Năm 1886, Hellriegel và Uynfac đã khám phá ra bí ẩn của quá trình cố định nitơ phân tử. Họ đã chứng minh đƣợc khả năng của cây bộ đậu lấy đƣợc nitơ khí quyển là nhờ vi khuẩn nốt sần sống ở vùng rễ cây bộ đậu và đặt tên cho loại vi khuẩn này là Bacillus radicicola. Năm 1889, Pramovskii đã đổi tên vi khuẩn này là Bacterium radicicola. Đến cuối năm 1889, Frank đề nghị đổi tên là Rhizobium [11].
Vi khuẩn nốt sần cộng sinh với cây bộ đậu, thuộc loại hiếu khí, Gram âm, không sinh bào tử. Vi khuẩn nốt sần phát triển tốt ở pH: 6,5 – 7,5; nhiệt độ: 24 – 26oC; độ ẩm: 50 – 70%. Có hình dạng thay đổi tuỳ theo từng giai đoạn phát triển và điều kiện sống: khi còn non có hình que ngắn, bắt màu đồng đều và có khả năng chuyển động nhờ tiêm mao; khi về già bất động, tế bào có kích thƣớc lớn, chứa nhiều glycogen, volutin và lypoprotein gọi là thể giả khuẩn. Thể giả khuẩn là trạng thái duy nhất có khả năng cố định nitơ của vi khuẩn nốt sần, giai đoạn này trùng với giai đoạn ra hoa của thực vật, khi đó cƣờng độ cố định nitơ của chúng là cực đại. Vi khuẩn nốt sần có tính chuyên hoá cao, mỗi loài chỉ xâm nhiễm một nhóm cây họ đậu nhất định.
Ngay từ 1888, ngƣời ta đã phát hiện rằng vi khuẩn nốt sần cộng sinh với cây trồng thuộc bộ đậu có thể cố định đƣợc nitơ trong khí quyển nhƣng khi nó sống đơn độc trong đất lại không làm đƣợc điều đó. Quá trình khử N thành NH3 là do sự tham gia của nitrogenaza trong vi khuẩn, nitrogenaza tạo thành từ 2 bản thể: Một bản thể có phân tử thấp và chứa Fe; một bản thể có
phân tử lƣợng cao và chứa Fe + Mo. Khi ở trong đất, 2 bản thể này tách rời nhau nên vi khuẩn không có khả năng cố định nitơ. Chỉ khi vào nốt sần có ATP của cây làm cho nó khít lại, khi đó quá trình khử nitơ mới diễn ra.
Vi khuẩn nốt sần xâm nhập vào rễ cây bộ đậu thông qua các lông hút hoặc những tế bào bị thƣơng của biểu bì và vỏ rễ, đặc biệt là những chỗ phân nhánh của rễ. Do sự kích thích của vi khuẩn, rễ tiết ra chất dịch bao vây lấy đƣờng đi của vi khuẩn và cũng là chống lại sự xâm nhập của vi khuẩn, chúng tạo thành dây xâm nhập nên vi khuẩn chỉ tiến vào tầng nội bì của rễ. Trong dây xâm nhập vi khuẩn tiếp tục sinh sản, làm kích thích các tế bào bị xâm nhiễm và các tế bào bao xung quanh, chúng nhanh chóng vào các tổ mô phân sinh và hình thành các tế bào mới, từ đó phình ra tạo thành nốt sần [17]. Những nốt sần có khả năng cố định N phải là những nốt có dịch màu hồng đỏ là màu của leghemoglobin, khi nốt sần già không thấy có leghemoglobin trong dịch, nốt sần mất màu hồng đỏ và cũng không còn khả năng cố định N.
Tổ chức nông lƣợng thế giới (FAO) đã ƣớc tính khả năng cố định nitơ cộng sinh của vi khuẩn nốt sần làm tăng năng suất của cây 10 – 15%, đồng thời tăng phẩm chất một cách rõ rệt. Bón vi khuẩn nốt sần có tác dụng thúc đẩy quá trình sinh trƣởng phát triển của cây nhanh hơn, sớm ra hoa đậu quả, số lƣợng nốt sần trên rễ nhiều hơn, giảm sâu bệnh từ 25 – 50% so với phân bón hóa học [15].
