Phân bón sinh học chương 2

Vi khuẩn Bacteria• Là tế bào nhân sơ Prokaryote • Có thành là peptidoglycan • Hình thức sinh sản: Phân đôi tế bào • Phương thức trao đổi năng lượng: - Sử dụng chất dinh dưỡng hữu cơ, vô

Chương 2

MỐI QUAN HỆ GIỮA VI SINH VẬT

VÀ PHÂN BÓN SINH HỌC

2.1 Tổng quan về vi sinh vật

2 1.1 Khái niệm về vi sinh vật

2.1.2 Các nhóm vi sinh vật chính

2.1.3 Dinh dưỡng vi sinh vật

2.1.4 Sinh trưởng và sinh sản của vi sinh vật

2.2 Vai trò của vi sinh vật trong tự nhiên

2.3 Khả năng chuyển hóa vật chất của vi sinh vật

2.3.1 Khả năng chuyển hóa các hợp chất nitơ

2.3.2 Khả năng chuyển hóa các hợp chất photpho2.3.3 Khả năng chuyển hóa các hợp chất lưu huỳnh2.3.4 Khả năng chuyển hóa các hợp chất cacbon

2.4 Công nghệ sản xuất phân bón sinh học

NỘI DUNG

2.1 Vi sinh vật

2.1.1 Khái niệm về vi sinh vật

Vi sinh vật là những sinh vật đơn bào có kích thước nhỏ,

không quan sát được bằng mắt thường mà phải sử dụng kính hiển vi.

• Nhỏ

• Tuy nhiên

- Số lượng vô cùng nhiều

- Phân bố rộng, ở hầu khắp mọi nơi trên trái đất

- Có thể đồng hóa bất kỳ loại cơ chất nào

- Có thể tồn tại ở những điều kiện cực kỳ khắc nghiệt

Chúng nhỏ nhưng có nhiều khả năng kì diệu

Vi sinh vật

Không có chúng, sự sống sẽ ngừng trệ

Vi khuẩn (Bacteria)

• Là tế bào nhân sơ (Prokaryote)

• Có thành là peptidoglycan

• Hình thức sinh sản: Phân đôi tế bào

• Phương thức trao đổi năng lượng:

- Sử dụng chất dinh dưỡng hữu cơ, vô cơ

- Quang hợp

• Gồm 2 nhóm: Vi khuẩn Gram dương và vi khuẩn Gram âm

• Hình dạng:

- Hình que (trực khuẩn)

- Hình cầu (cầu khuẩn)

- Dấu phảy (phảy khuẩn)

- Hình xoắn (xoắn khuẩn)

• Có hay không có tiên mao (Flagella)

• Có hay không có nội bào tử

Azotobacter

Nấm (Fungi)

• Là tế bào nhân thực (Eukaryote)

• Thành tế bào có chitin

• Phương thức trao đổi năng lượng: Sử dụng chất dinh dưỡng hữu cơ

• Phương thức sinh sản: Vô tính (Hình thành bào tử hoặc nảy chồi)

• Có thể đơn bào (nấm men) hoặc đa bào (nấm sợi, nấm lớn)

• Sinh trưởng hiếu khí hoặc kị khí tùy tiện

Yeast

• Có thể đơn bào hoặc đa bào

• Có các dạng: Tảo xanh, tảo đỏ, tảo nâu

Động vật nguyên sinh (Protozoa)

• Là tế bào nhân thực (Eukaryote)

• Dị dưỡng tự do hay kí sinh

• Phương thức sinh sản: Vô tính (phân đôi) hoặc hữu tính

• Có một nhân hoặc nhiều nhân

Vi-rút (Virus)

• Không có cấu trúc tế bào

• Vật liệu di truyền là AND hoặc ARN

• Lõi axit nucleic được bao quanh bởi lớp vỏ protein

• Sống ký sinh bắt buộc (chỉ có thể nhân lên ở trong tế bào chủ)

2.1.3 Nhu cầu dinh dưỡng của vi sinh vật

 Tế bào VSV cũng là những thực thể vật chất được cấu tạo bởi các nguyên tố hóa học  VSV có quá trình trao đổi chất và năng lượng với môi trường bên ngoài để tồn tại và sinh trưởng

 Quá trình trao đổi vật chất và năng lượng của VSV chính là sự thu nhận vật chất từ bên ngoài để phân hủy chúng nhằm tạo ra năng lượng cho tế bào và tổng hợp mới thành các hợp phần của tế bào  VSV cần các chất dinh dưỡng

 Chất dinh dưỡng (nutrients) đối với VSV là bất kỳ chất nào được VSV hấp thụ

từ môi trường ngoại bào và được chúng sử dụng làm nguyên liệu để cung cấp cho các quá trình sinh tổng hợp tạo ra các thành phần của tế bào và/hoặc để cung cấp cho các quá trình trao đổi năng lượng.

