Điều tra thành phần loài vi khuẩn lam (cyanobacteria) trong đất trồng ngô huyện diễn châu tỉnh nghệ an

Ở nước ta, các công trình nghiên cứu VKL trong đất trồng đã được tiến hành theo nhiều hướng: điều tra thành phần loài, sự phân bố, đặc điểm sinh lý sinh hoá và lây nhiễm một số chủng VKL

TRƯỜNG ĐẠI HỌC VINH KHOA SINH HỌC

Lấ THỊ CẨM NHUNG

điều tra thành phần loài vi khuẩn lam ( cyanobacteria)

trong đất trồng ngô huyện diễn châu – tỉnh Nghệ An

KHểA LUẬN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC

NGÀNH SƯ PHẠM SINH HỌC

NGHỆ AN - 2012

TRƯỜNG ĐẠI HỌC VINH KHOA SINH HỌC

điều tra thành phần loài vi khuẩn lam ( cyanobacteria)

trong đất trồng ngô huyện diễn châu – tỉnh Nghệ An

KHểA LUẬN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC

NGÀNH SƯ PHẠM SINH HỌC

Giảng viờn hướng dẫn: TS Lờ Thị Thỳy Hà

NGHỆ AN - 5.2012

LỜI CẢM ƠN

Để hoàn thành đề tài này, tôi xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc tới cô giáo

TS Lê Thị Thúy Hà - cán bộ hướng dẫn khoa học, thầy giáo Ths Nguyễn Đức Diện đã hướng dẫn tận tình và tạo mọi điều kiện thuận lợi giúp đỡ tôi trong suốt thời gian nghiên cứu và hoàn thiện khóa luận

Tôi xin chân thành cảm ơn những ý kiến đóng góp quý báu của các thầy giáo, cô giáo trong tổ bộ môn Sinh lý - Sinh hóa Thực vật, sự ủng hộ và

đã tạo mọi điều kiện thuận lợi nhất để tôi hoàn thành khóa luận của các cán bộ phòng thí nghiệm Hóa sinh và sinh lý Thực vật khoa Sinh học - Trường Đại học Vinh

Xin cảm ơn gia đình và bạn bè đã luôn động viên, giúp đỡ tôi trong suốt quá trình thực hiện đề tài

Lần đầu tiên tham gia nghiên cứu khoa học sẽ không tránh khỏi những thiếu sót và hạn chế, tôi rất mong nhận được những ý kiến đóng góp của thầy

cô và bạn bè để đề tài nghiên cứu được hoàn thiện hơn

Xin chân thành cảm ơn!

Nghệ An, tháng 5 năm 2012

Sinh viên

Lê Thị Cẩm Nhung

MỤC LỤC

Trang

MỞ ĐẦU 1

Chương 1 TỔNG QUAN TÀI LIỆU 3

1.1 Vị trí của vi khuẩn lam trong sinh giới và các hệ thống phân loại vi khuẩn Lam 3

1.1.1 Vị trí của vi khuẩn Lam trong hệ thống sinh giới 3

1.1.2 Các hệ thống phân loại vi khuẩn Lam 4

1.2 Tình hình nghiên cứu vi khuẩn lam trong đất trên thế giới và ở Việt Nam 6

1.2.1 Một số dẫn liệu nghiên cứu VKL trong đất trên thế giới 6

1.2.2 Một số dẫn liệu nghiên cứu vi khuẩn Lam trong đất Việt Nam 8

1.2.3 Vai trò của vi khuẩn Lam 9

1.2.4 Đặc điểm phân bố và sinh thái của vi khuẩn Lam trong đất 12

1.2.4.1 Đặc điểm phân bố của vi khuẩn lam trong đất 12

1.2.4.2 Đặc điểm cấu tạo, hình thái VKL 15

1.2.5 Ảnh hưởng của các yếu tố sinh trưởng đến sinh trưởng vi khuẩn lam 20

Chương 2 ĐỐI TƯỢNG VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 22

2.1 Đối tượng, địa điểm và thời gian nghiên cứu 22

2.1.1 Đối tượng nghiên cứu 22

2.1.2 Địa điểm thu mẫu nghiên cứu 22

2.1.3 Thời gian thu và xử lý mẫu 22

2.2 Phương pháp nghiên cứu 22

2.2.1 Phương pháp lấy mẫu đất 22

2.2.2 Phương pháp thu, xử lý mẫu vi khuẩn lam trong đất 23

2.2.3 Định loại vi khuẩn Lam bằng phương pháp hình thái so sánh 24

Chương 3 KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU 25

3.1 Vị trí địa lý, điều kiện tự nhiên huyện Diễn Châu - Nghệ An 25

3.1.1 Vị trí địa lý 25

3.1.2 Điều kiện khí hậu 25

3.1.3 Dân số và lao động 26

3.2 Đa dạng các taxon ngành Vi Khuẩn Lam trong đất trồng ngô ở Diễn Châu - Nghệ An 27

3.2.1 Danh lục vi khuẩn Lam trong đất trồng ngô ở Diễn Châu - Nghệ An 27

3.2.2 Đánh giá tính đa dạng vi khuẩn lam trong đất trồng ngô ở Diễn Châu – Nghệ An 34

