Chương 1.TỐNG QUAN CÁC VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU
1.3. Nghiên cứu về vi sinh vật có í ch với cây trồng
Hiện nay, sự phát triển của nền nông nghiệp nước ta đang đi vào mức độ thâm canh cao với việc sử dụng ngày càng nhiều phân bón hóa học, thuốc bảo vệ thực vật hóa học và hàng lọat các biện pháp như trồng lúa 3 vụ, phá rừng canh tác cà phê, hồ tiêu, điều… với mục đích khai thác , chạy theo năng suất và sản lượng. Chính vì vậy, với sự canh tác trên đã làm cho đất đai ngày càng thoái hóa, dinh dưỡng bị mất cân đối, mất cân bằng hệ sinh thái trong đất, hệ vi sinh vật trong đất bị phá hủy, tồn dư các chất độc hại trong đất ngày càng cao, nguồn bệnh tích lũy trong đất càng nhiều dẫn đến phát sinh một số dịch hại không dự báo trước. Chính vì vậy, xu hướng quay trở lại nền nông nghiệp hữu cơ với việc tăng cường sử dụng chế phẩm sinh học, phân bón hữu cơ trong canh tác cây trồng đang là xu hướng chung của Việt Nam nói riêng và thế giới nói chung.
Vi khuẩn có ích đối với cây trồng là các vi khuẩn có khả năng kích thích sinh trưởng cây trồng thông qua các cơ chế như cố định ni tơ, sản sinh chất kích thích sinh trưởng thực vật, đối kháng với tác nhân gây bệnh, khống chế dịch hại, tăng cường khả năng hút dinh dưỡng của cây (Sayyed et al., 2019). Việc tìm ra những loài vi sinh vật có ích sống trong vùng rễ mang ý nghĩa thiết thực cho nông nghiệp hiện đại, các vi khuẩn sống xung quanh vùng rễ, dễ hình thành khuẩn lạc, nhân lên với số lượng lớn và ảnh hưởng trực tiếp hoặc gián tiếp giúp cây ngăn cản những tác nhân gây bệnh (Harikesh B. Singh et al., 2017; Sayyed et al., 2019; Sumita Sen and C. N.
Chandrasekhar, 2014; Thampi and Bhai, 2017).
Tiềm năng sử dụng các chế phẩm sinh học trong canh tác nông nghiệp rất lớn, là một hướng đi đúng đắn, hướng tới một nền nông nghiệp hữu cơ, sinh thái bền vững và thân thiện với môi trường.
Ưu điểm của chế phẩm sinh học từ vi sinh vật:
Không ảnh hưởng tiêu cực đến sức khỏe con người, vật nuôi, cây trồng. Không gây ô nhiễm môi trường sinh thái.
Có tác dụng cân bằng hệ sinh thái (vi sinh vật, dinh dưỡng,..) trong môi trường đât nói riêng và môi trường nói chung.
Ứng dụng chế phẩm sinh học không làm hại kết cấu đất, không làm chai đất, thoái hóa đất và làm tăng độ phì của đất.
Có tác dụng đồng hóa các chât dinh dưỡng, góp phần tăng năng suất và chất lượng nông sản.
Có tác dụng tiêu diệt côn trùng gây hại, giảm thiểu bệnh hại, tăng khả năng đề kháng bệnh của cây trồng mà không ảnh hưởng đến môi trường như các thuốc bảo vệ thực vật có nguồn gốc hóa học khác.
Có khả năng phân hủy, chuyển hóa các chất hữu cơ bền vững, các phế thải sinh học, phế thải nông nghiệp, công nghiệp, góp phần làm sạch môi trường .
Do những đặc tính ưu việt của nó nên các chế phẩm này được ứng dụng ngày một rộng rãi hơn.
Môi trường đất là cả một thế giới – một hệ sinh thái phức tạp được hình thành qua nhiều quá trình sinh học, vật lý và hóa học. Hệ sinh thái đất là một thể thống nhất bao gồm các nhóm sinh vật sống trong đất, có sự trao đổi vật chất và năng lượng.
Trong hệ sinh thái đất vi sinh vật đóng vai trò quan trọng và chúng chiếm đại đa số về thành phần cũng như số lượng so với các sinh vật khác.
