Nguồn: https://dost.danang.gov.vn
Biến đổi khí hậu ngày càng trở nên quan trọng do những hậu quả nặng nề đối với nhiều mặt của cuộc sống. Nhiệt độ tăng, hạn hán và khí nhà kính ảnh hưởng trực tiếp hoặc gián tiếp đến năng suất của các hệ sinh thái nông nghiệp. Việc mở rộng quy mô sản xuất nông nghiệp là một giải pháp để giải quyết vấn nạn an ninh lương thực do tình hình dân số ngày càng tăng. Tuy nhiên, viễn cảnh này đã thay đổi trong những thập kỷ gần đây, trước hết là do hạn chế của đất đai có thể canh tác nên các công nghệ mới cho phép năng suất cây trồng cao hơn được áp dụng. Nhưng công nghệ càng cao thì vấn đề ô nhiễm môi trường càng là vấn nạn. Do đó, mặc dù nhu cầu lương thực toàn cầu tiếp tục tăng nhưng các khái niệm về nông nghiệp bền vững, phục hồi các khu vực đất đai bị suy thoái và giảm thiểu tác động đến môi trường trong quá trình sản xuất nông nghiệp đang được con người coi trọng hơn. Trong bối cảnh đó, chế phẩm vi sinh ngày càng được chú ý, tạo được sự nổi bật và có quy mô thị trường ngày càng mở rộng trong lĩnh vực nông nghiệp.
Chế phẩm là sản phẩm có chứa các vi sinh vật sống trong thành phần của chúng có khả năng mang lại lợi ích cho sự phát triển của các loài thực vật khác nhau. Chế phẩm vi sinh là một phần không thể thiếu của hệ thống cung cấp dinh dưỡng tích hợp vì chúng là nguồn dinh dưỡng thực vật có hiệu quả về chi phí để bổ sung phân bón hoá học cho các hoạt động nông nghiệp bền vững. Chế phẩm vi sinh giúp tăng năng suất cây trồng thông qua nhiều cơ chế như tăng cố định nitơ sinh học, tăng khả hấp thụ chất dinh dưỡng có sẵn của cây trồng thông qua quá trình hoà tan hoặc tăng khả năng hấp thụ, kích thích sự phát triển của thực vật thông qua hoạt động của hoocmon hoặc kháng sinh thực vật…
| Vi khuẩn vùng rễ thúc đẩy phát triển thực vật (PGPR) | Cây chủ | Lợi ích đối với cây trồng | Nguồn tham khảo |
| Pseuomona sp. P34 | Lúa mì | Sản xuất siderophoreThúc đẩy sự phát triển của rễ và tích luỹ chất khô | [1] |
| Bradyrhizobium diazoefficiens | Đậu tương | Cố định đạm cộng sinh | [2] |
| Eneterobacter sp. PR14 | Gạo và kê | Khả năng chống chịu “stress” mặn | [3] |
| Paenibacillus polymyxa Sx3 | Cải dầu | Phân giải lân và sản xuất sinh khối | [4] |
| Azospirillum brasilense, Bacillus subtilis | Lúa mì | Khả năng chịu đựng stress hạn hán | [5] |
| Pantoea sp. S32 | Gạo | Tăng khả năng hấp thu dinh dưỡng | [6] |
| Bacillus mojavensis JK07 và Rhodopseudomonas palustris | Cỏ ngô | Phân giải kali, tăng năng suất và sinh khối dưới điều kiện mặn | [7] |
| Bacillus sp.; Bacillus mojavensis | Cà chua; đậu tương | Sản xuất các hormon sinh trưởng | [8] |
| Burkholderia vietnamiensis | Lúa | Tăng năng suất | [9], [10] |
| Paenibacillus cineris TP-1.4 | Rau muống | Tăng tỷ lệ nảy mầm của hạt, kích thích sinh trưởng, giảm 25% lượng phân đạm | [11] |
Lợi ích của các vi khuẩn vùng rễ thúc đẩy sinh trưởng thực vật đến cây chủ
Việc sử dụng chế phẩm vi sinh thay vì phân khoáng và thuốc trừ sâu là xu hướng phát triển nông nghiệp toàn cầu vì sự phát triển bền vững của môi trường. Phân vi sinh có chứa vi khuẩn cố định đạm đã được chứng minh là nguồn rẻ nhất, đặc biệt là cây họ đậu. Đây là loại phân bón sinh học có lịch sử lâu đời nhất được sử dụng trong nông nghiệp. Vi khuẩn cố định nitơ và các vi sinh vật khác có khả năng chuyển đổi nitơ khí quyển thành các hợp chất mà thực vật có thể sử dụng được gọi là vi sinh vật cố định đạm (diazotrops), và quá trình này được gọi là quá trình cố định đạm. Các vi sinh vật cố định đạm có thể sống tự do trong đất hoặc cộng sinh với cây chủ. Vi khuẩn cố định đạm cộng sinh, gọi chung là rhizobia, có thể thiết lập công sinh với rễ cây họ đậu và có định nitơ trong khí quyển có lợi cho cây trồng. Bằng cách thiết lập mối quan hệ cộng sinh và thực hiện cố định đạm, rhizobia cải thiện hàm lượng nitơ và tăng năng suất cây trồng.
