Phân bón vi sinh - Khái niệm và vai trò của phân bón vi sinh

1. Khái niệm phân bón vi sinh

Phân bón vi sinh, là một loại phân bón xanh tiên tiến, dựa vào quá trình sống và hoạt động của vi sinh vật để cung cấp chất dinh dưỡng có thể hấp thụ trực tiếp cho cây trồng, do đó thúc đẩy sự phát triển của cây trồng và tăng năng suất. Điều này có tầm quan trọng đáng kể để thúc đẩy phát triển nông nghiệp bền vững. Phân bón vi sinh là một loại sản phẩm phân bón mới chứa một số lượng lớn vi sinh vật và cơ chế hoạt động là các vi sinh vật sống trong phân này sẽ sinh trưởng nhằm tạo ra đủ chất dinh dưỡng cần thiết cho đất và cây trồng. Thông qua các chức năng trao đổi chất của các vi khuẩn này-cụ thể là tiết ra các enzyme, acid hữu cơ và hợp chất kháng khuẩn-thành phần của cộng đồng vi khuẩn trong đất được làm giàu. Sự làm giàu này dẫn đến sự gia tăng mật độ của vi khuẩn có lợi, cải thiện các đặc tính vật lý và hóa học của đất và tăng cường các chất dinh dưỡng thiết yếu của đất như nitơ, phospho và kali. Nhìn chung, các hoạt động của vi khuẩn này thúc đẩy sự phát triển của cây trồng.

Bảng 1. Các loài vi sinh vật thường được phát hiện trong phân bón sinh học và chức năng của chúng

Phân bón vi sinh từ vi khuẩn cố định nitơ cung cấp amoniac hoặc nitrate cho cây trồng, tạo điều kiện hấp thụ và sử dụng thông qua các hoạt động sinh học vốn có của vi khuẩn. Vi khuẩn sinh acid lactic, được công nhận vì đặc tính kháng nấm, là ứng cử viên hàng đầu cho sản xuất phân bón vi sinh. Phân bón có nguồn gốc từ những vi khuẩn này có thể tạo ra acid và các chất kháng khuẩn để ngăn chặn sự phát triển của vi khuẩn gây bệnh trong đất. Hơn nữa, phân bón vi sinh được sản xuất từ nấm có khả năng tiết ra các enzyme ngoại bào và acid hữu cơ, do đó phân hủy chất hữu cơ trong đất và làm thay đổi tính đa dạng của vi sinh vật trong đất. Ngoài ra, phân bón sinh học từ xạ khuẩn có thể cải thiện cấu trúc vật lý của đất, tăng sự ổn định của nước, giảm mật độ khối đất, cải thiện quá trình thông khí và tiết ra kháng sinh để ức chế các vi sinh vật có hại. Các chủng vi sinh vật thường kết hợp trong phân bón vi sinh được trình bày trong Bảng 1. Bón phân vi sinh làm tăng độ đa dạng của vi sinh vật trong đất và số lượng vi sinh vật có lợi, đóng vai trò quan trọng trong việc thúc đẩy hình thành các tập hợp đất, cải thiện độ nén đất, cung cấp các nguyên tố N, P, K dễ hấp thụ cho cây trồng và chống lại sự xâm nhập của mầm bệnh.

