Điều tra thành phần loài vi khuẩn lam (cyanobacteria) trong đất trồng lúa huyện hưng nguyên 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

TRƯỜNG ĐẠI HỌC VINH

KHOA SINH HỌC

KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP

NGÀNH SƯ PHẠM SINH HỌC

Giảng viên hướng dẫn: TS Lê Thị Thúy Hà

Sinh viên thực hiện: Đỗ Thị Thùy Linh

NGHỆ AN - 5.2012

đã tạo mọi điều kiện thuận lợi nhất cho tôi hoàn thành khóa luận của các cán

bộ phòng thí nghiệm Hóa sinh - Sinh lý Thực vật, 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

Đỗ Thị Thùy Linh

MỤC LỤC

Trang

MỞ ĐẦU 1

Chương 1 TỔNG QUAN TÀI LIỆU 3

1.1 Tình hình nghiên cứu vi khuẩn Lam trong đất trên thế giới và ở Việt Nam 3

1.1.1 Một số dẫn liệu nghiên cứu vi khuẩn Lam trong đất trên thế giới 3

1.1.2 Một số dẫn liệu nghiên cứu vi khuẩn Lam trong đất Việt Nam 5

1.2 Vai trò của vi khuẩn Lam 7

1.2.1 Vị trí của vi khuẩn lam trong hệ thống sinh giới và các hệ thống phân loại Vi khuẩn lam 7

1.2.1.1 Vị trí của vi khuẩn Lam trong hệ thống sinh giới 7

1.2.1.2 Các hệ thống phân loại vi khuẩn Lam 8

1.2.2 Vai trò của vi khuẩn Lam 10

1.3 Đặc điểm phân bố và sinh thái của vi khuẩn Lam trong đất 13

1.3.1 Đặc điểm phân bố của vi khuẩn Lam trong đất 13

1.3.2 Đặc điểm sinh thái của vi khuẩn Lam trong đất 15

1.4 Ảnh hưởng của các yếu tố sinh thái đến sự sinh trưởng vi khuẩn Lam 17

Chương 2 ĐỐI TƯỢNG VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 19

2.1 Đối tượng, địa điểm và thời gian nghiên cứu 19

2.1.1 Đối tượng nghiên cứu 19

2.1.2 Địa điểm thu mẫu nghiên cứu 19

2.1.3 Thời gian thu và xử lý mẫu 19

2.2 Phương pháp nghiên cứu 19

2.2.1 Phương pháp lấy mẫu đất 19

2.2.2 Phương pháp thu, xử lý mẫu vi khuẩn lam trong đất 19

2.2.3 Định loại vi khuẩn Lam bằng phương pháp hình thái so sánh 21

Chương 3 KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU 22

3.1 Vị trí địa lý, điều kiện tự nhiên huyện Hưng Nguyên - Nghệ An 22

3.1.1 Vị trí địa lý 22

3.1.2 Điều kiện khí hậu 22

3.1.3 Dân số và lao động 23

3.2 Đa dạng các taxon ngành vi khuẩn Lam trong đất trồng lúa ở Hưng Nguyên - Nghệ An 24

3.2.1 Danh lục vi khuẩn Lam trong đất trồng lúa ở Hưng Nguyên - Nghệ An 24

ở Hưng Nguyên – Nghệ An 24

3.2.2 Cấu trúc thành phần loài 27

3.2.3 Đánh giá tính đa dạng vi khuẩn lam trên đất trồng lúa huyện Hưng Nguyên – Nghệ An ở mức độ họ và chi 34

3.2.3.1 Đa dạng các taxon mức độ họ 34

3.2.3.2 Đa dạng loài trong các chi của ngành vi khuẩn Lam 35

3.2.4 Đa dạng về hình thái 36

KẾT LUẬN VÀ ĐỀ NGHỊ 37

1 Kết luận 37

2 Đề nghị 37

TÀI LIỆU THAM KHẢO 38

DANH MỤC BẢNG

Bảng 3.1 Danh lục vi khuẩn Lam trong đất trồng lúa 24

ở Hưng Nguyên – Nghệ An 24 Bảng 3.2 Số lượng taxon bậc bộ, họ, chi và loài đã gặp của ngành vi khuẩn Lam trong đất trồng lúa của huyện Hưng Nguyên 33 Bảng 3.3 Phân bố các taxon VKL ở mức độ họ trên đất trồng lúa 34 huyện Hưng Nguyên – Nghệ An 34 Bảng 3.4 Phân bố các loài vi khuẩn Lam trong các chi đã gặp trong đất trồng lúa huyện Hưng Nguyên – Nghệ An 35 Bảng 3.5 Đa dạng về hình thái vi khuẩn Lam trong đất trồng lúa 36

