Tiểu luận Tác dụng của vi sinh vật đất trong quá trình chuyển hóa nitơ

PHẦN MỞ ĐẦU DUNG 1/ Đặt vấn đề : Sinh vật trong đất rất phong phú, đa dạng. Chúng có mối quan hệ mật thiết với nhau và có vai trò to lớn trong việc cải tạo đất trồng trọt. Nếu biết được hệ sinh vật đất có thể đánh giá được tính chất cơ bản của đất và quá trình sinh trưởng, phát triển của cây trồng. Hoạt động của hệ sinh vật này đã làm cho đất thành một thể sống, việc nghiên cứu chúng có tác dụng rất quan trọng đối với sản xuất nông nghiệp. Vi sinh vật đất là một nhóm lớn trong thế giới sinh vật đất rất phong phú, bao gồm: Virus, vi khuẩn, xạ khuẩn, nấm, tảo và các nguyên sinh động vật. Đề tài “Tác dụng của vi sinh vật đất trong quá trình chuyển hóa nitơ” giúp người viết nghiên cứu một số đặc tính cơ bản, cơ chế hoạt động của một số vi sinh vật, tìm hiểu vai trò của chúng trong đất. 2/ Ñoái töôïng vaø phaïm vi nghieân cöùu : Đối tượng nghiên cứu của đề tài là vi sinh vật và môi trường đất. Phạm vi nghiên cứu: Chỉ đề cập đến một số loài vi sinh vật mà hoạt động của hệ dinh dưỡng của chúng góp phần quyết định tốc độ luân chuyển của vật chất trong chu trình chuyển hóa nitơ trong tự nhiên. 3/ Phöông phaùp nghieân cöùu: Phöông phaùp nghieân cöùu ñeà taøi laø phöông phaùp toång hôïp caùc taøi lieäu ñöôïc laáy töø caùc nguoàn thoâng tin nhö thö vieän, baùo ñaøi, internet. Döïa vaøo söï phaân tích, toång hôïp, so saùnh, ñoái chieáu caùc taøi lieäu ñeå thöïc hieän ñeà taøi. Maëc duø ñeà taøi ñöôïc chuaån bò khaù coâng phu, nhöng chaéc chaén vaãn coøn sô suaát, raát mong ñöôïc söï goùp yù cuûa thaày höôùng daãn vaø caùc baïn ñoàng nghieäp. Taùc giaû chaân thaønh bieát ôn. 4/ Caáu truùc tieåu luaän: PHẦN MỞ ĐẦU. PHẦN NỘI DUNG - Vòng tuần hoàn nitơ trong tự nhiên. - Quá trình cố định nitơ phân tử. - Quá trình amôn hóa. - Quá trình nitrat hóa. - Quá trình phản nitrat hóa. PHẦN KẾT LUẬN. MỤC LỤC Trang I. VÒNG TUẦN HOÀN NITƠ TRONG TỰ NHIÊN.........................................................3 II. QUÁ TRÌNH CỐ ĐỊNH NITƠ PHÂN TỬ....................................................................3 1. Quá trình cố định nitơ phân tử tự do....................... ..................................................4 - Vi khuẩn Azotobacter................................................................................................4 - Vi khuẩn Beijerinskii.................................................................................................5 - Vi khuẩn Clostridium................................................................................................5 2. Quá trình cố định nitơ phân tử cộng sinh...................................................................6 - Khái niệm về cố nitơ cộng sinh và quan điểm về phân loại......................................6 - Đặc tính sinh học và tính chuyên hóa của vi khuẩn nốt sần.....................................7 - Sự hình thành sự cộng sinh ở rễ cây họ đậu..............................................................8 3. Các loại vi sinh vật cố định nitơ khác........................................................................9 