Giáo trình Vi sinh vật học nông nghiệp (Giáo trình cao đẳng sư phạm): Phần 2

+ Có thể nói tất cả các quá trình chuyển hóa các hợp chất hữu cơ, vô cơ khó tan trong đất đều do v s v tác động quá trình chuyển hóa nitơ, photpho, kali, lưu huỳnh, mangan, sắt, cacbon..

+ Hiêu rõ được một sỏ quá trình chuyên hoá chính do v s v ờ tron í! đâì.

+ Nắm được quy trình sản xuất va phương pháp sử dụng cùa một số loại chê phẩm v s v tlùmi trône nône, lâm ìmhiệp

+ Hiếu được bản chất, cơ chê tác đ ộ n g và hiệu qu ả củ a m ộ t sô loại phân

v s v dùng trong nồng, lâm nghiệp

N ộ i d u n g

+ Nhữne \ ’S \' quail lion g thườnii eặp trong đất

+ YSY trone quá trình hình thành và kếl câu mùn

+ YSY trong quá trình phân huv, chuyên hoá các chất trone đất

+ Các loại chố phẩm \ ’S \ ’ dùng trong dinh dưỡng cây trống

+ Các loại chê phẩm YSY tlùnu trone báo vệ thực vật

T ó m tắ t n ộ i d u n g ch ư ơ n g 7

+ VSY không chi đóng vai trò quan trong trong quá trình hình thành và kết cấu m ù n m à còn ph àn huỷ, c h u y ế n h o á các ch ất tro n g đấi đ ế c u n g c ấ p dinh ilưỡnti cho cây trồnu, cái lạo và nana cao độ phì nhiõu cho đát

+ Có thể nói tất cả các quá trình chuyển hóa các hợp chất hữu cơ, vô cơ khó tan trong đất đều do v s v tác động (quá trình chuyển hóa nitơ, photpho, kali, lưu huỳnh, mangan, sắt, cacbon ).

+ v s v có vai trò rất lớn trong việc đồng hóa nitơ không khí, 50 - 60% nhu

cầu dinh dưỡng nitơ của cây là do v s v cung cấp.

+ Chính những lợi ích to lớn của v s v , con người đã sử dụng các nguồn gen

v s v này để sản xuất ra các chế phẩm như phân bón, các chất kích thích, thuốc bảo vệ thực vật dùng trong sản xuất nông, lâm nghiệp Những thập kỉ qua, các loại phân bón và chế phẩm từ v s v đã thực sự góp phần tăng nâng suất, chất lượng nông, lâm sản và thúc đẩy phát triển nền NN hữu cơ, sinh thái bền vững ờ Việt Nam nói riêng, trên thế giới nói chung

I VI SINH VẬT ĐẤT, CÁC NHÓM CHÍNH VÀ c ơ CHÊ HOẠT ĐỘNG

1 Những giống vi sinh vật quan trọng thường gặp trong đất

1.1 N h ữ n g g iố n g vi k h u ẩ n quan trọng thư ờ ng gặp trong đất

Bảng 2 : Giống vi khudn quan trọng thường gặp trong dất

1 Chrom atium Yếm khí, môi trường giàu chất hữu cơ, có H 2S

T hiobacillus Hình que, dinh dưỡng hóa năng, oxi hóa hợp chất

chứa s hay chất khử chứa s, yếm khí tuỳ tiện

5 H iđrogennom onas

methanomonas

Hình que, dinh dưỡng hóa năng, lấy nãng lượng

từ oxi hóa hiđrogen, oxit cacbon, metan

6 C anlobacter

G aỉlionelìa

Hình que, Gram âm, sống trong nước, nổi theo mặt nước, bám vào tàn dư thực vật, oxi hóa sắt

1.2 Những giống xạ khuẩn quan trọng thường gặp trong đất

Bảng 3 : G iố n g x ạ khuẩn q u a n trọng thưòng g ặ p trong đất

1 Actinom yces, Bacterionema Hảo khí, hình cành cây, chân chim,

phân huỷ, chuyển hóa chất hữu cơ

4 Cellulom onas, Jonesia Hảo khí, hình xoắn, chùm quả, phân

huỷ, chuyển hóa chất hữu cơ

5 Derm atophilus,

G eoderm atophihis

Hảo khí, hình lá dừa, chùm quả, phân huỷ, chuyển hóa chất hữu cơ

phân huỷ chuyên hóa chất hữu cơ

7 M icrom ospora, M icrobispora Hảo khí, hình chân chim, phân huỷ,

chuyển hóa chất hữu cơ

8 Nocardia, Actinopoìispora. Hảo khí, hình cành cây, chân chim,

phân huỷ, chuyển hóa chất hữu cơ

9 Pseudonocardia Hảo khí, hình xoắn chùm quả, phân huỷ,

chuyển hóa chất hữu cơ

10 M ycobacterium Hảo khí, hình xoắn chùm quả, phân huỷ,

chuyển hóa chất hữu cơ

11 Caryophanon, Actinosynoem a Hảo khí, hình xoắn chùm quả, phân huỷ

chuyển hóa chất hữu cơ

1.3 Những giống nấm quan trọng thường gặp trong đất

Bảng 4 : G iố n g n ấ m q u a n trọng thưòng g ặ p trong đ ấ t

1 Zygomycetes Sống hoại sinh, ưa ẩm, giàu hữu cơ, lên men tinh

bột

2 Rhizopus Ưa ẩm, giàu hữu cơ, phân huỷ cơ chất mạnh, chịu

được nhiệt độ cao

3 Ascomyces Ưa ẩm, phân huỷ mạnh cơ chất, chịu được nhiệt độ

cao

4 Basidomycetes Kí sinh trên cây hòa thảo, phân huv mạnh

xenlulozơ, lignin

5 Penicilium Bậc cao, ưa ẩm, phân huỷ mạnh hợp chất hữu cơ

6 Asymm etrica Phân bố rất rộng, phân huỷ, chuyển hóa mạnh hợp

9 Trichoderm a Phát triển nhanh, phân huỷ mạnh xenlulozơ, lignin

10 Cỉadosporium Sống hoại sinh hoặc kí sinh yếu trên tàn dư thực vật

11 Aỉternaria Ưa ẩm, phân huỷ, chuyển hóa mạnh chất hữu cơ

trong đất

12 M ucor Ưa ẩm, chịu được nhiệt độ cao, phát triển nhanh,

phân huỷ chất hữu cơ

1.4 Những giống tảo quan trọng thường gặp trong đất, trong nước

Bảng 5 : G iố n g tảo q u a n trọng thưòng g ặ p trong đất, trong nư ớc

1 Cyanophyta - Tảo lam

Ớ nước ngọt, sản phẩm quang hợp là glicogen, sống cộng sinh với bèo hoa dâu, cố định nitơ phân tử

2 Chlorophyta - Tảo lục Ở nước lợ, sản phẩm quang hợp là tinh bột

3 Xanthophyta - Tảo vàng Ở nước lợ, sản phẩm quang hợp là leucosin và

dầu

4 Bacillariophyta - Tảo cát Ở nước mặn, sản phẩm quang hợp là dầu, mỡ

5 Phaeophyìa - Táo nâu Ở nước mặn, sản phẩm quang hợp là tinh bột

6 Euẹỉenophyta - Tảo mắt ơ nước mặn, sản phẩm quang họp là paramynon

7 Chrysophỵta - Ánh vàng Ớ nước mận, sản phẩm quang hợp là leucosin

8 Pyrrophyta - Tảo giáp Ớ nước mặn, sản phẩm quang hợp là tinh bột

9 Rhodophyta - Tảo đỏ Ở nước mặn, sản phẩm quang hợp là tinh bột

10 Charophyta - Tảo vòng Ở nước mặn, sản phẩm quang hợp là tinh bột

1.5 Những sinh vật quan trọng khác trong đất

2Ế Vi sinh vật trong quá trình hình thành và kết cấu mùn

2.1 Quá trìn h h ìn h th à n h m ù n

2.1.1 Quan điểm về quá trình hình thành mùn

a ) Quan điểm hóa học : Đại diện cho trường phái này là Oatxman Họ ch(

rằng khi xác động, thực vật được vùi vào trong đất, nó bị thối rữa, phân huỳ chuyển hóa do các quá trình chuyển hóa hóa học đơn thuần, phần dễ phân giải lì quá trình oxi hóa mạnh theo hướng vô cơ, phần này không phải là nguyên liệu hình thành mùn Theo họ thì mùn là chất dư thừa sau quá trình phân giải từ xác động, thực vật, được hình thành do các phản ứng hóa học đơn thuần trong đất,

không có sự tham gia của v s v

Tóm lại : Theo quan điểm hóa học, thì mùn là chất trung gian, hay chất du thừa chưa được phân giải hết do các phản ứng hóa học trong đất

b) Quan điểm sinh học : Đại diện cho trường phái này là Dakutraeb, Uyllams,

Tiurin, Kononopva Họ cho rằng khi xác động, thực vật được vùi vào đất, nhờ có

v s v phân huỷ chuyển hóa theo 2 hướng : vô cơ hóa và mùn hóa Cả hai hướng này đều kết hợp với hoạt động sống của v s v trong quá trình tự tiêu, tự giải tạo thành mùn

Họ đứng hẳn về trường phái sinh học bác bỏ quan điếm của Oatxman, đó là:

- Mùn không phải là hợp chất dư thừa, vì đã là hợp chất dư thừa thì không bao giờ có thành phần và tỉ lệ các nguyên tố, trong đó, lại nhiều hơn ờ chất ban đầu được vùi vào đất Ví dụ : %N trong mùn nhiều hơn trong xác thực vật được vùi vào đất

- Mùn cũng không phải là chất trung gian, vì nếu là chất trung gian thì sớm hay muộn cũng bị phân giải, nhưng thực tế mùn luôn luôn được tích luỹ

Vậy mùn là gì ?

