5.2.3.1. Vòng tuần hoàn nitơ trong tự nhiên
Nào là nguyên tố dinh dưỡng quan trọng không thể thiếu đối với thế giới sinh vật, dự trữ nitơ trong tự nhiên rất lớn:
- Trong không khí nhơ chiếm 78,16% thể tích tuy nhiên phần lớn các sinh vật không có khả năng sử dụng chúng, chỉ có một nhóm VSV có khả năng đồng hoá nào phân tử chúng được gọi là nhóm VSV cố định đạm.
- Trong cơ thể các loại sinh vật trên trái đất có khoảng 10 - 25 x 109 tấn nhơ.
- Trong các vật trầm tích chứa khoảng 4 x 1015 tỷ tấn nitơ
Cây trồng không thể đồng hoá trực tiếp nhơ hữu cơ, mà phải nhờ các loại vi sinh vật phân huỷ và chuyển hoá để giải phóng ra nhờ dạng dễ tiêu (NH3 hoặc NH4+) cung cấp nguồn dinh dưỡng nhơ cho cây trồng, quá trình này được gọi là quá trình muốn hoá.
Tiếp nối quá trình muốn hoá, các loài vi sinh vật lại chuyển hoá tiếp từ NH3 hoặc NH4+ thành NO3- quá trình này được gọi là quá trình nitrat hoá.
Các loại vi sinh vật lại chuyển hoá từ NO3- thành N2 để bù trả mía cho không khí được gọi là quá trình phản nitrat hoá.
Dưới tác dụng của các loại vi sinh vật, nhơ phân tử được chuyển vào các hợp chất hữu cơ chứa nhơ được gọi là quá trình cố định nào phân tủ.
1: quá trinh cố đinh nitơ phân tử II: quá trình muốn hoá
III: quá trình nitrat hoá:
IV: quá trinh phản nitrat hoá
Hinh 5.1: Sơ đồ vòng tuần hoàn nitơ
Tất cả các quá trình: cố định - phân huỷ - chuyển hóa và phản nitrat hoá luôn luôn xảy ra dưới tác dụng của các loài vi sinh vật, nhờ đó đã khép kín được vòng tuần hoàn ngơ trong tự nhiên.
5.2.3.2. Quá trình amôn hoá
Là quá trình phân huỷ và chuyển hoá các hợp chất hữu cơ có chứa N dưới tác dụng của các loài vi sinh vật thành NH4+ hoặc NH3 cung cấp dinh dưỡng cho cây trồng.
Sau đây chúng ta xem xét quá trình muôn hoá một số hợp chất quan trọng:
Quá trình muôn hoá Urê.
Urê là một loại hợp chất hữu cơ đơn giản chứa 46,6% N, được sản xuất trong các nhà máy phân bón bằng cách tổng hợp:
Nếu không có quá trình muốn hoá thì dù có giàu đạm đến đâu cũng đều vô hiệu với cây trồng và càng gây độc hại cho môi sinh.
Dưới tác dụng của men ureaza do các loài vi sinh vật tiết ra làm xúc tác cho quá trình chuyển hóa mê theo phương trình sau:
Các loại vi sinh vật phân giải mê:
Planosarcina ureae, Micrococcus ureae, Sarcina hansenii, Bacillus pasteurii,
Bác. amylovorum, Pseudobacterium ureolyticum, Chromobacterium, Proteus vulgaris.
. . .
Vi khuẩn phân giải mê thường thuộc loại hảo khí hoặc ký khí không bắt buộc, chúng phải triển tốt ở pH = 6,5 - 8,5.
Quá trình amon hoá protein.
Hàng năm protein được đưa vào đất với số lượng rất lớn (cùng với xác hữu cơ, phân chuồng, phân xanh, phân rác). Trong protein chứa khoảng 15-17% nhỏ.
