Vi sinh vật đất P5

+ Sự sử dụng N của vi sinh vật làm cho đạm bị bất động immobilization + Sự cố định N của khí quyển bởi vi sinh vật fixation Chu trình chất N trong đất được tóm lược như trong hình 5.1

đại học cần thơ

đại học cần thơ khoa nông nghiệp khoa nông nghiệp khoa nông nghiệp

giáo trình giảng dạy trực tuyến

Đường 3/2, Tp Cần Thơ Tel: 84 71 831005, Fax: 84 71 830814 Website: http://www.ctu.edu.vn/knn email: dminh@ctu.edu.vn , vtanh@ctu.edu.vn

V

Vi i i sinh vật sinh vật sinh vật đất đất đất

Chương 5:

Quá trình chuyển hóa vật chất

Chứa n trong đất

CHƯƠNG V

QUÁ TRÌNH CHUYỂN HÓA VẬT CHẤT CHỨA N TRONG ĐẤT

-oOo -

I CHU TRÌNH CHẤT N TRONG THIÊN NHIÊN:

NPK là 3 dưỡng tố quan trọng của thực vật, đòng thời cũng là 3 chất quan trọng của ngành trồng trọt Chúng ta cung cấp 3 chất này cho cây trồng dưới dạng phân bón Tuy nhiê, cây có thể lấy được 3 chất này từ đất Trong 3 chất trên N là dưỡng tố rất dễ chuyển hóa bởi vi sinh vật trong đất Các dạng N được chuyển hóa gồm N hữu cơ, N vô

cơ và N ở thể khí

Đất được cung cấp N hữu cơ (xác bã động vật, thực vật và cả vi sinh vật) và N2 của khí quyển qua hiện tượng cố định N Đạm hữu cơ trong đất sẽ được vi snh vật phân giải thành N vô cơ và N2 Sự chuyển hóa này được phân ra :

+ Sự khoáng hóa N hữu cơ (mineralization), hay là:

- Giai đoạn hóa amônium các N hữu cơ (amonification)

- Giai doạn hóa nitrat các N ở dạng NH4 (nitrification)

+ Sự mất N (denitrification): N ở dạng NO5 chuyển hóa thành N2 và bốc hơi lên khí quyển

+ Sự sử dụng N của vi sinh vật làm cho đạm bị bất động (immobilization)

+ Sự cố định N của khí quyển bởi vi sinh vật (fixation)

Chu trình chất N trong đất được tóm lược như trong hình 5.1

Phần sau đây chúng ta sẽ lần lượt xét đến mối liên hệ giữa các qúa trình trong chu trình chất N và vi sinh vật trong đất

Hình 5.1: Sơ đồ mô tả chu trình chất đạm (N) trong thiên nhiên

Ghi chú:

A : Sự hóa ammônium

B : Sự hóa khoáng chất hửu cơ

C : Sự nitrít hóa

D : Sự mất nitrát

E : Sự sử dụng N do vi sinh vật

F : Sự mất N

G : Sự cố định N không cộng sinh

H : Sự cố định N do cộng sinh

II QUÁ TRÌNH KHOÁNG HÓA CHẤT HỮU CƠ CHỨA N:

1 Qúa trình khoáng hóa các chất N hữu cơ:

Nhìn chung tất cả chất N ở dạng hữu cơ khi được bỏ trên mặt đất hoặc bị vùi vào trong đất đều bị phân giải bởi vi sinh vật Vi sih vật một mặt phân giải các chất chứa N để lấy N, cần cho sự sống của chúng Do sự phân giải của vi sinh vật, các n hữu cơ sẽ được chuyển biến thành N ở dạng vô cơ, đây là qúa trình khoáng hóa N hữu cơ

Trong đất N hữu cơ chứa trong xác bã thực vật vá động vật, trong các phân N hữu cơ và phân N vô cơ như urê, trong chất mùn của đất, vv

a Trong xác bã thực vật, động vật cũng như trong chất mùn, N ở dưới dạng là các prôtêin, các nucleic acid, Các chất này sẽ được vi sinh vật phân giải bằng cách tiết

ra các phân hóa tố, proteza sẽ thủy phân prôtêin thành các lipit đơn giản hơn và sau đó cắt tiếp thành amino acid Amino acid được vi sinh vật hấp thu Bên trong vi sinh vật amin acid bị phân giải tiếp để cho NH4+ Trong đất trồng trọt lượng N vô cơ được phóng thích vào khoảng 1% - 5% lượng N toàn phần Đất ruộng lúa (có giai đoạn ngập nước) lượng N được phóng thích thường cao hơn ở đất trồng màu, vì đất ruộng ngập nước chứa nhiều chất hữu cơ dễ tiêu hơn

