2.3.1. Vi sinh vật cố định Nitơ (Vi khuẩn Azotobacter)
Trong đất và nƣớc tồn tại một số vi khuẩn sống tự do có khả năng cố định nitơ không khí, tổng hợp thành đạm cung cấp cho đất và cây trồng. Một trong số vi khuẩn quan trọng đó là Azotobacter. Azotobacter đƣợc phân lập lần đầu tiên vào năm 1901, đó là loài Azotobacter chroococcum. Về sau, ngƣời ta tìm thấy nhiều loài khác nhau trong chi Azotobacter. Azotobacter là vi khuẩn gram âm, hiếu khí, sống tự do và có mặt ở hầu hết các loại đất và hệ sinh thái nông nghiệp với số lƣợng khác nhau, trong đó đất giàu mùn có độ pH trung tính chứa nhiều Azotobacter nhất [8].
Azotobacter có tế bào hình trứng lớn. Đƣờng kính tế bào 1,5 – 2,0 mm hoặc hơn nữa. Tế bào chuyển động nhờ tiêm mao hoặc không có khả năng chuyển động. Azotobacter có khả năng tạo chuyển thành dạng nang tế bào (cyst) .
Phần lớn các chủng Azotobacter phân lập đƣợc từ thiên nhiên có khả năng cố định đƣợc trên 10 mg N2 khi tiêu thụ hết 1g các hợp chất cacbon. Một số chủng Azotobacter trong những điều kiện thích hợp có khả năng đồng hoá đƣợc đến 300 mg N2/1g hợp chất cacbon [8].
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn
Nhiều nghiên cứu cho biết khi phát triển chung với một số vi sinh vật khác Azotobacter sẽ có hoạt động cố định nitơ cao hơn so với nuôi cấy riêng rẽ. Azotobacter sẽ đem một phần nitơ đồng hoá đƣợc đƣa vào môi trƣờng dƣới dạng NH2, axit amin hoặc protein [8].
Sự phát triển và cố định nitơ của Azotobacter trong đất còn chịu ảnh hƣởng mật thiết của khu hệ các vi sinh vật đất. Bên cạnh các nhóm vi sinh vật có ảnh hƣởng tốt đối với sự phát triển của Azotobacter (tổng hợp các chất hoạt động sinh học, phân giải các thức ăn hữu cơ bền vững) còn có nhiều nhóm vi sinh vật có khả năng làm ức chế sự phát triển của Azotobacter (cạnh tranh thức ăn, sản sinh chất kháng sinh v.v...) [8].
Đã có nhiều công trình nghiên cứu đề cập đến mối quan hệ giữa
Azotobacter và cây trồng. Azotobacter thƣờng xuyên có mặt trong vùng rễ cây trồng với số lƣợng cao hơn nhiều so với ngoài vùng rễ. Số lƣợng của chúng còn biến đổi phụ thuộc vào từng loài cây, từng giai đoạn phát triển của cây và nhiều yếu tố sinh thái - địa lý khác. Ngƣời ta đã chứng minh đƣợc rằng
Azotobacter không phát triển trên bề mặt rễ mà phát triển trong đất xung quanh rễ [8].
Azotobacter có tác dụng làm tăng cƣờng thức ăn nitơ cung cấp cho cây trồng. Trung bình khi tiêu thụ hết 1g các chất sinh năng lƣợng,
Azotobacter có khả năng đồng hoá đƣợc khoảng 10 – 15 mg nitơ phân tử [8]. Phân bón vi sinh vật Azotobacter có thể đƣợc coi là loại phân bón vi sinh vật đƣợc ứng dụng sớm nhất. Sau đó trong quá trình nghiên cứu, các nhà khoa học đã khám phá ra Azotobacter không chỉ có khả năng cố định nitơ mà còn có khả năng sinh tổng hợp hoạt chất kích thích sinh trƣởng thực vật, một số vitamin và hoạt chất ức chế sự sinh trƣởng, phát triển của một số vi nấm gây bệnh vùng rễ một số cây trồng [8].
