TRIỂN VỌNG ỨNG DỤNG VI SINH VẬT HỮU ÍCH TRONG NÔNG NGHIỆP VÀ BẢO VỆ MÔI TRƯỜNG Lê Như Kiu SUMMARY The prospects of useful microorganism application in agriculture and environmental preserve Environmental pollution, caused by chemical fertilizers and pesticides to surface and groundwater, and improper treatment of human and animal wastes has caused serious environmental and social problems throughout the world. Many attempts have been made to solve these problems using established chemical and physical methods. However, they have usually found that such problems cannot be solved without using microbial methods and technologies in coordination with agricultural production. In this context, the use of microbial inoculants in agriculture (biofertilizers, phytostimulators and biopesticides) represents an attractive environmentally - friendly alternative to further applications of mineral fertilizers and chemical pesticides. PGPR (Plant Growth - Promoting Rhizobacteria) and soil microorganisms play very important roles in improving soil quality, plant growth, yield, and plant health by fixing atmospheric nitrogen, suppressing plant diseases and soil - borne pathogens, enhancing nutrient cycling, and producing bioactive compounds such as vitamins, hormones and enzimes. In addition, they are active participants in bioremediation to decompose organic wastes and residues, detoxify pesticides and immobilize or solublize heavy metals. In Vietnam, bioremediation has been applied to clean oily - polluted water and soil. A continued exploration of the natural biodiversity and potential applications of beneficial indigenous microorganisms to sustainable agriculture and environment protection represents a prerequisite step to develop more efficient microbial inoculants in the coming years. Keywords: Environmental microorganisms, agricultural microorganisms. I. T VN  Hơn 50 năm qua, vi sinh vt ã ưc s dng trong các lĩnh vc khác nhau như y hc, sc kho con ngưi và vt nuôi, ch bin thc phNm, an toàn và cht lưng thc phNm, k thut di truyn, bo v môi trưng, công ngh sinh hc nông nghip và x lý hiu qu hơn ph thi sinh hot và nông nghip, trong ó ng dng ca chúng trong nông nghip và bo v môi trưng t mc k lc cao nht. Trong nhiu năm qua, các nhà vi sinh vt có khuynh hưng phân bit các vi sinh vt t có li hoc có hi theo chc năng ca chúng và phương thc tác ng n cht lưng t, năng sut, sinh trưng, sc kho ca cây trng và môi trưng bao gm: + Vi sinh vt có li: Là nhng vi sinh vt có th c nh nitơ khí quyn, phân hu tn dư các cht c, cht thi hu cơ, kh c thuc tr sâu, c ch bnh cây và các mm bnh trong t, tăng cưng chu trình dinh dưng và sn sinh các hp cht có hot tính sinh hc như vitamin, hormon và enzim kích thích sinh trưng ca thc vt + Vi sinh vt có hi: Là nhng vi sinh vt gây bnh cho cây trng, kích thích các mm bnh trong t phát trin, sn sinh các c t gây tác ng có hi cho sinh trưng, phát trin ca cây trng và môi trưng. II. CÁC QUÁ TRÌN H PHÂN HY CHT HU CƠ CA VI SIN H VT * Phân huỷ xenluloza * Phân huỷ protein Protein là thành phn quan trng ca t bào sinh vt, khi ng vt, thc vt cht i, ngun protein có trong t bào ưc tích lu li ngoài môi trưng. Protein cha ti 15 - 17% nitơ, nhưng sinh vt không th hp th trc tip protein mà phi thông qua s phân hu ca vi sinh