Luận văn đánh giá sự ảnh hưởng của vi khuẩn cố định nitơ lên cây trồng - ĐH Thái Nguyên

Luận văn thạc sĩ phân tích ảnh hưởng của vi khuẩn cố định nitơ đến sự phát triển của một số loại cây trồng, cung cấp thông tin hữu ích cho nông nghiệp.

• Tác giả: Đào Minh Thuận
• Người hướng dẫn: PGS. TS Tăng Thị Chính
• Trường học: Đại học Thái Nguyên
• Chuyên ngành: Công nghệ sinh học
• Đề tài: Đánh Giá Ảnh Hưởng Của Vi Khuẩn Cố Định Nitơ Đến Cây Trồng
• Loại tài liệu: luận văn thạc sĩ
• Năm xuất bản: 2014
• Địa điểm: Thái Nguyên

Mục lục chi tiết

• LỜI CAM ĐOAN
• LỜI CẢM ƠN
• CÁC CHỮ VIẾT TẮT
• DANH MỤC BẢNG
• DANH MỤC HÌNH
• MỞ ĐẦU
• 1. CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN TÀI LIỆU
• 1.1. Vòng tuần hoàn nitơ trong tự nhiên
• 1.2. Quá trình cố định nitơ phân tử
• 1.3. Quá trình cố định nitơ tự do
• 1.3.1. Vi khuẩn cố định nitơ hiếu khí (Azotobacter)
• 1.3.2. Vi khuẩn cố định nitơ kỵ khí Clostridium
• 1.3.3. Vi khuẩn Beijerinskii
• 1.4. Quá trình cố định nitơ cộng sinh
• 1.4.1. Khái niệm và quan điểm về phân loại
• 1.4.2. Đặc tính sinh học và tính chuyên hóa của vi khuẩn nốt sần
• 1.4.3. Sự hình thành hệ cộng sinh ở rễ cây họ đậu
• 1.5. Tình hình nghiên cứu vi khuẩn cố định nitơ
• 1.5.1. Một số yếu tố ảnh hưởng đến quá trình cố định nitơ
• 1.5.2. Vai trò và ảnh hưởng của vi khuẩn cố định nitơ lên cây trồng
• 1.5.3. Tình hình sử dụng và sản xuất chế phẩm vi khuẩn cố định nitơ trên Thế giới và Việt Nam
• 1.5.3.1. Tình hình sử dụng và sản xuất chế phẩm vi khuẩn cố định nitơ trên Thế giới
• 1.5.3.2. Tình hình sử dụng và sản xuất chế phẩm vi khuẩn cố định nitơ ở Việt Nam
• 2. CHƯƠNG 2: VẬT LIỆU VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU
• 2.1. Vật liệu nghiên cứu
• 2.2. Đối tượng nghiên cứu
• 2.3. Địa điểm và thời gian nghiên cứu
• 2.3.1. Địa điểm nghiên cứu
• 2.3.2. Thời gian nghiên cứu
• 2.4. Bố trí thí nghiệm
• 2.4.1. Thực hiện bố trí thí nghiệm trong phòng thí nghiệm
• 2.4.2. Thực hiện bố trí thí nghiệm trên quy mô đồng ruộng
• 2.5. Phương pháp phân tích
• 2.5.1. Phương pháp xác định mật độ vi sinh vật
• 2.5.2. Phương pháp xác định chỉ số nốt sần
• 2.5.3. Phương pháp xác định độ ẩm và hệ số khô kiệt của đất
• 2.5.4. Phương pháp phân tích nitơ trong đất
• 2.5.4.1. Phương pháp xác định hàm lượng nitơ tổng số
• 2.5.4.2. Phương pháp xác định hàm lượng nitơ dễ tiêu
• 2.6. Phương pháp xử lý số liệu
• 3. CHƯƠNG 3: KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN
• 3.1. Ảnh hưởng của vi khuẩn cố định nitơ lên cây đậu xanh trên quy mô phòng thí nghiệm
• 3.1.1. Kết quả vi sinh vật trong các mẫu đất
• 3.1.2. Đánh giá tác động của vi khuẩn cố định nitơ tới hàm lượng nitơ tổng số và nitơ dễ tiêu trong mẫu đất trồng đậu xanh
• 3.1.3. Đánh giá tác động của vi sinh vật cố định nitơ lên sinh trưởng và năng suất của cây đậu xanh
• 3.2. Đánh giá hiệu quả của vi khuẩn cố định nitơ lên cây ngô và cây bắp cải ngoài đồng ruộng
• 3.2.1. Đánh giá hiệu quả của vi khuẩn cố định nitơ lên cây ngô
• 3.2.1.1. Đánh giá mật độ vi sinh vật trong các mẫu đất trồng ngô
• 3.2.1.2. Đánh giá hàm lượng nitơ tổng số và hàm lượng nitơ dễ tiêu trong mẫu đất trồng ngô
• 3.2.1.3. Đánh giá tác động của vi khuẩn cố định nitơ lên sự sinh trưởng của cây ngô
• 3.2.2. Đánh giá tác động lên cây bắp cải
• 3.2.2.1. Đánh giá mật độ vi sinh vật trong các mẫu đất trồng bắp cải
• 3.2.2.2. Đánh giá hàm lượng nitơ tổng số và nitơ dễ tiêu trong đất trồng cây bắp cải
• 3.2.2.3. Kết quả đánh giá sinh khối bắp cải
• KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ
• TÀI LIỆU THAM KHẢO
• Tài liệu Tiếng Việt
• Tài liệu Tiếng Anh
• Tài liệu Internet

Tóm tắt

I. Tổng Quan Về Ảnh Hưởng Của Vi Khuẩn Cố Định Nitơ Đến Cây Trồng

Vi khuẩn cố định nitơ đóng vai trò quan trọng trong nông nghiệp, giúp cây trồng hấp thụ nitơ từ không khí. Nitơ là một trong những yếu tố dinh dưỡng thiết yếu cho sự phát triển của cây trồng. Tuy nhiên, cây trồng không thể sử dụng nitơ trong không khí mà cần sự hỗ trợ từ các vi khuẩn. Việc nghiên cứu ảnh hưởng của vi khuẩn cố định nitơ đến cây trồng không chỉ giúp nâng cao năng suất mà còn bảo vệ môi trường.

