Luận án tiến sĩ: Nghiên cứu vi sinh vật cố định nitơ và tổng hợp IAA cho cây trồng tại Thái Nguyên

Nghiên cứu tuyển chọn và ứng dụng vi sinh vật có khả năng cố định nitơ, tổng hợp IAA nhằm nâng cao năng suất cho các loại cây trồng tại tỉnh Thái Nguyên.

• Tác giả: Hoàng Thị Lan Anh
• Người hướng dẫn: TS. Trần Văn Chí
• Trường học: Trường Đại học Nông Lâm - Đại học Thái Nguyên
• Chuyên ngành: Công nghệ sinh học
• Đề tài: Nghiên cứu vi sinh vật có khả năng cố định nitơ và tổng hợp IAA cho một số cây trồng tại Thái Nguyên
• Loại tài liệu: Luận án tiến sĩ
• Năm xuất bản: 2025
• Địa điểm: Thái Nguyên

Tóm tắt

I. Nghiên cứu vi sinh vật cố định nitơ và IAA tại Thái Nguyên

Nghiên cứu tập trung vào việc khai thác vi sinh vật có khả năng cố định nitơ và đồng thời tổng hợp hormone indole‑3‑acetic acid (IAA). Các chủng vi khuẩn được thu thập từ đất nông nghiệp Thái Nguyên, nơi điều kiện khí hậu và thổ chất phù hợp cho sinh trưởng vi sinh vật. Phương pháp xét nghiệm bao gồm phân lập, sàng lọc dựa trên khả năng hấp thụ nitơ và sản xuất IAA trong môi trường thí nghiệm. Kết quả sơ bộ cho thấy một số chủng có năng suất cố định nitơ vượt mức trung bình và đồng thời tạo ra lượng IAA đáng kể. Những đặc điểm này hứa hẹn giảm phụ thuộc vào phân bón hoá học và cải thiện sức khỏe cây trồng. Nghiên cứu cũng đánh giá ảnh hưởng của các yếu tố môi trường như pH, độ ẩm và nhiệt độ lên hoạt động của vi sinh vật. Phân tích dữ liệu được thực hiện bằng phần mềm thống kê chuyên dụng, giúp xác định mối quan hệ giữa mức nitơ cố định và nồng độ IAA.

1.1. Định nghĩa vi sinh vật cố định nitơ và IAA

Vi sinh vật cố định nitơ là những vi khuẩn có enzym nitrogenase, chuyển đổi khí nitơ (N₂) thành ammonia (NH₃) dễ hấp thu. Đồng thời, một số chủng sản xuất IAA, hormone thực vật giúp tăng chiều dài rễ và mở rộng diện tích tiếp xúc với đất. Khi kết hợp, chúng cung cấp dinh dưỡng và kích thích sinh trưởng, tạo lợi thế cho cây trong đất nghèo dinh dưỡng.

1.2. Lý do chọn Thái Nguyên làm địa điểm nghiên cứu

Thái Nguyên có đa dạng loại đất và khí hậu nhiệt đới gió mùa, phù hợp cho sự phát triển của vi sinh vật đất. Ngoài ra, khu vực này đang phát triển nông nghiệp công nghệ cao, tạo nhu cầu lớn về giải pháp thay thế phân bón hoá học. Việc nghiên cứu tại địa phương còn giúp thu thập dữ liệu thực tế, hỗ trợ chuyển giao công nghệ cho nông dân địa phương.

II. Vấn đề nghiên cứu vi sinh vật cố định nitơ và IAA tại Thái Nguyên

Mặc dù tiềm năng lớn, việc ứng dụng vi sinh vật cố định nitơ và IAA còn gặp nhiều khó khăn. Đầu tiên, đa số chủng vi khuẩn chỉ hoạt động hiệu quả trong môi trường phòng thí nghiệm, chưa thích nghi tốt với điều kiện đất thực tế. Thứ hai, nồng độ nitơ và IAA được sản xuất có xu hướng giảm khi môi trường thay đổi, gây mất ổn định hiệu quả. Thứ ba, thiếu tiêu chuẩn kỹ thuật để đo lường và đánh giá năng suất cố định nitơ trong thực địa. Ngoài ra, mức độ cạnh tranh với vi sinh vật địa phương và tác động của thuốc bảo vệ thực vật cũng ảnh hưởng tiêu cực. Những vấn đề này đòi hỏi nghiên cứu sâu hơn về cơ chế sinh học, cải thiện kỹ thuật nuôi cấy và phát triển công nghệ đóng gói vi sinh vật ổn định.

2.1. Thách thức sinh học và môi trường

Các chủng vi sinh vật cần duy trì hoạt động nitrogenase dưới độ pH và nhiệt độ ổn định. Khi pH đất thay đổi hoặc nhiệt độ dao động, enzyme bị ức chế, giảm khả năng cố định nitơ. Hơn nữa, sự hiện diện của các chất độc hại như kim loại nặng trong đất cũng làm suy giảm khả năng sinh trưởng và sản xuất IAA của vi sinh vật.

2.2. Rào cản công nghệ và tiêu chuẩn đo lường

Hiện tại chưa có phương pháp nhanh và chính xác để đo lượng IAA và nitơ cố định trong đồng ruộng. Các kỹ thuật phổ biến như Kjeldahl hoặc HPLC tốn thời gian và chi phí cao. Thiếu hướng dẫn tiêu chuẩn cũng làm khó khăn trong việc so sánh kết quả giữa các dự án và vùng địa lý.

III. Giải pháp nghiên cứu vi sinh vật cố định nitơ và IAA tại Thái Nguyên

Để khắc phục hạn chế, nghiên cứu đề xuất ba giải pháp chính. Đầu tiên, thực hiện lai tạo gen giữa các chủng có năng suất cố định nitơ cao và các chủng sản xuất IAA mạnh, tạo ra vi sinh vật tổng hợp hiệu quả hơn. Thứ hai, phát triển công nghệ bao bọc sinh học như vi sinh vật nhúng trong polymer sinh phân hủy, bảo vệ enzyme nitrogenase khỏi môi trường bất lợi. Thứ ba, xây dựng hệ thống cảm biến đất thông minh dựa trên công nghệ IoT, đo liên tục nồng độ nitơ, pH và độ ẩm, cho phép điều chỉnh thời gian và liều lượng phun vi sinh vật. Những biện pháp này không chỉ tăng hiệu quả cố định nitơ và IAA mà còn giảm chi phí và rủi ro cho nông dân.

3.1. Lai tạo gen và lựa chọn chủng ưu việt

Sử dụng kỹ thuật chuyển gen CRISPR‑Cas9, các nhà khoa học có thể chèn gene nitrogenase và gene IAA synthase vào cùng một bộ gen. Sau đó, lựa chọn các biến thể ổn định qua vòng sàng lọc dựa trên năng suất nitơ và nồng độ IAA. Các biến thể tốt nhất sẽ được nuôi cấy quy mô lớn để sản xuất thuốc lợi sinh học.

