ĐẶT VẤN ĐỀ Hơn 50 năm qua, vi sinh vật đã được sử dụng trong các lĩnh vực khác nhau như y học, sức khoẻ con người và vật nuôi, chế biến thực phNm, an toàn và chất lượng thực phNm, kỹ thu
Trang 1TRIỂN VỌNG ỨNG DỤNG VI SINH VẬT HỮU ÍCH
TRONG NÔNG NGHIỆP VÀ BẢO VỆ MÔI TRƯỜNG
Lê Như Kiểu
SUMMARY
The prospects of useful microorganism application in agriculture
and environmental preserve
Environmental pollution, caused by chemical fertilizers and pesticides to surface and groundwater, and improper treatment of human and animal wastes has caused serious environmental and social problems throughout the world Many attempts have been made to solve these problems using established chemical and physical methods However, they have usually found that such problems cannot be solved without using microbial methods and technologies in coordination with agricultural production In this context, the use of microbial inoculants in agriculture (biofertilizers, phytostimulators and biopesticides) represents an attractive environmentally - friendly alternative to further applications of mineral fertilizers and chemical pesticides PGPR (Plant Growth - Promoting Rhizobacteria) and soil microorganisms play very important roles in improving soil quality, plant growth, yield, and plant health by fixing atmospheric nitrogen, suppressing plant diseases and soil - borne pathogens, enhancing nutrient cycling, and producing bioactive compounds such as vitamins, hormones and enzimes In addition, they are active participants in bioremediation to decompose organic wastes and residues, detoxify pesticides and immobilize or solublize heavy metals In Vietnam, bioremediation has been applied to clean oily - polluted water and soil A continued exploration of the natural biodiversity and potential applications of beneficial indigenous microorganisms to sustainable agriculture and environment protection represents a prerequisite step to develop more efficient microbial inoculants in the coming years
Keywords: Environmental microorganisms, agricultural microorganisms
I ĐẶT VẤN ĐỀ
Hơn 50 năm qua, vi sinh vật đã được sử
dụng trong các lĩnh vực khác nhau như y
học, sức khoẻ con người và vật nuôi, chế
biến thực phNm, an toàn và chất lượng thực
phNm, kỹ thuật di truyền, bảo vệ môi
trường, công nghệ sinh học nông nghiệp và
xử lý hiệu quả hơn phế thải sinh hoạt và
nông nghiệp, trong đó ứng dụng của chúng
trong nông nghiệp và bảo vệ môi trường đạt
mức kỷ lục cao nhất
Trong nhiều năm qua, các nhà vi sinh
vật có khuynh hướng phân biệt các vi sinh
vật đất có lợi hoặc có hại theo chức năng
của chúng và phương thức tác động đến
chất lượng đất, năng suất, sinh trưởng, sức khoẻ của cây trồng và môi trường bao gồm:
+ Vi sinh vật có lợi: Là những vi sinh vật có thể cố định nitơ khí quyển, phân huỷ tồn dư các chất độc, chất thải hữu cơ, khử độc thuốc trừ sâu, ức chế bệnh cây và các mầm bệnh trong đất, tăng cường chu trình dinh dưỡng và sản sinh các hợp chất
có hoạt tính sinh học như vitamin, hormon và enzim kích thích sinh trưởng của thực vật
+ Vi sinh vật có hại: Là những vi sinh vật gây bệnh cho cây trồng, kích thích các mầm bệnh trong đất phát triển, sản sinh các
Trang 2độc tố gây tác động có hại cho sinh trưởng, phát triển của cây trồng và môi trường
II CÁC QUÁ TRÌN H PHÂN HỦY CHẤT HỮU CƠ CỦA VI SIN H VẬT
* Phân huỷ xenluloza
* Phân huỷ protein
Protein là thành phần quan trọng của tế
bào sinh vật, khi động vật, thực vật chết đi,
nguồn protein có trong tế bào được tích luỹ
lại ngoài môi trường Protein chứa tới 15 -
