TRƯỜNG ĐẠI HỌC TÔN ĐỨC THẮNG KHOA KHOA HỌC ỨNG DỤNG BỘ MÔN CÔNG NGHỆ SINH HỌC BÀI TI U LU N: SINH H C CH C NỂ Ậ Ọ Ứ ĂNG TH C V TỰ Ậ S C Ự Ố Đ NH Ị Đ MẠ SINH H CỌ GVHD: T.s Trần Thị Dung Sinh viên thực hiện: Nguyễn Minh Cẩm Tiên (61103194) Trần Mỹ Thanh (61103171) Nguyễn Hà Lê Uyên (61103) MỤC LỤC I. Khái quát về cố định đạm sinh học Cố định đạm sinh học là quá trình khử N 2 thành NH 3 dưới sự xúc tác của enzyme nitrogenase. Sau đó, NH 3 có thể kết hợp với các acid hữu cơ để tạo thành các acid amin và protein. Vi khuẩn cố định đạm có thể cộng sinh hoặc sống tự do nhưng cũng có thể nội sinh. • Đạm là gì? Chất đạm (còn gọi là protein) là một chất hữu cơ giàu dinh dưỡng, có trong động vật, thực vật. Đạm là chất căn bản của sự sống mọi tế bào. Đạm là chất dinh dưỡng có vai trò quan trọng hàng đầu đối với cây trồng. Hàm lượng của chúng trong đất rất ít. Vì vậy cây trồng thường thiếu đạm. Một trong những phương pháp tăng cường lượng đạm cho đất được nhiều người quan tâm là sử dụng các loại vi sinh vật cố định nitơ từ không khí. Nitơ là nguyên tố dinh dưỡng quan trọng không chỉ với cây trồng mà ngay cả đối với vi sinh vật. Nguồn dự trữ nito trong tự nhiên rất lớn, chỉ tính riêng trong không khí nitơ chiếm khoảng 78,16% thể tích. Người ta ước tính trong bầu không khí bao trùm lên một ha đất đai chứa khoảng 8 triệu tấn nitơ, lượng nitơ này có thể cung cấp chất dinh dưỡng cho cây trồng hàng chục triệu năm nếu như cây trồng đồng hóa được chúng. Trong cơ thể các loại sinh vật chứa khảong 4,1015 tỷ tấn nitơ. Nhưng tất cả Hình: Chu trình cố định N trong tự nhiên nguồn nitơ trên cây trồng đều không tự đồng hóa được mà phải nhờ VSV. Thông qua hoạt động của các loài vi sinh vật, nitơ nằm trong các dạng khác nhau được chuyển hóa thành dễ tiêu cho cây trồng sử dụng. Các vi sinh vật có khả năng biến N2 trong khí quyển thành NH3 cung cấp đạm cho cây, chúng được gọi là các vi sinhvật cố định đạm II. Vi sinh vật cố định đạm 1. Vi sinh vật cố định đạm là gì? Vi sinh vật cố định đạm là nhóm vi sinh vật có vai trò quan trọng nhất trong việc cố định N 2 trong đất và trong cây trồng. Đặc biệt là nhóm vi sinh vật sống cộng sinh. Hiện nay, người ta đã phát hiện được hơn 600 loài cây có vi sinh vật sống cộng sinh có khả năng đồng hóa N 2 thuộc nhiều họ khác nhau. 2. Vai trò của vi sinh vật cố định đạm: Cố định đạm là khả năng đồng hóa nitơ phân tử của một số sinh vật và dùng nitơ này để cấu tạo nên tất cả các hợp chất chứa nitrogen của tế bào. Khả năng này có ở nhiều vi sinh vật sống tự do trong đất và trong nước. Trong môi trường đất, vi sinh vật tham gia chuyển hóa các chất hữu cơ, cố định nitơ làm giàu đạm cho đất, tích lũy vào đất các auxin kích thích sự phát triển của cây trồng, tổng hợp các vitamin thyamin, nicotinic và biotin… Vi sinh vật cố định đạm góp phần vào cân bằng sinh thái trong đất. Phần lớn VSV (vi sinh vật) sống trong đất là những sinh vật có ích sống theo kiểu cộng sinh, chỉ một số rất ít là có hại, gây bệnh cho cây trồng sống theo kiểu vừa ký sinh (gây bệnh cho thực vật) vừa hoại sinh (sống trong đất). Số lượng quần thể VSV có ích trong đất chiếm ưu thế hơn rất nhiều lần so với VSV gây bệnh hại. Phần lớn các VSV có ích tham gia vào quá