III. Các câu hỏi về kiến thức chung
Câu 34: Lên men vi khuẩn
Trả lời
Lên men vi khuẩn ( Microbial Fermentation )
Nhiều năm qua, con người đã tận dụng được hoạt động của hàng triệu vi sinh vật tìm thấy trong đất để cải thiện năng suất nông nghiệp. Nuôi trồng vi khuẩn và tế bào đơn trên diện rộng trong hoặc khơng trong khơng khí gọi là lên men vi khuẩn, thường xảy ra một cách tự nhiên với các sinh vật để làm phân vi sinh hoặc thuốc trừ sâu sinh học hỗ trợ cây trồng phát triển và ngăn ngừa cỏ dại, sâu bọ và dịch bệnh. Rất nhiều loại vi sinh vật sống trong đất thực sự đã giúp cây trồng hấp thụ các chất dinh dưỡng nhiều hơn khi tự chúng thực hiện. Thực vật và các loại vi khuẩn thân thiện tham gia vào “chu kỳ dinh dưỡng”. Vi khuẩn giúp cây trồng hấp thụ những nguồn nhiên liệu cần thiết. Đổi ngược lại, cây trồng dành các sản phẩm phụ sinh học của mình cho vi khuẩn làm nguồn thức ăn. Bởi vi khuẩn giúp cây trồng tiêu thụ nhiều chất dinh dưỡng hơn, nên cây trồng phát triển hệ rễ to hơn và khỏe hơn. Rễ cây càng lớn, càng có nhiều khơng gian sống và thức ăn cho vi khuẩn.
Page | 195 Các nhà khoa học sử dụng các sinh vật thân thiện để sản xuất phân bón vi sinh.
Phân bón vi sinh ( Biofertilizers )
Phốt pho và nitơ là các chất rất cần thiết cho cây trồng phát triển. Những hỗn hợp này tồn tại tự nhiên trong môi trường, nhưng thực vật bị giới hạn khả năng hấp thụ chúng. Chất phốt pho có sẵn trong đất nhưng phần lớn ở dạng rắn, cịn nitơ thì có nhiều trong khơng khí. Phốt pho đóng vai trị quan trọng đối với sức chịu đựng của cây trồng, trong quá trình trưởng thành, chất lượng, và trực tiếp hoặc giáng tiếp trong ngưng tụ khí ni tơ. Nếu cây trồng khơng sử dụng nhanh phốt pho, phốt pho sẽ bị mắc lại trong đất qua các phản ứng hóa học. Như vậy sẽ chỉ có một lượng nhỏ dinh dưỡng quan trọng còn lại cho cây trồng hấp thụ. Cây trồng không thể tự phân giải phốt pho.
Một loại nấm có tên gọi là Penicillum Bilaii là chìa khóa để rễ phân giải phốt pho trong đất. Nó tạo ra một loại axit hữu cơ rễ có thể sử dụng để phân giải phốt pho trong đất. Một loại phân vi sinh được sản xuất từ loại vi sinh vật này với nhiều cách ứng dụng như: bao hạt bằng một loại nấm (gọi là ghép cây), hoặc bón thẳng trực tiếp vào rễ cây.
Loại nấm này quấn quanh rễ cây và ngăn không để các sinh vật có hại khác sống xung quanh. Đồng thời nó cũng được sử dụng các sản phẩm phụ từ cây đầu tiên. Như vậy sẽ giúp cho vi khuẩn khỏe hơn và có thể chuyển đổi nhiều chất phốt phát hơn nữa cho cây sử dụng. Với lượng phốt phát thêm này, cây trồng sẽ trở nên khỏe hơn và năng suất hơn.
Một loại vi khuẩn khác cũng được sử dụng để tạo phân vi sinh là vi khuẩn Rbizobium. Loại vi khuẩn này sống bám vào rễ cây trong tập hợp tế bào gọi là mơđun. Mơđun có thể ví như nhà máy sinh học, lấy khí nitơ trong khơng khí, và chuyển thành một dạng hữu cơ để cây trồng có thể sử dụng. Bởi vì vi khuẩn sống trong rễ cây nên chuyển dinh dưỡng trực tiếp vào trong cây.
Đây là cách sản xuất phân bón tự nhiên. Với lượng lớn vi khuẩn có ích sống trong rễ cây, cây đậu có thể sử dụng nitơ trong tự nhiên thay cho phân bón nitơ truyền thống giá đắt.
Phân bón vi sinh giúp cây trồng sử dụng được hết các loại thức ăn có sẵn trong đất và khơng khí, giúp người nơng dân giảm dùng phân bón hóa học. Phương pháp này đồng thời giúp bảo vệ môi trường cho các thế hệ sau.