Vi khuẩn nốt sần sử dụng nguồn dinh dƣỡng cacbon của lạc (dƣới dạng gluxit) và năng lƣợng, đồng thời cung cấp N dƣới dạng NH3 đƣợc cố định từ N của không khí [12]. Khi nốt sần già vỡ ra, vi khuẩn trở lại cuộc sống.
Theo ThomTon H. G, Kleczekowski (1950): “Các chủng vi khuẩn nào có khả năng sống sót tối đa là những chủng có khả năng tạo nốt sần tối đa”, chính vì vậy phải biết đƣợc khả năng cạnh tranh tạo nốt sần của chủng vi khuẩn trƣớc khi đƣa ra đồng ruộng. Từ đó, khi sản xuất chế phẩm vi khuẩn
nốt sần cần phải chọn đƣợc những chủng có sức sống cao, sinh trƣởng, phát triển mạnh, có khả năng cố định đạm cao, đồng thời phải cạnh tranh đƣợc với các loại vi sinh vật đối kháng trong đất.
1.2.3. Một số yếu tố ảnh hưởng đến quá trình cố định nitơ
Ảnh hƣởng của pH của đất: pH ảnh hƣởng đến sự sinh trƣởng và tạo nốt sần ở rễ của vi khuẩn cố định nitơ. Ở pH nhỏ hơn 4 không thành lập đƣợc nốt sần. Hiện tƣợng cố định N xảy ra tốt ở pH trên 5. Ở đất phèn pH thấp, nhiều nhóm và sắt, độc cho vi khuẩn cố định N cộng sinh lẫn không cộng sinh.
Ảnh hƣởng của hàm lƣợng chất đƣờng bột trong cây: vi khuẩn cố định N rất cần chất đƣờng bột do cây cung cấp nên ở mức độ bình thƣờng khả năng đồng hóa N không khí tỉ lệ thuận với hàm lƣợng đƣờng bột trong cây hay tỉ lệ với tỉ số C/N trong cây. Tuy nhiên, khi gặp thời tiết nắng gay gắt hàm lƣợng C quá cao làm giảm tốc độ cố định nitơ của vi khuẩn. Dù vậy, trong điều kiện thiếu nắng, tốc độ cố định nitơ của vi khuẩn cũng giảm sút rõ rệt.
Ảnh hƣởng của đạm NH4+ và NO3 -: trong đất có hàm lƣợng NH4+ và NO3 -
cao, vi khuẩn có khuynh hƣớng sử dụng NH4 +
hoặc NO3 -
hơn là cố định N khí trời. Ngoài ra, khi bón nhiều phân N vô cơ, số nốt rễ ở cây đậu sẽ giảm bớt. Còn ở đất có hàm lƣợng NH4+ và NO3- kém, số nốt sần và trọng lƣợng nốt sần sẽ gia tăng.
Ảnh hƣởng của P và K: P và K cũng có ảnh hƣởng đến tốc độ cố định nitơ của vi khuẩn vì là những chất tối cần thiết cho cây và vi khuẩn.
Ảnh hƣởng của chất môlípđen (Mo): Mo là vi lƣợng rất cần cho vi khuẩn cố định N, nhƣng với lƣợng rất nhỏ. Ở đất chua, Mo bị cố định nên nếu trộn một lƣợng nhỏ muối Mo vào hạt đậu thì có khả năng tăng thêm tốc độ cố định nitơ.
Ảnh hƣởng của thực khuẩn thể (bacteriophage): trong đất vi khuẩn cố định nitơ vẫn có thể bị thực khuẩn thể ký sinh và gây chết. Ở đất trồng đậu,
một số thực khuẩn thể có thể đƣợc tích lũy cao trong đất, sẽ tấn công tiêu diệt các chủng vi khuẩn cố định nitơ nhiểm thực khuẩn thể, do đó có thể làm giảm khả năng cố định nitơ của cây đậu.