Các prôtêin tinh (như casêin, albumin) và các loại acid amin khi cho vào đất sẽ được phân giải nhanh chóng hơn các chất mùn chứa N Có thể do N trong chất mùn liên kết với thành phần sét và các pôlyphênôl nên được phân giải chậm hơn

Sự kháng hóa chất mùn chứa N trong đất xảy ra với tất cả các thành phần cấu tạo, có chứa N, nhưng acid amin là dễ bị khoáng hóa hơn cả

b Khi bón các phân N hữu cơ như phân bánh dầu, phân cá, bèo hoa dâu, vv chúng ta cung cấp cho đất lượng prôtêin khá cao Các chất này sẽ bị khoáng hóa nhanh chóng và phóng thích NH4+ (Hình 5.2)

Hình 5.2: Sự khoáng hóa prôtêin trong đất hảo khí, ở nhiệt độ 30oC

c Phân hóa học chứa N hữu cơ như urê, khi bón vào đất cũng cần có vi sinh vật phân giải thành amônium mới được cây sử dụng Vi sinh vật tiết ra phân hóa tố urêaz để thủy phân urê, để sau cùng cho ra NH3 theo phản ứng:

CO(NH2) 2 + H2O -
(NH4) 2 CO2 -
2NH3 + CO2

Urê amônium carbamate

Tốc độ phân giải urê tùy thuộc vào pH của đất và nhiệt độ Nhiệt độ cao, pH gần trung tính là điều kiện thích hợp cho sự phân giải này

Nếu không có vi sinh vật thì sự phân giải không xảy ra, urê sẽ mất do bốc hơi và

do rữa trôi

Trong điều kiện thích hợp sự phân giải urê xảy ra trong vài ngày và ở quanh nơi phân giải (quanh hột phân) pH có thể tăng lên đến 8 hoặc 9, ở điều kiện này amônium dễ

bị bốc hơi mất Hiện nay đang có nhiều nghiên cứu dùng các chất làm chậm lại quá trình phân giải này để ít mất phân

Các vi khuẩn có tiết ra urêaz có thể kể: Sarcinia hansenii, Bacillus pasteurii, Erwinia amylovora, Proteus vulgaris, Bacillus freudenreichii, Sporosoreinia urêa, vv

2 Vi sinh vật trong quá trình khoáng hóa chất hữu cơ chứa N:

Có vô số loài vi sinh vật tham gia vào qúa trình phân giải hữu cơ Mật số chứa từ

105 - 107/g đất khô Vi khuẩn, nấm, xạ khuẩn đều có tham gia vào sự khoáng hóa N hữu

cơ trong đất

Trong đều kiện háo khí sự phân giải prôtêin xảy ra nhanh va ìcho ra CO2., amônium, sulfat và nước

Trong điều kiện yếm khí, sự phân giải chậm hơn và cho ra amônium, acid amin,

CO2, các acid hữu cơ, H2S

Vi khuẩn tham gia vào sự khoáng hóa các prôtêin có thể kể: Pseudomonas, Bacillus, Clostridium, Serratia, Micrococus Còn tham gia vào việc phân giải các acid nuclêic gồm có các vi khuẩn Pseudomonas, Micrococus, Corynebacterium, Clostridium

Tham gia vào quá trình hóa khoáng phân urê có nhiều loài vi khuẩn, nấm và xạ khuẩn Trong số vi khuẩn có thể kể đến các chi Bacillus, Micrococcus, Sarcinia, Pseudomonas,

Achromobacter, Corynebacterium, Clostridium, trong đó có bốn loài sau đây được nghiên cứu nhiều: Bacillus pasteurii, B freudenrichii, Serratia urêae, Micrococus urêae

3 Các yếu tố ảnh hưởng đến qúa trình khoáng hóa chất hữu cơ chứa N trong đất:

Các yếu tố có ảnh hưởng đến qúa trình khoáng hóa N hữu cơ gồm có ẩm độ của đất, pH của đất, độ thoáng khí của đất, nhiệt độ và các chất vô cơ khác

Về ẩm độ của đất, đất thoáng khí (không ngập nước), ẩm độ vào khoảng 70% ( so với khả năng giữ nước của đất) có tốc độ khoáng hóa N hữu cơ nhanh nhất Ẩm độ cao hơn và thấp hơn đều có tốc độ khoáng hóa kém hơn (hình 5.3)

