HỌC PHẦN VI SINH VẬT TRONG NÔNG NGHIỆP CHỦ ĐỀ VI SINH VẬT TRONG TỰ NHIÊN

ĐẠI HỌC CẦN THƠTRƯỜNG NÔNG NGHIỆP

HỌC PHẦN: VI SINH VẬT TRONG NÔNGNGHIỆP

CHỦ ĐỀ: VI SINH VẬT TRONG TỰ NHIÊN Giảng viên: Cô Lê Thị Ngọc Xuân

9Bùi Gia ThiênB2003167

Vi sinh vật là các sinh vật đơn bào hoặc đa bào, nhân sơ hoặc nhân thực, có kích thước rất nhỏ và thường chỉ quan sát được qua kính hiển vi Vi sinh vật bao gồm cả vi khuẩn, virus, nấm, tảo và nguyên sinh động vật (Nguyễn Thị Thắm, 2021).

2 Đặc điểm vi sinh vật2.1 Kích thước nhỏ

Vi sinh vật có kích thước nhỏ bé nên mắt thường khó có thể quan sát được Chúng thường được đo bằng micromet (μm, micrometre), virus thường được đom, micrometre), virus thường được đo bằng nanomet (nm, nanometre) Do vi sinh vật có kích thước nhỏ bé nên diện tích bề mặt của một tập đoàn vi sinh vật rất lớn (Lê Xuân Phương, 2008).

2.2 Hấp thu nhiều, chuyển hóa nhanh

Vi sinh vật tuy có kích thước nhỏ bé nhất trong sinh giới nhưng năng lực hấp thu và chuyển hoá của chúng có thể vượt xa các sinh vật bậc cao Nếu tính số μm, micrometre), virus thường được đol O2 mà mỗi mg chất khô của cơ thể sinh vật tiêu hao trong 1 giờ thì ở mô lá hoặc mô rễ thực vật là 0,5 - 4, ở tổ chức gan và thận động vật là 10 - 20, còn ở nấm

men rượu (Sacharomyces cerevisiae) là 110, ở vi khuẩn thuộc chi

Pseudomonas là 1200, ở vi khuẩn thuộc chi Azotobacter là 2000 Năng lực

chuyển hoá sinh hoá mạnh mẽ của vi sinh vật có tác dụng rất lớn trong tự nhiên cũng như trong hoạt động sống của con người (Lê Xuân Phương, 2008).

2.3 Sinh trưởng và phát triển mạnh

So với các sinh vật khác thì vi sinh vật có tốc độ sinh trưởng và phát triển cực

kỳ lớn Vi khuẩn Escherichia coli cứ khoảng 12 - 20 phút lại phân chia một lần

trong các điều kiện thích hợp Nếu lấy thời gian thế hệ (generation time) là 20 phút thì mỗi giờ phân cắt 3 lần, 24 giờ phân cắt 72 lần, từ một tế bào ban đầu sẽ sinh ra 4.722.366.500.000.000.000.000 tế bào (nặng 4711 tấn) Tuy nhiên trong thực tế không thể tạo ra các điều kiện sinh trưởng lý tưởng như vậy nên số lượng vi khuẩn thu được trong 1 ml dịch nuôi cấy thường chỉ đạt tới mức độ 108

- 10 9 tế bào Thời gian thế hệ của nấm men Saccharomyces cerevisiae là 120

phút Khi nuôi cấy để thu nhận sinh khối (biomass) giàu protein phục vụ chăn nuôi người ta nhận thấy tốc độ sinh tổng hợp (biosynthesis) của nấm men này cao hơn của bò tới 100.000 lần (Hà Thị Thắm, 2021).

2.4 Có năng lực thích ứng mạnh và dễ phát sinh biến dị

Năng lực thích ứng của vi sinh vật vượt rất xa so với động vật và thực vật Trong quá trình tiến hoá lâu dài vi sinh vật đã tạo cho mình những cơ chế điều hoà trao đổi chất để thích ứng được với những điều kiện sống rất bất lợi Người ta nhận thấy số lượng enzyme thích ứng chiếm tới 10% lượng chứa protein trong tế bào vi sinh vật Ở nơi sâu nhất trong đại dương (11034m) nơi có áp lực tới 1103,4 atm vẫn tồn tại vi sinh vật sinh sống Nhiều vi sinh vật thích nghi với điều kiện sống hoàn toàn thiếu oxi (vi sinh vật kị khí bắt buộc - obligate anaerobes) Một số nấm sợi có thể phát triển thành váng dày ngay trong bể ngâm xác có nồng độ phenol rất cao (Hà Thị Thắm, 2021).