1.3. Vai trò và ảnh hƣởng của vi khuẩn cố định nitơ lên cây trồng
Nitơ có ý nghĩa rất quan trọng đối với sự sống thực vật. Nitơ là yếu tố dinh dƣỡng đóng góp rất quan trọng trong việc điều tiết quá trình sinh lý, trao đổi chất của cây. Nitơ còn là thành phần của nhiều vitamin B1, B2, B6,… đóng vai trò là nhóm hoạt động của nhiều hệ enzym oxy hóa khử, trong đó có sự tạo thành của adenin. Nitơ còn có tác động nhiều mặt đến sự đồng hóa CO2, khi thiếu nitơ cƣờng độ đồng hóa giảm làm giảm cƣờng độ quang hợp. Khi cung cấp đầy đủ nitơ cho cây làm tổng hợp auxin tăng lên. Nitơ còn ảnh hƣởng đến chỉ số hóa keo của chất sống nhƣ độ ƣa nƣớc, độ nhớt… từ đó ảnh huởng đến cƣờng độ quang hợp, hô hấp và các quá trình sinh lý trao đổi chất trong quá trình sinh trƣởng và phát tiển của cây. Nếu cây hấp thụ N vƣợt quá nhu cầu thì thân cây sẽ mền yếu và khó hình thành hoa. Tuy nhiên, nếu không cung cấp đủ lƣợng cần thiết cây sẽ bị cứng.
Cây trồng hấp thụ nitơ từ môi trƣờng dinh dƣỡng và từ khí quyển. Ở một số loài cây, trong giai đoạn đầu sinh trƣởng sinh dƣỡng cần một lƣợng nitơ vừa đủ, thân cây sẽ phát triển cứng cáp. Khi cây đã phát triển cành để đậu quả và khi trái chín thì nhu cầu nitơ sẽ cao. Khi thiếu nitơ thì thân lá, bộ rễ sẽ kém phát triển, ảnh hƣởng đến quang hợp nên năng suất giảm rõ rệt [1], [6].
Vi khuẩn nốt sần là vi khuẩn đất có khả năng nhiễm vào các lông hút của rễ cây họ đậu và kích tác tạo các nốt sần trên rễ cây đậu. Ở cây thuộc họ đậu, ngƣời ta còn nhận thấy hàng năm vi khuẩn nốt sần cộng sinh trong rễ có thể làm giàu thêm cho đất trung bình 75 – 200kgN/ha [4].
Nhờ hệ thống cộng sinh với vi khuẩn nốt sần nên cây họ đậu có khả năng cố định đạm từ không khí để phục vụ cho sự sinh trƣởng và phát triển,
do đó mà nó bù đắp lại cho đất một lƣợng đạm cao tạo điều kiện thuận lợi cho các vụ canh tác tiếp theo. Nhờ sự cộng sinh với vi khuẩn nốt sần, cây họ đậu có khả năng cố định một lƣợng đạm đáng kể từ N tự do trong không khí, để đáp ứng một phần nhu cầu của cây và bồi dƣỡng đạm cho đất. Cây họ đậu rất thích hợp để đƣa vào hệ thống luân canh với lúa, nhằm nâng cao hiệu quả kinh tế, tận dụng tài nguyên thiên nhiên và bảo vệ độ màu mỡ của đất. Nốt sần phát triển quanh cổ rễ nhờ vi khuẩn có sẵn trong đất khi đậu giống cho rễ non đầu tiên. Sau khi thành lập 2 – 3 tuần nốt sần có thể cố định đạm, khả năng cố định kéo dài đến khi nốt sần bị hƣ thối. Theo FAO (1984), vi khuẩn cộng sinh trên rễ cây đậu nành có khả năng cố định từ 60 – 168kgN/ha/năm.
Nghiên cứu trên cây đậu tƣơng nhận thấy lƣợng đạm cố định đƣợc đạt trung bình trong một vụ là 94kgN/ha (tƣơng đƣơng với hơn 200kg urea), trong trƣờng hợp thuận lợi có thể lên đến 168kgN/ha (gần bằng 400kg urea). Lƣợng đạm cố định đƣợc có thể đáp ứng đến 74% nhu cầu đạm của cây đậu tƣơng [17]. Đạm từ khí trời đƣợc các vi sinh vật cộng sinh với rễ cây họ đậu cố định dƣới dạng đạm hữu cơ và sau khi chúng chết đi lƣợng đạm đó đƣợc giải phóng làm giàu cho đất. Mỗi hecta trồng cây họ đậu có thể tích lũy thêm cho đất 40 – 200kgN.
