Phân bón vi sinh - Tác động của phân bón vi sinh

1. Tác động của phân bón vi sinh vật lên cấu trúc của cộng đồng vi sinh vật đất

Vi sinh vật đất là thành phần không thể thiếu của hệ sinh thái đất, đóng vai trò quan trọng trong việc duy trì sức khỏe của đất và cân bằng sinh thái. Khi cấu trúc của cộng đồng vi sinh vật đất bị xáo trộn, số lượng vi sinh vật có lợi sẽ giảm, dẫn đến suy giảm chức năng của hệ sinh thái đất, mầm bệnh phát triển và do đó, ảnh hưởng xấu đến sự phát triển của cây trồng. Các vi sinh vật có lợi trong đất tạo ra các mô hình phân tử liên kết với vi sinh vật (Microbial - Associated Molecular Patterns/ MAMP) mà cây trồng nhận biết để phân biệt mầm bệnh với mầm bệnh không gây bệnh và tạo ra khả năng kháng thuốc hoặc phản ứng hỗ trợ thích hợp.

Sự đa dạng và phong phú của các vi sinh vật đất đóng vai trò là chỉ số quan trọng về độ phì nhiêu của đất. Việc tăng số lượng vi sinh vật có lợi trong đất có thể thúc đẩy hiệu quả sự phát triển và sinh trưởng của cây trồng. Bón phân vi sinh vật không chỉ thúc đẩy sự hình thành các cộng đồng vi sinh vật mới xung quanh rễ cây mà còn cải thiện môi trường sinh thái của đất. Các nghiên cứu đã chỉ ra rằng việc bón phân vi sinh vật làm tăng đáng kể sự đa dạng của các cộng đồng vi sinh vật đất và thúc đẩy sự phát triển của vi khuẩn có lợi, do đó tăng cường hoạt động của vi khuẩn. Các chế phẩm sinh học có trong phân bón vi sinh kích hoạt các vi sinh vật bản địa của đất và, với chất hữu cơ giàu phân bón vi sinh, cung cấp nhiều chất dinh dưỡng có thể sử dụng được hơn cho các vi sinh vật đất, do đó làm tăng quần thể vi sinh vật. Frankenberger và Dick (1983) đã phát hiện mối quan hệ chặt chẽ giữa hoạt động của phosphatase kiềm, urease và catalase với quá trình hô hấp và sinh khối của vi sinh vật trong các mẫu đất khác nhau, cho thấy rằng các hoạt động của enzyme này là những yếu tố dự báo tối ưu về hoạt động và chất lượng của quần thể vi sinh vật.

Hình 1. Vai trò của vi sinh vật trong đất

Bón phân vi sinh làm tăng sự phong phú của các vi sinh vật bên trong đất, thúc đẩy sản xuất các chất liên quan đến phản ứng phòng vệ như enzyme chống oxy hóa, chitinase, phytoalexin và các hợp chất phenolic, do đó tăng cường khả năng chống chịu của cây trồng. Như minh họa trong Hình 1, sau khi bón phân vi sinh, số lượng nhóm vi sinh vật có lợi trong đất tăng lên. Các vi sinh vật có lợi này cạnh tranh với các tác nhân gây bệnh để giành không gian sống và chất dinh dưỡng, chống lại sự xâm nhập của tác nhân gây bệnh và cải thiện thêm độ nén đất, thúc đẩy sự hình thành các tập hợp đất và chuyển dịch môi trường đất theo hướng thuận lợi hơn cho sự phát triển của cây trồng.

Công nghệ giải trình tự High-throughput (High-throughput sequencing technology) đã được sử dụng để phân tích sự đa dạng của vi khuẩn và nấm trong đất sau khi bón phân vi sinh. Nghiên cứu của Liu & cs. (2022) cho thấy sự kết hợp của phân bón vi sinh với giảm lượng phân bón phosphorus đã điều chỉnh quần thể nấm gây bệnh và nấm có lợi trong đất, hình thành nên một cộng đồng vi sinh vật có lợi cho sự phát triển của ngô. Sự phong phú tương đối của các chi có lợi tiềm năng (như Streptomyces, Bacillus, Pseudomonas và Penicillium) và các chi gây bệnh tăng lên sau khi bón phân vi sinh. Liang & cs. (2021) đã tìm thấy những thay đổi đáng kể trong các chức năng trao đổi chất trên các con đường KEGG trong các nhóm xử lý bón phân hữu cơ vi sinh, ảnh hưởng đến sự đa dạng của nấm đất. Trong giai đoạn đầu phát triển của Astragalus membranaceus, sự đa dạng của nấm trong đất rễ bị ức chế, nhưng khi cây phát triển, quá trình tiết ra các hợp chất khác nhau đã thu hút các vi sinh vật có lợi, làm tăng sự đa dạng của nấm rễ.