3.2.2.1 Đa dạng mức độ bộ 34

3.2.2.2 Đa dạng mức độ họ 34

3.2.2.3 Đa dạng mức độ chi 35

3.2.3 Đa dạng về hình thái 36

3.3 So sánh với một số loại hình đất trồng khác 37

KẾT LUẬN VÀ ĐỀ NGHỊ 39

I Kết luận 39

II Đề nghị 39

TÀI LIỆU THAM KHẢO 40

I Tài liệu tiếng Việt 40

II Tài liệu tiếng nước ngoài 42

DANH MỤC BẢNG BIỂU TRONG ĐỀ TÀI

Trang Bảng 3.1 Danh lục vi khuẩn Lam trong đất trồng ở Diễn Châu - Nghệ An 27 Bảng 3.2 Số lượng taxon đã gặp của ngành vi khuẩn Lam trong đất trồng Ngô của huyện Diễn Châu 34 Bảng 3.3 Phân bố taxon bậc họ đã gặp của ngành vi khuẩn Lam trong đất trồng Ngô của huyện Diễn Châu 35 Bảng 3.4 Phân bố số lượng loài trong các chi của ngành vi khuẩn Lam trong đất trồng Ngô của huyện Diễn Châu 35 Bảng 3.5 Đa dạng hình thái taxon bậc chi và loài vi khuẩn Lam trong đất trồng Ngô của huyện Diễn Châu 37

MỞ ĐẦU

Trong số các cơ thể tự dưỡng được thì Vi khuẩn lam (VKL) được xem là nhóm nguyên thủy nhất Di tích hóa thạch của các VKL dạng sợi phát hiện được cách đây khoảng 3,5 tỷ năm Mặc dù tế bào không có cấu trúc phức tạp so với các vi khuẩn khác nhưng VKL vẫn là đại diện có vai trò quan trọng ở các

hệ sinh thái

VKL là sinh vật tiền nhân (Prokaryota) quang tự dưỡng, có khả năng sử dụng ánh sáng để đồng hoá cacbon và thải oxi Một số VKL có khả năng cố định nitơ phân tử tạo nên nguồn phân bón sinh học cho đất hoang hoá và đất trồng trọt [25] Bên cạnh đó, VKL còn thể hiện vai trò đáng kể trong sự chống xói mòn đất, ngoài bổ sung lượng vật chất hữu cơ cho đất, chúng còn tiết vào môi trường một số chất có tác dụng tốt đối với thực vật Một số loài VKL được dùng làm sinh vật chỉ thị (bioindicator) cho mức độ ô nhiễm môi trường, cũng như khả năng làm sạch sinh học môi trường đất và nước [24] Chính vì thế, VKL đã và đang lôi cuốn sự chú ý của nhiều nhà khoa học ở nhiều nước trên thế giới, đặc biệt trong lĩnh vực Sinh học và Nông học

Việc tìm hiểu đặc điểm nhóm vi sinh vật sống trong môi trường đất, trong

đó có VKL trên quan điểm phát huy và bảo vệ tính đa dạng của chúng trong mối quan hệ với áp lực của môi trường (như tập đoàn cây trồng, phân bón, độ phì nhiều đất) là vấn đề cấp thiết trong chiến lược bảo vệ môi trường đất

Ở nước ta, các công trình nghiên cứu VKL trong đất trồng đã được tiến hành theo nhiều hướng: điều tra thành phần loài, sự phân bố, đặc điểm sinh lý sinh hoá và lây nhiễm một số chủng VKL có khả năng cố định nitơ vào ruộng lúa, chúng tập trung chủ yếu ở miền Bắc và đồng bằng châu thổ sông Mê Kông

Cho đến nay, ở khu vực Nghệ An nói chung và Huyện Diễn Châu nói riêng, chưa có công trình nào nghiên cứu một cách có hệ thống vấn đề trên

Xuất phát từ hướng đi trên, chúng tôi thực hiện đề tài “Điều tra thành phần

loài vi khuẩn lam (Cyanobacteria) trong đất trồng ngô huyện Diễn Châu – tỉnh Nghệ An”

Mục tiêu của đề tài nhằm điều tra thành phần loài VKL trong đất trồng ngô ở huyện Diễn Châu - Nghệ An

Để đạt được mục tiêu trên, nhiệm vụ được đặt ra là:

Xác định thành phần loài VKL và mật độ một số loài VKL trong đất trồng ngô

Chương 1 TỔNG QUAN TÀI LIỆU

1.1 Vị trí của vi khuẩn lam trong sinh giới và các hệ thống phân loại vi khuẩn Lam

1.1.1 Vị trí của vi khuẩn Lam trong hệ thống sinh giới

Phân tích hoá thạch thời tiền Cambri và việc xác định được các sản phẩm phân huỷ trong hoá thạch đã chứng minh về nguồn gốc cổ xưa và mang nhiều đặc điểm nguyên thủy của vi khuẩn lam (VKL), vì vậy một số nhà khoa học

cho rằng chúng bắt nguồn gần gũi với thuỷ tổ sinh vật [21]

Trước đây, VKL được gọi là tảo Lam hay rong Lam, tảo Nhầy (thuộc lớp Myxophyceae), thực vật phân cắt (lớp Schizophyceae) điều này phụ thuộc vào cách đánh giá khác nhau của các tác giả về cấu trúc, đặc điểm và vị trí của chúng trong sinh giới Hiện nay VKL vẫn được hầu hết các nhà tảo học xếp vào ngành tảo Lam (Cyanophyta) của nhóm Tảo [theo 1]

Smith (1955) [theo 1] chia Tảo thành 7 ngành, đó là: Chlorophyta, Euglenophyta, Pyrrophyta, Chrysophyta (gồm các lớp Chrysophyceae, Xanthophyceae, Baccillarophyceae), Phaeophyta, Cyanophyta, Rhodophyta

