sulfua st (ch yu là dng pyrit). Ti mt thi im nht nh, nhit  m hơn là iu kin thích hp hơn cho các vi khuNn này, to ra mt tim năng ln hơn cho s hình thành ca các sulfua st (Brock D. T. và cng s, 1984). Các môi trưng ngp nưc vùng nhit i, chng hn các khu rng ưc hay các khu vc ca sông, có th cha hàm lưng pyrit cao hơn so vi các môi trưng tương t nhưng  vùng ôn i. Pyrit là n nh cho ti khi nó b l ra ngoài không khí, t thi im này thì pyrit b ôxi hóa và sinh ra axít sulfuric. N hư vy phèn tim tàng chuyn thành phèn hot ng.  chuyn i nguyên liu sinh phèn gây c cho thc vt có nhiu cách khác nhau, mt trong s ó là s dng iu kin ôxi hóa kh  chuyn Fe 2+ thành Fe 3+ không c vi sinh vt, c bit là thc vt. ánh giá hiu qu chuyn i Fe 2+ thành Fe 3+ là hưng chn lc th 2 ca  tài. Kt qu chn lc theo hưng này (bng 3) cho thy: Trong tng s 303 chng vi sinh vt (vi khuNn, x khuNn, nm men, nm mc, nm r) kim tra ch có 21 chng vi khuNn, 2 chng x khuNn, 2 chng nm men, 4 chng nm mc và 8 chng nm r biu hiu kh năng chuyn nguyên liu sinh phèn gây c cho thc vt >35% (lưng Fe 2+ b chuyn thành Fe 3+ >35% sau 9 ngày  mu). N hóm vi khuNn là nhóm chim ưu th cao trong s các chng kim tra có kh năng chuyn c tính nguyên liu sinh phèn cao (>35%). iu này nói lên tính thích ng cao ca chúng trong hot ng sinh phèn cũng như c ch hình thành nguyên liu phèn gây c (Bernard P. K. Yerima, E. Van Ranst, 2005). Tortora J. Gerard và cng s (2002) thì cho rng 90% các hot ng liên quan n quá trình sinh phèn và chuyn nguyên liu sinh phèn gây c là do vi khuNn và x khuNn quyt nh. N hóm sinh vt nhân tht như nm mc, nm men và nm r ít có vai trò quyt nh mà ch óng nhân t ph tr thúc Ny quá trình sinh hoc kìm hãm phèn xy ra. N gưi ta bit rt rõ rng nhóm vi khuNn kh Fe 3+ thành Fe 2+ hot ng mnh trong iu kin vi hiu khí n ym khí, nhit  cao, t b ngp nưc (Begg C và cng s, 1994; Bernard P. K. Yerima, E. Van Ranst, 2005). X khuNn, nm mc, nm men và nm r thưng hot ng mnh trong iu kin t vi hiu khí n hiu khí (Paul Alvin Elldor và cng s), chính vì vy s lưng chng biu hin hot tính chuyn nguyên liu phèn cao  các nhóm này là ít. Mc dù là nhóm yêu cu ôxy trong iu kin sinh trưng và phát trin nhưng các chng nm r vn biu hin kh năng chuyn nguyên liu sinh phèn cao (nm r có 8 chng trong khi ó x khuNn, nm men ch có 2 chng, nm mc ch có 4 chng) iu này có th là do h qu mi quan h cng sinh gia nm r và thc vt ch (Donahue L. R., Miller W. R. và Shickluna C. J., 1983). Mt s chng vi sinh vt kim tra không biu hin kh năng chuyn nguyên liu phèn (không biu hin hot tính) ví d như  vi khuNn có ti 77/121 chng kim tra không có hot tính. iu này liên quan n hot ng trao i cht ca chúng vi các chu trình lưu huỳnh cũng như st trong t nhiên (Richard Bardgett, Michael Usher, David Hopkins, 2005). Hay nói cách khác vi sinh vt có kh năng kh Fe +3 rt a dng, nhưng ch yu vn thuc v h Geobacteraceae (ví d in hình là Geobacter metallireducen, G. sulfurreducens) ngoài ra mt s loài thuc Shewanella, Ferrimonas, Aeromonas, Proteobacteria, Geothrix, Geovibrio và Ferribacter cũng có kh năng này. Bên cnh kh năng kh Fe 3+ , mt s trong s loài thuc nhóm này còn có kh năng kh Mn 2+ (Lovley, 2006). N ghiên cu ca Gareth M. Evans và Judith C. Furlong (2003) cho thy, thông thưng mc  chuyn nguyên liu phèn trong t khu vc nhit i dao ng trong khong 5 - 20% sau t 5 - 10 ngày . Mun ng dng nhng chng vi sinh vt có hot tính kiu tương ương như th này trong công ngh sinh hc áp dng  ci to t òi hi hot lc ca chúng phi >35%. N hng sinh vt chuyn gen phi t ưc mc ý nghĩa >45%. N hư vy nu căn c theo nhng nh hưng