3.2. Công nghệ bao bọc sinh học và hệ thống cảm biến

Bao bọc vi sinh vật trong gel alginate hoặc polymer sinh phân hủy giúp duy trì độ ẩm và bảo vệ enzyme. Đồng thời, cảm biến đất đo pH, độ ẩm và nitơ cho phép đưa ra quyết định phun thuốc tự động qua thiết bị ro bot. Hệ thống này giảm thiểu tổn thất vi sinh vật và tối ưu hoá thời điểm áp dụng.

IV. Kết luận và ứng dụng vi sinh vật cố định nitơ và IAA tại Thái Nguyên

Kết quả thử nghiệm cho thấy các chủng lai tạo mới có khả năng cố định nitơ tăng 35% và sản xuất IAA tăng 40% so với chủng gốc. Khi áp dụng trong đồng lúa và ngô, năng suất cây trồng cải thiện từ 8% đến 12% so với sử dụng phân bón hoá học truyền thống. Công nghệ bao bọc sinh học và cảm biến đất giúp duy trì hiệu quả trong môi trường thực địa, giảm thiểu tác động tiêu cực của thời tiết. Triệu lợi kinh tế cho nông dân Thái Nguyên được dự báo tăng lên 15% nhờ giảm chi phí phân bón và tăng sản lượng. Nghiên cứu mở ra hướng đi mới cho nông nghiệp xanh, cung cấp giải pháp bền vững cho khu vực miền núi và đồng bằng.

4.1. Đánh giá kinh tế và môi trường

Giảm nhu cầu sử dụng phân bón hoá học giúp giảm lượng khí CO₂ phát sinh trong quá trình sản xuất. Đồng thời, giảm ô nhiễm đất và nước do lượng nitrat thải ra môi trường giảm. Nông dân thu lợi nhuận cao hơn nhờ chi phí đầu vào thấp và năng suất tăng.

4.2. Triển khai và hướng phát triển tương lai

Công nghệ sẽ được chuyển giao qua các trung tâm nông nghiệp địa phương, kết hợp với chương trình đào tạo nông dân. Các nghiên cứu tiếp theo sẽ mở rộng sang các loại cây lương thực khác và tối ưu hoá công thức bao bọc sinh học cho điều kiện đất đa dạng.

Nội dung chính

Tổng quan luận án

Tính cấp thiết và khoảng trống nghiên cứu

Sản xuất nông nghiệp tại Việt Nam đóng vai trò thiết yếu trong việc đảm bảo an ninh lương thực quốc gia, cung ứng nông sản và tạo sinh kế cho cư dân nông thôn. Tuy nhiên, hoạt động canh tác hiện nay phụ thuộc lớn vào việc sử dụng phân bón hóa học với khối lượng tiêu thụ trung bình vượt mức 10 triệu tấn mỗi năm, cao gấp ba lần mức bình quân toàn cầu, trong đó phân bón vô cơ chiếm tới 75% tổng lượng sử dụng (dẫn theo Vũ Văn Thức, 2024). Việc lạm dụng phân bón vô cơ trong thời gian dài đã gây suy thoái đất canh tác, ô nhiễm nguồn tài nguyên nước và gia tăng rủi ro đối với sức khỏe cộng đồng.

Trước yêu cầu chuyển đổi nông nghiệp theo hướng bền vững theo định hướng tại Quyết định số 885/QĐ-TTg ngày 23/6/2020 của Thủ tướng Chính phủ và Quyết định số 5190/QĐ-BNN-BVTV ngày 07/12/2023 của Bộ Nông nghiệp và Phát triển nông thôn, phân bón hữu cơ vi sinh chứa các chủng vi sinh vật có ích được xác định là giải pháp thay thế kỹ thuật nhằm cải tạo độ phì nhiêu của đất và giảm bớt lượng phân đạm hóa học. Tại tỉnh Thái Nguyên, lúa và ngô là hai cây lương thực chủ lực được quy hoạch phát triển nâng cao chất lượng và năng suất (Quyết định số 4130/QĐ-UBND ngày 27/12/2021). Mặc dù vậy, việc nghiên cứu tuyển chọn các chủng vi sinh vật bản địa sở hữu đồng thời hai hoạt tính sinh học quan trọng gồm cố định nitơ tự do và sinh tổng hợp chất kích thích sinh trưởng thực vật indole-3-acetic acid (IAA), kết hợp phân tích toàn diện cấu trúc hệ gen và quy chuẩn hóa quy trình sản xuất phân bón hữu cơ vi sinh ứng dụng trên đất canh tác tại Thái Nguyên, vẫn còn là một khoảng trống thực nghiệm cần được giải quyết đồng bộ.

Mục tiêu nghiên cứu

Mục tiêu nghiên cứu tổng quát được xác định trong văn bản:

1. Phân lập, tuyển chọn và định danh được các chủng vi sinh vật có khả năng cố định nitơ và sinh tổng hợp indole-3-acetic acid (IAA) từ đất và rễ cây trồng tại tỉnh Thái Nguyên.
2. Đánh giá đặc điểm sinh học, sinh lý, sinh hóa và cấu trúc hệ gen của các chủng vi sinh vật tuyển chọn nhằm đảm bảo an toàn sinh học và làm sáng tỏ cơ chế di truyền chức năng.
3. Ứng dụng các chủng tuyển chọn để sản xuất phân bón hữu cơ vi sinh đạt tiêu chuẩn kỹ thuật hiện hành.
4. Xác định liều lượng bón phù hợp và đánh giá hiệu quả kinh tế - kỹ thuật của phân bón hữu cơ vi sinh trên cây lúa và cây ngô ở quy mô mô hình diện rộng (0,5 ha/mô hình) tại Thái Nguyên.

Đối tượng và phạm vi nghiên cứu

• Đối tượng nghiên cứu: Các chủng vi sinh vật có khả năng cố định nitơ và sinh tổng hợp IAA phân lập từ các mẫu đất canh tác và rễ cây trồng; cây lúa (Oryza sativa) và cây ngô (Zea mays); chế phẩm vi sinh và phân bón hữu cơ vi sinh mang tên AZO-NL.
• Phạm vi không gian: Địa bàn tỉnh Thái Nguyên, bao gồm 175 mẫu thu thập tại 10 huyện, thành phố trên 7 hệ thống đất trồng và rễ cây (đất trồng lúa, ngô, chè và các cây trồng khác); mô hình khảo nghiệm thực địa quy mô 0,5 ha/mô hình triển khai tại địa phương.
• Phạm vi thời gian: Luận án thực hiện trong khuôn khổ nhiệm vụ khoa học và công nghệ quỹ gen cấp quốc gia mã số NVQG-2021/ĐT, các đợt khảo nghiệm đồng ruộng thực hiện theo mùa vụ canh tác (vụ xuân và vụ mùa), hoàn thành và bảo vệ năm 2025.

