Khóa luận nghiên cứu đặc điểm sinh học của một số chủng vi khuẩn quang hợp tía có khả năng cố định nitơ phân tử

Khoá luận tốt nghiệp LỜI MỞ ĐẦU Ngày nay, biết ô nhiễm môi trường trở thành vấn đề xúc quốc gia Sự gia tăng dân số phát triển sản xuất kéo theo tích tụ ngày nhiều loại chất thải lòng đất, thủy vực tù đọng Hiện nay, toàn cầu phải đối mặt với biến đổi khí hậu, nước nhiệt đới phải chịu ảnh hưởng nặng nề Liên hợp quốc kêu gọi Quốc gia cần phải có biện pháp cấp bách để giảm thiểu tối đa yếu tố gây ảnh hưởng đến mơi trường, khí hậu Trong sản xuất Nông nghiệp ngày nay, việc lạm dụng hóa chất phân bón hóa học, thuốc trừ sâu… gây ảnh hưởng xấu đến môi trường làm nghèo đất, làm ành hưởng tới quần thể vi sinh vật đất làm cân sinh thái Do đó, người ta khuyến cáo nên dùng phân bón hữu phân bón vi sinh sản xuất nông nghiệp nhằm mang lại bền vững sinh thái Theo hướng nghiên cứu này, nhiều nhà khoa học sử dụng nhóm vi sinh vật có ích đất, đặc biệt nhóm có khả cố định nitơ phân tử để sản xuất chế phẩm sinh học sử dụng nơng nghiệp Trong số nhóm vi sinh vật có khả cố định nitơ phân tử, người ta trọng đến nhóm vi khuẩn quang hợp tía chúng có khả sử dụng nhiều hợp chất tự nhiên làm nguồn Carbon cho sinh trưởng nên dễ dàng sản xuất sinh khối chúng Mặt khác, tận dụng nguồn nước thải nông nghiệp làm môi trường nuôi để giảm thiểu ô nhiễm mơi trường, sinh khối sau xử lý sử dụng làm phân bón vi sinh cố định nitơ Ở Việt Nam, hướng nghiên cứu ý, trước người ta thường sử dụng vi khuẩn lam, vi khuẩn nốt sần để tạo chế phẩm phân bón vi sinh chưa đề cập đến nhóm vi khuẩn tía quang hợp (VKTQH) Do đó, chọn đề tài “Nghiên cứu đặc điểm sinh học số chủng vi khuẩn quang hợp tía có khả cố định Nitơ phân tử ” Trương Thị Trang Lớp: K13-0605 Khoá luận tốt nghiệp Đề tài nghiên cứu theo hai nội dung chính: • Tuyển chọn số chủng vi khuẩn quang hợp có khả cố định nitơ phân tử phân lập Việt Nam • Nghiên cứu số đặc điểm sinh học chủng lựa chọn Trương Thị Trang Lớp: K13-0605 Khoá luận tốt nghiệp CHƯƠNG I TỔNG QUAN TÀI LIỆU Trương Thị Trang Lớp: K13-0605 Khoá luận tốt nghiệp I.1 Chu trình Nitơ tự nhiên: Chu trình N chu trình khơng khí kho dự trữ đồng thời van bảo hiểm hệ thống Giữa chu trình khơng khí có trao đổi thường xuyên: N phân tử chuyển thành N liên kết qua trình cố định N sinh học, tác dụng điện cố định quang học Phản nitrate trình ngược lại Nguồn nitơ để tổng hợp amino acid protein lấy từ đất nước dạng nitrate Cơ thể thực vật động vật ăn chúng dùng amino acid từ protein thực vật để tổng hợp nên amino acid, protein, nucleic acid hợp chất nitơ khác riêng Những vi khuẩn hoại sinh biến đổi hợp chất nitơ thành amoniac động vật thực vật chết Các động vật thải nhiều loại chất thải chứa ure, acid uric, creatinin amoniac Các vi khuẩn phân