MỞ ĐẦU 1. Tính cấp thiết của ñề tài Giữa ñất, vi sinh vật và cây trồng có mối quan hệ tác ñộng qua lại lẫn nhau. Quá trình hình thành ñất và ñộ phì của ñất chịu ảnh hưởng của các yếu tố vật lí, hóa học và vi sinh vật. Vi sinh vật tổng hợp và giải phóng vào ñất những chất hữu cơ cần thiết tạo ñộ phì cho ñất, ngược lại ñất là môi trường sống cần thiết cho vi sinh vật, ñất và vi sinh vật cùng tác ñộng rất lớn ñến cây trồng, ñặc biệt cung cấp nguồn dinh dưỡng, một trong các nguồn dinh dưỡng quan trọng cho cây trồng là nguồn nitơ [8].
Người ta nhận thấy muốn thu hoạch 12 tạ hạt trên mỗi hecta, cây trồng lấy ñi khỏi ñất khoảng 30 kg nitơ [3]. Theo thống kê hàng năm các sản phẩm nông nghiệp trên thế giới lấy ñi khỏi ñất khoảng 100 – 110 triệu tấn nitơ (G. Colar và Greenland) [3]. Trong khi ñó lượng phân nitơ hóa học hiện nay chỉ bù ñắp ñược một phần lượng nitơ mà cây lấy ñi khỏi ñất.
Lạm dụng quá mức việc sử dụng phân hóa học làm ñất xấu ñi, mất cân ñối các chất dinh dưỡng và làm giảm hệ vi sinh vật có ích, hơn nữa việc sản xuất phân nitơ hóa học còn gặp nhiều khó khăn, giá thành khá cao. Vấn ñề ñặt ra là làm thế nào ñể bổ sung lượng dinh dưỡng nitơ cho ñất một cách có hiệu quả nhất, vừa tiết kiệm ñược chi phí sản xuất, bảo vệ ñược môi trường. Một trong những giải pháp ñang ñược áp dụng ñể cải tạo ñất hiện nay là sử dụng phân bón vi sinh vật. Nhóm vi sinh vật trong phân có tác dụng cải thiện ñộ phì, cân bằng dinh dưỡng trong ñất, cải thiện các tính chất lý, hóa của ñất, và ñặc biệt hạn chế ô nhiễm môi trường, cũng như ô nhiễm môi trường nước do quá trình rửa trôi [1].
Trong tự nhiên, ngoài nguồn nitơ ñược tạo ra cho ñất từ quá trình amon hóa, quá trình nitrat hóa, nguồn nitơ còn ñược tạo ra từ quá trình cố ñịnh nitơ phân tử ñược thực hiện bởi các nhóm vi sinh vật trong ñất, trong ñó có sự ñóng góp của nhóm vi khuẩn cố ñịnh nitơ tự do Azotobacter sp. Các vi sinh vật thuộc nhóm này có khả năng chuyển hóa nitơ phân tử thành các hợp chất chứa nitơ mà cây trồng có khả năng hấp thụ ñược [3]. là một loại vi khuẩn hiếu khí, sống tự do trong ñất, chúng có khả năng cố ñịnh ñạm cao và không phụ thuộc vào cây chủ. Ngoài ñặc ñiểm trên thì một số chủng thuộc chi này còn có khả năng sinh tổng hợp nên IAA (chất kích thích sinh trưởng ở thực vật).
Chính nhờ ñặc ñiểm quan trọng ñó vi khuẩn Azotobacter sp. ñược ứng dụng rộng rãi trong các chế phẩm phân bón vi sinh vật làm tăng năng suất cây trồng. Ở Việt Nam ñã có một số công trình nghiên cứu về vi sinh vật cố ñịnh nitơ tự do trên một số loại ñất ñể làm phân vi sinh, nhưng hiện nay chưa có một nghiên cứu nào về thành phần loài thuộc chi Azotobacter sp. trên một số loại ñất ở Đăk Lăk.
Xuất phát từ thực tế ñó, chúng tôi tiến hành nghiên cứu ñề tài: “Phân lập và tuyển chọn một số chủng vi khuẩn cố ñịnh nitơ tự do Azotobacter sp. trên một số loại ñất ở Đăk Lăk”. Mục tiêu của ñề tài - Tuyển chọn ñược một số chủng Azotobacter sp. cố ñịnh ñạm cao trên một số loại ñất ở Đăk Lăk.