17% nitơ, nhưng sinh vật không thể hấp thụ
trực tiếp protein mà phải thông qua sự phân huỷ của vi sinh vật để tạo thành các sản phNm cuối cùng mà cây trồng, vi sinh vật
có thể hấp thụ được như: Axit amin, CO2,
N2, SO4, P
* Phân huỷ tinh bột
III ỨN G DỤN G VI SIN H VẬT TRON G
N ÔN G N GHIỆP
1 Ứng dụng vi sinh vật trong trồng trọt
Sản xuất nông nghiệp phụ thuộc chủ yếu vào vi sinh vật để duy trì và cân bằng
Trang 3hệ sinh thái của đất, hơn 1 tỷ vi sinh vật có
thể được tìm thấy trong 1 gam đất, trong số
này có hơn 10.000 loài khác nhau và vi
khuNn là nhóm phong phú nhất, trong đó
những vi sinh vật hữu ích chiếm ưu thế, do
vậy vi sinh vật đóng vai trò quan trọng để
tăng trưởng cây trồng N hưng trong thực
tiễn sản xuất nông nghiệp, các kỹ thuật
canh tác hiện đại dựa chủ yếu vào phân bón
và thuốc trừ sâu hóa học để bảo vệ cây
trồng khỏi sâu bệnh nhằm thu được năng
suất cao Song việc sử dụng thuốc trừ sâu
hoá học đã gây ra mối lo ngại về sự có mặt
của các chất độc hại trong chuỗi thức ăn và
môi trường Chính những quan ngại về hậu
quả cho môi trường và sức khoẻ con người
nên cách tiếp cận mới đối với việc canh tác
đó là nghiên cứu ứng dụng các kỹ thuật
thân thiện với môi trường và duy trì sự cân
bằng hệ sinh thái đất Trong đó, việc nghiên
cứu và sử dụng vi sinh vật hữu ích trong
nông nghiệp như tạo phân bón sinh học, các
chất kích thích sinh trưởng thực vật và
thuốc trừ sâu sinh học an toàn với môi
trường, dần dần thay thế hoặc kết hợp với
việc sử dụng một phần rất nhỏ phân hoá
học và các loại thuốc trừ sâu hoá học là rất
cần thiết và cấp bách Các vi sinh vật có lợi
trong nông nghiệp bao gồm:
- Vi sinh vật chuyển hoá cacbon tạo cho
cacbon được chuyển hoá tuần hoàn liên tục
trong tự nhiên
- Vi sinh vật cố định đạm thuộc chi
Azotobacter, Enterobacter, Rhizobium
- Vi sinh vật có khả năng tổng hợp các
chất điều hòa sinh trưởng nhóm
Azotobacter
- Vi sinh vật thuộc chi Trichoderma có khả năng amôn hóa kitin (kitin là một hợp chất C chứa gốc amin) là thành phần của vỏ nhiều loại côn trùng và giáp xác Chi này
có khả năng tiết enzim kitinaza, β - 1,3 glucanaza và kitobiaza phân huỷ phân tử kitin thành các gốc đơn phân tử, sau đó gốc amin được amôn hoá tạo thành NH3
- Vi sinh vật phân huỷ các hợp chất photpho (P) hữu cơ trong cơ thể động thực vật để tạo thành các các muối axit photphoric dạng dễ tan được cây trồng hấp thụ, thuộc chi
Pseudomonas, Achromobacter, Bacillus, Bradyrhizobium
- Vi sinh vật đối kháng với một số bệnh
cây như chi Trichoderma, Bacillus, Pseudomonas, Actinomycetes, Penicillium, Actinomycetes, Serratia
Đáng chú ý là nhiều loài vi sinh vật có mặt với số lượng lớn trên bề mặt rễ và trong
rễ hơn là trong đất vì chúng không bị ảnh hưởng bởi các nhân tố môi trường Vi sinh vật hệ rễ có khả năng kích thích sinh trưởng
và bảo vệ cây trồng khỏi sự xâm nhập của
vi sinh vật có hại và vi sinh vật gây bệnh Nhóm vi sinh vật hệ rễ kích thích sinh trưởng thực vật (Plant Growth - Promoting Rhizobacteria - PGPR) có khả năng sản sinh các chất hoá học, kháng sinh, các chất
dễ bay hơi, enzim thuỷ phân và enzim khử nhân tố độc, đặc biệt là cơ chế siderophore
ái lực với sắt, tất cả đều có hoạt tính ức chế
vi sinh vật gây bệnh Do đó, việc nghiên cứu đa dạng sinh học của vi sinh vật đất và tương tác giữa chúng với hệ rễ và cây trồng
để khai thác tốt các chủng hữu ích là bước quan trọng để sản xuất và phát triển các chế phNm sinh học có hiệu quả hơn
Trang 4Ảnh 1. Ức chế các vi khu#n gây bệnh của các chủng vi sinh vật đối kháng