Vi sinh vật rất dễ phát sinh biến dị bởi vì thường là đơn bào, đơn bội, sinh sản nhanh, số lượng nhiều, tiếp xúc trực tiếp với môi trường sống Tần số biến dị ở vi sinh vật thường là 10 -5 - 10 -10 Hình thức biến dị thường gặp là đột biến gen (gene mutation) và dẫn đến những thay đổi về hình thái, cấu tạo, kiểu trao đổi chất, sản phẩm trao đổi chất, tính kháng nguyên, tính đề kháng (Hà Thị Thắm, 2021).

2.5 Phân bố rộng và nhiều chủng loại

Vi sinh vật phân bố ở khắp mọi nơi trên trái đất Chúng có mặt trên cơ thể người, động vật, thực vật, trong đất, trong nước, trong không khí, trên mọi đồ dùng, vật liệu, từ biển khơi đến núi cao, từ nước ngọt, nước ngầm cho đến nước biển Có khoảng trên 100.000 loài vi sinh vật, bao gồm 69.000 loài nấm, 30.000 loài động vật nguyên sinh, 1.200 loài vi tảo, 2.500 loài vi khuẩn lam,

1.500 loài vi khuẩn, 1.200 loài virus và Rickettsia Đặc biệt, do tính chất dễ phát

sinh đột biến nên số lượng loài vi sinh vật được tìm thấy ngày càng tăng Ở độ sâu 10.000 m của Đông Thái Bình Dương, nơi hoàn toàn tối tăm, lạnh lẽo và có áp suất rất cao người ta vẫn phát hiện thấy có khoảng 1 triệu - 10 tỉ vi khuẩn/ ml (chủ yếu là vi khuẩn lưu huỳnh) (Lê Xuân Phương, 2008).

II PHÂN BỐ VI SINH VẬT

1 Phân bố của vi sinh vật trong đất

Đất là môi trường thích hợp nhất đối với vi sinh vật, là nơi cư trú rộng rãi nhất của vi sinh vật, cả về thành phần cũng như số lượng so với các môi trường khác Sở dĩ như vậy vì trong đất nói chung và trong đất trồng trọt nói riêng có một khối lượng lớn chất hữu cơ Đó là nguồn thức ăn cho các nhóm vi sinh vật dị dưỡng, nhóm vi sinh vật phân huỷ các hợp chất Nitơ hữu cơ Các chất vô cơ có trong đất cũng là nguồn dinh dưỡng cho các nhóm vi sinh vật tự dưỡng Đó là các nhóm phân huỷ các chất vô cơ, chuyển hoá các chất hợp chất S, P, Fe

Sự phân bố vi sinh vật khác nhau phụ thuộc vào hàm lượng các chất dinh dưỡng Mức độ thoáng khí của đất cũng là một điều kiện ảnh hưởng đến sự phân bố của vi sinh vật Các nhóm háo khí phát triển ở nhiều nơi có nồng độ ôxy cao Những nơi yếm khí, hàm lượng oxy thấp thường phân bố nhiều loại vi sinh vật kị khí.

Thành phần vi sinh vật trên bề mặt đất rất ít do ngay trên bề mặt đất độ ẩm không phải là thích hợp cho vi sinh vật phát triển, bị mặt trời chiếu rọi nên vi sinh vật bị tiêu diệt.

Số lượng và thành phần vi sinh vật trong đất còn thay đổi tuỳ chất đất, ở nơi đất nhiều chất hữu cơ, giàu chất mùn có độ ẩm thích hợp vi sinh vật phát triển mạnh, thí dụ ở đầm lầy, đồng nước trũng, ao hồ, khúc sông chết, cống rãnh, Còn ở những nơi đất có đá, đất có cát số lượng và thành phần vi sinh vật ít hơn Lợi dụng sự có mặt của vi sinh vật trong đất mà người ta phân lập, tuyển chọn, đồng thời duy trì những chuyển hoá có lợi phục vụ cho cuộc sống.