Mùn là một sản phẩm tổng hợp được hình thành nhờ quá trình hoạt động sống cúa v s v Họ cho rằng tuỳ từng chủng giống v s v khác nhau, cơ chế hoại động khác nhau, mà tạo axit mùn khác nhau Ví dụ : axit fulvic thường tạo nêr

trong quá trình phân giải, chuyển hóa xác động, thực vật cùa nám Aspergillus

Axit umic thường là kết quả cùa quá trình phân huỷ, chuyến hóa của vi khuấn k khí Axit humic thường được tạo bới quá trình phân huỷ chuyển hóa cùa V khuán hảo khí

Sự chuyển hóa các chất hữu cơ được vùi vào đất dưới tác dụng của v s v theo

2 hướng s a u :

- Quá trình vô cơ hóa : Là quá trình chuyển hóa các hợp chất hữu cơ thành các chất vô cơ dễ tiêu Nếu quá trình vô cơ hóa xảy ra mạnh, cây trổng không đồng hóa hết, dẫn đến sự dư thừa, gây độc cho cây

- Quá trình mùn hóa : Là quá trình chuyển hóa, các hợp chất hữu cơ thành các chất vô cơ và hữu cơ đơn giản hơn kết hợp với quá trình tự tiêu, tự giải của

v s v

Trong quá trình phân giải, chuyên hóa của v s v , người ta thấy mùn gồm có :

- Hiđratcacbon, các pentozơ (C5H 10O5), các hexozơ (C6H 120 6), xenlulozơ (C6H 10O5)n, hemixenlulozơ, lignin, nhựa, sáp, dầu mỡ, tamin, chất tro : Ca, Mg,

K, s, Si, Na, Fe

Quá trình hình thành và tích luỹ mùn nhanh hoặc chậm còn phụ thuộc vào xác động, thực vật được vùi vào đất Nếu tế bào còn non, vách tế bào mỏng, quá trình phân giải nhanh, dẫn đến quá trình tích luỹ mùn nhanh và ngược lại Ngoài

ra nó còn phụ thuộc vào yếu tố ngoại cảnh, đặc biệt là nhiệt độ và độ ẩm Ở điểu kiện nhiệt độ cao, độ ẩm lớn, thì quá trình tích luỹ mùn nhanh, nhưng quá trình phân giải cũng nhanh và ngược lại

2.1.2 Khu hệ v s v và sơ đổ hình tliànlì mùn của Kononopva

Theo Kononopva, thì v s v phân huỷ xác động, thực vật để hình thành mùn, gồm 2 nhóm tham gia :

+ Nhóm v s v lên men, gồm : v s v phân giải tinh bột, v s v lên men đường, v s v

phân huỷ chuyển hóa xenlulozơ, hemixenlulozơ (Saccaromyces, Mucor, Bacillus ).

+ Nhóm v s v sinh tính đất là những v s v phân huỷ, chuyển hóa các chất bền

vững như : lignin, kitin, sáp (Rum inococcus, Basidom icetes, A ctinom yces ).

Xác động, thực vật được vùi vào đất, nhóm v s v phân giải đầu tiên được gọi là nhóm v s v lên men Bằng thí nghiệm với cỏ 3 lá ( Medicago), Kononopva thấy : Sau 3 ngày trên bề mặt cùa cỏ 3 lá được phù dàv đặc nấm sợi, sau 7 ngày thấy nấm sợi biến mất, thay thế vào đó là vi khuẩn và nguyên sinh đ ộns vật, sau

10 ngày nhóm v s v lên men xuất hiện (Saechciromyces), sau 15 ngày biến trùng

xuất hiện, sau 6 tháng xuất hiện nhiểu loại xạ khuẩn và vi khuẩn sinh nha bào, chúng hoạt động mạnh để phàn huỷ các hợp chất bền vừng như xenlulozơ, hemixenlulozơ, lignin kitin

2 ế2 Vi sinh vật trong quá trình cấu tạo và kết cấu m ù n

Xác động, thực vật bị v s v phân giải thành các chất vô cơ và các chất hữu cơ đơn giản cùng với sự hình thành mùn Tiurin đem thuỷ phân axit các hợp chất mùn, thu được axit amin và các loại đường Phần không thuỷ phân được đó là lignin - được coi là sườn của nhân mùn, nó quy định tính chất của hợp chất mùn Sau đó ông đem thuỷ phân phần còn lại này bằng hợp chất : K M n 0 4, H20 2, HNO3 cho một chất mùi thơm, đó chính là nhân benzen Dùng NaOH 0,1N tách axit mùn thành 2 nhóm : axit humic và axit fulvic Ngoài ra ông còn thấy có chất màu đen không tan trong dung dịch kiềm loãng, liên kết chặt với các chất khoáng trong đất, ông gọi là humin

H ình 22 : Sơ đó hình thành và tích lu ỹ mùn cùa K onon opva

152

v s v đã phân huỷ, chuyển hóa các hợp chất có vòng thơm phức tạp để thành các dạng quinol kết hợp với axit amin và polipeptit để tạo ra những sản phẩm đầu tiên của axit mùn.

Quá trình phân giải các hợp chất trong đất, v s v đã hấp thụ các chất dinh dưỡng Trong quá trình tự tiêu, tự giải đã tạo thành chất mùn hoạt tính, chất này

đã gắn chặt các hạt đất lại với nhau làm cho đất tơi xốp Hơn nữa xác của v s v

sau khi chết, chúng kết hợp với một số chất trong quá trình phân giải tạo thành phức chất, phức chất này đã tham gia tích cực vào thành phần và kết cấu mùn

3Ể Vi sinh vật phân giải và chuyển hóa cacbon trong đâ't

Năng lượng mặt trời

ịCác hợp chất hữu cơ + C 0 2 — Quang hợp - C 0 2 + H20 -

Lên

men-Cơ thể ĐV, TV, v s v Quá trình chuyển hóa v s v Nhà máy

H ình 23 : Sơ đồ chu chuyển cacbon trong tự nhiên

3.1 Q uá trìn h p h â n giải xen lu lo zơ

Hàng năm có khoảng 30 tỉ tấn chất hữu cơ được cây xanh tổng hợp trên Trái Đất Trong sô này có tới 30% là màng tế bào thực vật mà thành phần chù yếu là xenlulozơ Người ta nhận thấy, xenlulozơ chiếm trên 90% trong bông, 40-50% trong gỗ

3.1.1 Xenlulozơ có cấu tạo dạng sợi

3.1.2 Các loại v s v phân giải xenluloza

Có rất nhiều loại v s v có khả năng phân giải xenlulozơ

- v s v hảo khí :

Niêm vi khuẩn : Cytophaga, Sporocytophaga, Cellulom onas.

Vi khuẩn : các giống Bacllus, giống C lostridium

Xạ khuẩn : Streptomyces.

Nấm mốc : Aspergillus, Pénicillium , Fusarium

- v s v yếm khí :

Vi khuẩn dạ cỏ : giống Rưminococcưs P

- v s v yếm khí sống tự do : Baciluus cellulosae hiđrogeniciis ; Bacillus cellulosae

methaniciis.

- Vi khuẩn ưa nóng : Bacillus cellulosae thermophiciis.