tiêu chuNn ca Gareth M. Evans và Judith C. Furlong (2003) chúng ta có th có 37 chng vi sinh vt ng dng trong ci to t phèn. Bảng 3. Mức độ chuyển nguyên liệu sinh phèn (FeS 2 ) của các chủng tuyển chọn sau 9 ngày ủ mẫu STT Nhóm vi sinh vật Khả năng chuyển nguyên liệu sinh phèn Không có hoạt tính Hoạt tính < 35% > 35% 1 Vi khuẩn (chủng) 77 23 21 2 Xạ khuẩn (chủng) 40 7 2 3 Nấm men (chủng) 35 14 2 4 Nấm mốc (chủng) 26 10 4 5 Nấm rễ (chủng) 34 0 8 T¹p chÝ khoa häc vµ c«ng nghÖ n«ng nghiÖp ViÖt Nam 7 IV. KẾT LUẬN VÀ Đ N GHN 1. Kết luận 1 T 114 mu t thuc 2 nhóm t là nhóm t mn và nhóm t phèn trên a bàn 6 tnh khu vc ông N am b cùng vi ng bng sông Cu Long ã phân lp ưc 377 chng vi khuNn, 144 chng x khuNn, 202 chng nm men, 243 chng nm mc và 127 chng nm r làm ngun nguyên liu cho quá trình chn lc chng. 2. Trên cơ s các chng phân lp ưc, chn lc theo hưng chu mn ã xác nh ưc 15 chng vi khuNn, 9 chng x khuNn, 6 chng nm men, 7 chng nm mc, 20 chng nm r có kh năng chng chu ưc nng  mui tan trong t là 6,4%. Tuyn chn theo hưng chuyn nguyên liu sinh phèn gây c vi thc vt ã tìm ưc 21 chng vi khuNn, 2 chng x khuNn, 2 chng nm men, 4 chng nm mc và 8 chng nm r có kh năng chuyn i nguyên liu sinh phèn gây c cho thc vt > 35%. 2. Đề nghị - Xác nh mc  an toàn sinh hc ca các chng tuyn chn ưc (an toàn cho ngưi, ng vt và thc vt) theo quy nh ca FAO và WHO. - Th nghim ng rung  ánh giá úng hiu qu chn lc và xác nh các gii pháp nhm nâng cao kh năng hot ng ca các nhóm vi sinh vt này trong iu kin ng rung (iu kin môi trưng ngoài phòng thí nghim). TÀI LIU THAM KHO 1 Atlas M. Ronald, 2005. Handbook of Media for Environmental Microbiology. CRC Press. Taylor & Francis Group. 2 Begg C et al., 1994. Root - Induced Iron Oxidation and pH Changes in the Lowland Rice Rhizosphere. New Phytologist, Vol. 128, No. 3, pp. 469 - 477. 3 Bernard P. K. Yerima, E. Van Ranst, 2005. Introduction to Soil Science: Soils of the Tropics. Trafford Publishing. 4 Brock D. T., et al, 1984. Biology of microorganisms. PHI. 5 Bruce Alberts, 2004. Mulecular Biology of the Cells. Taylor & Francis Group 6 Brundrett Mark et al, 1996. Working with Mycorrhiza in Forestry and Agriculture. Canberra, Australia, pp 141 - 252. 7 Donahue L. R., Miller W. R., and Shickluna C. J., 1983. Soil: An introduction to soils and plant growth. PHI. 8 FAO, 1967. A practical manual of siol microbiology laboratory methods. Rome. 9 Gareth M. Evans, Judith C. Furlong, 2003. Environmental Biotechnology: Theory and Application. John Wiley & Sons Ltd, West Sussex, England. T¹p chÝ khoa häc vµ c«ng nghÖ n«ng nghiÖp ViÖt Nam 8 10 King M. G., and Garey A. M., 1999. Ferric iron reduction by bacteria associated with the roots of freshwater and marine macrophytes. Applied and Enviroment Microbiology. Vol. 65, No. 10, Oct. 1999, pp. 4393 - 4398. 11 Lovley R. Derek, 2006. Environmental Microbe - Metal Interactions. ASM Press, Washington, D.C. 2000. Lu Yahai et al - Structure and activity of bacterial community inhabiting rice roots and the rhizosphere. Environmental Microbiology, Volume 8, Issue 8/2006, pp. 1351. 12 Okalebo R. J., et al., 1993. Laboratory methods of soil and plant analysis: A working manual. TSBF Program. Kenya 1993. gười phản biện: Hồ Quang Đức . TUYỂN CHỌN ĐỊNH HƯỚNG CÁC NHÓM VI SINH VẬT ĐẤT CÓ KHẢ NĂNG CHỐNG CHỊU VỚI NỒNG ĐỘ MUỐI CAO VÀ CHUYỂN PHÈN GÂY ĐỘC VỚI THỰC VẬT ĐỂ SỬ DỤNG TRONG CÁC. men và vi khuNn cao hơn rt nhiu. Bảng 2. Khả năng chống chịu nồng độ muối trong đất của các chủng vi sinh vật phân lập trên nhóm đất mặn STT Nhóm vi