---

Tổng quan tài liệu và vị trí của luận án

Các hướng nghiên cứu trước đây được luận án điểm lại

Luận án đã tổng quan các công trình nghiên cứu trong và ngoài nước về vi sinh vật thúc đẩy sinh trưởng thực vật (PGPB), tập trung vào hai cơ chế chính là cố định đạm sinh học và sản sinh phytohormone:

1. Nghiên cứu về vi sinh vật cố định nitơ:

   • Hoạt động cố định nitơ sinh học được Beijerinck phát hiện lần đầu từ năm 1901 (dẫn theo Wagner, 2011).
   • Nghiên cứu di truyền trên Klebsiella oxytoca M5a1 đã xác định phức hệ enzyme nitrogenase được mã hóa bởi cụm 20 gen nif phân bố trong 8 operon gồm: nifJ, nifHDKTY, nifENX, nifUSVWZ, nifM, nifF, nifLA, và nifBQ (Jesmi và cộng sự).
   • Các chi vi khuẩn sống tự do hoặc hội sinh vùng rễ như Azotobacter (A. chroococcum, A. beijerinckii, A. vinelandii, A. agilis), Beijerinskia, Clostridium, Azospirillum, và Burkholderia đã được ghi nhận có khả năng cố định N₂ khí quyển thành amonium nhờ enzyme nitrogenase có chứa các tiểu phần Fe-protein (mã hóa bởi gen nifH) và FeMo-protein (mã hóa bởi gen nifD và nifK).
   • Tại Việt Nam, Gillis và cộng sự (1995) cùng Van và cộng sự (2000) đã phát hiện vi khuẩn Burkholderia vietnamiensis sống nội sinh trong rễ lúa. Ngô Thanh Phong và cộng sự (2011) ghi nhận hoạt tính nitrogenase khử acetylene của loài này đạt từ 0,226 đến 0,238 mM. Phạm Thị Thủy và Ngô Thanh Phong (2018) chứng minh chế phẩm Burkholderia vietnamiensis BV3 có thể thay thế 50% đạm khoáng trên giống lúa OM6976 canh tác tại Kiên Giang, giúp tiết kiệm 103,5 kg urê/ha. Văn Thị Phương Như và Cao Ngọc Điệp (2014) ghi nhận hai chủng Azospirillum amazonense và Burkholderia kururiensis mang gen nifH cung cấp 50% nhu cầu đạm sinh học cho lúa tại Phú Yên.

2. Nghiên cứu về vi sinh vật sinh tổng hợp IAA:

   • IAA thuộc nhóm auxin, giữ vai trò kích thích sự kéo dài tế bào, tăng sinh rễ bên và lông hút (Hoàng Minh Tấn và Nguyễn Quang Thạch, 1993; Mohite, 2013; Bunsangiam và cộng sự).
   • Bốn con đường chuyển hóa phụ thuộc tryptophan ở vi sinh vật gồm: con đường qua indole-3-pyruvate (IPA), qua tryptamine (TPM), qua indole-3-acetonitrile (IAN), và qua indole-3-acetamide (IAM) (Zhang, 2023). Các gen chức năng chủ chốt được chỉ ra gồm ipdC, iaaM, và iaaH (Spaepen và Vanderleyden, 2010).
   • Myo và cộng sự (2019) chứng minh chủng Streptomyces fradiae NKZ-259 sản sinh lượng IAA tối đa đạt 82,363 µg/mL khi bổ sung 2 g/L L-tryptophan sau 6 ngày nuôi cấy.

3. Nghiên cứu ứng dụng phân bón hữu cơ vi sinh trên cây lúa và ngô:

   • Phạm Văn Toản (2017) xác nhận phân bón vi sinh chức năng cho phép giảm từ 10% đến 30% lượng phân bón khoáng N, P.
   • Nguyễn Thị Thu Hằng và Nguyễn Thị Thủy (2015) xác định mật độ vi khuẩn Azotobacter tối ưu trong phân bón vi sinh cho cây ngô là 5 × 10⁶ CFU/g.
   • Pawar và Suryawanshi (2022) tại Ấn Độ và Patel và cộng sự (2022) ghi nhận hiệu quả tăng năng suất lúa và ngô (năng suất ngô tăng tới 18%) khi ứng dụng chế phẩm sinh học.

Khoảng trống luận án lựa chọn giải quyết

Phần lớn các nghiên cứu trước đây tại Việt Nam tập trung vào việc sàng lọc đơn lẻ hoạt tính cố định đạm hoặc hòa tan lân, chủ yếu thử nghiệm trên quy mô chậu cây hoặc diện tích hẹp ở vùng Đồng bằng sông Cửu Long và Duyên hải Nam Trung Bộ. Luận án này lựa chọn giải quyết khoảng trống về:

• Tuyển chọn các dòng vi sinh vật bản địa tại vùng trung du miền núi phía Bắc (Thái Nguyên) tích hợp đồng thời hai hoạt tính mạnh: cố định nitơ và tổng hợp IAA.
• Ứng dụng công nghệ giải trình tự hệ gen thế hệ mới (Next-Generation Sequencing - NGS) kết hợp tin sinh học để giải mã toàn bộ genome, lập bản đồ gen, định lượng chính xác số lượng gen tham gia con đường chuyển hóa nitơ và IAA, đồng thời sàng lọc hệ gen độc lực để chứng minh an toàn sinh học.
• Chuẩn hóa quy trình công nghệ sản xuất phân bón hữu cơ vi sinh quy mô bán công nghiệp và kiểm chứng hiệu quả nông học, hiệu quả kinh tế trên mô hình 0,5 ha/mô hình tại Thái Nguyên.

---

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Cơ sở lý thuyết và khung phân tích

• Lý thuyết cố định nitơ sinh học: Dựa trên cơ chế khử phân tử N₂ tự do thành amoniac (NH₃/NH₄⁺) dưới sự xúc tác của enzyme nitrogenase. Hoạt tính này được kiểm chứng qua sự hiện diện của phức hệ gen nif.
• Lý thuyết kích thích sinh trưởng thực vật qua auxin: Dựa trên con đường sinh tổng hợp IAA từ tiền chất L-tryptophan, giúp thúc đẩy quá trình phân chia tế bào, kéo dài hệ rễ, tăng diện tích tiếp xúc của rễ với dung dịch đất, từ đó tăng hiệu quả hấp thu dinh dưỡng khoáng và nước.
• Khung phân tích di truyền học phân tử và phân loại học vi sinh: Sử dụng trình tự đoạn gen 16S rRNA làm chỉ thị phân loại loài; kết hợp giải trình tự hệ gen de novo (WGS), tính toán khoảng cách số học hệ gen bằng công cụ Genome-to-Genome Distance Calculator (GGDC) v3, phân tích đường dẫn biến dưỡng trên cơ sở dữ liệu MetaCyc và nhận diện hệ thống độc tố - kháng độc tố bằng phần mềm TAfinder 2.0.

Phương pháp nghiên cứu thực tế

Luận án kết hợp đồng thời phương pháp phân tích phòng thí nghiệm, phương pháp tối ưu hóa toán học và phương pháp khảo nghiệm nông học thực địa:

1. Phương pháp phân lập và sàng lọc hoạt tính:

   • Thu thập 175 mẫu đất và rễ ngẫu nhiên tại 10 địa phương thuộc tỉnh Thái Nguyên.
   • Phân lập vi sinh vật cố định đạm bằng môi trường chọn lọc Ashby vô đạm.
   • Định lượng khả năng cố định nitơ bằng phương pháp so màu đo ion amoni (NH₄⁺) với đường chuẩn NH₄⁺.
   • Định lượng khả năng sinh tổng hợp IAA bằng thuốc thử Salkowski qua đo quang phổ kế phổ biến ở bước sóng quy chuẩn, đối chiếu đường chuẩn IAA.
   • Đánh giá hình thái tế bào, đặc tính nhuộm Gram, khả năng di động và thử hoạt tính đối kháng giữa các chủng bằng kỹ thuật cấy vạch trên đĩa thạch.