Quá trình phân huỷ và chuyển hoá protein để tạo ra NH3,NH4+ cung cấp dinh dưỡng cho cây trồng dưới tác dụng của các loài vi sinh vật được gọi là quá trình muôn hoá protein.
Vi sinh vật thực hiện quá trình muôn hoá protein gồm một số loại chính sau: Vi khuẩn gồm: Baci"us mycoides, B.subtilis, Proteus vulgaris, Pseudomonas fluorescens, Escherichza con, Clostridium sporogenes. . . . .
Xạ khuẩn gồm : Streptomyces griseus, S. rimesus . . .
Nấm gồm: Aspergillus oryzae, A.niger, Penicillium camomberli....
5.2.3.3. Quá trình nitrat hoá
Quá trình chuyển hoá từ NH3 hoặc NH4+ ớươl tác dụng của các loài VSV thành NO3- được gọi là quá trình nitrat hoá.
Quá trình nitrat hoá là quá trình có hại cho nông nghiệp do một số nguyên nhân sau: - Nhiều thí nghiệm cho thấy cây trồng hấp thụ nhơ ở dạng NH4 không thua kém NO3- Quá trình chuyển hóa từ NH4+ thành NO3- làm tiền đề cho quá trình mất đạm trong đất qua các con đường thấm sâu, rửa trôi và đặc biệt là phản nitrat hoá.
Dinh dưỡng nhơ ở dạng NH4+ được giữ trong keo đất bền hơn ở dạng NO3-. - NO3- tích luỹ nhiều trong đất còn gây ra hiện tượng ô nhiễm nguồn nước.
- Quá trình chuyển hóa này làm cho đất chua đi, ảnh hưởng xấu cho quá trình sinh trưởng, phát triển của cây trồng và hoạt động sống của khu hệ vi sinh vật đất.
Năm 1891 , nhà bác học Nga - Vinogratxki khẳng định quá trình nitrat hoá xảy ra qua hai giai đoạn: giai đoạn nhật hoá và giai đoạn nitrat hoá.
Quá trình nhật hoá:
Là quá trình chuyển hoá từ NH4+ thành NO2-
Tham gia vào giai đoạn này có 4 giống chủ yếu - Nitrosomonas
- Nitrosolobus - Nitrocystis - Nitrosospira
Loài vi khuẩn nhật hoá phát triển tốt ở pa = 7,0-7,5, nhiệt độ 28-300C, độ ẩm của đất 40-70%, tuỳ từng chủng khuẩn.
Quá trình nitrat hoá:
Tham gia vào giai đoạn này gồm có 3 giống vi sinh vật: Nitrobacter, Nitrospira, Nitrococcus. Thích ứng ở môi trường pH trung tính hơi kiềm, nhưng vẫn có thể phát triển ở môi trường chua.
+ Các biện pháp đế hạn chế quá trình nitrat hoá
- Các biện pháp canh tác như tưới tiêu chủ động tránh các điều kiện ngập nước, yếm khí tránh khô hạn, áp dụng các công thức luân canh hợp lý.
- Các biện pháp hoá học như: sử dụng phân đạm bọc lưu huỳnh; dùng thuốc ức chế nitrificid bón vào đất để ức chế hoạt động của các loài vi sinh vật tham gia vào quá trình nitrat này.
5.2.3.4. Quá trình phản nhật hoá
Quá trình chuyển hoá từ NO3- thành .N2 được gọi là quá trình phản nitrat hoá hay quá trình phản đạm hoá.
Người ta đã ước tính rằng cây trồng chỉ có khả năng hấp thụ được khoảng 50%
lượng phân đạm bón vào đất, còn 50% số còn lại bị mất đi theo hai con đường sau:
- Rửa trôi - Phản đạm hoá
Trong hai con đường mất đạm trên thì quá trình phản đạm hoá chiếm tới 90%
tổng lượng đạm mất.
