Sự cố định đạm bởi vi khuẩn cộng sinh
Trong xuyên suốt quá trình hình thành và phát triển của nông nghiệp, các cây họ đậu và phân súc vật là nguồn cung cấp đạm chính cho cây trồng. Từ những năm 1940, giá trị của các chất hữu cơ này bị giảm dần do gia tăng sản xuất và sử dụng đạm tổng hợp có giá thành rẻ và có phản ứng nhanh với cây trồng. Tuy nhiên đạm hữu cơ vẫn còn là nguồn đạm quan trọng ở nhiều nước.
Lượng đạm được cố định do sự cộng sinh
Người ta ước đoán, hàng năm trên địa cầu tổng lượng đạm N2 được cố định sinh học 100 – 175.106 tấn, trong đó khoảng 90.106 tấn được cố định bởi vi khuẩn Rhizobia. Sự sử dụng phân bón đạm tổng hợp trên thế giới là 77,1.106 tấn trong năm 1977.
Lượng đạm N được cố định bởi các cây họ đậu có nốt sần chiếm khoảng 75% tổng lượng đạm sử dụng bởi cây trồng.
Các sinh vật có liên quan đến sự cố định đạm
Lượng đạm cố định được bởi các cây họ đậu khác nhau. Sự cố định đạm bởi phần lớn các cây họ đậu đa niên biến động từ 100 – 200 kg/ ha/năm, nhưng trong những điều kiện tối hảo, lượng đạm cố định có thể đạt gấp 2 – 3 lần giá trị này. Các cây họ đậu ngắn ngày có thể cố định được 10 – 20 kg/ha/năm.
Hình 1. Vi khuẩn Rhizobium
Có rất nhiều chủng Rhizobium hiện diện trong đất, mỗi chủng yêu cầu cây chủ riêng biệt. Ví dụ, vi khuẩn cộng sinh với cây đậu nành sẽ không cố định N với cỏ alfalfa (linh lăng). Hạt giống của cây họ đậu được khuyến cáo nên chủng với các vi khuẩn thích hợp trước khi gieo cho các vùng lần đầu tiên trồng các loại cây họ đậu mới. Ví dụ, sự cố định đạm của cỏ alfalfa tăng 40% khi chủng vi khuẩn và các dòng alfalfa thích hợp.
Sự hiện diện của các nốt sần trên rễ cây họ đậu không phải luôn luôn hữu hiệu. Các nốt sần trưởng thành hữu hiệu của alfalfa thường to, có màu hồng hay đỏ ở trung tâm nốt sần. Màu đỏ là do đặc tính của chất leghemoblobin và màu này chứng tỏ những tế bào nốt sần này có chứa rhizobia và đang hoạt động cố định N2. Những nốt sần vô hiệu thường nhỏ (đường kính< 2 mm), thường chiếm số lượng nhiều phân bố rải rác trên toàn bộ hệ thống rễ, trong một số trường hợp các nốt sần vô hiệu có kích thước lớn và số lượng ít. Ở trung tâm nốt sần này thường có màu xanh hay trắng.
Sự sử dụng đạm trong cây họ đậu đối với cây trồng khác
Năng suất của các cây trồng khác thường tăng khi chúng được trồng ngay sau vụ trồng các cây họ đậu. Một số nguyên nhân là do có liên quan đến lượng đạm hữu dụng của đất được cải thiện, mặc dù cũng có những ảnh hưởng do luân canh có thể làm tăng năng suất. Có rất nhiều nghiên cứu đồng ruộng đã được thiết lập để đánh giá sự hữu dụng của đạm trong cây họ đậu đến các cây trồng khác trong vụ sau. Thông thường, khi trồng bắp sau vụ đậu nành thì nhu cầu đạm cho năng suất tối hảo thường thấp hơn nhu cầu đạm khi trồng hai vụ bắp liên tục. Sự khác nhau này có sự đóng góp của đạm hữu dụng từ cây trồng họ đậu như bắp trồng sau đậu nành. Các kết quả này minh chứng mạnh mẽ rằng lợi ích của sự luân canh cây họ đậu và một số lợi ích khác là do mức độ hữu dụng của đạm trong đất tăng lên.