Hiện nay, đối tượng vi sinh vật cố định đạm sinh học có tầm quan trọng rất lớn vì việc sử dụng phân bón có chứa nitơ đã dẫn đến mức độ ô nhiễm nước không thể chấp nhận được (tăng nồng độ nitrat độc hai trong nguồn cung cấp nước uống) và làm phú dưỡng các hồ và sông. Hơn nữa, các vi sinh vật cố định đạm có thể được điều chỉnh cho phù hợp với nhu cầu sinh vật, còn phân bón thì thường bón với liều lượng lớn, có thể lên đến 50% trong đó bị rửa trôi. Điều này không chỉ gây lãng phí năng lượng và tiền bạc mà còn dẫn đến các vấn đề ô nhiễm nghiêm trọng, đặc biệt là nguồn cung cấp nước.
Kể từ khi bắt đầu sản xuất chế phẩm, ngành công nghiệp đã quan tâm đến việc tạo ra các sản phẩm ngày càng hiệu quả, với chi phí thấp, xử lý phù hợp với nhu cầu và yêu cầu chất lượng của nông dân. Một khía cạnh quan trọng là sự lựa chọn chất mang cho vi sinh vật, phải cung cấp khả năng tồn tại lâu dài của tế bào và dễ ứng dụng. Năm 1896, tại Hoa Kỳ, chế phẩm đầu tiên được sản xuất thương mại “Nitragin” sử dụng gelatin và sau đó, môi trường dinh dưỡng được sử dụng làm chất mang cho tế bào vi khuẩn. Do tỷ lệ tử vong cao, những chất mang này sớm được thay thế bằng than bùn, vẫn được coi là chất mang “vàng” cho đến cuối những năm 1990. Than bùn là một vật liệu rắn, bao gồm đất hữu cơ xuất hiện trong một số một trường đặc biệt và được hình thành sau một thời kỳ địa chất lâu dài. Than bùn là chất mang được sử dụng rộng rãi nhất do các đặc tính tốt như giàu chất hữu cơ, cung cấp sự bảo vệ vật lý cho vi sinh vật chống lại các tác nhân gây hại của đất và cho phép tế bào tồn tại tốt hơn trong điều kiện hạn chế nước và nhiệt độ cao do đó nó hỗ trợ thành công sự phát triển và tồn tại của rhizobia. Than bùn có thể duy trì số lượng rhizobia cao trong thời gian bảo quản ở nhiệt độ lên đế 28oC. Tuy nhiên, các vấn đề với việc sử dụng than bùn bao gồm chi phí khử trùng cao, quá trình chế biến phức tạp (sấy khô, xay xát) , khó ứng dụng trên quy mô lớn, cũng như không thể tiếp cạn được các bãi thải than bùn. Ngoài ra, việc khai thác bãi than bùn, có thể gây ra những tác động nghiêm trọng đến môi trường, bao gồm cả việc phá huỷ môi trường sống và phát thải CO2. Những vẫn đề này đã kích thích sự phát triển và ứng dụng của các công thức chế phẩm dạng lỏng để giải quyết các vấn đề liên quan đến việc ứng dụng và xử lý chế phẩm dạng rắn.