vt  to thành các sn phNm cui cùng mà cây trng, vi sinh vt có th hp th ưc như: Axit amin, CO 2 , N 2 , SO 4 , P * Phân huỷ tinh bột III. N G DN G VI SIN H VT TRON G N ÔN G N GHIP 1. Ứng dụng vi sinh vật trong trồng trọt Sn xut nông nghip ph thuc ch yu vào vi sinh vt  duy trì và cân bng h sinh thái ca t, hơn 1 t vi sinh vt có th ưc tìm thy trong 1 gam t, trong s này có hơn 10.000 loài khác nhau và vi khuNn là nhóm phong phú nht, trong ó nhng vi sinh vt hu ích chim ưu th, do vy vi sinh vt óng vai trò quan trng  tăng trưng cây trng. N hưng trong thc tin sn xut nông nghip, các k thut canh tác hin i da ch yu vào phân bón và thuc tr sâu hóa hc  bo v cây trng khi sâu bnh nhm thu ưc năng sut cao. Song vic s dng thuc tr sâu hoá hc ã gây ra mi lo ngi v s có mt ca các cht c hi trong chui thc ăn và môi trưng. Chính nhng quan ngi v hu qu cho môi trưng và sc kho con ngưi nên cách tip cn mi i vi vic canh tác ó là nghiên cu ng dng các k thut thân thin vi môi trưng và duy trì s cân bng h sinh thái t. Trong ó, vic nghiên cu và s dng vi sinh vt hu ích trong nông nghip như to phân bón sinh hc, các cht kích thích sinh trưng thc vt và thuc tr sâu sinh hc an toàn vi môi trưng, dn dn thay th hoc kt hp vi vic s dng mt phn rt nh phân hoá hc và các loi thuc tr sâu hoá hc là rt cn thit và cp bách. Các vi sinh vt có li trong nông nghip bao gm: - Vi sinh vt chuyn hoá cacbon to cho cacbon ưc chuyn hoá tun hoàn liên tc trong t nhiên. - Vi sinh vt c nh m thuc chi Azotobacter, Enterobacter, Rhizobium - Vi sinh vt có kh năng tng hp các cht iu hòa sinh trưng nhóm Azotobacter - Vi sinh vt thuc chi Trichoderma có kh năng amôn hóa kitin (kitin là mt hp cht C cha gc amin) là thành phn ca v nhiu loi côn trùng và giáp xác Chi này có kh năng tit enzim kitinaza, β - 1,3 glucanaza và kitobiaza phân hu phân t kitin thành các gc ơn phân t, sau ó gc amin ưc amôn hoá to thành NH 3 . - Vi sinh vt phân hu các hp cht photpho (P) hu cơ trong cơ th ng thc vt  to thành các các mui axit photphoric dng d tan ưc cây trng hp th, thuc chi Pseudomonas, Achromobacter, Bacillus, Bradyrhizobium - Vi sinh vt i kháng vi mt s bnh cây như chi Trichoderma, Bacillus, Pseudomonas, Actinomycetes, Penicillium, Actinomycetes, Serratia áng chú ý là nhiu loài vi sinh vt có mt vi s lưng ln trên b mt r và trong r hơn là trong t vì chúng không b nh hưng bi các nhân t môi trưng. Vi sinh vt h r có kh năng kích thích sinh trưng và bo v cây trng khi s xâm nhp ca vi sinh vt có hi và vi sinh vt gây bnh. Nhóm vi sinh vt h r kích thích sinh trưng thc vt (Plant Growth - Promoting Rhizobacteria - PGPR) có kh năng sn sinh các cht hoá hc, kháng sinh, các cht d bay hơi, enzim thu phân và enzim kh nhân t c, c bit là cơ ch siderophore ái lc vi st, tt c u có hot tính c ch vi sinh vt gây bnh. Do ó, vic nghiên cu a dng sinh hc ca vi sinh vt t và tương tác gia chúng vi h r và cây trng  khai thác tt các chng hu ích là bưc quan trng  sn xut và phát trin các ch phNm sinh hc có hiu qu hơn. Ảnh 1. Ức chế các vi khun gây bệnh của các chủng vi sinh vật đối kháng A - Đối kháng của Pseudomonas với Ralstonia solanacearum. B - Đối kháng của Bacillus subtilis với Vibrio parahaemolyticus. C - Đối kháng của Lactobacillus acidophillus với V. parahaemolyticus. D - Đối kháng của Bacillus subtilis với E. coli