Nấm hòa tan lântiềm năng ứng dụng cho nông nghiệp bền vững

Đây là bái báo cáo về các nấm hòa tan lân đã được nghiên cứu bới các nha khoa học trên thế giới. Nấm hòa tan lân có tiềm năng ứng dụng rất lớn trong nông nghiệp phân vi sinh hiện nay. Bài báo cáo này viết về các chủng nấm đã đước bón cho các loại cây khác nhau với các kết quả thu được rất khả quan.

TRƯỜNG ĐẠI HỌC CẦN THƠ VIỆN NGHIÊN CỨU VÀ PHÁT TRIỂN

Hruda Ranjan Sahoo và Nibha Gupta

Gs Ts Cao Ngọc Điệp Ngô Thị Hồng Hương

M0515040

Võ Thị Tú Trinh M0515056 Phạm Thị Bảo Trân M0515053

Huỳnh Ngọc Thiên Trang M0515054

Nguyễn Ngọc Thạnh M0515050

Nguyễn Trọng Phước M0515058

Nguyễn Thanh Nhị M0515045

Chế Minh Ngữ M0515044

Cần Thơ, 2016

MỤC LỤC

Nấm hòa tan lân: Tác động đến tăng trưởng và phát triển của cây trồng có giá trị kinh tế cao

Hruda Ranjan Sahoo và Nibha Gupta

Tóm tắt

Lân (phosphorus) là một khoáng chất đa lượng quan trọng cần thiết cho quátrình tăng trưởng và phát triển của cây Nó liên quan đến sự tổng hợp của một loạtcác phân tử cơ bản của tế bào như phospholipid, acid nucleic, nucleotide,vv Vì nó

ít có trong đất, chỉ có một lượng rất nhỏ sẵn có cho cây trồng hấp thu Hơn nữa,phân bón hóa học hòa tan lại nhanh chóng bị cố định trong đất và do đó không cósẵn cho cây trồng hấp thu Vì vậy, Lối canh tác nông nghiệp sinh học hay nôngnghiệp sạch được chọn và phát triển Ở hướng này, lân cung cấp thông qua hệ thốngsinh học, và việc cấy vi sinh vật hòa tan lân, đặc biệt là nấm vào trong đất, là mộtnguồn đáng tin cậy để tăng nguồn lân trong đất Nấm hòa tan lân từ những khu vựcsinh thái khác nhau như các vùng nông nghiệp, khu vực Bắc cực, rừng, rừng ngậpmặn, vùng mỏ, khu vực núi lửa, dưới dạng dạng phân ủ, vv Sau khi cấy, nấm hòatan lân cải thiện sự tăng trưởng của các nhóm thực vật khác nhau như ngũ cốc, cây

họ đậu, cây hạt dầu và cây lấy sợi, cây rau màu, vv Nói chung, việc cấy vi sinh vậtđặc biệt là nấm hòa tan lân thay thế cho phân bón lân tổng hợp có hiệu quả trongviệc thúc đẩy sự phát triển của cây và giảm chi phí, duy trì bản chất tự nhiên và màu

et al 1995) em xét khả năng cố định lân nhanh của các loại đất có chứa canxi (đấtvôi, đất pha vôi) và tăng chi phí phân lân, các nhà khoa học đề nghị thêm lân vàonguyên liệu đất trơ (Ví dụ đá P) sau khi nghiền nó (Antonio và David 1997) Trongthập kỷ qua, một số chiến lược đã được áp dụng để giảm cố định lân thông qua:(I)

sử dụng các loại phân bón có tỷ lệ loại lân cao, (ii) chọn lọc các loại phân bón, (iii)thời gian và phương pháp ứng dụng, (iv) kết hợp với sự bổ sung các loại phân bónkhác, (v) kiểm tra đất, vv (Engelstad và Terman 1980) Tuy nhiên, hiệu quả củaphân lân vẫn còn thấp (từ 5 đến 10% )(Havlin et al 1999) Trong canh tác nônghọc hiện đại, một lượng lớn phân lân tổng hợp được sử dụng, tuy nhiên điều đó ảnh