Vi sinh vật là những cơ thể nhỏ bé dễ dàng phát tán nhờ gió, nước và các sinh vật khác. Bởi vậy nó có thể di chuyển một cách dễ dàng đến mọi nơi trong thiên nhiên. Nhất là những vi sinh vật có bào tử, bào tử của chúng có khả năng sống tiềm sinh trong các điều kiện khó khăn. Khi gặp điều kiện thuận lợi, chúng lại phát triển, sinh sôi. Bởi vậy trên trái đất này, nếu có một loài sinh vật nào phân bố rộng rãi nhất, phong phú nhất thì đó chính là vi sinh vật. Nó phân bố ở khắp mọi nơi. Tuy nhiên, đất là nơi vi sinh vật cư trú nhiều nhất so với các môi trường khác. Sự phân bố của vi sinh vật đất còn gọi là khu hệ vi sinh vật đất.
Các nhóm vi sinh vật chính cư trú trong đất bao gồm: vi khuẩn, vi nấm, xạ khuẩn, virus, tảo, nguyên sinh động vật. Trong đó vi khuẩn là nhóm chiếm nhiều nhất về số lượng, khoảng 90% về tổng số. Xạ khuẩn chiếm khoảng 8%, vi nấm 1%, còn lại 1% là tảo và nguyên sinh thực vật. Các chủng vi khuẩn bao gồm vi khuẩn háo khí, vi khuẩn kị khí, vi khuẩn tự dưỡng, vi khuẩn dị dưỡng, Nếu chia theo nhóm thì lại có nhóm tự dưỡng cacbon, tự dưỡng amin, dị dưỡng amin, vi khuẩn cố định nitơ (L.X.Phương, 2008).
Sự phân bố của vi sinh vật trong đất vô cùng phong phú cả về số lượng cũng như thành phần. Trong quá trình chung sống trong cùng một khu hệ vi sinh vật đất, chúng có một mối quan hệ tương hỗ vô cùng chặt chẽ với nhau. Dựa vào tính chất của các loại quan hệ giữa các nhóm vi sinh vật, người ta chia ra làm 4 loại quan hệ:
+ Quan hệ ký sinh
Là hiện tượng vi sinh vật này sống ký sinh trên vi sinh vật khác, hoàn toàn ăn bám và gây hại cho vật chủ.
Ví dụ như các loại virus sống ký sinh trong tế bào hoặc một vài loài vi khuẩn sống ký sinh trên vi nấm. Các loại vi khuẩn cố địng nitơ cộng sinh thường hay bị một loại thực thể khuẩn sống ký sinh và tiêu diệt. Khi nuôi cấy vi khuẩn Rhizobium trên môi trường dịch thể thường có hiện tượng môi trường đang đục trở nên trong. Nguyên nhân là do thực thể khuẩn xâm nhập và làm tan tất cả các tế bào vi khuẩn – gọi là hiện tượng sinh tan. Khi nuôi cấy vi khuẩn trên môi trường đặc cũng có hiện tượng tương tự. Các thực thể khuẩn này tồn tại ở trong đất trông cây họ Đậu làm ảnh hưởng rất lớn đến quá trình hình thành nốt sần ở cây họ Đậu.
+ Quan hệ cộng sinh
Là quan hệ hai bên cùng có lợi, bên này không thể thiếu bên kia trong quá trình sống.
Ở vi sinh vật người ta ít quan sát thấy quan hệ cộng sinh. Có một số giả thiết cho rằng: Ty thể - cơ qua hô hấp của tế bào vi nấm chính là một vi khuẩn cộng sinh với vi nấm. Giả thiết đó dựa trên cấu tạo của ty thể có cả bộ máy AND riêng biệt, có thể tự sao chép như một cơ thể độc lập. Giả thiết này còn chưa được công nhận hoàn toàn. Lại có giả thiết cho rằng: Các plasmid có trong vi nấm và vi khuẩn chính là sự cộng sinh giữa virus và vi nấm hay vi khuẩn đó. Ví dụ như các plasmid mang gen kháng thuốc lá mang lại mối lợi cho vi khuẩn chủ là kháng được thuốc kháng sinh.
+ Quan hệ hỗ sinh
Là quan hệ hai bên cùng có lợi nhưng không nhất thiết phải có nhau mới sống được như quan hệ cộng sinh. Quan hệ này thường thấy trong sự sống của vi sinh vật vùng rễ.