Omri & cs. (2017) thông qua công nghệ giải trình tự Illumina MiSeq đã phát hiện ra rằng việc sử dụng phân bón vi sinh hữu cơ làm tăng đáng kể tính đa dạng của các cộng đồng vi khuẩn. So với nhóm đối chứng, cộng đồng vi khuẩn trong nhóm xử lý được làm giàu đáng kể trong nhiều chu trình sinh hóa khác nhau, bao gồm chuyển hóa acid amin, sinh tổng hợp các chất chuyển hóa thứ cấp, chuyển hóa coenzyme và vitamin, chuyển hóa lipid và chuyển hóa carbohydrate. Điều này chứng minh rằng phân bón vi sinh có thể điều chỉnh hiệu quả cấu trúc của các cộng đồng vi sinh vật đất, cải thiện môi trường lý hóa học của đất và thúc đẩy sự phát triển của cây trồng bằng cách tăng hàm lượng chất hữu cơ trong đất và tiết ra nhiều chất chuyển hóa thứ cấp.

Phân tích giải trình tự High-throughput về thành phần và cấu trúc của các cộng đồng vi sinh vật đất sau khi bón phân vi sinh giúp hiểu sâu hơn về cách phân bón vi sinh điều chỉnh các cộng đồng vi sinh vật đất, tăng các vi sinh vật có lợi và do đó tăng cường đa dạng sinh học và độ phì nhiêu của đất. Điều này mang lại các giải pháp bền vững cho sản xuất nông nghiệp.

2. Tác động của phân bón vi sinh vật lên tính chất của đất

2.1. Cải thiện quá trình nén chặt đất

Việc bón quá nhiều phân bón hóa học không chỉ dẫn đến tình trạng đất bị nhiễm mặn và acid hóa, phá vỡ cấu trúc đất tự nhiên mà còn gây ra tình trạng nén chặt đất. Tình trạng nén chặt này làm giảm độ xốp của đất, ảnh hưởng đến quá trình thông khí và khả năng thấm nước, dẫn đến tình trạng thiếu oxy cục bộ của đất. Độ cứng của đất tăng lên gây ra thách thức nghiêm trọng đối với sự phát triển của rễ cây, ảnh hưởng đến khả năng hấp thụ nước và chất dinh dưỡng của rễ. Việc bón phân vi sinh vật làm tăng sự đa dạng và phong phú của vi sinh vật đất, sử dụng các hoạt động trao đổi chất của vi sinh vật để cải thiện quá trình thông khí của đất, làm giảm hiệu quả tình trạng nén chặt đất. Đáng chú ý là các vi sinh vật ưa mặn trong phân bón vi sinh, thông qua cơ chế hấp thụ ion kali và giải phóng ion natri, hấp thụ hiệu quả các ion kali trong đất, giải quyết các vấn đề về nén chặt đất do nhiễm mặn, phá hủy cấu trúc hạt đất và thiếu chất hữu cơ trong đất. Các tập hợp hạt đất, là đơn vị cơ bản của cấu trúc đất, đóng vai trò quan trọng trong việc duy trì chức năng của đất. Kích thước của các hạt đất, bao gồm các hạt lớn và các hạt nhỏ được hình thành thông qua quá trình kết tụ, ảnh hưởng đáng kể đến cấu trúc và độ tơi xốp của đất. Các tập hợp này là các vị trí chính cho hoạt động của vi sinh vật, cung cấp môi trường sống cho các vi sinh vật đất. Tính đồng nhất không cao của đất ảnh hưởng đến sự phân bố và hoạt động của các vi sinh vật và enzyme, ảnh hưởng trực tiếp đến chu trình và chuyển đổi các chất dinh dưỡng chính như carbon và nitơ, do đó ảnh hưởng đến các chức năng "dịch vụ" sinh thái của đất trong trồng trọt nông nghiệp. Tăng cường tính ổn định của các tập hợp đất có thể làm giảm hiệu quả xói mòn và nén chặt đất. Vi sinh vật, đặc biệt là nấm, nấm rễ cộng sinh và xạ khuẩn, đóng vai trò quan trọng trong việc hình thành các tập hợp đất ổn định bằng cách liên kết các hạt đất với polysaccharides ngoại bào của chúng. Ngoài ra, quá trình phân hủy chất hữu cơ tươi dưới tác động của vi sinh vật tạo ra polysaccharides và lipid ngoại bào, cũng góp phần vào quá trình hình thành và ổn định cấu trúc tập hợp đất.