Với một quan điểm khác, Fritsch (1956) [theo 1] cho rằng Tảo được chia thành 10 lớp; còn Rosowski và Parker (1982) [theo 1] lại chia thành 16 lớp, trong đó có 1 lớp tảo Lam (Cyanophyceae)

Gollerbakh (1977) [theo 1] dựa vào tính chất của chất màu, chất dự trữ, đặc điểm hình thái, cấu trúc vách tế bào, roi, đặc điểm các tế bào sinh sản cũng như sự luân phiên thế hệ (n và 2n) của tảo, ông chia tảo thành 10 ngành, trong

đó có ngành tảo Lam (Cyanophyta)

Van den Hoek et al (1995) [26] chia tảo thành 11 ngành, trong đó tảo

Lam hay VKL (Cyanophyta = Cyanobacteria) là một ngành của tảo và nó thuộc

về giới Prokaryota

Từ các dẫn liệu trên cho thấy, đến nay vẫn chưa có một quan điểm nhất quán về hệ thống phân loại tảo và tuỳ theo từng tác giả mà sự phân chia sắp xếp các taxon của nhóm tảo có khác nhau

Bergey (1974) [theo 1] tách tảo Lam ra khỏi nhóm tảo và xếp chúng thành 1 ngành riêng trong giới Prokaryota, vì cấu trúc độc đáo của tế bào, tập đoàn và sợi cũng như đặc tính sinh học và sự sinh trưởng của chúng Đặc biệt chúng có đặc điểm rất giống với vi khuẩn (Bacteria): không có màng nhân mà chỉ có chất nhân và nhiễm sắc thể, trong vách tế bào cả hai đều có murein Tảo Lam có cấu trúc tế bào vi khuẩn nhưng mang tính sinh lý của tảo và cũng vì thế

mà vị trí của sinh vật này phụ thuộc vào quan điểm của từng tác giả, từng trường phái Hiện nay, theo phân chia sinh giới, tảo Lam được gọi là vi khuẩn Lam (Cyanobacteria), tuy nhiên ở các chuyên khảo về tảo cũng như trong nghiên cứu tảo nước ngọt, tảo biển, tảo đất thì vẫn được coi chúng là một một ngành của nhóm Tảo (Algae) và thuộc về giới thực vật [theo 17]

1.1.2 Các hệ thống phân loại vi khuẩn Lam

Xuất phát từ những quan điểm đã nêu trên, từ trước đến nay đang tồn tại nhiều hệ thống phân loại VKL tuỳ theo mỗi mức độ nghiên cứu Công trình nghiên cứu phân loại VKL đầu tiên đã được Agardhi (1824), Kuetzing (1843) tiến hành, và hệ thống phân loại VKL do Thuret (1875) đặt nền móng, về sau được Kirchner (1900) phát triển thêm Sự sửa đổi và bổ sung hệ thống phân loại của Thuret và Kirchner được bắt đầu thực hiện vào đầu thế kỷ XX và tiếp sau

đó có nhiều công trình phân loại VKL của các nhà tảo học đã khiến cho tri thức

về VKL được tăng tiến rất nhiều [theo 17]

Theo hệ thống của Geitler (1932) [theo 1] tảo Lam có một lớp (Cyanophyceae) gồm 4 bộ: Chroococcales, Dermocarpales, Nostocales và Hormogonales

Gollerbakh (1977) [theo 1] đã phân chia tảo Lam thành 10 bộ, thuộc 3 lớp: Chroococcophyceae, Chamaesiphonophyceae và Hormogoniophycecae

Một quan điểm khác, cho rằng VKL gồm 27 chi của 6 phân nhóm (Subgroup): Chroococcocean, Pleurocapsalean, Oscillatorian, Nostocalean, Rivularean và Stigonematalean (Stanier và Cohen - Bazire, 1977) [theo 1] Cơ

sở của sự phân chia này chủ yếu dựa vào đặc điểm hình thái ở các giai đoạn phát triển cá thể của các chủng VKL trong nuôi trồng như đơn bào hay đa bào,

có tế bào dị hình hay không có tế bào dị hình, sự hình thành và vị trí của tế bào

dị hình, phân nhánh thật hay phân nhánh giả

Rippka và cộng sự (1979) [theo 1] dựa trên các đặc điểm sinh trưởng, kiểu phân chia tế bào, quang dị dưỡng, khả năng tổng hợp nitrogenaza trong điều kiện kị khí hay hiếu khí, sự tồn tại của c- phicocyanin, sống ở môi trường nước ngọt hay nước mặn đã chia VKL thành 5 nhóm gồm 22 chi

Trước đây phương pháp phân loại tảo nói chung và VKL nói riêng chủ yếu vẫn dựa vào đặc điểm của tản, cấu trúc tế bào, đặc điểm sinh sản, hình thái phát triển cá thể, các sản phẩm dự trữ dưới góc độ bản chất hoá học, thành phần chất màu với các phổ khác nhau, các chỉ tiêu sinh lý, sinh hoá Từ nửa cuối thế

kỷ XX trở lại đây, với sự phát triển mạnh mẽ của sinh học phân tử đã mở ra phương pháp nghiên cứu mới cho phân loại tảo và VKL đó là phương pháp phân loại phân tử Phương pháp này đã ứng dụng các kỹ thuật hiện đại của sinh học phân tử và công nghệ gen vào mục đích nghiên cứu đa dạng sinh học, nghiên cứu về mối quan hệ và tiến hoá giữa các loài, xây dựng cây phát sinh chủng loại Mặc dù mới ra đời nhưng nó đã sớm trở thành một phương pháp nghiên cứu rất có hiệu quả Trên cơ sở đó cho phép các nhà phân loại học xác định chính xác loài và xây dựng cây phát sinh chủng loại mang tính tự nhiên cao, đồng thời đã khắc phục được những hạn chế của phương pháp phân loại truyền thống

