Phần 2 Tổng quan tài liệu
2.2. Cơ sở khoa học của việc sử dụng vi sinh vật nội sinh để sản xuất chế
ĐỂ SẢN XUẤT CHẾ PHẨM SINH HỌC
2.2.1. Khả năng phân giải các hợp chất hữu cơ của vi sinh vật
- Xenlulo (glucan) là hợp chất cao phân tử được trùng hợp (polyme hóa) từ các gốc β - D - glucozơ bằng liên kết β - 1,4 - glucozơ nhờ khả năng tự dưỡng dưới ánh sáng mặt trời của giới thực vật.
Hệ vi sinh vật phân hủy tàn dư thực vật chủ yếu là xenlulozơ khá phong phú gồm có vi khuẩn, xạ khuẩn và nấm mốc. Chúng có khả năng tiết vào môi trường enzym thủy phân xenlulo là enzym xenlulaza. Hệ enzym này gồm 3 enzym là endoglucanaza, exoglucanza và β - glucozidaza. Quá trình thủy phân xenlluloza theo trình tự như sau:
- Hemixenlulo (xylan) là một phức hệ gồm Endo - 1,4 - β - D - mannaza và 1,4 - β - D - xylozidaza. Enzym mannaza thủy phân xylan thành các oligosaccarit hòa tan trong nước và enzym xylozidaza sẽ tiếp tục thủy phân. Sản phẩm cuối cùng là xylozo và mannozo (Lương Đức Phẩm, 2011).
- Tinh bột là chất dinh dưỡng chính dự trữ ở thực vật, có nhiều ở trong các loại hạt ngũ cốc và củ (khoai lang, khoai tây, sắn...). Tinh bột gồm 2 glucan: amylozo (15-17%) - mạch dài, không phân nhánh và amylopectin phân nhánh. Chúng được trùng hợp từ các monomer là D - glucozo với các mối liên kết α - 1,4 và α - 1,6 -glucozit. Tinh bột dưới tác dụng của enzym amylaza do vi sinh vật tiết ra sẽ bị thủy phân thành dextrin, đường maltozo và glucozo (Lương Đức Phẩm, 2011).
- Pectin là hợp chất polymer dạng keo, thuộc loại polysaccarit dị hình được cấu tạo từ các gốc axit galacturonic với nhau bằng liên kết α - 1,4 - glucozit và một số gốc khác. Trong thành phần có axit pectinic, axit pectic và protopectin. Pectin có mặt trong tất cả các mô thực vật bậc cao (khoảng 5%) là thành phần cơ
bản của thực vật. Cùng với lignin và xenlulozơ, pectin tham gia hình thành bộ khung của thực vật, điều chỉnh độ ẩm và trạng thái của tế bào thực vật. Pectin bị phân giải bởi enzym pecticnaza. Enzym này được sản sinh nhờ một số loài vi khuẩn và nhiều loài nấm mốc (Lương Đức Phẩm, 2011).
- Protein là hợp chất được cấu tạo từ các axit amin với mối liên kết peptit. Quá trình phân hủy các chất protein dưới tác dụng của vi sinh vật còn gọi là quá trình thối rữa hoặc quá trình amôn hóa. Quá trình phân hủy các chất protein xảy ra như sau: Protein Polypeptit Oligopeptit Axit amin NH3.
Quá trình này được tiến hành nhờ enzym phân cắt đại phân tử protein được gọi là proteaza hay proteinaza. Các nhóm vi sinh vật có khả năng tiết enzym proteaza gồm có vi khuẩn hiếu khí Bacillus, Pseudomonas, Proteus,... nhóm nấm mốc Aspergillus, Penicillium, Tricoderma...(Lương Đức Phẩm, 2011).
2.2.2. Khả năng phân giải và chuyển hóa lân của vi sinh vật
Vi sinh vật phân giải lân hữu cơ
Sự chuyển hoá các hợp chất lân hữu cơ thành muối của H3PO4 (Stoklaza– 1991; Menkina – 1952) theo sơ đồ hình 1.1
Sơ đồ của quá trình phân giải nucleoprotein:
Nucleoprotein Nucleinaxit nucleicNucleotic H3PO4
Lơxitin Glixerphosphat H3PO4
Hình 1.1. Sơ đồ chuyển hoá các hợp chất lân hữu cơ thành muối của H3PO4Vi sinh vật phân giải lân hữu cơ chủ yếu gồm các chủng Bacillus và Vi sinh vật phân giải lân hữu cơ chủ yếu gồm các chủng Bacillus và Pseudomonas.
- Bacillus mycoides: Vi khuẩn hình que, dài khoảng 1,6 – 3,6µ, rộng khoảng 0,5 - 1µ, phân bố rộng rãi trong tự nhiên và là vi khuẩn yếm khí, có tiêm mao ở đầu và quanh cơ thể. Trên môi trường thạch, khuẩn lạc gần giống khuẩn lạc của nấm. Nó có thể phân giải lân hữu cơ và amôn hoá protit nhưng không sinh H2S.