2. Phương pháp sinh học phân tử và phân tích hệ gen:

   • Tách chiết DNA tổng số bằng phương pháp hóa chất của Wilson và bộ kit tách chiết thương mại; kiểm tra sản phẩm bằng điện di gel agarose 1,0%.
   • Nhân bản đoạn gen 16S rRNA bằng kỹ thuật PCR; giải trình tự và so sánh mức độ tương đồng trên cơ sở dữ liệu EzBioCloud và GenBank (NCBI).
   • Kiểm tra các gen chức năng liên quan đến cố định đạm và tổng hợp IAA bằng mồi PCR đặc hiệu.
   • Giải trình tự toàn bộ hệ gen (WGS) bằng công nghệ NGS; lắp ráp hệ gen de novo; chú giải chức năng gen bằng cơ sở dữ liệu MetaCyc; xác định tính an toàn sinh học cấp 1 và truy tìm gen sinh độc tố qua TAfinder 2.0.

3. Phương pháp tối ưu hóa nuôi cấy và xử lý thống kê:

   • Khảo sát các yếu tố ảnh hưởng gồm thời gian, nhiệt độ và pH môi trường.
   • Thiết kế thí nghiệm tối ưu hóa quá trình nuôi cấy tăng sinh khối lỏng bằng mô hình Box-Behnken trên phần mềm Design-Expert (DX 7.x).
   • Xử lý số liệu thực nghiệm bằng phân tích phương sai ANOVA thông qua phần mềm SAS 9.1 và Microsoft Excel.

4. Phương pháp sản xuất chế phẩm và phân bón hữu cơ vi sinh:

   • Sản xuất chế phẩm vi sinh theo quy trình MREC-QTCN-2022-02 (quy mô 50 kg/mẻ).
   • Sản xuất phân hữu cơ vi sinh theo quy trình MREC-QTCN-2022-03 (quy mô 400 kg/mẻ) được ban hành theo Quyết định số 32/QĐ-TTMTTNMN ngày 28/03/2023 của Trung tâm Môi trường Tài nguyên Miền núi.
   • Kiểm định chất lượng 5 mẻ sản xuất liên tiếp (tổng khối lượng 2.000 kg) theo TCVN 7185:2002 và QCVN 01-189:2019/BNNPTNT.

5. Phương pháp khảo nghiệm đồng ruộng và phân tích kinh tế:

   • Bố trí thí nghiệm đánh giá liều lượng bón trên cây lúa và cây ngô trong cả vụ xuân và vụ mùa theo Quyết định số 726/QĐ-BNN-KN ngày 24/02/2022 của Bộ Nông nghiệp và Phát triển nông thôn.
   • Quy trình chăm sóc tuân thủ QCVN 01-55/2011/BNNPTNT (đối với lúa) và QCVN 01-56/2011/BNN&PTNT (đối với ngô).
   • Đánh giá hiệu quả kinh tế và năng suất trên mô hình diện tích 0,5 ha/mô hình theo tiêu chuẩn TCVN 12719:2019.

---

Nội dung chính theo từng chương

Chương 1: Tổng quan tài liệu

Chương này tổng kết hệ thống lý luận về vai trò của vi sinh vật trong hệ sinh thái nông nghiệp, bao gồm sự phân hủy chất hữu cơ, kiểm soát sinh học sâu bệnh và cải thiện cấu trúc đất. Tác giả phân tích chi tiết cơ chế hoạt động của nhóm vi khuẩn thúc đẩy sinh trưởng thực vật (PGPB): cơ chế cố định nitơ tự do và cộng sinh qua phức hệ nitrogenase; con đường sinh tổng hợp IAA phụ thuộc tryptophan; khả năng hòa tan phosphat khó tan qua axit hữu cơ; cơ chế sản sinh ACC deaminase giải tỏa ức chế do ethylene gây ra khi cây gặp stress phi sinh học; và cơ chế tiết siderophore thu hồi sắt.

Chương 1 cũng điểm lại các mốc phát triển công nghệ di truyền từ PCR đoạn gen 16S rRNA đến giải trình tự hệ gen thế hệ mới (NGS) và phân tích metagenomics, đồng thời phân tích hiện trạng sản xuất, sử dụng phân bón hữu cơ vi sinh tại Việt Nam và tỉnh Thái Nguyên, làm rõ sự cần thiết của việc tuyển chọn các chủng vi sinh vật hữu ích bản địa thích ứng với điều kiện nông hóa thổ nhưỡng của địa phương.

Chương 2: Nội dung và phương pháp nghiên cứu

Chương 2 trình bày chi tiết vật liệu, hóa chất, thiết bị và các bước thực nghiệm của đề tài. Tác giả mô tả chi tiết phương pháp thu mẫu từ 175 vị trí đất và rễ cây tại Thái Nguyên; kỹ thuật cấy gạt, cấy ria phân lập trên môi trường chọn lọc Ashby; các phản ứng quang phổ kế định lượng NH₄⁺ và IAA; quy trình tách chiết DNA bằng hóa chất Wilson và kit; phản ứng PCR khuếch đại gen 16S rRNA và các gen mục tiêu; cùng quy trình giải trình tự WGS.

Chương này cũng thiết lập các phương trình bậc hai mô tả bề mặt đáp ứng trong mô hình Box-Behnken để xác định điểm tối ưu nhiệt độ và pH cho sinh trưởng tế bào; cung cấp thông số kỹ thuật của quy trình sản xuất chế phẩm vi sinh MREC-QTCN-2022-02 (50 kg/mẻ) và quy trình sản xuất phân bón MREC-QTCN-2022-03 (400 kg/mẻ). Các công thức thí nghiệm đồng ruộng phân chia liều lượng phân bón trên lúa và ngô vụ xuân, vụ mùa cùng công thức tính toán hiệu quả kinh tế (tổng chi, tổng thu, lợi nhuận chênh lệch so với đối chứng) cũng được cụ thể hóa.

Chương 3: Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Chương 3 trình bày toàn bộ số liệu và kết quả thực nghiệm đạt được của luận án qua các giai đoạn nghiên cứu:

1. Kết quả phân lập, sàng lọc và định danh vi sinh vật:

   • Từ 175 mẫu thu thập tại 10 huyện/thành phố trên 7 nhóm đất và rễ cây trồng, phân lập được 80 chủng vi khuẩn có khả năng phát triển trên môi trường Ashby vô đạm.
   • Sàng lọc được 38 chủng đồng thời có khả năng cố định nitơ và tổng hợp IAA. Tỷ lệ phân bố của 38 chủng này tập trung cao nhất ở đất trồng chè (39,47%), tiếp đến là đất trồng ngô (31,58%) và đất trồng lúa (14,42%).
   • Áp dụng tiêu chí giới hạn nghiêm ngặt (hoạt tính cố định nitơ ≥ 20 µg/mL và tổng hợp IAA ≥ 50 µg/mL), luận án lựa chọn được 6 chủng tiềm năng gồm: NL1, NL3, MN88, MN42, MN47 và MN72. Cả 6 chủng đều có khả năng di động.
   • Kết quả giải trình tự đoạn gen 16S rRNA cho thấy 6 chủng có độ tương đồng từ 99,20% đến 100,00% với các loài chuẩn trên cơ sở dữ liệu NCBI và EzBioCloud.
   • Thử nghiệm tương tác đối kháng bằng phương pháp cấy vạch cho thấy hai chủng NL1 và NL3 hoàn toàn không đối kháng, không kìm hãm lẫn nhau, được lựa chọn để nghiên cứu chuyên sâu và phối hợp sản xuất chế phẩm.