Việc bón phân vi sinh làm tăng tính đa dạng của vi sinh vật đất, đặc biệt là một số loại nấm có hiệu quả hình thành hoặc ổn định các tập hợp đất thông qua sự đan xen của sợi nấm. Các vi sinh vật này không chỉ cải thiện điều kiện nén chặt đất, tăng độ xốp và thoáng khí của đất mà còn tăng cường khả năng thấm nước của đất, tạo điều kiện thuận lợi cho sự phát triển của rễ cây và hấp thụ nước và chất dinh dưỡng.

2.2. Tác động của vi sinh vật đất đến độ pH và cacbon hữu cơ trong đất

Sự phát triển khỏe mạnh của cây trồng đòi hỏi môi trường đất có độ pH thích hợp. Tuy nhiên, việc sử dụng phân bón hóa học trong thời gian dài có thể dẫn đến mất cân bằng độ pH đất, ảnh hưởng xấu đến năng suất và chất lượng cây trồng. Độ pH đất thấp hạn chế trực tiếp sự phát triển của rễ cây, ion hydro với nồng độ cao trong đất sẽ xâm nhập vào tế bào thực vật, làm giảm điện thế màng plasma, gây ra acid hóa tế bào chất và làm hỏng cấu trúc tế bào bên trong. Đồng thời, nồng độ ion hydro cao cũng có thể làm hỏng màng tế bào của vi sinh vật đất, làm giảm sản xuất enzyme. Các vi sinh vật có khả năng hòa tan phosphate, bao gồm cả những vi sinh vật hòa tan phosphate vô cơ và hữu cơ, làm giảm độ pH của đất bằng cách sản xuất acid hữu cơ có trọng lượng phân tử thấp, làm tăng tính khả dụng của phosphorus trong đất; các vi sinh vật này hòa tan phosphorus trong môi trường chứa lecithin bằng cách tác động lên lecithin và sản xuất choline enzyme, do đó điều chỉnh độ pH của đất. Ví dụ, nấm rễ cộng sinh có thể thúc đẩy quá trình tiết acid hữu cơ như acid malic và acid citric của cây chủ, cải thiện độ pH của đất thông qua quá trình ngấm tách (chelation). Nấm rễ cộng sinh (Arbuscular mycorrhizal fungi) cũng có thể thúc đẩy quá trình tiết acid hữu cơ như acid valeric trong đất kiềm, đẩy nhanh quá trình phân hủy hydrocarbon thơm đa vòng trong đất, do đó làm giảm độ pH của đất.

Chất hữu cơ trong đất (Soil organic matter/SOM) là thành phần thiết yếu của cacbon hữu cơ trong đất (soil organic carbon/SOC), rất quan trọng đối với độ phì nhiêu của đất và chu trình hệ tuần hoàn sinh thái, cung cấp chất dinh dưỡng cho cây trồng và thúc đẩy sự phát triển của cây trồng, vì canh tác lâu dài, hàm lượng chất hữu cơ trong đất canh tác tương đối thấp. Nghiên cứu của Ahmed & cs. (2020) cho thấy sau khi bổ sung Bacillus cereus, hàm lượng chất hữu cơ trong đất tăng 10% so với đất chưa qua xử lý. Duy trì hàm lượng cacbon hữu cơ trong đất là rất quan trọng đối với việc trồng trọt nông nghiệp, vì hàm lượng cacbon hữu cơ giảm có thể dẫn đến giảm năng suất cây trồng. Các yếu tố sinh học (bao gồm vi sinh vật, thực vật, động vật) và các yếu tố phi sinh học (như tính chất lý hóa của đất, biến đổi khí hậu, hoạt động của con người) cùng nhau ảnh hưởng đến hàm lượng cacbon hữu cơ trong đất. Thành phần hóa học còn lại trong tàn dư thực vật và sự khác biệt trong quá trình phân hủy của vi sinh vật ảnh hưởng đến sự hình thành cacbon hữu cơ trong đất từ nguồn cacbon thực vật và vi sinh vật.