- Đánh giá hiệu quả của một số chủng vi khuẩn Azotobacter sp. ñối với sự sinh trưởng của cây cải ngọt (Brassica juncea) 3. Ý nghĩa của ñề tài Ý nghĩa khoa học Đề tài góp phần phân lập, tuyển chọn một số chủng vi khuẩn Azotobacter sp. bản ñịa có khả năng cố ñịnh ñạm cao trên một số loại ñất ở Đăk Lăk, góp phần vào công công tác bảo tồn ña dạng vi sinh vật ở Đăk Lăk và Tây Nguyên.
Ý nghĩa thực tiễn Đề tài là cơ sở cho việc lựa chọn các chủng Azotobacter sp. trên một số loại ñất ở Đăk Lăk có hoạt tính cố ñịnh nitơ cao ñể sản xuất phân vi sinh có hiệu quả, nâng cao ñộ phì nhiêu của ñất, hạn chế bón phân hóa học, tăng năng suất cây trồng và góp phần phát triển một nền nông nghiệp sinh thái bền vững. TỔNG QUAN TÀI LIỆU 1. Nguồn nitơ trong tự nhiên Trong nước, nitơ chủ yếu ở dạng hợp chất của NH4+, NO2-, NO3-.
Trong ñất có 2 dạng nitơ tồn tại ñó là nitơ vô cơ trong các muối khoáng và nitơ hữu cơ trong xác, chất bài tiết từ sinh vật. Các hợp chất chứa nitơ trong xác, chất bài tiết của ñộng vật và thực vật bị một số loại nấm và vi khuẩn phân giải. Trong ñất amon hầu như chuyển hóa toàn bộ thành hợp chất nitrat. Phần lớn hợp chất nitrat ñược thực vật hấp thụ, phần còn lại bị mất ñi do mưa rửa trôi và tác dụng của phản nitrat hóa.
Hợp chất ñạm mà thực vật hút từ ñất một phần như gốc rễ ñược trả lại ñất, phần còn lại ñược ñộng vật và thực vật dị dưỡng tiêu thụ, lại biến thành các chất bài tiết trả lại ñất. Những chất hữu cơ này dưới tác dụng của nhiều loại vi sinh vật, nấm bị khử thành ñạm ở dạng hữu hiệu. Nitơ trong không khí tồn tại chủ yếu ở dạng nitơ phân tử (N2) chiếm khoảng 80%, ở dạng nguyên tử kép (N2) ñược khóa chặt với nhau thông qua liên kết cộng hóa trị bền vững (N≡N). Mặc dù rất cần nguyên tố này, nhưng cây chỉ có thể hấp thụ ñược nitơ ở dạng NO3- và NH4+ [3].
Để sử dụng ñược nguồn nitơ lớn từ không khí có 2 con ñường chính là hóa học và sinh học. Hóa học: Kể từ năm 1920, phương pháp công nghiệp Haber - Bosch ñã giúp con người phá vỡ liên kết ba này. Biện pháp này ñòi hỏi phải thực hiện ở nhiệt ñộ rất cao (450 – 500oC), áp suất là 125 atm và Fe3+ là chất xúc tác. Các hợp chất nitơ ñược tổng hợp hóa học trên cung cấp cho cây trồng một nguồn nitơ lớn và ổn ñịnh.
Tuy nhiên, bên cạnh việc sử dụng phân ñạm tổng hợp hóa học cho nông nghiệp có thể làm tăng năng suất cây trồng thì cũng ñem lại những tác hại cũng không nhỏ, vì trung bình chỉ có 40 – 50 % lượng ñạm bón ñược cây hấp thu, phần còn lại gây ô nhiễm môi trường ñất, nước, không khí… từ ñó gây hại thậm chí là tiêu diệt các sinh vật có lợi. Các hợp chất chứa nitơ của phân bón hóa học gây hại rất lớn ñối với cá, ñộng vật thân mềm và kể cả con người. Sinh học: Nhờ các vi sinh vật có thể tiết ra enzyme nitrogenase ñể thực hiện quá trình sinh học ñặc biệt - quá trình cố ñịnh nitơ. Nhóm vi sinh vật có khả năng thực hiện quá trình này ñược gọi là các vi sinh vật cố ñịnh nitơ.