Ở nước ta, phương pháp phân loại phân tử đã được một số tác giả áp dụng khi nghiên cứu trên các đối tượng khác nhau (Hoàng Phương Hà và cs (2003) [theo 1]; Đặng Diễm Hồng và cs (2002) [theo 1], và thời gian gần đây,

Hồ Sỹ Hạnh, Võ Hành, Dương Đức Tiến và Đặng Diễm Hồng (2005) [theo 1]

sử dụng kỹ thuật RAPD- PCR để phân loại phân tử 5 loài, dưới loài VKL thuộc

chi Calothrix và tiến hành đọc trình tự nucleotit đoạn gen 16S rDNA đối với chi Westiellopsis phân lập được từ đất trồng của tỉnh Đăk Lăk bước đầu thu

nhận được những kết quả khả quan

Tuy vậy cần phải nói rằng, phương pháp phân loại truyền thống luôn vẫn được sử dụng rộng rãi trong các công trình nghiên cứu phân loại VKL của các tác giả trên thế giới và trong nước từ trước tới nay vì nó phù hợp với điều kiện thực tế

1.2 Tình hình nghiên cứu vi khuẩn lam trong đất trên thế giới và ở Việt Nam

1.2.1 Một số dẫn liệu nghiên cứu VKL trong đất trên thế giới

Người đầu tiên đặt nền móng nghiên cứu tảo đất (trong đó có VKL), với nhiều mặt của nó là Bristol-Roach (1920), Bà đã đề ra phương pháp nghiên cứu tảo đất (định tính cũng như định lượng), đánh giá về khả năng tồn tại, sinh trưởng và phát triển của chúng cũng như đưa ra những số liệu đầu tiên về vai trò của tảo trong đất Sau Bristol đã có một loạt các công trình nghiên cứu về các khu hệ tảo đất: Meier (1922), Oplova (1928), Gollerbakh (1934 - 1936), Lund (1940 - 1962), Singh (1961), Watanabe (1959), Fogg (1942, 1951, 1956a, 1962a) [theo 17]; Steward (1972, 1973a, 1975, 1977, 1983) [theo 1] ở nước Anh

Từ những năm đầu của thế kỷ XX, ở Châu Âu, trường phái tảo đất của Liên Xô (cũ) phát triển mạnh mẽ Các công trình tập trung nghiên cứu theo hướng: điều tra thành phần và số lượng tảo trong đất; quy luật phân bố cũng như động thái phát triển của chúng trong các loại đất trồng trọt; đồng thời tìm hiểu mối quan hệ của chúng với các yếu tố của môi trường và vai trò của tảo đất; nghiên cứu sinh lí, sinh hoá, khả năng cố định nitơ của chúng Các hướng

nghiên cứu về tảo đất đều định hướng cho sự phát triển nông nghiệp, nhất là những loài có khả năng bổ sung nguồn đạm cho đất, kích thích sinh trưởng đối với cây trồng [theo 1]

Tại nước Ý, Florenzano đã dành toàn bộ đời mình cho việc nghiên cứu động thái và nuôi trồng tảo đất từ các loại đất khác nhau; tiến hành phân lập tảo thuần khiết; nghiên cứu một số loài tảo có khả năng cố định nitơ khí quyển, đồng thời nuôi trồng để thu sinh khối nhằm sử dụng chúng trong việc cải tạo

(Séc-Slovakia) nghiên cứu về sự nở hoa của đất và đã viết hàng loạt các công trình nghiên cứu về quần lạc (senoz) tảo đất [theo 1]

Ở Châu Á, Nhật Bản và Ấn Độ là các nước đã đạt được nhiều thành tựu

về nghiên cứu VKL trong đất, nhất là trong các lĩnh vực sinh thái, sinh lý, khả

nông nghiệp nhằm tăng năng suất cây trồng

Desikachary (1959) [theo 1] tiến hành nghiên cứu khu hệ VKL ở Ấn Độ trong nhiều năm, kết quả đã xác định được 750 loài thuộc 85 chi, trong đó có

70 loài lần đầu tiên được phát hiện ở nước này (chiếm 22% số loài của khu hệ),

580 loài còn lại thì có 100 loài phân bố toàn cầu (cosmopolitan) và 45 loài phân

bố rộng (chiếm gần 20% khu hệ)

Watanabe (1959) [theo 1] đã tiến hành nghiên cứu nhiều vùng khác nhau của Nam và Đông Á Trong số 851 mẫu đất, đã tìm thấy 46 loài có khả năng cố

định nitơ, chúng thuộc các chi: Tolypothrix, Nostoc, Cylindrospermum, Calothrix,

Anabaena, Plectonema, Anabaenopsis và Schizothrix Theo tác giả VKL có nhiều

ở vùng nhiệt đới và á nhiệt đới như Java, Xumatra, Borneo, Philippin, Malaixia, Đông dương, Thái Lan, Hải Nam, Đài Loan và Hoa Nam nhưng ít thấy ở Nhật Bản, Hoa Bắc, Đông Bắc Trung Quốc, Triều Tiên và Xakhalin

Một số tác giả khác đi sâu nghiên cứu đặc điểm hình thái trong các giai đoạn phát triển cá thể, nhất là các loài VKL dạng sợi phân cực có tế bào dị hình