Ví dụ như mối quan hệ giữa nấm mốc phân hủy tinh bột thành đường và nhóm vi khuẩn phân giải loại đường đó. Mối quan hệ giữa nhóm vi khuẩn phân giải photpho và nhóm vi khuẩn phân giải protein cũng là quan hệ hỗ sinh, trong đó nhóm thứ nhất cung cấp P cho nhóm thứ hai và nhóm thứ hai cung cấp N cho nhóm thứ nhất.
+ Quan hệ kháng sinh
Là mối quan hệ đối kháng lẫn nhau giữa hai nhóm vi sinh vật. Loại này thường tiêu diệt loại kia hoặc hạn chế quá trình sống của nó.
Ví dụ điển hình là xạ khuẩn kháng sinh và nhóm vi khuẩn mẫn cảm với chất kháng sinh do xạ khuẩn sinh ra.
Tất cả các mối quan hệ giữa các vi sinh vật với nhau tạo nên hệ sinh thái vô
cùng phong phú trong đất. Chúng làm nên độ màu mỡ của đất, làm thay đổi tính chất lý hóa của đất và từ đó ảnh hưởng tới cây trồng.
* Vi sinh vật vùng rễ
Vi sinh vật vùng rễ gồm có vi khuẩn, nấm, xạ khuẩn, nguyên sinh động vật.
Trong đó chiếm số lượng đông nhất là vi khuẩn các loại. Giữa các quần thể VSV với nhau thể hiện đầy đủ mối quan hệ hợp sinh, tương hỗ, mối quan hệ đối kháng.
Theo Viện sĩ Protocob. A. I, VSV vùng rễ cây được phân thành 3 nhóm chính:
+ VSV bề mặt rễ: Nhóm này có thành phần và số lượng đông nhất, nhiều nhất, có thể chiếm tới 65 – 70% tổng số VSV vùng rễ.
+ VSV sát rễ: Nhóm này có thành phần và số lượng ít hơn VSV bề mặt rễ, có thể chiếm 15 – 25% tổng số VSV vùng rễ cây.
+ VSV xa rễ: Nhóm này có thành phần và số lượng ít nhất, có thể chiếm tới 5 – 10% tổng số VSV vùng rễ (Nguyễn Xuân Thanh và cs, 2007).
Khu hệ VSV vùng rễ của cây có quan hệ đặc hiệu với loại cây trồng có mặt.
Mỗi loại cây trồng đều có một khu hệ vi sinh vật vùng rễ đặc trưng cho cây đó bởi vì rễ thực vật thường tiết ra một lượng lớn các chất hữu cơ và vô cơ, các chất sinh trưởng, chất độc đới với VSV. Ví dụ như các cây hòa thảo tiết các chất khoáng Ca, Mg, Fe; Cây họ đậu tiết nhiều hợp chất dạng amin. Thành phần và số lượng của các chất đó khác nhau tùy loại cây. Như vậy, bao quanh mỗi hệ rễ có một khu hệ VSV đặc trưng và tương ứng với loại cây trồng đó.
Bảng 1.7. Tỷ lệ VSV vùng rễ cây trồng khác nhau
Đơn vị: CFU/1g đất khô
Loại cây Bề mặt rễ (0-1 cm)
Sát rễ ( 1-5 cm)
Xa rễ ( 5-20 cm)
Ngoài vùng rễ ( >20 cm) Yến mạch 9,2 × 109 3 × 107 6 × 106 1,5 × 106 Thuốc lá 3,6 × 1010 1,2 × 108 5,6 × 107 1,8 × 107
Nguyễn Xuân Thành và cs, 2007.
Những chất tiết ra của rễ có ảnh hưởng quan trọng đến vi sinh vật vùng rễ.
Trên bề mặt và lớp đất nằm sát vùng rễ chứa nhiều chất dinh dưỡng nên tập trung vi sinh vật với số lượng lớn. Càng xa rễ số lượng vi sinh vật càng giảm đi.
Thành phần vi sinh vật vùng rễ không những phụ thuộc vào loại cây trồng mà còn phụ thuộc vào thời kỳ phát triển của cây. Ví dụ: Vi sinh vật phân giải xenlulo có rất ít khi cây còn non nhưng khi cây già thì rất nhiều. Điều đó chứng tỏ vi sinh vật
không những sử dụng các chất tiết của rễ mà còn phân hủy rễ khi rễ cây già, chết đi.