hưởng xấu đến môi trường (Brady và Weil 1999) Do đó, chính cách tiếp cận quản

lý lân trong nông học là loại bỏ lân thừa trong vùng (đất)/cố định lân và cũng khắcphục sự cố định của phân lân được áp dụng Ở khía cạnh này, việc sử dụng vi sinhvật có khả năng huy động nguồn lân sẵn có thành dạng hòa tan như phân bón sinhhọc là khả thi, đặc biệt trong các hệ thống canh tác nông nghiệp bền vững Do đó,lớn việc phân lập vi sinh hóa tan lân có tầm quan trọng lớn, bao gồm nấm hòa tan P

và nấm họai sinh khoáng P (phospho-fungi), nhờ chúng có khả năng sản xuất sinhkhối lớn, hoạt động trao đổi chất cao và khả năng duy trì sự hòa tan (solubilizing)caotrong thời gian dài Nấm hòa tan lân được phân lập từ các thổ nhưỡng khác nhau(Pandey et al 2008; Morales et al 2011.) Đó cũng là Lý do cho việc sử dụng nấmhòa tan lân là để thay thế một phần cho phân lân tổng hợp trong nông nghiệp

4.2 Cơ sở cho việc hòa tan lân

Đối với thâm canh sản xuất nông nghiệp, sử dụng hiệu quả phân bón để duytrì đất và cây trồng là rất quan trọng Việc áp dụng phân bón tổng hợp trong hơnmột ngàn năm ở nhiều quốc gia vì nó cung cấp chất dinh dưỡng cần thiết cho câytrồng, cải thiện cấu trúc đất, giúp cho khả năng ẩm giữ đất và làm tăng hoạt độngcủa vi sinh vật (Chen et al.2006) Ở những nước đang phát triển như Ấn Độ, áp lựcnông nghiệp đang tăng lên từng ngày Đất canh tác đang bị giảm diện tích đã tạothem áp lực cho nền nông nghiệp Có báo cáo rằng hầu hết các vùng đất nôngnghiệp đang bị mất một hoặc nhiều khoáng chất cần thiết cho sự tăng trưởng vàphát triển của cây trồng (Gyaneshwar et al.2002) Để duy trì sức sống tốt, cây trồngcần cung cấp khoáng chất đầy đủ và thường xuyên Và do đó, các chất dinh dưỡngcho cây trồng dạng các loại phân bón hóa học được áp dụng để bổ sung thêm chocây trồng Giải pháp phân bón hóa học gây nguy hiểm sức khỏe và gây ra các vấn

đề ô nhiễm môi trường, khi áp dụng quá mức trong đất Bên cạnh đó, phân bón hóahọc khá tốn kém Hơn nữa, việc sử dụng phân bón hóa học làm thay đổi cơ cấu,thành phần và chức năng của các vi sinh vật có lợi trong đất (Whitelaw 2000; Reena

et al.2013)

Một trong những vấn đề quan trọng nhất của nông nghiệp nhiệt đới là đấtnghèo lân Nhiều trong số các loại đất vùng nhiệt đới này bị phong hoá và có khảnăng cố định lân cao mà việc quản lý chúng khó khăn hơn Sanchez và Logan(1992) trong một nghiên cứu ước tính rằng 1,018 triệu ha ở vùng nhiệt đới có khảnăng cố định lân cao Ở Mỹ vùng nhiệt đới, có 659 triệu ha bị ảnh hưởng, 210 ởchâu Phi và 199 ở châu Á Thuật ngữ "cố định P" được sử dụng trong chuỗi cácphản ứng phức tạp mà loại bỏ lân hòa tan trong thành dạng rễ không hấp thu đượcvật (Barber 1995) Ngoài ra, lân là một trong những chất dinh dưỡng thiết yếu vàđược phân loại như thành phần dinh dưỡng đa lượng (Bushman et al.2009) Ngượclại, khoảng 98% các loại đất đã cung cấp không đầy đủ lân (Hansan 1996) và do đócây bị ảnh hưởng rất nhiều do thiếu lân Hầu hết các loại đất có chứa trữ lượng lânđáng kể trong tổng lân; một phần lớn lân còn trơ và chỉ <10% lân trong đất bước

vào chu trình thực vật (Kucey và Leggett 1989) Khi lân được thêm như phân bónvào đất, nó nhanh chóng được cố định Do đó, lân là một trong ba chất dinh dưỡngquan trọng thường được bổ sung vào đất trong hoạt động nông nghiệp.