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn
Sản phẩm phân bón vi sinh vật cố định nitơ tự do từ vi khuẩn
Azotobacter đã đƣợc sản xuất tại Mỹ, Úc và sử dụng ở nhiều nơi trên thế giới và đã mang lại hiệu quả kinh tế xã hội tƣơng đối cao. Ở Việt Nam, Sản phẩm phân bón vi sinh vật chứa vi khuẩn cố định nitơ tự do (Azotobacter) đã đƣợc khảo nghiệm hiệu lực đối với cây trồng trên đồng ruộng và đƣợc đƣa vào danh mục các loại phân bón đƣợc phép sử dụng tại Việt Nam [8].
2.3.2. Vi sinh vật phân giải lân
Việc tiến hành phân lập các chủng vi sinh vật có khả năng phân giải các hợp chất phốtpho vô cơ khó tan đã đƣợc tiến hành từ những năm 40 của thế kỷ XX qua các công trình của Gerretsen (1948), Sperber (1958), Low (1959)…sau đó đến các công trình của Greaves năm 1965… và ngày nay công việc này vẫn đƣợc tiếp tục bởi các tác giả Kucey (1997), Kappoor (1989), Salish (1989), Sattar (1989), Richardson (1997)…trên các vùng đất, các loại đất khác nhau.
Đồng thời với việc phân lập, việc nghiên cứu để làm sáng tỏ cơ chế của sự phân giải cũng đƣợc tiến hành từ khá sớm với các đóng góp của Sperber (1958), Rose (1986)…
Ngày nay danh sách các vi sinh vật có khả năng phân giải các nguồn phốtpho khó tan khác nhau đã đƣợc công bố.
Bảng 5. Các vi sinh vật có khả năng phân giải các nguồn phốtpho khó tan khác nhau
Các vi sinh vật Nguồn phốtpho
Vi khuẩn, xạ khuẩn
Bacillus sp, B. pulvifacien, B. megaterium, B. circulans, B. subtilis, B. mycoides, B. mesenteries, B. fluorescence, Pseudomonas sp, P. putida, P. liquifaciens, P. culcis, P. rathonia.
Escherichia freundii, E. intermedia
Chất khoáng Tricanxi phốtphat Canxi phốtphat Sắt phốtphat Hydroxyapatit Fluorapatit
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn Xanthomonas spp. Flarobacterium spp. Brevibacterium spp. Serratia spp. Alcaligenes spp. Achromobcuter spp. Aerobacter acrogens. Erwinia spp. Nitrosomonas spp. Thiobaccillus thiooxidans Nấm
Asperigillus sp, A. niger, A. flavus. A. fumigatus, A. terreus, A. awamori Penicillium sp, P. lilacinum, P. digatatum. Fusarium sp, F. oxysporum. Curvalaria lunata. Humicola sp. Sclerotium rolfsii. Pythium sp. Phoma sp. Mortierella sp. Paecilomyces sp. Cladosporium sp. Rhodotorula sp. Candida sp. Schwanniomyces occidentalis. Oideodendron sp. Pseudogymnoascus sp. Quặng phốtphat Chất hữu cơ Canxi phytate Canxi Glyxerophotphat Phytin Lecithin Hexose Monophotphat Este
Các phốtphat hữu cơ khác
Qua bảng 5 cho thấy, các vi sinh vật phân giải phốtpho thuộc nhiều nhóm khác nhau bao gồm vi khuẩn, nấm và xạ khuẩn. Chúng đƣợc phân lập
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn
từ các nguồn khác nhau. Số lƣợng các loài trong đất phụ thuộc vào nguồn cácbon, nitơ, dạng phốtpho khó tan, pH, nhiệt độ… (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
2.3.3. Vi sinh vật kích thích sinh trưởng
Thuật ngữ vi khuẩn vùng rễ kích thích sinh trƣởng thực vật (Plant Growth Promoting Rhizobacteria – PGPG) đƣợc sử dụng đầu tiên vào năm 1970 bởi Kloepper và Schroth cùng các cộng sự.
