Các nhóm vi sinh vật chuyển hóa nito

vô vơ. Vi sinh vật không có khả năng hấp thụ trực tiếp phân tử protein mà phải phân hủy chúng thành các polypeptit nhờ men proteaza. Thường chỉ những polypeptit không quá 5 axit amin mới được vi sinh vật hấp phụ. Có những loài vi sinh vật đòi hỏi phải có sẵn những axit amin nhất định trong môi trường nuôi cấy. Danh sách các axit amin cần thiết đó gọi là aminogram khác nhau tùy theo loài vi sinh vật. Các dạng nitơ hữu cơ không những là nguồn dinh dưỡng nitơ cho vi sinh vật mà còn là nguồn dinh dưỡng cacbon như phần trên đã nói. - Dạng nitơ phân tử (N2) chiếm phần lớn trong không khí là nguồn dinh dưỡng nitơ của nhóm vi sinh vật cố định nitơ. Trong tự nhiên chỉ có nhóm này là có khả năng đồng hóa nitơ phân tử. Có những loài sống tự do trong đất, có loài sống cộng sinh với thực vật, cung cấp cho thực vật một lượng đạm đáng kể. Trong đất lượng Nitơ chiếm từ 0,02 – 0,4% , 95% Nitơ ở dạng hữu cơ gồm protit động thực vật bị vsv phân giải, 5% Nitơ ở dạng vô cơ ( NO3 , NH4Cl …) là Nitơ dễ tiêu. Trong không khí Nitơ chiếm tỉ lệ lớn hơn trong khí quyển 75,6% (4 x 105 tấn) nhưng ở dạng Nitơ tự do cây không sử dụng được, nhờ hoạt động cố định bởi vi sinh vật cây mới sử dụng được dạng này. 1.2 Khả năng chuyển hóa các hợp chất nitơ trong môi trường tự nhiên của vi sinh vật 12.1. Vòng tuần hoàn nitơ trong tự nhiên. Trong các môi trường tự nhiên, nitơ tồn tại ở các dạng khác nhau, từ nitơ phân tử ở dạng khí cho đến các hợp chất hữu cơ phức tạp có trong cơ thể động, thực vật và con người. Trong cơ thể sinh vật, nitơ tồn tại chủ yếu dưới dạng các hợp chất đạm hữu cơ như protein, axit amin. Khi cơ thể sinh vật chết đi, lượng nitơ hữu cơ này tồn tại ở trong đất. Dưới tác dụng của các nhóm vi sinh vật hoại sinh, protein được phân giải thành các axit amin. Các axit amin lại được một nhóm vi sinh vật phân giải thành NH3 hoặc NH4+ gọi là nhóm vi khuẩn amôn hóa. Quá trình này còn gọi là sự khoáng hóa chất hữu cơ vì qua đó nitơ hữu cơ được chuyển thành dạng nitơ khoáng. Dạng NH4+ sẽ được chuyển hóa thành dạng NO3- nhờ nhóm vi khuẩn nitrat hóa. Các hợp chất nitrat lại được chuyển hóa thành dạng nitơ phân tử, quá trình này gọi là sự phản nitrat hóa được thực hiện bởi nhóm vi khuẩn phản nitrat. Khí nitơ sẽ được cố định lại trong tế bào vi khuẩn và tế bào thực vật sau đó chuyển hóa thành dạng nitơ hữu cơ nhờ nhóm vi khuẩn cố định nitơ. Như vậy, vòng tuần hoàn nitơ được khép kín. Trong hầu hết các khâu chuyển hóa của vòng tuần hoàn đều có sự tham gia của các nhóm vi sinh vật khác nhau. Nếu sự hoạt động của một nhóm nào đó ngừng lại, toàn bộ sự chuyển hóa của vòng tuần hoàn cũng sẽ bị ảnh hưởng nghiêm trọng. N2 Thực vật Chất hữu cơ trong đất Vi sinh vật Động vật NO3- NH3; NH4+ 1.2.2 Quá trình amôn hóa Trong thiên nhiên tồn tại nhiều dạng hợp chất nitơ hữu cơ như protein, axit amin, axat nucleic, urê…Các hợp chất này đi vào đất từ nguồn xác động, thực vật, các loại phân chuồng, phân xanh, rác rưởi. Thực vật không thể đồng hóa được dạng nitơ hữu cơ phức tạp như trên, nó chỉ có thể sử dụng được sau quá trình amôn hóa. Qua quá trình amôn hóa, các dạng nitơ hữu cơ được chuyển hóa thành dạng NH4+ hoặc NH3. 