 Quá trình dinh dưỡng (nutrition) của VSV là toàn bộ các quá trình hấp thụ các chất vô cơ và hữu cơ từ môi trường ngoài vào tế bào và đào thải cặn bã của sự chuyển hóa ấy ra khỏi tế bào.

 Nhu cầu về dinh dưỡng của VSV được quyết định bởi thành phần hoá học của tế bào vi sinh vật.

Loại hợp chất Nước Protein ADN ARN Hidrat C

phân tử nhỏ

Các phân

tử vô cơ

Các nhóm hợp chất chủ yếu của tế bào vi khuẩn E Coli

Để VSV có thể sinh trưởng và để có thể nuôi cấy được VSV trong phòng thí nghiệm, cần cung cấp một môi trường dinh dưỡng (nutrient medium) có các chất chứa đầy đủ các nguyên tố cần thiết cho tế bào VSV

Ví dụ về thành phần một môi trường dinh dưỡng tổng

2.1.4 Sinh trưởng và sinh sản của vi sinh vật

 Ở SV có kích thước lớn, sự sinh trưởng là sự tăng có thứ tự thành phần cấu tạo tế bào Đối với VSV, sự sinh trưởng được

hiểu là sự tăng số lượng TB của quần thể.

 Tốc độ sinh trưởng riêng của VSV (µ) là số lần phân chia (n) trong một đơn vị thời gian (t) của một chủng trong đk nuôi cấy

cụ thể.

µ = n/ t

 VSV thường sinh sản vô tính với tốc độ sinh sản rất nhanh, sự phân chia TB theo cấp số nhân, với thời gian cho 1 lần phân chia tế bào chỉ khoảng vài phút đến vài giờ.

Số lượng tế bào được nhân lên theo cấp số nhân như sau:

Ví dụ: Trong điều kiện tối ưu, Vi khuẩn E coli có thời gian thế hệ = 20 phút;

nấm men 1-2h; nấm mốc 4 -12h; vi khuẩn lao 12h

2.1.4 Sinh trưởng và sinh sản của vi sinh vật

 Tốc độ sinh trưởng của vi sinh vật phụ thuộc vào điều kiện bên ngoài, đặc tính sinh lý và trạng thái tế bào Khi các chất dinh dưỡng, pH và nhiệt độ… của môi trường thay đổi ngoài các trị số tối ưu thì quá trình sinh sản bị dừng lại.

 Có 2 phương pháp nuôi cấy vi sinh vật: Nuôi cấy tĩnh và nuôi cấy liên tục

2.1.4 Sinh trưởng và sinh sản của vi sinh vật

Nuôi cấy tĩnh

Là phương pháp trong suốt thời

gian nuôi cấy không thêm chất dinh

dưỡng cũng như không loại bỏ các

sản phẩm cuối cùng của quá trình

trao đổi chất.

Sự sinh trưởng/ sự tăng sinh khối

của vi sinh vật biểu thị bằng khối

lượng sinh khối theo thời gian

2.1.4 Sinh trưởng và sinh sản của vi sinh vật

Nuôi cấy tĩnh

Sinh trưởng của quần thể vi sinh vật trong nuôi cấy tĩnh tuân theo những quy luật nhất định và được biểu thị bằng đường cong sinh trưởng chia thành 4 pha.

• Pha tiềm phát (pha lag): TB ở trạng thái hoạt động mạnh nhất nhưng số lượng (X= Xo) TB chưa tăng

• Pha lũy thừa : Sinh khối TB tăng theo thời gian, tăng theo cấp

số mũ do chất dinh dưỡng vẫn đầy đủ.

• Pha cân bằng: Quần thể VK ở trạng thái cân bằng động học (số TB mới sinh ra bằng số TB cũ chết đi) Hiệu suất sinh trưởng giảm do chất dinh dưỡng cạn dần, chất độc hại tăng lên, pH môi trường thay đổi.

• Pha suy vong: Số TB có khả năng sống giảm dần theo luỹ thừa

do chất độc hại tích lũy khá nhiều, chất dinh dưỡng cạn kiệt

Pha cân bằng Pha suy

vong

Thời gian

2.1.4 Sinh trưởng và sinh sản của vi sinh vật

Nuôi cấy liên tục

Mật độ vi sinh vật ở trạng thái cân bằng động học không tăng không giảm theo thời gian do trong quá trình nuôi dinh dưỡng được bổ sung liên tục theo dòng mới đi vào đồng thời loại bỏ một lượng dịch nuôi cấy tương ứng ra.