A - Đối kháng của Pseudomonas với Ralstonia solanacearum
B - Đối kháng của Bacillus subtilis với Vibrio parahaemolyticus
C - Đối kháng của Lactobacillus acidophillus với V parahaemolyticus
D - Đối kháng của Bacillus subtilis với E coli DH5α
Hệ rễ là vị trí có sự liên quan chặt chẽ
và mật thiết nhất giữa rễ cây, vi sinh vật
và đất Rễ cây có chức năng nhận dinh
dưỡng khoáng và nước cần cho sự sinh
trưởng và phát triển của cây, nhưng rễ
cũng giải phóng các chất hữu cơ ra môi
trường đất xung quanh làm giàu môi
trường đất và là thức ăn quan trọng của vi
sinh vật Do vậy, vùng đất tiếp xúc với rễ
cây còn gọi là hệ rễ nơi có sự hoạt động
của vi sinh vật rất cao Ngoài kích thích
sinh trưởng thực vật trực tiếp, chúng còn
có tác dụng kích thích gián tiếp thông qua
cơ chế cảm ứng kháng hệ thống Trong
trường hợp này, PGPR làm biến đổi sinh
lý của cây chủ cũng như các phản ứng
trao đổi chất khiến cho cây chủ tổng hợp
các chất hoá học có khả năng chống lại sự
xâm nhập của mầm bệnh và các nhân tố
vô sinh Pseudomonas và Bacillus là hai
nhóm vi khuNn hệ rễ được sử dụng nhiều
nhất cho đến nay
2 Ứng dụng vi sinh vật trong cải tạo đất
Ngoài việc tác động trực tiếp tới cây
trồng, vi sinh vật cũng đóng vai trò quan
trọng trong cải tạo đất, vì hầu hết các quá
trình biến đổi hoá học xảy ra trong đất đều
có sự đóng góp tích cực của chúng Đặc biệt là giữ vai trò tích cực trong đảm bảo độ phì nhiêu của đất do sự tham gia của chúng trong các chu trình dinh dưỡng như chu trình cacbon và nitơ cần thiết cho sinh trưởng của thực vật
Vi sinh vật đất như nấm cộng sinh
(Mycorrhiza) có thể làm tăng độ dinh
dưỡng khoáng có sẵn (như photpho) cho thực vật Các vi sinh vật đất khác cũng có thể làm tăng lượng dinh dưỡng trong đất Chẳng hạn như, vi khuNn cố định nitơ có thể biến đổi nitơ khí quyển thành các hợp chất nitơ hoà tan mà rễ cây có thể sử dụng
để sinh trưởng
Nhóm nấm men Lipomyces có khả năng
sinh polysacharit tạo nên màng nhày để giữ
Nm cho đất, tăng độ kết cấu của đất, chống rửa trôi và giảm sự bay hơi của nước Ứng dụng nhóm nấm men này để giữ Nm cho các vùng khô hạn, sa mạc và phủ xanh đất trống đồi trọc Những vi sinh vật này đã cải thiện
độ phì nhiêu của đất và góp phần cho tăng trưởng cây trồng Nhóm vi sinh vật đất khác cũng đã được tìm thấy có khả năng sản sinh các hợp chất như vitamin và các hormon thực vật làm tăng sức sống cho cây trồng và góp phần làm tăng năng suất
Trang 5IV ỨNG DỤNG VI SINH VẬT TRONG
BẢO VỆ MÔI TRƯỜNG
Ngoài những ứng dụng nổi bật của vi
sinh vật trong thực tiễn sản xuất nông
nghiệp, chúng còn được quan tâm sử dụng
trong bảo vệ môi trường Một quá trình sử
dụng vi sinh vật được biết nhiều nhất đến
nay là sự phân huỷ sinh học
(Bioremediation) Quá trình này sử dụng vi
sinh vật để phá huỷ các chất ô nhiễm hoá
học, chất ô nhiễm hữu cơ đến nồng độ hoặc
là không thể phát hiện được hoặc dưới
ngưỡng an toàn Các vi sinh vật có lợi trong
xử lý môi trường bao gồm:
- Vi sinh vật có khả năng chuyển
hoá xenluloza thành glucoza chủ yếu là
thuộc nhóm vi nấm, đặc biệt là các chi
Trichoderma, Aspergillus, Fusarium,
Mucor có khả năng tiết ra hệ enzim
xenlulaza gồm 4 loại enzime khác nhau: xenlobiohydrolaza; endoglucanaza; exo - glucanaza và β - glucosidaza
- Vi sinh vật phân giải tinh bột thành glucoza chủ yếu là các vi nấm thuộc các
chi: Aspergillus, Fusarium, Rhizopus có
khả năng tiết ra môi trường hệ enzim amilaza gồm 4 loại enzime: α - amilaza,
α - amilaza, amilo 1,6 glucosidaza và glucoamilaza
- Hai nhóm vi sinh vật phân giải đường đơn (đường 6C) nhờ quá trình lên men các chất hữu cơ chưa được oxy hoá triệt để, đó