Những vi khuẩn phản nitrat hoá điển hình là: Pseudomonas denitrifcans, Ps.acruginosa, Psfluorescens, micrococcus denitrifcans, Bacillus lichenforsmis.
Một số loại vi khuẩn tự dưỡng hoá năng cũng có khả năng thực hiện quá trình này như: Thiobacdtus denitrifcans, Hydrogenomonas agilis
Tất cả các loại vi sinh vật tham gia vào quá trình phản đạm hoá này đều là loài vi sinh vật yếm khí tuỳ tiện. Chúng phân bố rộng rãi trong tự nhiên và được liệt vào các loài vi sinh vật có tác dụng xấu đối với nông nghiệp. Để hạn chế quá trình này có một
số biện pháp kỹ thuật sau:
- Hạn chế quá trình nitrat hoá vì sản phẩm của quá trình này sẽ là nguyên liệu cho quá trình phản nitrat hoá
- Không sử dụng đạm ở dạng NO3- bón cho đất lúa.
- Làm cỏ sục bùn, tiêu úng cho các vùng bị úng lụt, tưới nước cho các vùng bị hạn, bón phân đạm vào lúc trời ít nắng cho lúa.
5.2.3.5. Quá trình cố định đạm phân tử
Việc nghiên cứu, sử dụng nguồn đạm sinh học được xem là một giải pháp quan trọng trong ngành nông nghiệp vì nhờ nó đảm bảo nguồn đạm cung cấp cho cây, nâng cao chất lượng của nông sản và bảo vệ môi trường. Vi sinh vật cố định đạm được chia làm ba nhóm chính sau:
Quá trình cố định nitơ phân tử tự do
Là quá trình đồng hoá nào của không khí dưới tác dụng của các chủng giống VSV sống tự do trong đất. Có một số nhóm VSV chính sau:
Vi khuẩn Azotobacter
Vi khuẩn Azotobacter có khả năng đồng hoá tốt các loại đường. Cứ tiêu tốn 1 gam đường glucoza nó có khả năng đồng hoá được từ 8- 18mg N.
Azotobacter có các loài chủ yếu sau đây: Azotobacter chrococcum, Azotobacter beijerinskii, Azotobacter vinelandii, Azotobacter agillis...
Azotobacter có một số đặc điểm chính dưới đây:
Azotobacter rất mẫn cảm với pH. Nói chung chúng có thể phát triển được ở pH 4,5 - 9,0, nhưng pa thích hợp nhất đối với Azotobacter là 7,2 - 8,2. Nhiệt độ thích hợp 25 – 300C, nhưng Azotobacter có khả năng chống chịu tốt ở nhiệt độ thấp.
Đất có bón phân xanh, phân chuồng, rơm rạ có tác dụng thúc đẩy sự phát triển của Azotobacter. Trong đất, Azotobacter đồng hoá rất tốt các sản phẩm phân giải của xenlulo. Azotobacter rất mẫn cảm đối với photpho và can xi chứa trong môi trường vì vậy người ta sử dụng chúng như là loài vi sinh vật chỉ thị để định lượng photpho dễ tiêu trong đất và xác định nhu cầu bón vôi cho đất.
Các nguyên tố vi lượng B, Mo, Fe, Mà cũng rất cần thiết đối với Azotobacter.
Chúng đã giúp cho quá trình cố định nào tiến hành được thuận lợi.
Azotobacter còn có khả năng tiết ra các loại vitamin và các chất có hoạt tính sinh học như: B1, B6 … axit nicotinic, axit pantotenic, biotin, auxin.
Azotobacter còn có khả năng tiết ra các loại thuốc kháng sinh để chống nấm thuộc nhóm Anixomixin.