1.1. Khái Niệm Về Vi Khuẩn Cố Định Nitơ

Vi khuẩn cố định nitơ là những vi sinh vật có khả năng chuyển đổi nitơ phân tử thành dạng dễ tiêu cho cây trồng. Chúng có thể sống tự do hoặc cộng sinh với cây họ đậu.

1.2. Vai Trò Của Vi Khuẩn Trong Nông Nghiệp

Vi khuẩn cố định nitơ giúp cải thiện độ phì nhiêu của đất, giảm thiểu việc sử dụng phân bón hóa học, từ đó bảo vệ môi trường và tăng năng suất cây trồng.

II. Vấn Đề Trong Việc Sử Dụng Vi Khuẩn Cố Định Nitơ

Mặc dù vi khuẩn cố định nitơ mang lại nhiều lợi ích, nhưng việc áp dụng chúng trong nông nghiệp vẫn gặp nhiều thách thức. Một số nông dân chưa nhận thức đầy đủ về lợi ích của vi khuẩn này, dẫn đến việc sử dụng phân bón hóa học vẫn phổ biến.

2.1. Thách Thức Trong Việc Chuyển Giao Công Nghệ

Việc chuyển giao công nghệ vi khuẩn cố định nitơ cho nông dân gặp khó khăn do thiếu thông tin và kiến thức về lợi ích của chúng.

2.2. Khó Khăn Trong Việc Đánh Giá Hiệu Quả

Đánh giá hiệu quả của vi khuẩn cố định nitơ trong điều kiện thực tế là một thách thức lớn, do sự biến đổi của các yếu tố môi trường và điều kiện canh tác.

III. Phương Pháp Nghiên Cứu Ảnh Hưởng Của Vi Khuẩn Cố Định Nitơ

Nghiên cứu ảnh hưởng của vi khuẩn cố định nitơ đến cây trồng thường được thực hiện qua các thí nghiệm trong phòng thí nghiệm và ngoài đồng ruộng. Các phương pháp này giúp đánh giá chính xác tác động của vi khuẩn đến sự phát triển của cây trồng.

3.1. Thí Nghiệm Trong Phòng Thí Nghiệm

Thí nghiệm trong phòng thí nghiệm cho phép kiểm soát các yếu tố môi trường, từ đó đánh giá chính xác tác động của vi khuẩn đến cây trồng.

3.2. Thí Nghiệm Ngoài Đồng Ruộng

Thí nghiệm ngoài đồng ruộng giúp đánh giá hiệu quả thực tế của vi khuẩn cố định nitơ trong điều kiện canh tác thực tế, từ đó đưa ra các khuyến nghị cho nông dân.

IV. Kết Quả Nghiên Cứu Về Ảnh Hưởng Của Vi Khuẩn Đến Năng Suất Cây Trồng

Nghiên cứu cho thấy vi khuẩn cố định nitơ có tác động tích cực đến năng suất của nhiều loại cây trồng. Các thí nghiệm đã chỉ ra rằng việc bổ sung vi khuẩn này vào đất có thể làm tăng hàm lượng nitơ trong đất và cải thiện sự sinh trưởng của cây.

4.1. Tác Động Đến Cây Đậu Xanh

Vi khuẩn cố định nitơ đã được chứng minh là làm tăng năng suất và chất lượng của cây đậu xanh, nhờ vào việc cung cấp nguồn nitơ dồi dào.

4.2. Tác Động Đến Cây Ngô

Nghiên cứu cho thấy vi khuẩn cố định nitơ cũng có tác động tích cực đến sự phát triển và năng suất của cây ngô, giúp cải thiện hiệu quả canh tác.

V. Kết Luận Về Ảnh Hưởng Của Vi Khuẩn Cố Định Nitơ

Vi khuẩn cố định nitơ đóng vai trò quan trọng trong nông nghiệp hiện đại. Việc áp dụng chúng không chỉ giúp tăng năng suất cây trồng mà còn bảo vệ môi trường. Cần có thêm nhiều nghiên cứu và chương trình giáo dục để nâng cao nhận thức của nông dân về lợi ích của vi khuẩn này.

5.1. Tương Lai Của Vi Khuẩn Cố Định Nitơ Trong Nông Nghiệp

Tương lai của vi khuẩn cố định nitơ trong nông nghiệp hứa hẹn sẽ mang lại nhiều lợi ích, đặc biệt trong bối cảnh biến đổi khí hậu và ô nhiễm môi trường.

5.2. Khuyến Nghị Đối Với Nông Dân

Nông dân nên xem xét việc sử dụng vi khuẩn cố định nitơ như một giải pháp bền vững để cải thiện năng suất cây trồng và bảo vệ môi trường.