- Bacillus megaterium var phosphaticum: Vi khuẩn hình que, có nha bào, yếm khí tuỳ tiện, có khả năng phân giải lân hữu cơ rất mạnh.
Bacillus là trực khuẩn gram dương, sinh bào tử, chiều ngang của bào tử không vượt quá chiều ngang của tế bào vi khuẩn, do đó khi có bào tử vi khuẩn không thay đổi hình dạng, bào tử của vi khuẩn này có sức sống rất lâu.
Ngoài ra, còn có các vi khuẩn như: Bacillus cereus, Bacillus asterosporus,Pseudomonas sp cũng có khả năng phân giải lân hữu cơ. Ngày nay, ngoài vi khuẩn, người ta còn thấy xạ khuẩn, nấm cũng có khả năng phân giải lân hữu cơ (Dương Hồng Dật, 1979).
Vi sinh vật phân giải lân vô cơ
Quá trình có thể phân giải lân vô cơ theo phương trình sau:
Ca3(PO4)2 + 2 H2CO3 + H2O Ca(H2PO4)2. H2O + 2 Ca(HCO3)2
Trong đất, vi khuẩn nitrat hoá và vi khuẩn chuyển hoá lưu huỳnh cũng có tác dụng quan trọng trong việc phân giải Ca3(PO4)2. Vì trong quá trình sống, các vi khuẩn này tích luỹ trong đất HNO3 và H2SO4. Quá trình hoà tan có thể biểu thị theo các phương trình sau:
Ca3(PO4)2 + 4 HNO3 Ca(H2PO4)2 + 2 Ca(NO3)2
Ca3(PO4)2 + 2 H2SO4 Ca(H2PO4)2 + 2 CaSO4
Các điều kiện ảnh hưởng tới khả năng phân giải lân của vi sinh vật gồm có: - Độ pH: nhìn chung pH, ít ảnh hưởng đến khả năng phân giải lân. Tuy nhiên pH trong khoảng 7,8 – 7,9 ảnh hưởng tốt tới sự phát triển của hệ vi sinh vật phân giải lân
- Nhiệt độ: các chủng vi sinh vật có nhiệt độ thích hợp cho quá trình phân giải lân là khác nhau. Nhìn chung, khoảng nhiệt độ thích hợp nằm trong khoảng 20 – 40oC.
- Hợp chất hữu cơ: chất hữu cơ làm tăng quá trình sinh trưởng của vi sinh vật. Do đó khả năng phân giải lân của chúng sẽ tăng lên.
- Độ ẩm: ở những nơi có độ ẩm cao, do hoạt động của vi sinh vật mạnh nên tạo ra nhiều axit hữu cơ làm tăng phân giải lân.
- Hệ rễ: hệ rễ cây trồng khích thích sự sinh trưởng của vi sinh vật. Do đó phân giải lân cũng được tăng cường. Tuy nhiên một số loài cây có thể tiết ra các chất độc ngăn cản sự sinh trưởng và phát triển của vi sinh vật.Tỷ lệ N và C trong môi trường: N, C là những thành phần cần thiết cho sự sinh trưởng và phát triển của vi sinh vật. Tỉ lệ N, C trong môi trường cao sẽ thúc đẩy khả năng phân giải lân (Dương Hồng Dật, 1979).
2.2.3. Khả năng cố định Nitơ của vi sinh vật
Trong suốt quá trình cố định đạm sinh học N2 giảm trong hệ thống vận chuyển điện tử kết quả tạo NH3 và phóng thích H2. NH3 sau đó được sử dụng để tổng hợp các chất khác. Quá trình chuyển N2 thành NH3 được xúc tác bởi phức hệ enzyme nitrogenase với sự tham gia của năng lượng ATP. Enzyme dinitrogenase reductase và dinitrogenase có các tiểu đơn vị nif (γ2 homodimeric azoferredoxin) và NifD/K (α2β2 heterotetrameric molybdoferredoxin). Điện tử chuyển từ ferredoxin (hoặc flavodoxin) đến dinitrogenase reductase và chuyển đến dinitrogenase, cung cấp điện tử dưới dạng H2 đến các N2 tạo thành NH3. Mỗi mol N2 được cố định cần có 16 ATP và có sự tham gia của protein nifH (Kneip
et al., 2007).
Phức hợp enzyme nitrogenase và enzyme hydrogenase tổng hợp N2 thành NH3 theo sơ đồ sau:
Ammonia được tạo ra trong chu trình tiếp tục kết hợp với chuỗi carbon để đồng hóa thành những acid amin đầu tiên cung cấp trực tiếp cho cây trồng. Nitrogenase là một phức hệ enzyme, enzyme này được điều khiển bởi hệ thống gen nif có trong bộ genome của tế bào vi khuẩn. Enzyme nitrogenase không chỉ xúc tác cho quá trình tổng hợp N2 thành NH3, mà còn có thể xúc tác khử các chất CH3CN, HCN, NH3, N2O, C2H2, ... thành các sản phẩm tương ứng như C3H6, CH4, H2, N2, C2H4 (Kneip et al., 2007).