(Abdul Aziz, 1998) [theo 1], hoặc thăm dò đặc tính chịu nhiệt của VKL ở vùng nhiệt đới (Abed và cs., 2003) [theo 1] và tiến hành phân lập, nuôi trồng chúng (Mc Curdy và cs., 1974) [theo 1]

1.2.2 Một số dẫn liệu nghiên cứu vi khuẩn Lam trong đất Việt Nam

Ở Việt Nam, cho đến nay hầu như chưa có công trình chuyên khảo về tảo đất và VKL trong đất Các công bố về vi tảo phần lớn đều tập trung vào thuỷ vực: nhà tảo học Hortobagyi người Hunggari (1969) [theo 1] khi phân tích mẫu nước ở hồ Hoàn Kiếm (Hà Nội) đã công bố 128 loài và dưới loài trong đó

có 24 loài và dưới loài VKL; tiếp sau đó có nhiều nghiên cứu đa dạng vi tảo (trong đó có VKL) trong các thuỷ vực nước ngọt và nước lợ, có thể kể tới một

số công trình tiêu biểu của các tác giả: Dương Đức Tiến (2004) [20]; Dương Đức Tiến, Vũ Đăng Khoa (1998) [18]; Nguyễn Đình San (1997, 2000) [13], [14]; Lê Thị Thuý Hà (2003) [2]; Hoàng Thị Bích Mai (2005) [10]

Các dẫn liệu về VKL trong đất của Việt Nam lần đầu tiên đã được Cao Ngọc Phương (1964) [theo 1] đề cập khi nghiên cứu VKL sát mặt đất Sài Gòn

và Đà Lạt, tác giả công bố 23 taxon trong đó có 11 chi với 2 chi có tế bào dị hình (heterocyst), 9 chi không có tế bào dị hình, 2 loài và dưới loài mới cho

khoa học: Phormidium vietnamensis và Gloeocapsa punctata var

phamhoangii)

Dương Đức Tiến (1977) [15] đã công bố 13 loài VKL thuộc 6 chi với đặc điểm phân loại và khả năng cố định nitơ của chúng Trần Văn Nhị và cs (1984) [12] đã nâng tổng số VKL cố định nitơ ở Việt Nam lên 40 taxon, gồm

17 chi trong đó 16 chi có tế bào dị hình và 1 chi dạng sợi không có tế bào dị hình

Kết quả điều tra VKL ở đồng bằng châu thổ sông Mê Kông, Phùng Thị Nguyệt Hồng và cs (1992) [theo 1] đã công bố công trình của mình bằng tiếng

Pháp với 94 taxon, trong đó có một loài mới cho khoa học: Tolypothrix

hatienensis, và ba thứ mới: Anabaena variabilis var vietnamensis,

Hapalosiphon parvulus var minor và Hapalosiphon welwitschii var

vietnamensis

Ở khu vực bắc Trung bộ, Đỗ Thị Trường và Võ Hành (1999) [22] đã phát hiện được 45 loài và dưới loài VKL chúng thuộc 16 chi, 6 họ, 2 bộ ở trong đất trồng lúa huyện Hòa Vang, thành phố Đà Nẵng Nghiên cứu tại vùng đất trồng lúa huyện Thạch Hà (Hà Tĩnh), Nguyễn Lê Ái Vĩnh và Võ Hành (2001) [23] công bố 69 loài và dưới loài thuộc 15 chi, 5 họ Trong đó có 3 chi dạng đơn bào, 5 chi dạng sợi có tế bào dị hình, 7 chi có tế bào dị hình

Thời gian gần đây Hồ Sỹ Hạnh, Võ Hành, Dương Đức Tiến, Hồ Công Trực và Lê Nhân Trí (2004, 2005) [3, 4,5, 6] tiến hành điều tra thành phần VKL trong các loại hình đất trồng ở tỉnh Đắk Lắk, đã công bố 62 loài và dưới loài trong đất trồng lúa; 46 loài và dưới loài ở đất trồng bông và 23 loài và dưới loài ở đất trồng cà phê; đồng thời tiến hành phân lập được 9 loài và dưới loài VKL có tế bào dị hình trong đất ở địa bàn nghiên cứu

Tóm lại, VKL được nghiên cứu khá đầy đủ trong các loại hình thủy vực, riêng VKL trong đất chưa được đề cập nhiều, đặc biệt là khu vực Nghệ An Chính vì thế, chúng tôi cho rằng đề tài nghiên cứu này sẽ góp phần thu hẹp dần khoảng trống đó

1.2.3 Vai trò của vi khuẩn Lam

VKL là một trong những “người lính tiên phong” chinh phục môi trường

và tạo nên ở đấy sự sống Bất kỳ nơi nào trên trái đất, ngay trong điều kiện bất lợi nhất cuối cùng rồi cũng sẽ được sinh vật chiếm lĩnh và ở giai đoạn đầu là do

vi khuẩn, VKL, địa y

VKL là sinh vật tiên phong tham gia vào quá trình phong hoá nham thạch để tạo ra mùn bã sơ cấp trên cơ chất khoáng thuần tuý và cũng chính từ

cơ chất này chúng thu nhận các muối khoáng cần thiết để tồn tại, đồng thời tích

tụ các hợp chất hữu cơ, nhờ đó mà các cơ thể sinh vật dị dưỡng bậc thấp phát triển [theo 1] Trong quá trình phát triển chúng tạo thành lớp màng ngăn cản sự

bào mòn đất nhờ đặc tính của chất nhầy do nhiều loài tiết ra Sự có mặt của VKL đã bổ sung chất hữu cơ trong đất, đồng thời cải tạo tính chất lí học và pH của đất; trong phức hệ trao đổi ion canxi đã thay thế cho ion natri; hàm lượng

lân và đạm trong đất được tăng lên, trong vấn đề này các loài thuộc chi Nostoc

và Plectonema đóng vai trò chủ đạo

Vai trò nông học của VKL trực tiếp gắn liền với khả năng cố định nitơ,

+

của một số loài VKL,

và sau đó chúng được sử dụng cho quá trình tổng hợp axit amin và protein Sau khi VKL chết thì sự khoáng hoá và nitrat hoá tiếp theo để bổ sung nguồn đạm cho đất và cung cấp cho thực vật bậc cao Chính vì vậy sự màu mỡ tự nhiên của đất ruộng lúa chính nhờ VKL cố định nitơ [9]