Chiều sâu đất (cm)Vi khuẩnXạ khuẩnNấm mốcRong tảo

3 - 8 9.750.000 2.080.000 119.000 25.000

20 - 25 2.179.000 245.000 50.000 5.000 35 - 40 570.000 49.000 14.000 500 65 - 75 11.000 5.000 6.000 100 135 - 145 1.400 3.000

Bảng lượng vi sinh vật trong đất phân bố theo chiều sâu đất (Nguyễn Thị Hai)2 Sự phân bố của vi sinh vật trong môi trường nước

Vi sinh vật có mặt ở khắp nơi trong các nguồn nưóc Sự phân bố của chúng hoàn toàn không đồng nhất mà rất khác nhau tuỳ thuộc vào đặc trưng của từng loại môi trường Các yếu tố môi trường quan trọng quyết định sự phân bố của vi sinh vật là hàm lượng muối, chất hữu cơ, pH, nhiệt độ và ánh sáng Ví dụ như từ đất, từ chất thải của người và động vật (Trần Cẩm Vân, 2001)

Ở môi trường nước ngọt, đặc biệt là những nơi luôn có sự nhiễm khuẩn từ đất, hầu hết các nhóm vi sinh vật có trong đất đều có mặt trong nước, tuy nhiên vổi tỷ lệ khác biệt Nước ngầm và nước suối thường nghèo vi sinh vật nhất do ở những nơi này nghèo chất dinh dưỡng

Trong các suối có hàm lượng sắt cao thưòng chứa các vi khuẩn sắt như Leptothrix

ockracea Ở các suối chứa lưu huỳnh thường có mặt nhóm vi khuẩn lưu huỳnh

màu lục hoặc màu tía Những nhóm này đều thuộc loại tự dưỡng hoá năng và quang năng, ở những suối nước nóng thường chỉ tồn tại các nhóm vi khuẩn ưa

nhiệt như Leptothrix thermalis

Ở ao, hồ và sông do hàm lượng chất dinh dưõng cao hơn nước ngầm và suối nên số lượng và thành phần vi sinh vật phong phú hơn nhiều Ngoài những vi sinh vật tự dưỡng còn có rất nhiều các nhóm vi sinh vật dị dưỡng có khả năng phân huỷ các chất hữu cơ Ở những nơi bị nhiễm bẩn bởi nước thải sinh hoạt còn có mặt các vi khuẩn đường ruột và các vi sinh vật gây bệnh khác Tuy những vi khuẩn này chỉ sống trong nước một thời gian nhất định nhưng nguồn nước thải lại được đổ vào thường xuyên nên lúc nào chúng cũng có mặt Đây chính là nguồn ô nhiễm vi sinh nguy hiểm đối với sức khoẻ con người.

Ở những thuỷ vực có nguồn nước thải công nghiệp đổ vào thì thành phần vi sinh vật cũng bị ảnh hưởng theo các hưóng khác nhau tuỳ thuộc vào tính chất của nước thải Những nguồn nước thải có chứa nhiều axit thường làm tiêu diệt các nhóm vi sinh vật ưa trung tính có trong thuỷ vực

Ở môi trường nước mặn bao gồm hồ nước mặn và biển, phân bố của vi sinh vật khác hẳn so với môi trường nước ngọt, nồng độ muối ỏ những nơi này cao Có những nhóm phát triển được ở môi trường có nồng độ muối cao gọi là nhóm ưa mặn, nhóm này có mặt ở cả các ruộng muối và các thực phẩm ướp muối Đại diện

của nhóm này là Halobacterium có thể sống được ở dung dịch muối bảo hoà

Nói chung các nhóm vi sinh vật sống ở các nguồn nước khác nhau rất đa dạng về hình thái cũng như hoạt tính sinh học Ở trong môi trường nước có mặt đầy đủ các nhóm tham gia vào các chu trình chuyển hoá các hợp chất cacbon, nitơ và các chất khoáng khác.