4. Cơ chế của quá trình cố định nitơ phân tử...............................................................10 5. Điều kiện ngoại cảnh ảnh hưởng đến quá trình cố định nitơ phân tử......................11 6. Ứng dụng chế phẩm sinh học...................................................................................12 III. QUÁ TRÌNH AMÔN HÓA.........................................................................................14 1. Quá trình amôn hóa ure............................................................................................14 2. Quá trình amôn hóa protein......................................................................................15 3. Quá trình amôn hóa kitin..........................................................................................16 4. Quá trình phân giải chất mùn...................................................................................16 IV. QUÁ TRÌNH NITRAT HÓA......................................................................................17 1. Khái niệm chung......................................................................................................17 2. Cơ chế chuyển hóa và các loài vi sinh vật tham gia vào quá trình..........................17 V. QUÁ TRÌNH PHẢN NITRAT HÓA...........................................................................18 1. Khái niệm chung......................................................................................................18 2. Cơ chế của quá trình phản nitrat hóa.......................................................................18 3. Các loài vi sinh vật tham gia vào quá trình phản nitrat hóa....................................18 4. Các biện pháp hạn chế quá trình phản nitrat hóa.....................................................18 KẾT LUẬN ………………………………………………………………….........19 TÀI LIỆU THAM KHẢO …………………………………………………............20 PHẦN NỘI DUNG I. VÒNG TUẦN HOÀN NITƠ TRONG TỰ NHIÊN. Nitơ là nguồn dinh dưỡng quan trọng không thể thiếu đối với động vật, thực vật và ngay cả đối với các loài vi sinh vật. Dự trữ nitơ trong tự nhiên rất lớn: trong không khí, nitơ chiếm 78,16% thể tích. Người ta ước tính rằng, trong bầu không khí bao trùm lên một hecta đất đai chứa tới 8 triệu tấn nitơ. Lượng nitơ này có thể cung cấp cho cây trồng tới hàng chục triệu năm (nếu như cây trồng có khả năng đồng hóa nó). Trong cơ thể các loại sinh vật trên trái đất cũng có khoảng 0,4 x 109 tấn nitơ. Trong các vật trầm tích chứa khoảng 4 x 1015 tỷ tấn nitơ. Cây trồng không đồng hóa trực tiếp nitơ hữu cơ, mà phải nhờ các loại vi sinh vật phân hủy và chuyển hóa nguồn nitơ bền vững thành ra nitơ dạng dễ tiêu (NH3 hoặc NH4+), cung cấp nguồn dinh dưỡng nitơ cho cây trồng, quá trình này được gọi là quá trình amôn hóa. Tiếp nối quá trình amôn hóa, các loài vi sinh vật lại chuyển hóa tiếp từ NH3 thành NO3- được gọi là quá trình nitrat hóa. Tiếp theo của quá trình nitrat hóa, các loại vi sinh vật lại chuyển hóa từ NO3- thành N2 để bù trả nitơ cho không khí được gọi là quá trình phản nitrat hóa. Dưới tác dụng của các loại vi