NitroPlus, Bio-N và Bio-Fix là một loại phân vi sinh người Philipin sử dụng để tận dụng khả năng của một số loại sinh vật như Rhziobia sản xuất nguồn nitơ tự nhiên sẵn có. Các sản phẩm khác như Mycogroe và Mykovam giúp cây trồng hấp thụ nước và phốt pho trong đất. Một số loại nấm tương hỗ sinh sống trong rễ cây ngăn chặn sự lây lan của mầm bệnh và giúp cây trồng chịu hạn và kim loại cứng tốt hơn. BIO-QUICK, một loại chất chủng phân trộn giúp quá trình phân rữa chất thải trang trại và nông lâm nghiệp tới 80%.
Page | 196 Như ta đã biết có một số loại vi sinh vật sống trong đất khơng có lợi với cây trồng. Các loại mầm bệnh này có thể gây bệnh và phá hoại cây trồng. Cũng giống như với vi sinh vật có ích, các nhà khoa học cũng phát triển các công cụ sinh học sử dụng các loại vi sinh vật gây bệnh này ngăn ngừa cỏ dại và sâu bệnh một cách tự nhiên.
Thuốc trừ cỏ sinh học ( Bioberbicides)
Cỏ dại luôn là vấn đề khẩn cấp của bà con nông dân. Cỏ dại không chỉ giành nước, chất dinh dưỡng, nắng trời, khơng gian mà cịn là nơi trú ngụ của sâu bệnh, làm trở ngại hệ thống tưới tiêu, làm giảm chất lượng cây trồng, làm cỏ dại lẫn vào cây trồng khi thu hoạch
Bà con nông dân vẫn làm đất để trừ cỏ, hoặc nhổ cỏ bằng tay, dùng thuốc trừ cỏ tổng hợp, hoặc kết hợp tất cả các biện pháp. Tuy nhiên, biện pháp làm đất khiến đất tốt bị nắng gió làm khơ cằn, trở thành hậu quả mang tính lâu dài với mơi trường. Vì lý do này, ngày càng nhiều bà con nơng dân bỏ sử dụng phương pháp này
Tương tự, có nhiều tranh cãi xung quanh việc sử dụng thuốc trừ cỏ tổng hợp vì khiến nguồn nước ngầm bị ô nhiễm, giết chết nhiều loại động vật hoang dã, nguyên nhân gây ra nhiều loại bệnh ở người và động vật.
Sử dụng thuốc trừ cỏ sinh học là một biện pháp ngăn ngừa cỏ dại mà không gây hại cho môi trường như khi dùng thuốc trừ cỏ tổng hợp. Thuốc trừ cỏ tổng hợp là các loại vi sinh vật (như vi khuẩn, vi rút và nấm)
và một số loại sâu bọ (côn trùng ký sinh, bướm hoa) dùng để trừ một số loại cỏ nhất định.Một số loại vi khuẩn có gen xâm nhập có thể tấn cơng các gen bảo vệ của cỏ dại, nhờ đó tiêu diệt chúng.
Hiểu biết kỹ về gen của vi sinh vật và cây trồng giúp các nhà khoa học cách ly các loại vi khuẩn (vi sinh vật) có loại gen hợp với gen của cỏ dại và rất hiệu quả gây ra các bệnh tiêu diệt cỏ dại. Thuốc trừ cỏ sinh học mang nhiều mầm bệnh loại này tới đồng đất. Chúng có mặt khi cỏ dại dễ bị mắc bệnh.
Gen gây bệnh của mầm bệnh rất đặc trưng. Gen của vi khuẩn có một số cách vượt qua gen đặc trưng bảo vệ của thực vật. Chúng hướng dẫn vi khuẩn tấn công một loại cây trồng nhất định. Gen xâm nhập của mầm bệnh phải hợp với gene bảo vệ của cây trồng. Nhờ vậy, vi khuẩn biết có thể lây nhiễm thành cơng ở loại cây trồng đó. Yêu cầu có gen kết hợp nghĩa là một loại mầm bệnh có thể vơ hại với mọi loại cây trồng trừ một loại cỏ dại được nhận dạng bằng mã gen của sinh vật.
Phản ứng lựa chọn này giúp thuốc trừ cỏ sinh học trở nên rất hữu dụng bởi chúng chỉ tiêu diệt những loại cỏ dại nhất định ảnh hưởng tới năng suất cây trồng nhưng lại không làm hại tới cây trồng. Thuốc trừ cỏ sinh học có thể chỉ nhằm vào một loại cỏ dại, và vô hại với môi trường xung quanh.
Ích lợi của sử dụng thuốc trừ cỏ sinh học là nó có thể tồn tại trong mơi trường khá lâu, tới tận vụ mùa sau ở khu vực có nhiều cỏ dại lây lan. Đồng thời thuốc trừ cỏ
Page | 197 sinh học rẻ hơn rất nhiều so với thuốc trừ cỏ tổng hợp, có thể giúp tiết kiệm chi phí nếu biết quản lý hợp lý. Thuốc trừ cỏ sinh học khơng có hại
tới mơi trường so với các loại thuốc trừ cỏ thông thường và không ảnh hưởng tới các loại sinh vật không phải mục tiêu.