Những nghiên cứu tại Ấn Độ cho biết ở bang Bihar, khả năng cố định nitơ bởi VKL được xác định là 14 kg N/ha và ở tây Bengar, giá trị này có thể đạt tới 15-49 kg N/ha (Venkataraman, 1982) [theo 1] Trên các cánh đồng mía

và ngô, riêng loài Cylindrospermum licheniforme hàng năm cũng có thể cung cấp cho đất 88 kg N/ha Việc lây nhiễm Tolypothrix tenuis có thể cho 20 kg

N/ha Bằng phương pháp thực nghiệm trên đồng ruộng, Roger và Kulasooriya (1980) [theo 1] cho hay khả năng cố định nitơ của VKL trên đất lúa ở Banglades là 10- 30 kg /ha và có thể đạt tới 80 kg/ha/năm

Trên đất lúa Ai Cập việc sử dụng Tolypothrix tenuis trong điều kiện

không bón phân đạm và lân, năng suất lúa tăng 4,2% Còn khi sử dụng

Anabaena oryzae (phân lập từ địa phương) dù bón phân đạm hay không, năng

42,5% (Hamdi, 1986) [theo 1]

Các nhà khoa học ở Ấn Độ đã tiến hành lây nhiễm Aulosira fertilissima

cho giống lúa T9, và nhận thấy có sự tăng năng suất 368% trong thí nghiệm chậu và ở điều kiện đồng ruộng tăng được 114,8% so với đối chứng Nhìn chung sự tăng năng suất lúa từ 10-20% có thể đạt được bằng việc sử dụng

VKLCĐN khi không dùng bất kỳ loại phân bón nào Vai trò đó còn được chứng minh bởi Akhaer và cs (2001, 2002) [theo 1]

VKL là nguồn phân bón sinh học có giá trị, khi sử dụng nó làm tăng hàm lượng oxy hòa tan trong nước, rất có ý nghĩa đối với quá trình hô hấp của rễ thực vật bậc cao (Lakshamanan và cs., 1994) [24] Vai trò này của chúng đã được chứng minh ở nhiều nước khác: Thái lan, Mianma, Philippine, Israel, Liên

Xô (cũ), Hoa Kỳ v.v Hãng công nghệ Cyanotech (Hoa Kỳ) đã giới thiệu một loại phân bón sinh học là hỗn hợp của 8 loài vi tảo, có thể cung cấp 100 kg N/ha/vụ Aziz và Hashem (2004) [theo 1] thử nghiệm nhiễm VKLCĐN cho lúa trên nền đất mặn ở Pakistan cho thấy sinh trưởng của lúa, số nhánh, chiều dài bông, số hạt/bông và trọng lượng 1000 hạt tăng rõ rệt

VKL còn có thể tiết vào môi trường đất các chất có hoạt tính sinh học ảnh hưởng tốt đến sự phát triển của cây trồng Nhiều thí nghiệm tiến hành ngâm hạt lúa với dịch vẩn của VKL đã kích thích sự nảy mầm, sinh trưởng của

rễ, tăng trọng lượng hạt và hàm lượng prôtêin của lúa (Đặng Diễm Hồng và Nguyễn Hữu Thước, 1987; Trần Đăng Kế, 1993; Trần Văn Nhị và Đặng Văn Hạnh, 1994) [theo 1] Tại viện lúa Tasken đã tiến hành gieo các hạt được xử lý dịch vẩn VKLCĐN cho thấy năng suất vượt hơn so với đối chứng là 13,8 tạ/ha Các chất do chúng tiết ra môi trường có thể là hormon, vitamin, axit amin, (Roger và Reynaud (1982) [25]; Dương Đức Tiến (1994) [16] Sự phát triển của VKL có thể làm tăng khả năng giữ nước, độ thoáng khí, cải tạo đất mặn và

đất chua Việc nuôi cấy Anabaena torulosa nhiều lần sẽ làm độ mặn của đất

giảm đi 20-30% (Đoàn Đức Lân, 1996) [theo 1]

Trong điều kiện hiện nay, khi sự ô nhiễm môi trường đang trở thành mối hiểm họa đối với sự sống trên hành tinh của chúng ta thì VKL còn được

sử dụng như một tác nhân hữu hiệu trong biện pháp sinh học để xử lý các nguồn nước thải Chúng góp phần loại trừ các chất độc hại và làm tăng hàm lượng ôxi (Steinman (998) [theo 1]; Đặng Đình Kim và cs (1993) [theo 1]

Ngoài ra VKL còn có vai trò tự làm sạch môi trường nước và thải ra môi trường các chất kháng khuẩn