Nội dung chính

Tổng quan nghiên cứu

Khí quyển Trái đất chứa khoảng 78% thể tích là khí nitơ, tương đương ước tính khoảng 8 triệu tấn nitơ bao trùm trên mỗi hecta đất canh tác. Dù nguồn tài nguyên này vô cùng phong phú, thực vật hoàn toàn không thể tự đồng hóa trực tiếp nguồn nitơ phân tử trơ nếu thiếu sự hỗ trợ của các quá trình chuyển hóa sinh học chuyên biệt. Trong tự nhiên, khoảng 85% lượng nitơ được cố định trên toàn cầu có nguồn gốc từ hoạt động của vi sinh vật, trong đó 60% diễn ra ở hệ sinh thái đất liền. Tuy nhiên, nền nông nghiệp thâm canh hiện nay vẫn phụ thuộc nặng nề vào phân bón hóa học vô cơ, dẫn đến nguy cơ suy thoái đất, chua hóa tầng canh tác và ô nhiễm nguồn nước ngầm. Việc nghiên cứu ứng dụng phân bón sinh học nhằm nâng cao độ phì nhiêu của đất và gia tăng năng suất cây trồng là một đòi hỏi cấp thiết.

Luận văn thạc sĩ chuyên ngành Công nghệ sinh học của tác giả Đào Minh Thuận, dưới sự hướng dẫn khoa học của Phó Giáo sư Tiến sĩ Tăng Thị Chính tại Viện Công nghệ Môi trường thuộc Viện Hàn lâm Khoa học và Công nghệ Việt Nam, đã giải quyết thấu đáo vấn đề này. Đề tài tập trung đánh giá tác động của hai chủng vi khuẩn cố định nitơ tự do và cộng sinh lên cây trồng cùng động thái dinh dưỡng đất. Nghiên cứu được thực hiện trong thời gian 12 tháng từ tháng 5 năm 2013 đến tháng 5 năm 2014, triển khai trên cây đậu xanh ở quy mô phòng thí nghiệm và cây ngô, bắp cải ngoài đồng ruộng. Kết quả nghiên cứu mang ý nghĩa thực tiễn lớn khi chứng minh khả năng gia tăng hàm lượng nitơ dễ tiêu trong đất lên tới 31,6%, cải thiện chỉ số nốt sần rễ thêm 48,3% và nâng cao năng suất thu hoạch từ 12,2% đến 13,8%, mở ra giải pháp tái sử dụng mùn hữu cơ từ rác thải sinh hoạt nhằm phát triển nông nghiệp sinh thái.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Nghiên cứu được xây dựng trên nền tảng lý thuyết chu trình tuần hoàn nitơ sinh học và cơ chế cố định nitơ phân tử. Phản ứng khử nitơ thành amoniac được xúc tác bởi phức hệ enzym nitrogenaza bao gồm hai thành phần protein chứa sắt và molypden, đòi hỏi năng lượng cung cấp từ quá trình thủy phân 16 phân tử Mg.ATP để bẻ gãy liên kết ba phân tử nitơ. Mô hình nghiên cứu vận dụng đồng thời hai cơ chế chuyển hóa chính: cố định nitơ tự do và cố định nitơ cộng sinh.

Cơ chế cố định nitơ tự do hiếu khí được đại diện bởi chi vi khuẩn Azotobacter. Nhóm vi sinh vật này có khả năng đồng hóa từ 10 đến 15 mg nitơ phân tử trên mỗi gam hợp chất cacbon tiêu thụ, đồng thời tổng hợp các phytohormone kích thích sinh trưởng như auxin, gibberellin và vitamin nhóm B giúp rễ cây phát triển khỏe mạnh. Trong khi đó, cơ chế cố định nitơ cộng sinh diễn ra thông qua tương tác đặc hiệu giữa vi khuẩn Rhizobium và rễ cây họ đậu. Dưới tác động dẫn dụ của dịch tiết chứa glycoprotein lectin từ lông hút rễ, vi khuẩn xâm nhập tạo dây lây nhiễm và chuyển hóa thành thể giả khuẩn trong các nốt sần chứa sắc tố leghemoglobin màu hồng đỏ, cung cấp từ 75 đến 200 kg nitơ hữu hiệu trên mỗi hecta đất hàng năm. Các khái niệm trung tâm bao gồm: nitơ tổng số, nitơ dễ tiêu dạng amon và nitrat, mật độ vi sinh vật tính bằng đơn vị hình thành khuẩn lạc và chỉ số nốt sần hữu hiệu.

Phương pháp nghiên cứu

Nguồn vật liệu chính của đề tài gồm dịch nuôi cấy vi khuẩn cố định nitơ tự do Azotobacter sp. TN2 và chủng vi khuẩn cố định nitơ cộng sinh Rhizobium sp. TN1. Thiết kế thí nghiệm được bố trí theo khối ngẫu nhiên hoàn chỉnh với 4 công thức đối chứng và xử lý, lặp lại 3 lần trên quy mô chậu vại (đậu xanh, bổ sung 12,5 ml dịch nuôi cấy mật độ 10 mũ 5 CFU/ml) và quy mô đồng ruộng (ngô và bắp cải, diện tích 15 mét vuông mỗi ô với 150 ml dịch vi sinh). Phương pháp chọn mẫu đất và cây được tiến hành ngẫu nhiên tại 5 điểm chéo góc định kỳ ở các thời điểm 0 ngày, 30 ngày, 60 ngày và 90 ngày.

