Ứng dụng vi sinh dùng làm phân bón và chất kích thích tăng trưởng

Tiến sĩ WJ Botha thuộc Phòng Hệ sinh học trực thuộc Viện Nghiên cứu Bảo vệ và Sức khỏe Thực vật của Hội đồng Nghiên cứu Nông nghiệp giải thích lý do tại sao vi khuẩn Streptomyces là lựa chọn thay thế lý tưởng cho phân bón hóa học và chất kích thích tăng trưởng.

Với sự gia tăng dân số thế giới dự kiến ​​trong những thập kỷ tới, năng suất cây trồng trên mỗi ha và giảm sử dụng hóa chất trong nông nghiệp sẽ có tầm quan trọng hàng đầu.

Actinobacteria hay 'vi khuẩn tia' là vi khuẩn Gram dương chiếm một tỷ lệ đáng kể trong quần thể vi sinh vật đất, lưới thức ăn trong đất và hệ vi sinh vật gốc (cộng đồng vi sinh vật, chẳng hạn như nấm, vi khuẩn và vi rút tồn tại trong một môi trường cụ thể và xâm chiếm hệ thống rễ).

Chúng giống với nấm về hình thái, tạo thành các sợi phân nhánh, giống như sợi chỉ, các bào tử vô tính xếp thành chuỗi và các sợi hoặc sợi nấm dày đặc.

Actinobacteria thường phát triển trong đất ấm và ẩm ướt. Sau một thời gian dài khô hạn, hoạt động của chúng chậm lại. Khi đất được làm ẩm, các bào tử xạ khuẩn 'đánh thức' và giải phóng một sản phẩm phụ gọi là geosmin, tạo ra mùi đất đặc trưng, ​​tươi mát.

Một số loài hình thành mối quan hệ tương hỗ với thực vật, thúc đẩy sự phát triển của rễ và bảo vệ chống lại mầm bệnh. (Tương sinh là sự tương tác giữa các loài khác nhau dẫn đến kết quả có lợi, thúc đẩy sinh sản và/hoặc sự sống sót của các quần thể tương tác.)

Streptomyces
Các loài Streptomyces là xạ khuẩn phong phú và quan trọng nhất, chiếm từ 10% đến 50% quần xã vi sinh vật đất. Hầu hết là sống tự do và xuất hiện trong cả môi trường tự nhiên và nông nghiệp, nơi chúng xâm chiếm vùng rễ của cây và các bộ phận hình thái khác nhau của rễ. Khoảng 679 loài Streptomyces đã được mô tả và các quần thể thích nghi với nhiều hệ sinh thái.

Bào tử Streptomyces xuất hiện chủ yếu ở lớp đất bề mặt và giảm dần về số lượng theo độ sâu của đất, với giá trị ước tính dao động từ 10 000 đến 10 triệu bào tử trên một gam đất. Chúng dễ bị nhiễm axit/độ pH thấp (độ pH tối ưu trong khoảng 6,5–8,0) và điều kiện đất ngập úng.

Chất lượng thúc đẩy tăng trưởng thực vật Các
loài Streptomyces tạo ra nhiều hợp chất hoạt tính sinh học, chẳng hạn như kháng sinh, phytohormone và enzyme phân hủy thành tế bào. Ngoài ra, chúng có chức năng như tác nhân kiểm soát sinh học hoặc chất đối kháng mầm bệnh trong đất và các hoạt động thúc đẩy tăng trưởng thực vật thông qua việc sản xuất phytohormone và các chất chuyển hóa thứ cấp.

Chúng cũng hoạt động như tác nhân xử lý sinh học; nghĩa là, chúng giúp đảo ngược hoặc ngăn chặn thiệt hại gây ra cho đất và nước bị ô nhiễm bằng cách nhắm mục tiêu vào các chất gây ô nhiễm. Cụ thể, chúng phân hủy thuốc trừ sâu, tiêu diệt mầm bệnh trong đất và loại bỏ kim loại nặng.

Là một loại phân bón sinh học trong vùng rễ, Streptomyces hoạt động thông qua việc hình thành và giải phóng nhiều hợp chất và enzyme hoạt tính sinh học phân hủy các chất hữu cơ phức tạp và chuyển đổi chúng thành các hợp chất hòa tan để rễ hấp thụ và phát triển.

Trong đất thiếu dinh dưỡng, một số loài Streptomyces cố định nitơ trong khí quyển và chuyển hóa thành amoniac và nitrat. Ngoài ra, các dạng phức hợp của phốt phát, kali và kẽm được chuyển đổi sang dạng hòa tan để rễ hấp thụ.

Các loài Streptomyces cũng tạo ra các siderophore liên kết với sắt trong đất. Đây là những phân tử có ái lực cao với sắt được hình thành trong điều kiện hạn chế sắt để lấy nguồn sắt khan hiếm từ môi trường và chuyển đổi chúng thành dạng hòa tan để rễ cây hấp thụ. Sắt cần thiết cho quá trình sản xuất chất diệp lục trong lá và quá trình quang hợp hiệu quả.

Ngoài ra, các sợi giống như sợi chỉ bao phủ và xâm chiếm các tế bào rễ dưới dạng thực vật biểu sinh (được tìm thấy trên
bề mặt của rễ) và thực vật nội sinh (được tìm thấy bên trong rễ). Sự tương tác giữa rễ do vi khuẩn xạ khuẩn xâm chiếm và quá trình chuyển hóa phytohormone và ức chế bệnh sẽ kích hoạt hàng rào bảo vệ tự nhiên của cây đối với nhiễm trùng.