Việc sử dụng phân bón vi sinh làm ñất không bị ô nhiễm, khả năng giữ ẩm tốt hơn, tăng cường khả năng cải tạo ñất do các hệ sinh vật có ích hoạt ñộng mạnh làm cho ñất tơi xốp hơn, cây dễ hút chất dinh dưỡng hơn. Ngoài ra, còn có các con ñường tạo nitơ khác như do sấm chớp hay cháy [12]. Vai trò của nitơ ñối với thực vật Nitơ là thành phần quan trọng cấu tạo nên các phân tử hữu cơ như protein, diệp lục, ATP… Hàm lượng nitơ trong thành phần các chất khô của thực vật dao ñộng từ 1 – 3%. Tuy hàm lượng trong cây thấp nhưng nitơ có vai trò sinh lý ñặc biệt quan trọng trong ñời sống sinh trưởng phát triển và hình thành năng suất của cây trồng.
Thiếu nitơ, cây sinh trưởng kém, chlorophyll không ñược tổng hợp ñầy ñủ, lá vàng, ñẻ nhánh và phân cành kém, sút giảm hoạt ñộng quang hợp nên năng suất giảm. Nếu thừa nitơ cũng sẽ ảnh hưởng nghiêm trọng ñến sinh trưởng, phát triển và năng suất của cây trồng. như cây sinh trưởng mạnh thân lá tăng nhanh nên cây rất yếu, dễ ñổ, thu hoạch gặp nhiều khó khăn. Quá trình chuyển hóa nitơ trong tự nhiên 1.
Quá trình khoáng hóa Quá trình khoáng hóa là quá trình phân hủy xác hữu cơ dưới tác ñộng của quần thể vi sinh vật thành các chất khoáng hòa tan hay các chất khí và tỏa nhiệt, tùy thuộc vào ñiều kiện khoáng hóa mà cho các sản phẩm khác nhau. Giai ñoạn này có sự tham gia của các chủng vi sinh vật nitrat hóa như Nitrosomonas và Nitrobacter - những vi khuẩn tham gia vào quá trình oxy hóa những hợp chất chứa nitơ thành nitrat (NO3-), một dạng thích hợp ñể cho cây trồng hấp thu. Vi khuẩn amon hóa Hợp chất hữu cơ NH4+ Vi khuẩn nitrat hóa + NH4 NO2- Nitrosomonas Nitrobacter NO2- NO3- 1. Quá trình phản nitrat hóa Là quá trình phân hủy chuyển hóa hợp chất nitrat trong ñiều kiện yếm khí dưới tác dụng của vi sinh vật tạo thành nitơ.
Vi khuẩn phản nitrat hóa NO3- N2 1. Quá trình cố ñịnh nitơ phân tử Quá trình này ñược thực hiện do các vi sinh vật cố ñịnh nitơ như Rhizobium sống cộng sinh ở rễ cây họ ñậu hay Azotobacter sống tự do, sẽ biến ñổi N2 trong không khí thành NH3, từ NH3 sẽ tổng hợp ra các hợp chất chứa nitơ khác cung cấp cho cây trồng và ñồng thời làm giàu thêm nitơ cho ñất. Để quá trình này xảy ra thì phải có lực khử mạnh, ATP và thực hiện ở ñiều kiện kỵ khí (do chỉ trong ñiều kiện này enzyme nitrogenase mới hoạt ñộng). Nitrogenase H2O N 2 + H2 NH3 NH4+ Vi khuẩn cố ñịnh ñạm Cơ chế hóa sinh của quá trình cố ñịnh nitơ của vi khuẩn sống tự do trong ñất.
Cơ chế hóa sinh của quá trình cố ñịnh N2 của vi sinh vật cho ñến nay vẫn chưa ñược sáng tỏ hoàn toàn, nhưng ña số các nhà nghiên cứu ñồng ý với giả thuyết cho rằng NH3 là sản phẩm ñồng hóa sơ cấp của N2 và có thể nêu ra giả thuyết về 2 con ñường cố ñịnh N2 của vi khuẩn sống tự do trong ñất như sau: Trong công nghiệp, nhờ các chất xúc tác nên năng lượng dùng cho phản ứng cố ñịnh N2 ñược giảm nhiều, chỉ vào khoảng 16 – 20 Kcal/M, song lượng năng lượng vẫn còn lớn so với trong cơ thể sinh vật. Tốc ñộ phản ứng nhanh chóng trong tế bào vi sinh vật ở nhiệt ñộ thấp nhờ có hệ thống hydrogenase hoạt hóa H2 và nitrogenase hoạt hóa N2. Năm 1961 – 1962, người ta ñã tách từ Clostridium pasteurrianum hai tiểu phần hoạt hóa H2 và N2. Sau này người ta tìm thấy ở Azotobacter cũng có các tiểu phần ñó.