là nhóm hiếu khí và nhóm lên men
- Vi sinh vật có khả năng amôn hoá
protein, trong nhóm vi khuNn có Bacillus, Pseudomonas, Clostridium; xạ khuNn có Streptomyces; vi nấm có Aspergillus, Penicilium
Ảnh 2 Vòng phân giải protein, tinh bột, CMC của Bacillus subtilis
- Vi sinh vật phân huỷ các axit amin
chứa S như: metionin, xystein và trong
nhiều loại enzim quan trọng thành H2S và
chất này được chuyển hoá thành S và SO4,
một phần được tạo thành S hữu cơ của tế
bào vi sinh vật
- Vi sinh vật có khả năng ứng
dụng tốt trong xử lý môi trường thuộc
chi Aspergillus, Stenotrophomonas, Pseudomonas, Curvularia
Thông thường trong môi trường xử lý chất thải không có đủ hệ vi sinh vật hữu hiệu, do vậy quá trình phân hủy chất thải diễn ra theo sự phân hủy đơn (chỉ phân hủy protein thành các sản phNm NH3, NO2, H2S
và NO3) nên ô nhiễm môi trường
Trang 6Sơ đồ phân hủy đơn:
Sơ đồ phân hủy kép:
Trang 7T¹p chÝ khoa häc vµ c«ng nghÖ n«ng nghiÖp ViÖt Nam
7
Các vi sinh vật như: Bacillus subtilis, Lactobacillus acidophilus, Saccharomyces
cerevisae, Aspergillus oryzae và Streptomyces sp v v có khả năng phân huỷ kép (phân
hủy đồng thời cả protein và các hydratcacbon đến sản phNm cuối cùng là axit amin, đường đơn, phần lớn chúng được cơ thể sinh vật hấp thụ để tạo thành sinh khối của chúng, một phần được phân giải thành CO2 và H2O) Như vậy, từ chất hữu cơ ban đầu đã được các vi sinh vật phân giải thành khí CO2 và nước nên đã không gây ra khí độc (NH3,
NH4, NO2, H2S và NO3), quá trình này đồng nghĩa với việc làm sạch môi trường
Tiềm năng của nấm trắng (white rot fungi) được nghiên cứu ứng dụng để phân hủy các chất ô nhiễm và phây huỷ lignin Nhóm nấm này có khả năng phân huỷ các loại hydratcacbon, thuốc trừ sâu, thuốc nhuộm, kim loại nặng và các loại khác bằng cách khử độc hoặc làm bất động Aust và cộng sự cho rằng hầu hết nấm trắng kháng với mức độ độc của các chất ô nhiễm so với nhiều vi khuNn liên quan đến quá trình này Phân huỷ các hợp chất hữu cơ do nấm trắng có khả năng sản sinh các enzim thuỷ phân lignin và các hợp chất hữu cơ khác xúc tác cho các phản ứng khác nhau như khử quá trình polyme hoá và mở vòng thơm
Các hydratcacbon thơm (PAH) bị phân huỷ bởi các loài nấm trắng như Crinipellis
stipitaria, Phanerochaete chrysosporium và Pleurotus sp và các loài không phải nấm trắng
như Aspergillus niger, Cunninghamella elegans và Penicillium janthinellum Các loài nấm
trắng có khả năng khoáng hoá PAH bằng cách đưa oxy vào vòng làm cho các phân tử này dễ hoà tan hơn và có hoạt tính hoá học hơn Phản ứng này được tiến hành bởi các enzim ngoại
bào do nấm trắng sản sinh Levin và cộng sự đánh giá khả năng của Trametes trogii phân huỷ
nitrobenzen và anthracen Loài nấm này sống sót được ở nồng độ cao chất ô nhiễm hữu cơ và
phân huỷ được 90% anthracen và 97% nitrobenzen Pleurotus pulmonarius cũng được tìm
thấy có khả năng phân huỷ atrazin, một chất diệt cỏ thường được sử dụng và tồn tại dai dẳng
trong môi trường đã được tìm thấy trong nước ngầm Segula và cộng sự chỉ ra rằng P
pulmonarius được nuôi trên thân cây bông và lúa mì có thể phân huỷ atrazin thành các chất
trao đổi mà sau đó bị phân huỷ tiếp bởi vi khuNn Trong vòng 2 tuần thì 50% lượng atrazin sẽ
bị phân huỷ hết
Thuốc nhuộm sử dụng trong công nghiệp dệt may được quan tâm nhiều vì các loại thuốc nhuộm được biết là gây ra ung thư như benzidin và các hợp chất thơm khác
P chrysosporium có khả năng khử màu thuốc nhuộm đến 99% trong vòng 7 ngày Sanghi