2.2.1. Sự amôn hóa urê. Urê có trong thành phần nước tiểu của người và động vật, chiếm khoảng 2,2% nước tiểu. Urê chứa tới 46,6% nitơ, vì thế nó là một nguồn dinh dưỡng đạm tốt đối với cây trồng. Tuy nhiên thực vật không thể đồng hóa trực tiếp Urê mà phải qua quá trình amôn hóa nhờ các vi sinh vật có khả năng sản sinh ra urease làm chuyển hóa ure thành NH3 để tránh lãng phí một nguồn nitơ lớn lao chứa trong ure. Quá trình amôn hóa Urê chia ra làm 2 giai đoạn, giai đoạn đầu dưới tác dụng của enzym ureaza tiết ra bởi các vi sinh vật Urê sẽ bị thủy phân tạo thành muối cacbonat Sử dụng các Nguồn Nitơ hóa học thì có 1.3 Vai trò sinh lý của Nitơ: Nitơ là một nguyên tố phổ biến trong tự nhiên. Trong tự nhiên Nitơ có ở đất và không khí. Nitơ có vai trò sinh lý sau: Nitơ là thành phần bắt buộc của nhiều hợp phần cấu thành tế bào thực vật gồm các axxit amin, protein, axit Nucleotid, các hộp chất cao năng (ADP, ATP, GDP, UDP, UTP….); các enzim, coenzim ( NAD, NADP, FAD, Coenzim A…) Nitơ tham gia xây dựng nên các hợp chất có tác dụng điều tiết các quá trình hấp thu và bài tiết của tế bào như phospholipid xây dựng nền màng sinh học và bảo đảm tính phân cực của màng, tính hấp thu chọn lọc, tính bán thấm của các hệ thống màng của bào quan và tế bào. Nitơ có trong thành phần của một số vitamin và nhóm hoạt động của các enzim như vitamin B6, axit pantotenic (vit PP)… Nitơ tham gia xây dựng vòng pocphirin là nhân của diệp lục, sắc tố giữ vai trò quyết định trong việc biến năng lượng mặt trời thành năng lượng hóa học bảo đảm cho sự sống trên trái đất. Nitơ là thành phần bắt buộc của một số phytohoocmom như auxin, xitokinin – là tác nhân điều tiết các quá trình sinh trưởng và phát triển của cơ thể thực vật. Nitơ là thành phần của các chất ancalôit và các kháng sinh trong cơ thể thực vật. Nitơ có ảnh hưởng đến tính chất hóa lý của hệ keo nguyên sinh chất. Do đó Nitơ có vai trò rất cơ bản và quan trọng đối với sự sống của cây. Trong tự nhiên Nitơ tồn tại ở dạng phân tử có liên kết 3 rất bền do đó khó phá vỡ được Nitơ trong điều kiện bình thường vì vậy cây không thể sử dụng được, việc chuyển hóa Nitơ trong khí quyển nhờ các phân tử cố định Nitơ. Hằng năm một lượng lớn Nitơ từ đất bay ra, các quá trình phản nitrat hóa sinh học, đốt cháy được đưa vào khí quyển. Trong công nghiệp quá trình cố định Nitơ được thực hiện bằng cách phá vỡ 3 liên kết trong 2 nguyên tử Nitơ ở điều kiện nhiệt độ cao và một áp suất rất cao và một số chất xúc tác vô cơ. Phản ứng : N2 +3H2_à 2NH3 N2 +O2 à 2NO à NO2 àNO3 N2 +CaC2 à C + CaNC Lượng Nitơ trong phân bón hóa học được chế tạo trên toàn thế giới theo con đường cố định công nghiệp năm 1971 là 35.129 x 103 tấn và hiện nay còn cao hơn gấp nhiều lần. Tuy nhiên số lượng Nitơ này hoàn toàn cách xa số lượng Nitơ mà cây trồng đòi hỏi phải được cung cấp hằng năm. Chính nhờ quá trình cố định Nitơ SH mà nhu cầu về Nitơ của cây trồng