Vi khuẩn vùng rễ kích thích sinh trƣởng (PGPR) đại diện chung cho một quần thể VSV đất lớn thƣờng sống thành quần thể cùng với cây chủ, nhờ đó mà nó có thể kích thích sự tăng trƣởng của cây chủ. Cơ chế hoạt động của chúng đƣợc hiểu nhƣ là một loại phân bón sinh học vì chúng trực tiếp cung cấp các chất dinh dƣỡng cho cây chủ, hoặc có tác động gián tiếp và tích cực đến sự phát triển của rễ hoặc hỗ trợ cho các quan hệ cộng sinh hữu ích khác. Tuy nhiên không phải tất cả PGPR đều là phân bón sinh học vì nhiều loại PGPR có thể kích thích sinh trƣởng thực vật bằng cách kiểm soát các loại VSV gây bệnh (theo tóm tắt về việc coi PGPR nhƣ là tác nhân kiểm soát sinh học - Whipps, 2001, Zehnder và mọi ngƣời, 2001) .
PGPR tăng cƣờng sinh trƣởng thực vật theo con đƣờng trực tiếp hoặc gián tiếp nhƣng những cơ chế cụ thể rất rắc rối và phức tạp nên chƣa đƣợc miêu tả cụ thể. Cơ chế trực tiếp của việc kích thích sinh trƣởng cây trồng bởi PGPR đƣợc chứng minh có thể là do vắng mặt những tác nhân gây bệnh cho thực vật hoặc những vi sinh vật vùng rễ khác. Trong khi đó những cơ chế gián tiếp đòi hỏi khả năng của PGPR làm giảm những tác động có hại của những tác nhân gây bệnh đến năng suất cây trồng. PGPR đã đƣợc ghi nhận là trực tiếp làm tăng sinh trƣởng cây trồng bằng các cơ chế khác nhau:
- Sự cố định Nitơ không khí để chuyển vào thực vật: vi khuẩn cộng sinh trong rễ cây họ đậu Rhizobium sẽ tăng cƣờng quá trình khử Nitơ không khí thành dạng đạm amoni khi có mặt thêm PGPR
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn
- Việc sản sinh ra các siderophores: Các vi khuẩn sẽ tăng cƣờng tạo móc hóa học lấy và giữ các nguyên tử sắt để ức chế sinh trƣởng phát triển của các vi khuẩn khác
- Sự hòa tan các khoáng chất nhƣ photpho: Sự hấp thu khoáng chất trực tiếp làm tăng sinh trƣởng thực vật do làm tăng sự lƣu chuyển dòng ion tại bề mặt rễ khi có sự hiện diện của PGPR
- Sự tổng hợp các phytohormon: PGPR nâng cao năng suất cây trồng bằng cách tổng hợp auxin và cytokinin hoặc can thiệp vào sự tổng hợp ethylen ở cây trồng.
Trong các cơ chế trực tiếp làm tăng sinh trƣởng thực vật thì cơ chế tổng hợp nên các phytohormon (đặc biệt là khả năng tổng hợp indole acetic acid – IAA) là cơ chế đang đƣợc tập trung nghiên cứu nhiều nhất, thể hiện rõ nhất khả năng kích thích sinh trƣởng thực vật của các vi sinh vật vùng rễ.
PGPR gián tiếp nâng cao sinh trƣởng ở cây trồng thông qua sự ngăn chặn các nguồn bệnh ở cây trồng bởi các cơ chế khác nhau:
- Khả năng sản xuất các siderophores
- Khả năng tổng hợp các chất kháng nấm nhƣ là thuốc kháng sinh để ngăn chặn sự phát triển của các nguồn nấm gây bệnh
- Khả năng cạnh tranh dinh dƣỡng hoặc các nơi cƣ trú ở gốc với các nguồn bệnh
- Khả năng tạo ra hệ thống đề kháng
Nói chung, PGPR nâng cao sinh trƣởng thực vật có thể bằng một hoặc nhiều cơ chế trực tiếp và gián tiếp khác nhau. Các phƣơng pháp tiếp cận bằng hóa sinh và sinh học phân tử đang cung cấp cái nhìn mới sâu sắc hơn về cơ sở di truyền của các đặc điểm trên, các con đƣờng sinh tổng hợp liên quan và tầm quan trọng của lĩnh vực kiểm soát sinh học trong các nghiên cứu ở phòng thí nghiệm và thực tế trên đồng ruộng [4].