ở huyện Hưng Nguyên – Nghệ An 36

MỞ ĐẦU

Vi khuẩn lam (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 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 [2] 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 [2]

Cho đến nay, ở khu vực Nghệ An nói chung và Huyện Hưng Nguyên 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 lúa huyện Hưng Nguyên - tỉnh Nghệ An”

Mục tiêu của đề tài nhằm điều tra thành phần loài VKL và sự đa dạng của chúng trong đất trồng lúa ở huyện Hưng Nguyên - Nghệ An

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

Xác định thành phần loài VKL và sự đa dạng của chúng trong đất trồng lúa

Chương 1 TỔNG QUAN TÀI LIỆU

1.1 Tình hình nghiên cứu vi khuẩn Lam trong đất trên thế giới và ở Việt Nam

1.1.1 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) ở Nga, Lund (1940 - 1962) ở Anh, Singh (1961) ở Ấn Độ, Watanabe (1959) ở Nhật Bản, Fogg (1942, 1951, 1956a, 1962a) [theo 2]; Steward (1972, 1973a, 1975, 1977, 1983) [theo 2] ở 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

Tại nước Italy, 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 loại 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 đất trồng trọt Gruia (ở Rumani), Draganov (Bungari), Mach (Ba Lan), Rosa (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 [2]

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 năng cố định N2 và sử dụng chúng làm nguồn phân bón sinh học để cải tạo đất nông nghiệp nhằm tăng năng suất cây trồng [2]

Desikachary (1959) [2] 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) [2] đã tiến hành nghiên cứu nhiều vùng khác nhau của Nam và Đông Á Trong số 851 mẫu đất, ông tìm thấy 46 loài có khả

năng cố định nitơ, chúng thuộc các chi: Tolypothrix, Nostoc,

Cylindrospermum, Calothrix, Anabaena, Plectonema, Anabaenopsis và Schizothrix Ông cho biết 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

Velasquez (1963) [2] công bố kết quả nghiên cứu khu hệ VKL tại Philippine với 162 loài và 3 dạng, thuộc 33 chi, 8 họ Ưu thế thành phần loài thuộc về dạng sợi không phân nhánh và không có tế bào dị hình

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), (Sanchis và cs., 2004) hoặc thăm dò đặc tính chịu nhiệt của VKL ở vùng nhiệt đới (Abed và cs., 2003) và tiến hành phân lập,

nuôi trồng chúng (Mc Curdy và cs., 1974); nghiên cứu sự hình thành và đặc tính vận động của hormogonia ở một số loài VKL (Kozuakov và cs., 1972) [2]

1.1.2 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) [2] 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) [19]; Dương Đức Tiến, Vũ Đăng Khoa (1998) [18]; Nguyễn Đình San (1997, 2000) [12], [11]; Lê Thị Thuý Hà (2003) [1]; Hoàng Thị Bích Mai (2005) [9] Có thể nói các nghiên cứu VKL và tảo trong đất hãy còn là những bước khởi đầu

Các dẫn liệu về VKL trong đất của Việt Nam lần đầu tiên đã được Cao Ngọc Phương (1964) [2] 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) [13] 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) [10] 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) [2] 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 Các chi có tế bào dị

hình thường gặp như: Anabaena, Cylindrospermum, Nostoc và Scytonema Những loài phân bố rộng gặp quanh năm: Nostoc spongiaeforme, Anabaena

variabilis, Cylindrospermum muscicola và Scytonema hofmannii Bên cạnh đó

có một số loài chỉ gặp trong mùa lũ lụt: Anabaena volzii, Gloeotrichia

raciborskii var lilienfeldia Các loài thuộc chi Borzinema, Camptylonemopsis, Geitleria tuy được mô tả nhưng rất hiếm gặp

Ở khu vực Bắc Trung bộ, Đỗ Thị Trường và Võ Hành (1999) [20] 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) [21] 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

Kết quả của nhiều năm điều tra quan sát, theo dõi, phân tích và bằng phương pháp nuôi trồng, Dương Đức Tiến (2000) [17] cho thấy trong các loại hình đất trồng lúa, đất trồng màu, đất đồi và đất hoang được nghiên cứu đã phát hiện 117 loài VKL thuộc 13 chi của 3 bộ: Chroococcales; Nostocales và Oscillatoriales, số lượng loài trong đất trồng lúa nhiều hơn so với các loại hình đất khác Mặt khác, thành phần loài, số lượng loài không giống nhau ở các điểm đã nghiên cứu và biến động theo độ sâu