trên thế giới mới được đáp ứng. Hằng năm có khoảng 170 x 106 tấn Nitơ không khí được chuyển thành Nitơ hữu cơ nhờ quá trình này để cung cấp cho cây cối trên trái đất. Sử dụng Nitơ khí trời do vsv đồng thời làm giảm thiểu ô nhiễm môi trường .VSV biến đổi Nitơ tồn tại trong đất thông qua các quá trình: quá trình amôn hóa NO-3 - NH4+, quá trình nitrat hóa NO3 àNO-2 và hợp chất Nitơ cần thiết được vsv tạo ra trong đất để cây sử dụng. Quá trình cố định Nitơ phân tử theo con đường SH chuyển hóa N2 àNH3 cây sử dụng được nhờ enzim nitrogenaza ở điều kiện nhiệt độ, áp suất khí quyển và năng lượng ATP. Phản ứng : N2 + 16 ATP + 8e + 8H à 2NH3 + H2 + 16 ADP +16Pi 2 Các nhóm vi sinh vật chuyển hóa Nitơ: Trong tự nhiên có 2 nhóm vi sinh vật chính cố định Nitơ: sự phân chia này dựa vào cách sống của chúng. 2.1 Nhóm vi sinh vật sống cộng sinh: 2.1.1 Vi khuẩn nốt sần sống cộng sinh với cây thuộc bộ Đậu: Vi khuẩn nốt sần cộng sinh với cây thuộc họ Đậu. Năm 1866 Henrighen và Vinphac đã chứng minh được rằng cây đậu khác các thực vật khác ở chỗ chúng có khả năng sử dụng N2 trong không khí. Năm 1888 Beijerinck đã phân lập được loại vi khuẩn sống cộng sinh trong nốt sần ở rễ một cây thuộc họ Đậu (đậu Hà lan, đậu tằm, đậu côve, đậu chân chim, đậu lotus…). Ông đặt tên cho loại vi khuẩn này là Bacillus radiacola thuộc chi Rhizobium. Quan sát sự phát triển của nốt sần trên các môi trường dinh dưỡng nhân tạo người thường chia chúng thành 2 nhóm: Mọc nhanh ( đậu Hà Lan, CôVe….) thuộc chi Rhizobium. Mọc chậm (đậu hương, đậu đũa …) thuộc chi Bradyrhizobium. Vi khuẩn nốt sần thuộc loại hiếm khí, tuy nhiên chúng vẫn có thể phát thể phát triển được ngay cả trong trường hợp chỉ có một áp lực oxi rất thấp 0,01 atm. Đa số các loại vi khuẩn nốt sần phát triển ở PH = 6,5 – 7,5, nhiệt độ thích hợp 24-260C. a. Hình thái: rất biến động, tùy theo chủng đủ các hình thái: cầu, que, hình chữ Y và biến đổi theo giai đoạn sinh trưởng. Căn cứ vào những tài liệu hiện có thì vi khuẩn nốt sần khi còn non có tế vào hình que. Khi già vi khuẩn nốt sần trở nên bất động. có vi khuẩn nốt sần tạo thành những dạng hình cầu di động hoặc không di động. Trên môi trường nhân tạo trong nốt sần người ta thường gặp thể giả khuẩn có kích thước lớn hơn, thường phân nhánh chứa nhiều glicogen, volutin và lipoprotein hơn. Khi sống tự do ngoài đất thường có hình que và khả năng chuyển động, khi xâm nhập vào rễ và đặc biệt là khi xâm nhiễm vào tế bào xâm nhiễm, chúng phình to ra và có dạng hình cầu. Có kích thước 0,5 – 0,9 x 1,2 – 3µm , di động nhờ tiên mao thường chứa hạt poly – ß – hydroxybutyrat, không sinh bào tử, gram âm. Vi khuẩn có loại đơn mao, có loại chu mao và cũng có loại tiên mao thành chùm ở gần đầu. b. Đặc tính: Vi khuẩn nốt sần có khả năng đồng hóa nhiều nguồn cacbon khác nhau (đường đơn, đường kép, axit hữu cơ, rượu bậc thấp, dextrin, glicogen…). Khoảng 30% lượng đường do vi khuẩn đồng hóa được dùng để tạo thành chất nhầy của chúng. Vi khuẩn nốt sần có thể đồng hóa tốt nhiều loại axit amin, có thể đồng hóa cả pepton. Khả