2.2 Vai trò của vi sinh vật

trong tự nhiên

HOẠT ĐỘNG ÍCH LỢI

Phân hủy xác hữu cơ Tái tuần hoàn các chất dinh dưỡng trong sinh quyển

Sản xuất oxy Các VSV quang hợp thủy sinh tạo khoảng ½ lương oxy

Phân giải các độc tố Bảo vệ môi trường

Lên men ethanol Sản xuất rượu, bia, đồ uống có cồn

Sản xuất hóa chất Cồn, axit amin, mì chính, enzyme

Sản xuất protein đơn bào Cung cấp lương thực cho người và vật nuôi

Xử lý nước thải, chất thải Bảo vệ môi trường

Sản xuất năng lượng sinh học Ethanol Methanol từ lên men vi sinh vật

2.3 Khả năng chuyển hóa vật chất

của vi sinh vật

- VSV đóng vai trò chính trong việc phân hủy các chất hữu cơ, các chấtthải do con người tạo ra.

(VSV có khả năng phân hủy bất kỳ loại chất hữu cơ hay chất thảinào trong tự nhiên, biến chúng thành dạng CO2, NO3-, SO42-, , các loạichất khoáng để cung cấp cho các sinh vật sản xuất năng lượng sơ cấpnhư thực vật)

- Nhờ có khả năng phân hủy chất hữu cơ  VSV tham gia vào chu trìnhchuyển hóa vật chất  chuỗi thức ăn và lưới năng lượng trong tự nhiênđược hình thành

- Các chu trình chuyển hóa vật chất (chu trình sinh địa hóa

-biogeochemical cycles) chính trong tự nhiên có sự tham gia của VSV

1 Chu trình chuyển hóa nitơ

2 Chu trình chuyển hóa photpho

3 Chu trình chuyển hóa cacbon

4 Chu trình chuyển hóa lưu huỳnh

Các chu trình sinh địa hóa cho thấy

Các chất không tự nhiên sinh ra, cũng không tự nhiên mất đi, chỉ chuyển hóa từ dạng này sang

dạng khác.

2.3.1 Khả năng chuyển hóa Nitơ (chu trình cố định Nitơ)

• Nitơ chiếm khoảng 78,16% không khí

(tương đương 3,9.1015 tấn Nitơ)

• Tuy nhiên, cây trồng không đồng hóa

được Nitơ ở dạng tự do trong không khí

• Dưới tác dụng của VSV, Nitơ không khí

được chuyển thành nitơ dạng NH4+ và

NO3-thực vật có khả năng sử dụng

• Thực vật chỉ có khả năng hấp thu nitơ

dạng NH4+ và NO3

-Các quá trình chuyển hóa nitơ có sự tham gia của VSV:

1. Quá trình cố định nitơ: Nitơ không khí được cố định thành đạm sinh học

2. Quá trình amôn hóa: Đạm sinh học được phân giải thành các axit amin, sau đó được amôn hóa (khoáng hóa) thành dạng NH4+ , NH3

3. Quá trình nitrat hóa: NH4+ được chuyển hóa thành NO3

-4. Quá trình phản nitrat hóa: NO3- chuyển hóa thành N2

NH 3

(ammonia)

NH 4 +

(ammonium)

H +

(From soil)

NO 3 –

(nitrate) Nitrifying

bacteria

Vi khuẩn phản đạm hóa

Rễ

NH 4 +

Đất Khí quyển

Cây hấp thu đạm vào trong rễ

Ammonifying bacteria

- Nitơ không khí được cố định thành đạm sinh học nhờ 3 quá trình:

+ Nhờ Vi sinh vật cố định nitơ

` + Sấm sét tách nitơ khỏi không khí

+ Sản xuất đạm công nghiệp ở 1200oC và 500 atm

Quá trình cố định nitơ

VSV cố định nitơ theo kiểu không cộng sinh gồm:

Trong quá trình cố định Nitơ nhờ VSV, N2 được khử thành

NH3 dưới xúc tác của VSV có enzyme nitrogenase

N2 + H2 + ATP NHnitrogenase 3 + ADP + P

Quá trình cố định Nitơ nhờ VSV

Sau đó, NH3 kết hợp với các axit hữu cơ trong cơ thể sinh vật tạo thành axit amin chứa trong các phân tử protein.