trình phân giải xác thực vật thành thức ăn có nguồn gốc hữu cơ cho cây trồng và VSV khác, chúng có vai trò rất quan trọng trong quá trình khoáng hóa và cố định đạm. VSV còn tạo ra rất nhiều loại enzym, acid amin, vitamin, kháng sinh…là thức ăn và vũ khí tự vệ quan trọng cho cây trồng. Ngoài ra khi các VSV đất chết đi sẽ để lại một lượng thức ăn khổng lồ và có chất lượng rất tốt cho cây trồng… VSV có ích giữ vai trò quan trọng cải tạo đất, làm cho đất tăng độ mùn, tơi xốp, thoáng khí, có độ pH trung tính; làm cho khả năng giữ nước, giữ phân của đất được tăng cường… Nhờ có hoạt động của VSV làm cho đời sống của đất được tăng lên. VSV có ích đã giúp cho cây trồng hấp thụ dinh dưỡng được tốt hơn. VSV đã góp phần bảo vệ cây trồng làm giảm tác hại của ký sinh gây bệnh cây. Trong tập đoàn VSV có ích có một số lượng rất lớn VSV đối kháng ngăn chặn sự phát triển các VSV gây bệnh hại cho cây trồng rất hữu hiệu… 3. Phân loại 3.1. Vi khuẩn nốt sần: Vai trò cố định N 2 quan trọng nhất thuộc về nhóm vi sinh vật cộng sinh. Ở một số cây gỗ hoặc cây bụi nhiệt đới thuộc họ Rabiaceae, các nốt sần chứa vi khuẩn cố định N 2 không phải ở rễ mà ở trên lá. Vi khuẩn nốt sần thuộc loại hiếu khí không tạo bào tử có thể đồng hóa nhiều nguồn cacbon khác nhau. pH thích hợp: 6,5 – 9,2; nhiệt độ phát triển thích hợp: 24 – 26 0 C. Phân loại vi khuẩn nốt sần có nhiều ý kiến chưa thống nhất: - Theo Todorovic chia vi khuẩn nốt sần ra 2 loài: Rhizibiomonas leguminosarum và Rhizobacterum leguminosrum. - Theo Bergli thì giống Rhizobiumbao gồm 6 loài vi khuẩn nốt sần: Rh.leguminosarum, Rh.phaseoli, Rh.Trifolii, Rh.lupini, Rh.sapnicum, Rh.meliloti. Hình: Sinorhizobium và nốt sần trên rễ Hình: Rhizobium và nốt sần trên rễ 3.2.Vi khuẩn cộng sinh với cây không thuộc họ Đậu Có khoảng vài trăm loài thực vật, không thuộc họ Đậu có nốt cố định đạm, nhưng sự cộng sinh ít khi được thực hiện với các Rhizobium, mà hường nhất là với các Actinomycetes (xạ khuẩn) thuộc giống Frankia. Cây chủ là Alnus, Casuarine, Hippophae, Elaeagnus, Myrica… Những nghiên cứu gần đây cố gắng tạo sự hợp tác giữa lúa với Spirillum. Trong trường hợp này, vi khuẩn cố định không vào rễ, chỉ ở gần rễ, và phóng thích một lượng đạm quan trọng cho thực vật (NH 4 + , aminoacid). Hình: Xạ khuẩn (Actinomycetes) Hình: Bradyrhizobium và nốt sần trên rễ Hình: Loài alnus glutinosa Hình:Casuarine 3.3.Vi khuẩn cố định đạm sống tự do Vi khuẩn cố định đạm sống tự do ở vùng rễ lúa và những cây thuộc họ hòa bản đã giúp cây trồng phát triển tốt cũng như hạn chế đến mức thấp nhất lượng đạm hóa học trong nền sản xuất nông nghiệp. Hình. Một số nguồn nitơ cung cấp cho cây • Vi khuẩn hiếu khí sống tự do thuộc giống Azotobacter và Beiferinckia: Azotobacter: Chi vi khuẩn cố định nitơ hiếu khí, sống tự do trong đất và nước. Tế bào hình bầu dục, hình cầu, được bọc trong lớp vỏ nhày, kích thước khoảng 2 × 5 µm, di động hoặc không, gram âm, không sinh bào tử. Khi dùng 1 g đường, thường cố định được 2 mg N. Ngoài ra, còn có khả năng tổng hợp vitamin, chất sinh trưởng (loại auxin) và một số chất chống nấm. Loại chế phẩm được dùng trong nông nghiệp có nhiều tên thương phẩm khác nhau (azotobacterin, vv.). Các loài Azotobacter thuộc