TUYỂN CHỌN ĐỊNH HƯỚNG CÁC NHÓM VI SINH VẬT ĐẤT CÓ KHẢ NĂNG CHỐNG CHỊU VỚI NỒNG ĐỘ MUỐI CAO VÀ CHUYỂN PHÈN GÂY ĐỘC VỚI THỰC VẬT ĐỂ SỬ DỤNG TRONG CÁC VÙNG ĐẤT CANH TÁC BỊ TÁC ĐỘNG BỞI BI
Trang 1TUYỂN CHỌN ĐỊNH HƯỚNG CÁC NHÓM VI SINH VẬT ĐẤT
CÓ KHẢ NĂNG CHỐNG CHỊU VỚI NỒNG ĐỘ MUỐI CAO
VÀ CHUYỂN PHÈN GÂY ĐỘC VỚI THỰC VẬT ĐỂ SỬ DỤNG TRONG CÁC VÙNG ĐẤT CANH TÁC BỊ TÁC ĐỘNG
BỞI BIẾN ĐỔI KHÍ HẬU
Đoàn Kim Hạnh1, Nguyễn Viết Hiệp1, Đặng Thương Thảo1
Summary
Orient selection of soil microorganism groups that having ability to alleviate salt stress (up to 6%) and convert sulfidic materials for use in agriculture production
areas which will be affected by climate changes
This study was carried out to deal with subjunctive effects of climate change on the Mekong River
Delta (MRD) and the Southeast of MRD in the future when almost agriculture production area will
be flooded with sea water and formed sulfidic materials Base on soil microorganism population adapting to unfavourable environment changes From 2006 to 2007, 114 soil samples were collected from 2 soil groups (saline soils and acid sulphate soils) of 6 provinces in the Mekong River Delta (MRD) and the Southeast of MRD to isolate microorganism strains 28 AMF strains, 36 bacteria strains, 11 actinomyces strains, 8 yeast strairs, 11 mold strains that having ability to alleviate salt stress (up to 6%) and convert sulfidic materials (>35%) were selected The sulfidic materials converting and salt - alleviating property of these isolates can be applied for dealing with
effects of climate change
Keywords: Acid sulphate soils, climate change, microorganisms, saline soils, sea level rise,
sulfidic materials
I ĐẶT VẤN ĐỀ
Hội nghị thượng đỉnh toàn cầu về phát
triển bền vững tại Johannesburg (Cộng hòa
Nam Phi) năm 2002 đã nhận định rằng những
hậu quả của biến đổi khí hậu toàn cầu trực
tiếp tác động đến sự sinh tồn của loài người,
cụ thể đến tài nguyên nước, năng lượng, sức
khỏe con người, nông nghiệp và an ninh
lương thực và đa dạng sinh học
Đứng thứ 5 về khả năng dễ tổn thương
do tác động của biến đổi khí hậu, Việt Nam
đã được Liên hiệp quốc chọn là quốc gia để
tiến hành nghiên cứu điển hình về biến đổi
khí hậu và phát triển con người Theo đó,
sinh kế của người Việt đang bị đe dọa
nghiêm trọng bởi những thay đổi khí hậu toàn cầu Quá trình xâm nhập mặn và thay đổi lưu lượng chảy của hệ thống sông Cửu Long sẽ làm thay đổi thành phần cơ giới, độ phì của đất, tăng diện tích đất bị nhiễm phèn, ảnh hưởng trực tiếp đến năng suất và sản lượng cây trồng
Trước khi con người kịp đưa ra các biện pháp ứng phó với biến đổi khí hậu, đã
và đang có một quá trình tiến hóa mới của sinh vật nhằm tự thích nghi và điều chỉnh với quá trình này Sự tiến hóa, thích nghi này mở màn cho những thay đổi có tính chất quyết định đến khả năng sinh tồn của mọi sinh vật về sau
1