Trong những công trình nghiên cứu về tảo đất, tảo nước ngọt, nước lợ

và nước mặn (trong đó có VKL) Shirota, Nguyễn Văn Tuyên, Trương Ngọc

An và Dương Đức Tiến đã có sự đóng góp tích cực Nghiên cứu vi tảo mà mũi nhọn là VKL, Dương Đức Tiến và cs đã nghiên cứu một cách có hệ thống từ điều tra khu hệ ở các thủy vực khác nhau (hồ chứa, sông, suối) nhất

là VKL trong đất, đồng thời định hướng đúng đắn cho các nghiên cứu ứng dụng chúng vào việc nâng cao độ phì của đất, trên cơ sở đó nâng cao năng suet và chất lượng nông sản, bảo vệ môi trường, tiến tới một nền nông nghiệp bền vững

Thời gian gần đây Hồ Sỹ Hạnh, Võ Hành, Dương Đức Tiến, Hồ Công Trực và Lê Nhân Trí (2004, 2005) [2, 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 Tây Nguyên Chính vì thế, chúng tôi cho rằng đề tài nghiên cứu này sẽ góp phần thu hẹp dần khoảng trống đó

1.2 Vai trò của vi khuẩn Lam

1.2.1 Vị trí của vi khuẩn lam trong hệ thống sinh giới và các hệ thống phân loại Vi khuẩn lam

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

Vi khuẩn Lam (VKL) xuất hiện trên trái đất cách đây khoảng 3,5 tỷ năm nên mang nhiều đặc điểm nguyên thuỷ 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 của VKL, vì vậy một số nhà khoa học cho rằng chúng bắt nguồn gần gũi với thuỷ tổ sinh vật (Dương Đức Tiến, Võ Văn Chi (1978) [16]

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

Gollerbakh (1977) [2] 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) [22] 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) [2] 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 (Round (1973), Lee (1980), Linda & Lee (2000) [2]

1.2.1.2 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 hệ thống của Geitler (1932) [2] tảo Lam có một lớp (Cyanophyceae) gồm 4 bộ: Chroococcales, Dermocarpales, Nostocales và Hormogonales

Hệ thống của Fritsch (1945) [2] : tảo Lam được chia thành 5 bộ: Chroococcales, Chamaesiphonales, Pleurocapsales, Nostocales và Stigonematales Cách sắp xếp này được thấy trong công trình của Desikachary (1959)

Gollerbakh (1977) [2] đã phân chia tảo Lam thành 10 bộ, thuộc 3 lớp: Chroococcophyceae, Chamaesiphonophyceae và Hormogoniophycecae

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 ((Sean Turner và cs (2001); Renhui và cs (2003); Saker và cs (1999)) [2], đồng thời đã khắc phục được những hạn chế của phương pháp phân loại truyền thống

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

1.2.2 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 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 [7]

Vai trò nông học của VKL trực tiếp gắn liền với khả năng cố định nitơ, tức là quá trình khử nitơ phân tử khí quyển thành NH4+ 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 [8]

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) [2] 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) [2] 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

Ngay ở vùng lạnh, như các miền cực của trái đất, người ta cũng tìm thấy Nostoc commune sống cộng sinh trong địa y hoặc tự do Hàng năm VKL

có thể cung cấp cho Nam Cực băng giá 24kg N/ha Mặc dù khí hậu ôn đới không thích hợp cho sự phát triển của VKL nhưng kết quả nghiên cứu trên

1000 mẫu đất ở Thụy Điển cho biết chúng có thể cố định được một lượng N2

hàng năm trên một cánh đồng là 15-51kg N/ha

Tác dụng của VKL cố định nitơ đối với sự gia tăng năng suất lúa đã được khẳng định Tại 11 trại thực nghiệm ở Nhật Bản các thí nghiệm trên qui

mô lớn về ảnh hưởng của Tolypothrix tenuis đối với lúa, kết quả cho thấy sự

tăng luỹ tiến của năng suất lúa do sử dụng chúng được ghi nhận và sau bốn năm lây nhiễm thì năng suất tăng tới 128% so với đối chứng [7]

Tại tỉnh Hồ Bắc (Trung Quốc), năm 1976 diện tích trồng lúa thử nghiệm lây nhiễm VKLCĐN là 173 ha, vào năm 1979 diện tích được mở rộng

23000 ha và trung bình năng suất lúa tăng 15% so với ruộng không lây nhiễm (Lee, 1992) [2]

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

suất lúa tăng 31,6%, đồng thời cây lúa hấp thu N2 cũng được tăng từ 25 đến 42,5% (Hamdi, 1986) [2]