loại các VSV cố định nitơ họat động nhất, chúng có khả năng đồng hóa manit, tinh bột, sử dụng nhiều loại hợp chất hữu cơ khác nhau để phát triển và cố định nitơ, làm giàu nitơ cho đất. Azotobacter chủ yếu có 4 loài: - Azotobacter chroocuccum: Kích thước 3,1x2,0µ; khi còn non có khả năng di động, khi già có sắc tố màu nâu đến màu đỏ, không khuyếch tán vào môi trường. - Azotobacter beijerincki: kích thước 3,1x2,0µ; không di động, khi già có sắc tố màu vàng đến màu nâu sáng, không khuyếch tán vào môi trường. - Azotobacter Vinelandi: Kích thước 3,4x1,5µ; có khả năng di động, sắc tố màu vàng lục đến huỳnh quang, khuyếch tán vào môi trường. - Azotobacter agilis: Kích thước 3,3x2,8µ; có khả năng di động, sắc tố màu lục, huỳnh quang, khuyếch tán vào môi trường. Azotobacter làm tăng cường nguồn thức ăn cung cấp cho cây trồng, kích thích khả năng tăng trưởng, nâng cao tỷ lệ nảy mầm và độ phát triển của mầm (vì nó tiết ra môi trường thiamin, a.nicotinic, a.pantotenic, piridoxin, biotin, ) và có khả năng tiết ra một số chất chống nấm. Chế phẩm Azotobacterin là dịch Azotobacter cho hấp thụ trong than bùn (hoặc các loại đất giàu hữu cơ đã trung hòa và bổ sung photpho, kali). Beiferinckia: Là loài hiếu khí, cố định nitơ giống Azotobacter nhưng có khả năng chịu chua cao hơn. Gồm có 3 nhóm: - B.Indica: Kích thước tế bào 0,5-1,5 x 1,7-3,0µ; có khả năng di động hoặc không di động, khi già có sắc tố màu đỏ đến màu nâu, có tốc độ cố định nitơ nhanh. - B.fluminensis: Kích thước tế bào 1,1-1,5 x 3,0-3,5µ; có khả năng di động, sắc tố màu nâu tối, tốc độ cố định nitơ chậm. - B.derxii: Kích thước tế bào 1,5-2,0 x 3,5-4,5µ; không di động, sắc tố màu lục huỳnh quang. [...]... mạnh tới sự tiết đường bởi rễ Tốc độ tiết đường mạnh như vậy, trong môi trường chứa ammonium không liên quan tới nồng độ đường trong rễ Sự tiết đường trong thiên nhiên giúp sự cộng sinh giữa các vi sinh vật cố định đạm khí quyển với rễ cỏ 6 Sự dùng đạm hữu cơ và cố định đạm khí quyển 6.1 Sự dùng đạm hữu cơ Thực vật bậc cao nói chung dùng đạm khoáng (nitrat hay ammonium), mặc dù có thể đồng hóa đạm hữu... hình cầu và có khả năng cố định đạm khí quyển Sự thành lập các nốt thân ở Sesbania rostrata diễn ra theo cách tương tự, ở những vị trí xác định trên thân, mỗi vị trí tướng ứng với một phác thể rễ nhất định 6.2.4 Các biến đổi hình thái và sinh hóa học Trong các nốt, các bó mạch phân hóa và nối liền với các bó mạch của rễ, giúp sự cộng sinh chức năng , và cho phép sự cố định đạm Cùng với sự phát triển hình... khuẩn cố định nitơ sống hội sinh Vi sinh vật được sử dụng trong sản xuất phân bón nhiều nhất hiện nay là Azospirillum – sống hội sinh trong rễ cây hoà thảo, cây họ đậu, bông và rau Hai giống được biết đến nay là Azospirillum lipoferum và Azospirillum brasilense Hình: Azospirillum lipoferu III Sự cố định đạm sinh học Hình:Azospirillum brasilense 1 Cơ chế cố định đạm 1.1 Enzyme nitrogenase Quá trình cố định. .. đạm sinh học 1.2 Bộ gen (genome) của Pseudomonas và sự điều khiển tổng hợp nitrogenase Genome và hệ thống gen nif của Pseudomonas Thông tin di truyền chuyên biệt về sự cố định đạm đã được xác định trong bộ genome của Pseudomonas stutzeri A1501 Đó là “vùng cố định đạm (nitrogen