Phương pháp phân tích vi sinh vật sử dụng kỹ thuật pha loãng thập phân và cấy trang đếm khuẩn lạc trên các môi trường chọn lọc: thạch Ashby xác định vi khuẩn cố định nitơ tự do, môi trường YME chiết nấm men mannitol xác định vi khuẩn nốt sần và môi trường MPA xác định tổng vi khuẩn hiếu khí. Hàm lượng nitơ tổng số được định lượng bằng phương pháp công phá mẫu đất qua rây 0,2 mm với axit sulfuric đậm đặc và chất xúc tác, sau đó chưng cất Kjeldahl và chuẩn độ bằng axit clohydric. Hàm lượng nitơ dễ tiêu được trích ly bằng dung dịch kali clorua 1N, chưng cất kiềm nhẹ với magie oxit và chuẩn độ. Độ ẩm đất được xác định qua sấy khô kiệt ở 100 đến 105 độ C. Tổ hợp phương pháp phân tích chuẩn hóa này được lựa chọn nhằm bảo đảm tính chính xác tuyệt đối trong việc định lượng động thái vi sinh vật và dinh dưỡng đất. Toàn bộ dữ liệu thực nghiệm được xử lý bằng công cụ thống kê sinh học trong suốt giai đoạn nghiên cứu từ tháng 6 năm 2013 đến tháng 5 năm 2014.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

Thứ nhất, việc bổ sung chế phẩm vi sinh vật làm gia tăng vượt bậc mật độ các nhóm vi khuẩn có ích trong đất. Mật độ vi khuẩn cố định nitơ tự do ở công thức thí nghiệm tăng mạnh từ 6,25 nhân 10 mũ 5 CFU/g lên đạt mức 7,20 nhân 10 mũ 6 CFU/g sau 90 ngày, cao hơn hàng trăm lần so với mức 3,80 nhân 10 mũ 4 CFU/g ở đối chứng. Mật độ vi khuẩn nốt sần Rhizobium trong đất thí nghiệm đạt 4,60 nhân 10 mũ 5 CFU/g, cao gấp gần 10 lần so với công thức đối chứng không bổ sung chế phẩm (5,10 nhân 10 mũ 4 CFU/g).

Thứ hai, hoạt lực hình thành nốt sần hữu hiệu trên rễ cây đậu xanh được cải thiện rõ rệt. Chỉ số nốt sần ở công thức bổ sung vi khuẩn Rhizobium TN1 kết hợp mùn hữu cơ đạt 5,68 điểm, tăng 48,3% so với đối chứng không bổ sung (3,83 điểm). Hầu hết các nốt sần đều có kích thước lớn từ 2 đến 3 mm và mang sắc tố hồng đỏ hoạt động mạnh.

Thứ ba, hàm lượng dinh dưỡng đạm trong đất được bảo tồn và bổ sung liên tục. Sau 90 ngày canh tác, hàm lượng nitơ tổng số ở các lô thí nghiệm cao hơn đối chứng từ 25,0% đến 27,1%. Đồng thời, hàm lượng nitơ dễ tiêu trong đất thí nghiệm tăng trưởng từ 25,0% đến 31,6%, bù đắp kịp thời lượng đạm mà cây trồng đã hấp thụ.

Thứ tư, các chỉ tiêu sinh trưởng và năng suất cây trồng đều tăng trưởng vượt trội. Chiều cao thân cây đậu xanh thí nghiệm đạt 24,92 cm (tăng 14,0% so với đối chứng đạt 20,14 cm). Chiều dài rễ cây tăng từ 11,1% đến 13,6%, sinh khối tươi tăng từ 17,3% đến 21,4% và năng suất quả đạt 273 g/m2, cao hơn 13,8% so với đối chứng đạt 240 g/m2. Trên cây ngô và bắp cải ngoài đồng ruộng, năng suất sinh khối và độ đồng đều hạt cũng ghi nhận mức tăng trưởng từ 10% đến 15%.

Thảo luận kết quả

Sự gia tăng liên tục của hàm lượng nitơ dễ tiêu trong đất bắt nguồn từ hoạt tính xúc tác mạnh mẽ của enzym nitrogenaza do các chủng Azotobacter TN2 và Rhizobium TN1 sản sinh. Trong giai đoạn từ ngày thứ 30 đến ngày thứ 60, khi cây trồng phát triển sinh khối mạnh khiến lượng đạm dự trữ ở các lô đối chứng suy giảm nghiêm trọng, hoạt động cố định đạm sinh học ở các lô thí nghiệm đã kịp thời bổ sung nguồn ion amoni và nitrat hòa tan. Việc bổ sung 11 kg/m2 mùn hữu cơ từ rác thải sinh hoạt đóng vai trò cải tạo độ tơi xốp, giữ ẩm và cung cấp nguồn cacbon dồi dào, giúp quần thể vi sinh vật hiếu khí phát triển mạnh mẽ lên tới 8,50 nhân 10 mũ 7 CFU/g.

Kết quả này hoàn toàn tương đồng với các công bố quốc tế về hiệu quả của vi khuẩn vùng rễ trong việc tiết kiệm tới 50% lượng phân đạm hóa học mà vẫn bảo đảm năng suất mùa vụ. Để trình bày dữ liệu học thuật một cách tối ưu, các biến thiên về hàm lượng nitơ tổng số và nitơ dễ tiêu theo các mốc 0, 30, 60 và 90 ngày nên được biểu diễn bằng đồ thị đường thể hiện điểm uốn phục hồi dinh dưỡng rõ nét ở ngày thứ 60. Song song đó, việc sử dụng biểu đồ cột nhóm đôi so sánh tương quan giữa chiều dài rễ, sinh khối tươi và năng suất thu hoạch sẽ làm nổi bật hiệu quả cộng hưởng vượt trội giữa vi khuẩn cố định đạm và mùn hữu cơ so với canh tác đối chứng thông thường.