Ưu điểm chính của chế phẩm này so với chế phẩm rắn, các công thức dạng lỏng cho phép nhà sản xuất bao gồm cung cấp đầy đủ chất dinh dưỡng, chất bảo vệ tế bào và chất cảm ứng chịu trách nhiệm hình thành tế bào/bào tử/nang để cải thiện hiệu suất. Trong khi thời hạn sử dụng của chế phẩm dựa trên chất mang rắn thông thường là khoảng 6 tháng (hoặc trong trường hợp tốt nhất là 12-18 tháng), một lợi thế khác của chế phẩm dạng lỏng là thời gạn sử dụng có thể lên đến 2 năm. Chúng có một số nhược điểm lớn là bảo quản dài lâu cần điều kiện mát hoặc lạnh, hạn sử dụng trong một số trường hợp là ngắn, tăng chi phí. Chế phẩm trở nên phổ biến ở các nước phát triển để cấy vào cây họ đậu vì số lượng tế bào cao. Chế phẩm lỏng có chứa nồng độ 2×109 tế bào/ml hiện nay đã trở nên phổ biến, cho phép tỷ lệ áp dụng thấp hơn và tăng hiệu quả sử dụng chế phẩm [9]. Hơn nữa, người ta khẳng định rằng những chế phẩm này không bị nhiễm bẩn và có thời hạn sử dụng lâu hơn đối với một số công thức, khả năng bảo vệ tố hơn chống lại các áp lực môi trường và tăng hiệu quả thực địa, so với chế phẩm dựa trên than bùn. Chúng thuận lợi cho các nhà sản xuất chế phẩm quy mô nhỏ ở vùng nhiệt đới thiếu khả năng xử lý than bùn như một chất mang.
Brahmaprakash et al. (2007) [10] tìm thấy rằng số nốt sần của cây và năng suất hạt sau khi cấy với chế phẩm Rhizobium lỏng được cải thiện hơn khi so sánh sang chế phẩm Rhizobium dựa trên chất mang rắn trong cây lạc. Til KC et al. (2019) [11] đã xác định chủng Bradyrhizoium japonicum có khả năng chịu đựng tốt trong môi trường pH axit, nồng độ muối NaCl 1% và 2% và tạo sinh khối tốt nhất trong điều kiện natri alginat bổ sung sucrose. Rabia Khalid et al. (2020) [12] đã nghiên cứu chủng Rhizobium sp. Có thể chịu được nồng độ muối NaCl lên đến 3% và phát triển ở dãy nhiệt độ rộng từ 20 đến 37oC với pH từ 5-10.
Sự phát triển môi trường nuôi cấy cải tiến và chất mang tăng cường khả năng sống sót của chế phẩm vi khuẩn là vấn đề quan trọng để đảm bảo duy trì chất lượng chế phẩm trong quá trình bảo quản và vận chuyển ra hiện trường [13].
Các công thức chế phẩm dạng lỏng có thể bao gồm một hoặc nhiều chủng rhizobia với tác nhân mà nó thúc đẩy sự tồn tại của tế bào trong các sản phẩm thương mại trong quá trình bảo quản và sau khi bón và hạt giống hoặc đất. Ví dụ, ở Brazil, sự kết hợp của hai dòng Bradyrhizobium cho cây đậu tương đã được nông dân ưu tiên sử dụng từ những năm 1950 [12], [13]. Việc tẩm vi khuẩn nốt sần Rhizobia và hạt có thể xảy ra trước khi gieo hoặc trước khi bán hạt giống. Do đó, nhà bán hàng cần phải cung cấp khả năng tồn tại kéo dài của vi khuẩn nốt sần trên hạt giống trước khi được cấy giống. Đây là một kỹ thuật nhẹ nhàng và hoạt động trong điều kiện môi trường xung quanh đảm bảo tổn thương tế bào được giảm thiểu đến mức tối thiều. Hạt giống được cấy sẵn, được chuẩn bị trước vài ngày hoặc vài tháng trước khi gieo, nên có các đặc tính tương tự nhay hạt được xử lý trước khi gieo. Ứng dụng hạt giống được cấy sẵn góp phần đơn giản hoá quá trình gieo hạt cho nông dân trên cánh đồng.
Về cơ bản, chế phẩm dạng lỏng là chất nuôi cấy hoặc huyền phù vi sinh vật, chủ yếu trong nước, nhưng cũng có trong dầu khoáng hoặc dầu hữu cơ, được bổ sung bằng các chất khác. Vai trò của các chất phụ gia được áp dụng là cải thiện chất lượng chế phẩm, chẳng hạn như tăng độ dính, độ ổn định, và khả năng phân tán và chất hoạt động về mặt, cũng như cung cấp một phương pháp bảo vệ cho vi sinh vật và đảm bảo khả năng tồn tại trong thời gian dài bảo quản. Các chất bố sung được áp dụng cũng nên mang lại sự sống sót của tế bào vi khuẩn nốt sần trên hạt giống.