3.1.3 Cơ c h ế của quá trình phán giải

Muốn phân giải được xenlulozơ, các loại v s v phải tiết ra enzvm xenlulaza Enzym xenlulaza là enzym ngoại bào và cơ chế chung cúa quá trình phán giải xenluloza là :

xenlulozơ —» disaccarit —» monosaccarit (glucozơ)

3.2 S ự p h â n giải xila n

3.2.1 Định nghĩa xiỉan

Là một hợp chất hiđratcacbon phân bô' rất rộng trong tự nhiên Xilan chứa nhiểu trong xác thực vật Trong rơm rạ xilan chiếm 15-20%, trong bã mía 30%, trong gỗ thông 7-12%, trong các loại cây lá rộng 20-25%

Xilan là một loại hemixenlulozơ, xilan không giống xenlulozơ về cấu trúc

Về bản chất, phân tứ xilan có cấu tạo bời các đơn vị có gốc ß.D.xilö, liên kết với nhau bằng các dây nối 1-4 glucozit

3.2.2 C ơ chê phân giời

Dưới tác dụng cùa enzym xilanaza ngoại bào xilan sẽ phân giải thành các phần khác nhau : những đoạn dài xilanbiozơ và xilozơ

Một sô xilan có chứa các thành phần bổ sung khác : arabinoza elucozö galactoza, axit glucuronic Công thức chung của xilan là (C5H 80 ) n

v s v phân giải xilan : Nhiều loại v s v có khả năng phân giải xilan Các v s v

có khả năng phân giải xenlulozơ khi sản sinh ra enzym xenluloza thường sinh ra enzym xilanaza Trong đất chua thì nấm là loại v s v đầu tiên tác động vào xilan Trong đất trung tính và kiềm, vi khuẩn và niêm vi khuẩn là nhóm tác động đầu tiên vào xilan Xilanaza thường là enzym cảm ứng (chất cảm ứng là xilan) Cũng

có trường hợp (ví dụ ớ C lostridium ) men này là men cấu trúc.

cù, hạt và trong thân thực vật Trong thực vật, pectin có mặt ở dạng protopectin không tan

3.3.2 Vi sinh vật phân giải pectin

Bacillưs subtiỉis, Bacilỉưs nesentericus, Bacillus macaras, Bacillus polmyxa,

M ucor stolinifer, Fiisarium oxisporum, Botrỵtis cinereum, Clostridium

Dưới tác dụng của enzym pectaza, các gốc metyl sẽ bị loại trừ Rượu metylic

và axit pectic tự do sẽ được hình thành Axit pectic tự do sẽ cho muối, tức là pectal và axit pectic tự do dưới tác dụng của enzym poligalacturonaza (enzym pectinaza) sẽ bị phân giải để cho các axit D.galacturonic

3.3.4 ứ ng dụng

+ Người ta thường sử dụng quá trình v s v phân giải pectin vào việc ngâm

đay, ngâm gai

+ Người ta cũng sử dụng một số v s v phân giải pectin trong quá trình chế biến (làm trong) các nước hoa quả làm nước giải khát

3 4 S ự p h â n giải lignin (liginine)

3.4.1 Định nghĩa lignin

Là một trong những thành phần chủ yếu của tổ chức thực vật Lignin và xenlulozơ tham gia vào thành phần của màng tế bào thực vật Trong xác cây gỗ, lượng lignin có thể chiếm 30-40% chất khô (cây hoà thảo có 20%) Lượng lignin 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, natri bisuníit và H 2S 0 4, thì lignin mới bị phân giải một phần và chuyển sang dạng hòa tan Lignin là một chất trùng hợp, trong đó chứa nhân thơm Đơn vị cấu trúc của nó là dẫn suất cùa phenin - propan Nhân thơm của lignin có một loạt mạch ngang chứa nhóm -OCH3 giữ vai trò rất quan trọng Nhân benzen, napthalen, antraxen furan, piron, indon, piridin và quinolin Công thức tổng quát của lignin là C 18H 3o0 15

3.4.2 Vi sinh vật phán giải lignin

Nấm mốc Basidom ycetes (phá hoại gỗ) có thể chia thành 2 nhóm Một nhóm

có thể chuyển hoá nhanh chóng gỗ thành một khối màu đỏ, chủ yếu là phá huỷ xenlulozơ và hemixenlulozơ, không có tác động lên lignin Một nhóm phân giải

gỗ thành một khối trắng, chúng chủ yếu tác động lên lignin, hầu như khòna làm

phân giải xenlulozơ Các loại nấm tác động lên lignin : P olisitctus versicolor,

Stereum hisutum, Pholiota, Cỉỵtocybe, Leniites, Tram etes.

Nhiều loại vi khuẩn và xạ khuán cũng có khả năng phân giải lignin Các loài

vi khuẩn có hoạt tính phân giải lignin cao thường thuộc về các giỏng

Pseudomonas, Fỉavobacterium , Agrobacterium

3.4.3 C ơ c h ế phản giải lignin

H ình 24 : Sơ đổ cơ c h ế phàn g iả i lignin

3.5 S ự p h â n giải tin h bột

3.5.1 Khái niệm tinh bột

Là chất dự trữ chủ yếu của thực vật Nó phản ứng với iốt tạo thành hợp chất

có màu lam tím Trong tế bào thực vật, tinh bột tổn 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 : amilozơ và amilopectin Amilozơ thường chiếm khoảng 15 - 27% khối lượng tinh bột cùa thực vật Amilozơ là những chuỗi không phàn nhánh được cấu tạo bằng các gốc a.D.glucopirano, liên kết với nhau bằng dây nối 1-4 glucozit Amilozơ tan trong nước nóng Cấu tạo amilozơ có thể trình bày như sau :

c h 2 o h c h 2 o h c h 2 o h

Amilopectin chứa từ 0,1 - 0,8% P2O 5 Đó là một chuỗi phân nhánh cấu tạo bởi các gốc a.D.glucopiranozơ, liên kết với nhau bằng gây nối 1-4 và 1-6 glucozit Amilopectin như một loại xi măng, co giãn được, liên kết các tinh thể amilo với nhau Amilopectin có cấu tạo như sau (m = 25-30) :

C H 2 O H

L

:>-m

3.5.2 Vi sinh vật phân giải tinh bột

Nhiều loại v s v có khả nãng sản sinh men amilaza ngoại hào làm phán giải tinh bột thành các thành phần đơn giản hơn Có thể phân biệt một số loai amilaza sau đây :

a - amilaza : tác động đồng thời lên nhiều dây nối (a-1- 4) kể cả các dây nói bên trong đại phân tử Sản phấm quá trình phân giải này ngoài mantozơ còn có các oligome chứa 3- 4 gốc glucozơ.

ß- amilaza : khác với a - amilaza, ß- amilaza chỉ tác động vào phần ngoài đại phân tử

Amila 1- 6 glucozidaza : phân cách dây nối 1- 6 glucozit ở các chỗ phân nhánh Glucoamilaza : phân giải tinh bột thành gluco và các a - oligosaccarit

Dưới đây là tên một số loại v s v có hoạt tính amilaza cao và có ý nghĩa nhiều trong việc phân giải tinh bột :

Aspergillus cadidus, Asp.niger, Asp.oryzae, B.mesentericus, B.sulitilis có

khả nãng tiết ra a.amilaza

Asp Aw am ori, Asp Oryzae tiết ra enzym ß.amilaza.

Asp A w a m o rii, Asp.niger, Asp.oryzae tiết ra men glucoamilaza.

4 Quá trình tổng hợp vả phân giải các hợp chât chứa nitơ

4 1 V ò ng tuầ n hoàn n itơ trong tự nhiên

Protein cùa các sinh vật(C ơ th ể Đ V , TY V S V ìễ v s v n o 3

n h í (NH3)

H ình 25 ẵ' So đó vòng tuần hoàn nitơ trong tự nhién

C hú t lì ích :

I Quá trình cô định nitơ phân tử

II Quá trinh amôn hoá

III Quá trình nitrat hóa

IV Quá trình phàn nitrat hoá

4 2 Q uá trình am ôn hóa

Quá trình phân huỷ, chuyển hóa các hợp chất hữu cơ dưới tác dụng của v s v

để thành các hợp chất hữu cơ đơn giản hơn là N H4 hoặc N H3 thì được gọi là quá

trình amôn hóa

4.2.1 Quá trình amôn hóa protein

+ Định nghĩa : Dưới tác dụng của v s v , protein được phân giải để cho NH3

gọi là quá trình amôn hoá protein

+ v s v chủ yếu : Có rất nhiều loại v s v có khả năng phân giải protein : vi khuẩn hảo khí, yếm khí, xạ khuẩn, nấm

+ Cơ chế phân giải :