Chu kỳ chất đạm trong tự nhiên

Đạm được sản xuất trong công nghiệp

3 H2 + 2 N2  2 NH3(ở điều kiện 1200oC và 500 atm dựa trên quy trình

Haber – Bosch)

Qúa trình amôn hóa nhờ VSV

Protein  polypeptide  acid amine  NH3

Quá trình nitrat hóa

Sự oxi hóa sinh học của NH4+ thành NO3

Quá trình phản nitrat hóa

Chuyển hóa NO3- thành N2 trả lại cho khí quyển nhờ VSV

HNO3  HNO2  HNO  N2O  N2 + H2O

VSV tham gia vào quá trình phản nitrat: Vi khuẩn Bacillus,

Aerobacter, Pseudomonas…

2.3.2 Khả năng chuyển hóa Phospho (chu trình cố định P)

 Trong tự nhiên, P nằm trong nhiều dạng hợp chất khác nhau

 P hữu cơ tích lũy trong cơ thể động vật và thực vật Khi động vật và thực vậtchết đi, những hợp chất photpho hữu cơ này được vi sinh vật phân giải, vô cơhóa tạo thành các hợp chất photpho vô cơ khó tan ((Ca3(PO4)2; FePO4; AlPO4),một số ít được tạo thành dạng dễ tan Ngoài ra, các hợp chất photpho vô cơ khótan còn có nguồn gốc từ những quặng thiên nhiên như apatit Những hợp chấtnày rất khó hoà tan và cây trồng không thể hấp thụ trực tiếp được

 Trong môi trường có pH thích hợp, P vô cơ khó tan được chuyển hóa thành P

vô cơ dễ tan (H2PO4; HPO4-) nhờ vi sinh vật.

 P dễ hòa tan được cây trồng hấp phụ và chuyển thành các hợp chất photpho hữu cơ trong cơ thể thực vật

 Động vật và người sử dụng các sản phẩm thực vật làm thức ăn lại biến photphohữu cơ của thực vật thành P hữu cơ của động vật và người

 Người, động vật và thực vật chết đi trả lại P hữu cơ trong đất, khép kín vòngtuần hoàn P

VSV đóng vai trò quan trọng trong vòng tuần hoàn P Nếu thiếu hoạt động của VSV, sự chuyển hóa P không diễn ra

Các Vi sinh vật có khả năng hòa

solubilizing microorganisms)

Nhóm vi sinh vật phân huỷ photpho hữu cơ

 Chuyển hoá các hợp chất photpho hữu cơ thành muối photphat

 Có khả năng tiết ra enzym photphataza để xúc tác cho quá trình phân giải

 Vi sinh vật có khả năng phân giải lân mạnh thường gặp thuộc các loài

Bacillus, Pseudomonas

 Ví dụ về quá trình phân giải một loại lân phổ biến nhất ở cơ thể động, thựcvật là nucleoprotein

- Nucleoprotein được VSV phân giải thành axít nucleic (chứa P) và protein

- P được cắt ra khỏi axit nucleic thành H3PO4

- H3PO4 thường phản ứng với các kim loại trong đất tạo thành các muối photphat khó tan như Ca3(PO4)2, FePO4, AlPO4

Nhóm vi sinh vật phân giải P vô cơ khó tan thành P dễ tan

 Đa số các vi sinh vật có khả năng phân giải lân vô cơ khó tan đều sinh

CO2 trong quá trình sống CO2 sẽ phản ứng với H2O có trong môi trường tạothành H2CO3

 H2CO3 sẽ phản ứng với photphat khó tan tạo thành photphat dễ tan theophương trình:

 Các vi khuẩn nitrat hoá sống trong đất cũng có khả năng phân giải lân vô cơ do nó

có khả năng chuyển NH3 thành NO2- rồi NO3 NO3sẽ phản ứng với photphat khó tan

tạo thành dạng dễ tan

 Các vi khuẩn sulfat hoá cũng có khả năng phân giải photphat khó tan do sự tạo

thành H2SO4 trong quá trình sống.

• Dạng orthophosphate thứ nhất:

H2PO4

-• Dạng orthophosphate thứ 2:HPO42-

Nhờ hoạt động của VSV, có 2 dạng P dễ tan

được tạo ra để thực vật có thể hấp thu

P dễ tan

2.3.3 Khả năng chuyển hóa Cacbon (chu trình Cacbon)

- Mỗi năm cây xanh và nhóm VK tự dưỡng cố định khoảng 2 1011

tấn CO2

- Lượng CO2 trong khí quyển có khoảng 2,6 1012 tấn, đủ cho sinh vật tự dưỡng trên trái đất cố định trong 10 – 20 năm rồi sẽ cạn kiệt

- Tuy nhiên, lượng CO2 trong khí quyển từ khi có sự sống chưa bao giờ bị cạn kiệt

VÌ SAO???