4.3 Cơ chế hòa tan lân

Nhờ có các vi sinh vật quan trọng mà các hợp chất phosphate được huy độngbằng cách sản xuất các axit hữu cơ có phân tử lượng thấp (Goldstein 1995) đi kèmbởi quá trình axit hóa của môi trường Những axit hữu cơ có nguồn gốc sinh học tạo

ra các ion H +, hòa tan phosphate và làm cho nó có sẵn trong đất để cung cấp chocây trồng (Bhattacharya và Jain 2000) Các loại axit hữu cơ được sản xuất bởi visinh vật, tuy nhiên, mỗi loại vi sinh vật tiết ra mỗi loại axit hữu cơ khác nhau Trong

số đó, glucuronic và axit α-ketogluconic là các axit hữu cơ được tiết ra nhiều nhất

để hoàn tan P (Song et al 2009) axit hữu cơ khác như acetic, citric, succinic,propionic, glycolic, oxalic, malonic, fumaric và tartaric axit cũng đã được xác định

có thể hòa tan lân (Ivanova et al 2006).Trong một nghiên cứu của Ryan et al.(2001) báo cáo rằng các anion carboxylic khác nhau có khả năng giảm phóng thíchlân với sự sụt giảm trong các hằng số ổn định của Fe- hoặc Al-hữu cơ axit phức tạptheo thứ tự: citrate> oxalate> malonate / malate> tartrat> lactate> gluconate>acetate> formate Tri- và dicarboxylic acid có hiệu quả hơn so với monocarboxylic

và acid béo thơm cũng đã được tìm thấy đáng kể trong hòa tan P so với phenol,citric và acid fumaric (Mehndi et al 2011) Các axit hữu cơ được sản suất bởi sựaxit hóa PSM của các tế bào vi khuẩn và môi trường xung quanh (Richardson et al.2009) và giải phóng các ion P từ khoáng phosphate bởi H + thay cho Ca2 + thôngqua phản ứng của các quá trình trao đổi chất có hiệu quả trực tiếp trong quá trìnhhòa tan các khoáng P có sẵn trong đất ( Palmer và Schinner 1995) Trong đất, cácaxit hữu cơ tiếp tục làm giảm pH của môi trường xung quanh và có thể hoặc là hoàtan P trực tiếp bằng cách giảm độ pH của đất hoặc là có thể tạo phối tử với ion kimloại nặng như: Ca, Al và Fe và giải phóng P liên quan khỏi chúng (Awasthi et al.2011) Cơ chế của hòa tan P cũng liên quan đến việc hạ thấp pH bởi sự phóngproton / bicarbonate, trao đổi khí, phương thức ức chế cation và bằng cách cạnhtranh P tại các vị trí hấp phụ khác nhau trong đất trong đất (Nahas 1996) Một sốcác axit vô cơ (ví dụ HCl) cũng rất hữu ích trong việc hòa tan P, nhưng chúng cóhiệu quả thấp hơn so với các axit hữu cơ (Kim et al 1997) Có những cơ chế đượccác vi sinh vật sử dụng để hòa tan P vô cơ khác ngoài sự tiết các axit hữu cơ, ví dụnhư sản xuất siderophores (Vassilev et al., 2006) và tiết các hợp chất phenolic vàcác chất humic (Patel et al 2008)

4.4 Các hình thức hóa tan lân

Chủ yếu là hai hình thức lân, cụ thể là, dạng hữu cơ và vô cơ, xuất hiện trongđất và quan trọng cho cây như một nguồn cung cấp lân chủ yếu Hàm lượng lân củahai dạng thay đổi từ loại đất này sang loại đất khác Hầu hết các hợp chất lân vô cơtrong đất thuộc một trong hai nhóm: (i) trong đó canxi là cation kiểm soát chi phối

nhất (calcium phosphate) và (ii) đồng thời sắt và nhôm là những cation kiểm soát(sắt và nhôm phosphat ) Calcium phosphate, bao gồm quặng phosphate (fluorapatite, francolite), không hòa tan trong đất đối với việc giải phóng của P vô cơ(Pi) ở mức độ cần thiết để hỗ trợ sự tăng trưởng đối với thực vật (Goldstein 2000).