năng sử dụng các protein phân tử lớn nói chung là rất ít. Ngược lại, vi khuẩn nốt sần có thể sử dụng dễ dàng các muối amon, nitrat và gốc kiềm purin, pỉimidin. Chúng còn có thể sử dụng được cả ure hoặc biure. Một đặc tính quan trọng của vi khuẩn nốt sần là tính đặc hiệu của chúng tức là hoạt tính đồng hóa Nitơ khi cộng sinh với cây bộ Đậu. Sự tồn tại trong thiên nhiên các nòi vi khuẩn nốt sần hữu hiệu và vô hiệu đã được phát hiện từ năm 1904. * Khả năng tạo nên nốt sần: Vi khuẩn nốt sần hữu hiệu thường tạo nên những nốt sần lớn tập trung trên rễ cái của cây đậu. Còn vi khuẩn vô hiệu thì thường tạo nên những nốt sần nhỏ phân tán khắp bộ rễ. Nhiều nghiên cứu cho biết nốt sần tạo nên bởi các vi khuẩn hữu hiệu thường có màu hồng. Sắc tố hồng thuộc loại hemin và gọi là leghemoglobin. Sắc tố này thường tồn tại trong không bào của tế bào thực vật chứ không phải tồn tại trong tế bào vi khuẩn. Ở nhiều loại đậu trong mỗi gam nốt sần có chứa tới 1,09 – 3,25mg leghemoglobin. Leghemoglobin gồm có hai nhóm: nhóm hemin của leghemoglobin thì rất giống với hemoglobin của máu nhưng thành phần protein của leghemoglobin thì rõ ràng là có cấu trúc phức tạp hơn nhiều. Khi đã kết thúc quá trình cố định nitơ, người ta nhận thấy màu hồng ở nốt sần sẽ chuyển thành màu lục. Khi đó, một số dây nối metin ở vòng pocphirin của sắc tố bị rách ra và liên kết oxi, hiện tượng này xảy ra ở cây đậu một năm đối với cây đậu nhiều năm hiện tượng này thường không xảy ra. Rất nhiều nghiên cứu cho phép khẳng định được rằng leghemoglobin đóng vai trò xúc tác trong quá trình có định nitơ phân tử. Vi khuẩn nốt sần thường xâm nhập vào rễ cây bộ Đậu thông qua các lông hút đôi khi thông qua vết thương ở vỏ rễ. Một loại cây thuộc Bộ Đậu thường tiết ra chung quanh rễ của mình những chát có tác dụng kích thích sự phát triển của các vi khuẩn nốt sần tương ứng với nhóm cây đó. Do đó mỗi loại cây họ đậu có một loại vi khuẩn Rhizobium tương ứng và chỉ có thể sống được trên rễ của cây họ đậu đó mà thôi. Điều này bằng thực nghiệm là do đặc tính dẫn dụ đối với bộ rễ và vi khuẩn tương ứng. Khi sinh trưởng rễ cây bộ đậu hình thành nên hợp chất gần giống axit hữu cơ kích thích và lôi cuốn vi khuẩn đó. Tiến hành thí nghiệm: Trộn lẫn nhiều vi khuẩn nốt sần khác cho vào chung quanh bộ rễ của một cây họ đậu, sau một thời gian thí nghiệm chỉ có một loại vi khuẩn của cây họ đậu đó phát triển và xâm nhập mà thôi, còn các vi khuẩn khác thì bị ức chế và sự hiện diện không còn nữa và cũng không có khả năng xâm nhiễm. Người ta nhận thấy muốn xâm nhiễm tốt vào thực vật thì vi khuẩn nốt sần cần đạt tới mật độ 104 tế bào/g đất. Theo O.N.Allen (1996) thì đối với loại hạt đậu nhỏ tốt ra trên mỗi hạt cần nhiễm khoảng 500 -1000 tế bào vi khuẩn nốt sần, còn đối với các loại hạt đậu lớn thì cần khoảng 70.000 tế bào vi khuẩn nốt sần. Khi đó cây đậu sẽ tạo thành khá nhiều nốt sần và hoạt động cố định nitơ sẽ được tăng lên nhiều. Dưới ảnh hưởng của vi khuẩn nốt sần, rễ cây họ Đậu sẽ tiết ra enzim poligalacturonaza, enzim này sẽ làm phân hủy thành