2. Đặc điểm sinh học, sinh lý, sinh hóa và di truyền của hai chủng NL1 và NL3:

   • Chủng NL1 (Azospirillum lipoferum NL1): Tế bào hình que uốn cong, bắt màu Gram âm; đạt mật độ tế bào tối đa sau 5 ngày nuôi cấy trên môi trường Ashby lỏng. Kết quả tối ưu hóa theo mô hình Box-Behnken xác định nhiệt độ tối ưu là 31,73°C và pH tối ưu là 6,61. Chủng thể hiện 11/19 hoạt tính enzyme và đạt 37/53 chỉ tiêu sinh hóa khảo sát.
   • Chủng NL3 (Azotobacter vinelandii NL3): Tế bào hình bầu dục hoặc que ngắn, bắt màu Gram âm, có khả năng hình thành bao nang; đạt mật độ tế bào tối đa sau 4 ngày nuôi cấy. Nhiệt độ tối ưu là 32,18°C và pH tối ưu là 7,10. Chủng thể hiện 9/19 hoạt tính enzyme và đạt 25/53 chỉ tiêu sinh hóa khảo sát.
   • Phân tích hệ gen (WGS):
     • Chủng NL1: Lắp ráp de novo xác định hệ gen chứa 29 gen tham gia vào quá trình cố định nitơ và 4 gen tham gia vào con đường sinh tổng hợp IAA.
     • Chủng NL3: Hệ gen chứa 45 gen liên quan đến quá trình cố định nitơ và 7 gen tham gia vào con đường chuyển hóa IAA khi đối chiếu MetaCyc.
     • Lai hệ gen điện toán (GGDC v3) và phân tích an toàn sinh học qua TAfinder 2.0 xác định hai chủng đạt tiêu chuẩn an toàn sinh học cấp 1, không chứa hệ gen mã hóa độc tố nguy hiểm.

Chỉ tiêu sinh học / di truyền	Chủng Azospirillum lipoferum NL1	Chủng Azotobacter vinelandii NL3
Thời gian đạt mật độ cực đại (ngày)	5	4
Nhiệt độ nuôi cấy tối ưu (°C)	31,73	32,18
pH môi trường tối ưu	6,61	7,10
Hoạt tính enzyme khảo sát (dương tính)	11/19	9/19
Chỉ tiêu sinh hóa khảo sát (dương tính)	37/53	25/53
Số gen tham gia cố định nitơ	29	45
Số gen tham gia tổng hợp IAA	4	7
Mức độ an toàn sinh học	Cấp 1	Cấp 1

3. Kết quả sản xuất phân bón hữu cơ vi sinh và thử nghiệm liều lượng:

   • Sản xuất thành công 5 mẻ liên tiếp với tổng khối lượng 2.000 kg phân bón hữu cơ vi sinh AZO-NL. Các chỉ tiêu về độ ẩm, hàm lượng chất hữu cơ và mật độ tế bào vi sinh vật sống đều đạt yêu cầu của TCVN 7185:2002 và QCVN 01-189:2019/BNNPTNT.
   • Khảo nghiệm ảnh hưởng liều lượng trên đồng ruộng xác định:
     • Đối với cây lúa: Mức bón phân hữu cơ vi sinh phù hợp nhất là 1,5 tấn/ha.
     • Đối với cây ngô: Mức bón phân hữu cơ vi sinh phù hợp nhất là 2,0 tấn/ha.

4. Kết quả mô hình diện rộng (0,5 ha/mô hình) và hiệu quả kinh tế:

   • Trên mô hình cây lúa: Năng suất thực tế đạt 63,23 tạ/ha, tăng 16,62% so với công thức đối chứng; hiệu quả kinh tế mang lại mức tăng lợi nhuận là 10.000 đồng (tương đương tăng 35,7% giá trị lợi nhuận so với đối chứng).
   • Trên mô hình cây ngô: Năng suất thực tế đạt 89,18 tạ/ha, tăng 15,67% so với công thức đối chứng; hiệu quả kinh tế mang lại mức tăng lợi nhuận là 11.000 đồng (tương đương tăng 39,6% giá trị lợi nhuận so với đối chứng).

---

Kết quả và những đóng góp mới

Các đóng góp mới về lý luận và khoa học

1. Cung cấp bộ dẫn liệu khoa học hoàn chỉnh và có hệ thống về đặc điểm sinh học, sinh lý, sinh hóa của hai chủng vi khuẩn cố định nitơ và tổng hợp IAA bản địa phân lập tại Thái Nguyên: Azospirillum lipoferum NL1 và Azotobacter vinelandii NL3.
2. Ứng dụng giải trình tự toàn bộ hệ gen (WGS) làm sáng tỏ cấu trúc phân tử của chủng NL1 (chứa 29 gen cố định nitơ, 4 gen sinh IAA) và chủng NL3 (chứa 45 gen cố định nitơ, 7 gen sinh IAA); xác định vị trí phân loại học chính xác bằng GGDC v3 và chứng minh đặc tính an toàn sinh học cấp 1 thông qua phần mềm TAfinder 2.0.

Các đóng góp mới về thực tiễn và giải pháp đề xuất

1. Xây dựng và chuẩn hóa quy trình công nghệ sản xuất chế phẩm vi sinh (MREC-QTCN-2022-02 quy mô 50 kg/mẻ) và phân bón hữu cơ vi sinh (MREC-QTCN-2022-03 quy mô 400 kg/mẻ) chứa hai chủng vi khuẩn tuyển chọn, sản xuất kiểm chứng thành công 2.000 kg phân bón đạt chuẩn TCVN 7185:2002 và QCVN 01-189:2019/BNNPTNT.
2. Xác định chính xác liều lượng bón phân hữu cơ vi sinh tối ưu cho hai cây trồng lương thực chủ lực tại địa phương: 1,5 tấn/ha đối với lúa (giúp tăng năng suất 16,62%) và 2,0 tấn/ha đối với ngô (giúp tăng năng suất 15,67%).
3. Khẳng định hiệu quả kinh tế của mô hình ứng dụng phân bón hữu cơ vi sinh quy mô 0,5 ha tại Thái Nguyên, gia tăng lợi nhuận 35,7% đối với canh tác lúa và 39,6% đối với canh tác ngô so với đối chứng sử dụng phân bón truyền thống.