2. Cơ chế hoạt động của phân bón vi sinh

2.1. Enzyme ACC deamination từ vi sinh vật

1-Aminocyclopropane-1-carboxylate (ACC) đóng vai trò là tiền chất quan trọng trong quá trình tổng hợp ethylene, một quá trình liên quan mật thiết đến phản ứng căng thẳng của cây trồng. Trong điều kiện stress, cây trồng tăng sản xuất ACC, dẫn đến mức ethylene cao hơn, ảnh hưởng xấu đến sự phát triển của cây trồng. Enzyme ACC deaminase đóng vai trò quan trọng trong việc giảm thiểu phản ứng stress do nồng độ cao ethylene gây ra bằng cách xúc tác quá trình phân hủy ACC thành acid α-ketobutyric và amoniac. Phản ứng này làm giảm nồng độ ethylene trong điều kiện stress, do đó làm giảm tác dụng ức chế của nó đối với sự phát triển của cây trồng. Trong rễ cây, con đường chuyển hóa liên quan đến Met (methionine) và quá trình tổng hợp ACC và tác động của ethylene lên rễ cây trồng, nơi thúc đẩy sự phát triển của rễ đã được mô tả. Methionine được chuyển đổi thành S-adenosylmethionine (SAM) nhờ tác động của SAM synthetase. Sau đó, ACC synthase xúc tác quá trình chuyển đổi SAM thành ACC, hợp chất này sau đó được chuyển thành ethylene bởi ACC oxidase. Tổng hợp thừa ethylene hạn chế sự phát triển của rễ. Tuy nhiên, sự hiện diện của ACC deaminase cho phép phân cắt ACC thành amoniac và acid α-ketobutyric. Quá trình này không chỉ cung cấp nguồn carbon và nitơ thiết yếu cho sự phát triển của vi khuẩn mà còn làm giảm sự tích tụ ACC, giảm mức ethylene trong thực vật và thúc đẩy sự kéo dài rễ (Hình 1). Sử dụng vi khuẩn sinh tổng hợp ACC trong phân bón sinh học không chỉ cải thiện đáng kể năng suất ngô trong điều kiện hạn hán, mà còn cải thiện đáng kể tốc độ quang hợp, độ dẫn khí của khí khổng và nồng độ diệp lục A, tổng số diệp lục và carotenoid ở cây ngô.

2.2. Sản xuất hormone thực vật và thúc đẩy tăng trưởng thực vật

Hormone thực vật, mặc dù không trực tiếp là một phần của mô và cơ quan thực vật, hoạt động như các hợp chất phân tử nhỏ điều chỉnh các hoạt động sinh lý và sinh hóa ở thực vật, thúc đẩy đáng kể sự tăng trưởng và phát triển của cây trồng. Các vi sinh vật vùng rễ đóng vai trò quan trọng trong việc điều chỉnh và sản xuất hormone thực vật, góp phần đáng kể vào sự tăng trưởng và phát triển của thực vật. Auxin, gibberellin, cytokinin, ethylene và acid abscisic (ABA) đại diện cho năm loại hormone thực vật chính được tổng hợp nội sinh bởi thực vật, mỗi loại đều có tác động có lợi đến các khía cạnh khác nhau của sinh lý thực vật. Acid indole-3-acetic (IAA), một loại auxin và một acid cacboxylic, chủ yếu được tổng hợp từ tryptophan. IAA thúc đẩy sự tăng trưởng của thực vật bằng cách tăng cường phân chia, kéo dài và biệt hóa tế bào, do đó làm thay đổi sự phát triển của mạch gỗ và rễ. Sự thay đổi này ảnh hưởng rất lớn đến khả năng hấp thụ dinh dưỡng và sự phát triển tổng thể của thực vật. Ví dụ, IAA của vi khuẩn làm tăng diện tích bề mặt và chiều dài của rễ cây, cải thiện đáng kể khả năng hấp thụ chất dinh dưỡng của cây. Một số chủng vi khuẩn, chẳng hạn như Azotobacter spp., Rhizobium spp., Pantoea agglomerans và Rhodospirillum rubrum, đã được xác định là tiết ra cytokinin. Hormone này rất cần thiết để thúc đẩy quá trình phân chia tế bào chất, dẫn đến sự biệt hóa và phát triển của nhiều mô thực vật. Tương tự như vậy, gibberellin, một hợp chất diterpenoid, có ảnh hưởng đến việc kích thích sự kéo dài thân, do đó tạo điều kiện cho sự phát triển của thực vật.