sinh vật, nitơ không khí được chuyển vào các hợp chất hữu cơ chứa nitơ được gọi là quá trình cố định nitơ phân tử. Tất cả các quá trình: cố định – phân hủy - chuyển hóa và phản nitrat hóa luôn xảy ra dưới tác dụng của các loài vi sinh vật và tạo được thế cân bằng nitơ. Nhờ đó mà đã khép kín được vòng tuần hoàn nitơ trong tự nhiên. Đứng về phương diện vi sinh vật, sơ đồ vòng tuần hoàn nitơ được tóm tắt như sau: H 5.1 tr 99 Sơ đồ vòng tuần hoàn nitơ II. QUÁ TRÌNH CỐ ĐỊNH NITƠ PHÂN TỬ. Hàng năm nông phẩm trên toàn thế giới lấy đi từ đất hàng trăm triệu tấn nitơ. Bằng cách bón phân, con người mới trả lại cho đất khoảng 50%. Lượng thiếu hụt còn lại cơ bản được bổ sung bằng nitơ do các loài vi sinh vật tổng hợp nên. Vì vậy nghiên cứu, sử dụng nguồn đạm sinh học được xem là một giải pháp quan trọng trong ngành nông nghiệp. Đặc biệt điều đó càng có ý nghĩa với một nước nông nghiệp có một nền công nghiệp hóa chưa phát triển. Mặc khác, trong công nghiệp hóa học, để phá vỡ mối liên kết 3 của phân tử nitơ. tạo ra phân nitơ hóa học thì cần phải trải qua quá trình kỹ thuật rất tốn kém như ở nhiệt độ cao (1500C), áp suất lớn (200atm) và phải dùng các loại xúc tác đắt tiền. Trong khi đó các loại vi sinh vật đồng hóa nitơ từ không khí một cách dễ dàng và thường xuyên xảy ra. Người ta gọi việc làm này là quá trình cố định nitơ phân tử. Bản chất của quá trình cố định nitơ phân tử được hai nhà bác học Hellriegel và Uynfac tìm ra năm 1886. Nhưng mãi đến năm 1964, việc nghiên cứu về quá trình cố định nitơ phân tử này mới được coi là một trong hai vấn đề quan trọng nhất của chương trình sinh học quốc tế (IBP). Ở Việt Nam. từ những năm đầu của thập kỷ 60 thế kỷ XX đã chú ý đến hướng nghiên cứu này và được chính thức đưa vào đề tài cấp Nhà nước năm 1980, với chủ đề “Sinh học phục vụ nông nghiệp” nay là “Công nghệ sinh học”. 1. Quá trình cố định nitơ phân tử tự do. a. Vi khuẩn Azotobacter. Năm 1901, Beijorinh phân lập được từ đất một loài vi khuẩn Gram âm, không sinh bào tử, có khả năng cố định nitơ phân tử. Ông đặt tên cho loài vi khuẩn này là Azotobacter chrococcum. Vi khuẩn Azotobacter khi nuôi cấy trong các môi trường nhân tạo thường biểu hiện đặc tính đa hình. Tế bào khi còn non thường có tiên mao (flagellum) có khả năng di động được. Ngoài ra tế bào còn có tiêm mao. Khi già, tế bào thường được bao bọc lớp vỏ dày và tạo thàng nang xác. Khi gặp điều kiện thuận lợi, nang xác sẽ nứt ra và tạo thành các tế bào mới. Trên môi trường có chứa etanol, Azotobacter có dạng hình que, hình bầu dục, kích thước tế bào 1,8 – 2,5 x 5,5. Trên môi trường đặc, khuẩn lạc của Azotobacter có dạng nhày, đàn hồi, khá lồi, có khi ở dạng nhăn nheo. Khi già, khuẩn lạc có màu vàng lục, màu hồng hoặc màu nâu đen. Màu sắc khuẩn lạc là một trong những tiêu chuẩn để phân loại các loài Azotobacter. Azotobacter có các loài chủ yếu sau đây: - Azotobacter chrococcum (đồng danh: Az.acidum, Az.araxii, Az.nigricans, Az.galophilum, Az.unicapsulare, Az.woodswnii). Azotobacter chrococcum có kích thước tế bào 2,0 x 3,1, có khả năng tạo nang xác, có khả năng di động được, có tiên mao. Khuẩn lạc