DH5α. H r là v trí có s liên quan cht ch và mt thit nht gia r cây, vi sinh vt và t. R cây có chc năng nhn dinh dưng khoáng và nưc cn cho s sinh trưng và phát trin ca cây, nhưng r cũng gii phóng các cht hu cơ ra môi trưng t xung quanh làm giàu môi trưng t và là thc ăn quan trng ca vi sinh vt. Do vy, vùng t tip xúc vi r cây còn gi là h r nơi có s hot ng ca vi sinh vt rt cao. Ngoài kích thích sinh trưng thc vt trc tip, chúng còn có tác dng kích thích gián tip thông qua cơ ch cm ng kháng h thng. Trong trưng hp này, PGPR làm bin i sinh lý ca cây ch cũng như các phn ng trao i cht khin cho cây ch tng hp các cht hoá hc có kh năng chng li s xâm nhp ca mm bnh và các nhân t vô sinh. Pseudomonas và Bacillus là hai nhóm vi khuNn h r ưc s dng nhiu nht cho n nay. 2. Ứng dụng vi sinh vật trong cải tạo đất Ngoài vic tác ng trc tip ti cây trng, vi sinh vt cũng óng vai trò quan trng trong ci to t, vì hu ht các quá trình bin i hoá hc xy ra trong t u có s óng góp tích cc ca chúng. c bit là gi vai trò tích cc trong m bo  phì nhiêu ca t do s tham gia ca chúng trong các chu trình dinh dưng như chu trình cacbon và nitơ cn thit cho sinh trưng ca thc vt. Vi sinh vt t như nm cng sinh (Mycorrhiza) có th làm tăng  dinh dưng khoáng có sn (như photpho) cho thc vt. Các vi sinh vt t khác cũng có th làm tăng lưng dinh dưng trong t. Chng hn như, vi khuNn c nh nitơ có th bin i nitơ khí quyn thành các hp cht nitơ hoà tan mà r cây có th s dng  sinh trưng. Nhóm nm men Lipomyces có kh năng sinh polysacharit to nên màng nhày  gi Nm cho t, tăng  kt cu ca t, chng ra trôi và gim s bay hơi ca nưc. ng dng nhóm nm men này  gi Nm cho các vùng khô hn, sa mc và ph xanh t trng i trc. Nhng vi sinh vt này ã ci thin  phì nhiêu ca t và góp phn cho tăng trưng cây trng. Nhóm vi sinh vt t khác cũng ã ưc tìm thy có kh năng sn sinh các hp cht như vitamin và các hormon thc vt làm tăng sc sng cho cây trng và góp phn làm tăng năng sut. A B C D IV. NG DNG VI SINH VT TRONG BO V MÔI TRƯNG Ngoài nhng ng dng ni bt ca vi sinh vt trong thc tin sn xut nông nghip, chúng còn ưc quan tâm s dng trong bo v môi trưng. Mt quá trình s dng vi sinh vt ưc bit nhiu nht n nay là s phân hu sinh hc (Bioremediation). Quá trình này s dng vi sinh vt  phá hu các cht ô nhim hoá hc, cht ô nhim hu cơ n nng  hoc là không th phát hin ưc hoc dưi ngưng an toàn. Các vi sinh vt có li trong x lý môi trưng bao gm: - Vi sinh vt có kh năng chuyn hoá xenluloza thành glucoza ch yu là thuc nhóm vi nm, c bit là các chi Trichoderma, Aspergillus, Fusarium, Mucor có kh năng tit ra h enzim xenlulaza gm 4 loi enzime khác nhau: xenlobiohydrolaza; endoglucanaza; exo - glucanaza và β - glucosidaza. - Vi sinh vt phân gii tinh bt thành glucoza ch yu là các vi nm thuc các chi: Aspergillus, Fusarium, Rhizopus có kh năng tit ra môi trưng h enzim amilaza gm 4 loi enzime: α - amilaza, α - amilaza, amilo 1,6 glucosidaza và glucoamilaza. - Hai nhóm vi sinh vt phân gii ưng ơn (ưng 6C) nh quá trình lên men các cht hu cơ chưa ưc oxy hoá trit , ó là nhóm hiu khí và nhóm lên men. - Vi sinh vt có kh năng amôn hoá protein, trong nhóm vi khuNn có Bacillus, Pseudomonas, Clostridium; x khuNn có Streptomyces; vi nm có Aspergillus, Penicilium Ảnh 2. Vòng phân giải protein, tinh bột, CMC của Bacillus subtilis - Vi sinh vt phân hu các