Hình 1. Phân hủy ACC

Ethylene, một hormone thực vật quan trọng khác, có nhiều vai trò trong quá trình phát triển và phản ứng với stress của thực vật. Ethylene hỗ trợ quá trình hình thành lông rễ, nảy mầm hạt, chín quả, rụng lá và đối phó với stress sinh học và phi sinh học, mặc dù nó cũng có thể ức chế sự kéo dài rễ. Quá trình tổng hợp và điều hòa các hormone này bởi các vi sinh vật vùng rễ nhấn mạnh mối quan hệ phức tạp trong hệ vi sinh vật thực vật, làm nổi bật vai trò thiết yếu của chúng trong việc hỗ trợ sức khỏe và năng suất của thực vật. Sự tương tác giữa các vi sinh vật đất và rễ cây không chỉ tạo điều kiện cho cây hấp thụ các chất dinh dưỡng thiết yếu mà còn ngăn ngừa sự tích tụ các hợp chất độc hại. Bonartsev và cộng sự (2016) phát hiện ra rằng Azotobacter chroococcum có thể điều chỉnh sự phát triển của thực vật bằng cách sản xuất cytokinin. Nghiên cứu của Yasar và cộng sự (2010) cho thấy rằng một số vi sinh vật trong phân bón vi sinh, chẳng hạn như Bacillus subtilis, Bacillus cereus và Bacillus megaterium, có thể kích thích sự phát triển của rễ và hệ thống rễ ở quả kiwi bằng cách sản xuất acid indole-3-acetic (IAA). Các thí nghiệm đã chỉ ra rằng Bacillus subtilis RC03, Bacillus simplex RC19 và Comamonas testosteroni RC41 làm tăng đáng kể tỷ lệ ra rễ ở cành giâm quả kiwi bằng cách sản xuất nhiều IAA hơn.

Phân bón vi sinh kích thích sự phát triển của cây trồng thông qua một loạt các hoạt động sống của các loại vi sinh vật khác nhau hiện diện trong dạng phân bón này, chúng tiết ra hormone thực vật và các chất khác. Sau khi bón phân vi khuẩn, năng suất quả và tỷ lệ đậu quả được cải thiện, đóng vai trò quan trọng trong sự phát triển bền vững của nông nghiệp.

2.2.3. Cải thiện hoạt động của enzyme chống oxy hóa

Superoxide dismutase (SOD), catalase (CAT) và glutathione oxidase khử (GSH) là các enzyme chống oxy hóa được sử dụng để giảm tác động của stress oxy hóa lên cây trồng. SOD làm giảm đáng kể nguy cơ tổn thương oxy hóa bằng cách xúc tác quá trình phân hủy O2, catalase phân tách các phân tử H2O2 thành nước và oxy, peroxidase được sản xuất trong bộ máy Golgi và lưới nội chất, enzyme có khả năng phân hủy H2O2 và cũng tham gia vào quá trình liên kết chéo thành tế bào, nới lỏng thành tế bào, hóa gỗ, dị hóa auxin, và cân bằng oxy hóa khử, SOD và peroxidase là thành phần chống oxy hóa của enzyme, và enzyme cùng các thành phần không phải enzyme của hệ thống chống oxy hóa cung cấp một cơ chế bảo vệ phức tạp và đa dạng để duy trì cân bằng ROS để tránh tổn thương tế bào thực vật do oxy hóa gây ra và thúc đẩy tăng trưởng thực vật. Sagar và cộng sự (2020) phát hiện ra rằng việc sử dụng Enterobacter sp. PR14 khi có enzyme chịu ứng suất muối làm tăng hoạt động của các enzyme chống oxy hóa ở thực vật. Zhou và cộng sự (2024) phát hiện ra rằng W. anomalus làm tăng hoạt động của các enzyme liên quan đến khả năng kháng thuốc như PPO, POD và GU trong quả đào, đồng thời tăng cường khả năng kháng bệnh và khả năng chống oxy hóa của quả đào. Phân bón vi sinh có thể tăng cường hoạt động của các enzyme chống oxy hóa trong thực vật, cải thiện khả năng loại bỏ các loài oxy phản ứng và điều chỉnh sự phát triển của thực vật.