khi già có màu nâu đen, sắc tố không khuếch tán vào môi trường. Có khả năng đồng hóa mannit, ramno, tinh bột. - Azotobacter beijerinskii có kích thước tế bào 2,4 x 5,0, có khả năng tạo nang xác, không có tiên mao, không di độnd được. Khi già có màu vàng hoặc màu nâu sáng. sắc tố không khuếch tán vào môi trường. Có khả năng đồng hóa mannit, ramno, không đồng hóa tinh bột nhưng đồng hóa được benzoat natri. - Azotobacter vinelandii (đồng danh: Az.smyrnii, Az.hilgardii, Az.vitreum, Az.fluorescens). Tế bào có kích thước 1,5 x 3,4, có khả năng tạo nang xác, có tiên mao, có khả năng di động. Sinh sắc tố màu vàng lục huỳnh quang, sắc tố khuếch tán vào môi trường, có khả năng đồng hóa mannit, ramno, có khả năng đồng hóa benzoat natri. - Azotobacter agllis (đồng danh: Az.agile – Azotobacter agile). Tế bào có kích thước 2,8 x 3,3. Không tạo nang xác, có tiên mao, có khả năng di động được. Khi già khuẩn lạc có màu vàng lục huỳnh quang. sắc tố khuếch tán vào môi trường. Không có khả năng đồng hóa benzoat natri, mannit và ramno. Azotobacter không có khả năng đồng hóa chất mùn, chúng phát triển mạnh ở môi trường giàu chất hữu cơ dễ đồng hóa. Đất có bón phân xanh, phân chuồng, rơm rạ có khả năng thúc đẩy sự phát triển của Azotobacter. Trong đất, Azotorbacter đồng hóa rất tốt các sản phẩm phân giải của xenlulo. Azotobacter có thể đồng hóa nhiều hợp chất hữu cơ và vô cơ chứa phosphat. Sự mẫn cảm cao của Azotobacter đối với phospho chứa trong môi trường cho phép người ta sử dụng chúng như là loài vi sinh vật chỉ thị để định lượng phospho dễ tiêu trong đất. Canxi cũng có ảnh hưởng lớn đến sự phát triển của Azotobacter. Vì vậy người ta cũng dùng Azotobacter là vật chỉ thị để xác định nhu cầu bón vôi cho từng loại đất. Các nguyên tố vi lượng (B, Mo, Fe, Mn) cũng rất cầb thiết đối với Azotobacter. Chúng đã giúp cho quá trình cố định nitơ tiến hành được thuận lợi. Các nguyên tố phóng xạ (radi, tori, urani) có khả năng kích thích sự phát triển của Azotobacter và quá trình cố định nitơ của chúng. Azotobacter rất mẫn cảm với pH. Nói chung chúng có thể phát triển được ở pH=4,5–9,0, nhưng pH thích hợp nhất đối với Azotobacter là pH = 7,2 – 8,2. Môi trường axit rất bất lợi đối với sự phát triển và hoạt động sống của Azotorbacter và ảnh hưởng rất xấu đến quá trình cố định nitơ của Azotobacter. tế bào Azotobacter có áp suất thẩm thấu thấp hơn so với tế bào nấm và xạ khuẩn. Nhu cầu về độ ẩm của Azotobacter tương tự đối với nhu cầu của cây trồng (là loại ưa ấm). Nhiệt độ thích hợp 25 – 300C, nhưng Azotobacter có khả năng chống chịu tốt ở nhiệt độ thấp. Azotobacter còn có khả năng tiết ra các loại vitamin và các chất sinh học như: B1, B6,... axit nicotinic, axit pentotenic, biotin, auxin. Azotobacter còn có khả năng tiết ra các loại thuốc kháng sinh để chống nấm thuộc nhóm Anixomixin. b. Vi khuẩn Beijerinskii. Năm 1893, nhà bác học Stackê (Ấn độ) đã phân lập được loại vi khuẩn ở ruộng lúa có độ axit cao và đặt tên là Beijerinskii có khả năng cố định nitơ phân tử. Giống vi khuẩn Beijerinskii có hình cầu, hình bầu dục hoặc hình que. Tế bào có kích thước 0,5 - 