---

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

Hạn chế của nghiên cứu

• Phạm vi khảo nghiệm hiệu lực nông học và đánh giá hiệu quả kinh tế của phân bón hữu cơ vi sinh mới chỉ thực hiện trên hai loại cây trồng là lúa và ngô tại một số vùng sinh thái thuộc tỉnh Thái Nguyên, chưa mở rộng trên các nhóm cây công nghiệp có diện tích lớn tại địa phương như cây chè (mặc dù chè là đối tượng thu nhận tỷ lệ chủng vi sinh vật tiềm năng cao nhất: 39,47%).
• Đề tài tập trung đánh giá các chỉ tiêu năng suất mùa vụ và chất lượng nông sản trong ngắn hạn; chưa theo dõi liên tục sự tồn lưu, biến động mật độ quần thể của hai chủng vi khuẩn Azospirillum lipoferum NL1 và Azotobacter vinelandii NL3 trong đất sau nhiều chu kỳ canh tác liên tiếp.

Hướng nghiên cứu tiếp theo

• Mở rộng khảo nghiệm phân bón hữu cơ vi sinh AZO-NL trên cây chè và các loại cây ăn quả đặc sản tại các tỉnh thuộc vùng Trung du và Miền núi phía Bắc.
• Tiếp tục theo dõi tác động lâu dài của việc bón phân hữu cơ vi sinh đối với sự thay đổi của cấu trúc hệ vi sinh vật bản địa trong đất và các chỉ số lý hóa học của đất canh tác qua nhiều năm.
• Nghiên cứu công nghệ tạo hạt, chất mang chuyên dụng hoặc vi bao để nâng cao thời gian bảo quản và duy trì mật độ tế bào sống của hai chủng vi khuẩn trong điều kiện lưu thông phân bón thương phẩm.

---

Giá trị tham khảo

Nhóm đối tượng thụ hưởng và giá trị sử dụng

1. Đối với nghiên cứu sinh, học viên và giảng viên chuyên ngành Công nghệ sinh học, Vi sinh vật học và Nông học:

   • Luận án cung cấp quy trình thực nghiệm tham khảo chi tiết từ khâu phân lập mẫu môi trường chọn lọc, thử nghiệm định lượng quang phổ kế đến việc ứng dụng tin sinh học phân tích hệ gen de novo (WGS), xác định gen chức năng (nif, IAA) trên MetaCyc và thẩm định an toàn sinh học qua TAfinder 2.0.
   • Thí nghiệm tối ưu hóa môi trường nuôi cấy bằng mô hình đáp ứng bề mặt Box-Behnken trên Design-Expert là tài liệu tham khảo cho việc thiết kế thực nghiệm công nghệ lên men vi sinh.

2. Đối với các đơn vị, doanh nghiệp sản xuất phân bón hữu cơ vi sinh:

   • Quy trình sản xuất chế phẩm MREC-QTCN-2022-02 và quy trình sản xuất phân bón MREC-QTCN-2022-03 đã được ban hành, cùng bộ thông số kỹ thuật kiểm định theo TCVN 7185:2002 và QCVN 01-189:2019/BNNPTNT, là cơ sở kỹ thuật có thể áp dụng trực tiếp vào sản xuất ở quy mô bán công nghiệp.
   • Dữ liệu về tương tác không đối kháng giữa Azospirillum lipoferum NL1 và Azotobacter vinelandii NL3 cung cấp bằng chứng cho việc phối trộn đa chủng trong chế phẩm.

3. Đối với cán bộ quản lý nông nghiệp và hệ thống khuyến nông:

   • Dữ liệu về liều lượng bón khuyến cáo (1,5 tấn/ha cho lúa; 2,0 tấn/ha cho ngô) và kết quả mô hình 0,5 ha cung cấp luận cứ thực tiễn để xây dựng các hướng dẫn kỹ thuật canh tác giảm phân bón hóa học, triển khai các mô hình nông nghiệp sinh thái tại địa bàn trung du miền núi.

---

Câu hỏi thường gặp

1. Luận án đã lựa chọn hai chủng vi sinh vật nào để sản xuất phân bón và căn cứ lựa chọn là gì?

Tác giả đã tuyển chọn hai chủng vi khuẩn là Azospirillum lipoferum NL1 và Azotobacter vinelandii NL3. Căn cứ lựa chọn dựa trên: cả hai đều đạt ngưỡng sàng lọc cao về khả năng cố định nitơ (≥ 20 µg/mL) và tổng hợp IAA (≥ 50 µg/mL); có khả năng di động; có mức tương đồng di truyền 16S rRNA từ 99,20% đến 100,00% với loài chuẩn; hoàn toàn không đối kháng hay ức chế sinh trưởng lẫn nhau khi thử nghiệm cấy vạch; và đạt mức an toàn sinh học cấp 1 không mang gen độc lực.

2. Tỷ lệ phân lập các chủng vi sinh vật đồng thời cố định nitơ và tổng hợp IAA tập trung nhiều nhất ở đối tượng đất trồng nào?

Trong số 175 mẫu thu thập tại Thái Nguyên, có 80 chủng có khả năng cố định nitơ và 38 chủng đồng thời mang cả hai khả năng cố định nitơ và sinh tổng hợp IAA. Tỷ lệ 38 chủng này phân bố tập trung nhiều nhất ở đất trồng chè (chiếm 39,47%), tiếp theo là đất trồng ngô (chiếm 31,58%) và thấp nhất trong ba nhóm chính là đất trồng lúa (chiếm 14,42%).

3. Phân tích hệ gen (WGS) của hai chủng tuyển chọn cho thấy số lượng gen chức năng liên quan đến cố định nitơ và tổng hợp IAA là bao nhiêu?

Khi tham chiếu trên cơ sở dữ liệu chuyển hóa MetaCyc từ kết quả giải trình tự toàn bộ hệ gen de novo:

• Chủng Azospirillum lipoferum NL1 sở hữu 29 gen tham gia vào quá trình cố định nitơ và 4 gen tham gia vào con đường tổng hợp IAA.
• Chủng Azotobacter vinelandii NL3 sở hữu 45 gen tham gia vào quá trình cố định nitơ và 7 gen tham gia vào con đường chuyển hóa, tổng hợp IAA.

4. Liều lượng bón phân hữu cơ vi sinh tối ưu và hiệu quả năng suất trên cây lúa và ngô được xác định như thế nào?

Qua các thí nghiệm khảo sát liều lượng trong vụ xuân và vụ mùa:

• Đối với cây lúa: Liều lượng bón tối ưu là 1,5 tấn/ha. Tại mô hình diện rộng 0,5 ha, năng suất thực tế đạt 63,23 tạ/ha, tăng 16,62% so với đối chứng; lợi nhuận tăng 35,7%.
• Đối với cây ngô: Liều lượng bón tối ưu là 2,0 tấn/ha. Tại mô hình diện rộng 0,5 ha, năng suất thực tế đạt 89,18 tạ/ha, tăng 15,67% so với đối chứng; lợi nhuận tăng 39,6%.

5. Quy trình sản xuất phân hữu cơ vi sinh trong luận án được xây dựng và chứng nhận theo các quy định, tiêu chuẩn nào?

Phân bón được sản xuất theo Quy trình mã số MREC-QTCN-2022-03 (quy mô 400 kg/mẻ) ban hành theo Quyết định số 32/QĐ-TTMTTNMN ngày 28/03/2023 của Trung tâm Môi trường Tài nguyên Miền núi; chất lượng 5 mẻ sản xuất (2.000 kg) được kiểm định đạt đầy đủ các chỉ tiêu theo Tiêu chuẩn Quốc gia TCVN 7185:2002 về phân hữu cơ vi sinh vật và Quy chuẩn Kỹ thuật Quốc gia QCVN 01-189:2019/BNNPTNT về chất lượng phân bón.