2.4. Kích thích các enzyme thực vật và các con đường truyền tín hiệu ở thực vật

Các chất chuyển hóa thứ cấp, các chất sinh hóa quan trọng do thực vật tạo ra thông qua các con đường chuyển hóa riêng biệt, đóng vai trò không thể thiếu trong sinh lý học thực vật. Các hợp chất này hỗ trợ khả năng kháng sâu bệnh, thụ phấn, phát tán và thích nghi với các tác nhân gây căng thẳng môi trường khác nhau. Các vi sinh vật có lợi có thể khởi tạo các con đường truyền tín hiệu bên trong thực vật, tăng cường hoạt động của các enzyme tham gia vào quá trình chuyển hóa thứ cấp và nâng cao mức độ biểu hiện gen, do đó củng cố cơ chế phòng vệ của thực vật và sức khỏe tổng thể.

Actinomycetes, đặc biệt được biết đến với vai trò của chúng trong sản xuất kháng sinh, chiếm khoảng 75% các loại kháng sinh có nguồn gốc tự nhiên, trong đó Streptomyces là chi chiếm ưu thế trong bối cảnh này. Các nhà nghiên cứu đã phát hiện ra một chủng Streptomyces griseus (A316) trong đất rễ của cải thảo có khả năng ức chế sự nảy mầm của các bào tử ngủ đông của mầm bệnh ở rễ, mang lại khả năng bảo vệ chống lại các bệnh ở rễ. Vukelíc và cộng sự (2021) đã chứng minh rằng việc xử lý bằng Trichoderma sp. dẫn đến việc giảm Chỉ số tích lũy sinh học (Bioaccumulation Index/BI) của chì (Pb) ở hai giống cà chua. Họ phát hiện ra rằng giống càng phản ứng tốt với việc xử lý thì biểu hiện của gen hormin sưng ở rễ càng cao, điều này tương quan với hiệu quả xâm chiếm rễ tốt hơn. Arora và cộng sự (2016) đã quan sát thấy rằng việc ứng dụng kết hợp Piriformospora indica và Azotobacter chroococcum đã điều chỉnh tăng biểu hiện phiên mã của các gen liên quan đến artemisinin như ADS, CYP, DBR2 và ALDH1, cho thấy tiềm năng tăng sản xuất artemisinin. Tương tự như vậy, Prasanna và cộng sự (2011) cho rằng sự tăng cường hoạt động của phosphatase acid (acid phosphatase/ACP) có thể là do các chất hoạt tính có trong phân bón vi sinh. Các chất này ảnh hưởng đến hoạt động ACP của đất, tạo điều kiện cho cây trồng hấp thụ và sử dụng các chất dinh dưỡng phosphorusvà cải thiện tính khả dụng của phosphorustrong đất.

Các nghiên cứu sâu hơn chỉ ra rằng phân bón vi sinh thúc đẩy đáng kể năng suất cây trồng, tỷ lệ đậu quả và sự phát triển của rễ. Nghiên cứu của Yang và cộng sự (2020) đã chứng minh rằng một loại phân bón vi sinh tổng hợp có chứa các vi sinh vật chức năng như Azospirillum brasilense, Bacillus subtilis, Licheniformis bacillus và Mucilaginibacter polysaccharea làm tăng đáng kể chiều cao cây lúa mì, số lượng bông và năng suất. Assainar và cộng sự (2018) phát hiện ra rằng chế phẩm vi sinh làm tăng đáng kể năng suất hạt mà không làm tăng sinh trưởng thân lúa mì, cho thấy rằng các vi sinh vật có lợi ở nồng độ thích hợp có thể thúc đẩy sinh trưởng của cây và tăng sản lượng hạt.