lông hút và giúp cho vi khuẩn nốt sần có điều kiện xâm nhập vào trong rễ. Trong lông hút vi khuẩn nốt sần sẽ tạo thành một cái gọi là dây xâm nhập. Đó là một khối chất nhầy dạng sợi, bên trong chứa đầy các vi khuẩn hình que ở trạng thái phát triển nhanh chóng. Dây xâm nhập đi dần vào bên trong rễ với tốc độ khoảng 5-8μm/s. Sự vận động của dây xâm nhập được thực hiện dưới áp lực sinh ra do sự phát triển của các vi khuẩn bên trong dây. Một số dây xâm nhập sẽ tiếp tục phát triển và lọt được vào đến lớp nhu mô. Ở đây vi khuẩn nốt sần sẽ kích thích các tế bào thực vật bị xâm nhiễm cũng như các tế bào lân cận. Kết quả là làm cho chũng phân chia nhanh chóng thành rất nhiều tế bào mới. Vi khuẩn sẽ thoát ra khỏi dây xâm nhập và đi vào trong tế bào chất. Ở đó chúng sẽ lớn lên và phân cắt thành nhiều tế bào mới. Chúng sẽ chuyển sang trạng thái thể giả khuẩn. Thể giả khuẩn không có khả năng phân cắt nhưng có khả năng tăng kích thước đến một mức nhất định. Trong các nốt sần vô hiệu người ta không thấy các thể giả khuẩn mà chỉ thấy toàn các vi khuẩn hình que. Ngươi ta còn nhận thấy màu hồng của các nốt sần hữu hiệu chuyển sang màu lục thì cũng là lúc thể giả khuẩn bị dung giải. Những điều đó cho phép người ta tin rằng việc tạo thành thể giả khuẩn có liên quan mật thiết đối với quá trình cố định nitơ. Khi hình thành thể giả khuẩn thì ti thể và lạp thể của tế bào sẽ bị dồn sát vào thành tế bào và phân bổ dọc theo thành. Khi đó trong tế bào sẽ bắt đầu xuất hiện leghenmoglobin và số lượng riboxom cũng đồng thời tăng lên khá nhiều. Ở những nốt sần trưởng thành, ngườit a có thể thấy rõ ba vùng sau đây: - Vỏ nốt sần: Gồm vài lớp tế bào không bị vi khuẩn xâm nhiễm. Những tế bào này thường có kích thước nhỏ hơn các tế bào vỏ rễ. Sau khi hình thành vỏ nốt sần phần vỏ rễ ssex bị nát đi, một ít còn lại sẽ dính vào bên ngoài phần vỏ của nốt sần. - Vùng phân cắt mạnh mẽ: Vùng này cũng gồm những tế bào không bị xâm nhiễm, nằm bên dưới lớp vỏ nốt sần. Từ cá tế bào của vùng này về sau sẽ phân hóa và tạo thành cá tế bào vỏ nốt sần, các tế bào chứa vi khuẩn và các tế bào mạch dẫn. - Vùng mô bị xâm nhiễm: Trong vùng này các tế bào chứa vi khuẩn nằm xen kẽ lẫn với các tế bào không chứa vi khuẩn. Thể tích của mỗi tế bào chứa vi khuẩn có thể lớn gấp đến 8 lần so với tế bào không chứa vi khuẩn. - Hệ thống mạch dẫn của nốt sần: Khi nốt sần bắt đầu phát triển, một số tế bào năm ở giưuax phần vỏ nốt sần và phần mô bị xâm nhiễm sẽ phân hóa và phân cắt thành các tế bào mạch dẫn của nốt sần. Về sau các mạch dẫn này sẽ liên kết với hệ thống mạch dẫn của rễ cây. Số bó mạch trong mỗi nốt sần tùy loại cây mà thay đổi trong khoảng 1-12. Khả năng cố định Nitơ: Đây là nhóm vi khuẩn mà có khả năng cố định Nitơ mạnh nhất, hiệu quả nhất, chúng sử dụng nguồn hidratcacbon có trong bộ rễ thực vật ( đường hóa các loại rượu ) và chúng cũng chuyển hóa Nitơ của khí trời thành các hợp chất Nitơ tổng hợp, các thành phần của tế bào và cung cấp cho cây họ đậu. Do khả năng cố định Nitơ cao nên hiện nay các nhà khoa học đang mở rộng