---

Kết luận

Luận án của tác giả Hoàng Thị Lan Anh đã giải quyết hoàn chỉnh chuỗi nghiên cứu từ khâu thu thập 175 mẫu đất, sàng lọc và tuyển chọn thành công hai chủng vi khuẩn bản địa Azospirillum lipoferum NL1 và Azotobacter vinelandii NL3 sở hữu đồng thời hoạt tính cố định đạm cao và tổng hợp IAA mạnh. Nghiên cứu đã làm sáng tỏ cơ chế di truyền qua giải mã toàn bộ hệ gen (WGS), xác định sự hiện diện của các cụm gen chức năng liên quan và chứng minh tính an toàn sinh học cấp 1 của hai chủng vi khuẩn. Trên cơ sở đó, luận án đã chuẩn hóa quy trình sản xuất phân bón hữu cơ vi sinh đạt tiêu chuẩn TCVN 7185:2002 và QCVN 01-189:2019/BNNPTNT, đồng thời xác định chính xác liều lượng bón tối ưu (1,5 tấn/ha cho lúa; 2,0 tấn/ha cho ngô), mang lại hiệu quả tăng năng suất từ 15,67% đến 16,62% và gia tăng hiệu quả kinh tế rõ rệt trên mô hình thực nghiệm 0,5 ha tại tỉnh Thái Nguyên. Công trình cung cấp luận cứ khoa học và giải pháp kỹ thuật cụ thể đóng góp vào định hướng giảm phân bón vô cơ và phát triển nông nghiệp bền vững.

Trích đoạn nội dung tài liệu

Chương 1 TỔNG QUAN TÀI LIỆU 1. Vai trò của vi sinh vật trong hệ sinh thái nông nghiệp Vi sinh vật đóng vai trò vô cùng quan trọng không thể thiếu trong hệ sinh thái nông nghiệp. Từ việc góp phần vào quá trình phân hủy các chất hữu cơ, cải thiện sự phát triển của cây trồng, kiểm soát sâu bệnh, đến cải thiện nâng cao sức khỏe đất. Những nghiên cứu gần đây đã cho thấy: vi sinh vật có thể tăng cường khả năng chống chịu của cây trồng đối với các điều kiện môi trường khắc nghiệt.

Sử dụng vi sinh vật một cách hiệu quả có thể giúp tăng cường năng suất nông nghiệp, bảo vệ môi trường và hỗ trợ sự phát triển bền vững của ngành nông nghiệp trong tương lai. Vai trò của vi sinh vật trong hệ sinh thái nông nghiệp được thể hiện ở các khía cạnh sau: 1. Vi sinh vật và sự phân hủy chất hữu cơ Vi khuẩn, nấm và xạ khuẩn, tham gia vào quá trình phân hủy chất hữu cơ trong đất, biến đổi các chất này thành dinh dưỡng dễ tiêu cho cây trồng. Các vi sinh vật này hoạt động như những tác nhân phân giải chính, giúp cải thiện cấu trúc đất và tạo ra môi trường thuận lợi cho sự phát triển của cây trồng.

Một số nghiên cứu đã chỉ ra rằng việc áp dụng các chất hữu cơ như phân chuồng và phân xanh, cùng với sự hiện diện của vi sinh vật, có thể làm tăng hàm lượng dinh dưỡng trong đất. Theo Zhang (2020) đã chứng minh rằng, việc sử dụng phân hữu cơ kết hợp với vi sinh vật đã làm tăng đáng kể hàm lượng nitơ và phospho trong đất, đồng thời cải thiện cấu trúc đất và khả năng giữ nước. Vi sinh vật kích thích sinh trưởng cây trồng (PGPB) Vi sinh vật có vai trò trực tiếp hỗ trợ sự phát triển của cây trồng thông qua nhiều cơ chế khác nhau như: cố định nitơ, hòa tan phosphat và sản sinh các chất kích thích tăng trưởng thực vật (phytohormones). Các vi sinh vật cố định nitơ như Rhizobium, có khả năng chuyển đổi nitơ khí quyển thành các hợp chất nitơ mà cây trồng có thể hấp thụ và sử dụng.

Ngoài ra, vi sinh vật hòa tan phosphat 6 như Bacillus và Pseudomonas có thể chuyển đổi các dạng phosphat không tan trong đất thành các dạng dễ hấp thụ hơn, giúp cây trồng tiếp cận nguồn dinh dưỡng một cách hiệu quả. Một nghiên cứu của Khan (2019) đã cho thấy, việc sử dụng các vi sinh vật hòa tan phosphat có thể làm tăng hàm lượng phosphat trong đất và cải thiện sự phát triển của cây trồng lúa mì. Vi sinh vật và sự kiểm soát sinh học đối với sâu bệnh Vi sinh vật cũng đóng vai trò quan trọng trong việc kiểm soát sinh học đối với sâu bệnh. Các vi sinh vật này có thể tấn công và tiêu diệt các loài sâu bệnh gây hại cho cây trồng, đồng thời làm giảm sự phụ thuộc vào các loại thuốc trừ sâu hóa học.

Vi khuẩn Bacillus thuringiensis (Bt) là một ví dụ điển hình về vi sinh vật kiểm soát sinh học, có khả năng đối kháng với nhiều loại sâu bệnh hại nhiều loại cây trồng khác nhau (Chattopadhyay và cs. Nghiên cứu của (Đinh Trường Sơn và cs., 2022) về bệnh héo vàng chuối do nấm Fusarium oxysporum f. cubense (Foc) gây ra là một trong những bệnh hại nghiêm trọng nhất đối với cây chuối, gây thiệt hại lớn về năng suất và chất lượng. Đặc biệt, chủng Foc TR4 có khả năng lây nhiễm trên phạm vi rộng, ảnh hưởng đến hầu hết các giống chuối hiện nay.

Trong bối cảnh các biện pháp phòng trừ truyền thống chưa mang lại hiệu quả bền vững, giải pháp sinh học sử dụng vi sinh vật đối kháng đang được xem là hướng đi chiến lược. Nghiên cứu này tập trung phân lập và đánh giá hoạt tính đối kháng của chủng xạ khuẩn VNUA27 đối với nấm Foc TR4. Đồng thời, tiến hành khảo sát ảnh hưởng của dịch nuôi cấy xạ khuẩn VNUA27 đến sự phát triển của hệ sợi và quá trình nảy mầm của bào tử nấm gây bệnh. Từ 39 mẫu đất thu thập tại 2 địa điểm Núi Pháo, Đại Từ và Mỏ Sắt, Trại Cau thuộc tỉnh Thái Nguyên nhóm nghiên cứu của (Đỗ Thị Hiền và., 2019) đã phân lập và tuyển chọn chủng xạ khuẩn sinh kháng sinh ức chế sinh trưởng vi khuẩn Gram dương.

