Cacbon trong tự nhiên nằm ở rất nhiều dạng hợp chất khác nhau, từ các hợp chất vô cơ đến các hợp chất hữu cơ. Các dạng này không bất biến mà luôn chuyển hoá từ dạng này sang trạng khác, khép kín tạo thành vòng tuần hoàn cacbon trong tự nhiên.
VSV đóng vai trò quan trọng trong một số khâu chuyển hoá của vòng tuần hoàn này.
Hình 5.5: Sơ đồ vòng tuần hoàn cacbon trong tự nhiên
Các hợp chất cacbon hữu cơ chứa trong cơ thể động vật, thực vật và VSV, khi các sinh vật này chết đi sẽ đế lại một lượng chất hữu cơ khổng lồ trong đất. Nhờ hoạt động của các nhóm VSV các hợp chất này dần bị phân huỷ tạo thành CO2'
Khí CO2 được thực Vật Sử dụng trong quá trình quang hợp lại biến thành các hợp chất cacbon hữu cơ của cơ thể thực vật. Con người, động vật, VSV sử dụng cacbon hữu cơ của thực vật để biến thành cacbon hữu cơ trong cơ thể mình.
Người, động vật, thực vật và VSV đều thải ra CO2 trong quá trình sống, đồng thời khi chết đi để lại trong đất một lượng chất hữu cơ và VSV lại phân giải chúng.
Các hợp chất cacbon ở dạng trầm tích như than đá, dầu mỏ, khí đốt thông qua quá trình đốt cháy bổ sung CO2 cho khí quyển. Cứ như vậy trong tụ nhiên.các dạng hơn ch^t cacbon được chuyển hoá liên tục. Dưới đây chúng ta xem xét một số quá trình chuyển hoá chính có sự tham gia của VSV.
Quá trình chuyển hoá xenlulo
Hàng năm có khoảng 30 tỷ tấn chất hữu cơ được cây xanh tổng hợp trên trái đất, trong số này 30% là xenlulo. Người ta nhận thấy xenlulo chiếm trên 90% trong bông, 40-50% trong gỗ. Xenlulo là hợp chất khá bền vững, không tan trong nước. Xenlulo không tiêu hoá được trong bộ máy tiêu hoá của người. Sở dĩ động vật nhai lại có thể đồng hóa được xenlulô là nhờ hoạt động phân giải xenlulo của rất nhiều loại vi sinh vật sống trong dạ cỏ.
* Vi sinh vật phân giải xenlulo trong đất - Vi sinh vật hảo khí
+ Vi khuẩn : Sporocytophaga, Cytophaga, Bacillus, Clostridium . . . + Xạ khuẩn : Streptomyces . . .
+ Nấm: Các loại nấm có hoạt tính phân giải xenlulo mạnh đáng chú ý là các loại sau đây: Aspergillusfumigatus, A. Niger, Fusarium maliniforme, Streptomyces antibioticus, S cellulosac, S. celluloflavus.
- Vi sinh vật yếm khí
- Vi khuẩn yếm khí phân giải xenlulo một số loài, dòng quan trọng thường gặp là: Bacillus cellulosac hydrogenicus, Bacillus cellulosac methani~s.
Trong đất hay trong đống phân ủ người ta còn gặp một số vi sinh vật ưa nóng phân giải xenlulo như: Bacillus omelianxki. Thermophicus, Aspergillus, Mucor, Actinomyces...
Vi khuẩn dạ cỏ: Ruminococcus
* Điều kiện ngoại cảnh ảnh hưởng đến quá trình phân giải xenlulo . - Độ ẩm
Khoảng thời gian xen kẽ giữa khô và. ẩm thì nấm mốc phát triển tốt, còn những vi sinh vật đơn bào thì thích hợp nơi có độ ẩm cao, nước đầy đủ. ớ độ ẩm 20%, vẫn thấy một số xạ khuẩn có khả năng phân giải xenlulo.