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn
Trên thế giới đã nghiên cứu và phát hiện có rất nhiều chủng vi sinh vật có khả năng sản sinh chất kích thích sinh trƣởng thực vật theo các cơ chế khác nhau đã nêu ở trên. Dƣới đây là một số chủng vi sinh vật điển hình:
Bacillus là tên của một chi gồm các vi khuẩn hình que, Gram dƣơng, hiếu khí, thuộc về họ Bacillaceae trong Firmicutes. Bacillus sử dụng khí oxy làm chất nhận electron khi trao đổi khí trong quá trình trao đổi chất. Qua kính hiển vi, Bacillus đơn lẻ có hình dạng giống những chiếc que, phần lớn những chiếc que này có bào tử trong hình oval có khuynh hƣớng phình ra ở một đầu. Thƣờng thì ngƣời ta quan sát thấy tập đoàn vi sinh vật này rất rộng lớn, có hình dạng bất định và đang phát triển lan rộng. Một số Bacillus có khả năng sinh chất kích thích sinh trƣởng thực vật, đối kháng với một số bệnh trên cây trồng và sử dụng trong sản xuất các sản phẩm sinh học ứng dụng trong thực tế.
Vi khuẩn Pseudomonas là vi khuẩn Gram âm, thuộc ngành
Proteobacteria, lớp Gamma Proteobacteria, chi Gamma Proteobacteria, loài
Pseudomonas.
Vi khuẩn Rhizobium tồn tại trong đất, có thể xâm nhập vào các lông hút của rễ cây họ đậu và kích tác tạo thành nốt sần nên còn gọi là vi khuẩn nốt sần. Rhizobium thuộc nhóm vi khuẩn Gram âm, sống hiếu khí, có dạng hình que, có khả năng di động và không sinh bào tử. Vi khuẩn phát triển tối ƣu ở nhiệt độ 28 - 30o
C và pH trung tính 6,5 – 7,0. Nhu cầu dinh dƣỡng của
Rhizobium không có gì đặc biệt. Chúng có thể sử dụng đƣờng, rƣợu và một vài loại axit làm nguồn năng lƣợng. Một số nòi Rhizobium cần phải lấy vitamin và chất kích thích sinh trƣởng từ môi trƣờng, một số khác có thể tự tổng hợp đƣợc. Trên môi trƣờng đặc, vi khuẩn nốt sần thƣờng tạo thành những khuẩn lạc trơn bóng, nhầy, vô màu. Chất nhầy do vi khuẩn nốt sần tiết ra là một loại polysaccatir cấu tạo bởi các hexozan, pentoza và axit uronic.
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn
Vi khuẩn Azotobacter là một loại vi khuẩn háo khí, Gram âm, không sinh bào tử, sống tự do và có mặt ở hầu hết các loại đất và hệ sinh thái nông nghiệp với số lƣợng khác nhau, trong đó đất giàu mùn có độ pH trung tính chứa nhiều Azotobacter nhất. Phân bón vi sinh vật Azotobacter có thể đƣợc coi là loại phân bón vi sinh vật đƣợc ứng dụng sớm nhất. Sau đó trong quá trình nghiên cứu, các nhà khoa học đã khám phá ra Azotobacter không chỉ có khả năng cố định Nitơ mà còn có khả năng sinh tổng hợp hoạt chất kích thích sinh trƣởng thực vật, một số vitamin và hoạt chất ức chế sinh trƣởng, phát triển của một số vi nấm gây bệnh vùng rễ một số cây trồng. Khuẩn lạc
Azotobacte lồi, đàn hồi, hơi nhầy, khi còn non có màu trắng, khi già có màu xẫm dần.