Với những tiến bộ của kỹ thuật di truyền, nhiều loại thuốc trừ cỏ thế hệ mới đang được phát triển và tỏ ra rất hiệu quả. Vi sinh vật được cấu trúc để có thể vượt qua hàng rào bảo vệ của cỏ dại một cách hiệu quả. Cỏ dại có lớp tế bào sáp bao phủ lá vì thế các vi sinh vật phải thấm qua tế bào đó nếu muốn xâm nhập sâu. Nhờ công nghệ sinh học, các loại vi sinh vật này có khả năng tạo ra đủ lượng của một loại enzim phù hợp để vượt qua lớp bảo vệ bên ngoài. Tổ chức hợp lý những loại vi sinh vật thực vật chủ chốt đặc trưng của vi khuẩn sẽ đảm bảo chỉ có cỏ dại bị tiêu diệt, không ảnh hưởng tới cây trồng. Mặt khác, có thể tạo ra vi khuẩn có khả năng tiêu diệt hiệu quả một vài loại cỏ dại chính, chứ khơng chỉ với một loại, nếu không sẽ thành quá đắt khi sản xuất ra thị trường.
Thuốc trừ sâu sinh học ( Biosecticides)
Khoa học về cơng nghệ sinh học cũng có thể phát triển được một số biện pháp ngăn ngừa sâu bệnh thay thế cho thuốc trừ sâu tổng hợp. Các nghiên cứu đã tìm thấy một số loại sinh vật trong đất có khả năng tấn cơng nấm, vi rút và vi khuẩn gây bệnh. Có thể xây dựng công thức của lớp màng bao phủ hạt (chất chủng) mang theo các vi sinh vật có lợi để bảo vệ cây trồng trong thời kỳ hạt nảy mầm.
Thuốc trừ sâu tổng hợp tuy là một công cụ hữu hiệu tăng năng suất nông nghiệp, nhưng một số loại cũng tồn tại những nhược điểm sau: giá đắt, khơng dễ sử dụng, có thể tích tụ trong mơi trường và làm ô nhiễm nguồn nước, không phân biệt được các loại cần diệt.
Còn thuốc trừ sâu sinh học lại khơng ở lâu trong mơi trường, có tuổi đời ngắn, số lượng nhỏ những hiệu quả cao
an toàn hơn cho con người và động vật khi so sánh với thuốc trừ sâu tổng hợp; chúng có phạm vi ảnh hưởng rất cụ thể, chỉ ảnh hưởng một loại sâu bọ và cách thực hiện cụ thể đặc trưng, ảnh hưởng từ từ và thời gian thực hiện cũng là một ưu điểm tương đối khác.
Tuy nhiên, một số những đặc điểm này lại bị coi là nhược điểm. Ví dụ, phần lớn thành phần của thuốc trừ sâu sinh học là các vi sinh vật sống, vì thế độ thành cơng phụ thuộc vào nhiều yếu tố như nhiệt độ, độ ẩm, độ PH, UV, điều kiện đất, và các loại vi khuẩn đối nghịch hiện diện trong mơi trường. Thực hiện chậm có nghĩa cần nhiều thời gian để loại trừ mầm bệnh so sánh với thuốc trừ sâu tổng hợp.
Thuốc trừ sâu sinh học dựa vào vi khuẩn
Một trong những loại thuốc trừ sâu sinh học được sử dụng rộng rãi nhất là một loại vi khuẩn tự nhiên có sẵn trong đất, tên gọi là Bacillus Thuringengis hay Bt.Bt có khả năng chế ra một loại prôtêin rất độc với côn trùng. Thông thường 15 phút sau
Page | 198 khi ăn, độc tố bắt đầu làm loét thành dạ dày của côn trùng. Côn trùng ngừng ăn và cuối cùng bị giết chết.
Các nhà nghiên cứu đã phát hiện ra khoảng 500-600 dòng của loại vi khuẩn Bacillus Thuringengis. Bt có tính chọn lọc rất cao, nó chỉ có tác dụng trên những loại sâu bọ, cơn trùng nhất định và vô hại đối với con người, chim, cá và các loại cơn trùng có lợi. Năm 1983, một dòng Bt được sử dụng ở Tây Phi để tiêu diệt ruồi đen mang bệnh.