3 Sự phân bố của vi sinh vật trong không khí

Không khí là môi trường không thuận lợi cho sự phát triển của vi sinh vật vì trong không khí thiếu chất dinh dưỡng, khô, luôn bị ánh sáng mặt trời chiếu sáng và mưa rửa trôi bụi bẩn trong không khí.

Vi sinh vật trong không khí chủ yếu là từ đất, bay vào không khí cùng với hạt bụi, ngoài ra còn từ nước do bốc hơi nước, hay hơi thở của người và súc vật mang bệnh đường hô hấp (Nguyễn Phương Hà Linh, 2011).

Vi khuẩn: phổ biến trong không khí, đặc biệt là các loại vi khuẩn đất (Bacillus,

Clostridium) Phần lớn từ đất, phân và từ hô hấp của con người.

Vi rút: có mặt rất ít trong không khí, có thể xuất phát từ hô hấp.

Nấm: có mặt trong môi trường ẩm ướt, phần lớn từ đất và các nguồn hữu cơ Hạt bụi: thường chứa vi khuẩn có kích thước nhỏ.

Bảng phân bố vi sinh vật trong không khí (Nguyễn Phương Anh, 2010)Loại vi sinh vậtTỉ lệ trong không khí (%)

Vi sinh vật có lợi trong nông nghiệp là các loại vi khuẩn, vi rút, nấm, và vi sinh vật khác không làm giảm quá trình sinh trưởng và phát triển của cây được sử dụng để cải thiện sự sinh trưởng và sản xuất của cây trồng Là vi sinh vật làm tăng độ phì

nhiêu của đất, tăng khả năng hấp thu dinh dưỡng của cây, phân giải các chất hữu cơ và sản xuất chất bổ sung cho cây trồng (Trần Thị Thoa, 2020).

2 Vi sinh vật có lợi vùng rễ cây

Vi sinh vật vùng rễ kích thích sinh trưởng thực vật (Plant growth promoting

rhizobacteria - PGPR) là những vi sinh vật cứ trú tại vùng rễ cây, xung quanh hay

trên bề mặt rễ, chúng tác động trực tiếp hoặc gián tiếp tới sinh trưởng của cây thông qua nhiều cơ chế khác nhau như: cố định đạm, giúp cây trồng thu nhận sắt, tăng cường hấp thu phospho, điều hoà nồng độ ethylene, trực tiếp hoặc gián tiếp ức chế các mầm bệnh Các chủng PGPR có thể giúp giảm nhu cầu sử dụng thuốc trừ sâu và phân bón hoá học trong sản xuất, góp phần giảm ô nhiễm môi trường (Bhadrecha, 2023).

2.1 Cố định đạm

Nitơ là chất dinh dưỡng quan trọng với sinh trưởng và năng suất của cây Khoảng 78-80% nitơ có trong không khí, nhưng cây trồng không sử dụng được nguồn nitơ này Nitơ trong không khí được chuyển thành dạng dễ hấp thu với cây trồng thông qua quá trình cố định nitơ bởi các vi sinh vật sử dụng enzyme nitrogenase Các vi sinh vật cố định nitơ thường được phân loại thành: vi sinh vật cộng sinh cố định nitơ (gồm các vi khuẩn cộng sinh với cây họ đậu); các vi sinh vật sống tự do

như Azospirillum, Azotobacter, Gluconoacetobacter diazotrophicus Lượng nitơ

được cố định bởi các vi sinh vật tự do rất nhỏ so với lượng nitơ được cố định bởi vi sinh vật cộng sinh (Nguyễn Văn Giang, 2022).

Rhizobia là một quần thể vi khuẩn rộng lớn có thể thúc đẩy mối quan hệ hợp tác

với cây họ đậu bằng cách xâm chiếm và phát triển trên các núm rễ của chúng, nơi nitơ được chuyển đổi thành kiềm, chất cuối cùng được cung cấp cho cây trồng, tăng cường sinh trưởng và hiệu quả (Masson-Boivin and Sachs 2018).