Vi khuẩn Beijerinshi
Vi khuẩn Beijerinshi có khả năng đồng hoá tốt các loại đường đơn và kép, cứ tiêu tốn 1 gam đường glucoza nó có khả năng cố định tù 5- 10 mg N. Beijerinskii đồng hoá yếu tinh bột và axit hữu cơ. Khác với Azotobacter, Beijerinslài có tính chồng chịu cao với phản ứng axit, chứng có thể phát triển được ở môi trường pa trưng ảnh hoặc kiềm yếu Độ ẩm thích hợp 70 - 80% và nhiệt độ 25 – 300C. Beijerinskii phân bố rất rộng trong tự nhiên, đặc biệt ở vùng nhiệt đới.
Vi khuẩn Clostridium
Năm 1939, nhà bác học người Nga Vinogratxki đã phân lập được một loài vi khuẩn kị khí, sinh nha bào có khả năng cố định nào phân tử, ông đặt tên là Clostridium. Người ta chia thành nhiều loài Clostridium: Clostridium butyrium:
Cbeyerinskii; Cpectinovorum. Clostridium có khả năng đồng hoá tất cả các nguồn thức ăn nào vô cơ và hữu cơ, cứ tiêu tốn một gam đường glucoza nó đồng hoá được 5-12 mg N.
So với Azotobacter, Clostridium ít mẫn cảm hơn đối với P, Ca và có khả năng cố định đạm trong điều kiện pa thấp từ 4,5 - 8,5. Độ ẩm thích hợp 60-80%, nhiệt độ 25- 300C.
Hình 5.2: Clostridiumpasteurzanum Quá trình cố định nitơ phân tử cộng sinh
Là quá trình đồng hoá nào của không khí dưới tác dụng của các loài VSV cộng sinh với cây bộ Đậu tạo thành một chỉnh thể sinh lý hoàn chỉnh.
Cây họ đậu hút nước, muối khoáng và các chất dinh dưỡng ở trong đất để nuôi hệ cộng sinh, còn vi khuẩn nốt sần đồng hoá rúm không khí nuôi cho hệ cộng sinh. Cứ như vậy chúng gắn bó với nhau như một cơ thể tuyệt hảo.
Theo Bergey thì vi khuẩn cố định đạm sống cộng sinh bao gồm 6 loài:
Rhizobium leguminosarum: Sống cộng sinh ở cây đậu Hà Lan Rhizobium phaseoli: Sống cộng sinh ở đậu Cô ve, đậu xanh.
Rhizobium trifoli: Sống cộng sinh ở cỏ ba lá Rhizobiumlupini: Cộng sinh với đậu Luôm
Rhizobiumiaponicum: Cộng sinh với cây đậu tương
Rhizobium meliloti: Cộng sinh với một số loại cây phân xanh.
Vi khuẩn nốt sần Rhizobium là loại trực khuẩn hình que, hảo khí, giam âm, không sinh nha bào, có tiên mao mọc theo kiểu đơn mao hoặc chu mao, có khả năng di động được Tế bào Rhizobium cú kớch thước 0,5 - 0,9 x 1,2 - 3,2 àm. Chỳng thớch ứng ở pH = 6,5 - 7,5, độ ẩm 60 - 70%, nhiệt độ 28 – 300C.
Về quan hệ giữa vi khuẩn nốt sần (VKNS) với cây họ đậu đã được nghiên cứu rất nhiều, chứng tạo thành một thể sinh lý hoàn chỉnh, khi tách rời, khả năng đồng hoá nào phân tử không còn. Tất nhiên không phải cây họ đậu nào cũng có VKNS cộng sinh. Vi khuẩn nốt sần có tính chuyên hoá cao vì vậy mỗi loại vi khuẩn nốt sần chỉ sống cộng sinh với một hoặc một vài loại cây họ đậu và ngược lại.