Đề xuất và khuyến nghị

Thứ nhất, chuẩn hóa quy trình công nghệ nhân sinh khối quy mô bán công nghiệp đối với hai chủng vi khuẩn Azotobacter sp. TN2 và Rhizobium sp. TN1. Mục tiêu kỹ thuật cần đạt là duy trì mật độ tế bào sống tối thiểu từ 10 mũ 8 CFU/ml trong dịch lên men, tối ưu hóa nguồn cơ chất dinh dưỡng kinh tế trong lộ trình từ 6 đến 12 tháng do Viện Công nghệ Môi trường chủ trì thực hiện.

Thứ hai, phối trộn dịch nuôi cấy vi khuẩn cố định đạm với cơ chất mùn hữu cơ chế biến từ rác thải sinh hoạt đã qua xử lý an toàn. Giải pháp này hướng tới mục tiêu giảm thiểu từ 30% đến 50% lượng phân bón urê vô cơ trong canh tác cây đậu đỗ và rau màu, triển khai ứng dụng ngay trong vụ mùa tới bởi các doanh nghiệp phân bón và hợp tác xã nông nghiệp.

Thứ ba, triển khai xây dựng các mô hình trình diễn đồng ruộng tại các vùng chuyên canh nông nghiệp trọng điểm. Mục tiêu cụ thể là mở rộng quy mô khảo nghiệm lên 50 đến 100 hecta đất canh tác, nâng cao năng suất thu hoạch cây trồng thêm 12% đến 15% trong vòng 1 đến 2 năm tới, dưới sự phối hợp hướng dẫn của Trung tâm Khuyến nông và cán bộ nông nghiệp địa phương.

Thứ tư, ban hành quy chuẩn kỹ thuật về kiểm soát chất lượng và bảo quản chế phẩm vi sinh vùng rễ. Cơ quan quản lý chất lượng nông nghiệp cần xây dựng tiêu chuẩn lưu trữ ở điều kiện tự nhiên nhằm bảo đảm tỷ lệ sống của vi sinh vật đạt trên 80% sau 6 tháng bảo quản, giúp người nông dân yên tâm ứng dụng rộng rãi vào sản xuất.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

Nhóm thứ nhất là các nhà nghiên cứu, giảng viên, học viên cao học và sinh viên thuộc các chuyên ngành Công nghệ sinh học, Nông học và Khoa học Môi trường. Luận văn cung cấp nguồn tư liệu học thuật giá trị về quy trình phân lập, đánh giá mật độ vi sinh vật trên môi trường thạch chọn lọc, cùng phương pháp chuẩn độ hóa lý phân tích nitơ tổng số và nitơ dễ tiêu trong đất.

Nhóm thứ hai là các chuyên gia nghiên cứu và phát triển sản phẩm tại các doanh nghiệp sản xuất phân bón hữu cơ vi sinh. Công trình cung cấp công thức thực nghiệm phối trộn giữa chủng vi sinh vật cố định đạm chọn lọc với mùn rác thải sinh hoạt, phục vụ trực tiếp cho quá trình thương mại hóa chế phẩm sinh học phục vụ nông nghiệp sạch.

Nhóm thứ ba là đội ngũ cán bộ khuyến nông và nhà quản lý nông nghiệp tại các địa phương. Tài liệu này là cơ sở khoa học tin cậy để xây dựng các chương trình chuyển giao tiến bộ kỹ thuật sinh học, hỗ trợ nông dân cắt giảm phân bón vô cơ và bảo vệ độ phì nhiêu của đất canh tác.

Nhóm thứ tư là các hợp tác xã và chủ trang trại canh tác theo tiêu chuẩn VietGAP hoặc GlobalGAP. Các số liệu định lượng về năng suất mùa vụ và khả năng cải tạo đất giúp nhà sản xuất xây dựng quy trình bón phân sinh học an toàn, nâng cao giá trị thương phẩm và đáp ứng các tiêu chuẩn xuất khẩu khắt khe.

Câu hỏi thường gặp

Vi khuẩn Azotobacter và Rhizobium trong nghiên cứu có cơ chế cố định đạm khác nhau như thế nào? Azotobacter là vi khuẩn hiếu khí sống tự do trong đất, có khả năng đồng hóa trực tiếp nitơ khí trời thành dạng amoniac với hiệu suất 10 đến 15 mg nitơ trên mỗi gam cacbon tiêu thụ mà không phụ thuộc vào cây chủ. Ngược lại, Rhizobium là vi khuẩn cộng sinh bắt buộc, chỉ phát huy khả năng cố định nitơ khi xâm nhập vào rễ cây họ đậu, hình thành các nốt sần chứa sắc tố leghemoglobin để kích hoạt enzym nitrogenaza.

Việc bổ sung mùn hữu cơ từ rác thải sinh hoạt đóng vai trò gì đối với hệ vi sinh vật đất? Mùn hữu cơ cung cấp nguồn cacbon dồi dào và cải thiện độ thông thoáng khí của tầng đất mặt. Kết quả thực nghiệm cho thấy sự có mặt của mùn hữu cơ đã nâng mật độ tổng vi sinh vật hiếu khí lên tới 8,50 nhân 10 mũ 7 CFU/g, đồng thời hỗ trợ gia tăng chỉ số nốt sần rễ cây thêm 6,97% so với đất không bổ sung mùn.

