CHƯƠNG 1. Vi sinh vật hữu ích và sự phân bố trong môi trường đất nông nghiệp 1. Vai trò của vi sinh vật trong đất Hầu hết vi sinh vật là sinh vật dị dưỡng, chỉ một số ít vi sinh vật là vi sinh vật tự dưỡng. Quan hệ sinh thái được biểu diễn bằng sơ đồ Hình 1.
Ánh sáng Chất vô cơ SV sản xuất Chất hữu cơ SV tiêu thụ Chất hữu cơ SV phân huỷ Hình 1. Sơ đồ biểu diễn quan hệ sinh thái giữa ba nhóm sinh vật Vai trò của vi sinh vật là khép kín vòng tuần hoàn trong hệ sinh thái, tái tạo thức ăn cho động vật, thực vật bằng cách phân huỷ để lấy lại chất dinh dưỡng cung cấp cho nhiều cơ thể dạng sống. Nó đem lại hai hiệu quả: - Tăng độ phì của đất. - Giải quyết nạn ứ đọng chất thải trong đất.
Như vậy, vi sinh vật khép kín vòng tuần hoàn các nguyên tố C, N, P, S, K. thông qua các quá trình phân huỷ các nguyên tố này trong đất. Sự phân bố của vi sinh vật trong đất Trong hệ vi sinh vật đất, vi khuẩn chiếm khoảng 90% tổng số, xạ khuẩn chiếm khoảng 8%, vi nấm 1%, còn lại 1% là tảo và nguyên sinh động vật. Tỉ lệ này thay đổi tuỳ theo các loại đất khác nhau cũng như khu vực địa lý, tầng đất, thời vụ, chế độ canh tác.
Ở những đất có đầy đủ chất dinh dưỡng, độ thoáng khí tốt, nhiệt độ, độ ẩm và pH thích hợp thì vi sinh vật phát triển nhiều về số lượng và thành phần. Sự phát triển của vi sinh vật lại chính là nhân tố làm cho đất thêm phì nhiêu, màu mỡ. 3 Đồ án tốt nghiệp Sự phân bố của vi sinh vật trong đất có thể chia ra như sau: • Phân bố theo chiều sâu Quần thể vi sinh vật thường tập trung nhiều nhất ở tầng canh tác. Đó là nơi tập trung rễ cây, chất dinh dưỡng, có cường độ chiếu sáng, nhiệt độ, độ ẩm thích hợp nhất.
Số lượng vi sinh vật giảm dần theo tầng đất, càng xuống sâu càng ít vi sinh vật. Riêng đối với các đất bạc màu, do hiện tượng rửa trôi, tầng 0 - 20 cm ít chất hữu cơ hơn tầng 20 - 40 cm nên ở tầng này số lượng vi sinh vật nhiều hơn ở tầng trên, sau đó giảm dần ở các tầng dưới. Thành phần vi sinh vật cũng thay đổi theo tầng đất: vi khuẩn hiếu khí, vi nấm, xạ khuẩn thường tập trung ở tầng mặt vì tầng này có nhiều oxy. Càng xuống sâu, các nhóm vi sinh vật hiếu khí càng giảm mạnh.
Ngược lại, các nhóm vi khuẩn kỵ khí như vi khuẩn phản nitrate hoá phát triển mạnh ở độ sâu 20 - 40 cm. Ở vùng khí hậu nhiêt đới nóng ẩm thường có quá trình rửa trôi, xói mòn nên tầng 0 - 20 cm dễ biến động, tầng 20 - 40 cm ổn định hơn. • Phân bố theo các loại đất Các loại đất khác nhau có điều kiện dinh dưỡng, độ ẩm, độ thoáng khí, pH khác nhau dẫn đến sự phân bố của vi sinh vật cũng khác nhau. Ở đất lúa nước, tình trạng ngập nước lâu ngày làm ảnh hưởng đến độ thông khí, chế độ nhiệt, chất dinh dưỡng,.
Chỉ có một lớp mỏng ở trên khoảng 0 - 3 cm là có quá trình oxy hoá, ở tầng đất dưới quá trình khử oxy hoá chiếm ưu thế. Do đó trong đất lúa nước các loại vi sinh vật kỵ khí phát triển mạnh. Ví dụ như vi khuẩn amon hoá, vi khuẩn phản nitrate hoá. Ngược lại, các loại vi sinh vật hiếu khí như vi khuẩn nitrate hoá, vi khuẩn cố định nitrogen, vi nấm và xạ khuẩn đều rất ít.