Ngoài ra vi khuẩn cố định đạm sống tự do (hiếu khí và kị khí) cũng có khả năng làm giàu thêm cho đất hàng năm vào khoảng 15 – 16kgN/ha (khoảng 75 – 300kg đạm sunfat) [37].
1.4. Tình hình sử dụng và sản xuất chế phẩm vi khuẩn cố định nitơ trên Thế giới và Việt Nam Thế giới và Việt Nam
1.4.1. Tình hình sử dụng và sản xuất chế phẩm vi khuẩn cố định nitơ trên Thế giới Thế giới
Phân bón vi sinh do Noble Hiltmer sản xuất lần đầu tiên tại Đức năm 1896 và đƣợc đặt tên là nitragin. Sau đó loại phân bón vi sinh này đƣợc phát
triển sản xuất tại nhiều nƣớc trên thế giới nhƣ ở Mỹ (1896), Canada (1905), Nga (1907), Anh (1910), Thụy Điển (1914), và nhờ công nghệ tiên tiến mà ngày càng phong phú và phát huy tác dụng cao.
Ở Mỹ năm 1895 lần đầu tiên ngƣời ta đã sản xuất đƣợc nitragin – phân vi sinh để đƣa vào ứng dụng trong nông nghiệp. Số lƣợng phân vi khuẩn nốt sần sản xuất ở Mỹ hàng năm có thể xử lý cho 650 nghìn tấn hạt giống cây họ đậu (Erdman 1962) [14]. Năm 1968, hơn 70% diện tích trồng đậu đã đƣợc xử lý bằng chế phẩm vi sinh vật cố định nitơ.
Ở Nga, vào đầu thế kỷ XX ngƣời ta đã bắt đầu thí nghiệm dùng chế phẩm vi khuẩn nốt sần để tẩm cho cây họ đậu và sau cách mạng tháng Mƣời những thí nghiệm đó đã đƣợc mở rộng. Nhà Nông học Xô Viết nổi tiếng Doyarenko A.G đã viết rằng: “Ở Liên Xô việc sử dụng chế phẩm vi khuẩn nốt sần đã trở thành biện pháp cơ bản phổ biến trong trồng trọt” [14].
Hiệu quả của việc nhiễm chế phẩm Azotobacter sp cho đất và hạt giống, cây con đã đƣợc chứng minh trên các thí nghiệm đồng ruộng. Theo nghiên cứu của Puneet (1998) cho thấy việc nhiễm Azotobacter sp kích thích nẩy mầm của hạt, kích thích ra rễ và sinh trƣởng, năng suất của lúa mì, ngô tăng từ 10 – 15% so với các mẫu đối chứng [28].
Tổng kết các kết quả nghiên cứu của Nhật Bản, Hoa Kỳ, Trung Quốc, Ấn độ cho thấy sử dụng chế phẩm Azotobacter có thể cung cấp cho cây trồng từ 30 – 60kgN/ha/năm. Vi khuẩn cố định N tự do Azotobacter còn có khả năng tổng hợp B1, giberillin, cytokinin kích thích tăng trƣởng cây trồng [29].
Fulchieri (1993) nghiên cứu sử dụng 3 chủng Azospirilum để xử lý hạt cho ngô. Kết quả cho thấy đã làm tăng chiều cao cây, tăng sinh khối và tăng năng suất ngô lên tới 59% so với đối chứng, các chủng này có thể cung cấp khoảng 60kgN/ha [23].
El – Komy (2005) nghiên cứu phối hợp 2 chủng vi khuẩn cố định nitơ là Azospirillum và phân giải lân Bacillus megatirum xử lí cho lúa mì. Kết quả cho thấy hàm lƣợng N trong thân lúa mì của các thí nghiệm có xử lí hai chủng này tăng 37 – 53%; hàm lƣợng P trong thân tăng 48,6%; hàm lƣợng K tăng từ 10 – 14,3% so với các mẫu đối chứng không xử lí. Kết quả nghiên cứu cũng cho thấy phối hợp hai chủng có tác dụng cộng hƣởng tốt hơn là chỉ xử lí đơn chủng [22].