Ảnh 5.3: Nốt sần rễ cây họ đậu + Sự hình thành hệ cộng sinh ở rễ cây họ đậu
Vi khuẩn nốt sần thường xâm nhập vào rễ cây họ đậu thông qua các lông hút và đôi khi thông qua vết thương ở vỏ rễ. Mỗi loại cây họ đậu thường tiết ra xung quanh rễ những chất có tác dụng kích thích những chủng vi khuẩn nốt sần chuyên tính và ức chế những chủng không chuyên tính để thực hiện quá trình xâm nhiễm như các hợp chất gluxit, các axit quan, các axit hữu cơ. Muốn xâm nhiễm tốt cần đạt mật độ 104 tế bào
vi khuẩn nốt sành gam đất.
Dưới ảnh hưởng của vi khuẩn nốt sần, cây họ đậu tiết ra enzym polygalacturonatza làm phá vỡ thành lông hút và giúp cho vi khuẩn nốt sần xâm nhập vào rễ. Ở trong lông hút vi khuẩn nốt sần sẽ tạo thành "dây xâm nhập", đó là một khối chất nhầy dạng sợi, bên trong chứa đầy vi khuẩn dạng hình que, "dây xâm nhập" đi dần vào bờn trong với tốc độ khoảng 5 - 8 àm/s. Sự vận động của "dõy xõm nhập"
được thực hiện dưới áp lực sinh ra do sự phát triển của VKNS bên trong dây. Đến lớp nhu mô, vi khuẩn nốt sần kích thích các tế bào rễ cây phát triển và phân chia, vi khuẩn thoát ra khỏi "dây xâm nhập" và đi vào tế bào chất. ờ đó chúng sinh sản rất nhanh và tạo dạng giả khuẩn
Cường độ cố định nào của từng loại cây trồng khác nhau thì khác nhau, vì vậy cho số lượng nốt sần khác nhau, thậm chí còn phụ thuộc vào rừng giai đoạn sinh trưởng của cây: Cây đậu xanh có nốt sần sớm hơn ở các cây họ đậu đỗ khác ( 10 - 1 5 ngày có nốt sần) Cây đậu tương sau 20 - 25 ngày có nốt sần, còn ở cây lạc có nốt sần sau 25 - 30 ngày sau khi cây mọc.
Số lượng nốt sần tổng số và nốt sần .hữu hiệu ở câ~đậu đỗ đạt cực đại vào thời kỳ cây ra hoa và hình thành quả non và giảm dần đến cuối vụ thu hoạch.
Hình 5.4 : Sự hình thành nốt sần
+ Điêu kiện ngoại cảnh ảnh hưởng đến quá trình cố định nào phân tủ
Cường độ cố định nào phân tử phụ thuộc vào rất nhiều yếu tố ngoại cảnh: Nhiệt độ, ánh sáng, độ ẩm và các nguyên tố dinh dưỡng trong môi trường sống, độ thoáng khí . . .
Cường độ cố định nào phân tử ở các vùng nhiệt đới và á nhiệt đới xảy ra mạnh hơn ở vùng ôn đới.
Tuỳ từng loại vi khuẩn cố định nào khác nhau mà thích ứng với pa của đất khác
nhau. Nhìn chung pa thích hợp cho hoạt động của vi sinh vật cố định nào phân tử từ 6,5 - 7,5. Vì lý do này mà hoạt động của vi khuẩn nốt sần tăng rõ khi được bổ sung voi
Kết quả nghiên cứu về ảnh hưởng của pa môi trường đến cường độ cố định nào phân tủ như sau:
pH = 3 số lượng nốt sân = 0 nôt/cây Ph = 4 số lượng nốt sần = 35 nốt/cây pH = 5 số lượng nốt sần = 17 nốt/cây pH = 6 số lượng nốt sần = 35 nốt/cây pH = 7 số lượng nốt sần = 42 nốt/cây pH = 8 số lượng nốt sần = 155 nốt/cây pH = 9 số lượng nốt sần = 4,5 nốt/cây (Nguyễn Xuân Thành, Nguyễn Đường, 1999)
Độ thoáng khí của đất có liên quan đến số lượng và chất lượng nốt sần. Nốt sần tạo thành nhiều ở các rễ phân bố nông (xung quanh cổ rễ cây họ đậu), càng xuống sâu ít oxy số lượng nốt sần ít hơn. Điều kiện kém thoáng khí làm giảm hàm lượng sắc tố Leghemoglobin, làm giảm tính kháng nguyên và hoạt tính hô hấp của vi khuẩn nốt sần. Hàm lượng nhơ dễ tiêu trong đất nếu lớn quá một mức nào đó sẽ ức chế việc hình thành nốt sần, vì vậy chỉ bón ít đạm và bón trong giai đoạn đầu cho cây họ đậu. Các nguyên tố Photpho, Kim, Molipđen, Bo . . . cũng có vai trò rất quan trọng trong việc hình thành và khả năng cố định đạm của vi khuẩn nốt sần.