Viện Thổ nhưỡng Nông hóa
Trang 2Một số loài vi sinh vật đất sống trong
vùng rễ thực vật ở các khu vực đất mặn
thông qua quá trình tự biến đổi gen đã nâng
cao tính chống chịu mặn của mình, tự làm
cho chúng tồn tại, sinh trưởng và phát triển
được trong điều kiện môi trường sống có
những thay đổi bất lợi (như gia tăng nồng
độ muối trong đất, )
Fe2+ có trong đất phèn hoạt động đã
được chứng minh là có tính gây độc với
thực vật Cây trồng muốn tồn tại trong đất
phèn hoạt động thì hoặc là hệ rễ phải tiết ra
các phức chất hoặc quần thể vi sinh vật hội
sinh trong vùng rễ phải hoạt động đủ mạnh
để chuyển F2+ thành dạng Fe3+ không độc
với cây Khi quần thể vi sinh vật trong đất
có khả năng chuyển hóa F2+ thành Fe3+ hoạt
động mạnh sẽ làm tăng mức độ sống sót
của thực vật sống trên đất phèn hoạt động
Tận dụng tính chất “đi trước” thích nghi
của thế giới sống (đặc biệt là vi sinh vật đất)
để xây dựng các biện pháp khác nhau để đối
phó và thích ứng với hệ quả của biến đổi khí
hậu là điều tất yếu hiện nay
II VẬT LIỆU VÀ PHƯƠNG PHÁP
NGHIÊN CỨU
1 Vật liệu
Các mẫu đất thuộc nhóm đất mặn và
đất phèn khu vực Đông Nam bộ cũng như
đồng bằng sông Cửu Long
2 Phương pháp
Lấy mẫu đất:
Mẫu đất được lấy theo chỉ dẫn của
FAO (1967) và Richard Bardgett, Michael
Usher, David Hopkins (2005)
Phân lập chủng
Bằng phương pháp Koch trên đĩa Petri
có chứa môi trường tương ứng Phân lập vi
khuNn sử dụng 2 môi trường: Thạch dinh
dưỡng và Molongoski - Klug Phân lập xạ
khuNn sử dụng môi trường Kuster - William
Phân lập nấm men sử dụng môi trường
Czapek - Dox - propionat Phân lập nấm mốc sử dụng môi trường Czapek - Dox (Atlas M Ronald, 2005) Riêng phân lập bào
tử nấm rễ cộng sinh: Kỹ thuật sàng ướt và ly tâm trong thang nồng độ Sucarose 50% (Brundrett Mark và cộng sự, 1996)
Kỹ thuật tuyển chọn:
Đánh giá mức độ chống chịu nồng độ muối bằng kỹ thuật thử nghiệm nồng độ liên tiếp của Pepper I L và Gerba C P (2005) Xác định khả năng chuyển nguyên liệu sinh phèn gây độc theo hướng dẫn của Donahue L R., Miller W R và Shickluna
C J (1998); King M G và Garey A M (1999); Wang T và Peverly H J (1999) III KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN
1 Lấy mẫu
Từ năm 2006, nhóm đề tài đã tiến hành lấy tổng cộng 114 mẫu đất thuộc 2 nhóm đất là nhóm đất mặn và nhóm đất phèn trên địa bàn 6 tỉnh khu vực Đông N am bộ cùng với đồng bằng sông Cửu Long là: Thành phố Hồ Chí Minh, Bà Rịa - Vũng Tầu, Trà Vinh, Bạc Liêu, Sóc Trăng và Long An Các vị trí lấy mẫu là những vị trí đang tiến hành canh tác nông nghiệp, không nằm trong diện quy hoạch phát triển công nghiệp
- dịch vụ - du lịch, được xác định sẽ bị ảnh hưởng khi nước biển dâng trong thời gian tới (hoặc là bị nhiễm mặn thêm hoặc là chuyển sang trạng thái phèn hoạt động) Các mẫu đất sau khi lấy được bảo quản
ở 4 - 50C và vận chuyển ngay về phòng thí nghiệm Bộ môn Vi sinh vật, Viện Thổ nhưỡng N ông hóa để tiến hành phân tích