và cộng sự chứng minh rằng nấm trắng Coriolus versicolor có thể khử màu tím remazol
brilliant đến gần 90% Các nghiên cứu khác đã được thử nghiệm tác động của nấm trắng để phân huỷ TNT Nấm cũng có thể tác động đến quá trình biến đổi kim loại ở một số loại môi trường như phế thải công nghiệp, quặng loại thấp và khoáng kim loại Các loại kim loại có thể được hoà tan bởi các axít hữu cơ (axít oxalic, axít citric ) do nấm sản sinh ra Ngoài ra, các kim loại có thể bị bất động bởi khuNn ty của nấm (sống hoặc chết) do chúng bị hấp thu lên tế bào hoặc quá trình kết tủa/cô lập nội bào hoặc ngoại bào Một số vị trí liên kết kim loại bao gồm chitin, amino, carboxyl, phosphate, sulfhydryl và các nhóm chức năng khác Một trong số các đặc điểm chính liên quan đến hấp thu sinh học ngoài nhiệt độ là pH Phổ
pH cho quá trình hấp thu sinh học kim loại là 4 đến 7 (Gadd, 2001) Tích luỹ sinh học kim loại như cadmium, kẽm và cesium do một số loại nấm đã được phát hiện KhuNn ty nấm không những lấy kim loại mà còn vận chuyển kim loại đến các bộ phận "nở hoa" của chúng
V KẾT LUẬN
Trang 8T¹p chÝ khoa häc vµ c«ng nghÖ n«ng nghiÖp ViÖt Nam
8
Ứng dụng vi sinh vật hữu ích trong nông nghiệp và bảo vệ môi trường không chỉ là mối quan tâm nghiên cứu của các nhà khoa học trong các lĩnh vực nông nghiệp và môi trường mà còn là định hướng chiến lược phát triển bền vững của Đảng và Nhà nước Ở Việt Nam, các chế phNm sinh học như phân bón và thuốc trừ sâu sinh học đã và đang sử dụng chủ yếu là nhập ngoại với giá thành cao Với đặc thù là một nước nông nghiệp và nguồn gen vi sinh vật bản địa được đánh giá là rất đa dạng Do vậy, việc nghiên cứu ứng dụng vi sinh vật bản địa hữu ích trong nông nghiệp và môi trường cần được đầu tư hơn nữa Tuy nhiên, trong thực tế nghiên cứu và ứng dụng các chế phNm vi sinh vật còn gặp nhiều khó khăn như: Giá thành thường cao so với các chế phNm hóa học, phong tục tập quán của người nông dân thay đổi còn chậm, công tác tuyền truyền, quảng bá còn yếu, sách báo phổ cập còn thiếu, do vậy mà nhiều chế phNm vi sinh vật chưa đi vào cuộc sống như tiềm năng có sẵn của chúng
TÀI LIỆU THAM KHẢO
1 Alexander, M., 1994 Biodegradation and bioremediation San Diego, Ca.: Academic
Press
2 Arora Diplip K., 1996 Hand book of applied mycology Volume 1: Soil and Plant,
327 - 355
3 Aust, S D., P R., Swaner, and J D Stahl., 2003 Detoxification and metabolism of
chemicals by white - rot fungi In: Pesticide decontamination and detoxification, 3 -
14 Washington D C.: Oxford University Press
4 Bumpus, J A., M., Tien, D S Wright, and S D., Aust., 1985 Oxidation of persistent
environmental pollutants by a white - rot fungus Science 228: 1434 - 1436
5 Cocchi, L., L., Vescovi, L E., Petrini, and O., Petrini., 2005 Heavy metals in edible
mushrooms in Italy Food Chemistry Available online at Elsevier
6 Dutta, S K., M M., Jackson, L H Hou, D H Powell, and H E., Tatem., 1998 Non -
ligninolytic TNT Mineralization in contaminated soil by Phanerochaete chrysosporium Bioremediation Journal 2: 97 - 103
7 Gadd, G M., 2001 Fungi in Bioremediation U K.: Cambridge University Press
8 Levin, L A., A Viale, A Forchiassin., 2003 Degradation of organic pollutants by the white rot basidiomcete Tramete trogii International Biodeterioration and Biodegradation 52:1 - 5
9 Reddy, C A., 1995 The potential for white - rot fungi in the treatment of pollutants
Current Opinion Biotechnol 6:320 - 328
10 Rittman, B E., and P L., McCarty., 2001 Environmental Biotechnology: Principles
and Application N.Y.: McGraw Hill
)gười phản biện: Phạm Quang Hà