axit amin cha S như: metionin, xystein và trong nhiu loi enzim quan trng thành H 2 S và cht này ưc chuyn hoá thành S và SO 4 , mt phn ưc to thành S hu cơ ca t bào vi sinh vt. - Vi sinh vt có kh năng ng dng tt trong x lý môi trưng thuc chi Aspergillus, Stenotrophomonas, Pseudomonas, Curvularia Thông thưng trong môi trưng x lý cht thi không có  h vi sinh vt hu hiu, do vy quá trình phân hy cht thi din ra theo s phân hy ơn (ch phân hy protein thành các sn phNm NH 3 , NO 2 , H 2 S và NO 3 ) nên ô nhim môi trưng. Sơ đồ phân hủy đơn: Sơ đồ phân hủy kép: T¹p chÝ khoa häc vµ c«ng nghÖ n«ng nghiÖp ViÖt Nam 7 Các vi sinh vt như: Bacillus subtilis, Lactobacillus acidophilus, Saccharomyces cerevisae, Aspergillus oryzae và Streptomyces sp. v v có kh năng phân hu kép (phân hy ng thi c protein và các hydratcacbon n sn phNm cui cùng là axit amin, ưng ơn, phn ln chúng ưc cơ th sinh vt hp th  to thành sinh khi ca chúng, mt phn ưc phân gii thành CO 2 và H 2 O). Như vy, t cht hu cơ ban u ã ưc các vi sinh vt phân gii thành khí CO 2 và nưc nên ã không gây ra khí c (NH 3 , NH 4 , NO 2 , H 2 S và NO 3 ), quá trình này ng nghĩa vi vic làm sch môi trưng. Tim năng ca nm trng (white rot fungi) ưc nghiên cu ng dng  phân hy các cht ô nhim và phây hu lignin. Nhóm nm này có kh năng phân hu các loi hydratcacbon, thuc tr sâu, thuc nhum, kim loi nng và các loi khác bng cách kh c hoc làm bt ng. Aust và cng s cho rng hu ht nm trng kháng vi mc  c ca các cht ô nhim so vi nhiu vi khuNn liên quan n quá trình này. Phân hu các hp cht hu cơ do nm trng có kh năng sn sinh các enzim thu phân lignin và các hp cht hu cơ khác xúc tác cho các phn ng khác nhau như kh quá trình polyme hoá và m vòng thơm. Các hydratcacbon thơm (PAH) b phân hu bi các loài nm trng như Crinipellis stipitaria, Phanerochaete chrysosporium và Pleurotus sp. và các loài không phi nm trng như Aspergillus niger, Cunninghamella elegans và Penicillium janthinellum. Các loài nm trng có kh năng khoáng hoá PAH bng cách ưa oxy vào vòng làm cho các phân t này d hoà tan hơn và có hot tính hoá hc hơn. Phn ng này ưc tin hành bi các enzim ngoi bào do nm trng sn sinh. Levin và cng s ánh giá kh năng ca Trametes trogii phân hu nitrobenzen và anthracen. Loài nm này sng sót ưc  nng  cao cht ô nhim hu cơ và phân hu ưc 90% anthracen và 97% nitrobenzen. Pleurotus pulmonarius cũng ưc tìm thy có kh năng phân hu atrazin, mt cht dit c thưng ưc s dng và tn ti dai dng trong môi trưng ã ưc tìm thy trong nưc ngm. Segula và cng s ch ra rng P. pulmonarius ưc nuôi trên thân cây bông và lúa mì có th phân hu atrazin thành các cht trao i mà sau ó b phân hu tip bi vi khuNn. Trong vòng 2 tun thì 50% lưng atrazin s b phân hu ht. Thuc nhum s dng trong công nghip dt may ưc quan tâm nhiu vì các loi thuc nhum ưc bit là gây ra ung thư như benzidin và các hp cht thơm khác. Robinson và cng s thông báo rng P. chrysosporium có kh năng kh màu thuc nhum n 99% trong vòng 7 ngày. Sanghi và cng s chng minh rng nm trng Coriolus versicolor có th kh màu tím remazol brilliant n gn 90%. Các nghiên cu khác ã ưc th nghim tác ng ca nm trng  phân hu TNT. Nm cũng có th tác ng n quá trình bin i kim loi  mt s loi môi trưng như ph thi công nghip, qung loi thp và khoáng kim loi. Các loi kim loi có th ưc hoà tan bi các axít hu cơ (axít oxalic, axít