Vì sao hàm lượng nitơ tổng số và dễ tiêu trong đất thí nghiệm có xu hướng tăng ở giai đoạn 60 đến 90 ngày? Trong giai đoạn từ 60 đến 90 ngày, cây đậu xanh đã hoàn tất quá trình phát triển thân lá và chuyển sang giai đoạn tạo quả, khiến nhu cầu hấp thụ đạm từ đất giảm dần. Trong khi đó, quần thể vi khuẩn cố định đạm tự do và cộng sinh vẫn hoạt động mạnh mẽ, liên tục giải phóng nitơ dễ tiêu vào đất, tạo nên mức tích lũy dinh dưỡng tăng từ 4,2% đến 27,1%.

Chế phẩm vi khuẩn cố định nitơ có khả năng thay thế hoàn toàn phân bón vô cơ không? Chế phẩm vi sinh không thể thay thế hoàn toàn 100% phân bón khoáng vô cơ trong mọi điều kiện canh tác thâm canh cao, nhưng có thể thay thế hiệu quả từ 30% đến 50% lượng đạm urê. Việc kết hợp vi sinh vật với một lượng nhỏ đạm khoáng ban đầu giúp cây trồng đạt năng suất cao hơn 13,8% so với chỉ bón phân vô cơ đơn lẻ.

Chỉ số nốt sần ở rễ cây họ đậu được đánh giá dựa trên những tiêu chí khoa học nào? Chỉ số nốt sần được tính toán dựa trên tích số của ba thông số gồm: kích thước nốt sần từ nhỏ dưới 1 mm đến lớn trên 3 mm tương ứng điểm 1 đến 3, màu sắc nốt sần với màu hồng đỏ chứa leghemoglobin được 2 điểm và số lượng nốt sần trên rễ từ ít đến nhiều tương ứng điểm 0 đến 3. Điểm số tối đa đạt 18 điểm, phản ánh chính xác hoạt lực cố định đạm thực tế.

Kết luận

• Đã xác định rõ vai trò vượt trội của hai chủng vi khuẩn Azotobacter sp. TN2 và Rhizobium sp. TN1 trong việc cải thiện độ phì đất và tăng trưởng cây trồng.
• Mật độ vi khuẩn cố định đạm hữu ích trong đất tăng mạnh, đạt mức 7,20 nhân 10 mũ 6 CFU/g đối với Azotobacter và 4,60 nhân 10 mũ 5 CFU/g đối với Rhizobium.
• Hàm lượng nitơ dễ tiêu và nitơ tổng số trong đất canh tác được nâng cao bền vững, ghi nhận mức tăng trưởng cao nhất lần lượt là 31,6% và 27,1%.
• Năng suất thu hoạch cây đậu xanh, cây ngô và bắp cải tăng từ 12,2% đến 13,8%, mở ra khả năng cắt giảm phân bón hóa học độc hại.
• Tận dụng thành công nguồn mùn hữu cơ từ rác thải sinh hoạt làm chất mang vi sinh, thúc đẩy mô hình kinh tế tuần hoàn trong nông nghiệp.

Luận văn thạc sĩ của tác giả Đào Minh Thuận đã cung cấp những luận cứ khoa học thực nghiệm vững chắc, đóng góp quan trọng vào việc hoàn thiện công nghệ sản xuất phân bón vi sinh chất lượng cao tại Việt Nam. Định hướng nghiên cứu tiếp theo cần tập trung chuẩn hóa dạng chế phẩm hạt trong 3 tháng tới, thử nghiệm đồng ruộng đa vùng sinh thái trong 6 tháng và chuyển giao công nghệ thương mại hóa trong 12 tháng. Các tổ chức khoa học, doanh nghiệp nông nghiệp và nhà vườn hãy chủ động liên hệ, ứng dụng ngay các giải pháp sinh học tiên tiến này nhằm thúc đẩy một nền nông nghiệp xanh, an toàn và bền vững.

Trích đoạn nội dung tài liệu

Đặt vấn đề Nitơ là nguồn dinh dƣỡng quan trọng không thể thiếu đối với động vật, thực vật và ngay cả với các loài vi sinh vật. Dự trữ nitơ trong tự nhiên rất lớn, riêng trong không khí nitơ chiếm 78% thể tích. Ƣớc tính, trong bầu khí quyển bao trùm lên một hecta đất đai chứa tới 8 triệu tấn nitơ. Lƣợng nitơ này có thể cung cấp cho cây trồng tới hàng chục triệu năm.

Tuy nhiên, cây trồng không tự đồng hóa đƣợc nguồn nitơ này. Cây trồng chỉ có thể sử dụng nguồn nitơ trong không khí thông qua quá trình cố định nitơ của các vi sinh vật. Ngày nay, nguồn nitơ cung cấp cho cây trồng trong nông nghiệp chủ yếu là từ phân bón hóa học. Nhƣng việc sử dụng không đúng cách và lạm dụng quá mức dẫn đến hiệu quả không cao và gây ô nhiễm môi trƣờng đất và môi trƣờng nƣớc.

Nhằm khắc phục những bất lợi của việc sử dụng quá mức phân bón hóa học, hiện nay đã và đang có nhiều nghiên cứu ứng dụng về việc sử dụng phân bón sinh học trong nông nghiệp. Đây là một trong những biện pháp làm tăng độ phì nhiêu cho đất, tăng khả năng giữ ẩm đất, cải tạo cấu trúc đất và hạn chế sự ô nhiễm môi trƣờng. Tuy nhiên, giá thành của loại phân này vẫn còn cao và chƣa đƣợc ngƣời nông dân ƣa chuộng sử dụng bởi hiệu quả không tức thì nhƣ phân bón hóa học. Vì vậy, nghiên cứu để hoàn thiện và nâng cao chất lƣợng phân bón vi sinh vật là việc làm hết sức cần thiết.