Lượng đạm hữu dụng do cố định sinh học trong hệ thống phụ thuộc vào các yếu tố sau:
- Lượng đạm được cố định.
- Lượng và loại dư thừa của cây họ đậu được vùi trong đất.
- Lượng đạm hữu dụng trong đất đối với cây họ đậu.
- Sự quản lý khi thu hoạch.
Sử dụng đạm trong cây phân xanh của cây trồng vụ sau cũng biến đổi rất cao. Mức độ hữu dụng của đạm trong dư thừa cây họ đậu đối với cây trồng vụ sau biến thiên từ 20 – 50 %. Sự hữu dụng của đạm trong cây họ đậu đến các cây trồng xen chưa được nghiên cứu nhiều, một lượng nhỏ các amino acid và các hợp chất đạm hữu cơ khác có thể được tiết ra từ rễ cây họ đậu. Sự phân giải sinh học của rễ chết và nốt sần cũng đóng góp một phần đạm cho cây trồng được trồng cùng với cây họ đậu. Trong một số điều kiện, lượng đạm được cố định và sự hữu dụng của đạm của cây họ đậu thường không đủ cho nhu cầu của cây trồng sau đó, nên cần thiết phải bón thêm phân đạm cho cả hai loại cây trồng, cây họ đậu và cây trồng khác đạt năng suất tối hảo.
Để sử dụng đạm trong cây họ đậu của các cây trồng khác, sự khoáng hóa đạm của cây họ đậu yêu cầu xảy ra cùng lúc với thời gian cây trồng sử dụng đạm. Sự khoáng hóa đạm trong cây họ đậu bởi các vi sinh vật đất được kiểm soát bởi khí hậu, sự khoáng hóa này tăng khi nhiệt độ và độ ẩm thích hợp. Nhưng thời kỳ hấp thu đạm của các cây trồng có thể khác nhau, phụ thuộc vào loại cây trồng. Vì vậy, để các cây trồng khác sử dụng tối đa đạm của cây họ đậu, sự hấp thu phải đồng thời với sự khoáng hóa đạm. Do đó, để quản lý đạm của cây họ đậu hiệu quả cần phải chọn cây trồng thích hợp trong hệ thống luân canh.
Bón phân đạm cho cây họ đậu
Sự cố định đạm tối đa chỉ xảy ra khi đạm hữu dụng trong đất ở mức tối thiểu. Sự hoạt động của Rhizobium giảm khi cây họ đậu được bón phân vô cơ. Tuy nhiên, đôi khi người ta khuyến cáo bón lót ruộng một lượng đạm nhỏ để đảm bảo cho cây con của cây họ đậu đủ đạm cho đến khi Rhizobia cộng sinh trong rễ. Bón phân đạm cũng có lợi cho cây họ đậu khi sự hoạt động của Rhizobia bị hạn chế do những điều kiện thời tiết khắc nghiệt như lạnh, ẩm ướt. Trong điều kiện này sự cố định đạm của các cây thường thấp và nên bón phân đạm cho cây.
Các yếu tố ảnh hưởng đến sự cố định đạm của vi khuẩn cộng sinh
Các yếu tố quan trọng nhất ảnh hưởng đến lượng đạm cố định bởi Rhizobia là pH đất, dinh dưỡng khoáng trong đất, hoạt động quang hợp, khí hậu, và sự quản lý cây họ đậu. Bất cứ sự khủng hoảng nào trong cây họ đậu gây ra bởi các yếu tố này cũng có thể làm giảm nghiêm trọng năng suất của cây họ đậu và mức độ hữu dụng của đạm đối với cây trồng sau.