citric ) do nm sn sinh ra. Ngoài ra, các kim loi có th b bt ng bi khuNn ty ca nm (sng hoc cht) do chúng b hp thu lên t bào hoc quá trình kt ta/cô lp ni bào hoc ngoi bào. Mt s v trí liên kt kim loi bao gm chitin, amino, carboxyl, phosphate, sulfhydryl và các nhóm chc năng khác. Mt trong s các c im chính liên quan n hp thu sinh hc ngoài nhit  là pH. Ph pH cho quá trình hp thu sinh hc kim loi là 4 n 7 (Gadd, 2001). Tích lu sinh hc kim loi như cadmium, km và cesium do mt s loi nm ã ưc phát hin. KhuNn ty nm không nhng ly kim loi mà còn vn chuyn kim loi n các b phn "n hoa" ca chúng. V. KT LUN T¹p chÝ khoa häc vµ c«ng nghÖ n«ng nghiÖp ViÖt Nam 8 ng dng vi sinh vt hu ích trong nông nghip và bo v môi trưng không ch là mi quan tâm nghiên cu ca các nhà khoa hc trong các lĩnh vc nông nghip và môi trưng mà còn là nh hưng chin lưc phát trin bn vng ca ng và Nhà nưc.  Vit Nam, các ch phNm sinh hc như phân bón và thuc tr sâu sinh hc ã và ang s dng ch yu là nhp ngoi vi giá thành cao. Vi c thù là mt nưc nông nghip và ngun gen vi sinh vt bn a ưc ánh giá là rt a dng. Do vy, vic nghiên cu ng dng vi sinh vt bn a hu ích trong nông nghip và môi trưng cn ưc u tư hơn na. Tuy nhiên, trong thc t nghiên cu và ng dng các ch phNm vi sinh vt còn gp nhiu khó khăn như: Giá thành thưng cao so vi các ch phNm hóa hc, phong tc tp quán ca ngưi nông dân thay i còn chm, công tác tuyn truyn, qung bá còn yu, sách báo ph cp còn thiu, do vy mà nhiu ch phNm vi sinh vt chưa i vào cuc sng như tim năng có sn ca chúng. TÀI LIU THAM KHO 1 Alexander, M., 1994. Biodegradation and bioremediation. San Diego, Ca.: Academic Press. 2 Arora Diplip K., 1996. Hand book of applied mycology. Volume 1: Soil and Plant, 327 - 355. 3 Aust, S. D., P. R., Swaner, and J. D. Stahl., 2003. Detoxification and metabolism of chemicals by white - rot fungi. In: Pesticide decontamination and detoxification, 3 - 14. Washington D. C.: Oxford University Press. 4 Bumpus, J. A., M., Tien, D. S. Wright, and S. D., Aust., 1985. Oxidation of persistent environmental pollutants by a white - rot fungus. Science. 228: 1434 - 1436. 5 Cocchi, L., L., Vescovi, L. E., Petrini, and O., Petrini., 2005. Heavy metals in edible mushrooms in Italy. Food Chemistry. Available online at Elsevier. 6 Dutta, S. K., M. M., Jackson, L. H. Hou, D. H. Powell, and H. E., Tatem., 1998. Non - ligninolytic TNT Mineralization in contaminated soil by Phanerochaete chrysosporium. Bioremediation Journal. 2: 97 - 103. 7 Gadd, G. M., 2001. Fungi in Bioremediation. U. K.: Cambridge University Press. 8 Levin, L. A., A. Viale, A. Forchiassin., 2003. Degradation of organic pollutants by the white rot basidiomcete Tramete trogii. International Biodeterioration and Biodegradation. 52:1 - 5. 9 Reddy, C. A., 1995. The potential for white - rot fungi in the treatment of pollutants. Current Opinion Biotechnol. 6:320 - 328. 10 Rittman, B. E., and P. L., McCarty., 2001. Environmental Biotechnology: Principles and Application. N.Y.: McGraw Hill. gười phản biện: Phạm Quang Hà . TRIỂN VỌNG ỨNG DỤNG VI SINH VẬT HỮU ÍCH TRONG NÔNG NGHIỆP VÀ BẢO VỆ MÔI TRƯỜNG Lê Như Kiu SUMMARY The prospects. năng kích thích sinh trưng và bo v cây trng khi s xâm nhp ca vi sinh vt có hi và vi sinh vt gây bnh. Nhóm vi sinh vt h r kích thích sinh