chuyển gen tổng hợp Nitơ của vi khuẩn này sang cho nhiều loại cây khác không phải cây họ đậu như cây một lá mầm ( ngô, lúa ….). c. Các điều kiện để vi khuẩn nốt sần phát triển và cố định Nitơ. Phụ thuộc vào các điều kiện sau: - Nguồn thức ăn: đóng vai trò quan trọng nhất là các chất hữu cơ như đường, rượu, tinh bột …do vậy trong môi trường cần cung cấp các nguồn này. - Độ pH: Độ pH thích hợp đối với vi khuẩn nốt sần thay đổi khác nhau tùy loài, tùy chủng, tuy nhiên vi khuẩn Rhizobium thích PH gần trung tính 6,5 – 7. Do vậy có thể cung cấp môi trường bằng cách bón các loại phân để giúp nâng cao pH. Bón vôi là biện pháp rất hữu hiệu để nâng cao khả năng tạo thành nốt sần cũng như nâng cao hoạt tính cố định nitrogen của các cây bộ Đậu. - Nhiệt độ: Hoạt động cố định nitơ chỉ được thực hiên một cách mạnh mẽ trong một phạm vi nhiệt độ xác định. Phạm vi này phụ thuộc và thay đổi đối với từng loài cây trong bộ Đậu. Những cây thuộc vùng nhiệt đới thường có phạm vi nhiệt độ cố định nitơ cao hơn so với các cây thuộc vùng ôn đới - Độ ẩm của đất: Nốt sần thường chỉ được tạo thành ở những đất có độ ẩm khoảng 40-80% so với độ ẩm tuyệt đối. Độ ẩm thích hợp nhất là 60-70%. Khi nốt sần đã hình thành rồi thì độ ẩm có cao hơn cũng không ảnh hưởng đến hoạt động của chúng. Mức độ phản ứng với độ ẩm cũng không giống nhau tùy loại cây. - Nồng độ P: P giúp quá trình phân cắt (sinh sản ) làm thành cấu trúc tế bào do vậy khi đủ hàm lượng P trong đất thì sẽ giúp vi khuẩn sinh sản nhanh hơn. - Hàm lượng K: có vai trò cố định Nitơ, giúp cố định Nitơ nếu trong đất thiếu K thì khả năng sinh trưởng của vi khuẩn kém, vi khuẩn có thể phát triển bình thường nhưng mất khả năng cố định Nitơ. Các nguyên tố khác cũng ảnh hưởng đến sự tổng hợp, cố định Nitơ - Các nhân tố sinh học: Nhiều nghiên cứu cho biết các vi sinh vật sinh chất kháng sinh sống trong đất có thể làm ức chế mạnh mẽ sự phát triển của vi khuẩn nốt sần. Nhiều loại thể thực khiaanr của vi khuẩn nốt sần có khả năng làm tan tế bào nhiều loại khác nhau trong giống Rhizobium. Khả năng tạo thành nốt sần còn chịu sự ảnh hưởng của sự tích lũy ancaloit trong bộ rễ các cây thuộc bộ Đậu. Khả năng hình thành nốt sần được phát hiên thấy ở cả nhiều thực vật khác không thuộc bộ Đậu như khả năng tạo nốt sần trên rễ Coriaria (bộ Coriariales)., Almus (bộ Fagales), Cercocapus (bộ Rosales)… 2.1.2 Vi khuẩn lam (Cyanobacteria): gồm có vi khuẩn lam cố định Nitơ sống tự do và sống cộng sinh trong bèo hoa dâu. Trước đây Vi khuẩn lam (Cyanobacteria) thường được gọi là tảo lam (Cyanophyta) hay tảo lam lục. Thực ra đây là nhóm vi sinh vật nhân nguyên thủy thuộc vi khuẩn thật. Vi khuẩn lam có khả năng tự dưỡng quang năng nhờ chứa sắc tố quang hợp là chất diệp lục a. Nhiều vi khuẩn lam có khả năng cố định nitơ và có sức đề kháng cao với các điều kiện bất lợi. Những chủng vi khuẩn lam có hoạt tính cố định nitơ cao đã dược sản xuất thành các chế phẩm dùng để lây nhiễm cho ruộng lúa nhằm giảm bớt việc tiêu dùng phân đạm hóa học. Năm 1928 nhà khoa học Đức Đrius lần đầu tiên