Trường Đại học Quốc Gia Hà Nội Trường Đại học Khoa học Tự Nhiên Khoa Môi trường CƠ SỞ CÔNG NGHỆ HÓA SINH ĐỀ TÀI ỨNG DỤNGVI KHUẨN RHIZOBIA VÀO HẠT GIỐNG ĐỂ CẢI THIỆN NĂNG SUẤT CÂY TRỒNG GVHD PGS TS Nguyễn Thị Hà TS Nguyễn Minh Phương TS Ngô Vân Anh Thành viên Dương Thị Vân Anh Cao Thị Thu Huệ Phạm Thị Ngân Giang Phạm Thị Hằng Hà Nội ngày 1 tháng 12 năm 2020 2 MỤC LỤC I ĐẶT VẤN ĐỀ 3 II NỘI DUNG CHÍNH 4 2 1 Tổ chức xử lý hạt giống thương mại 4 2 2 Các kỹ thuật xử lý 5 III ỨNG DỤNG CÁC VSV VÀO HẠT G.
Trang 1Trường Đại học Quốc Gia Hà Nội
Trường Đại học Khoa học Tự Nhiên
Khoa: Môi trường
CƠ SỞ CÔNG NGHỆ HÓA SINH
ĐỂ CẢI THIỆN NĂNG SUẤT CÂY TRỒNG
GVHD: PGS.TS Nguyễn Thị Hà
TS Nguyễn Minh Phương
TS Ngô Vân Anh
Thành viên: Dương Thị Vân Anh
Cao Thị Thu Huệ
Phạm Thị Ngân Giang Phạm Thị Hằng
Hà Nội ngày 1 tháng 12 năm 2020
Trang 2MỤC LỤC
I ĐẶT VẤN ĐỀ 3
II NỘI DUNG CHÍNH 4
2.1 Tổ chức xử lý hạt giống thương mại 4
2.2 Các kỹ thuật xử lý 5
III ỨNG DỤNG CÁC VSV VÀO HẠT GIỐNG 8
IV THÁCH THỨC TRONG VIỆC PHÁT TRIỂN PPXL HẠT GIỐNG BẰNG CHẾ PHẨM VI SINH 11
V NHU CẦU NGHIÊN CỨU VÀ TRIỂN VỌNG TƯƠNG LAI 12
VI TÀI LIỆU THAM KHẢO 14
Trang 3I ĐẶT VẤN ĐỀ
Sự gia tăng sản lượng lương thực toàn cầu đạt được trong những thập kỷ gần đây
đã đòi hỏi sự gia tăng lớn (15–20 lần) trong việc sử dụng thuốc trừ sâu tổng hợp để kiểm soát sâu bệnh, mầm bệnh và cỏ dại của cây trồng Nhưng việc sử dụng ngày càng nhiều thuốc trừ sâu tổng hợp không còn bền vững Áp lực mạnh mẽ của người tiêu dùng đã dẫn đến việc thu hồi nhiều loại thuốc trừ sâu tổng hợp, giảm giới hạn dư lượng tối đa và những thay đổi trong môi trường pháp lý ủng hộ các lựa chọn kiểm soát lành tính hơn với môi trường
Ngoài ra, chi phí phát triển và đăng ký thuốc trừ sâu tổng hợp ngày càng leo thang, dẫn đến việc giảm đáng kể việc phát triển và tung ra các hóa chất mới hạn chế hơn nữa các tùy chọn kiểm soát có sẵn cho người trồng.Việc tìm kiếm các giải pháp thay thế cho nông nghiệp đã thúc đẩy các nhà nghiên cứu xem xét lần thứ hai
về phạm vi vi sinh vật từ lâu đã được biết đến là mang lại lợi ích cho sản xuất nông nghiệp Ứng dụng vi sinh vật có ích vào hạt giống là một cơ chế hiệu quả để đưa chất cấy vi sinh vật vào đất nơi chúng sẽ có vị trí thuận lợi để cư trú ở rễ cây con hoặc tiếp xúc với động vật không xương sống sống trong đất, ăn rễ cây Ứng dụng của vi sinh vật có ích vào hạt giống để sử dụng trong nông nghiệp, lâm nghiệp và làm vườn đã được nghiên cứu chuyên sâu trong nhiều năm.Các vi sinh vật có thể được ứng dụng
để thực hiện các chức năng cụ thể, đặc biệt là cố định nitơ, hòa tan photphat, thúc đẩy
sự phát triển của cây trồng, kiểm soát sinh học các mầm bệnh thực vật và gần đây là kiểm soát sinh học đối với dịch hại Đây là một cơ chế hiệu quả để đưa chất cấy vi sinh vào đất nơi chúng sẽ được định vị tốt để bám rễ cây con và bảo vệ khỏi các bệnh
và sâu bệnh truyền qua đất
Trang 4II NỘI DUNG CHÍNH
2.1 Tổ chức xử lý hạt giống thương mại
Xử lý hạt giống trước khi gieo để bảo vệ chống lại sâu bệnh hại và tăng cường sự hình thành và phát triển của cây trồng đã được phổ biến ở hầu hết các quốc gia trên thế giới Trong nhiều năm, hạt giống của hầu hết các loại cây trồng đã được xử lý bằng thuốc diệt nấm chống lại các mầm bệnh từ hạt, từ đất, lá và đối với một số loại cây trồng gần đây cũng được sử dụng thuốc trừ sâu Cách thức tổ chức xử lý hạt giống, về mặt thương mại và kỹ thuật, có sự khác biệt đáng kể giữa các loại cây trồng