Hình 5.3: Tốc độ khoáng hóa N hửu cơ trong đất thịt với các ẫm độ khác nhau:

27%, 40%, 70% và 82% (M Alexander, 1961)

Về pH của đất, đất trung tính có tốc độ khoáng hóa nhanh hơn ở đất chua Độ chua của đất chỉ làm giảm tốc độ khoáng hóa chứ không ngăn chặn khoáng hóa N hữu

cơ trong đất Do đó ở đất phèn, nếu bón vôi, có thể giúp cho sự khoáng hóa N hữu cơ được xảy ra nhanh hơn Ngoài ra ở đất quá chua vì sự khoáng hóa rất chậm nên đạm hữu

cơ tích lũy trong đó Do đó, biện pháp bón vôi có thể nâng cao năng suất cây trồng đáng kể vì gia tăng tốc độ khoáng hóa sẽ cung cấp nhiều N vô cơ cho cây trồng

Nhiệt độ tối hảo cho sự khoáng hóa N hữu cơ trong đất nằm trong khoảng 40o -

60 o C Vùng ôn đới nhiệt độ lạnh lâu dài làm chậm tốc độ khoáng hóa, do đó ở vùng ôn

đới đất có nhiều chất mùn hơn đất ở vùng nhiệt đới

Đối với đất ruộng ngập nước, việc cày ải phơi đất ( giúp đất thoáng khí) lúc trở lại

trạng thái ẩm sẽ cho lượng amônium khoáng hóa cao hơn đất bị ngập liên tục Ngoài ra

bón vôi cho ruộng lúa cũng làm tăng lượng NH3 khoáng hóa(Bảng 5.1)

Bảng 5.1: Tác động bón vôi đối với tốc độ khoáng hoá chất N hữu cơ trong đất

(Đơn vị tính = mg/100g đất)

Ở đất ngập nước, việc bừa và sục bùn cũng giúp gia tăng tốc độ khoáng hóa hữu

cơ

III QUÁ TRÌNH NITRÁT HOÁ:

1 Quá trình nitrát hóa:

Trong điều kiện thoáng khí, NH4 ban đầu sinh ra do qúa trình khoáng hóa N hữu

cơ, sẽ 1iên tục chuyển hóa và biến thành NO3 Quá trình này xảy ra qua 2 giai đoạn:

- Ôxyd hóa amônium thành nitric (NO2)

- Ôxyd hóa NO2 thành nitrát (NO3)

2 Vi sinh vật tham gia trong qúa trình nitrat hóa :

Có 2 nhóm vi sinh vật tham gia 2 giai đoạn của qúa trình này Trong đó có 7 nhóm

vi khuẩn tự dưỡng:

a Nhóm vi khuẩn ôxyt hoá NH4 thành NO2: nhóm này do 5 chi vi khuẩn đảm nhiệm:

- Vi khuẩn có khuẩn lạc nhầy nhụa (zoogloae)

- Vi khẩn có khuẩn lạc nhầy nhụa, không có nang: Nitrosogcola

b Nhóm vi khuẩn ôxyd hoá nitric thành nitrat:

Trong bảy chi vi khuẩn trên đây, Nitrosomonas và Nitrobacter là thường gặp nhất Ngoài các vi khuẩn trên, các vi sinh vật dị dưỡng như Streptomyces, Pseudomonas, Aspergillus cũng có tham gia quá trình chuyển hóa N này nhưng không quan trọng lắm

3 Các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình Nitrat hóa:

a Các vi khuẩn trên đây là vi khuẩn háo khí nên chỉ phát triển tốt trong điều kiện đất thoát thủy tốt hoặc ở lớp ôxyd hóa trong đất ruộng ngập nước Do đó trong tầng đất khử của đất ruộng ngập nước NH4 được tích lũy và không chuyển hóa thành

NO3

b Yếu tố quan trọng nữa có ảnh hưởng đến hoạt động của vi khuẩn nitrit hóa và nitrat hóa là pH của đất pH thích hợp cho hoạt động của vi khuẩn này thường trên 6 Sự am hợp với các mức độ pH khác nhau còn tùy thuộc vào loài và chủng vi khuẩn

Ở một số nơi, mức độ nitrat hóa giãm đi khi pH thấp hơn 6, rất thấp ở pH = 5, và ngừng hẳn ở pH = 4 hoặc thấp hơn Ở cuộc đất khác, nitrat hóa xảy ra được ở pH = 4,5, nhưng ở nơi khác nữa vi khuẩn không hoạt động được ở pH này