chứng minh một cách xác đáng khả năng cố định nitơ của ba loài vi khuẩn lam đã được phân lập và nuôi cấy một cách thuần khiết. Thí nghiệm này đã mở đầu cho hàng loạt thí nghiệm của nhiều nhà khoa học khác. Những thí nghiệm với nitơ đồng vị phóng xạ (N15) càng chứng minh chắc chắn cho khả năng cố định nitơ không khí của nhiều loại vi khuẩn lam sống trong nước và trong đất. Đa số các loài vi khuẩn lam có khả năng cố định nitơ sống tự do trong nước và trong đất, a. Hình thái: Vi khuẩn lam có hình dạng và kích thước rất khác nhau, chúng có thể là đơn bào hoặc dạng sợi đa bào, thường chủ yếu là dạng hình cầu, một số hình que và hình thái của nó biến đổi tùy theo mỗi giai đoạn. VD: Ở giai đoạn trẻ tế bào hình que và có khả năng chuyển động bằng cách tiết dịch nhầy về phía sau đẩy tế bào về phía trước nhưng đến khi trưởng thành thường có dạng hình cầu, đây là giai đoạn chuyển hóa nitơ mạnh nhất. Tế bào dinh dưỡng của vi khuẩn lam có thể có hình cầu, hình elip rộng, hình quả lê, hình trứng, hình thoi, hình ống. Có tế bào đường kính chỉ khoảng 1µm, cũng có tế bào chiều ngang hơn 30µm. Tế bào vi khuẩn lam gần gũi với cấu tạo của vi khuẩn G-. Thành tế bào khá dầy phân thành 2 tầng, tầng ngoài là tầng lipopolisaccarit, tầng trong là peptidoglican. Nhiều vi khuẩn lam còn tiết ra bên ngoài một lớp bao nhầy có cấu tạo polisaccarit. Bao nhầy có nhiều hình thái khác nhau: lớp dịch nhầy, vỏ nhầy, bao nhầy. Trong tế bào vi khuẩn lam có những cơ quan khá đặc trưng đó là tế bào dị hình, bào tử nghỉ, tảo đoạn, vi tiểu bào nang, hạt sinh sản… - Tế bào dị hình có thành dày, màu nhạt, không chứa các sắc tố quang hợp, không chứa các hạt dự trữ, hình thành từ tế bào dinh dưỡng trên các vị trí khác nhau của sợi. Tế bào dị hình có thể hình thành đơn độc ở đầu sợi nhưng thường xếp thành dãy (từ 2 đến 4 tế bào dị hình). Tùy vị trí mà tế bào dị hình có một nút (khi ở đầu hay ở bên) hoặc 2-3 lỗ (khi nằm ở giữa). Những lỗ này có thành dày và nối tiếp giữa tế bào dị hình với các tế bào dinh dưỡng kế tiếp. Nhiều thí nghiệm cho biết tế bào dị hình là nơi có khả năng thực hiện quá trình cố định nitơ khi có oxi. - Bào tử nghỉ (bào tử tỉnh) là loại tế bào nằm ở đầu hoặc ở giữa sợi, có thành dày, màu thẫm và có tác dụng chống chịu cao đối với các điều kiện bất lợi của môi trường sống. - Tảo đoạn (hay đoạn sợi liền) là chuỗi các tế bào ngắn được đứt ra từ sợi vi khuẩn lam. Đó là kiểu sinh sôi nảy nở đặc trưng của một số chi vi khuẩn lam. Tảo đoạn có khả năng chuyển động trong nước nhờ khả năng tiết chất nhầy. Khi dừng chuyển động tảo đoạn có khả năng phát triển thành một sợi mới. Trong tảo đoạn có thể gặp các không bào khí. Cấu trúc này giúp cho vi khuẩn lam có thể trôi nổi gần mặt nước. - Vi tiểu bào nang là các túi nhỏ bé được sinh ra từ bên trong tế bào mẹ do sự co nguyên sinh. - Hạt sinh sản là một tế bào có màng nhầy được tách ra từ sợi vi khuẩn lam và làm chức năng sinh sản. Ở vi khuẩn lam chưa phát hiện thấy các hình thức sinh sản hữu tính. Sự phân bố của vi khuẩn lam: Vi khuẩn lam phân bố rộng rãi