và giữa các thị trường ở các vùng khác nhau Một loạt các thiết bị được sử dụng, khác nhau rất nhiều về công suất, thông lượng và thiết kế kỹ thuật và độ tinh vi Giá trị và khối lượng hạt giống được xử lý cũng bao gồm một phạm vi to lớn - từ cái gọi là cây nông nghiệp có khối lượng cao, giá trị thấp ở một cực, chẳng hạn như ngũ cốc hạt nhỏ, đến các loài làm vườn và cây cảnh có năng suất thấp, giá trị cao ở khác Do đó, các loại xử lý khác nhau phù hợp với các loại cây trồng khác nhau, và chi phí chứ không phải hiệu suất hoặc hiệu quả sinh học có thể xác định phương pháp xử lý nào được sử dụng Quy trình và vật liệu tương đối đắt và chậm ứng dụng có thể được chấp nhận đối với các loại cây trồng có giá trị cao như rau hạt nhỏ, nơi thường xuyên yêu cầu tiềm năng năng suất tối đa, nhưng có thể không hợp lý về mặt kinh tế đối với cây nông nghiệp Sự khác biệt cũng nằm ở vị trí và ai trong ngành chịu trách nhiệm thực hiện việc áp dụng các phương pháp điều trị vật lý; bên trong các khu vực nông nghiệp phát triển hơn trên thế giới, nhiều công việc xử lý hạt giống được thực hiện tại các cơ sở chuyên môn bởi, hoặc cho các công ty hạt giống hoặc thương nhân Điều này đặc biệt áp dụng cho các giống lai và cây trồng có liên quan đến công nghệ xử lý hạt giống chuyên nghiệp, chẳng hạn như ngô, bông, hướng dương, củ cải đường và nhiều giống rau và hoa hiện đại Ngược lại, đối với các loại cây trồng khác - đặc biệt
là các loại ngũ cốc hạt nhỏ và cây họ đậu thụ phấn tự do - một tỷ lệ đáng kể việc xử
lý hạt giống được thực hiện gần địa
Trang 5điểm và thời điểm gieo hạt, sử dụng phương pháp xử lý được lắp đặt tại chỗ hoặc di động, và trên hạt giống được chính những người nông dân Một tình huống xử lý hạt giống khác liên quan đến cây trồng ngoài trời được trồng từ cây cấy ghép được sản xuất dưới mái che, ví dụ: cải bắp, hành tây, cần tây, rau diếp và củ cải đường (Nhật Bản) Tất nhiên, điều quan trọng là việc xử lý hạt giống và áp dụng các biện pháp xử
lý không làm giảm tiềm năng năng suất hoặc khả năng bảo quản của hạt giống Khả năng nảy mầm cao và „sức sống‟ là các thông số chất lượng quan trọng đối với hạt giống, đặc biệt là đối với cây trồng được gieo trên giá thể hoặc sản xuất dưới dạng cấy ghép, nơi càng nhiều hạt càng tốt sẽ tạo ra cây đồng đều và khỏe mạnh
2.2 Các kỹ thuật xử lý
Kỹ thuật xử lý hạt giống có thể được chia thành hai loại cơ bản: xử lý thông thường và phủ màng mỏng
Trong xử lý thông thường, bột khô, bột thấm ướt hoặc bột phân tán trong nước, hoặc chất cô đặc có thể chảy được (công thức dạng nhũ tương hoặc vi bao) được áp dụng trực tiếp vào hạt giống mà không cần sửa đổi thêm Các loại cây trồng có khối lượng lớn như ngũ cốc hạt nhỏ, các loại đậu và hạt có dầu thường là được xử lý trong máy móc thông lượng liên tục, nhưng máy hàng loạt cũng có sẵn Một số máy móc hiện đại có công suất rất cao, khoảng 5-25 tấn/h hoặc hơn để lắp đặt cố định xử lý ngũ cốc Trong tất cả chúng, một tính năng chính là cung cấp hạt giống và công thức với tỷ lệ được kiểm soát, đo lường, trong khi các máy phức tạp hơn có các kiểm soát
an toàn dự phòng để đảm bảo điều này xảy ra chính xác Thông thường, việc làm khô hạt giống đã xử lý là không cần thiết vì lượng nước tương đối ít Các phương