Tỷ lệ giữa vi khuẩn hiếu khí và yếm khí luôn nhỏ hơn 1. Ở đất trồng hoa màu, không khí lưu thông tốt, quá trình oxy hoá chiếm ưu thế, bởi vậy các loài vi sinh vật hiếu khí phát triển mạnh, vi sinh vật yếm khí phát triển yếu. Tỷ lệ gữa vi khuẩn hiếu khí và yếm khí thường lớn hơn 1, có trường hợp 4 Đồ án tốt nghiệp đạt tới 4 – 5. Ở đất giàu dinh dưỡng như đất phù sa sông Hồng, số lượng vi sinh vật tổng số rất cao.
Ngược lại, vùng đất bạc màu Hà Bắc có số lượng vi sinh vật rất ít. • Phân bố theo cây trồng Đối với tất cả các loại cây trồng, vùng rễ cây là vùng vi sinh vật phát triển mạnh hơn so với vùng không có rễ do rễ cây cung cấp một lượng lớn chất hữu cơ khi nó chết đi. Khi còn sống, bản thân rễ cây cũng thường xuyên tiết ra các chất hữu cơ làm nguồn dinh dưỡng cho vi sinh vật. Rễ cây còn làm cho đất thoáng khí, giữ được độ ẩm.
Tất cả những nhân tố đó làm cho số lượng vi sinh vật ở vùng rễ phát triển mạnh hơn vùng ngoài rễ. Tuy nhiên, mỗi loại cây trồng trong quá trình sống của nó thường tiết qua bộ rễ những chất khác nhau. Bộ rễ khi chết đi cũng có thành phần khác nhau. Thành phần và số lượng các chất hữu cơ tiết ra từ bộ rễ quyết định thành phần và số lượng vi khuẩn cố định nitrogen cộng sinh còn ở vùng rễ lúa là nơi cư trú của các nhóm cố định nitrogen tự do hoặc hội sinh.
Số lượng và thành phần vi sinh vật cũng thay đổi theo các giai đoạn phát triển của cây trồng. Đất vùng phù sa sông Hồng, số lượng vi sinh vật đạt cực đại ở giai đoạn lúa chồi nhanh, đẻ nhánh, giai đoạn này là cây lúa sinh trưởng mạnh. Bởi vậy thành phần và số lượng chất hữu cơ tiết qua bộ rễ càng lớn – đó là nguồn dinh dưỡng cho vi sinh vật vùng rễ. Số lượng vi sinh vật đạt cực tiểu ở thời kỳ lúa chín.
Thành phần vi sinh vật cũng biến động theo các giai đoạn phát triển của cây, phù hợp với hàm lượng các chất tiết qua bộ rễ. Một số nhóm vi sinh vật hữu ích trong đất Theo nhiều công trình nghiên cứu đã được công bố, hệ vi sinh vật trong đất rất phong phú với rất nhiều nhóm gồm: vi khuẩn, vi nấm, xạ khuẩn, virus, tảo và nguyên sinh động vật (protozoa) (Lê Quốc Tuấn, 2009). Vi khuẩn Vi khuẩn là một nhóm sinh vật đơn bào, có kích thước hiển vi, có cấu trúc tế bào đơn giản gồm màng tế bào, tế bào chất và nhân (không có màng nhân) (prokaryote). Kích thước của vi khuẩn từ 0,1- 1,2 x 0,2- 6,0 µm.
Peptidoglycan là chất đặc biệt ở vách tế bào prokaryote, dựa vào khả năng bắt màu của crystal violet 5 Đồ án tốt nghiệp vi khuẩn được phân biệt hai loại là vi khuẩn gram dương và vi khuẩn gram âm. Một số vi khuẩn di chuyển bằng tiên mao. Vi khuẩn sinh sản bằng con đường vô tính. Hình thái vi khuẩn rất đa dạng, có thể chia thành 3 nhóm hình dạng chính: hình cầu, hình que và hình xoắn (Hình 1.
Hình thái một số nhóm vi khuẩn (WCB.McGraW-Hill, 1998) Staphylococcus aureus (a); Bacillus subtilis (b); Spirillum (c). Các nhóm vi khuẩn rất đa dạng và giữ những vai trò quan trọng trong quá trình chuyển hoá vật chất để khép kín vòng tuần hoàn các chất trong đất và trong tự nhiên. Vi khuẩn tham gia hình thành và cải tạo đất trồng trọt, phân huỷ, chuyển hoá hợp chất khó tan trong đất thành các chất dễ tiêu cung cấp dinh dưỡng cho cây trồng. Một số vi khuẩn có khả năng đồng hoá nitơ trong không khí để làm giàu nitơ cho đất và cung cấp nitơ cho cây trồng.