Một chất phụ gia phổ biến là sucrose, giúp cải thiện tỷ lệ sống, chủ yếu vi khuẩn nốt sần, nhưng cũng cho vi khuẩn phân giải lân phát triển. Điều này đã cải thiện hiệu suất phân giải lân đối với cây đậu phộng ( [14]). Việc bổ sung glycerol vào môi trường nuôi cấy bảo tồn khả năng tồn tại của tế bào Pseudomonas fluorescens ở dạng lỏng để bảo quản kéo dài 6 tháng. Glycerol được sử dụng như một chất bổ sung vì nó giữ một lượng nước đáng kể và bảo vệ tế bào khỏi bị khô bằng cách làm chậm tốc độ khô (Manikandan et al. 2010). Hầu hết các chất phụ gia có bản chất là cao phân tử, với trọng lượng phân tử cao. Chúng bao gồm carboxymethyl cellulose (CMC), gum arabic, and polyvinylpyrrolidone (PVP). Aneta VB et al 2018 đã áp dụng mười công thức môi trường khác nhau của chế phẩm vi sinh (canh men mannitol với việc bổ sung thạch, natri-alginat, canxi clorua, glycerol hoặc clorua sắt và sự kết hợp của chúng) để tìm sự tồn tại của rhizobium cố định đạm hiệu quả, Sinorhizobium (Ensifer) meliloti chủng L3Si. Chế phẩm lỏng thích hợp nhất để tồn tại L3Si trong thời gian bảo quản 150 ngày là chế phẩm môi trường có chứa glycerol kết hợp với thạch hoặc natri-alginat.
| Chất phụ gia | Chủng vi sinh vật sử dụng | Thực vật | Nguồn tham khảo |
| Carboxymethyl cellulose | Acinetobacter calcoaceticus, Bacillus licheniformis, Brevibacillus brevis, Micrococcus sp., | Dầu mè | [15] |
| Glycerol | Bradyrhizobium japonicum | Đậu nành | [16] |
| Bacterial exopolysaccharides | Bradyrhizobium | Đậu nành và đậu đũa | [17] |
| PVP, Na-alginate | Bradyrhizobium japonicum | Đậu nành | [18] |
| Gum Arabic | Bradyrhizobium sp.; Rhodobacter capsulatus; Rhizobium sp | Keo tai tượng, đậu xanh, keo, gạo | [19]; [20]; [21] |
Các nghiên cứu về chất phụ gia bổ sung trong chế phẩm vi sinh dạng lỏng
Cho đến nay, các tài liệu đã cung cấp bằng chứng mạnh mẽ rằng các vi khuẩn thúc đẩy tăng trưởng thực vật giúp tăng cường sự phát triển và năng suất của cây trồng thông qua nhiều cơ chế và quy trình khác nhau. Thách thực đối với cộng đồng khoa học và ngành công nghiệp phân bón là phát triển các công cụ và công nghệ như thế nào để tạo điều kiện thuận lợi cho nông dân sử dụng hiệu quả các vi sinh vật này. Các công thức hiệu quả của PGPR có thể cải thiện độ phì nhiêu của đất, khả năng chống chịu của cây trồng, năng suất cây trồng và duy trì chu kỳ dinh dưỡng trong các hệ thống nông nghiệp. Các nhà nghiên cứu cần tăng cường việc phân lập các chủng mới cũng như cần khuyến khích phát triển các công thức đa dạng chủng vi sinh vật nhằm khám phá và bảo đảm nguồn gen của đất, từ đó tăng cường các hệ sinh thái trên cạn mà từ đó có thể phân lập vi khuẩn có ích. Hơn nữa, các nghiên cứu về tác động của chế phẩm vi sinh đối với các tổ chức vi sinh vật có ích cần được tiến hành để đảm bảo tính bền vững và tránh những thay đổi không thể đảo ngược đối với đa dạng sinh học đất. Bên cạnh những nổ lực trong nghiên cứu các công cụ chính sách, kế hoạch phát triển nông thôn, cần thúc đẩy nhận thức của người nông dân về những lợi ích tiềm năng của việc sử dụng vi sinh vật thúc đẩy tăng trưởng thực vật. Cuối cùng, cần có sáng kiến thúc đẩy và nêu bật tầm quan trọng của các cộng đồng vi sinh vật kết hợp với giống cây trồng thích hợp để thích ứng và giảm thiểu biến đổi khí hậu trong các kế hoạch hành động.