Zemrany (2006) nghiên cứu sử dụng chủng A. lipoferum cho ngô. Kết quả cho thấy khi sử dụng chủng này đã làm giảm 50% lƣợng N cho cây mà năng suất ngô vẫn đảm bảo [29].
Tại các nƣớc Đông Nam Á, Thái Lan là nƣớc sử dụng phân vi khuẩn nốt sần nhiều nhất. Theo thống kê của Kong Ngoen và các cộng sự cho thấy số lƣợng chế phẩm vi khuẩn nốt sần đƣợc sử dụng ở Thái Lan đã tăng từ 3,36 tấn/năm trong năm 1995 lên 203,28 tấn/năm trong năm 1997, tƣơng đƣơng với giá trị hàng hoá là 406,571 USD [13].
Nhu cầu về phân bón vi sinh vật trên thế giới là rất lớn, đây là phƣơng hƣớng tƣơng lai của nông nghiệp để nhằm giảm bớt các tác hại của việc sử dụng không cân đối các loại phân hoá học, việc làm này gây ô nhiễm môi trƣờng và tốn kém việc nhập phân bón hữu cơ.
1.4.2. Tình hình sử dụng và sản xuất chế phẩm vi khẩn cố định nitơ ở Việt Nam Nam
Trong những năm gần đây, phân vi sinh cố định đạm đã đƣợc ứng dụng rộng rãi và mang lại những kết quả đáng khích lệ, thúc đẩy ngành sản xuất cây đậu đỗ ở Việt Nam phát triển khá nhanh và cho năng suất cao. Đậu xanh là một trong ba cây đậu đỗ chính trong nhóm các cây ăn hạt. Đây cũng là cây trồng có vị trí quan trọng trong nền công nghiệp của nhiều nƣớc, trong đó có Việt Nam [8].
Ở Việt Nam phân vi sinh cố định đạm đã đƣợc nghiên cứu từ năm 1960 nhƣng mãi đến 1980 mới đem vào thử nghiệm loại phân vi sinh cho cây đậu tƣơng và chế phẩm Vinaga, Rhidafo cho cây lạc (Trƣờng Đại học Cần Thơ) Viện khoa học kỹ thuật nông nghiệp Việt Nam phối hợp với Đại học Nông Nghiệp I Hà Nội, Đại học Tổng Hợp Hà Nội, sản xuất chế phẩm nitragin bón cho lạc, đậu tƣơng có kết quả khả quan.
Từ 1980 trở đi những kết quả nghiên cứu của Viện Khoa học Kỹ thuật Nông nghiệp Việt Nam về chế phẩm vi khuẩn nốt sần đã đƣợc áp dụng, tỷ lệ diện tích đƣợc nhiễm đã đƣợc tăng lên, đƣợc thể hiện ở bảng sau:
Bảng 1.1. Tình hình sử dụng chế phẩm nốt sần cho cây đậu đỗ tại Việt Nam
(Niên giám thống kê Việt Nam năm 2008)
Năm Diện tích trồng (100 ha) Diện tích xử lý (ha) Tỷ lệ xử lý (%) 1979 96,7 0 0,00 1980 106,1 4 0,03 1981 120,1 8 0,06 1982 130,8 12 0,09 1983 141,1 40 0,28 1984 170,4 50 0,29 1985 212,7 100 0,47 1986 224,5 200 0,89 1987 237,8 250 1,00 1988 230 320 1,39 1989 238,2 380 1,82 1990 204,2 400 1,95
Đậu tƣơng là cây trồng có khả năng thích ứng rộng nên đƣợc phân bố khắp các châu lục và đƣợc trồng ở nhiều nƣớc trên thế giới [6]. Vì vậy, trƣờng Đại Học Cần Thơ đã thử nghiệm, sản xuất thành công phân Vidana và trắc nghiệm có hiệu quả. Việc chủng phân vi sinh cho cây đậu tƣơng không những