Bảng 1.8 . Thành phần và số lượng VSV vùng rễ
Cây con Cây già
Vi sinh vật Tỷ lệ (%) Vi sinh vật Tỷ lệ (%)
Pseudomonas 40 Pseudomonas 15
Mycobacterium 20 Mycobacterium 10
Chromobacterium 10 Chromobacterium 5
Micrococcus 8 Micrococcus 3
Mucor 5 Mucor 2
Bacillus 3 Bacillus 30
Asperillus 6 Asperillus 18
Vi sinh vật khác 8 Vi sinh vật khác 17
Nguyễn Xuân Thành và cs, 2007.
Theo Protocob. A. I. thì ở giai đoạn cây còn non, những VSV không nha bào chiếm ưu thế. Bảng 2.3. cho thấy ở giai đoạn cây còn non, vi khuẩn Pseudomona, Mycobacterium, Chromobacterium chiếm ưu thế. Ngược lại khi cây già, các loại VSV nha bào, các VSV có khả năng phân hủy, chuyển hóa các chất hữu cơ bền vững như xenlulo, hemixenlulo, lignhin, kitin chiếm ưu thế, như vi khuẩn Bacillus, Agrobacterium, Acetobacter; nấm Asperillus; xạ khuẩn Actinomyces, Streptomyces.
Các vi sinh vật vùng rễ có mối quan hệ cộng sinh hoặc hỗ sinh với cây trồng (P.V.Ty, 2011). Chúng sử dụng những chất tiết của cây làm chất dinh dưỡng, đồng thời cung cấp chất dinh dưỡng cho cây qua quá trình hoạt động phân giải của mình.
Vi sinh vật còn tiết ra các vitamin và các chất sinh trưởng có lợi với cây trồng. Tuy nhiên cũng có nhiều vi sinh vật gây bệnh cho cây, có những loại ức chế sự sinh trưởng của cây, có những loại tàn phá mùa màng nghiêm trọng.
Tuy mỗi loại cây trồng sẽ có một khu hệ VSV vùng rễ đặc trưng riêng, nhưng tất cả những khu hệ VSV quanh rễ đều có những đặc điểm chung:
+ Giữa bộ rễ thực vật và khu hệ VSV có một sự tương tác đặc hiệu về thể loại.
Ví dụ: Ở quanh rễ cây họ đậu bao giờ cũng có vi khuẩn cố định Nitơ và các vi khuẩn phân giải protein; Ở quanh rễ cây hòa thảo có vi khuẩn phân giải tinh bột và lên men đường.
+ Mật độ tổng số của VSV vùng rễ bao giờ cũng lớn hơn vùng xa rễ và mức
chênh lệch này càng ở dưới sâu càng rõ rệt.
Ví dụ: Người ta khảo sát khu hệ VSV vùng rễ cây lúa mì đen
Độ sâu Chênh lệch
0 – 25 cm 300 lần
40 – 60 cm 800 lần
60 – 100 cm 1700 lần
Nguồn: (B.P. Lan và cs, 2004).
+ Số lượng VSV vùng rễ biến thiên theo các thời kỳ sinh trưởng và phát triển của cây trong khi số lượng VSV vùng xa rễ ít phụ thuộc vào các thời kỳ sinh trưởng của cây.
Trong đất, ngoài khu hệ VSV vùng rễ còn tồn tại khu hệ VSV sống xa vùng rễ gọi là khu hệ VSV ngoài vùng rễ. Chúng gồm các nhóm vi khuẩn, xạ khuẩn, nguyên sinh động vật với những đặc điểm sinh lý, sinh thái khác nhau. VSV sống thành quần thể, giữa loại này và loại khác có tác động qua lại lẫn nhau. Chúng là tác nhân chủ yếu của các quá trình chuyển hóa vật chất trong đất.