Vi sinh vật hòa tan lân tăng dinh dưỡng P của cây thông qua tăng cường khả nănghòa tan calcium phosphate (Vassilev et al., 2006) và độ hòa tan của chúng tăng lêndẫn đến giảm pH của đất Độ hòa tan lân chủ yếu là do ảnh hưởng kết hợp giữa sựgiảm pH và quá trình sản xuất các axit hữu cơ (Khan et al 2010) Các vi sinh vậtthông qua quá trình bài tiết khác nhau giữa các axit hữu cơ và cơ chế giảm pH giúpphân tách các dạng liên kết của P như Ca3(PO4)2 Tuy nhiên, khả năng đệm của môitrường làm giảm hiệu quả của vi sinh hòa tan lân (PSMs) trong giải phóng P từ

Ca3(PO4)2 (Stephen và Jisha 2009) Anion cacboxylic sản xuất bởi PSMS có ái lựccao với canxi và hòa tan lân nhiều hơn quá trình acid hóa đơn thuần (Staunton vàLeprince 1996) Phức hợp các cation là một cơ chế quan trọng trong sự hòa tan lânnếu cấu trúc axit hữu cơ tạo phức (Fox et al 1990) Nó được điều khiển bởi cácđiều kiện dinh dưỡng, sinh lý và tăng trưởng của quá trình sinh sôi của vi sinh vật(Reyes et al 2007), nhưng nó chủ yếu là do sự giảm độ pH của axit hữu cơ hoặc sựsản trong quá trình chuyển hóa của vi sinh vật (Abd-Alla 1994) Sự giải phóngcalcium từ các ảnh hưởng của sự giảm pH và sự tổng hợp axit cacboxylic, nhưnggiải phóng H+ không phải là cơ chế duy nhất (Deubel et al 2005)

4.4.1 Sự hòa tan của phosphate sắt/phosphate nhôm.

Sự hòa tan Fe và Al bởi PSMs xảy ra thông qua việc giải phóng proton đikèm với giảm điện tích âm của các bề mặt hấp thụ để tạo thuận lợi cho hấp phụ ion

P tích điện âm Sự giải phóng proton cũng có thể làm giảm P hấp phụ trên quá trìnhaxit hóa tăng H2PO4- liên quan đến nồng độ HPO42- có ái lực cao trên các bề mặt đất(Whitelaw 2000) Acid cacboxylic chủ yếu là hòa tan Al-P và Fe-P (Khan et al2007; Henri et al 2008) thông qua giải phóng trực tiếp của P khoáng chất như kếtquả của trao đổi anion của PO43- bởi anion acid hoặc bằng sự hút nhau của cả hai

ion kết hợp với phosphate Fe và Al (Omar 1998) Vi khuẩn đất Pseudomonads có

hệ thống hấp thu ion Fe ái lực cao dựa trên sự giai phóng những phân tử chứa sắc(Altomare et al 1999), đã được báo cáo hòa tan liên kết Fe Hơn nữa, các anioncacboxylic thay thế P từ phức hấp phụ bằng cách trao đổi phối tử và Fe và Al gắnvới P, giải phóng P cho sự hấp thu của cây sau khi chuyển đổi Khả năng của các

axit hữu cơ để hút kim loại là rất nhiều trong việc chịu ảnh hưởng bởi cấu trúc phân

tử của nó, đặc biệt là số lượng các nhóm carboxyl và hydroxyl Loại và vị trí củacác ligand (phối tử) ngoài ra độ mạnh axit xác định hiệu quả của nó trong quá trìnhhòa tan (Kpomblekou và Tabatabai 1994)