Việc bón phân vi sinh có thể thay đổi thành phần của vi sinh vật đất, tăng độ phong phú của vi sinh vật và sự tích tụ các chất và cặn bã được tạo ra trong quá trình trao đổi chất của vi sinh vật giúp tăng hàm lượng cacbon hữu cơ trong đất. Đồng thời, sự gia tăng số lượng vi sinh vật làm tăng các sản phẩm và mảnh vụn trong quá trình trao đổi chất của chúng, do đó làm thay đổi hàm lượng cacbon hữu cơ trong đất. Bằng cách bón phân vi sinh, quá trình tiết acid hữu cơ của vi sinh vật trong phân bón và các acid hữu cơ được làm giàu trong đất có thể điều chỉnh độ pH của đất, làm giảm tác dụng ức chế của đất mặn-kiềm đối với cây trồng và thúc đẩy sự phát triển của cây trồng. Đồng thời, việc tăng số lượng vi sinh vật rễ cây sẽ tăng cường nguồn cacbon vi sinh vật, hình thành cacbon hữu cơ trong đất để cây trồng hấp thụ và sử dụng.

2.3. Tác động của việc bón phân vi sinh vật lên mầm bệnh trong đất

Bệnh hại thực vật có thể do nhiều loại vi sinh vật gây ra, bao gồm vi khuẩn, nấm, giun tròn, động vật nguyên sinh và virút, với các bệnh nhiễm trùng nghiêm trọng có khả năng dẫn đến chết thực vật.

Trichoderma, là một loại nấm gây bệnh thực vật đối kháng, đóng vai trò quan trọng trong việc kiểm soát bệnh héo rũ do nấm Fusarium ở cà chua do nấm Fusarium oxysporum gây ra. Pseudomonas aureofaciens, Trichoderma và Streptomyces là các tác nhân vi sinh vật phổ biến để kiểm soát bệnh tật và sâu bệnh, được sử dụng để chế tạo phân bón vi sinh nhằm ngăn ngừa và kiểm soát vi khuẩn gây bệnh và làm giàu số lượng vi sinh vật trong đất. Biện pháp kiểm soát sinh học sử dụng sự phong phú của các cộng đồng vi sinh vật có lợi trong đất sau khi bón phân vi sinh vật. Những vi sinh vật có lợi này, thông qua sự phát triển của chúng, hình thành nên các cộng đồng vi sinh vật có lợi chiếm ưu thế trong đất, chiếm không gian sống của mầm bệnh và cạnh tranh với chúng về chất dinh dưỡng và tài nguyên trong đất, do đó ức chế sự phát triển của mầm bệnh. Các vi sinh vật đối kháng ức chế sự phát triển của mầm bệnh bằng cách tiết ra độc tố hoặc hợp chất kháng sinh là chất chuyển hóa thứ cấp có thể ức chế quá trình chuyển hóa và phát triển của mầm bệnh. Nghiên cứu của Chen & cs. (2020) cho thấy chủng Bacillus amyloliquefaciens DH-4 thể hiện hoạt động đối kháng bằng cách sản xuất các hợp chất chịu nhiệt như surfactin, fengycin và iturin, phá vỡ cấu trúc siêu nhỏ của tế bào gây bệnh. Brescia & cs. (2021) phát hiện ra rằng Pseudomonas fluorescens AZ78 giải phóng diketopiperazine, lipopeptid vòng, macrolide và các chất chuyển hóa thứ cấp kháng khuẩn macrolactone để chống lại các mầm bệnh thực vật và vi khuẩn Gram dương.

Vi sinh vật hỗ trợ thực vật kháng lại các tác nhân gây bệnh

Phân bón vi sinh vật không chỉ tăng cường mật độ và hoạt động của các quần thể vi sinh vật hữu ích mà còn cải thiện tính chất vật lý, hóa học của đất, qua đó tăng cường độ tơi xốp, thoáng khí, giữ ẩm, tăng khả năng sản xuất của đất. Bón phân vi sinh vào đất sẽ góp phần ức chế các mầm bệnh hại cây trồng, hạn chế sử dụng thuốc hóa học trong bảo vệ thưc vật, giảm ô nhiễm môi trường, tăng năng suất cây trồng và chất lượng sản phẩm.

Khoa Công nghệ sinh học

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

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.