Những năm gần đây, một số loài VKL được tập trung nghiên cứu, sản

xuất trên quy mô lớn để khai thác giá trị dinh dưỡng và dược liệu Spirulina

platensis với hàm lượng protein rất cao (chiếm tới 60-70% trọng lượng khô),

ngoài ra còn giàu các vitamin, nguyên tố khoáng, các chất có hoạt tính sinh học

và đã được nuôi trồng ở nhiều nước trên thế giới Những nghiên cứu và ứng

dụng Spirulina cũng được tiến hành ở Việt Nam trong hơn hai thập kỷ qua

Trong công nghệ sinh học, VKL còn được chọn là đối tượng để nghiên cứu quá trình chuyển nạp gen (Chauvat và cs., 1988) [theo 1]

Ngoài các vai trò hữu ích đã nêu, một số loài VKL trong quá trình sống chúng tiết ra môi trường những độc tố gây độc cho các sinh vật Khi phát triển mạnh, VKL gây ra hiện tượng “nở hoa nước” ở các thuỷ vực làm ảnh hưởng tới chất lượng nước, do vậy mà ảnh hưởng tới các thuỷ sinh vật cùng sống trong môi trường đó

1.2.4 Đặc điểm phân bố và sinh thái của vi khuẩn Lam trong đất

1.2.4.1 Đặc điểm phân bố của vi khuẩn lam trong đất

Sự phân bố thành phần, số lượng loài cũng như biến động về số lượng tế bào VKL trong đất phụ thuộc vào không gian, thời gian, đặc điểm thổ nhưỡng, phương thức canh tác Khi chúng phát triển mạnh trên mặt đất, phân biệt bởi màu sắc của đất, đó là hiện tượng "khai hoa đất" (đất nở hoa) tạo lớp màng mỏng trên mặt đất và phát triển trên bề mặt, tạo tản nhiều Roger (1985-1987) [theo 16] khi nghiên cứu tảo của 20 loại đất ruộng ở Ấn Độ, Madagasca, Malaysia, Philippines, Thái Lan, Bồ Đào Nha và Senegal đã nhận thấy rằng các quần xã tảo và VKL trong các loại đất lúa rất khác nhau, nhưng tất cả đều thấy

các loài VKL có tế bào dị hình, trong đó Nostoc có mặt trong đa số các loại đất

Shtina và Gollerbakh (1976) [theo 1] cho thấy sự phân bố của tảo đất giảm dần theo độ sâu cả về số loài và số lượng tế bào tảo trên đơn vị diện tích hoặc khối

lượng Mật độ của chúng thay đổi từ 102 - 8 x106 cá thể/cm2 ở cm lớp đầu tiên

Trong các loại đất khác nhau thì sự phân bố các nhóm tảo (trong đó có VKL) cũng khác nhau Ở trong đất bỏ hoang, độ sâu nhất đã phát hiện có tảo

là 2,7 mét (Popova, 1957) [theo 1] Trong đất canh tác có thể gặp tảo ở độ sâu

50 - 60 cm và là những loài đặc trưng cho bề mặt Số lượng tế bào tảo nói

gam đất Về số lượng loài: lớp bề mặt gặp 41 loài và ở độ sâu 25-35 cm là 35 loài

Đặc trưng của các nhóm tảo, sự phát triển về thành phần loài cũng như số lượng tảo được thể hiện rõ: ở đất canh tác VKL phát triển mạnh nhất và đa dạng nhất trong đó bộ Nostocales có vai trò chính, đặc biệt các loài thuộc họ Nostocaceae và Anabaenaceae (Popova, 1957) Perminova (1964) chỉ ra là tỉ lệ

số loài của Nostocales và Oscillatoriales ở đất bỏ hoang là 1:2 hoặc 1:3, còn ở đất canh tác là 3:1; 2:1 hoặc 15:1

Theo Shtina và Gollerbakh (1976) thì đối với đất không được tưới nước, những cánh đồng hoang hoá và những cánh đồng gieo trồng vào mùa xuân với

luống rộng thì VKL gặp một số loài, đặc biệt thuộc các chi Plectonema,

Cylindrospermum, Nostoc Đối với các cánh đồng gieo, trồng cây vào mùa thu,

ngoài các ngành của tảo khác thì VKL luôn luôn có mặt các loài của các chi

Lyngbya, Plectonema và Phormidium Kondratieva (1958) cho rằng đặc điểm

đất và mức độ canh tác của đất có ảnh hưởng lớn đến sự phân bố VKL, vì vậy

quần thể VKL có thể là chỉ thị tốt cho các loại đất và tình trạng đất Các loài

Anabaena cylindrica, Anabaena variabilis, Cylindrospermum licheniforme, Tolypothrix tenuis là những loài phổ biến, gặp thường xuyên, phân bố rộng và có

mặt ở khắp nơi Còn một số loài Scytonema hofmanni, Calothrix brevissima,

Calothrix parietina, Cylindrospermum sphaerica phổ biến, nhưng phạm vi phân

bố hẹp Tình trạng của đất ảnh hưởng đến thành phần VKL trong đất Đất hoang

hoá ít ẩm các loài phổ biến là Fischerella muscicola, Nostoc commune, Nostoc

sphaericum, Tolypothrix tenuis, Scytonema hofmanni; đất hoang hoá ẩm: Nostoc muscorum, Anabaena variabilis, Calothrix brevissima và Calothrix elenkinii,

còn ở đất trồng trọt: Cylindrospermum licheniforme, Cylindrospermum majus,

Cylindrospermum muscicola và Anabaena cylindrica

Khu hệ tảo trong đất trồng lúa đa dạng về thành phần loài, nhóm tảo lục dạng sợi, tảo silíc và VKL phát triển mạnh Đặc biệt VKL cố định đạm có vai trò to lớn trong việc bổ sung nguồn đạm cho đất trồng Roger và Reynaud (1982) [25] khảo sát trên 40 đồng lúa ở Senegal cho biết VKL cùng với tảo lục dạng sợi chiếm ưu thế từ khi lúa đẻ nhánh đến lúc trỗ bông, nhìn chung VKL ít chiếm ưu thế ở đầu thời vụ Những quan sát ở một số đồng lúa Nhật Bản và Ấn