hủy biến đổi acid uric ure thành amoniac Những amoniac biến đổi vi khuẩn nitrite sang nitrite tiếp tục biến đổi thành nitrate nhờ vi khuẩn nitrate Một số amoniac biến đổi sang nitơ khơng khí thành phần vi khuẩn khử nitrate Nitơ khơng khí đến lượt biến đổi sang amino acid hợp chất nitơ hữu khác số vi khuẩn lam, vi khuẩn quang hợp vi khuẩn đất Một số loài vi khuẩn khác thuộc giống Rhizobium tự khơng cố định nitơ khơng khí, lại có khả làm việc nhờ hợp tác với tế bào rễ họ đậu hay vài loại rau củ khác Vi khuẩn xâm nhập vào rễ kích thích họ đậu hình thành nốt sần rễ Sự hợp tác tế bào họ đậu tế bào vi khuẩn để có khả cố định đạm q trình khơng thể thực Vì vậy, họ đậu thường trồng để phục hồi độ phì nhiêu đất sau lồi khác trồng nhiều vụ Nitơ khí cố định nhờ lượng điện sấm sét tự nhiên Mặc dù, nitơ chiếm 4/5 khí khí quyển, có vài loại thực vật có khả dùng nitơ Trương Thị Trang Lớp: K13-0605 Khoá luận tốt nghiệp phân tử Khi thể vi khuẩn cố định nitơ chết, amino acid đồng hóa thành amoniac sau biến đổi sang nitrite nitrate nhờ vi khuẩn nitrite nitrate hóa Hình Chu trình N tự nhiên I.2 Quá trình cố định Nitơ I.2.1 Quá trình cố định nitơ tự nhiên: Sự sống vạn vật trái đất có nhu cầu hợp chất nitơ để tạo hợp chất protein axit nucleic Trong khơng khí, nitơ phân tử chiếm 79% số loài vi sinh vật sử dụng nitơ dạng Nitơ phân tử chuyển thành hợp chất nitơ vô khác hình thức: cố định khơng khí, tổng hợp thành hợp chất nitơ nhờ phương pháp hóa học điều kiện nhiệt độ áp suất khơng khí cao (nhiệt độ khoảng 500oC, áp suất khơng khí khoảng 200atm) thơng qua q trình cố định nitơ sinh học Quá trình cố định nitơ sinh học thực chủ yếu nhờ số loài vi khuẩn Để tiến hành q trình cố định nitơ sinh học địi hỏi vi sinh vật phải có phức hợp enzyme tham gia nhu cầu sử dụng ATP tương đối lớn Trương Thị Trang Lớp: K13-0605 Khoá luận tốt nghiệp I.2.2 Các nhóm vi sinh vật có khả cố định N2 I.2.2.1 Vi khuẩn nốt sần: - Vi khuẩn nốt sần: thuộc loại hiếu khí khơng tạo bào tử đồng hóa nhiều nguồn cacbon khác nhau, pH thích hợp: 6,5-9,5, nhiệt độ phát triển thích hợp: 24-26oC Phân loại vi khuẩn nốt sần có nhiều ý kiến chưa thống nhất: + Theo Todorovic chia vi khuẩn nốt sần loài: Rhizibiomonas leguminosarum Rhizobacterum leguminosrum + Theo Bergli chi Rhizobium bao gồm loài vi khuẩn nốt sần: R.leguminosarum, R.phaseoli, R.Trifolii, R.lupini, R.sapnicum, R.meliloti - Cơ chế tạo thành nốt sần: Vi khuẩn nốt sần xâm nhập vào rễ họ đậu thông qua lông hút thông qua vết thương Một số họ đậu tiết xung quanh rễ chất có tác dụng kích thích vi khuẩn tương ứng với phát triển mạnh (để nhiễm vào thực vật, vi khuẩn phải đạt mật độ tế bào 104/gam đất Vi khuẩn sau tiếp xúc với lông hút thực vật, tạo thành dãy xâm nhập dần vào bên rễ xâm nhập vào nhu mơ kích thích