Xuất phát từ các lý do trên chúng tôi đã lựa chọn đề tài nghiên cứu: “Đánh giá sự ảnh hưởng của vi khuẩn cố định nitơ lên một số loại cây trồng”. * Mục tiêu của đề tài: Đánh giá hiệu quả của các chủng vi khuẩn cố định nitơ đã đƣợc tuyển chọn của Phòng Vi sinh vật Môi trƣờng – Viện Công nghệ Môi trƣờng – Viện Hàn lâm Khoa học và Công nghệ Việt Nam lên một số loại cây trồng, qua đó 2 phục vụ sản xuất phân hữu cơ nhằm hạn chế việc sử dụng phân bón hóa học, tăng năng suất cây trồng và bảo vệ môi trƣờng. * Nội dung nghiên cứu - Đánh giá khả năng cố định nitơ và và sự ảnh hƣởng của vi khuẩn cố định nitơ lên năng suất cây trồng khi bổ sung vào đất ở quy mô phòng thí nghiệm. - Đánh giá khả năng cố định nitơ và và sự ảnh hƣởng của vi khuẩn cố định nitơ lên năng suất cây trồng khi bổ sung vào đất ở quy mô ngoài đồng ruộng.

TỔNG QUAN TÀI LIỆU 1. Vòng tuần hoàn nitơ trong tự nhiên Nitơ là nguồn dinh dƣỡng quan trọng không thể thiếu đối với động vật, thực vật và các loài vi sinh vật trên trái đất [35]. Lƣợng dự trữ nitơ trong tự nhiên rất lớn, trong không khí nitơ chiếm khoảng 78% thể tích [30]. Ngƣời ta ƣớc tính, trong bầu không khí bao trùm lên một hecta đất đai chứa tới 8 triệu tấn nitơ.

Lƣợng nitơ này có thể cung cấp cho cây trồng tới hàng chục triệu năm. Trong cơ thể các loại sinh vật trên trái đất cũng có khoảng 0,4 x 109 tấn nitơ. Trong các vật trầm tích chứa khoảng 4 x 1015 tỷ tấn nitơ. Muối vô cơ của nitơ (muối ammon, nitrate, nitrite) có độ hòa tan trong nƣớc cao và dễ tham gia vào vòng tuần hoàn.

Chất mùn (humus) trong đất ôn đới thông qua việc khoáng hóa từ từ mà chuyển biến thành nitơ vô cơ. Vùng nhiệt đới do nóng và ẩm, tốc độ khoáng hóa nhanh nên ít tích lũy chất mùn. Khí nitơ là loại khí trơ, muốn mở nối liên kết phân tử của nó cần dùng rất nhiều năng lƣợng. Tuy nhiên, chỉ có một số ít sinh vật trong tự nhiên có thể cố định đƣợc nitơ.

Thông qua tia chớp phóng điện, phun trào của núi lửa có thể cố định đƣợc một lƣợng ít nitơ. Ngoài ra cố định nitơ tại các nhà máy phân đạm hóa học (tốn rất nhiều năng lƣợng) cũng có thể biến nitơ thành muối ammon hoặc nitrate cung cấp cho cây trồng. Khoảng 85% tác dụng cố định nitơ trên Trái đất là do vi khuẩn cố định nitơ thực hiện, trong đó 60% xảy ra trên đất liền và 40% xảy ra ở ngoài đại dƣơng [38]. Cây trồng không đồng hóa trực tiếp nitơ hữu cơ, mà phải nhờ các loại vi sinh vật phân hủy và chuyển hóa nguồn nitơ bền vững thành ra nitơ dạng dễ tiêu (NH3 hoặc NH4+), cung cấp nguồn dinh dƣỡng nitơ cho cây trồng, quá trình này đƣợc gọi là quá trình amôn hóa [9].

Các vi sinh vật có khả năng amôn hóa bao gồm nhiều loài sinh bào tử hoặc không sinh bào tử, có khả 4 năng sử dụng nhiều nguồn vật chất khác nhau. Các vi sinh vật này có khả năng tiết ra men phân giải protein vào môi trƣờng, thủy phân thành các amino acid. Khi đó, chúng sử dụng các amino acid này trong quá trình dị hóa và đổng hóa. Tiếp nối quá trình amôn hóa, các loài vi sinh vật lại chuyển hóa tiếp từ NH3 thành NO3- đƣợc gọi là quá trình nitrat hóa.

Tiếp theo của quá trình nitrat hóa, các loại vi sinh vật lại chuyển hóa từ NO3- thành N để bù trả nitơ cho không khí và đƣợc gọi là quá trình phản nitrat hóa. Dƣới tác dụng của các loại vi sinh vật, nitơ không khí đƣợc chuyển vào các hợp chất hữu cơ chứa nitơ đƣợc gọi là quá trình cố định nitơ phân tử. Tất cả các quá trình: cố định – phân hủy – chuyển hóa và phản nitrat hóa luôn xảy ra dƣới tác dụng của các loài vi sinh vật và tạo đƣợc thế cân bằng nitơ. Nhờ đó mà đã khép kín đƣợc vòng tuần hoàn nitơ trong tự nhiên theo hình 1.

Vòng tuần hoàn nitơ trong tự nhiên (theo J. Quá trình cố định nitơ phân tử Bản thân thực vật không thể sử dụng đƣợc nitơ trong không khí bởi vì nguồn nitơ này không thể sử dụng để làm nguồn dinh dƣỡng cho thực vật đƣợc, nhƣng chúng có thể nhờ vào vi khuẩn để tạo nên các cổng xử lý nitơ trong nốt sần trên rễ cây [36]. Để cây trồng có thể sử dụng nguồn tài nguyên này làm chất dinh dƣỡng, nitơ không khí phải đƣợc chuyển hóa thông qua quá trình cố định nitơ, trong đó nitơ phân tử đƣợc chuyển hóa thành amôn. Nitơ là nguyên tố trơ và khó liên kết hóa học với các nguyên tố khác, nếu không có chất xúc tác và các điều kiện đặc biệt khác, nó không ngừng bị chuyển hóa trong một chu trình khép kín do tác động sinh học hay hóa học khác nhau.

Dƣới tác động của hoạt động hóa học hoặc sinh học, nitơ phân tử chuyển thành đạm vô cơ, sau chuyển thành đạm thực vật hoặc động vật thông qua quá trình chuyển hóa. Một phần đạm thực vật dƣới dạng tàn dƣ và một phần đƣợc cây trồng sử dụng, một phần còn lại mất do rửa trôi và bay hơi do hoạt động của vi sinh vật đất có khả năng phân giải đạm. Quá trình mất đạm chịu ảnh hƣởng lớn bởi các chế độ canh tác. Nitơ đồng thời cũng là yếu tố dinh dƣỡng vô cùng quan trọng không chỉ với sinh vật bậc cao mà cả với các sinh vật có kích thƣớc nhỏ mà mắt thƣờng chúng ta không nhìn thấy đƣợc [7].

Quá trình cố định nitơ có thể xảy ra nhờ các tác nhân vật lý, hóa học hoặc sinh học, trong đó ngƣời ta quan tâm nhiều đến quá trình cố định đạm sinh học vì hiệu quả và tính an toàn của nó đối với môi truờng. Quá trình cố định nitơ phân tử là quá trình khử nitơ thành NH3 có xúc tác của enzym nitrogenaza, khi có mặt của ATP [31]. 6 nitrogenaza N2 + AH2 + ATP NH3 + A + ADP + P Năm 1992, các nhà khoa học đã hoàn thiện đƣợc cơ chế của quá trình cố định nitơ phân tử nhƣ sau [31]: N=N NH=NH H2N-NH2 NH3 nitrogenaza + - N2 + 8H + 8e + 16 Mg.ATP + 160 2NH3 + H2 + 16Mg. Quá trình cố định nitơ tự do 1.

Vi khuẩn cố định nitơ hiếu khí (Azotobacter) Các loài Azotobacter thuộc loài vi sinh vật cố định nitơ hoạt động nhất. Trong số các loài Azotobacter đã đƣợc miêu tả thì các loài đƣợc nghiên cứu nhiều hơn cả là Az. agilis và Az. chroococcum tạo ra những khuẩn lạc nhầy, lồi hoặc lan, lúc đầu không màu, sau đó biến thành mầu nâu tối, thậm trí màu đen nhƣng không làm nhuộm màu môi trƣờng khuẩn lạc.

Đặc điểm của Az. vinelandii và Az. agilis là có khuẩn lạc trong, nhầy, sinh sắc tố huỳnh quang màu vàng – lục hoặc lam – lục, sắc tố khuếch tán vào môi trƣờng [25], [26], [27]. Khi còn non, tế bào Azotobacter có khả năng di động, hình que đầu tròn, đứng riêng rẽ hay xếp thành từng đôi, đồng chất, tế bào chất nhuộm màu đồng đều.

Chiều dài của tế bào từ 2 – 3μm đến 4 – 6μm. Tế bào của Az. agilis có kích thƣớc lớn nhất (khoảng 5 – 6μm). Dần dần các tế bào hình que chuyển thành hình cầu hay hình bầu dục lớn với đƣờng kính lên tới 4μm, hình dạng không cố định.

Khi có tiêm mao rụng đi và tế bào trở lên bất động, bọc bao nhầy, tế bào chất xuất hiện cấu tạo dạng hạt, các trế bào tròn có thể phủ lớp vỏ dày và chuyển thành kén. Hình dạng tế bào Azotobacter và chu kì biến đổi của chúng phụ thuộc vào tuổi của giống và điều kiện phát triển [7]. 7 Tất cả các loài Azotobacter (theo hình 1.2) đều sống dị dƣỡng. Để dùng nguồn cacbon, chúng sử dụng nhiều nguồn hữu cơ khác nhau: monosaccarit, disaccarit, một số polysaccarit đa đƣờng, các axit hữu cơ trong đó bao gồm cả các hợp chất thơm.

Nguồn nitơ đối với Azotobacter không chỉ là nitơ phân tử mà còn là muối ammon, nitrat, nitrit, amino axit. Azotobacter [34] Tùy thuộc vào các hợp chất chứa nitơ có trong môi trƣờng mà quá trình cố định nitơ trong môi trƣờng bị ức chế nhiều hay ít. Azotobacter có nhu cầu lớn đối với photpho, canxi và nhận năng lƣợng từ quá trình oxy hóa các hợp chất hữu cơ thành CO2 và H2O. Phần lớn các chủng Azotobacter phát triển ở pH lớn hơn 6 và cần độ ẩm cao hơn so với nhiều loại vi khuẩn, vì vậy ít gặp chúng ở nơi khô hạn.

Phần lớn các chủng Azotobacter phân lập đƣợc từ tự nhiên có khả năng cố định đƣợc trên 10mgN/1g hợp chất cacbon. Một số chủng Azotobacter trong điều kiện thích hợp có khả năng đồng hoá đƣợc đến 300mgN/1g hợp chất cacbon. Nhiều nghiên cứu cho biết khi phát triển chung với một số vi khuẩn khác Azotobacter sẽ có hoạt động cố định nitơ cao hơn so với việc nuôi cấy riêng rẽ.