tiện khác nhau được sử dụng để đảm bảo trộn đều hạt và chất lỏng (ví dụ: phun chế
phẩm lên màn rơi của hạt, hoặc khuấy hạt và chất lỏng với nhau trong máng) Phải
giảm thiểu thiệt hại cơ học đối với hạt giống, đặc biệt đối
Trang 6với hạt dễ bị tổn thương về cấu trúc như ngô Thời gian tồn tại của hạt trong máy có thể ít hơn 10 phút Ngược lại, việc thiết kế các thiết bị nông trại đơn giản hơn nhiều
- đơn giản nhất là làm tơi hạt với công thức hoặc phủ bụi bằng bột ngay trước
khi gieo, trong 'hộp trồng cây' hoặc 'hộp phễu' Vật liệu khô không kết dính tốt với
hạt giống, làm cho hạt kém, không đều và bị bẩn
Ngoài ra, đối với một số cây trồng, lớp phủ màng hiện nay được ưa chuộng hơn, đặc biệt là đối với hạt giống làm vườn, và cũng đối với một số loài đóng viên, đặc biệt là củ cải đường Đặc trưng, một lớp màng mỏng đồng nhất, không bụi, không thấm nước, bao quanh hạt Trong thực tế thương mại, tiêu chuẩn chất lượng mỹ phẩm của lớp phủ màng thường cao, đạt được lớp phủ đồng đều cả bề mặt hạt và giữa các hạt riêng lẻ Trong quá trình tráng phim, các công thức xử lý được trộn trước với chất kết dính, chất bổ trợ và chất màu dưới dạng huyền phù nước, sau đó được phun lên khối hạt đang chuyển động Chất kết dính tạo thành một màng khi hỗn hợp khô
đi, do đó các chất phụ gia được sử dụng được dính chặt vào bề mặt hạt giống Hỗn hợp phủ màng hoàn chỉnh thường được chuẩn bị chỉ một thời gian ngắn trước khi sử dụng, và có thể được giữ lại chỉ trong vài giờ Chất kết dính điển hình là các polyme thuộc nhiều loại khác nhau, chẳng hạn như xenluloza được tạo dẫn xuất, polyvinyl axetat, rượu hoặc pyrrolidon, và các terpolyme ghép phức tạp, chẳng hạn như tinh bột Các chất bổ trợ kết dính sắc tố độc quyền có sẵn từ các công ty chuyên gia, ở dạng rắn hoặc nước Công thức phủ phim được áp dụng cho hạt giống trong thiết bị thông thường hoặc thiết bị chuyên dụng đã được sửa đổi tùy theo cây trồng, lượng hạt giống được xử lý, công thức xử lý, tỷ lệ sử dụng và tiêu chuẩn chất lượng yêu cầu Thiết bị thông thường thích hợp khi lượng chất lỏng được áp dụng tương đối thấp và ở nơi hạt giống có thể hấp thụ một cách thỏa đáng độ ẩm bổ sung Nếu cần, có thể thêm một giai đoạn sấy riêng trong quy trình xử lý Nhưng khi lượng chất phụ gia được áp dụng cho hạt tương đối lớn, hoặc nơi yêu cầu tiêu chuẩn phân phối hạt từ hạt sang hạt cao hơn hoặc chất hoàn thiện mỹ
Trang 7phẩm, thường cần một lượng tương đối lớn chất lỏng và một cách tiếp cận kỹ thuật khác hướng tới lớp phủ phim là cần thiết Trong thiết bị tráng phim được chế tạo đặc biệt như vậy, quá trình phun và sấy đồng thời diễn ra trong một buồng kín, thường ở nhiệt độ lên đến khoảng 35°C, và hạt giống được đưa vào hệ thống phun nhiều lần để tạo lớp màng Ví dụ, có thể thay đổi thành phần của chất lỏng được áp dụng để tạo ra một lớp phủ nhiều lớp Tùy thuộc vào khối lượng cần thi công và tốc
độ phun, quá trình chạy lớp phủ màng thường mất khoảng 15-100 phút để hoàn thành Hai nguyên tắc thiết kế cơ bản được sử dụng rộng rãi trong thương mại, cả hai đều bắt nguồn từ thiết bị xử lý theo lô trong ngành dược phẩm Trong hệ thống luống phun, hạt giống được giữ trong một bình hình trụ thẳng đứng hoặc hình nón ngược, và các dung dịch được phun từ đáy vào một luồng không khí chuyển động mạnh lên, làm khuấy động và làm khô khối lượng hạt giống Hệ thống này có công suất sấy tương đối cao, nhưng có thể làm hỏng hạt mỏng do tiêu hao cơ