2.2 Hoà tan phosphate

Lượng lớn phopspho tồn tại ở dạng hữu cơ và vô cơ không tan trong đất Do đó, vi

sinh vật hoà tan phosphate (Phosphate solubilizing bacteria - PSB) đóng vai trò

quan trọng trong quá trình giải phóng phosphate từ các phân tử hữu cơ hoặc hoà tan các hợp chất phosphate vô cơ khó tan Thực vật hấp thu phosphate ở dạng ion H2PO4- hoặc HPO42- Photpho đã được ghi nhận là có ý nghĩa đặc biệt đối với quá trình trao đổi chất, quang hợp, hô hấp, con đường truyền năng lượng, truyền tín hiệu và tổng hợp các hợp chất hoạt tính sinh học (Gupta et al., 2022).

2.3 Tổng hợp siderophore

Tất cả vi sinh vật được biết đều cần sắt Trong điều kiện hiếu khí, sắt tồn tại chủ yếu ở dạng Fe3+ và dễ tạo dạng hydroxide không tan, do đó không thích hợp cho

thực vật và vi sinh vật Vi khuẩn thu nhận sắt bằng cách tiết ra các hợp chất chelators sắt được gọi là siderophore có ái lực cao với sắt Trong trường hợp khan hiếm sắt, nhiều cây nông nghiệp vận chuyển sắt hiệu quả hơn nhờ con đường vận chuyển sắt qua trung gian siderophore (Sultana và cộng sự 2021; Ghazy và cộng sự 2021).

2.4 Tổng hợp các phytohormone

Indol-3-acetic acid (IAA) được tiết ra bởi vi sinh vật vùng rễ tác động vào nhiều quá trình phát triển của thực vật do nguồn dự trữ IAA trong thực vật có thể thay đổi do thu nhận IAA được tiết ra bởi vi khuẩn trong đất IAA từ vi khuẩn làm tăng diện tích bề mặt và chiều dài rễ, do đó giúp thực vật thu nhận được nhiều dinh dưỡng trong đất IAA từ vi sinh vật vùng rễ làm mềm thành tế bào thực vật nên tăng lượng chất tiết ra từ rễ, bổ sung thêm nguồn dinh dưỡng cho vi sinh vật tại

vùng rễ Phytohormones chủ yếu được sản xuất bởi Azos-pirillum, Bacillus,

Microbacteria, Paenibacillus, Pseu-domonas, Rhizobium và Serratia (Kashyap et

al., 2019) Dưới áp lực nhiệt, Bacillus tequilensis làm tăng sinh khối của chồi, giữ

lại sắc tố quang hợp và giải phẫu lá chính bằng cách sản xuất auxin, axit abscisic và gibberellin (GA1, GA3, GA5, GA18 và GA19) Ngoài ra, nó còn làm giảm lượng ABA liên quan đến căng thẳng, cùng với việc tăng nồng độ axit salicylic và axit jasmonic trong vùng rễ (Kang et al., 2019).

2.5 Tăng cường tính kháng hệ thống

PGPR kích thích tính kháng hệ thống tiềm ẩn của thực vật, do đó cải thiện tính kháng của cây chống lại các mầm bệnh

Ví dụ, Bacillus amyloliquefaciens, actobacillus paracasei, P fluorescens và P.

putida cảm ứng tính kháng hệ thống của cây chống lại các mầm bệnh hại cây

(Nguyễn Văn Giang, 2022) Tiêu diệt các loại nấm hại cây trồng: Một số chủng vi

sinh vật đối kháng như Chaetomium, Trichoderma, Rhodopseudomonas,… giúp

tiêu diệt những chủng vi sinh vật gây hại sống trong đất Chúng ngăn cản tuyệt đối các chủng nấm hại xâm nhập gây hại vùng rễ và thân, lá cây trồng Các vi sinh vật này có khả năng phá vỡ, làm tan vách tế bào của nấm bệnh sau đó tiêu diệt chúng

nguồn dinh dưỡng

bên ngoài để sinh trưởng và phát triển), không có diệp lục tố, sắc tố, sống ký sinh ở năng di chuyển, có thể nhân nuôi trong môi trường nhân