2 Phân lập
Trên môi trường thạch dinh dưỡng và Molongoski - Klug đã phân lập được tổng
số 377 chủng vi khuNn trong đó có 256 chủng vi khuNn phân lập từ đất mặn, 121 chủng phân lập được từ đất phèn
Trang 3Có 144 chủng xạ khuNn phân lập được
trên môi trường Kuster - William Trong số
này 95 chủng phân lập từ đất mặn và 49
chủng phân lập từ đất phèn
Sử dụng môi trường Czapek - Dox -
propionat đã phân lập được 202 chủng nấm
men (151 chủng từ đất mặn và 51 chủng từ
đất phèn) 243 chủng nấm mốc (203 chủng
từ đất mặn và 40 chủng từ đất phèn) phân
lập được trên môi trường Czapek - Dox
Bằng kỹ thuật sàng ướt và ly tâm trong
thang nồng độ Sucarose 50% đã tách được
127 chủng nấm rễ nội cộng sinh (AMF)
trong số đó 85 chủng là từ mẫu đất mặn và
42 chủng là từ mẫu đất phèn
Các chủng sau khi phân lập được làm sạch và tạo dòng thuần (với vi khuNn, xạ khuNn, nấm men, nấm mốc bằng cách pha loãng và cấy gạt liên tiếp trên đĩa petri có chứa môi trường tương ứng với khi phân lập, riêng nấm rễ nội sinh bằng cách cho nảy mầm bằng kỹ thuật màng kép sau đó lây nhiễm chủ động vào rễ cây ký chủ tương ứng)
N hững chủng này được sử dụng như là nguồn vật liệu cho công tác tuyển chọn định hướng về sau
Bảng 1 Số chủng vi sinh vật phân lập được ban đầu trên các nguồn mẫu đất khác nhau
Ảnh 1 Khu-n lạc vi khu-n (ảnh trái) và nấm men (ảnh phải) phân lập từ đất mặn
Ảnh 2 Bào tử nấm rễ nội cộng sinh (AMF) phân lập từ đất mặn (ảnh trái)
và đất phèn (ảnh phải)
Trang 43 Tuyển chọn
Theo kịch bản biến đổi khí hậu, các khu
vực đất mặn ở Đông Nam bộ sẽ có nguy cơ bị
mặn hóa cao hơn so với hiện nay, khu vực đất
phèn tiềm tàng ở đồng bằng sông Cửu Long
sẽ chuyển thành phèn hoạt động vì vậy hướng
chọn lọc ở đây là chọn lọc theo định hướng
Các chủng phân lập từ đất mặn sẽ chọn lọc
theo hướng chịu mặn cao, các chủng phân lập
từ đất phèn chọn lọc theo hướng chuyển phèn
gây độc (từ Fe2+ thành Fe3+)
Tuyển chọn theo hướng chịu mặn:
Kết quả tuyển chọn theo hướng chống
chịu mặn (bảng 02) cho thấy:
Mức chống chịu của vi sinh vật tỷ lệ
nghịch với nồng độ muối tan có trong đất
Điều này là hoàn toàn hợp lý vì ở một mức
nồng độ nào đấy trong môi trường sống các
cation (như Na+) và anion (Cl - ) đóng vai trò
như nhân tố kìm hãm sự phát triển của vi sinh
vật (Tortora J Gerard và cộng sự, 2002)
Ở nồng độ muối cao, đa số các chủng vi
sinh vật thử nghiệm đều không biểu hiện
khả năng chống chịu tuy nhiên một số
chủng vẫn tồn tại và phát triển được Khả
năng tồn tại ở nồng độ muối cao của các
chủng này được quyết định nhờ sự phát
triển mạnh mẽ các “bơm” proton chủ động
phân bố dày đặc trên bề mặt màng sinh chất của chính tế bào đó hoặc khả năng sinh và tiết các chất trao đổi bậc 1, bậc 2 vào môi trường sống (Bruce Alberts, 2004)
Với nồng độ muối tan trong đất cao nhất ở dãy thử nghiệm là 6,4%, có 15 chủng