-pH
Xenlulo bị vi sinh vật phân giải ở khoảng pa tù 4,6 - 9,0, nhưng khoảng pa hơi chua là phù hợp nhất với đa số VSV phân giải xenlulo.
- Nhiệt độ
Quá trình phân giải xenlulo trong tự nhiên bắt đầu khi nhiệt độ khoảng từ sóc đến 650C. Vi sinh vật phân giải xenlulo đại đa số là loại ưa ấm và e zym xenlulaza hoạt động thích hợp nhất ở khoảng 30 – 450C.
- Nitơ
Nếu môi trường lượng xenlulo nhiều, N ít, tỷ lệ C/N cao thì ở giai đoạn đầu của quá trình phân giải, vi sinh vật lấy N của môi trường, giữa vi sinh vật và cây trồng có sự tranh chấp nào của môi trường. Ngược lại nếu C/N thấp, các điều kiện ngoại cảnh khác thuận lợi thì sự phân giải xenlulo được thuận lợi, môi trường sẽ có nhơ tích luỹ, giữa cây trồng và vi sinh vật sẽ không còn quá trình tranh chấp.
- Biện pháp canh tác
Biện pháp canh tác như: Làm đất, luân canh, tưới tiêu, bón phân... ảnh hưởng rất
lớn đến sinh vật đất, dẫn đến ảnh hưởng tới quá trình phân hủy chuyển hóa xenlulo trong đất. Nếu cùng loại đất thì trên đất có trồng trọt lượng vi sinh vật nhiều hơn đất không trồng trọt và như vậy quá trình phân hủy chuyển hóa xenlulo sẽ mạnh hơn.
Sư phân giải xoan nhờ VSV
Xilan là một hợp chất hydratcacbon phân bố rất rộng trong tự nhiên. Xilan chứa nhiều trong xác thực vật. Trong rơm rạ xoan chiếm 15-20%, trong bã mía 30%, trong gỗ thông 7-12%, trong các loại cây lá rộng 20-25%.
Dưới tác dụng của men xilanaza ngoại bào, xoan sẽ phân giải thành các phần khác nhau: những đoạn dài xilanbioza và xiloza.
Vi sinh vật phân giải xoan: Nhiều loại vi sinh vật có khả năng phân giải xoan.
Các vi sinh vật có khả năng phân giải xenlulo khi sản sinh ra men xeluloza thường sinh ra men xilanaza. Trong đất chua thì nấm là loại vi sinh vật đầu tiên tác động vào xoan. Trong đất trung tính và kiềm vi khuẩn là nhóm tác động đầu tiên vào xoan.
Vi sinh vật phân giải xoan Vi khuẩn yếm khí : Clostridium
Vi khuẩn hảo khí: P.seudomonas, Achromobacter, Bacillus, Vibrio, Sporocytophage Xạ khuẩn: Streptomyces, Micromonospora
Nấm mốc: Chaetomium, Penicillium, Aspergillus Phân giải pectin
Pectin có nhiều trong quả, củ, hạt và trong thân thực vật. Trong thực vật pectin có mặt ờ dạng protopectin không tan.
Vi sinh vật phân giải pectin: Bacillus subtilis, Bacillus nesentencus, Bacillus macaras, Bacillus polmyxa, Mucor stolinifer, Fusarium oxysporum, Clostridium
Ứng dụng:
Người ta thường sử dụng quá trình vi sinh vật phân giải pectin vào việc ngâm đay, ngâm gai.
Người ta cũng sử dụng một số vi sinh vật phân giải pectin trong quá trình chế biến (làm trong) các nước hoa quả làm nước giải khát.