Virus gây bệnh cho cây trồng là loại sinh vật sống không có cấu tạo

tế bào, kích thước rất nhỏ, bé hơn vi khuẩn từ 10 đến 100 lần, bản chất nó chỉ là một cấu trúc

hữu cơ Axit Nucleic (DNA hoặc RNA) được

loại nấm gây hại và có loại nấm tốt cho cây trồng Ví dụ như

nấm Trichoderma – một loại nấm đối kháng có khả năng kiểm soát và ức chế các loại nấm gây gây

bệnh cho cây, ngoài ra nó còn có khả

năng phân hủy cellulase…nên thường được ứng dụng trong việc ủ phân chuồng… Cơ quan sinh trường

Có rất nhiều chủng loại vi khuẩn trong môi trường tự nhiên, ngoài những vi khuẩn gây hại thì cũng có những vi khuẩn giúp đất đai màu mỡ, đối kháng với các vi khuẩn gây hại và thành phần tạo nên

các loại phân bón vi sinh để cải tạo đất Ví dụ như vi khuẩn cố định nitơ cộng sinh

ở cây họ đậu, bao

Lactobacillus… giúp ức chế vi

khuẩn gây hại cho cây trồng Đa số vi khuẩn phát triển trong trong điều kiện ẩm độ

Theo nghiên cứu cho khả năng ký sinh và tiêu

diệt sâu hại như vi rút Baculo, đang được ứng dụng để sản xuất thuốc

trừ sâu.

Vi rút thực chất chỉ là một cấu trúc hữu cơ thông qua tương tác với

cơ thể sống khác để sống sót và nhân lên Vi rút có phương thức sinh sản tái tạo và phụ thuộc vào các yếu tố bên ngoài như ánh sáng,

của nấm có cấu tạo

dư sau thu hoạch, trong nước và trong

cả không khí Nấm đất gây bệnh có

thể tồn tại trong đất trong thời gian rất dài

kể cả trong điều kiện không có cây ký chủ.

cao, nhiệt độ từ 20-30°C Bị ánh sáng trực xạ tiêu diệt.

Sinh sản bằng cách tự phân đôi tế bào.

Vi khuẩn lây lan qua nước, gió và qua vết thương do côn

trùng cắn trên cây… Bệnh do vi khuẩn gây ra thì dễ phòng ngừa nhưng lại khó

chữa trị do mật số của vi khuẩn rất cao Dễ phát sinh

trở lại khi điều kiện độ ẩm cao, mùa mưa…

nhiệt độ, độ ẩm, quá trình sinh trưởng và phát triển của cây chủ…

Vi rút xâm nhiễm vào cây thụ động thông qua

côn trùng, con người, gió, nước, tồn tại thông vào vết thương trên cây hoặc xâm nhập thẳng qua mô tế bào

non, mềm ở rìa lá, gân lá, rễ, thân, chồi

vào cây trồng Chứ không thụ động, xâm

nhập qua vết thương

Quá trình xâm nhiễm của vi khuẩn gây bệnh cho cây bao gồm các giai đoạn: xâm nhập

– ủ bệnh – phát bệnh Vi khuẩn có nhiều cách xâm

nhập vào mô cây khác nhau theo các con đường như: vết

thương, lỗ hở tự nhiên trên cây, hay xâm nhập trực tiếp qua các mô của cây không có

cutin bảo vệ như lông rễ… Sự di chuyển của vi khuẩn

gây ra bệnh cho cây:Di chuyển phát triển trong gian

bào: nhờ các enzym của vi khuẩn phân giải các mảnh gian bào, làm cấu trúc mô thực vật bị phá hủy, gây ra những triệu chứng đốm lá, bệnh lở loét,…- Di chuyển phát triển trong hệ thống mạch dẫn của cây: vi khuẩn

Khi vi rút xâm nhập vào được tế bào của cây, nó sẽ làm cho những tế bào

đang khỏe mạnh của cây thành những tế bào làm lá cây bị xoắn lại, lốm đốm, cây còi cọc, trái nhỏ và dị dạng, không có năng suất Phương thức gây hại thứ

hai là vi rút sẽ sử dụng những hợp chất dinh dưỡng, năng lượng của