vi khuNn, 9 chủng xạ khuNn, 6 chủng nấm men, 7 chủng nấm rễ có khả năng chống chịu được
Ở mức nồng độ muối tan trong đất là 3,2% (nồng độ mà theo dự đoán của Bernard P K Yerima và E Van Ranst năm
2005 có khoảng 30% diện tích đất các nước khu vực ven biển bị xâm mặn đến ngưỡng như vậy) có 17 chủng vi khuNn, 13 chủng
xạ khuNn, 13 chủng nấm men, 18 chủng nấm mốc và 24 chủng nấm rễ có biểu hiện khả năng chống chịu tốt
N ếu tính về tỷ lệ % các chủng vi sinh vật tham gia tuyển chọn về tính chống chịu nồng độ muối dễ dàng nhận thấy khả năng chống chiụ của các chủng nấm rễ và xạ khuNn là tương đối tốt Chính bản chất mối quan hệ cộng sinh đặc biệt giữa nấm rễ và thực vật quyết định tính chất chống chịu cao của chúng trong các điều kiện môi trường bất lợi (Brundrett Mark và cộng sự, 1996) Mức độ tổn thương tế bào của nấm men và vi khuNn cao hơn rất nhiều
Bảng 2 Khả năng chống chịu nồng độ muối trong đất của các chủng vi sinh vật phân lập
trên nhóm đất mặn
Trang 5Tuyển chọn theo hướng chuyển đổi
nguyên liệu sinh phèn gây độc cho thực vật:
Nghiên cứu về điều kiện hình thành
phèn người ta nhận thấy trong phạm vi
10.000 năm trở lại đây, sau sự kiện dâng
lên của nước biển (biển tiến) lớn nhất gần
đây Khi mực nước biển dâng lên và làm
ngập đất, sulfat trong nước biển trộn lẫn
với các trầm tích đất chứa các ô-xít sắt và
các chất hữu cơ Trong các điều kiện hiếm
khí này, các vi khuNn ưa phân hủy các chất
vô cơ như Thiobacillus ferrooxidans tạo ra
các sulfua sắt (chủ yếu là dạng pyrit) Tới
một thời điểm nhất định, nhiệt độ ấm hơn
là điều kiện thích hợp hơn cho các vi
khuNn này, tạo ra một tiềm năng lớn hơn
cho sự hình thành của các sulfua sắt
(Brock D T và cộng sự, 1984) Các môi
trường ngập nước vùng nhiệt đới, chẳng
hạn các khu rừng đước hay các khu vực
cửa sông, có thể chứa hàm lượng pyrit cao
hơn so với các môi trường tương tự nhưng
ở vùng ôn đới Pyrit là ổn định cho tới khi
nó bị lộ ra ngoài không khí, từ thời điểm
này thì pyrit bị ôxi hóa và sinh ra axít
sulfuric N hư vậy phèn tiềm tàng chuyển
thành phèn hoạt động
Để chuyển đổi nguyên liệu sinh phèn
gây độc cho thực vật có nhiều cách khác
nhau, một trong số đó là sử dụng điều kiện
ôxi hóa khử để chuyển Fe2+ thành Fe3+
không độc với sinh vật, đặc biệt là thực vật
Đánh giá hiệu quả chuyển đổi Fe2+ thành
Fe3+ là hướng chọn lọc thứ 2 của đề tài
Kết quả chọn lọc theo hướng này (bảng 3)
cho thấy:
Trong tổng số 303 chủng vi sinh vật (vi
khuNn, xạ khuNn, nấm men, nấm mốc, nấm
rễ) kiểm tra chỉ có 21 chủng vi khuNn, 2
chủng xạ khuNn, 2 chủng nấm men, 4 chủng nấm mốc và 8 chủng nấm rễ biểu hiệu khả năng chuyển nguyên liệu sinh phèn gây độc cho thực vật >35% (lượng Fe2+ bị chuyển thành Fe3+ >35% sau 9 ngày ủ mẫu)
N hóm vi khuNn là nhóm chiếm ưu thế cao trong số các chủng kiểm tra có khả năng chuyển độc tính nguyên liệu sinh phèn cao (>35%) Điều này nói lên tính thích ứng cao của chúng trong hoạt động sinh phèn cũng như ức chế hình thành nguyên liệu phèn gây độc (Bernard P K Yerima, E