Độ đã nhận thấy sinh khối VKL đạt cực đại ở giữa thời vụ và chiếm ưu thế ở thời gian cuối (Singh (1978) [theo 1]; Roger và Kulosooriya (1980) [theo 1]

Ở Việt Nam, các kết quả điều tra cơ bản về VLK ở ruộng lúa cho thấy, thành phần loài rất phong phú và đa dạng, chúng biến động theo mùa vụ và điều kiện sinh thái Nghiên cứu sự phân bố VKLCĐN trong ruộng lúa, Nguyễn Thị Minh Lan, Lê Khương Thuý (2000) [9] cho biết ở lớp bề mặt có nhiều loài nhất (30 loài), xuống lớp đất dưới số loài càng ít (17 loài) và trong các mẫu nước ruộng số loài ít nhất (10 loài) Trong ruộng nước thường gặp các loài trôi

nổi thuộc các chi Chroococcus, Microcystis, Merismopedia Sống bám trên mặt đất ruộng: Oscillatoria, Phormidium, Lyngbya, Nostoc, Anabaena; trên mặt đất

bờ ruộng và ruộng ven biển có nhiều cát thường có Cylindrospermum Về mật

Lân, 1996) [theo 1]

1.2.4.2 Đặc điểm cấu tạo, hình thái VKL

VKL là sinh vật chưa có nhân chính thức, chưa có sinh sản hữu tính, có thể không có roi Khi nghiên cứu VKL cần có khiến thức về hình thái, tế bào học, sinh lí, sinh thái và sinh hoá Những chỉ tiêu bắt buộc để xem xét đối tượng nghiên cứu có phải là VKL hay không, bao gồm:

- Tế bào không có nhân và thể màu

- Cơ thể không chuyển động

- Màu sắc có thể thay đổi từ đỏ đến xanh lam, do có hai sắc tố chính là Chlorophin và phycrbilin

- Sai khác với Prochlorales là chỉ chứa Chlorophina

 Hình dạng VKL chia làm hai kiểu:

- Tế bào hình cầu, hình elíp rộng, hình quả lê và hình trứng

- Tế bào được kéo dài về một phía, hình elíp kéo dài, hình thoi, hình ống Các tế bào sống riêng rẽ hoặc liên kết lại thành tập đoàn hay hình sợi Màng tế bào VKl khá dày, một số hoá nhầy thành bao chuyên hoá

Hình thái VKL được chia làm 3 dạng: Đơn bào, tập đoàn và đa bào hình sợi Các dạng đơn bào và tập đoàn: Nếu tập đoàn tồn tại trong thời gian dài của sự phát triển gọi là tập đoàn vĩnh viễn, một số hình thành tập đoàn giả vẫn giữ hình dạng cũ

Tế bào đầu ngọn hay gốc của sợi ở một số loài có những đặc điểm phân biệt, ta cần căn cứ và đó để mô tả và đặc điểm này dùng làm tiêu chuẩn phân loại đến loài

Ở một số taxon các trichom không có bao( như ở Oscillaforia) hoặc bao chỉ chứa một trichom( như ở Phomidium, Lymbia) hay trong bao chứa nhiều trichum( các chi trong họ Schizotrichaceae)

Tế bào dị hình hình thành từ tế bào dinh dưỡng bình thường biến đổi cấu trúc

Các sợi VKL có dạng phân nhánh và dạng không phân nhánh( tuỳ loài)

- Phân nhánh thực: Ban đầu từ một tế bào dinh dưỡng nào đó của trichom phân chia theo chiều dài sau đó một trong những tế bào non tạo mấu lồi ở phía bên sau đó tiếp tục phân chia theo hướng đó, nhánh thật được hình thành vuông góc với sợ chính Đôi khi nhánh bị lệch do phân chia chéo hoặc nghiêng của vách ngăn

- Phân nhánh giả: Gồm phân nhánh đôi( trichom trong bao bị đứt đoạn, ở hai đầu đoạn đứt mới hình thành tế bào phân chia rồi chọc thủng bao chui ra ngoài), phân nhánh đơn( đầu kia chui ra khỏi bao còn đầu kia vẫn tiếp tục ở trong bao)

Dạng sợi đơn giản không phân nhánh gồm một dãy tế bào là đặc điểm

của Lyngbya, Anabaena và Nostoc Ở một số chi trichom không có bao (Oscillatoria, Spirulina), số khác có bao nhưng chỉ chứa một trichom (Phormidium, Lyngbya) hoặc có nhiều trichom (Microcoleus, Schizothrix) Tế

bào đầu ngọn hay gốc của sợi ở một số loài có hình dạng khác nhau, đó là một trong những đặc điểm giúp ta phân loại về mặt hình thái Dạng sợi phân nhánh gồm có các kiểu: phân nhánh thực và phân nhánh giả

(a, b: dạng tập đoàn; c-g: dạng sợi không phân nhánh; h-l: dạng sợi có

tế bào dị hình; m: dạng sợi phân nhánh giả; n, o: dạng sợi phân nhánh thật)

Chroococcus Gleocapsa