Dưới tác dụng của enzym proteaza, các protein được phân giải thành các hợp chất đơn giản hơn (polipeptit và olizopeptit) Các chất này được tiếp tục phân giải thành axit amin nhờ tác dụng cùa enzym peptidaza ngoại bào Các chất này cũng có thế trực tiếp hấp thụ vào tế bào v s v , sau đó được tiếp tục chuyển hoá thành axit amin Các axit amin này sẽ được sừ dụng một phần vào quá trình sinh tổng hợp protein cùa v s v , một phần được tiếp tục phân giải đê tạo ra N H 3, C02

và nhiều sản phẩm trung gian khác

+ ứng dụng : Quá trình amôn hóa protein thường gặp trong sản xuất và đời sống Nấm được quá trình này chúng ta có thể vận dụng vào các quá trình chê biến và bảo quản nông sản phẩm, đặc biệt là những nông sản quý như : trứng, sữa, thịt hộp, cá hộp Chúng ta cũng vận dụng quá trình này trong chế biến thức

ãn cho người và gia súc

4.2.2 Quá trình amôn hoá urê, axit uric

+ Urê :

Urê là một loại hợp chất hữu cơ đơn giản chứa tới 46,6% N

Urê thường có trong nước tiểu động vật và người Urê có thể điều chế dưới điều kiện áp suất 150-200atm và nhiệt độ 150 - 190°c

N H 3 + C 0 2 t() cao + xúc tác > C 0 ( N H 2)2 (U rê )

Vi khuẩn amôn hoá urê : Planosarcina ureae, M icrococcus ureae,

Sarcina ureac, sarcina hơnsenii, Bacillus pasteurii, Bachesmogenes,

Nhiều loại xạ khuẩn và nấm mốc cũng có khả nãng phân giải urê

Vi khuẩn urê thường thuộc loại hảo khí hoặc kị khí không bắt buộc Chúng phát triển tốt trong môi trường trung tính hoặc hơi kiềm Chúng không sử dụng được cacbon trong urê, urê chỉ được dùng làm nguồn cung cấp nitơ cho chúng Chúng có enzym ureaza làm xúc tác quá trình phân giái urê thành NH3, C 0 2, H20

CO (NH 2)2 + 2H20 -> (NH4)2c o 3(N H 4)2C 0 3 -> 2NH3 + c o 2 + H20+ Axit uric : Là một hợp chất nitơ hữu cơ chứa trong nước tiểu (khoảng0,5g/l) Chúng được phân giải thành urê và axit tactronic Sau đó urê được tiếp

tục phân giải như trên.

4.2.3 Quá trình amôn hoá kitin

Kitin là một hợp chất cao phân tử bền vững Cấu trúc của kitin gần với cấu trúc của xelulo, nhưng trong phân tử cùa các gốc gluco người ta thây gốc hiđroxin ở

nguyên tử c thứ hai được thay thế bằng những gốc amin đã được axetin hoá.

v s v phân giải kitin :

Nhiều loại v s v có khả năng phân giải kitin Đáng chú ý nhất là những loại

thuộc các giống sau : Achromobưcter, Fìavobacterium, Bacillus, Cytopliaga

Pseudomonas, PenicilUum.

Quá trình phân giải kitin được nghiên cứu khá kĩ ờ vi khuẩn Bac

chitinovorum và xạ khuẩn Streptom yces griseus Chúng có khả nãng sinh ra các

enzym ngoại bào : Kitinaza và Kitobioza Kitinaza tác dụng đồng thời lên các

phần khác nhau của phân tử kitin và làm phân giải thành kitobio và kitotrio (một phần N -axetilglucozam in, cũng được sinh ra) Kitotrio sau sẽ được tiếp tục phân giải thành các gốc đơn phân tử (monomer) nhờ xúc tác của enzym kitobioza.

4.3 Q uá trình nitrat hóa

4.3.1 Định nghĩa

Dưới tác dụng của một số loài v s v đặc biệt, N H 3 được hình thành do quá

trình amôn hoá hoặc n h ị ở các loại phân hoá học sẽ được tiếp tục chuyển hoá

thành NC>2 rồi sau đó thành N O J, gọi là quá trình nitrat hoá

4.3.2 Vi sinh vật chủ yếu

Quá trình này chia làm hai giai đoạn khác nhau do hai loại vi khuẩn đảm nhiệm:+ Giai đoạn 1 : Giai đoạn nitrit hoá

Vi khuẩn tham gia vào giai đoạn chuyển hoá N H 3 thành NO~ thuộc về 4

giống khác : N itrosom onas, Nitrocystis, N itrosolobus, N itrosospira.

Quá trình nitrit hoá được trình bày theo phương trình sau :

NH 3 + 3 / 2 0 2 —> N O ' + H 20 + 2H + năng lượng

Enzym xúc tác cho quá trình oxi hoá này là enzym thông thường của quá trình hô hấp hảo khí.

+ Giai đoạn 2 : Giai đoạn nitrat hoá

Vi khuẩn tham gia vào giai đoạn này gồm các giống sau :

Nitrobacter, N itrospira, Nitrococcus.

Cơ chế của quá trình được biểu thị bằng phương trình sau :

N O ’ + 3 / 2 0 2 —» NO~ + H20 + 2H + năng lượng

Vi khuẩn nitrat hóa thuộc loại tự dưỡng hóa năng.

Ngoài quá trình nitrat hóa do v s v tự dưỡng hoá năng còn có quá trình nitrat

hoá do nhiều loại v s v tự dưỡng Chúng không có khả năng đồng hoá C 0 2 trong không khí nhưng có khả năng chuyển hoá N H 3 thành nitrit rồi thành NOJ

Nhóm v s v dị dưỡng gồm nhiều loại vi khuẩn và xạ khuẩn thuộc các giông

(chi) Alcaligenes, Anthrobacter, Corynebacterium, Achromobacter, Pseudomonas.

Ngoài việc nitrat hoá các chất NH 3 hay N H 4 , nhiều loại trong số các v s v dị

dưỡng nói trên còn có thể tiến hành quá trình N O3 hoá đối với nhiều hợp chất chứa nitơ khác (amit, amin, oxim , hiđroxamat ).

4.3.3 Tác hại của quá trình nitrat hóa

+ NO3 dễ bị rửa trôi

+ NOJ làm chua đất

+ NOJ là nguồn N của vi khuẩn phản nitrat hoá làm cho đất mất N

+ NO2 , NOJ độc đối với cây.

4 4 Q uá trìn h p h ả n nitrat hoá

4.4.1 Định nghĩa

N O J trong tự nhiên dưới tác dụng của một số v s v đặc biệt sẽ được chuyển hoá thành N 2 gọi là quá trình phản nitrat hoá

4.4.2 Vi sinh vật

Pseudom onas denitrificans, Ps.aeruginosa, Ps.stutzeri, Ps.fluorescens.

Một số loại vi khuẩn tự dưỡng hóa năng cũng có khả năng thực hiện quá

trình này như : Thiobacillus denitrificans, H iđrogenom onas agilis.

Vi khuẩn phản N O 3 là nhóm vi khuẩn phân bô' rộng rãi trong tự nhiên Chúng thường là vi khuẩn yếm khí tuỳ tiện Trong điều kiện có oxi nó có thể dùng oxi của

không khí; trong điều kiện không có oxi của không khí nó dùng oxi của N O3

Chúng có thể sản sinh enzym N O J reductaza hoặc NO? reductaza Vi khuẩn phản nitrat thường hoạt động mạnh trong môi trường trung tính hay hơi kiềm

H N O 3 — > h n o 2 — - H - > N H 2O H — > N H 3

Quá trình phản NO3 khử NO3 đến N2 như sau :

NO3 -> NO2 -> N O -> N20 -> N2

Từ 3 quá trình trên cho ta thấy thực tế ở đây có hai vấn đề cần chú ý :

+ Amôn hoá nitrat (đất không mất N).

+ Quá trình phản nitrat (đất mất N).

Amôn hóa nitrat :

Trong điều kiện có chất hưu cơ, vì không có oxi, v s v phản nitrat có thể tiến hành như sau :

+ 4 N O 3 —> 6 H 2 O + 6 C O 2 + 2 N 2

Thiobacillus denitriỷicans là v s v dinh dưỡng hoá năng, oxi hoá phân tử s

lấy năng lượng để tiến hành quá trình tổng hợp chất hữu cơ cùa cơ thể Trong điều kiện không có oxi, nó dùng oxi của NO3 để oxi hoá s, khử NO3 đế có N2 'ế

5S + 6K N O 3 + 2 C a C 0 3 -> 3K2S 0 4 + 2CaSC>4 + 2 C 0 2 + 3N2

Cơ chế vận chuyển electron của các loại vi khuẩn phản NO3 giống nhau.