Actinobacteria đóng vai trò là tác nhân điều biến bệnh cây và sự cộng sinh thông qua sự tương tác phức tạp giữa hệ vi sinh vật ở rễ và bộ gen của cây. (Cộng sinh là bất kỳ mối quan hệ hoặc tương tác nào giữa hai sinh vật khác nhau; loại cộng sinh phụ thuộc vào việc một trong hai hoặc cả hai sinh vật đều có lợi từ mối quan hệ đó.)

Giảm thiểu biến đổi khí hậu
Actinobacteria cũng có khả năng giảm thiểu tác động tiêu cực của biến đổi khí hậu và đẩy nhanh quá trình tái chế và lưu giữ carbon trong khí quyển. Quá trình cô lập hoặc thu giữ carbon của đất điều chỉnh sự hấp thu các chất có chứa carbon từ khí quyển và chất hữu cơ của đất, cũng như việc lưu trữ chúng trong đất và các bể chứa carbon của vi sinh vật.

Các cộng đồng vi sinh vật đất (SMC) và vi khuẩn xạ khuẩn đóng vai trò chính trong chu trình carbon. Thành phần của SMC rất cần thiết để bảo tồn các quá trình của hệ sinh thái đất. Hoạt động của các SMC kiểm soát thông lượng và cung cấp chất dinh dưỡng cũng như tốc độ phân hủy chất hữu cơ của đất.

Sự xâm chiếm rễ của các loài Streptomyces và sản xuất các hợp chất hoạt tính sinh học có thể làm giảm căng thẳng phi sinh học do hạn hán, nhiễm mặn, axit hóa, thiếu chất dinh dưỡng, độc tính kim loại, sóng nhiệt và ngập úng. Do đó, khi xem xét hoạt động thúc đẩy tăng trưởng thực vật của chúng, các loài Streptomyces đại diện cho một giải pháp thay thế tuyệt vời để cải thiện khả năng cung cấp chất dinh dưỡng cho cây trồng và thúc đẩy đổi mới và tính bền vững trong các hệ thống nông nghiệp.

Tóm lại, có tiềm năng rất lớn cho ứng dụng thương mại của vi khuẩn xạ khuẩn trong vườn ươm, hệ thống thủy canh và đất nông nghiệp. Do đó, Actinobacteria có thể được coi là những người bạn quý giá của nông dân, thực vật và lưới thức ăn trong đất. (Điều này bao gồm các vi khuẩn và hệ vi sinh vật trong đất đóng vai trò quan trọng đối với năng suất của đất bằng cách kiểm soát các quá trình sinh địa hóa như tái chế chất dinh dưỡng và giữ lại carbon và nitơ trong đất.)

Chế phẩm sinh học và thời hạn sử dụng
Một số chế phẩm sinh học thương mại của Streptomyces được bán trên thị trường cho các ứng dụng nông nghiệp. Chế phẩm sinh học vi sinh vật thương mại có sẵn ở bốn dạng: bột, huyền phù lỏng, hạt và bùn. Công thức vật lý của các sản phẩm dựa trên Streptomyces cũng cho biết liệu những vi sinh vật này có nên được cấy vào các hệ thống nông nghiệp trước hoặc trong khi thu hoạch hay không.

Hiệu quả của chế phẩm sinh học bị ảnh hưởng bởi các yếu tố phi sinh học, chẳng hạn như loại đất, mức độ dinh dưỡng, độ ẩm, độ pH, kim loại vi lượng, khí hậu và thực hành nông nghiệp. Chế phẩm sinh học có thể được sử dụng dưới dạng đất ướt hoặc lớp phủ hạt giống.

Các bộ phận sinh dưỡng của cây trên mặt đất được cấy bằng cách phun huyền phù chế phẩm sinh học lên các bộ phận trên không của cây hoặc nhúng rễ cây con vào huyền phù bào tử trước khi cấy.

Thời hạn sử dụng của các bào tử Streptomyces hoạt động trong bột hòa tan trong nước phụ thuộc vào chất lượng của chất mang hoặc môi trường. Chế phẩm dạng bột khô có thể đạt được thời hạn sử dụng từ một đến hai năm trong điều kiện bảo quản. Chế phẩm thương mại được yêu cầu phải có thời hạn sử dụng kéo dài và giữ lại các đặc tính sinh học quan trọng của chúng. Trong trường hợp

chế phẩm sinh học Streptomyces, đó là:

• Hỗ trợ sự phát triển của các bào tử có hoạt tính sinh học của vi sinh vật;
• Duy trì số lượng tế bào vi sinh vật khả thi cần thiết trong điều kiện sinh lý lành mạnh trong một thời gian dài;
• Phân phối nhiều bào tử tại thời điểm cấy để đạt được phản ứng của cây trồng; và
• Chuẩn bị chế phẩm bao gồm sự pha trộn của các chủng đã được mã hóa và đánh máy khác nhau.

Hầu hết các hệ thống nông nghiệp hiện tại phụ thuộc vào việc sử dụng phân bón hóa học và thuốc trừ sâu. Tuy nhiên, việc sử dụng định kỳ dẫn đến ô nhiễm đất, không khí và nước ngầm. Các vi sinh vật nông nghiệp có lợi được sử dụng làm chế phẩm vi sinh là một yếu tố quan trọng trong việc tìm kiếm nền nông nghiệp bền vững và sản xuất thực phẩm lành mạnh trong khi bảo tồn tài nguyên thiên nhiên.

Việc sử dụng các vi sinh vật có lợi tự nhiên trong hệ sinh thái đất giúp cải thiện các đặc tính hóa lý, năng suất và sức mạnh của đất, đồng thời hỗ trợ sự phát triển của vi sinh vật kết hợp với việc thúc đẩy tăng trưởng thực vật và năng suất cây trồng.