học Trong các thùng phuy 'có lỗ thông hơi bên', dung dịch được phun lên bề mặt
của khối hạt, được khuấy và trộn trong thùng quay có đục lỗ nghiêng nằm ngang được làm bằng vách ngăn hoặc cánh khuấy Không khí sấy được hút liên tục theo dòng không hỗn loạn qua trống và qua hạt Trống được đặt trong một buồng kín, trong hầu hết các thiết kế được giữ dưới áp suất âm Trong cả hai loại máy, dung dịch sơn được phun bằng cách phun qua khí nén hoặc thông thường hơn là súng thủy
lực (phun khí), và không khí được lọc e ~ được lọc để loại bỏ hạt và bụi hóa học
Điều quan trọng là phải giảm thiểu thất thoát vật liệu bằng cách phun khô lên thành tàu và các vết bẩn trên lớp phủ như bong tróc, bong tróc, nứt hoặc nhám Thành phần hỗn hợp chất lỏng, áp suất đầu vào và đầu ra, tốc độ dòng chảy, độ ẩm tương đối và nhiệt độ của không khí, tốc độ khuấy và phun, và vị trí đặt súng phun đều là những yếu tố quan trọng Thiết bị có sẵn trên thị trường để đáp ứng nhiều loại kích cỡ lô, từ khoảng 200 g đến 50 kg hạt giống trong lớp phủ có rãnh phun, và lên đến khoảng 200 kg trong lớp phủ trống Được thiết kế theo tiêu chuẩn cao,
Trang 8với các tính năng an toàn và không an toàn, thiết bị này đắt tiền và cần được tối ưu hóa cẩn thận để có kết quả thành công với kích thước và hình dạng hạt giống cụ thể,
và do đó, hiện tại chỉ phù hợp với các cơ sở lắp đặt cố định Thông lượng đạt được trong dây chuyền sản xuất bán tự động, bao gồm các máy làm việc nối tiếp hoặc song song
H1.Tính chất của các phương pháp thường dùng để cấy vi sinh vật vào hạt giống
III ỨNG DỤNG CÁC VSV VÀO HẠT GIỐNG
Rhizobia cộng sinh cố định nitơ trong khí quyển và gián tiếp làm tăng độ
phìnhiêu của đất khi kết hợp với cây họ đậu ký chủ Rhizobia xâm nhập vào lông rễ
của vật chủ, gây ra các nốt sần Trong các nốt sần này, vi khuẩn lấy thức ăn và năng lượng từ vật chủ của chúng, và lần lượt cố định nitơ để cây phát triển Có nhiều loại
và chủng Rhizobia khác nhau, hầu hết trong số đó là đặc trưng cho một loại cây họ đậu cụ thể Hầu hết các loại đất đều chứa một quần thể Rhizobia, nhưng
chúng thường là những chủng không hiệu quả và không có khả năng hình thành các nốt sần cố định đạm hoạt động Nốt sần thành công phụ thuộc vào sự hiện diện của
Trang 9Rhizobia, chúng có khả năng hình thành nốt sần cố định đạm hiệu quả trên vật chủ
và cạnh tranh thành công với quần thể Rhizobia bản địa
Trước hoặc tại thời điểm gieo hạt, là một thực hành thương mại đã được thiết lập
và phổ biến để đảm bảo rằng các nốt sần cố định đạm hiệu quả được hình thành Nó chứng tỏ rằng cách tiếp cận ứng dụng hạt giống có thể hoạt động rất thành công, ít nhất là đối với sự kết hợp vi khuẩn thân rễ cây họ đậu Những cân nhắc đặc quan đến việc thiết lập vi sinh vật trong đất cũng tương tự như những cân nhắc đối với các sinh vật được áp dụng trong các công thức riêng biệt
Quá trình cấy hạt giống với Rhizobia: Chủ yếu liên quan đến việc nuôi cấy môi
trường của một dòng sống được, trộn canh với chất mang thích hợp và áp dụng chế phẩm này vào hạt giống bằng cách sử dụng chất kết dính
Tiêu chuẩn chất lượng và tỷ lệ sống: Mặc dù sự phát triển của Rhizobia trong vật