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) [2] Vai trò này của chúng đã được chứng minh ở nhiều nước khác: Thái Lan, Myanma, Philippine, Irael, 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 loại vi tảo, có thể cung cấp 100kg N/ha/vụ (Dương Đức Tiến, 2000) [17]

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) [2] Tại viện lúa Tasken đã tiến hành gieo các hạt được xử lý dịch vẩn VKL cố định nitơ cho thấy năng suất vượt trội 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, (Dương Đức Tiến, 1994) [14] 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%

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) [2]

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

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

1.3.1 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) [2] 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) [2] 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 của đất và ở lớp đất sâu hơn là 6 x 104 cá thể/cm2

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) [2] 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 chung đạt 9 x106

tb/gam đất ở lớp bề mặt; độ sâu 25 - 35 cm có 341 x103 tb/ gam

đất Về số lượng loài: lớp bề mặt gặp 41 loài và ở độ sâu 25 - 35 cm là 35 loài (Umarova,1965) [2]

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) [2]

Theo Shtina và Gollerbakh (1976) [2] 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) [2]

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

Ở Việt Nam, các kết quả điều tra cơ bản về VLK ở ruộng lúa cho thấy, thành phần loài 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) 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

[16] Về mật độ, VKL dao động từ 1,2 x 104 - 5,2 x 106 CFU/cm2, trung bình

là 3,2 x 105 CFU/cm2 và thay đổi phụ thuộc vào thời gian và địa điểm thu mẫu Trên vùng đất trồng lúa nhiễm mặn, mật độ trung bình 37,7 x 104CFU/cm2 (Đoàn Đức Lân, 1996) [2]

1.3.2 Đặc điểm sinh thái của vi khuẩn Lam trong đất

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 kiến thức về hình thái, tế bào học, sinh lý, sinh thái và sinh hóa 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 2 sắc tố chính là Chlorophin và phycrbilin

- Sai khác với Prochlorales là chỉ chứa Chlorophina

* Hình dạng VKL chia làm 2 kiểu:

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

- Tế bào được kéo dài về một phía, hình elip 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 hóa nhầy thành bao chuyên hóa

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 vào 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 1 trichom (như ở Phormidium, Lyghbya) hay trong bao chứa

nhiều trichom (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 (tùy 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 sợi 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 2 đầu đoạn đứt mới hình thành tế bào phân chia rồi chọc thủng bao chui ra ngoài), phân nhánh đơn (một đầu chui ra khỏi bao còn đầu kia vẫn tiếp tục ở trong bao)

(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)

- Phân nhánh chữ V: hình thành do 2 tế bào trên sợi phát triển theo hướng ngược nhau trên trục chính (trường hợp này ít gặp)

1.4 Ảnh hưởng của các yếu tố sinh thái đến sự sinh trưởng vi khuẩn Lam

- Yếu tố vô sinh

+ Ánh sáng:

Là yếu tố quan trọng chi phối sự phân bố địa lý và sự biến động số lượng cũng như thành phần loài theo mùa trong năm Sinh trưởng của vi khuẩn lam bị ức chế dưới điều kiện ánh sáng mạnh là hình thức quan sát rõ ràng nhất trong phòng thí nghiệm cũng như ngoài thiên nhiên Mức độ quang

ức chế phụ thuộc vào cường độ ánh sáng và chất lượng phổ ánh sáng Mặt khác ánh sáng có cường độ cao cũng ức chế hô hấp của các tế bào đang tổng hợp Phycobilinpotein và Carotenoit

Ví dụ: Lyghbya plectonema, Phormidium sp sinh trưởng dưới ánh

sáng đỏ có hàm lượng carotenoit tăng gấp đôi do hàm lượng β - carotene và zeaxanthin so với hiệu quả nuôi trồng dưới ánh sáng trắng trong cùng điều kiện phòng thí nghiệm ánh sáng cũng là một trong những yếu tố quan trọng

nhất ảnh hưởng tới sự vận động của vi khuẩn lam, tảo Oscillatori điều chỉnh

việc chìm dưới tác động của ít nhất 3 yếu tố: Chế độ sáng, CO2 và chế độ dinh dưỡng

+ Độ ẩm và nước:

Độ ẩm quyết định đến nhiệt độ đất, khả năng hòa tan khoáng chất, hàm lượng O2 và CO2 vì vậy độ ẩm quyết định đến mức độ phong phú về thành phần loài của vi khuẩn lam

- Tính hòa tan của các muối kim loại

- Hàm lượng độc tố trong tảo