Van Ranst, 2005)
Tortora J Gerard và cộng sự (2002) thì cho rằng 90% các hoạt động liên quan đến quá trình sinh phèn và chuyển nguyên liệu sinh phèn gây độc là do vi khuNn và xạ khuNn quyết định N hóm sinh vật nhân thật như nấm mốc, nấm men và nấm rễ ít có vai trò quyết định mà chỉ đóng nhân tố phụ trợ thúc đNy quá trình sinh hoặc kìm hãm phèn xảy ra
N gười ta biết rất rõ rằng nhóm vi khuNn khử Fe3+ thành Fe2+ hoạt động mạnh trong điều kiện vi hiếu khí đến yếm khí, nhiệt độ cao, đất bị ngập nước (Begg C và cộng sự, 1994; Bernard P K Yerima, E Van Ranst, 2005) Xạ khuNn, nấm mốc, nấm men và nấm rễ thường hoạt động mạnh trong điều kiện từ vi hiếu khí đến hiếu khí (Paul Alvin Elldor và cộng sự), chính vì vậy số lượng chủng biểu hiện hoạt tính chuyển nguyên liệu phèn cao ở các nhóm này là ít
Mặc dù là nhóm yêu cầu ôxy trong điều kiện sinh trưởng và phát triển nhưng các chủng nấm rễ vẫn biểu hiện khả năng chuyển nguyên liệu sinh phèn cao (nấm rễ
có 8 chủng trong khi đó xạ khuNn, nấm men chỉ có 2 chủng, nấm mốc chỉ có 4 chủng)
Trang 6điều này có thể là do hệ quả mối quan hệ
cộng sinh giữa nấm rễ và thực vật chủ
(Donahue L R., Miller W R và Shickluna
C J., 1983)
Một số chủng vi sinh vật kiểm tra
không biểu hiện khả năng chuyển nguyên
liệu phèn (không biểu hiện hoạt tính) ví
dụ như ở vi khuNn có tới 77/121 chủng
kiểm tra không có hoạt tính Điều này liên
quan đến hoạt động trao đổi chất của
chúng với các chu trình lưu huỳnh cũng
như sắt trong tự nhiên (Richard Bardgett,
Michael Usher, David Hopkins, 2005)
Hay nói cách khác vi sinh vật có khả
năng khử Fe+3 rất đa dạng, nhưng chủ
yếu vẫn thuộc về họ Geobacteraceae (ví
dụ điển hình là Geobacter metallireducen,
G sulfurreducens) ngoài ra một số loài
thuộc Shewanella, Ferrimonas, Aeromonas,
Proteobacteria, Geothrix, Geovibrio và
Ferribacter cũng có khả năng này Bên
cạnh khả năng khử Fe3+, một số trong số loài thuộc nhóm này còn có khả năng khử
Mn2+ (Lovley, 2006)
N ghiên cứu của Gareth M Evans và Judith C Furlong (2003) cho thấy, thông thường mức độ chuyển nguyên liệu phèn trong đất khu vực nhiệt đới dao động trong khoảng 5 - 20% sau từ 5 - 10 ngày
ủ Muốn ứng dụng những chủng vi sinh vật có hoạt tính kiểu tương đương như thế này trong công nghệ sinh học áp dụng để cải tạo đất đòi hỏi hoạt lực của chúng phải
>35% N hững sinh vật chuyển gen phải đạt được mức ý nghĩa >45% N hư vậy nếu căn cứ theo những định hướng tiêu chuNn của Gareth M Evans và Judith C Furlong (2003) chúng ta có thể có 37 chủng vi sinh vật ứng dụng trong cải tạo đất phèn
Bảng 3 Mức độ chuyển nguyên liệu sinh phèn (FeS 2 ) của các chủng tuyển chọn
sau 9 ngày ủ mẫu
STT Nhóm vi sinh vật Khả năng chuyển nguyên liệu sinh phèn
Không có hoạt tính Hoạt tính < 35% > 35%
Trang 7T¹p chÝ khoa häc vµ c«ng nghÖ n«ng nghiÖp ViÖt Nam