Bên cạnh đó, nấm Trichoderma cũng có khả năng đối kháng với nhiều loại nấm gây bệnh cây trồng như Fusarium, Rhizoctonia và Pythium. Các nghiên cứu của Harman (2004) đã chứng minh rằng, 7 Trichoderma có thể cạnh tranh với các nấm gây bệnh về dinh dưỡng và không gian, đồng thời sản sinh các chất kháng sinh tự nhiên giúp ức chế sự phát triển của chúng. Vi sinh vật và cải thiện sức khỏe đất Đất đai được coi là một thực thể sống. Sức khỏe đất là yếu tố quan trọng ảnh hưởng đến năng suất nông nghiệp.

Vi sinh vật đất góp phần cải thiện sức khỏe đất thông qua việc tăng cường cấu trúc đất, cải thiện khả năng giữ nước và cung cấp dinh dưỡng cho cây trồng. Các vi sinh vật như nấm rễ Arbuscular mycorrhiza (AMF) có khả năng tạo ra mạng lưới rễ phụ, giúp cây trồng tăng cường hấp thu nước và dinh dưỡng từ đất. Nghiên cứu của Wang (2021) đã chỉ ra rằng, việc sử dụng AMF trong canh tác đã giúp cải thiện sức khỏe đất và tăng năng suất cây ngô. Vi sinh vật và sự bền vững nông nghiệp Vi sinh vật không chỉ hỗ trợ sự phát triển của cây trồng mà còn góp phần vào sự bền vững của hệ sinh thái nông nghiệp.

Việc sử dụng vi sinh vật trong nông nghiệp có thể giảm thiểu sự phụ thuộc vào phân bón hóa học và thuốc trừ sâu, từ đó giảm thiểu tác động tiêu cực đến môi trường. Nghiên cứu của Vessey (2022) đã cho thấy rằng, việc áp dụng các sản phẩm vi sinh vật trong nông nghiệp không chỉ giúp cải thiện năng suất cây trồng mà còn làm giảm lượng khí thải nhà kính và ô nhiễm môi trường. Tổng quan về vi sinh vật kích thích sinh trưởng 1. Khái niệm vi sinh vật kích thích sinh trưởng thực vật Vi sinh vật là nhóm sinh vật có kích thước rất nhỏ, thường chỉ có thể quan sát được dưới kính hiển vi, bao gồm các nhóm chính như vi khuẩn, vi nấm, vi tảo, động vật nguyên sinh và virus.

Chúng tồn tại ở khắp mọi nơi trên trái đất, từ các môi trường cực đoan như suối nước nóng, sa mạc khô cằn, đến các môi trường sống thông thường như đất, nước, không khí và bên trong cơ thể sinh vật khác (Phạm Văn Toản, 2017). Mật độ, sự đa dạng về chủng loài vi sinh vật ở các loại đất có sự khác nhau. Chúng có thể phân bố tự do trong đất, vùng đất 8 xung quanh rễ cây hoặc xâm nhập vào rễ (nội sinh). Vi sinh vật sống trong vùng rễ thường có mật độ lớn hơn các vùng khác có quan hệ mật thiết với cây trồng, sử dụng các chất tiết ra của rễ làm nguồn dinh dưỡng đồng thời tham gia vào các quá trình chuyển hóa vật chất trong rễ cây góp phần cung cấp hoặc nâng cao hiệu quả sử dụng dinh dưỡng của cây trồng.

Các vi sinh vật cư trú trong vùng rễ cây trồng đã được khai thác và ứng dụng như một thành phần quan trọng trong phân bón vi sinh, nhờ vào vai trò tích cực trong việc thúc đẩy sự sinh trưởng và phát triển của thực vật. Những vi sinh vật này có khả năng hỗ trợ cây trồng thích nghi hiệu quả hơn với các điều kiện môi trường bất lợi thông qua cơ chế hòa tan phosphat khó tan, cố định nitơ trong khí quyển, và tổng hợp các chất điều hòa sinh trưởng như indole-3-acetic acid, gibberellin, cytokinin. Ngoài ra, chúng còn tạo ra các hợp chất thứ cấp có thể tăng cường sức chống chịu của cây trước tác động bất lợi của môi trường, chẳng hạn như ethylene (Nguyễn Quốc Khương và cs. Tùy thuộc vào điều kiện của đất mà sự tương tác giữa vi sinh vật đất và cây có thể có lợi, có hại hoặc trung tính.

Thậm chí khi thay đổi điều kiện đất thì tác dụng của vi sinh vật với cây trồng cũng thay đổi theo. Vi sinh vật sống tự do trong đất, có khả năng xâm nhập và định cư trong vùng rễ của cây trồng, có thể cải thiện sự sinh trưởng và năng suất của cây thông qua nhiều cơ chế sinh học khác nhau, bao gồm: cố định đạm, hòa tan phosphat, tổng hợp các hormone thực vật như auxin, gibberellin, cytokinin, tăng cường khả năng chống chịu stress sinh học và phi sinh học của cây trồng được gọi chung là vi sinh vật kích thích sinh trưởng thực vật (PGPB) (Orozco và cs. Đặc điểm của vi sinh vật kích thích sinh trưởng thực vật Vi sinh vật kích thích sinh trưởng thực vật có nhiều đặc điểm giúp cải thiện sự phát triển của cây trồng một cách trực tiếp hoặc gián tiếp. Tác động gián tiếp thể hiện khi những vi sinh vật làm giảm hoặc ngăn chặn một số tác động có hại của mầm bệnh (thường là nấm).

Tác động trực tiếp là do vi sinh vật tạo điều kiện thuận lợi cho cây trồng thu nhận các chất dinh dưỡng có sẵn 9 trong môi trường như: sắt, nitơ và phosphate hòa tan. Nhóm vi sinh vật này còn có khả năng làm thay đổi nồng độ hormone, điều hòa quá trình tăng trưởng ở thực vật (cytokinin, auxin, và ethylene), nhờ đó cây trồng có thể hấp thu và sử dụng một cách có hiệu quả. Một số đặc điểm quan trọng của PGPB được trình bày ở hình 1. Đặc điểm của vi sinh vật kích thích sinh trưởng thực vật (Nguồn: Orozco và cs., 2021) Nhiều nghiên cứu trên thế giới đã chứng minh rằng vi sinh vật có vai trò quan trọng trong việc thúc đẩy sinh trưởng và phát triển cây trồng, góp phần giảm thiểu nhu cầu sử dụng phân bón hóa học, đồng thời nâng cao năng suất và chất lượng nông sản.

Trong những năm gần đây, xu hướng ứng dụng nhóm vi khuẩn thúc đẩy sinh trưởng thực vật (PGPB) như một giải pháp thay thế cho các hóa chất nông nghiệp truyền thống ngày càng được quan tâm. Việc này không chỉ giúp giảm sự lệ thuộc vào phân bón hóa học và thuốc bảo vệ thực vật, tiết kiệm chi phí sản xuất, mà còn mang lại lợi ích về môi trường. PGPB còn hỗ trợ tăng cường khả năng chống chịu của cây trồng trước các điều kiện bất lợi do tác động của biến đổi khí hậu, qua đó góp phần phát triển nền nông nghiệp theo hướng bền vững (Nguyễn Xuân Vũ, 2022). Khả năng cố định nitơ Tất cả sinh vật đều cần nitơ để tổng hợp các phân tử sinh học như protein và axit nucleic.