mang mầm bệnh là có lợi, nhưng khả năng tồn tại của vi khuẩn trong một thời gian
dài là yếu tố quan trọng nhất Tỷ lệ sống của Rhizobia trong chế phẩm làm từ than
bùn phụ thuộc vào loại than bùn, độ pH của nó, phương pháp khử trùng và nhiệt độ trong quá trình ủ, bảo quản và phân phối, nên tránh nhiệt độ cao trên 30°C vì chúng
có thể gây khô vi khuẩn Do đó, việc sử dụng chế phẩm vi khuẩn rhizobial ở các vùng nhiệt đới có thể bị hạn chế nghiêm trọng Wolf và Hoflich (1986) đã chỉ ra rằng tốc
độ phát triển của Rhizobia trong than bùn được tăng lên khi thêm mật đường,
nhưng nhấn mạnh rằng việc bảo quản chế phẩm ở nhiệt độ mát là quan trọng nhất nếu khả năng tồn tại của vi khuẩn được duy trì trong thời gian dài
Các yếu tố ảnh hưởng: Với việc nâng cao nhận thức của cộng đồng về những nguy
cơ tiềm ẩn đối với môi trường và sức khỏe của cả hóa chất nông nghiệp và phân bón,
và những tiến bộ trong công nghệ sinh học để cải thiện hiệu suất của các sản phẩm
vi sinh, việc ứng dụng vi sinh vật vào hạt giống có thể sẽ tăng lên trong tương lai Quá trình áp dụng vi sinh vật vào hạt giống thể hiện một loạt các lưu ý kỹ thuật đặc biệt Rõ ràng, đủ số lượng chế phẩm phải tồn tại trong quá trình và có
Trang 10thể phát triển trong môi trường hạt đang nảy mầm Tuy nhiên, có nhiều trường hợp cây trồng được cấy vào một thời điểm và khoảng cách xa so với thời điểm gieo hạt, thay vì ngay trước khi sử dụng Trong những tình huống này, theo nghĩa thực tế, hạt giống đã qua xử lý trở thành 'công thức thứ cấp' của chế phẩm và phải có chất lượng hạn sử dụng được chấp nhận Trong thực tế, vì hạt giống phải được bảo quản ở độ
ẩm thấp, nên chế phẩm phải có khả năng tồn tại trong thời gian có hoạt độ nước thấp
Vi sinh vật cũng có thể cần được áp dụng kết hợp với các thành phần hoạt tính khác, chẳng hạn như thuốc diệt nấm và thuốc trừ sâu Những yếu tố này đặt ra những vấn
đề mới về sự lựa chọn chủng và độ ổn định của công thức Trong trường hợp các chế phẩm vi sinh được bảo quản trong thời gian dài trước khi sử dụng, nhiều nhà sản xuất quy định rằng các thùng chứa không được để hở Rõ ràng, khi các điều kiện bảo quản tối ưu khác với những điều kiện này trong bầu không khí xung quanh, các vật chứa phải được chọn để có độ thấm tối thiểu với nước và đôi khi đối với oxy Thời hạn sử dụng của các vi sinh vật nhạy cảm với môi trường trên hạt giống là một yếu tố hạn chế thành công và thách thức khác trong quá trình phát triển các sản phẩm hạt giống được cấy mới Các nghiên cứu ghi lại thời hạn sử dụng (khả năng tồn tại lâu dài của chế phẩm và hoạt động kiểm soát sinh học của chế phẩm) của hạt giống được cấy là rất hiếm Điều này có thể do miễn cưỡng công bố kết quả tiêu cực và chắc chắn rằng việc duy trì khả năng tồn tại của vi khuẩn trên hạt giống là một thách thức đáng kể
Shah-Smith và Burns ( 1997 ) đã báo cáo về khả năng sống sót và hoạt động
kiểm soát sinh học của Pseudomonas putida được áp dụng cho hạt giống củ
cải đường bằng cách sử dụng hai quy trình xử lý hạt thương mại (lớp màng phủ lên
hạt đã viên lại và kết hợp P putida tế bào vào vật liệu viên trước khi đóng viên) Cả
hai phương pháp đều làm hao hụt chất cấy ban đầu lớn tại thời điểm xử lý hạt giống nhưng áp dụng tỷ lệ cao đảm bảo đạt được tỷ lệ mục tiêu là 6× 10 7
P putida trên