pH đất, độ chua của đất là yếu tố chính hạn chế sự tồn tại và sinh trưởng của Rhizobia trong đất và có thể ảnh hưởng nghiêm trọng đến sự hình thành nốt sần và tiến trình cố định đạm. Rhizobia và rễ của cây họ đậu có thể bị tổn thương bởi độ chua do liên quan đến độ độc Al3+, Mn2+, và H+ trong đất, cũng như mức độ hữu dụng của Ca2+, H2PO4– thấp. Sự mẫn cảm của các loài Rhizobia đến độ chua của đất khác nhau rất đáng kể. pH < 6,0 làm giảm nghiêm trọng số lượng Rhizobium melilote trong vùng rễ của alfalfa, mức độ hình thành nốt sần và năng suất của alfalfa, trong khi đó pH khoảng 5,0 – 7 chỉ có ảnh hưởng rất ít đến R. trifoli và cây họ đậu chủ yếu là cỏ ba lá.
Bón vôi cho đất chua là một biện pháp cải thiện pH cho các cây họ đậu cộng sinh với Rhizobium. Đối với những nơi không có nguồn vôi có thể thay đổi phương pháp trồng cây họ đậu, bằng cách chủng các vi khuẩn vào trong hạt hay sử dụng các chủng thích ứng với đất chua.
Tình trạng dinh dưỡng khoáng trong các loại đất, các loại đất chua thiếu Ca2+, H2PO4– có thể hạn chế sự sinh trưởng của Rhizobia; nhưng sự thiếu hụt các chất dinh dưỡng khoáng khác ít khi làm giảm sự cố định đạm. Sự cố định đạm trong nốt sần cây yêu cầu nhiều Mo hơn cây chủ, vì vậy Mo là yếu tố vi lượng rất quan trọng đối với các cây cố định đạm. Sự bắt đầu hình thành và phát triển của nốt sần có thể bị ảnh hưởng do thiếu các nguyên tố Co, B, Fe và Cu. Sự khác nhau trong mẫn cảm của các chủng Rhizobium đến sự thiếu các chất dinh dưỡng. Nồng độ NO3– cao trong đất có thể làm giảm sự hoạt động của enzym nitrogenase và vì vậy làm giảm sự cố định đạm. Các nốt sần bị mất màu hồng khi trong đất có hàm lượng NO3– cao. Ngoài ra sự giảm cố định đạm cũng có liên quan đến sự cạnh tranh trong sử dụng các sản phẩm quang hợp giữa quá trình khử NO3– và các phản ứng cố định đạm.
Quang hợp và khí hậu, tốc độ hình thành các sản phẩm quang hợp có liên quan mạnh mẽ đến sự gia tăng cố định đạm bởi vi khuẩn Rhizobia. Những yếu tố làm giảm tốc độ quang hợp cũng đồng thời làm giảm sự cố định đạm. Các yếu tố này bao gồm cường độ ánh sáng giảm, thiếu nước và nhiệt độ thấp.
Phương pháp quản lý cây họ đậu, thông thường bất cứ biện pháp kỹ thuật nào làm giảm năng suất của cây họ đậu sẽ làm giảm lượng đạm được cố định bởi cây họ đậu. Những biện pháp kỹ thuật này bao gồm việc quản lý nước và chất dinh dưỡng, cỏ dại côn trùng, bệnh và thu hoạch. Kỹ thuật thu hoạch thường khác nhau rất nhiều giữa các khu vực, chu kỳ thu hoạch quá ngắn, quá sớm hoặc quá trễ đều có thể làm giảm năng suất của cây họ đậu và lượng đạm cố định.