fixation region) có kích thước 49kb, gồm 59 gen có liên quan Thứ tự của các gen nif trong cấu trúc của “vùng cố định đạm ở... Các thực vật bán ký sinh trên các cành cây cao (tầm gởi) có khả năng quang hợp, đồng thời có thể lấy các chất dinh dưỡng (đạm hữu cơ) từ cây chủ Các cây họ đậu có thể dùng acid amin từ các nốt, tuy nhiên khi có nitrat hay ammonium chúng thích dùng đạm khoáng và hoạt động của nốt dừng lại 6.2 Sự cố định đạm khí quyển nhờ cộng sinh với Rhizobium 6.2.1 Sự phát hiện các Rhizobium Các vi sinh vật dùng đạm. .. ức chế quá trình cố định nitơ phân tử - Hiệu suất cố định nitơ phân tử của những vi sinh vật kỵ khí thường cao hơn những vi sinh vật hiếu khí - Tìm thấy hợp chất loại khử khi nuôi các vi sinh vật cố đinh nitơ phân tử N2 + 8H+ + 8e- → 2NH3 + H2 16-24ADP + 16-24Pi 16-24ATP Qua đó cho thấy con đường khử có nhiều khả năng xảy ra hơn 1.4 Các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình cố định đạm Sự tổng hợp enzyme... còn có sự phân hóa sinh hóa học trong các nốt: - Sự hiện diện của các protein, gọi là nudolin, có vai trò trong sự phát sinh hình - thái của nốt và trong sự cố định đạm Sự tích lũy một sắc tố màu hồng, gọi là leghemoglobin, tức chromoprotein với nhóm prosthetic (heme) giống như ở hemoglobin, nhưng phần protein (globin) nhỏ hơn nhiều Các gen liên quan trong giai đoạn đầu của sự nhiễm (bao gồm sự thành... thể không ổn định với acid Phân tử protein nhỏ hơn có chức năng vận chuyển e –, trong đó e– của ferredoxin hoặc flavodoxin vận chuyển lên phức hệ Mo-Fe Hầu hết các vi sinh vật không thể sử dụng N 2 nên chúng phải cố định nguồn N 2 tự nhiên để dễ dàng sử dụng • Cơ chế cố định đạm xảy ra theo phương trình: N2 + 8H+ + 8e + 16ATP → 2NH3 + H2 + 16ADP + 16Pi Cơ chế hóa sinh của quá trình cố định N cho đến... glutamine hay glutamate, và được vi sinh vật hay cây chủ sử dụng IV Ứng dụng cố định đạm Nhiều công trình nghiên cứu trên thế giới đã phát hiện các nhóm vi khuẩn có khả năng cố định đạm cho cây lúa giúp tăng năng suất cây trồng từ 15-54% (Favilli et al., 1987; Omar et al., 1989) Ở Hy Lạp (mùa hè 1990) đã sử dụng phân đạm sinh học làm cho năng suất lúa tăng 15%-20%, sản lượng của bắp, lúa mì, lúa mạch tăng... thuyết về 2 con đường cố định N của vi sinh vật sống tự do trong đất như sau: Hình: Sơ đồ giả thuyết về các con đường của quá trình cố định N2 Trong công nghiệp, nhờ các chất xúc tác nên năng lượng dùng cho phản ứng cố định N2 được giảm nhiều, chỉ vào khoảng 16-20 Kcalo/M, song lượng năng lượng vẫn còn lớn so với trong cơ thể sinh vật Tốc độ phản ứng nhanh chóng trong tế bào vi sinh vật ở nhiệt độ thấp . gọi là các vi sinhvật cố định đạm II. Vi sinh vật cố định đạm 1. Vi sinh vật cố định đạm là gì? Vi sinh vật cố định đạm là nhóm vi sinh vật có vai trò quan trọng nhất trong việc cố định N 2 trong. lipoferu Hình:Azospirillum brasilense III. Sự cố định đạm sinh học Hình: Asiabaena azollae 1. Cơ chế cố định đạm 1.1. Enzyme nitrogenase Quá trình cố định đạm xảy ra trong tế bào vi khuẩn và vi. (61103171) Nguyễn Hà Lê Uyên (61103) MỤC LỤC I. Khái quát về cố định đạm sinh học Cố định đạm sinh học là quá trình khử N 2 thành NH 3 dưới sự xúc tác của enzyme nitrogenase. Sau đó, NH 3 có thể