4.4.2 Sự khoáng hóa của lân hữu cơ

Sự khoáng hóa lân hữu cơ của đất giữ vai trò cần thiết trong chu kỳ lân củamột hệ thống canh tác Lân hữu cơ có thể tạo hiếm 4-90% tổng lân trong đất Khoảng một nửa vi sinh vật và vùng rễ sở hữu tiềm năng khoáng hóa lân, tiến trìnhđược xúc tác bởi enzyme, ví dụ, phosphatase (Tarafdar và Claassen 1988) Enzymephosphatase có mặt trong tất cả các sinh vật nhưng chỉ có vi khuẩn, nấm và một sốloại tảo có khả năng tiết chúng ra bên ngoài tế bào Có hai loại phosphatase khácnhau như phosphatase acid phosphatase kiềm trong đó sử dụng P hữu cơ như mộtchất nền để chuyển đổi nó thành dạng vô cơ (Beech et al 2001) Cơ chế chính choquá trình khoáng của P hữu đất thực sự là sản xuất acid phosphatase (Hilda vàFraga 1999) Acid phosphatase từ rễ hoặc vi khuẩn (Yadav và Tarafdar 2001) hoặcalkaline phosphatase (Tarafdar và Claassen 1988) xúc tác thủy phân P hữu cơ hoặc

phân tách P từ những chất thải hữu cơ Sinh vật đất như Bacillus và Streptomyces

sp đã được ghi nhận khoáng hóa P hữu cơ rất phức tạp bằng cách sản xuất cácenzym ngoại bào và phospholipases (Kannahi và Umaragini 2013) Nhiều nấm hòa

tan lân ví dụ, Aspergillus fumigatus (Yadav và Tarafdar 2003) và Trichoderma

harzianum (Aseri et al 2009), tương ứng sản xuất ra enzyme acid phosphatase và

enzyme kiềm phosphatase enzyme (Yadav và Tarafdar 2003) Ngoài ra, nấm hòa

tan lân, ví dụ, A terreus và P simplicissimum, sản xuất phytase, một loại enzyme

có P hòa tan vô cơ từ các hợp chất hữu cơ P (inositol hexaphosphate) (Yadav vàTarafdar 2007)

Inositol hexaphosphate + water  Inositol + phosphate (xúc tác bởiphytate)

4.5 Nhóm hòa tan lân

được coi là "sinh vật chủ chốt" trong chuyển hóa lân khó tan thành lân hòa tan

(Whitelaw, 2000) A terreus, A flavus, A awamori, A niger, A tubingensis, A.

aculeatus, Penicillium digitatum, P simplicissimum, Eupenicillium parvum, Sclerotium rolfsii, Fusarium và Rhizoctonia là các loại nấm hòa tan các chất vô cơ

Ca-P như Ca3(PO4)2 (Das et al, 2012 Vyas et al, 2007 Reddy et al, 2002), nhưngchúng hòa tan kém Al-P và Fe-P (Illmer vàSchinner, 1995)

4.5.2 Các nấm phân giải lân được phân lập

Bảng 4.1 Danh sách các loài thực vật chịu ảnh hưởng do nấm phân giải lân

Nhóm thực

vật

khảoNgũ cốc Amaranthus

cruentus l Aspergillus niger Số lá, trọng lượngkhô của cây, tổng

hàm lượng p gia tăng

Reena et al (2013)

Bắp và ngô Aspergillus

sp.,penicillium

sp And cephalospor- Ium sp.

Lượng phốt pho được hấp thụ và trọng lượng khô của cây

Kassim and zandinany (2011)

al-Lúa mì P Bilaji,

penicil- lium spp.