Sự cố định đạm bởi các cây gỗ và cây bụi thuộc họ đậu
Sự cố định đạm bởi các cây gỗ và cây bụi thuộc cây họ đậu rất quan trọng trong hệ sinh thái rừng nhiệt đới và á nhiệt đới, và cho các hệ thống nông lâm kết hợp trong các quốc gia đang phát triển. Nhiều cây họ đậu cố định được lượng đạm đáng kể. Ví dụ, Mimosa, Acaica, bồ kết đen, và ba loài cây họ đậu lấy gỗ là Gliricidia sepium, Leucaena leucocephala, Sesbania biosbinosa đã được dùng làm cây phân xanh trên những hệ thống cây trồng với lúa là cây trồng chính.
Sự cố định đạm của các thực vật khác. Một số cây khác được phân bố rộng rãi cũng có khả năng cố định đạm bởi cơ chế tương tự như cây họ đậu và Rhizobia cộng sinh. Một số họ thực vật sau đây có mang nốt sần trên rễ và cố định được đạm. Betulaceae, Elaegnaceae, Myricaceae, Coriariaceae, Rhamnaceae và Casurinaceae. Phi lao và Ceanothus là hai loài được tìm thấy phổ biến trong các vùng rừng ở Tây Bắc Thái Bình Dương, có thể đóng góp một phần đạm đáng kể vào hệ sinh thái ở đây. Frankia, một loại xạ khuẩn và vi sinh vật tham gia trong quá trình cố định đạm bởi các cây lấy gỗ không thuộc họ đậu này.
Sự cố định đạm bởi các vi sinh vật không cộng sinh trong đất
Sự cố định đạm trong đất cũng có thể được tiến hành bởi một số chủng vi khuẩn sống tự do và các loại tảo lục lam.
a. Tảo
Hình 2 Tảo lam và bèo hoa dâu
Các loại tảo lục lam là những sinh vật hoàn toàn tự dưỡng có nhu cầu ánh sáng, nước, N2, CO2, và các nguyên tố khoáng cần thiết khác. Số lượng các loài này trong đất ngập nước cao hơn nhiều so với các vùng đất khô. Vì cần ánh sáng, cho nên chúng chỉ góp một phần nhỏ đạm cho đất cây trồng cạn sau khi cây trồng đã giao tán. Trong sa mạc hay các vùng bán khô hạn, tảo lục lam hay rong rêu chứa tảo sẽ bắt đầu hoạt động sau vài cơn mưa và cố định lượng đạm đáng kể trong thời gian hoạt động rất ngắn của chúng. Sự cố định đạm của tảo lục lam rất có ý nghĩa về mặt kinh tế trong các vùng khí hậu nóng, đặc biệt trên các vùng đất nhiệt đới, đạm trở nên hữu dụng cho các sinh vật khác bởi tảo lục lam có thể khá quan trọng trong các giai đoạn đầu của sự hình thành đất.
Có một quan hệ cộng sinh đáng chú ý giữa Anabaena azola (một loại tảo lục- lam) và Azolla (bèo hoa dâu) trong sông hồ nhiệt đới và ôn đới. Tảo lục lam định vị trong khoang lá của bèo hoa dâu nên được bảo vệ chống lại các điều kiện bên ngoài và có khả năng cung cấp tất cả đạm cần thiết cho cây chủ. Một đặc điểm quan trọng của tổ hợp này là bèo hoa dâu có bề mặt thu nhận ánh sáng rất lớn, đây là một đặc điểm giới hạn khả năng cố định đạm của tảo lam sống tự do.
Vi sinh vật Beijerinckia, hiện diện trong hầu hết các vùng nhiệt đới, sống trên bề mặt lá của nhiều loại cây nhiệt đới và cố định đạm trên những lá này thay vì hoạt động trong đất.
Ở khu vực Đông Nam Á, Azolla được sử dụng làm phân xanh hàng thế kỷ nay trên các vùng canh tác lúa nước, cũng như làm thức ăn cho gia súc, hay làm các loại phân bón hỗn hợp bón cho các loại cây trồng khác, và cũng được sử dụng như là một biện pháp diệt cỏ dại. Khi sử dụng làm phân xanh bèo hoa dâu cung cấp 50 – 60 kg N/ hecta làm tăng năng suất lúa đáng kể so với ruộng lúa không bón phân.