Thuốc trừ sâu sinh học dựa vào nấm
Nấm gây ra bệnh ở khoảng 200 lồi cơn trùng khác nhau đang được coi là một trong các loại thuốc trừ sâu sinh học. Một trong những loại được phát hiện sớm nhất vào những năm thập niên 80, có tên là Beauveria Bassiana (Bb), một loại nấm phổ biến ở trong đất và thực vật. Sáu loại nấm khác cũng được biết đến như các loại thuốc trừ sâu sinh học hiệu quả. Ở Trung Quốc, 2 triệu hécta hàng năm được phun Bb để ngăn ngừa các loại côn trùng từ rừng. Từ năm 1993, sáu loại loại thuốc trừ sâu sinh học mới trở nên phổ biến ở Bắc Mĩ và châu Âu.
Công nghệ lên men rẻ tiền được sử dụng để sản xuất nấm hàng loạt. Mầm được thu hoạch và đóng gói để có thể sử dụng trên các cánh đồng có sâu bọ. Khi mầm được sử dụng, chúng sử dụng enzim để phá vỡ mặt ngoài của cơ thể sâu bọ. Khi đã vào trong, chúng bắt đầu phát triển và cuối cùng tiêu diệt sâu bọ.
Thuốc trừ sâu sinh học dựa trên Bb có rất nhiều ưu điểm. Nấm không phát triển trong cơ thể sinh vật máu nóng (như con người), cũng khơng tồn tại lâu ở sơng và giếng nước. Tuy nhiên mầm nấm có thể tồn tại lâu trong điều kiện khô hạn khắc nghiệt. Đến nay các nghiên cứu cho thấy nấm không nguy hại tới thực vật và không hoạt động dưới ánh nắng mặt trời từ 1-8 tuần.
Các nhà khoa học quan sát thấy các chất trong nấm có tiềm năng ngăn ngừa côn trùng, sâu bọ trong một thời gian dài. Bởi vì rất nhiều loại nấm cùng tấn cơng cơn trùng, sâu bọ theo nhiều cách khác nhau tại cùng một thời điểm vì thế sâu bọ, côn trùng không kịp phát triển hệ kháng.
Thuốc trừ sâu sinh học dựa vào vi rút
Một nhóm các loại thuốc trừ sâu sinh học dựa vào vi rút mà các nhà khoa học đang nghiên cứu có dạng hình que là Baculoviruses. Baculoviruses ảnh hưởng các loại côn trùng như sâu bo ở ngô, bọ khoai tây, bọ chét cánh cứng và rệp vừng. Một dòng đặc trưng đang được sử dụng làm thuốc diệt sâu róm, loại tấn cơng canola, lanh và hoa màu. Trong suốt những năm thập niên 80, những năm Canada bị côn trùng quấy phá nặng nề nhất, hơn một triệu hecta hoa màu bị phát quang. Trong quá khứ, người nơng dân sử dụng thuốc trừ sâu hóa học để ngăn ngừa sâu bệnh. Nhưng sâu róm lại tấn cơng cây trồng ở giai đoạn ấu trùng. Các loại thuốc trừ sâu truyền thống khơng có tác dụng cho đến sau giai đoạn này, đến lúc đó cây trồng đã bị tàn phá khá nhiều.
Chất ngăn
Page | 199 Vi khuẩn Chế ra độc tố gây hại cho
một số loại côn trùng nhất định khi ăn phải
Bacillus Thuringiensis Bacillus Popilliea Agobacterium Radiobacter Ladidopterans Bọ cánh cứng Nhật Bệnh mụn lá Vi rút Tiêu diệt sâu bọ khi sâu bọ
ăn phải Baculoviruses Vi rút nhiều mặt có nhân Baculoviruses: vi rút granulosis Baculoviruses: Nhóm Entompox C Ladidopteran và Hymenopopteran Ladidopteran Anthropods Nấm Ngăn chặn côn trùng bằng
cách phát triển trên cơ thể côn trùng và tiết ra loại enzim bí mật làm yếu lớp vỏ ngồi của cơn trùng, sau đó thâm nhập vào bên trong côn trùng, tiếp tục phát triển cho đến khi tiêu diệt được côn trùng lây bệnh. Entomophaga Praxibulli Zoopthora Radicans Neozygites Floridana Châu chấu Rệp vừng
Sâu xanh ăn bột sắn
Động vật
nguyên sinh
Giết côn trùng khi bị tiêu hóa. Thói quen ăn uống của côn trùng bị phá vỡ cho đến khi chết đói. Nosema Vairimorpha Malamoeba Châu chấu Bướm Giun tròn Giết sinh vật mục tiêu bằng
cách thâm nhập vào cơ thể theo con đường tự nhiên hoặc vào biểu bì của cơn trùng một cách trực tiếp Heterorbaditis Bacteriophora Phasmarbaditis Hermaphrodita Steinernema carpocapse Mọt ngũ cốc nho đen Bọ cánh cứng Nhật Bản Các loại sên có vỏ và khơng có vỏ Mọt ngũ cốc nho đen, mọt ngũ cốc rễ dâu.