Chiều cao cây, số

lá trên cây, sản phẩm vật chất khô, chiều dài lõi,trọng lượng ngũ cốc trên lõi ngô, 1.000 trọng lượnghạt, năng suất hạt

Patil et al (2012)

Lúa mì P Oxalicum Tăng trưởng và

năng suất

Singh et al (2011)

chickpea

Trichoderma harzianum and

a Niger

Chiều dài chồi, chiều dài rễ, trọnglượng khô của lá

và rễ, gia tăng

Yadav et al (2011a)

Đậu đũa Aspergillus sp. Trọng lượng ướt

và khô của chồi,

rễ và vỏ là cao

Manivannan et al.(2012)

Đậu tương A Niger, a

Melleus and Hàm lượng gốc phosphate cho Chakraborty et al.(2010)

A Clavatus thấy sự gia tăngHạt có dầu và

chất xơ Cây hồi hương Psf Năng suất hạt giống cao nhất,

hàm lượng tinh dầu trong hạt

Zand et al (2013)

Đậu phọng A Niger,

P Notatum

Tăng chất khô, năng suất, tỷ lệ protein; dầu N và

p tỷ lệ phần trăm hàm lượng gia tăng

Malviya et al (2011)

Cây rau và

trồng trọt Quả dưa chuột Aspergillus spp Tăng chiều dài chồi, chồi trọng

lượng tươi, bắn trọng lượng khô, chiều dài rễ, rễ trọng lượng tươi, trọng lượng khô

rễ, chiều dài cây trồng, diện tích lá

và hàm lượng chất diệp lục lá

Islam et al (2014)

Rau diếp P Albidum Tăng trong tổng

trọng lượng Morales et al (2011)

Cà chua A Awamori,

trichoderma viride

Cải thiện năng

Cà chua A Niger Tăng năng suất và

hàm lượng chất khô

Anwer and khan (2013)

Cây rừng Cây tre Am fungi and a.

Tubingensis P gia tăng trong các mô chồi Giridhar babu

And reddy (2010)Dalbergia

sissoo P.chrysogenum and aspergillus

sp.

Sản phẩm sinh khối tối đa Dash et al (2013)

4.5.3 Những nấm hòa tan lân tiêu biểu

Bảng 4.2 Nấm phân giải lân thu hồi từ các nguồn khác nhau

Nấm p-solubilizing Môi trường sống Tài liệu tham khảo

Rễ mía và củ cải đường, đất nông nghiệp; đất mặn

Đất dãy himalayaĐất nông nghiệpĐất mặn

Đất dãy himalaya; đất mặn

Chất thải trấu arecanut; đất mặnĐất mặn

Đất núi lửaĐất núi lửaĐất nông nghiệpĐất đồi; rễ cây mía; đất vùng rễ

Đất núi lửaĐất đồi

Đất nông nghiệp; các đồn điền cà phê

Đất đồiRừng ngập mặnRhizosphere đất và rễ

Đất đồi

Rễ mía và củ cải đường; đất bom mìn

Đất nông nghiệpĐất núi lửa; đất đồi

Rễ mía và củ cải đườngĐất đồi

singh et al (2012)Das et al (2012); gomashe

et al (2012); priya et al (2013)

Mahamuni et al (2012); priya et al (2013); singh etal.(2012)

Rinu et al (2013)Chakraborty et al (2010)Singh et al (2012)

Rinu et al (2013); singh et

al (2012)Naveenkumar et al (2012);singhet al (2012)

Singh et al (2012)Morales et al (2011)Naik et al (2013)Sharma et al (2010, 2011);yadav et al (2011a, b)Morales et al (2011)Sharma et al (2010, 2011)

Scervino et al (2010); posada et al (2013)

Sharma (2011)Kanimozhi and panneerselvam (2010)Malviya et al (2011)

Sharma et al (2010)Mahamuni et al (2012); singh et al (2011)

Scervino et al (2010)Morales et al (2011); sharma et al (2010, 2011)Mahamuni et al (2012)Sharma et al (2010, 2011)

4.5.3.1 Penicilium

Trong số các nấm hòa tan lân, Penicillium radicum, được phân lập từ rễ lúa

mì, có khả năng hòa tan lân khi nuôi trong môi trường lỏng chứa hoặc ammoniumhoặc nitrat là nguồn đạm duy nhất Lân không tan hoặc ít tan (1.000 mg P/l) đượcthêm vào như cancium monohydrogen phosphate (CaHPO4 ), canciumorthophosphate (CA3(PO4)2), tinh thể ferric phosphate (FePO4 · 4H2O), tinh thể