2,0 x 1,0 – 4,5. Có loài di động được và không di động được, không sinh bào tử và nang xác. Sinh trưởng chậm, khuẩn lạc của Beijerinskii rất lồi, rất nhày, không màu, khi già có màu tối. Vi khuẩn Beijierinskii có khả năng đồng hóa tốt các loại đường đơn và kép, đồng hóa yếu tinh bột và axit hữu cơ. Khác với Azotobacter, Beijerinskii có tính chống chịu cao với phản ứng axit, chúng có thể phát triển được ở môi trường pH trung tính hoặc kiềm yếu, độ ẩm thích hợp 70 – 80% và nhiệt độ 25 – 300C. Beijerinskii phân bố rất rộng trong tự nhiên, đặc biệt ở vùng nhiệt đới. c. Vi khuẩn Clostridium. Năm 1939, nhà bác học người Nga Vinogratxki đã phân lập được một loài vi khuẩn kỵ khí, sinh nha bào, có khả năng cố định nitơ phân tử, ông đặt tên là Clostridium pasteurianum. Tế bào Clostridium pasteurianum có kích thước 0,7 – 1,3 x 2,5 - 7,5. Chúng có thể đứng riêng, xếp từng đôi hoặc xếp thành chuỗi ngắn, có tiên mao, có khả năng di động. Bào tử có kích thước 1,3 - 1,6, có thể nằm ở giữa hoặc ở phía đầu tế bào. Người ta chia thành nhiều loài Clostridium: Clostridium butyrium; C.beijerinskii; C.pectinovorum. Clostridium có khả năng đồng hóa tất cả các nguồn thức ăn nitơ vô cơ và hữu cơ. So với Azotobacter, Clostridium ít mẫn cảm hơn đối với P, K, Ca và có tính ổn định cao hơn đối với pH. pH = 4,5 – 8,5. Độ ẩm thích hợp 60 – 80%, nhiệt độ 25 – 300C. H 5.2 tr 103 Hình dạng của một số vi khuẩn Beijerrinskii và Clostridium 2. Quá trình cố định nitơ phân tử cộng sinh. a. Khái niệm về cố định nitơ cộng sinh và quan điểm về phân loại. Quá trình đồng hóa nitơ của không khí dưới tác dụng của hệ cộng sinh tạo thành các hợp chất chứa nitơ (axit amin) được gọi là quá trình cố định nitơ cộng sinh. Mối quan hệ đặc biệt giữa cây họ đậu và vi khuẩn nốt sần (VKNS), hay địa y là mối quan hệ giữa nấm và tảo,.... Cây họ đậu hút nước, muối khoáng và các chất dinh dưỡng ở trong đất để nuôi cộng sinh, còn vi khuẩn nốt sần đồng hóa nitơ không khí nuôi cho hệ cộng sinh. Cứ như vậy chúng gắn bó với nahu như một cơ thể tuyệt hảo. Vai trò của quá trình này được các nhà khoa học ví mỗi nốt sần rễ cây họ đậu là một nhà máy sản xuất phân đạm tí hon. Năm 375 – 287 Trước Công nguyên. Nhà triết học cổ Hy lạp (theo Pharastes, trong tập “Những quan sát về cây cối”) đã coi cây họ đậu như vật bồi bổ lại sức lực cho đất. Nhận xét này đã được nhiều người cổ la mã quan tâm vào những năm 30 Trước Công nguyên. Varron đã đề nghị luân canh cây trồng với cây họ đậu. Ở Việt nam, vấn đề cố định nitơ cộng sinh này cũng được chú ý từ lâu. Năm 1773, trong “Vân đài loại ngữ” của Lê Quí Đôn “Phép làm ruộng” có nói, thứ nhất là trồng đậu xanh, sau đó trồng đậu đỗ và vừng. Năm 1833, Hellriegel và Uynfac đã khám phá ra bản chất của quá trình cố định nitơ phân tử. Các ông đã chứng minh được khả năng của vây họ đậu lấy được nitơ khí quyển là nhờ vi khuẩn nốt sần sống trong nốt sần vùng rễ cây họ đậu. Họ đã đặt tên cho vi khuẩn này là Bacillus radicicola. Sau đó, Pramovski đã đổi tên là Bacterium radicicola. Cuối năm 1889, Frank đề nghị đổi tên là Rhizobium. Về phân loại VKNS cho đến nay vẫn còn chưa