4 ế5 Quá trìn h cô đ ịn h N2

(Xe m p h ầ n ché phátn v s v d ù n g trong nô n g nghiệp)

5 Tác dụng của vi sinh vật chuyển hoá lưu huỳnh trong tự nhiên

5.1 C hu trình tu ầ n hoàn lưu h u ỳn h

Vòng tuần hoàn s và N có nhiều điếm giống nhau :

+ Trong đất, N và s ớ dạng hữu cơ là chù yếu cho nên cây trổng khỏna đổng hoá được Muốn đổng hoá phải được vô cơ hoá

+ Quá trình SO42 hoá gần giống quá trình NO3 hoá

+ Quá trình suníat hoá (hay còn gọi là quá trình vô cơ hoá s hữu cơ)

ất giông quá trình amồn hoá Quá trình khử SOỊ2 rất giống quá trình phản

5.3.2 Cơ c h ế

cystein

CH2 - s - s o 2 - CH2 — ► CH2 -C O O H -—► c h2 - s o 2o h

CH - N H2 CH - NH2 CH - NH2 CH - N H2

D isunfoxidecystin A xit cystein A xit cysteic

5.4 Điều kiện ngoại cảnh ảnh hưởng đến quá trình phán giải lưu huỳnh hữu cơ

Độ ẩm 40 - 60 % ; Nhiệt độ < 10°c xảy ra yếu, thường ở 25 - 3 5 °c.

Sự khoáng hóa s trong chất hữu cơ phụ thuộc vào tỉ lệ c / s của nó

Tỉ lệ này thường thay đổi từ 100 - 300 Điều này tuỳ thuộc bản chất hợp chất cacbon nghiên cứu Đối với phân chuồng và rơm rạ ủ, tỉ lệ c / s là 112

5.5 Quá trình oxi hoá hợp chất lưu huỳnh vô cơ

Trong tự nhiên có một số nhóm v s v có thể oxi hoá hợp chất lưu huỳnh vô

cơ Thường có 4 nhóm v s v :

+ v s v hoá năng dinh dưỡng - giống Thiobacillus.

+ v s v hoá nãng hữu cơ dinh dưỡng (dị dưỡng).

+ v s v hoá năng dinh dưỡng thuộc họ Beggiatoaces.

+ v s v hoá năng dinh dưỡng : Chlorobacteriacees và Thiorhodacees.

Trong đất có hai nhóm trên có tác dụng chủ yếu Hai nhóm sau thường ở nước.

v s v oxi hoá lưu huỳnh : Thiobacillưs thioparus, T denitrificans, T thioxidans,

Gần giống T.thioparus , Tỉúobacillus denitri/icans ưa trung tính, yếm khí tuỳ

tiện, có thể khử N O3 thành N 2, oxi hoá s thành s o ^ 2

5S + 6K N O 3 + 2H20 -> 3K2S 0 4 + 2H2S 0 4 + 3N2 (5)

5Na2S20 3 + 8 N a N 0 3 + H20 -» 9Na2S 0 4 + H 2S 0 4 + 4N2 (6 )

+ T / erroxidans: Thích hợp môi trường chua Nó oxi hoá s, thiosunfat theo

phương trình (1), (2) pH tối thích gần 3,0 Nó có thể oxi hoá Fe+ và từ quá trình oxi hoá lấy nãng lượng cho quá trình sống của mình

12FeS04 + 3 0 2 + 6H 20 -» 4F e(S 04)3 + 4Fe(O H)3

Khi có cả s và Fe ở dạng khử, ví dụ Chacopirit (CuFeS2), thì T./errooxidans

có thể đổng thời oxi hoá s và Fe một cách độc lập

Các vi khuẩn, giống Thiobacitìus có thể oxi hoá theo sơ đổ sau :

s —> S2O3“ —> S4Ơg2 —> — > SO32 —> S04^

+ Giống Beggiatoa : đây là giống có ở khắp nơi, nhất là những nơi có H2S

Beggiatoa lấy nãng lượng từ quá trình oxi hoá H2S H2S đầu tiên được oxi hoá

thành s s được tích luỹ thành hạt trong tế bào

Những vi khuẩn này sử dụng H2S làm chất cho electron để cho quá trình

tổng hợp chất hữu cơ của cơ thể và nguồn cacbon ở đây là C 0 2 :

v s v sunfua quang hợp không chỉ tham gia vào quá trình tuần hoàn s mà còn

có thể tham gia vào quá trình tuần hoàn nitơ vì chúng có khả năng cố định nitơ

Chlorobacteriacees : Hình que hoặc hình cầu có màu xanh nhạt Giống Chlorobiiưn

thuộc loại này

Thiorhodacees : Có thể hình cầu lớn, xoắn và hình nấm men Nói chung,

chúng lớn hơn các vi khuẩn Trong tế bào đầy hạt s, có màu đỏ Những giống

chính là Choromatium, Thiocystis, Lam procystis, Thiosprittum

4.6 Đ iểu kiện ngoại cảnh ảnh hưởng đến quá trìn h o xi hoá s

Đất bão hoà nước ỉàm giảm quá trình oxi hoá sinh học s

Nhiệt độ : 4 ° c - 2 3°c.

Độ pH : 5,2 đến 6,4 - 7,5

4.7 Tác d ụ n g của quá trình oxi hóa s

+ ThiobaciHus có thể oxi hoá lưu huỳnh thành SOỊ2 Môi trường trở nên

chua Do đó có thể trung hoà một phần những chất kiềm, tăng cường cấu trúc đất

+ H2S 0 4 được hình thành trong quá trình oxi hoá s sẽ làm tăng độ tan của muối Ca3( P 0 4)2 khó tan, cung cấp photphat monocanxi cho cây (cây đóng hoá

P O Ị 3 )

+ Quá trình oxi hoá lưu huỳnh làm tăng độ chua của đất, từ đó một số nguyên tố từ khó tan thành dễ tan, ví dụ Mn : M n+4 hoá trị 4 chuyển thành Mn+2, cây trồng có thê đồng hoá được

+ Quá trình khử các hợp chất lưu huvnh vô cơ (phản sunfat hoá)

168

Một số v s v yếm khí có khả nâng khử S042 Chúng được gọi là v s v khử

SO42 Quá trình khử s o Ị 2 thành H2S không phải chỉ do v s v khử SOỊ2 hoá mà

còn do các v s v khác.

5.7.7 v s v khử SO42

+ Giống D esulfovibro, gồm 5 loại : Desulfovibro desulfui'icans, D vulgaris,

D salexigens, D gigas, D africans.

+ Giống D esulfotom aculum , gồm 3 loại : D esidfotom aculum nigrificans,

D orientis, D ruminis Tất cả đều ưa trung tính Tuy nhiên, chúng có thể hoạt

động từ pH = 5,5 - 9,0 Có thể sống ờ nồng độ 2,5g H2S/ lít

5.7.2 Vi khuẩn kh ử SO42 đều là yếm khí: Khử SOỊ2 thành H 2S.

Quá trình khử SO42 có thể tiến hành như sau : Sử dụng chất hữu cơ làm chất cho electron

DH2 -> o + 2H + 2e 2H+ + 2e + 1/2 SO; 2 -> 1/2 s~2 + H20 (2)

Trong những sinh cảnh mà chất hữu cơ ít, một số v s v khử S0 42 có thể

dùng H 2 như nguồn nãng lượng và electron Phản ứng có thể :

Do hoạt động của v s v và do quá trình hô hấp của cây trồng, môi trường có H2C 0 3 Trong trường hợp H2C 0 3 tác dụng với NaOH hoặc C a(O H )2 sẽ cho ta bicacbonat và cacbonat :

6 Quá trình chuyển hóa photpho

6.1 Các dạng ph o tp h o (lán) và vòng tuần hoàn của p h o tp h o

Lân (photpho) là một trong những yếu tố quan trọng đối với cáy trồng Lân

dễ tiêu trong đất thường không đáp ứng được nhu cầu của cây, nhất là những cây trồng có nãng suất cao Bón phân lân và tãng cường độ hòa tan các dạng lân khó tiêu là biện pháp quan trọng trong sản xuất NN Bón phân hữu cơ, vùi xác động

vật vào đất ở mức độ nhất định là biện pháp tăng hàm lượng lân cho đất.

6.1.1 Lân hữu cơ

Lân hữu cơ có trong cơ thể động vật, thực vật, v s v thường gặp ở các hợp chất chủ yếu như phytin, photpholipit, axit nucleic Trong không bào người ta còn thấy lân vô cơ ớ dạng orthophotphat làm nhiệm vụ đệm và chất dự trữ Cây trổng, v s v không thể trực tiếp đồng hoá lân hữu cơ Muốn đồng hoá chúng phải được chuyển

hoá thành dạng muôi cùa H3PO4.