Ngoài ra, vi khuẩn còn có khả năng tiết ra các enzyme, các chất kích thích sinh trưởng, các acid hữu cơ trong đất. Một số vi khuẩn quan trọng thường gặp trong đất: Bacillus subtilis, Chostridium, Lactobacillus, Rhizobium,. Vi nấm Vi nấm là nhóm nấm có kích thước hiển vi. Vi nấm khác với vi khuẩn và xạ khuẩn, chúng có cấu tạo nhân điển hình, vì vậy chúng được xếp vào nhóm Eukaryote.
Vi nấm gồm 2 nhóm lớn là nấm men (yeast) và nấm sợi (filamentous fungi). Trong đó, nấm men có cấu trúc đơn bào còn nấm sợi có cấu trúc đa bào. Nấm men (yeast) có khả năng sinh sản bằng vô tính theo hình thức nẩy chồi, một vài loài sinh bào tử và cũng có thể sinh sản hữu tính như chi Saccharomyces. Nấm sợi có quá trình sinh sản phức tạp hơn nấm men.
Sinh sản vô tính có nhiều 6 Đồ án tốt nghiệp cách: bào tử trần, bào tử kín. Sinh sản hữu tính của nấm sợi cũng có vài hình thức khác nhau. Thường gặp là các chi Penicillium, Aspergillus, Trichoderma, Chaetomium, Alternaria, Rhizoctonia, Verticillium,. Có vai trò quan trọng trong quá trình mùn hoá và phân giải xác hữu cơ cho đất (phân giải cellulose, tinh bột, nhựa, lignin,.
Xạ khuẩn Xạ khuẩn là những vi sinh vật đơn bào thuộc nhóm prokaryote, hình sợi, phân bố rộng rãi trong đất, trong nước và trong các cơ chất hữu cơ. Kích thước của xạ khuẩn nằm trong khoảng 0,2 – 0,5 x 0,4 – 100 µm. Hình thái của xạ khuẩn (WCB.McGraW-Hill, 1998) Xạ khuẩn có vai trò quan trọng trong quá trình hình thành đất và tạo độ phì nhiêu của đất. Tham gia vào các quá trình chuyển hoá và phân giải nhiều hợp chất 7 Đồ án tốt nghiệp hữu cơ phức tạp (cellulose, mùn, kitin, lignin,.
Hầu hết các xạ khuẩn thuộc giống Actinomyces có khả năng hình thành chất kháng sinh. Đây là đặc điểm quan trọng nhất của xạ khuẩn. Trong quá trình trao đổi chất, xạ khuẩn còn có thể sinh ra các chất hữu cơ như các loại vitamin nhóm B (B1, B2, B6, B12), một số acid hữu cơ như acid lactic, acid acetic và nhiều acid amin như acid glutamic, tryptophan,. Một số xạ khuẩn có khả năng sinh ra nhiều loại enzyme như: protease, amylase, chitinase, cellulase.
Tuy nhiên, bên cạnh những xạ khuẩn có ích, một số xạ khuẩn lại sinh ra các chất độc kìm hãm sự sinh trưởng của thực vật. Một số khác lại là nguyên nhân gây ra một số bệnh khó chữa ở người và gia súc. Các bệnh này gọi chung là Actynomycose. Một số giống xạ khuẩn quan trọng trong đất: Actinomyces, Bacterionema, Pseudonocardia, Streptomyces.
Tảo Tảo là sinh vật tự dưỡng không bắt buộc (nhờ quá trình quang hợp), phát triển mạnh ở lớp đất mặt. Tảo có tác dụng làm tăng khả năng hoà tan của khoáng vật đặc biệt là carbonate, làm tăng tốc độ phong hoá, cung cấp một lượng lớn chất hữu cơ cho đất. Một số tảo lục, lam có khả năng cố định nitơ tự do. Bên cạnh đó tảo còn giúp hạn chế xói mòn đất do gió.
Nguyên sinh động vật (protozoa) Nguyên sinh động vật có kích thước hiển vi, cấu tạo và hoạt động của tế bào nguyên sinh động vật giống tế bào của sinh vật đa bào.