Các vi khuẩn nitrat hóa sống trong đất chua, có mức pH tối hảo 6,5, còn vi khuẩn

ở nơi đất kiềm tính có mức pH tối hảo ở 7,8

Ngoài ảnh hưởng hoạt động của vi khuẩn, pH còn ảnh hưởng đến mật số các vi khuẩn này Mật số vi khuẩn nitrat hóa tăng dần theo mức độ tăng pH từ chua sang kiềm tính

Do ảnh hưởng này, việc bón vôi cho đất chua sẽ làm gia tăng tốc độ nitrat hóa các đạm ammonium trong đất

c Nhiệt độ cũng có ảnh hưởng lớn đến hoạt động của nhóm vi sinh vật nitrát hóa này Ở nhiệt độ thấp hơn 5o C và cao hơn 40o C vi khuẩn hoạt động rất chậm nên sự chuyển biến đạm NH4 thành đạm NO3 cũng rất chậm Nhiệt độ tối hảo cho hoạt động của nhóm vi khuẩn này nằm trong khoảng 30o C Điều này giải thích được hiện tượng nitrat hóa xảy ra rất kém vào mùa đông và mùa hè, và xảy ra rất mạnh vào mùa xuân và mua thu ở vùng ôn đới

IV QUÁ TRÌNH MẤT đẠM DO HIỆN TƯỢNG KHỬ NITRAT

1 Quá trình mất đạm

Trong điều kiện thiếu oxy, một số vi sinh vật háo khí có thể sử dụng NO3 như chất nhận điện tử Quá trình khử oxy này xảy ra theo hai giai đoạn:

- Khử nitrat (NO3) thành nitric (NO2)

- Khử nitric (NO2) thành nitric ôxyd (NO), rồi nitro ôxyd (N2O) rồi N và sau cùng là khí N2

Có thể tóm lược quá trình này như sau:

-4H

NH2OH
2NH3

Hydrôxylamin -2H2O 2HNO3
2HNO2
HOH=HOH

nitrat nitric hyponitric +2H

- H2O -2H2O

N2O
N2

oxid nitrous -H2O

2 Vi sinh vật tham gia vào qúa trình khử nitrat:

Chỉ có một số loại vi khuẩn tham gia vào qúa trình khử nitrat trong đất Nấm và xạ khuẩn không tham gia vào quá trình này

Các chi vi khuẩn khử oxy của nitrat trong đất có thể kể:

-Pseudomonas như P denitrificans, P aeruginosa

- Bacillus như B licheniformis

- Micrococcus như M đenitrificans

- Thiobacillus denitrificans

Một số vi khuẩn khác cũng có tham gia, nhưng vai trò kém quan trọng: Chromobacterium, Mycoplana, Serratia, Vibrio

Trong các vi khuẩn trên Pseudomonas, Achromobacter và Thiobacillus denitrificans giữ vai trò quan trọnghơn cả

3 Các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình khử nitrat:

a Các vi khuẩn khử nitrat trên đây đều là vi khuẩn háo khí Nên trong điều kiện đất thoáng khí, cung cấp đủ oxy cho vi khuẩn, quá trình khử nitrat sẽ chậm lại Tuy nhiên điều kiện đủ oxy này lại làm gia tăng quá trình nitrat hóa đạm NH4, cung cấp cho qúá trình khử nitrat

Ở đất ngập nước, và trong tầng khử, vì vi khuẩn khử nitrat thiếu oxy nên khử oxy của NO3 , do đó quá trình này xảy ra nhanh hơn so với ở đất thoáng khí

Ở đất thoáng khí (thoát thủy tốt) mức độ mất N do khử nitrat túy thuộc vào ẩm độ, nhiệt độ và pH của đất

b Đối với ẩm độ, đất có ẩm độ dưới 70 % ( khả năng bảo hòa nước của đất) có mức độ mất N do khử nitrat tương đối ít Ẩm độ đất càng tăng cao, ( cho đến mức độ ruộng bị ngập nước) mức đô mất N do khử nitrat càng tăng (hình 5.4)

Hình 5.4: Ảnh hưởng của ẫm độ của đất (so với khà năng bảo hòa nước của đất

ấy) đối với sự khử nitrat trong đất (M Alexander, 1961)

c pH của đất cũng ảnh hưởng đến mật số vi khuẩn khử nitrat trong đất Mật số vi khuẩn khử nitrat rất kém ở đất chua Đất có pH từ 5,5 trở lên có mật số vi khuẩn khử nitrat cao nhất