6.1.2 Lân vô cơ

Lân vỏ cơ thường ờ trong các dạng khoáng như apatit, photphoric, photphat sắt photphat nhôm Muốn cây trồng sử dụng được phải qua chế biến, biến chúne thành dạng dễ tan

170

Cũng như các yếu tố khác, p luôn luôn tuần hoàn chuyển hoá Nhờ v s v , lân hữu cơ được vô cơ hoá biến thành muối của axit photphoric Các dạng lân này một phần được sử dụng, biến thành lân hữu cơ, một phần bị cố định dưới dạng lân khó tan như Ca3(P0 2)2, F e P 0 4, AIPO4 Những dạng khó tan này trong những môi trường có pH thích hợp sẽ chuyển hoá và biến thành dạng dễ tan v s v giũ vai trò quan trọng trong quá trình này.

6.1.3 Vỏng tuần hoàn photpho trong tự nhiên

H ình 27 Ế Vòng tuần hoàn photpho trong tự nhiên

6.2 T h í n ghiệm

Từ năm 1900 đã có nhiều nhà khoa học nghiên cứu vấn đề này J Stoklasa

dùng đất đã tiệt trùng bón bột apatit và cấy vi khuẩn Ông dùng Basil!Its

megatherium, Bac m ycoides, Bacillus butyricưs Sau khi cấy vi khuẩn và bón

cho lúa mạch thấy có tãng năng suất

Các chất dinh dưỡng khác đều ở dạng hòa tan Còn p thì ờ dạng không tan như photphat bicanxi hay Ca3(P0 4)2.

Thí nghiệm theo 2 công thức :

(1) Tiệt trùng các chậu sau đó gieo hạt với 1% đất không tiệt trùng

(2) Tiệt trùng các chậu và gieo hạt

ở công thức (1) cây đồng hoá p mạnh và cây phát triển tốt hơn Điều đó chứng tỏ rằng ở đây có sự tác động v s v trong quá trình phân giải các hợp chất lân khó tan

Nhiều vi khuẩn như Pseudom onas flu o rescen s, vi khuẩn nitrat hoá, một số vi

khuấn hệ rễ, nấm, xạ khuẩn, cũng có khả năng phân giải Ca3( P 0 4)2 và bột apatit.Ngoài ra trong quá trình lên men butyric, lên men lactic, quá trình lên men giấm, trong phân chuồng cũng có thể xúc tiến quá trình hoà tan Ca3( P 0 4)2 Vi khuẩn vùng rễ phân giải Ca3(P0 4)2 mạnh

Ở hệ rễ lúa mì thường có 30% vi khuẩn có khả năng phân giải Ca3( P 0 4)2 và lượng lân phân giải so với đối chứng (không có VSV) tăng 6 - 1 8 lần

v s v phân giải :

Vi khuẩn phân giải những hợp chất lân vô cơ khó tan thường gặp các giống :

Pseudomonas, Alcaligenes, Achrom obacter, Agrobacteriưm , Aerobacter, Brevibacterium, M icrococcus, F la vo b a c te riu m

Bên cạnh các vi khuẩn, xạ khuẩn còn có nấm cũng có tác dụng trong quá

trình hoà tan hợp chất lân khó tan : Pénicillium, Aspergiỉlus, Rhizopus, Sclerotium.

6.3 C ơ chê hòa tan p h otp ho

Đại đa số nghiên cứu đều cho rằng sự phân giải Ca3(P0 4)2 có liên quan mật thiết với sự sản sinh axit trong quá trình sống của v s v Trong đó axit cacbonic rất quan trọng Chính H 2C 0 3 làm cho Ca3( P 0 4)2 phân giải

Quá trình phân giải photpho được biểu diễn bằng phương trình sau :

Ca3( P 0 4)2 + 4H 20 + 4 C 0 2 -> 2 C a (H C 0 3)2 + Ca(H2P 0 4)2

Trong đãt, vi khuẩn nitrat hóa và vi khuẩn chuyển hoá s cũng có tác dụng quan trọng trong việc phân giải Ca3(P0 4)2

Quá trình hoà tan các hợp chất lân khó tan có thể theo cơ chế : Lân khó tan

được tạm thời đồng hoá bới v s v , sau đó lân được giải phóng khỏi v s v dưới

dạng dễ tiêu, mà cày trồng có thể đồng hóa được

172

6.4 Đ iều kiện ngoại cảnh

+ Độ p H : Nhìn chung pH ảnh hưởng không nhiều đến v s v phân giải lân Tuy nhiên ở pH 7,8 - 7,9 ảnh hưởng tốt đến sự phát triển của hệ v s v phân giải p

+ Độ ẩm : Ở những nơi ngập nước, hàm lượng axit hữu cơ cao (do hoạt động

của VSV), làm tãng quá trình phân giải lân hữu cơ khó tan

+ Hợp chất hữu cơ : Hàm lượng chất hữu cơ mùn hoá không ảnh hưởng đến

quá trình phân giải lân Hợp chất hữu cơ tươi làm tãng sự sinh trướng của hộ

v s v , từ đấy dẫn đến sự tăng quá trình hoà tan hợp chất lân khó tan

+ Hệ r ễ : Hệ rễ cây trồng kích thích sự sinh trường, phát triển củaVSV

Do đó, sự phân giải hợp chất lân khó tan cũng được tăng cường

6.5 S ự ch u yên hoá lán hữ u cơ

6.5.1 Các dạng lân hữu cơ thường ạặp trong đất

Trong đất các dạng lân hữu cơ thường gặp là : phytin, axit nucleic, nucleoprotein, photpholipit

a ) Phytin và các chất họ hàng

Phytin là muôi Ca và Mg của axit phytic Trong đất những chất có họ hàng với phytin là inositol, inositolmonophotphat, inositoltriphotphat Tất cả đều có nguồn gốc thực vật Phytin và những chất có cùng họ hàng chiếm trung bình từ 40% - 80% photpho hữu cơ trong đất

b) A xit nucleic và m icleoprotein

Những axit nucleic và nucleoprotein trong đất đều có nguồn gốc thực vật hoặc động vật và nhất là v s v Hàm lượng của chúng trong đất khoảng < 10%

c) Photphoìipit

Sự kết hợp giữa lipit và photphat không nhiều trong đất

6 6 Vi sinh vật

Giống Basilius : B megaterium, B subtiìis, B malơberensis.

B megaterium không những có khả nãng phân giải hợp chất lân vô cơ

mà còn có khả năne phàn giải hợp chất làn hữu cơ Người ta còn dùng

B megưterium làm phân v s v

Ngoài ra còn các giống Serratia, Proteus, Arthrobscter.

Nấm : Aspergillus, Pénicillium , Rhizopus, Cunnighamella.

Xạ khuẩn : Streptomyces.

6.7 C ơ ché p h á n giải

Nhiều v s v đất có men dephotphorylaza phân giái phytin theo phản ứng sau :

Nucleoprotit —» axit nucleic —> nucleotit —> H 3PO4

có muối Fe++ hoặc muối của Mn

v s v : Gallionella, Leptothrix, Sphaerotillus, C renothrix, Thiobacillus và Ferrobaciỉlus Trong những v s v trên có thể phân biệt :

a) vsv dinh dưỡng hóa năng : Gallionellaýerntginea, Thiobacillus/errooxodans,

V errobaciìlusỷerroxidans Chúng lấy năng lượng theo phản ứng sau :

Fe+t + H+ 1/2H:° » Fe+++ + 1/2H20

174

Năng lượng có được do phản ứng trên không là bao, những vi khuẩn oxi hoá Fe++ muốn có năng lượng phải oxi hóa một lượng lớn Fe++.

Ferrobacillus ferro xid ans có thể oxi hoá Fe++ ờ một pH rất axit (2,0 - 6,5) Ferrobacillus f e n oxidans , giống Thiobaciỉlus ferrooxodans.

b) Vi sinh vật có khả năng dinh dưỡng không bắt buộc :

Leptothrix ochracc và những v s v hoá nãng dinh dưỡng không bắt buộc có

thể đùng năng lượng từ oxi hoá Fe cũng như năng lượng oxi hoá một số hợp chất hữu cơ

Những vi khuẩn oxi hoá Fe++ thành Fe+++ là những vi khuẩn sống ở nước, là những v s v đáng chú ý vì chúng là nguyên nhân làm lắng đọng sắt trong những ống dẫn nước tưới trên đồng ruộng

v s v chuyển hoá Fe++ cũng có trong đất (Molezie, 1962) Ví dụ giống

Sphaerotilus dã được phân lập trong đất podzol được tưới nước.