2.5. Cố định nitơ, hòa tan kali, hòa tan phosphate

Nitơ (N2) là một nguyên tố thiết yếu cho các hoạt động sống của thực vật, nhưng cây trồng không thể sử dụng trực tiếp N2 có trong khí quyển. Quá trình cố định nitơ  sinh học biến đổi nitơ trong khí quyển thành dạng amoniac mà thực vật có thể hấp thụ. Các vi sinh vật cố định nitơ  sản xuất ra nitrogenase, chuyển đổi N2 trong khí quyển thành amoniac để thực vật sử dụng. Vi khuẩn cố định nitơ trong đất, sử dụng chất dinh dưỡng từ phân bón vi sinh, bao gồm vi khuẩn cộng sinh như Rhizobia và Frankia, cũng như vi khuẩn sống tự do như Azotobacter và vi khuẩn cố định nitơ  không cộng sinh, tất cả đều có khả năng chuyển đổi N2 trong môi trường thành amoniac. "Quá trình cố định nitơ sinh học", được thực hiện bởi các vi sinh vật thông qua các enzyme vi khuẩn có độ nhạy cao, chuyển đổi N2 trong khí quyển thành amoniac (NH3). Ví dụ, Rhizobia (Hình 2), gây ra sự tổng hợp các yếu tố tạo nốt sần để đáp ứng với flavonoid do vật chủ tiết ra, dẫn đến sự sưng và cuộn của lông rễ, hình thành các khoang nhiễm trùng, sau đó xâm nhập vào các tế bào vỏ rễ cây thông qua các sợi nhiễm trùng. Rhizobia sinh sôi trong các sợi lây nhiễm và phân hóa thành vi khuẩn có khả năng khử nitơ trong các nốt sần.

Hình 2. Cố định nitơ bởi vi khuẩn nốt sần

Kali (K) điều chỉnh các phản ứng của enzyme thực vật, khả năng chịu mặn, quang hợp và các chức năng khác. Việc thiếu kali trong đất có thể làm gián đoạn các chức năng của thực vật, ức chế sự phát triển và làm giảm chất lượng quả. Vi khuẩn hòa tan kali, thông qua quá trình hòa tan và khoáng hóa, chuyển đổi kali không hòa tan trong đất thành dạng hòa tan, tăng cường khả năng hấp thụ kali của thực vật, giảm nhu cầu phân kali, cải thiện tỷ lệ sử dụng, duy trì cân bằng dinh dưỡng và tăng cường chất lượng và năng suất cây trồng. Vi khuẩn hòa tan kali giải phóng K từ khoáng chất fenspat và aluminosilicat thông qua quá trình acid hóa, tạo phức, phản ứng trao đổi và tạo phức, cũng như phân hủy chất hữu cơ và tàn dư cây trồng. Các vi khuẩn hòa tan kali chính, chẳng hạn như Bacillus circulans, Bacillus mucilaginosus và Bacillus edaphicus, phá vỡ các cấu trúc khoáng silicat bằng acid hữu cơ và vô cơ được tạo ra trong quá trình trao đổi chất của vi khuẩn, giải phóng kali vào đất. Trong một nghiên cứu của mình, Chen và cộng sự (2020) đã xác định được một chủng Bacillus mucilaginosus sản xuất ra các chất chuyển hóa chứa hormone thực vật và acid hữu cơ, thúc đẩy sự hấp thụ kali ở cây con (táo) thông qua kích thích hormone và acid hóa, do đó tăng cường sự phát triển. Ahmed và cộng sự (2016) phát hiện ra rằng sau khi bón Bacillus cereus, kali có trong đất tăng 42% và sự hấp thụ kali của củ khoai tây tăng 62%.

Phosphorus (P) là một chất dinh dưỡng thiết yếu cho quá trình trao đổi chất và phát triển của sinh vật. Hầu hết phosphorus trong đất tồn tại ở dạng vô cơ, với một lượng nhỏ ở dạng hữu cơ. Phosphorus vô cơ hòa tan có thể bị cố định, trở nên không có sẵn cho thực vật. Nhiều vi sinh vật có thể hòa tan các hợp chất phosphate vô cơ không hòa tan, chẳng hạn như Bacillus, Escherichia và Pseudomonas, bằng cách sản xuất acid hữu cơ và vô cơ, làm giảm độ pH của đất. Việc bón phân vi sinh, thông qua hoạt động của các vi sinh vật trong phân bón và những vi sinh vật được làm giàu trong đất, phân hủy phosphorus hữu cơ và vô cơ trong đất, giúp thực vật có thể sử dụng phosphorus. Vi khuẩn hòa tan phosphate đóng vai trò quan trọng bằng cách hòa tan và khoáng hóa phosphorus để cây hấp thụ. Như minh họa trong Hình 3, cơ chế hòa tan phosphate chủ yếu bao gồm bốn con đường: tiết acid hữu cơ, tiết proton, tiết phosphatase và các cơ chế khác, chuyển đổi phosphate không hòa tan thành các ion phosphate tự do có sẵn để cây hấp thụ, bao gồm các acid hữu cơ như acid gluconic, acid 2-ketogluconic, acid oxalic, acid citric, acid axetic, acid malic, acid lactic, acid formic, acid succinic, acid propionic và acid tartaric. Vi sinh vật tạo ra HCO3− và NH4+ thông qua hoạt động hô hấp, giải phóng H+ và làm giảm độ pH để tạo ra quá trình hòa tan phosphate.