Mặt khác pH của đất còn ảnh hưởng trên loại khí thải ra trong quá trình khử nitrat Ở đất quá chua, vi khuẩn có khuynh hướng thải ra NO Ở đất hơi chua, pH khoảng 6 đến 6,5, phân nửa lượng khí thải ra là N2O Và ở đất trung tính hoặc hơi kiềm lúc đầu vi khuẩn thải ra N2O nhưng sau đó N2 chiếm thể tích phóng thích quan trọng hơn Ảnh hưởng này có thể do các hệ phân hóa tố của vi khuẩn nhạy cảm với pH của môi trưồng

d Nhiệt độ cũng có ảnh hưởng đến quá trình khử nitrat của vi khuẩn Ở

20o C quá trình xảy ra rất chậm Quá trình xảy ra nhanh nhất ở nhiệt độ khoảng 25 o -

30 o C Tăng nhiệt độ 60 o - 65 o C quá trình khử nitrat vẫn mạnh Tuy nhiên quá trình khử nitrat sẽ ngừng ở 70 o C hoặc hơn Điều này chứng tỏ nhóm vi khuẩn khử nitrat là

vi khuẩn chịu nhiệt ( hình 5.5)

Hình 5.5: Ảnh hưởng của nhiệt độ đối với sự khử nitrat trong đất

(M Alexander, 1961)

V HIỆN TƯỢNG CỐ ĐỊNH ĐẠM CỦA KHÍ QUYỂN:

Đạn khí (N2) trong khí quyển có thể được một số vi sinh vật sử dụng trực tiếp để tổng hợp thành prôtêin Prôtêin sẽ được khoáng hóa để cung cấp cho thực vật Các vi sinh vật cố định được N2 của khí quyển có thể hoặc cộng sinh với một thực vật hoặc không cộng sinh

A CÁC VI SINH VẬT CỐ ĐỊNH ĐẠM KHÔNG CỘNG SINH

Các vi sinh vật thuộc nhóm này gồm có :

+ Các vi khuẩn dị dưỡng:

- Vi khuẩn háo khí: Azotobacter, Beijerinckia,

- Vi khuẩn yếm khí: Clostridium,

+ Các vi khuẩn hóa tự dưỡng: Methanobacillus omelianski

+ Các vi khuẩn quang tổng hợp: Chorobium, Chromatium, Rhodomicrobium Rhodopseudomonas, Rhodospirillum

+ Các tảo lam: Anabaena, Anabaenapsis, Calothris, Nostoc, Tolvcothrix ( Hình 5.6)

1 Vi khuẩn dị dưỡng cố định đạm:

Nhóm nầy được nghiên cứu nhiều, trong đó chi Azotobacter thường gặp ở các loại

đất có pH cao hơn 6 (hình 5.7), tuy nhiên mật số trong đất tương đôi thấp Clostridium

phân bố rộng rãi hơn

Các vi khuẩn dị dưỡng cố định N cần chất đường để tăng trưởng Ngoài ra khi

trong đất có muối N thì chúng có khuynh hướng sử dụng các muối N hơn là cố định N

của không khí Do đó lượng N cố định được trong điều tự nhiên không đáng kể

2 Tảo lam:

Bảng 5.2: Hiệu quả của bón vôi đối với sự cố định đạm của tảo lam

Lượng N tăng (mgN/10 g

thêm sau 2 tháng đất khô)

I 12,5 2,9 3,8

II 20,4 4,0 4,8 III 18,3 3,6 5,9

IV 15,9 2,5 4,6

V 16,0 0,8 3,3

Tảo lam được xem là thành phần cố định N quan trọng trong thiên nhiên Tảo lam

có trong các ao, mặt nước ruộng lúa Tảo lam cần độ ẩm cao, ánh sáng, điều kiện nhiệt độ

khoảng 30o C pH tối hảo là 7 - 8,5 Ở ruộng chua, sự tăng trưởng của tảo lam bị hạn chế

Trường hợp này, bón vôi giúp tăng thêm lượng tảo và lượng N cố định được (Bảng 5.2)

B SỰ CỐ ĐỊNH ĐẠM DO CỘNG SINH

1 Sư cộng sinh ở cây họ đậu

a Các loài vi khuẩn cộng sinh với cây họ đậu: Chỉ có vi khuẩn thuộc chi

BrachyBrachyrhizobium (tên củ là Rhizobium) là có khả năng cố định N và cộng sinh với

các loài cây họ đậu Các loài Brachyrhizobium cộng sinh là:

- Brachyrhizobium meliloti cộng sinh với cỏ alfalfa