7.2 K h ử sắt ự er-ferriq u e) và hòa tan sắt

7.2.1 Sự kh ử sinh học gián tiếp

Đây là quá trình khử Fe+++ được thực hiện nhờ những hợp chất hữu cơ do

v s v tổng hợp được Trong đất quá trình này thường không rõ

7.2.2 Sự khử sinh học trực tiếp

Trong thí nghiệm có vi khuẩn, sô' lượng hiđroxit sắt bị khử nhiều hơn gấp 5 lần so với thí nghiệm không có vi khuẩn Sự sinh trưởng, phát triển của vi khuẩn

tỉ lệ với lượng Fe+++ được khử thành Fe

Như vậy có một sự liên quan chặt giữa sự khử Fe+++ và sự chuyên hóa các chất cùa v s v Trong đất quá trình khử sinh học trực tiếp thường là quá trình chú yếu

7.2.3 Hoà tan gián tiếp sắt

Những vi khuẩn nitrat hoá và sunfat hóa tích luỹ trong m ôi trường H NO3,

H2S 0 4 làm cho môi trường trở nên chua giúp cho quá trình hoà tan hợp chất sắt Hoạt động của v s v tích luỹ C 0 2 cũng có khả năng hoà tan sắt theo phương trình sau (Mandai, 1961) :

tan

8 Chuyển hoá kali của vi sinh vật trong đất

8.1 Các dạng kali trong đất

8.1.1 Dạng vô cơ

Trong đất dạng vô cơ của K+ có những dạng sau :

+ lon K + trong dung dịch đ ấ t ;

+ lon K + hấp thụ trên mặt ngoài bề mặt các bản mỏng phyllosilicat có thể trao đổi ;

+ lon K + không trao đổi nằm trên bề mặt trong các bản mỏng phyllosilicat;+ lon K + nằm trong cấu trúc một số khoáng sản như muscovit, biotit, fenspat, allit

8.1.2 Dạng hữu cơ

Dạng K + hữu cơ thường gặp trong đất như sau : K trong các tàn dư thực vật Một phần lớn K+ ớ dạng hoà tan trong nước (Chaminade, 1955), gần 1/3 số còn lại có thể trở thành hoà tan dưới tác dụng khoáng hoá sinh học

8.2 S ự hoà tan K trong đất

K+ có thể chuyển hoá theo hai quá trình sinh học sau :

+ Sự biến đổi sinh học của những khoáng chất K ;

+ Sự chuyển hoá dưới 2 dạng K+ không trao đổi và K+ trao đổi

8.3 S ự biến đổi sinh học n h ữ n g kh o á n g chứa K

Nhiều khoáng chất trong đất có thể bị biến đổi dưới tác dụng của những sản phẩm trao đổi chất cùa v s v và giải phóng ra K Ví dụ : biotit, muscovit, glauconit, microlin, nephenil, leucit, orthioclaz v.v

a) Vi sinh vậíẻ v s v có tác dụng biến đổi các chất khoáng có chứa K để giải

phóng lO là : Baciìlus mucilaginosus var siliceus thuộc những vi khuấn có khả

nãng hoà tan một số silicat (kali silicat)

Bac muciginoseus là vi khuẩn ưa nước (oligonitrophile).

Theo Kulai (1962), vi khuẩn phân giải silicat có vai trò quan trọng trong dinh dưỡng K của cây trồng như cày thông

Nấm có khả nãng phân giải silicat để cho K, nhưng không nhiều, ví dụ nấm

Aspergillus niger.

b) C ơ c h ế phân giải

v s v trong quá trình sống của mình sản sinh một số axit như H 2C 0 3, HNO 3,

H2S 0 4 hay axit hữu cơ Các axit này giúp cho quá trình hòa tan silicat và giải phóng K + cho cây trồng

8.4 S ự ch u yển hóa cán bằng giữáịK+ /tra o đổi v ă K +)cố định

Cân bằng K + không trao đổi <=± K + trao đổi có thê chuyển dịch theo hướng khi yêu cầu về K+ trao đổi tăng lên do hoạt động của v s v (sự cố định) K + đưa vào trong tế bào v s v sau này có thể được giải phóng khi những tế bào này bị phân giải và từ đấy K + có thể cung cấp cho cây trổng

Tóm lại ; / ị ớ t r o n g tàn dư thực vật một phần lớn tan trong nước, cây trồng có

thể trực tiếp đồng hóa Vai trò v s v ở đây là chúng tiếp tục phân giải phần chưa hòa tan còn lại của tàn dư thực vật và tiếp tục giải phóng K + cho cây trồng

Bên cạnh đó, trong những trường hợp nhất định v s v có thể cố định K+ trong

tế bào của mình và ờ đây, trong mức độ nhất định có sự tranh chấp tạm thời về K

giữa v s v và cây trổng Khi v s v chết đi, K trong tế bào được giải phóng cho

cây trồng

9 Ch uyên hóa m angan của vi sinh vật

9.1 Các dạ n g M n tro n g đất

Trong đất, Mn có ở 3 dạng sau :

9.1.1 Dạng có th ể trao đổi được : M n++ hấp thụ trong các keo đất có khả

nãng tham gia các quá trình trao đổi như các cation khác

9.7.2 Dạng không tan : Dạng không tan là : M n 0 2, M n20 3 , M n 20 4.

9.1.3 D ạnẹ phức hợp trong cơ th ể thực vật hoặc VSV:

Những hợp chất phức hợp này có thể là các hợp chất mùn, hoặc các hợp chất đơn giản hơn Ví dụ các dẫn xuất phenol hay các axit béo

Cây trồng đồng hoá Mn dưới dạng Mn++ và dưới dạng oxi hoá nhiều hơn như Mn20 4 hoặc có thê ở dạng phức hợp Những dạng khó hoà tan cây không sử dụng được và nếu hàm lượng Mn trong đất cao sẽ gây độc cho cây

Trong đất tỉ lệ Mn và Mn phụ thuộc quá trình hoá học hay sinh học Hai quá trình này cùng tồn tại và thế hiện khác nhau tuỳ trường hợp

Khi pH cao hơn 8,0 hoặc nhỏ hơn 5,5 thì quá trình hoá học được diễn ra như sau :

M n+2 + HoO < pH,=8’° > M n ơ 2 + 4H + + 2e

pH dưới 5,5 dạng M n+2 là chù yếu ; pH trên 8,0 dạng M n+4 là chù yếu ; pH trong khoảng 5,5 đến 8,0 quá trình sinh học chiếm ưu thế và chi phối quá trình oxi hóa Mn trong đất

9.2 O xi hóa sinh học M n trong đất

9.2.1 Vi sinh vật

Vi khuẩn : Aerobơcter, Bacilỉus, Corynebacterium, Pseudomonas, Sphaerotilis,

Hyphomicrobium.

Nấm mốc : Curvalaria, Perconia, C ephalosporium , Heỉminthosporium,

cla dosp o riu m , co n io th yriu m

Xạ khuẩn : Nocardia, Streptomyces.

9.3 C ơ ché quá trình oxi hóa sinh học M n

Oxi hóa M n+~ do sự sản sinh hiđroxit thành môi trường kiềm hay kiềm hoá

môi trường chứa hiđroxit

Người ta đã chứng minh rằng ớ môi trường kiềm, hiđroxiaxit axit xitic, tatric, lactic, malic, gluconic, Mn dạng khử oxi hoá theo quá trình hoá học Những điều kiện này thuận lợi cho quá trình tự oxi hoá Mn theo quá trình hóa học Có thể ở 2 dạng sau :

+ v s v tổng hợp nên những hiđroxit từ các hiđroxitcacbon thành mỏi trường kiềm ;

+ v s v làm kiềm môi trường trước đó đã có hiđroxiaxit ;

+ Oxi hóa M n+2 do enzym peroxiaza

Trong đất v s v có thể sản sinh ra H 20 2 do enzym peroxiaza HtO-) có thể oxi hoá Mn

9.4 Đ iều kiện ngoại cảnh

+ Độ pH : từ 6,0 đến 7,5.