- CO2 trong khí quyển hay trong nước được sinh vật tự dưỡng (TV, VSV) hấpthụ và biến đổi thành các hợp chất hữu cơ phức tạp như hydrat cacbon,protein, lipit… thông qua quá trình quang hợp và những phản ứng sinh hóa;

- Một phần các chất được cấu trúc thành cơ thể thực vật, VSV;

- Sinh khối thực vật được động vật và các vi sinh vật dị dưỡng sử dụng,cacbon hữu cơ thực vật được chuyển hóa thành cacbon hữu cơ động vật vàVSV;

-Các chất bài tiết và xác chết của sinh vật dị dưỡng chứa chất hữu cơ phức tạpđược VSV phân hủy đến giai đoạn cuối cùng (giai đoạn khoáng hóa), trả lại

CO2 cho môi trường

- Nhờ có sự phân hủy của VSV mà các hợp chất cacbon hữu cơ phức tạp chứa trong sinh khối người, động vật, thực vật được phân giải đến CO 2 trả lại môi trường, khép kín vòng tuần hoàn, cho phép sự chuyển hóa cacbon trong tự nhiên liên tục diễn ra

2.3.3 Khả năng chuyển hóa Cacbon (chu trình Cacbon)

Sơ đồ chu trình cacbon

Các nhóm vi sinh vật phân giải Cacbon hữu cơ

1 Nhóm VSV phân giải cellulose

2 Nhóm VSV phân giải tinh bột

3 Nhóm VSV phân giải đường

đơn

 Đều tiết enzyme cellulase phân giải cellulose

 Gồm các VSV:

+ Nấm Tricoderma, Aspergillus, Fusarium

+ Vi khuẩn Pseudomonas, Xenllulomonas, Achromobacter, Clostridium + Xạ khuẩn Streptomyces

Nhóm VSV phân giải cellulose:

Nhóm VSV phân giải tinh bột:

 Đều có khả năng tiết hệ enzym amilaza phân giải tinh bột

 Gồm các VSV:

+ Nấm Aspergillus, Fusarius, Rhizopus

+ Vi khuẩn Bacillus, Cytophaga, Pseudomonas

Nhóm VSV phân giải đường đơn:

 Kết quả của quá trình phân giải cellulose và tinh bột đều tạo thành đường đơn(đường 6 cacbon)

 Đường đơn tích luỹ lại trong đất sẽ được tiếp tục phân giải các nhóm vi sinhvật phân giải đường

 Có 2 quá trình phân giải đường: quá trình hiếu khí và quá trình lên men

 Sản phẩm cuối cùng của quá trình phân giải hiếu khí đường đơn là các chất

vô cơ gồm CO2 và H2O trả lại cho khí quyển và đất, khép kín chu trình cacbon

 Sản phẩm cuối cùng của quá trình lên men là các chất hữu cơ chưa được oxihóa triệt để

Ví dụ:

+ Quá trình lên men ethanol:

2C6H12O6 + 2H3PO4 → 2CO2 + 2CH3CH2OH + 2H2O+ Quá trình lên men Lactic:

 Các chất hữu cơ chưa được oxi hóa triệt để lại được người và động vật sử dụng…

 S tồn tại trong đất ở dạng các hợp chất muối vô cơ như CaSO4, Na2SO4, FeS2, Na2S một số ở dạng hữu cơ.

 Thực vật hút các hợp chất S vô cơ trong đất chủ yếu dưới dạng SO42- và chuyển sang dạng S hữu cơ của tế bào Động vật và người sử dụng thực vật làm thức ăn và cũng biến S của thực vật thành S của động vật và người Do vậy, trong cơ thể sinh vật, S nằm trong thành phần của các axit amin chứa lưu huỳnh như methionin, xystein và trong nhiều loại enzym quan trọng.

 Khi động thực vật chết đi để lại một lượng lưu huỳnh hữu cơ trong đất.

 Nhờ sự phân giải của vi sinh vật, S hữu cơ sẽ được chuyển hoá thành H2S.

H2S và các hợp chất vô cơ khác có trong đất sẽ được oxy hoá bởi các nhóm vi khuẩn tự dưỡng thành S và SO42- ,