Sư phân giải nghìn
Là một trong những thành phần chủ yếu của tổ chức thực vật. Lignin và xelulo tham gia vào thành phần của màng tế bào thực vật. Trong xác cây gỗ, lượng nghìn có thề chiếm 30-40% chất khô. Trong cây hoà thảo khoảng 20%. Lượng nghìn chứa trong cây già nhiều hơn so với trong cây non. Thực vật khác nhau thì bản chất của những nguyên tố cấu trúc cũng khác nhau. Lignin là hợp chất rất bền vững, không tan trong nước, dưới tác dụng của kiềm, bisunphit nghi và H2SO4 thì nghìn mới bị phân giải một
phần và chuyển sang dạng hòa tan. Công thức tổng quát của nghìn là Ci8H30oi5' Vi Sinh vật phân giải nghìn:
Các loại nấm phân giải nghìn: Polysitctus versicolor, Stereum hisutum,Pho"om, Clytocybe, Lenzites, Trametes.
Các loài vi khuẩn có hoạt tính phân giải nghìn cao thường thuộc về các giống Pseudomonas, Flavobacterium, Agrobacterium.
Sư phân giải tinh bột
Tinh bột là chất dự trữ chủ yếu của thực vật. Nó phản ứng với tốt tạo thành hợp chất có mầu lam tím. Trong tế bào thực vật, tinh bột tồn tại trong dạng các hạt tinh bột.
Các hạt tinh bột có kích thước và hình dạng thay đổi tuỳ loại thực vật.
Tinh bột gồm hai thành phần khác nhau: amilo và amilopectin. Amilo tan trong nước nóng còn amilopectin thì tạo thành hồ.
Vi sinh vật phân giải tinh bột:
Aspergillus cadidus, Asp.niger, Asp.oryzae, B.mesentericus, B.sulờilis có khả năng tiết ra enzym a.amilaza
5.2.4.2. Và sinh vật trong chuyển hoá photpho - Vòng tuần hoàn photpho
Photpho là nguyên tố dinh dưỡng quan trọng thứ hai sau đạm không chỉ đối với cây trồng, mà cả với vi sinh vật. Thiếu lân cây phát triển kém, lá cây có màu 'trắng bạch, thân vón, hay bị nhiễm sâu bệnh.
Hàm lượng lân trong tụ nhiên rất lớn, chúng tồn tại dưới 2 dạng đó là: Lân hữu cơ và lân vô cơ:
Lân vô cơ thường chứa trong các khoáng vật như: Apatít, Photphorít,Ca3 (PO4)2, FePO4, AIPO4…
Lân hữu cơ chứa trong xác động, thực vật và vi sinh vật ở các dạng: Phytin, Photpholipít, A xít nucleic, Nucleoproteit, Photpholipít và các hợp chất hữu cơ chứa photpho khác.
Tất cả các dạng lân trên cây trồng đều không đồng hoá được, mà phải nhờ vi sinh vật phân huỷ chuyển hoá sang dạng dễ tiêu, đó là muối tan của axít photphoríc H3PO4
thì cây trồng mới đồng hoá được.
Vi sinh vật phân giải photphát vô cơ
Từ đầu thế kỷ 20 người ta đã chứng minh được dưới tác dụng của VSV, lân vô cơ bị phân giải chuyển hoá thành lân dễ tiêu cung cấp dinh dưỡng cho cây trồng. Năm 1900J. Stoklas dùng đất đã tiệt trùng có bón apatít, sau đó cấy VSV giống Bacillus megatherium vào thì thấy cây trồng phát triển tốt và năng suất cho cao hơn hẳn so với
không có Bacillus megatherium.
+ Vi khuẩn Bacttlus có nhiều chủng khác nhau có khả năng phân giải photphat vô cơ như: Bacillus megatherium, Bacillus mycoides, Bacillus butirtcus, Bac'/1us subtit~s. Là vi khuẩn hình que, hảo khí, có tiên mao có khả năng di động. Kích thước tế bào dao động 0,5 - 3,2 x 1,0 - 6,5 ~l m. Chúng thích hợp ở pa = 5,6 - 9,O; Độ ẩm 50 - 70%; nhiệt
Hình 5.6: Vòng tuần hoàn lân trong tự nhiên
+ Vi khuẩn Pseudomonas: Là vi khuẩn hảo khí có tiên mao di động được. Kích thước tế bào dao động khoảng 0,5 - 1,7 x 1,2 - 6,5 àm. Thớch hợp ở pH 4,5 - 9,0; Độ ẩm 50 - 75%; Nhiệt độ 25 – 300C. Pseudomonas phân huỷ mạnh photphat vô cơ khó tan thành dễ tiêu cung cấp dinh dưỡng cho cây trồng. Pseudomonas có nhiều chủng khác nhau: Pseudomonasfluorescens, Pseudomonas denitrificans...