Vi khuẩn Azospirillum là loại vi khuẩn Gram âm, có dạng xoắn từ nửa vòng đến vài vòng, sống hội sinh trong vùng rễ cây hòa thảo, cây bộ đậu, bông và rau. Trong vùng rễ cây, Azospirillum nhận các chất hữu cơ từ chất tiết rễ cây làm nguồn dinh dƣỡng, tổng hợp đạm cung cấp trở lại cho cây và đất. Quá trình cố định đạm do vi khuẩn Azospirillum đƣợc xảy ra trong vùng phân cách hiếu khí và yếm khí của rễ cây do vậy ngƣời ta gọi Azospirillum là loại vi khuẩn vi hiếu khí. Giống nhƣ Azotobacter, Azospirillum ngoài khả năng cố định nito còn có thể sinh tổng hợp một số hoạt chất kích thích sinh trƣởng thực vật [1].
2.4. Ảnh hƣởng của điều kiện môi trƣờng đến sinh trƣởng, phát triển của vi sinh vật vi sinh vật (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
2.4.1. Nguồn dinh dưỡng
Vi sinh vật cũng nhƣ các loài động thực vật khác, chúng luôn có nhu cầu sử dụng các nguồn dinh dƣỡng để duy trì các hoạt động sống. Các chất dinh dƣỡng đối với vi sinh vật là những chất chúng có thể hấp thụ từ môi trƣờng xung quanh và đƣợc sử dụng làm nguyên liệu để cung cấp cho quá trình sinh
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn
tổng hợp tạo ra các thành phần của tế bào hoặc để cung cấp cho các quá trình trao đổi năng lƣợng. Tuy nhiên, không phải mọi thành phần của môi trƣờng nuôi cấy đều đƣợc coi là chất dinh dƣỡng. Một số chất rắn cần thiết cho vi sinh vật nhƣng chỉ làm nhiệm vụ bảo đảm các điều kiện thích hợp về thế oxy hoá - khử, về pH, về áp suất thẩm thấu, về cân bằng ion v.v… Chất dinh dƣỡng phải là những chất có tham gia vào quá trình trao đổi chất nội bào.
2.4.2. Nguồn cacbon
Cacbon chiếm tỷ lệ trên 50% vật chất khô của vi sinh vật. Cacbon là yếu tố đặc biệt quan trọng trong cấu trúc tất cả các hợp chất có mặt trong tế bào. Hợp chất cacbon là nguồn năng lƣợng quan trọng trong hoạt động sống của vi sinh vật. Trong tự nhiên có hai dạng hợp chất cacbon cơ bản là: Cacbon vô cơ và cacbon hữu cơ. Các loại vi sinh vật khác nhau sử dụng các nguồn cacbon sẽ không giống nhau. Tuỳ theo nhóm vi sinh vật mà nguồn cacbon đƣợc cung cấp có thể là chất vô cơ (CO2, NaHCO3, CaCO3…) hoặc chất hữu cơ. Giá trị dinh dƣỡng và khả năng hấp thụ các nguồn thức ăn cacbon phụ thuộc vào hai yếu tố:
+ Thành phần hoá học và tính chất sinh lý của nguồn thức ăn + Đặc điểm sinh lý của từng loại vi sinh vật
Hầu nhƣ không có hợp chất cacbon hữu cơ nào mà không bị nhóm vi sinh vật này hoặc nhóm vi sinh vật khác phân huỷ.
2.4.3. Nguồn nitơ
Nguồn dinh dƣỡng nitơ có ý nghĩa rất quan trọng đối với sự phát triển của vi sinh vật. Nguồn nitơ dễ hấp thụ đối với vi sinh vật là NH3 và NH4
+
. Muối nitrat là nguồn thức ăn Nitơ thích hợp đối với nhiều loại tảo, nấm sợi và xạ khuẩn nhƣng ít thích hợp với nhiều loại nấm men và vi khuẩn. Sau khi vi sinh vật sử dụng hết gốc NO3-