tế bào thực vật bị phân chia nhanh chóng thành tế bào Vi khuẩn vào tế bào chất phân chia chuyển thành thể giả khuẩn Giả khuẩn không phân chia phát triển mạnh tăng nhiều ribosom, nốt sần xuất Nốt sần thích hợp điều kiện: Độ ẩm đất: 60 - 70%; Độ thống khí: nhiều tốt, điều cho thấy rễ sâu lượng nốt sần kém; pH thích hợp từ 4,6-8,0; Phân đạm thường ức chế tạo thành nốt sần; Phân lân, kali có tác dụng tích cực; Phân canxi, magiê muối khác có tác dụng tốt đến trình tạo thành nốt sần; Chất dinh dưỡng cacbon Trương Thị Trang Lớp: K13-0605 Khoá luận tốt nghiệp nước đường, rơm, rạ làm tăng khả xâm nhập khả cố định nitơ, ngược lại vi sinh vật có khả sinh kháng sinh gây ức chế vi khuẩn Rhizobium I.2.2.2 Vi khuẩn hiếu khí sống tự thuộc chi Azotobacter Beiferinckia - Azotobacter: chủ yếu có lồi: + Azotobacter chroocuccum: kích thước 3,1x2,0µ cịn non có khả di động, già có sắc tố màu nâu đến màu đỏ, khơng khuyếch tán vào mơi trường + Azotobacter beijerincki: kích thước 3,1x2,0µ khơng di động, già có sắc tố màu vàng đến màu nâu sáng, không khuyếch tán vào mơi trường + Azotobacter vinelandi: kích thước 3,4x1,5µ có khả di động, sắc tố màu vàng lục đến huỳnh quang, khuyếch tán vào mơi trường + Azotobacter agilis: kích thước 3,3x2,8µ có khả di động, sắc tố màu lục, huỳnh quang, khuyếch tán vào môi trường Azotobacter làm tăng cường nguồn thức ăn cung cấp cho trồng, kích thích khả tăng trưởng, nâng cao tỷ lệ nảy mầm độ phát triển mầm tiết môi trường thiamin, acid nicotinic, acid pantotenic, acid piridoxin, biotin,… có khả tiết số chất chống nấm - Beiferinckia: lồi hiếu khí, cố định nitơ giống Azotobacter có khả chịu chua cao Gồm có nhóm: + B.indica: kích thước tế bào 0,5-1,5 x 1,7-3,0µ có khả di động khơng di động, già có sắc tố màu đỏ đến màu nâu, có tốc độ cố định nitơ nhanh + B.fluminensis: kích thước tế bào 1,1-1,5 x 3,0-3,5µ có khả di động, sắc tố màu nâu tối, tốc độ cố định nitơ chậm Trương Thị Trang Lớp: K13-0605 Khố luận tốt nghiệp + B.derxii: kích thước tế bào 1,5-2,0 x 3,5-4,5µ khơng di động, sắc tố màu lục huỳnh quang I.2.2.3 Vi khuẩn kỵ khí sống tự thuộc Clostridium: Loài nghiên cứu nhiều Clostridium pasteriaum, ngồi cịn có lồi Clostridium khác C.butylicum, C Bacterinkin, C ceticum, Kích thước tế bào 2,5-7,5 x 0,7-1,3µ riêng rẽ xếp đơi thành chuỗi ngắn Có khả di động cịn non, có khả tạo bào tử, bào tử có kích thước lớn tế bào nằm đầu tế bào I.2.2.4 Vi khuẩn lam sống tự vi khuẩn lam cộng sinh bèo hoa dâu: Hiện phát nhiều loài vi khuẩn lam sống tự đất nước có khả cố định nitơ Có số lồi sống cộng sinh với thực vật, đáng ý vi khuẩn cộng sinh bèo hoa dâu (vi khuẩn có tên Anabaena azollae) Đa số loài vi khuẩn lam phát triển tốt mơi trường trung tính kiềm, hiếu khí, thích hợp nhiệt độ 2830oC, cần khí CO2 I.2.3 Cơ chế trình cố định nitơ phân tử: Quá trình cố định nitơ phân tử theo hướng bản: đường khử đường oxy hoá Con đường khử theo chuỗi biến hoá: N2 → HN=NH → H2N-NH2 → NH3 → NH4OH Con đường oxy hoá: N2 → N2O → (HNO)2 → NH4OH Trương Thị Trang Lớp: K13-0605 Khoá luận tốt nghiệp Quá trình cố định nitơ phân tử bị ức chế có mặt oxy nên hiệu suất cố định nitơ phân tử vi sinh vật kỵ khí thường cao vi sinh vật hiếu khí I.3 Khả cố định nitơ phân tử vi khuẩn tía quang hợp I.3.1 Giới thiệu vi khuẩn tía quang hợp: Vi khuẩn quang hợp tía (VKTQH) sinh vật chưa có nhân thật (prokaryote) thuộc nhóm proteobacteria Trong q trình quang hợp, chúng không sử dụng nước làm nguồn cho điện tử đối tượng quang dưỡng khác mà sử dụng hợp chất khác từ bên lưu huỳnh hợp chất lưu huỳnh, phân tử hydro (H 2) hợp chất hữu đơn giản, khơng thải oxy Nhóm VKTQH có khả sinh trưởng điều kiện kỵ khí theo kiểu quang dị dưỡng với nguồn chất hữu khác sinh trưởng theo kiểu quang tự dưỡng CO2 với phân tử hydro làm chất cho điện tử Ở điều kiện hiếu khí vi hiếu khí, tối, nhiều lồi sinh trưởng hóa dị dưỡng vài lồi sinh trưởng hóa tự dưỡng Một số loài nhạy cảm với oxy, số khác sinh trưởng tốt điều kiện hiếu khí, tối với áp suất oxy khí VKTQH có kiểu trao đổi chất linh hoạt, phụ thuộc vào điều kiện môi trường sống nên chúng phân bố tự nhiên rộng rãi Có thể tìm thấy chúng điều kiện môi trường sống khắc nghiệt Nam Cực hay suối nước nóng, suối lưu huỳnh Sự điều hịa q trình trao đổi chất để tạo lượng VKTQH điều khiển ánh sáng, oxy chất cho điện tử I.3.1.1 Đặc điểm hình thái tế bào VKTQH Trương Thị Trang Lớp: K13-0605 Khoá luận tốt nghiệp Vi khuẩn tía quang hợp tế bào gram âm, đơn bào có dạng cầu, xoắn, gậy phẩy Có thể gặp chúng trạng thái chuỗi điều kiện mơi trường đặc biệt Kích thước tế bào thường từ 0,3 – 6µm Đa số lồi sinh sản nhân đơi, số lồi có tế bào dinh dưỡng dạng phân cực thường sinh sản cách nảy chồi ( đặc trưng chi Rhodopseudomonas ) Khi sinh trưởng điều kiện quang hợp, dịch huyền phù tế bào thường có màu tía, đỏ, nâu vàng, nâu Sự khác màu sắc khả hấp thụ ánh sáng bước sóng khác Phổ hấp thụ dịch tế bào nguyên số đại diện thể hình [20] Trương Thị Trang 10 Lớp: K13-0605 ...Khoá luận tốt nghiệp Đề tài nghiên cứu theo hai nội dung chính: • Tuyển chọn số chủng vi khuẩn quang hợp có khả cố định nitơ phân tử phân lập Vi? ??t Nam • Nghiên cứu số đặc điểm sinh học chủng. .. luận tốt nghiệp Q trình cố định nitơ phân tử bị ức chế có mặt oxy nên hiệu suất cố định nitơ phân tử vi sinh vật kỵ khí thường cao vi sinh vật hiếu khí I.3 Khả cố định nitơ phân tử vi khuẩn tía. .. thơng qua q trình cố định nitơ sinh học Quá trình cố định nitơ sinh học thực chủ yếu nhờ số lồi vi khuẩn Để tiến hành q trình cố định nitơ sinh học đòi hỏi vi sinh vật phải có phức hợp enzyme tham