2.2.4. Khả năng tổng hợp IAA của vi sinh vật
Indole-3-acetic acid (IAA) là dạng auxin, là chất điều hòa sinh trưởng của thực vật. IAA chi phối sự phân chia tế bào, sự giãn dài tế bào, phân hóa sinh
mô, phát triển trái và hạt và chi phối giai đoạn đầu sự phát triển của cây trồng. Tác động của IAA phụ thuộc vào dạng tế bào, ở các nồng độ khác nhau tùy thuộc vào loại phân sinh mô, IAA kích thích đồng thời sự giãn dài trục lá mầm, ngăn cản sự sinh trưởng của rễ chính, kích thích sự khởi đầu của rễ bên và sự thành lập lông rễ (Theologies and Ray, 1982). Theo Sergeeva et al., (2002), các nhóm vi khuẩn khác nhau kể cả vi khuẩn đất, vi khuẩn biểu sinh, vi sinh vật nội sinh và một số vi khuẩn lam (Cyanobacteria) đã được phát hiện là có khả năng sinh tổng hợp indole-3-acid acetic từ tiền chất L-tryptophan (Trp). Một số loài của các chi Azospirillum, Gluconacetobacter và Pseudomonas là những vi khuẩn cố định đạm nhưng nhờ vào khả năng tổng hợp IAA của chúng nên cũng được xem là vi khuẩn vùng rễ kích thích sinh trưởng thực vật, góp phần làm tăng sản lượng cây trồng (Kloepper et al., 1989).
Có 3 lộ trình tiêu biểu nhất cho sự biến đổi của L-tryptophan thành IAA đã được Koga et al., (1991) mô tả chi tiết như sau:
Lộ trình indole-3-pyruvic acid :
Tryptophan indole-3-pyruvic acid indole-3-acetaldehyde IAA Lộ trình tryptamine
Tryptophan tryptamine indole-3-acetaldehyde IAA Lộ trình indole-3-acetamide
Tryptophan indole-3-acetamide IAA
Carređo-López et al., (2000) cũng nhận thấy trong các lộ trình tổng hợp IAA ở loài Azospirillum brasilense thì lộ trình indole-3-pyruvic acid vẫn là con đường chủ yếu để tổng hợp IAA từ tiền chất tryptophan và được xúc tác chủ yếu bởi enzyme indole pyruvic decarboxylase (Costacurta et al., 1994).
2.2.5. Khả năng kháng bệnh hại cây trồng
Nhiều loại vi sinh vật có khả năng kháng bệnh hại cây trồng bởi một số cơ chế sau:
Cơ chế do kháng sinh
Kháng sinh là một chất quan trọng sinh ra trong quá trình sinh trưởng của vi sinh vật để tiêu diệt những mầm bệnh có trong đất, giúp cây trồng phát triển. Nó có khả năng tiêu diệt vi khuẩn hay kìm hãm sự sinh trưởng của vi khuẩn một cách đặc hiệu (Lê Thị Thanh Thủy, 2014).
Cơ chế do siderophore
Vi sinh vật đối kháng có khả năng cạnh tranh trực tiếp với nguồn bệnh về dinh dưỡng, oxy, không gian sống, sinh kháng sinh, tạo siderophore...v...v... để sinh trưởng. Trong đó, siderophore là một loại protein sinh ra trong quá trình sinh trưởng của vi sinh vật, nó có khả năng hấp thụ các ion Fe+3 trong môi trường với ái lực cao nhằm phục vụ trực tiếp cho sự sinh trưởng và hô hấp của vi sinh vật, làm cho môi trường xung quanh nghèo sắt, dẫn đến các loại vi sinh vật khác không có đủ ion Fe+3 cho quá trình sinh trưởng của mình, do đó chúng sẽ không sinh trưởng được (Lê Thị Thanh Thủy, 2014).
Cơ chế tăng cường sức đề kháng của cây
Tác dụng của vi sinh vật kích thích sinh trưởng thực vật: Vi khuẩn kích thích sinh trưởng thực vật (Plant Growth-Promoting Bacteria – PGPB) là vi khuẩn vùng rễ khi tương tác với rễ cây có thể tạo ra tính kháng của cây chống lại vi khuẩn, nấm và virut gây bệnh. Hiện tượng này được gọi là tính kích kháng hệ thống - ISR (Induced Systemic Resistance), cũng giống như tính kích kháng hệ thống có điều kiện - SAR (Systemic Acquired Resistance) (Ryu, C. M. et al., 2004).