hoàn thiện, nhưng có thể liệt kê như sau: + Năm 1974, theo Bergey thì VKNS bao gồm 6 loài: Rhizobium leguminosarum Rhizobium phaseoli Rhizobium trifolii Rhizobium lupini Rhizobium japonicum Rhizobium meliloti + Năm 1978, theo Mixustin thì VKNS bao gồm 11 loài: Rhizobium leguminosarum Rhizobium phaseoli Rhizobium japonicum Rhizobium vigna Rhizobium cicer Rhizobium lupini Rhizobium trifolii Rhizobium meliloti Rhizobium simplese Rhizobium lotus Rhizobium robinii + Năm 1984, theo Bergey thì VKNS thuộc họ Rhizobiaceae có 2 nhóm, gồm 7 loài sau: Nhóm 1: có 2 – 6 tiên mao, mọc theo kiểu chùm mao hoặc chu mao, phát triển nhanh trên môi trường cao nấm men (môi trường nuôi cấy VKNS). Thuộc về nhóm 1 có 4 loài: Rhizobium leguminosarum (cộng sinh ở cây đậu Hà Lan); Rhizobium phaseolii (cộng sinh ở cây đậu Cô ve); Rhizobium trifolii (cộng sinh ở cây cỏ Ba lá); Rhizobium meliloti (cộng sinh ở cây phân xanh – medicago). Thuộc về nhóm 2 có 3 loài: Rhizobium japonicum (cộng sinh ở cây đậu tương); Rhizobium vigna (cộng sinh ở cây đậu xanh, cây l5c); Rhizobium lupini (cộng sinh ở cây lupin). + Năm 1996, các nhà khoa học tạm phân loại VKNS thành 2 nhóm với 4 giống sau: Sinorhizobium feradii. Bradyrhizobium. Agrobacterium. Phyllobacterium. Trong 4 giống trên chỉ có 2 giống là Bradyrhizobium và Sinorhizobium feradii có khả năng cố định nitơ phân tử trong nốt sần rễ cây họ đậu. Còn hai giống Agrobacterium và Phyllobacterium cộng sinh ở cây không thuộc họ đậu Parasponia, được gọi riêng là Trema. Một số nhà nghiên cứu cho rằng: Agrobacterium có rất lớn trên các loại đất trồng cây lâm nghiệp, cây thuốc. Phyllobacterium có vai trò rất lớn trên các loại đất nuôi trồng thủy sản. Đặc điểm của giống Sinorhizobium feradii là những loài mọc nhanh, sản sinh axit, hình thành độ đục trên môi trường dịch thể. Khuẩn lạc hình thành trong 2 – 3 ngày, có thời gian thế hệ là 2 – 4 giờ, có kích thước 0,5 - 1,3 x 2,5 – 3,0. Có từ 2 – 3 roi, có khả năng di động được. Chúng phát triển tốt ở môi trường gluco, mannitol và sacaozơ. Loài vi khuẩn này thích hợp ở vùng nhiệt độ ôn hòa. Đặc điểm của giống Bradyrhizobium là những loài mọc chậm, sản sinh chất kiềm. Khuẩn lạc hình thành 3 – 5 ngày, có thời gian thế hệ là 6 – 6 giờ, có kích thước 0,3 - 1,2 x 2,2 – 3,2, có từ 1 – 2 tiên mao, có khả năng di động được. Chúng phát triển tốt ở môi trường pentozơ. b. Đặc tính sinh học và tính chuyên hóa của vi khuẩn nốt sần. Vi khuẩn nốt sần Rhizobium là loại trực khuẩn hình que, hảo khí, gram âm, không sinh nha bào, có tiên mao nmọc theo kiểu đơn mao hoặc chu mao, có khả năng di động được. Khuẩn lạc có màu đục, nhày, lồi, có kích thước 2 – 6 mm. Tế bào Rhizobium có kích thước 0,5 - 0,9 x 1,2 – 3,2. Chúng thích ứng ở pH = 6,5 – 7,5, độ ẩm 60 – 70%, nhiệt độ 28 – 300C. H 5.3 tr 106 Nốt sần rễ họ đậu Về quan hệ giữa vi khuẩn nốt sần với cây họ đậu đã được nghiên cứu rất nhiều, chúng tạo thành một thể sinh lý hoàn chỉnh, khi tách rời, khả năng đồng hóa nitơ phân tử không còn. tất nhiên không phải cây họ đậu nào cũng có VKNS cộng sinh. Theo Anlen thì người ta mới tìm hiểu được khả năng tạo nốt