+ Ngoài ra còn một số VSV khác có khả năng phân huỷ lân vô cơ khó tan như:
Agrobacterium radiobacter, Acromobacter denicantulus, Escherichia freundi Brevibacterium, Flavobacterium, Aerobacter, Micrococcus, Micobacterium.
+ Nấm và xạ khuẩn cũng tham gia tích cực để phân giải photphát vô cơ khó tan như: Actinomyces, Penicillium, Aspergillus, Rhizopus, Mucor. Nấm rễ cộng sinh với cây trồng (Mycothiza) có tác dụng nâng cao khả năng huy động lân trong đất của cây trồng.
Vi sinh vật phân giải photphát hữu cơ
Hầu hết những vi sinh vật tham gia vào phân giải lân vô cơ khó tan đều có thể phân giải được lân hữu cơ như: Bacillus megatherium, Bacillus mycoides, Bacillus butiricus, Bacillus subtilis, Pseudomonas fluorescens, Pseudomonas denitrifcans, Penici"lúm, Aspergillus, Rhizopus, Mucor, Streptomyces, Serratia, Proteus,A rthrobacter...
5.2.4.3. Chuyển hoá han trong đất + Các dạng kém trong đất
Dạng vô cơ
Ion K+ trong dung dịch đất, Ion K+ nằm trong cấu trúc một số khoáng vật như muscovit, thoát, fenspat. . . .
- Dạng K+ hữu cơ: K trong các tàn tích sinh vật.
+ Sự hoà tan K trong đất
K+ không thể đồng hoá có thể chuyên hoá theo hai quá trình sinh học sau:
- Sự biến đổi sinh học của những khoáng chứa K.
- Sự chuyển hoá giữa 2 dạng K+ không trao đổi và K+ trao đồi.
+ Sự biến đổi sinh học những khoáng chứa K
Nhiều khoáng chất trong đất có thể bị biến đổi dưới tác dụng của những sàn phẩm trao đổi chất con vi sinh vật và giải phóng ra K+ như: Biotit, muscovit, fenspat...
Vi sinh vật có tác dụng biến đổi các chất khoáng chứa K để giải phóng K+ có thể kể ra như sau: Bacillus mucilaginosus vai.siliceus, Bacillus muciginoseus, Nấm
Aspergillus niger . . . + Cơ chế phân giải
Vi sinh vật trong quá trình sống của mình sản sinh một số axit như H2CO3
,HNO3, H2SO4 hay axit hữu cơ. Các axit này giúp quá trình hoà tan các silicat.và giải phóng K+ cho cây trồng.
Tóm lại:
K+ trong tàn dư thực vật một phần lớn tan trong nước và cây trồng có thể trực tiếp đồng hoá. Vai trò vi sinh vật ở đây là chúng tiếp tục phân giải phần chưa hoà tan còn lại của tàn dư thực vật và tiếp tục giải phóng K+ cho cây trồng.
Ở những nơi đất cát, ít nước, nhiều khoáng chứa K tác dụng của vi sinh vật ở chỗ có thể phân giải các silicat giải phóng K+.
Bên cạnh đó, trong những trường hợp nhất định vi sinh vật có thể cố định K+ trong tế bào của mình và trong mức độ nhất định có sự tranh chấp tạm thời về K+ giữa
vi sinh vật và cây trồng. Khi vi sinh vật chết đi, K+ trong tế bào vi sinh vật được giải phóng cho cây trồng.
Ngoài khả năng chuyển hoá các hợp chất nêu trên VSV còn có vai trò quan trọng trong việc chuyển hoá mùn, lưu huỳnh, sắt, ma ngan trong đất.