Hình 3. Cơ chế hòa tan P của vi khuẩn hòa tan phosphate khó tan

Ngoài các con đường này, vi sinh vật hấp thụ và lưu trữ phosphorus khả dụng sinh học trong quá trình hoạt động sống của chúng, giải phóng nó vào đất khi chúng chết để tăng hàm lượng phosphoruscó sẵn trong đất. Một số vi khuẩn hòa tan phosphorus cũng tiết ra các chất hữu cơ tạo phức giải phóng các ion phosphate bằng cách liên kết với các ion kim loại. Habibi và cộng sự (2019) đã phân lập nhiều chủng hòa tan phosphate từ cây lúa, bao gồm Paenibacillus, Pseudomonas và Enterobacter, một số trong đó đã chứng minh khả năng hòa tan khoáng chất phosphate (tricalcium phosphate). Prasanna và cộng sự. [25] đã gợi ý rằng phân bón vi sinh có thể ảnh hưởng đến hoạt động của phosphatase acid đất (ACP), tăng cường hấp thụ và sử dụng chất dinh dưỡng phosphoruscủa cây trồng, và cải thiện phosphoruscó sẵn trong đất. Hameeda và cộng sự (2008) phát hiện ra rằng Streptococcus dạng nhầy và Pseudomonas sp. của thí nghiệm có thể hòa tan phosphorus và vi khuẩn quang hợp tạo ra các chất chuyển hóa như hormone thực vật, kháng sinh và siderophore, thúc đẩy sự phát triển của ngô với vi khuẩn hòa tan phosphorus được phân lập từ phân trộn. Bằng cách bón phân vi sinh có chứa và làm giàu đất bằng các vi sinh vật cố định nitơ , hòa tan P và hòa tan kali, cùng với nhiều chất chuyển hóa thứ cấp và hợp chất tiết ra từ hệ thống rễ đang phát triển, cây trồng được cung cấp nhiều nguyên tố N, P, K, thúc đẩy cây trồng phát triển

Trong đất, đặc biệt trong đất vùng rễ luôn luôn tồn tại các loài vi sinh vật hữu ích. Các loài vi sinh vật này có khả năng phân hủy và chuyển hóa các chất ở dạng khó sử dụng thành dạng dinh dưỡng dễ sử dụng bởi thực vật. Bên cạnh đó chúng có thể tổng hợp các phytohormones giúp thực vật vượt qua các stress môi trường như hạn hán, mặn, đặc biệt các vi sinh vật có lợi còn tiết vào môi trường các hợp chất có tính ức chế mầm bệnh hại thực vật. Các loài vi sinh vật hữu ích này chính là nguồn sẵn có để sản xuất các chế phẩm sinh học như phân bón sinh học, thuốc trừ sâu sinh học góp phần phát triển nông nghiệp bền vững.

Sưu tầm

Xin vui lòng ghi rõ nguồn gốc của thông tin khi đăng tải lại bài viết này

Nguồn thông tin này lấy từ:

Wei, X.; Xie, B.; Wan, C.; Song, R.; Zhong, W.; Xin, S.; Song, K. Enhancing Soil Health and Plant Growth through Microbial Fertilizers: Mechanisms, Benefits, and Sustainable Agricultural Practices. Agronomy 2024, 14(3), 609; https://doi.org/10.3390/agronomy14030609.