* Vi sinh vật có ích vùng rễ
Khu hệ vi sinh vật sống quanh vùng rễ không chỉ sử dụng các chất dinh dưỡng do cây trồng tiết ra, đồng thời chúng còn có tác động không nhỏ đến cây trồng thông qua việc tham gia vào quá trình chuyển hóa các hợp chất trong tự nhiên, chuyển hóa những hợp chất mà cây không thể sử dụng được sang dạng cây trồng có thể hấp thu như:
+ Vi sinh vật cố định Nitơ
Trong khí quyển nitơ chiếm gần 80% tức là khoảng 4 triệu tỷ tấn nhưng ở dạng trơ (N≡N) nên hầu hết các tế bào không sử dụng được. Trong các nhà máy phân đạm, để phá vỡ liên kết này cần phải có áp suất và nhiệt độ rất cao. Ấy vậy mà các VSV cố định nitơ có thể phá vỡ liên kết này ở 20oC và áp suất 1 atm, do chúng có enzyme nitrogenaza có thể khử N2 thành NH3.
Có 2 loại VSV cố định nitơ: cộng sinh và sống tự do:
Cộng sinh với cây họ đậu (Rhizobium, Bradyrhizobium) vi khuẩn tạo nốt sần trên rễ các cây lạc, đậu tương, điền thanh, cỏ linh lăng. Vi khuẩn nốt sần có tính chuyên biệt cao. Chúng chỉ tạo nốt sần và cố định nitơ ở một số cây nhất định.
Vi khuẩn lam Anabaena cộng sinh với cây bèo hoa dâu cũng có khả năng cố
định nitơ. Vi khuẩn có dạnh như chuỗi hạt, xen kẽ trong chuỗi là các tế bào dị hình, chứa enzyme nitrogenaza có khả năng khử N2 thành NH3.
Vi khuẩn cố định nitơ sống tự do gồm 2 loại: các vi khuẩn hiếu khí và vi khuẩn kỵ khí
Vi khuẩn hiếu khí dị dưỡng (aerobic heterotroph) gồm azotobater, pseudomonas, achrombacter
Vi khuẩn hiểu khí tự dưỡng (aerobic autotroph) gồm clostridium, klebsiella, desulfovibrio
Vi khuẩn kỵ khí tự dưỡng (anaerobic autotroph) gồm chlorobium, rhodospirillum, methanobacterium.
+ Vi sinh vật Amôn hóa protein
Cây không thể hấp thụ trực tiếp protein hữu cơ từ xác động vật, thực vật chết, chúng phải được phân giải nhờ VSV. Nhiều VSV có khả năng tiết proteaza (gồm proteinaza và peptidaza) Proteinaza phân giải protein thành polypeptit và oligopeptit (chuỗi ngắn) tiếp đó peptidaza phân giải các chuỗi này thành axit amin. Đó là sự thối rữa. Một phần axit amin được VSV sử dụng làm thức ăn, phần còn lại nhờ VSV tiết enzyme loại bỏ nhóm amin để tạo thành NH3 là thức ăn tốt cho cây.
Rất nhiều VSV có khả năng amôn hóa protein thuộc các chi vi khuẩn (Bacillus, preudomanas, clostridium…) xạ khuẩn (streptomyces); nấm (asperpillus, penicillium)
Urê chiếm 2% trong nước tiểu và chứa 47% nitơ, tuy nhiên cây cũng không hấp thụ trực tiếp được. Do vậy urê cũng phải được amôn hóa. Nhiều VSV thuộc các chi Bacillus, Micrococcus, proteus … có khả năng sinh ureaza lúc đầu phân giải urê thành cacbonat amon sau đó chuyển thành NH3, CO2, H2O.
Ngoài protein và ure nhiều VSV cũng sinh ra kitinaza để amôn hóa kitin thành NH3. Kitin có nhiều ở vỏ công trùng và nấm.
+ Vi sinh vật Nitrat hóa
Nhờ cố định nitơ và amôn hóa mà thực vật và VSV nhận được NH3. Chất này lại được oxi hóa nhờ các VSV khác để tạo ra nitrat, vì thế có tên chung là quá trình nitrat hóa. Thực ra quá trình này gồm 2 giai đoạn: giai đoạn đầu nhờ vi khuẩn Nitrosomonas, Nitrosospira … (vi khuẩn hóa tự dưỡng) oxi hóa NH4+ thành NO2 nên gọi là quá trình nitrit hóa:
NH4+ + 3/2O2 → NO2- + H2O + 2H + năng lượng
Giai đoạn 2, oxi hóa NO2- thành NO3- nhờ vi khuẩn Nitrobacter,