+ Hệ rễ : Hệ rễ cây trồng kích thích quá trình oxi hoá Mn Quá trình oxi hóa này dẫn đến sự giảm bớt quá trình dồng hoá Mn cúa câv

9.5 K h ử sin h học M n

Ngoài quá trình oxi hóa hóa học và oxi hóa sinh học, trong đất còn có quá trình khử Mn sinh học Quá trình có thể tiến hành theo 3 hướng :

+ Khử trực tiếp : Trong điều kiện yếm khí có sự hiện diện của hợp chất hữu

cơ có thể đồng hóa được M n+2 đảm nhận vai trò chất nhận electron :

DH2 + M n+2 -> M n(OH)2 + D+ Khử gián tiếp do quá trình oxi hóa : Trong điều kiện axit, Mn có xu hướng khử Quá trình nitrat hoá hay SO42 hoá, môi trường trở nên chua, Mn có xu hướng khử

+ Khử trực tiếp song song với quá trình khử gián tiếp

IIẾ C H Ê P H Ẩ M VI SINH V Ậ T D Ù N G T R O N G N Ô N G , L Â M N G H IỆ P

Chẻ phẩm v s v cô định nitơ phân tử

1 K hái niệm c h u n g về quá trình cô định nitơ p h â n tử

Nitơ là nguyên tố dinh dưỡng quan trọng không thể thiếu được không chỉ đối với cây trồng, mà ngay cả đối với v s v Nguồn dự trữ nitơ trong tự nhiên rất lớn, chỉ tính riêng trong không khí nitơ chiếm khoảng 78,16% thể tích của không khí Người ta ước tính rằng trong bầu không khí bao trùm lên lh a đất đai chứa khoảng 8 triệu tấn nitơ, lượng nitơ này có thể cung cấp dinh dưỡng cho cây trồng hàng chục triệu năm (nếu như cây trồng đồng hoá được chúng)

Trong cơ thể các loại sinh vật trên Trái Đất chứa khoảng 10 - 2 5 109 tấn nitơ Trong các vật trầm tích chứa khoảng 4.1015 tỉ tấn nitơ Nhưng tất cả nguồn nitơ trên, cây trồng đều không tự đồng hoá được, mà phải nhờ v s v Thông qua hoạt động sống cúa các loài v s v , nitơ nằm trong các dạng khác nhau được chuyển hóa thành dễ tiêu cho cây trồng sử dụng

Hàng năm cây trổng lấy đi từ đất hàng trăm triệu tấn nitơ Bằng cách bón phân, con người trả lại cho đất được khoảng > 40%, lượng thiếu hụt còn lại cơ bản được bổ sung bằng nitơ do hoạt động sống của v s v Vì vậy việc nghiên cứu,

sử dụng nguồn đạm sinh học này được xem là một giải pháp quan trọng trong nông nghiệp, đặc biệt trong sự phát triển nền nông nghiệp bền vững của thế kỉ XXI này

Quá trình cô' định nitơ phân tử là quá trình đồng hoá nitơ cùa không khí thành đạm amôn dưới tác dụng của một s ố nhóm v s v có hoạt tính nitrogenaza.

Bản chất cúa quá trình cố định nitơ phân tử được hai nhà bác học là Hellrigel

và Uynfac tìm ra năm 1886, gồm 2 nhóm v s v tham gia

1.1 Q uá trình cô đ ịn h n itơ p h ả n tử n h ờ vi sinh vật số n g tự do và hội sinh

Là quá trình đồng hoá nitơ của không khí dưới tác dụng của các chùng giống

v s v sống tự do hoặc hội sinh, có sự tham gia của hoạt tính nitrogenaza.

Thuộc vể nhóm này có tới hàng nghìn chủng v s v khác nhau, trong đó phải

Vi khuẩn Azotobacter thích ứng ớ pH = 7,2 - 8,2, ớ nhiệt độ 28 - 30°c, độ

ẩm 40 - 60% Azotobacter đồng hoá tốt các loại đường đơn và đường kép, cứ tiêu tốn 1 gam đường glucozơ, nó có khả nãng đồng hoá được 8 - 18mg N Ngoài ra Azotobacter còn có khả năng tiết ra một số vitamin thuộc nhóm B như Bị, Bộ một số axit hữu cơ như : axit nicotinic, axit pantotenic, biotin, auxin Các loại chất kháng sinh thuộc nhóm Anixomyxin

Thuộc về giống Azotobacter có rất nhiều loài khác nhau : Azotobucter

chrococcum ; Azotobacter acidum ; Azotobacter araxii ; Az gra cias

Vi khuẩn Beijerinskii có khả năng đồng hoá tốt các loại đường đơn đường kép, cứ tiêu tôn 1 gam đường glucozơ nó có khả năng cố định được 5 - lOmg N

Khác với vi khuẩn Azotobacter, vi khuẩn Beijerinskii có tính chống chịu cao với axit, nó có thể phát triển ở môi trường pH = 3, nhưng vẫn phát triển ở pH

trung tính hoặc kiểm yếu, vi khuẩn Beijerinskii thích hợp ở độ ẩm 70 - 80 % và nhiệt

độ 25 - 2 8°c Vi khuẩn Beijerinskii phân bố rộng trong tự nhiên, nhất là ớ vùng nhiệt đới và á nhiệt đới

1.1.3 Vi khuẩn C lostridium

Năm 1939 nhà bác học người Nga Vinogratxkii đã phân lập tuyển chọn được một giống vi khuẩn yếm khí, có khả năng cố định nitơ phân tử cao, ông đặt tên cho vi khuẩn này là vi khuẩn Clostridium Đây là trực khuẩn Gram dương, sinh bào tử, khi sinh bào tử nó kéo méo tế bào Kích thước tế bào dao động 0,7 - 1,3 X 2,5 - 7,5|im, khuẩn lạc thuộc nhóm s, màu trắng đục, lồi, nhày Vi khuẩn Clostridium ít mẫn cảm với môi trường, nhất lắ môi trường thừa p, K, Ca và có tính ổn định với pH Nó có thể phát triển ở pH = 4,5 - 9,0, độ ẩm thích hợp 60 -

80 %, nhiệt độ 25 - 30°c Vi khuẩn Clostridium đồng hoá tốt tất cả các nguồn thức ãn nitơ vô cơ và hữu cơ, cứ cho nó 1 gam đường glucozơ, thì nó đồng hoá được 5 - 12mg N

Vi khuẩn Clostridium có nhiều loài khác nhau : Clostridium butyrium ;

C lostridium beijerinskii ; Clostridium pectinovonim ; C lostridium gracias

1.2 Q uá trìn h cô đ ịn h n itơ p h â n tử cộng sinh

Lù quá trình đồng hóa nitơ của không khí dưới tác dụng của các loài v s v cộng sinli với cây họ Đậu có hoạt tính nitrogenaza.

Mối quan hệ đặc biệt này được gọi là mối quan hệ cộng sinh, trong tự nhiên thường gặp nhiều môi quan hệ cộng sinh khác nhau như : mối cộng sinh giữa nấm và tảo (Địa y) ; mối quan hệ giữa vi khuẩn nốt sần với cây họ Đậu

Nãm 1886, Hellriegel và Uynfac đã khám phá ra bản chất của quá trình cô' định nitơ phân tử Họ đã chứng minh được khả năng của cây họ Đậu lấy được nitơ khí quyển là nhờ vi khuẩn nốt sần (VKNS) sống ở vùng rễ cây họ Đậu Họ

đặt tên cho loài v s v này là Bacillus radicicola Năm 1889, Pramovskii đã đổi tên v s v này là B acterium radicicola Cuối năm 1889 Frank đề nghị đổi tên là

Rhizobium

Vi khuẩn Rhizobium ỉà loại Irực khuẩn Gram âm, không sinh nha bào, hảo khí Kích thước tế bào dao động 0,5 -1,2 X 2,0-3,5|am, khuẩn lạc thuộc nhóm s

nhày, lồi, màu trắng trong hoặc trắng đục, kích thước khuẩn lạc dao động 2,3 - 4,5mm sau một tuần nuôi trên môi trường thạch bằng Vi khuẩn Rhizobium có tiên mao có khả năng di động, chúng thích hợp ờ pH = 6,5 - 7,5, nhiệt độ 25 - 28°c, độ ẩm 50 - 70% Khi già có một số loài tạo được nang xác, khuẩn lạc sẽ

chuyển sang màu nâu nhạtề Vi khuẩn Rhizobium gồm nhiều loài khác nhau : Rh

leguminosarum ; Rh phaseoli ; Rh trifolii ; Rh lupini ; Rh japonicum ; Rh

me li loti ; Rh cicer ; Rh vigna ; Rh lotus

Hiện nay người ta tạm chia VKNS thành 4 nhóm lớn :

+ Sinorhizobium fredy : là những loài mà trong hoạt động sống của chúng sản

sinh ra axit hay là chúng làm axit hóa môi trường

+ Bradyrhizobium : là những loài mà trong hoạt động sống của chúng sản

sinh ra chất kiềm hay là chúng làm kiềm hóa môi trường

+ Agrobacterium và Phylỉobacterium : hai giống này là VKNS nhưng không

cộng sinh ở cây họ Đậu mà cộng sinh ờ rễ, thân, kẽ lá cây rừng và những cây thuỷ hải sản Hai giống này không có ý nghĩa nhiều trong nông nghiệp

Khống tạo nót sần

H ình 29 : N ố t sán ở rẻ cây đậu xanh, đậu tương, cày lạc

(Xem hình m àu trang 364)