2.4.2 Vi khuẩn liên kết cố định đạm
Một số vi khuẩn cố định đạm có thể sinh trưởng trên bề mặt rễ và trong một số trường hợp có thể sinh trưởng ngay trong mô rễ của bắp, cỏ, kê, lúa, cao lương, lúa mì và rất nhiều loại thực vật bậc cao khác. Azospirillum brasilense là loại vi khuẩn cố định đạm được xác định. Tiêm chủng Azospirillum brasilense cho cây ngũ cốc cải thiện được sự sinh trưởng và dinh dưỡng đạm, mặc dù phản ứng của sự chủng này biến động rất cao. Một số yếu tố có thể làm gia tăng sự hấp thu chất dinh dưỡng của cây trồng là khả năng thấm của rễ được thay đổi những hoạt động của hormon và tăng cường sự khử NO3‑ trong rễ. Đối với chủng Azotobacter và Clostridium có thể cung cấp tối đa 5 kg N/ hecta; vì vậy những sinh vật không cộng sinh này có giá trị rất thấp đối với sự hữu dụng của đạm trong nền nông nghiệp thâm canh.
2.5 Sự bổ sung đạm trực tiếp từ khí quyển vào đất
Các hợp chất đạm trong khí quyển được trả lại cho đất theo mưa, dưới các dạng NH3, NO3–, NO2–, N2O; và đạm hữu cơ, đạm dạng ammonia chiếm một lượng lớn ở các khu công nghiệp, nơi NH3 được sử dụng hay sản xuất. Ammonia cũng có thể thoát ra từ bề mặt đất do kết quả của các phản ứng hóa học trong đất. Đạm hữc cơ tích lũy dưới dạng những dư thừa hữu cơ bị phân giải và thoát vào khí quyển từ bề mặt trái đất.
Đất có khả năng hấp thu một lượng đáng kể NH3 từ khí quyển. Trong những vùng không khí có nồng độ NH3 cao đất có thể hấp thu 50 – 70 kg NH3/ hecta/ năm. Sự hấp thu này tương quan thuận với nồng độ NH3 và nhiệt độ nhưng độc lập với lượng mưa.
Do có một lượng nhỏ NO2– hiện diện trong khí quyển nên thường cả NO2– và NO3– được gọi chung là NO3–, NO3– trong khí quyển được hình thành trong thời gian phóng điện trong khí quyển, nhưng những nghiên cứu mới đây cho thấy rằng chỉ có khoảng 10 – 20 % NO3– trong nước mưa có liên quan đến sấm sét. Phần còn lại do khí thải công nghiệp hay phát sinh từ đất.
Các hợp chất đạm trong khí quyển liên tục được trả lại cho đất thông qua nước mưa. Tổng lượng đạm trong nước mưa biến thiên từ 1 – 50 kg/hecta/ năm, phụ thuộc vào vị trí địa lý. Điều này cho thấy rằng lượng đạm trong nước mưa thường cao ở các vùng xung quanh khu công nghiệp, và thông thường nồng độ đạm trong nước mưa trong vùng nhiệt đới cao hơn so với vùng cực và ôn đới.
2.6 Sự cố định đạm công nghiệp, công nghiệp sản xuất phân đạm vô cơ
Đạm được cố định từ công nghiệp là nguồn đạm quan trọng nhất hiện nay và trong tương lai. Quá trình sản xuất đạm bằng phương pháp cố định công nghiệp dựa trên quy trình Haber – Bosch, trong đó khí H2 và N2 phản ứng với nhau để tạo thành NH3
3 H2 + 2 N2 à 2 NH3 (ở điều kiện 1200oC và 500 atm)
NH3 được sản xuất có thể được sử dụng làm phân bón trực tiếp (NH3 khan) tuy nhiên NH3 thường dùng làm nguyên liệu để sản xuất các dạng phân đạm khác.