sần của 1.200 loài trong số hơn 11.000 loài cây thuộc bộ đậu. Trong số 1.200 loài này có 133 loài (khoảng 9%) được chứng minh là không có khả năng tạo nốt sần. Tỉ lệ các loài không tạo thành nốt sần ở các họ khác nhau không giống nhau. Khi nốt sần đã hình thành rồi thì độ ẩm cao hay thấp ít ảnh hưởng đến hoạt động của chúng. Độ thoáng khí của đất có liên quan đến số luợng và chất lượng nốt sần. Nốt sần tạo thành nhiều ở các rễ phân bố nông (xung quanh cổ rễ cây họ đậu), càng xuống sâu, ít oxy, số lượng nốt sần ít hơn. Điều kiện kém thoáng khí làm giảm hàm lượng sắc tố Leghemoglobin, làm giảm tính kháng nguyên và chất hoạt tính hô hấp của vi khuẩn nốt sần. c. Sự hình thành hệ cộng sinh ở rễ cây họ đậu. H 5.4 tr 107 Sự hình thành nốt sần Chỉ tiêu đánh giá nốt sần trong quá trình cộng sinh là tính chất về hình thái, sinh lý, sinh hóa của nốt sần tạo nên ở rễ cây, thể hiện trong từng giai đoạn, từng mức độ cố định nitơ của hệ cộng sinh. + Giai đoạn đầu là giai đoạn xâm nhiễm của VKNS vào rễ cây họ đậu: Vi khuẩn nốt sần thường xâm nhập vào rễ cây họ đậu thông qua các lông hút và đôi khi thông qua vết thương ở vỏ rễ. Mỗi loại cây họ đậu thường tiết ra xung quanh rễ những chất có tác dụng kích thích những chủng vi khuẩn nốt sần chuyên tính và ức chế những chủng không chuyên tính để thực hiện quá trình xâm nhiễm như các hợp chất gluxit, các axit amin, các axit hữu cơ (axit malic, axit asparaginic,...). Nhiều tác giả cho rằng, VKNS có tính chuyên tính rất cao đối với cây họ đậu cùng chi. Một số lại cho rằng chúng có tính chuyên tính thấp đối với cây họ đậu cùng chi. Theo quan điểm thứ nhất người ta làm thí nghiệm thấy chủng ĐX1 (VKNS cây đậu xanh) nhiễm cho cây lạc không tạo được nốt sần ở lạc, còn theo quan điểm thứ hai thì chủng G3 (VKNS đậu tương) nhiễm cho cây lạc tạo được nốt sần. Dưới ảnh hưởng của vi khuẩn nốt sần, cây hô đậu tiết ra enzym polygalacturonaza làm phá vỡ thành lông hút và giúp cho vi khuẩn nốt sần xâm nhập vào rễ. Ở trong lông hút, vi khuẩn nốt sần sẽ tạo thành “dây xâm nhập”, đó là một khối chất nhày dạng sợi, bên trong chứa đầy vi khuẩn dạng hình que, “dây xâm nhập” đi dần vào bên trong với tốc độ khoảng 5 – 8/s. Sự vận động của “dây xâm nhập” được thực hiện dưới áp lực sinh ra do sự phát triển của VKNS bên trong dây. Đến lớp nhu mô, VKNS kích thích các tế bào rễ cây phát triển và phân chia, vi khuẩn thoát ra khỏi “dây xâm nhập” và đi vào tế bào chất. Ở đó chúng sinh sản rất nhanh và tạo dạng giả khuẩn. H 5.50tr 108 Cơ chế xâm nhập của Rhizobium vào rễ cây Cường độ cố định nitơ của từng loại cây trồng khác nhau thì khác nhau, vì vậy cho số lượng nốt sần khác nhau, thậm chí còn phụ thuộc vào từng giai đoạn sinh trưởng của cây: Cây đậu xanh có nốt sần sớm hơn ở các cây họ đậu đỗ khác (10 – 15 ngày có nốt sầb). Cây đậu tương sau 20 -25 ngày có nốt sần, còn ở cây lạc có nốt sần 25 – 30 ngày sau khi cây mọc. Số lượng nốt sần tổng số và nốt sần hữu hiệu ở cây đậu đỗ đạt cực đại vào thời Kỳ cây ra hoa, hình thành quả non và giảm dần đến cuối vụ thu hoạch. 