7
IV KẾT LUẬN VÀ ĐỀ N GHN
1 Kết luận
1 Từ 114 mẫu đất thuộc 2 nhóm đất là nhóm đất mặn và nhóm đất phèn trên địa bàn 6 tỉnh khu vực Đông N am bộ cùng với đồng bằng sông Cửu Long đã phân lập được 377 chủng vi khuNn, 144 chủng xạ khuNn, 202 chủng nấm men, 243 chủng nấm mốc và 127 chủng nấm rễ làm nguồn nguyên liệu cho quá trình chọn lọc chủng
2 Trên cơ sở các chủng phân lập được, chọn lọc theo hướng chịu mặn đã xác định được 15 chủng vi khuNn, 9 chủng xạ khuNn, 6 chủng nấm men, 7 chủng nấm mốc, 20 chủng nấm rễ có khả năng chống chịu được nồng độ muối tan trong đất là 6,4% Tuyển chọn theo hướng chuyển nguyên liệu sinh phèn gây độc với thực vật đã tìm được 21 chủng vi khuNn, 2 chủng xạ khuNn, 2 chủng nấm men, 4 chủng nấm mốc và 8 chủng nấm rễ có khả năng chuyển đổi nguyên liệu sinh phèn gây độc cho thực vật > 35%
2 Đề nghị
- Xác định mức độ an toàn sinh học của các chủng tuyển chọn được (an toàn cho người, động vật và thực vật) theo quy định của FAO và WHO
- Thử nghiệm đồng ruộng để đánh giá đúng hiệu quả chọn lọc và xác định các giải pháp nhằm nâng cao khả năng hoạt động của các nhóm vi sinh vật này trong điều kiện đồng ruộng (điều kiện môi trường ngoài phòng thí nghiệm)
TÀI LIỆU THAM KHẢO
1 Atlas M Ronald, 2005 Handbook of Media for Environmental Microbiology CRC
Press Taylor & Francis Group
2 Begg C et al., 1994 Root - Induced Iron Oxidation and pH Changes in the Lowland
Rice Rhizosphere New Phytologist, Vol 128, No 3, pp 469 - 477
3 Bernard P K Yerima, E Van Ranst, 2005 Introduction to Soil Science: Soils of the
Tropics Trafford Publishing
4 Brock D T., et al, 1984 Biology of microorganisms PHI
5 Bruce Alberts, 2004 Mulecular Biology of the Cells Taylor & Francis Group
6 Brundrett Mark et al, 1996 Working with Mycorrhiza in Forestry and Agriculture
Canberra, Australia, pp 141 - 252
7 Donahue L R., Miller W R., and Shickluna C J., 1983 Soil: An introduction to
soils and plant growth PHI
8 FAO, 1967 A practical manual of siol microbiology laboratory methods Rome
9 Gareth M Evans, Judith C Furlong, 2003 Environmental Biotechnology: Theory
and Application John Wiley & Sons Ltd, West Sussex, England
Trang 8T¹p chÝ khoa häc vµ c«ng nghÖ n«ng nghiÖp ViÖt Nam
8
10 King M G., and Garey A M., 1999 Ferric iron reduction by bacteria associated with
the roots of freshwater and marine macrophytes Applied and Enviroment Microbiology Vol 65, No 10, Oct 1999, pp 4393 - 4398
11 Lovley R Derek, 2006 Environmental Microbe - Metal Interactions ASM Press,
Washington, D.C 2000 Lu Yahai et al - Structure and activity of bacterial community inhabiting rice roots and the rhizosphere Environmental Microbiology, Volume 8, Issue 8/2006, pp 1351
12 Okalebo R J., et al., 1993 Laboratory methods of soil and plant analysis: A working
manual TSBF Program Kenya 1993
3gười phản biện: Hồ Quang Đức