trong tự nhiên. Đại bộ phận vi khuẩn lam sống trong nước ngọt và tạo thành thực vật phù du của các thủy vực. Một số phân bố trong vùng nước mặn giàu chất hữu cơ hoặc trong nước lợ. Một số vi khuân lam sống cộng sinh trong bèo hoa dâu (Azolla), một số cộng sinh trong rễ các cây thuộc chi Cycas, Gunera, một số cộng sinh với nấm trong địa y. Một số vi khuẩn lam có đời sống nội sinh trong các xoang của Địa tiền (rêu tản)… đặc biệt đáng chú ý là loài Anabaena azollae cộng sinh trong bèo hoa dâu một loại cây dùng làm phân xanh và làm thức ăn cho gia súc có ý nghĩa kinh tế rất lớn ở nước ta. Bèo hoa dâu là một loài Dương xỉ thuộc chi Azolla. Khi cắt một lát mỏng ngang qua phiến lá của bèo hoa dâu rồi đem quan sát dưới kính hiển vi ta sẽ thấy trong khoang khí của chúng chứa rất nhiều các sợi vi khuẩn lam thuộc chi Anabaena azollae trông giống như những chuỗi hạt. Bên cạnh các tế bào hình trụ ngắn xếp nối tiếp nhau thinht thoảng thấy có một dị tế bào sẽ tiêu biến dần nội chất trở thành chỗ để sợi tảo tách ra và phát triển thành những sợi tảo mới. Ngoài dạng cộng sinh với bào hoa dâu một số loài vi khuẩn lam (như Nostoc punctiforme) còn có thể cộng sinh trong các nốt sần của loài cỏ ba lá. Có nhiều nghiên cứu cho biết sự phát triển của vi khuẩn lam cũng làm thúc đẩy sự phát triển của nhiều loài vi khuẩn khác sống trong đất, bao gồm cả vi khuẩn cố định Nitơ Azotobacter,Rhizobium,C.pasteurianum… b. Các điều kiện ảnh hưởng đến vi khuẩn lam: Vi khuẩn lam là loài vi sinh vật hiếu khí, điều kiện Eh tốt nhất đối với sự phát triển của chúng là trên 400 mV. Nhiệt độ thích hợp nhất đối với chúng là khoảng 28 -300. Cũng có một số loài vi khuẩn lam làm cố định Nitơ thuộc loài chịu nhiệt như Mastigocladus laminosus, Anabaena flos-aquae…Tùy thuộc vào các điều kiện thổ nhưỡng và khí hậu mà loại vi khuẩn làm có khả năng cố định nitơ chiếm ưu thế ở từng vùng khác nhau là không giống nhau. Độ pH của đất và nước, nói chung vi khuẩn lam cố định nitơ thích nghi với pH: 7,5 – 10. Giới hạn pH thấp thường là 6,5 – 7,0 tuy vậy cũng có những vi khuẩn lam có thể phát triển trong đất có pH: 5,0 – 6,0. Vi khuẩn lam cố định nitơ có nhu cầu rõ rệt đối với các nguyên tố đa lượng P, Ca và một số nguyên tố vi lượng như Mo, Mg, Fe, Na, S, Cl, Co, Zn … Bổ sung vào đất các chất hữu cơ giàu cacbon (rơm, rạ …), phân photpho và phân kali là những biện pháp rất tích cực để đẩy mạnh sự phát triển của vi khuẩn lam và làm tăng cường hoạt động cố định Nitơ của chúng. Trong số các nguyên tố vi lượng cần thiết đối với sự phát triển và đối với hoạt động cố định Nitơ của vi khuẩn lam đáng chú ý hơn cả Mo, B, Co, Mn, V… Nhu cầu ánh sáng của các loài vi khuẩn lam khác nhau là không giống nhau. Đối với các loài thuộc giống Stratonostoci và Amorphonostoc người ta nhận thấy hoạt động cố định Nitơ sẽ đạt tới mức cao nhất khi chiếu sáng (12.000 – 24.000 lux) theo chế độ 8 giờ mỗi ngày. Nồng độ CO2 thích hợp nhất đối với các loài vi khuẩn lam cố định Nitơ phụ thuộc vào nhiệt độ của môi trường. Đối với Anabaena cylindrica chẳng hạn