3. Các loại vi sinh vật cố định nitơ khác. Ngoài những giống vi sinh vật cố định nitơ phân tử trên còn vô số các loài khác có các vi sinh vật cố định nitơ phân tử tạo nốt sần ở thân cây như cây điền thanh (Sespania nostota), ở trên kẽ lá hoặc trên lá. a. Vi khuẩn. ♦ Hảo khí: Azotomonas insolita, Azotomonas fluorescens, Pseudomonas azotogenis, Azospirillum. ♦ Hảo khí không bắt buộc: Klebsiella pneumoniae, Aerobacter acrogenes, Bacillus polmyxa. ♦ Kỵ khí quang hợp: Rhodospirillum, Chromatium sp, Chlorpbium sp, Rhodomicrobium sp,.... ♦ Kỵ khí không quang hợp: Desulfovibrio desulfuricans, Methanobacterium sp. b. Xạ khuẩn: Một số loài Streptomyces (hay Actinomyces). c. Nấm: Thodotorula. d. Tảo: ♦ Đơn bào: Glococapsa sp. ♦ Hình sợi: Không có dị bào (heterocystous), Lungbyaps, Oscillatori sp. Plectonema sp. Boryanum, Plectonema sp. ♦ Hình sợi: Có dị tế bào: Anabaena ampigua. A.azollae, A.cycadae, A.cylindrica, A.Fartilissima, Calothrix brevissima, Cal.elenkii, Cal.paricalina, Cylindrospermun, Cyl.gorakhporense, Cyl.lioheniforme, Nostoccaloicola, N.commune, N.cycadae, N.entophytum, N.muscorum, N.paludosum, N.punctiforme, N.sphaerium, Scytonema arcangelli, Scyt.hotmanii, Scyt.dendroideum, Tolypothrix tenus. 4. Cơ chế của quá trình cố định nitơ phân tử. Trong suốt thời gian dài, cơ chế của quá trình cố định nitơ vẫn là một bí mật đầy hấp dẫn của tự nhiên. Trong khi con người phải sử dụng những điều kiện kỹ thuật rất cao và tốn kém (400 – 5000C, 200 – 1000 atm) để phá vỡ mối liên kết ba của phân tử nitơ. Phân tử N2 (có năng luợng là 9,4 x 105J/mol) thì các vi sinh vật cố định nitơ lại có thể đồng hóa ngay trong các điều kiện rất bình thường về áp suất và nhiệt độ. Những thành tựu nghiên cứu trong những năm gần đây đã cho thấy rõ được một phần cơ chế của quá trình cố định nitơ nhờ enzim. Có thể nói, quá trình cố định nitơ là một quá trình khử N2 thành NH3 và enzim nitrogenaza đã xúc tác cho quá trình khử này khi có mặt ATP. N2 + AH2 + ATP NH3 + A + ADP + P (AH2 chất cho e) Bằng phương pháp sắc ký khí trên máy ICC “120” BIP (Pháp) với cột sắc ký Poropak, ta nhận được và xác định được cường độ cố định nitơ phân tử theo hoạt tính nitrogenaza. Sau một thời gian dài, các nhà khoa học dần hoàn thiện cơ chế cố định nitơ phân tử. Theo cơ chế hoàn thiện mới nhất (1992) thì quá trình cố định nitơ được thể hiện bằng phương trình sau đây: N N NH = NH H2N – NH2 NH3 N2 + 8H+ + 8e- + 16Mg.ATP + 16O 2NH3 + H2O + 16Mg.ADP + 16P Cơ chế của quá trình cố định nitơ này khá phức tạp và được làm sáng tỏ nhờ các công trình nghiên cứu công bố trong nhiều năm gần đây (Hardy, Bun, 1968; Mortenson, 1966, 1968; Hardetal, 1970; Bulen, Le Comte, 1966; Bergersen, 1969; Gvozdz et al, 1971; Silop, 1971,...). Nitrogenaza được tinh chế từ Az.vinelandii vào năm 1966 (Bulen, Lecomte, 1966). Về sau này được xác minh là gồm hai phần khác nhau: enzim I (có khối lượng phân tử bằng 40.000 – 60.000 và có chứa hai nguyên tử không hemin) (Burns, 1970). Electron của các chất khử (feredoxin, ditionit) đi vào trung tâm có chứa Fe của thành phần II (protein – Fe) và tiếp tục chuyển cho thành phần enzim (protein – Fe – Mo). Electron đã hoạt hóa sẽ đi th