Canh tác hợp lý làm cho đất tơi xốp, thoáng khí, chế độ tưới tiêu phù hợp, bón phân hợp lý thì cường độ cố định nào phân tử cao và ngược lại.
Việc sử dụng các chế phẩm sinh học cố định đạm cũng làm tăng số lượng nốt sần và cường độ hoạt động của chúng.
Vi sinh vật cố đinh đạm sống hội sinh
Các loài VSV này có khả năng cố định nào khi sồng trong vùng rễ của một số loại cây như: Lúa mỹ, lúa nước, ngô, lúa mạch, rau cải và một số loại cây hoà thảo khác (Bảng 5.2).
Bảng 5.2. Hiệu lực của các chủng VSV cố đinh đạm sống họ sinh tài năng suất ngô tại cộng hoà liên bang Nga năm 1999
Công thức Năng suất (Tạ/ha) Tăng so với đôi chứng (%)
Đồi chứng (Không xử lý VSV) 55,0 -
Az. lipoferum 61,4 12
Flavobacter. L-30 64,2 17
Az. brasilense 6 71,1 29
Az. brasilense 8 69,3 26
Az. Lipoferum 300 62,5 14
Ai Lipoferum 31 1 65,8 20
LSD05 5,4 (Hoàng Hài, 2000)
Vi sinh vật cố định đạm sống hội sinh là loại vi khuẩn hảo khí, thích hợp trong điều kiện pH từ 6 - 7. Chúng sử dụng các chất bài tiết ra của cây trồng và cố định đạm cho đất Chúng có khả năng cố định đạm khá từ 60 - 250kg N/ha/năm. Vì có khả năng sống hội sinh cùng các cây lương thực quan trọng, có diện tích gieo trồng lớn mà khả năng áp dụng chúng trong thực tế sản xuất cao. Khi sử dụng các chủng VSV cố định đạm sống hội sinh bón cho ngô đã làm tăng năng suất ngô một cách rõ rệt.
Vi khuẩn cố đinh đạm sống hội sinh Azospirillum có một số vai trò chính sau:
- Có khả năng cố định đạm tốt, vì vậy có vai trò quan trọng trong tăng năng suất - Chúng tiêu thụ các sản phẩm bài tiết của rễ cây làm nguồn dinh dưỡng cho mình nên giữ cho môi trường vùng rễ thuận lợi hơn với cây trồng, giảm chua cho đất.
- Do sống sát vùng rễ nên một số chủng VSV cố định đạm sống hội sinh có khả năng kháng lại một số nấm bệnh gây hại cây trồng xâm nhập thông qua rễ. Nghiên cứu của Kozemiakov, Hoàng Hải (2000) cho thấy mức độ nhiễm nấm Fusarium của ngô giảm 30-75% khi được xử lý VSV cố định đạm sống hội sinh.
- Chất bài tiết ra của VSV cố định đạm sống hội sinh có thể lại là chất kích thích sinh trưởng đối với cây trồng, vì vậy giúp cây trồng sinh trưởng, phát triển và cho năng suất cao.