Mối quan hệ vi sinh vật trong đất

Trong môi trường đất có rất nhiều nhóm sinh vật tồn tại. Vi sinh vật bản địa và vi sinh vật ngoại lai. Chúng tồn tại cạnh tranh với nhau về cơ chất, H2O và các yếu tố để phát triển. Và có các mối quan hệ nhất định như ký sinh, cộng sinh, hỗ sinh, đối kháng.

Quan hệ ký sinh

• Quan hệ ký sinh là hiện tượng vi sinh vật này sống ký sinh trên vi sinh vật khác.  Hoàn toàn ăn bám và gây hi cho vật chủ. Ví dụ như các loại virus sống ký sinh trong tế bào vi khuẩn hoặc một vài loài vi khuẩn sống ký sinh trên vi nấm.
• Các loại vi khuẩn cố định nitơ cộng sinh thường hay bị một loại thực khuẩn thể ký sinh, trên môi trường dịch thể có hiện tượng môi trường đang đục trở nên trong. Nguyên nhân là do thực khuẩn thể xâm nhập và làm tan tất cả các tế bào vi khuẩn – gọi là hiện tượng sinh tan.
• Khi nuôi cấy  vi khuẩn trên môi trường đặc cũng có hiện tượng như vậy. Các thực khuẩn thể này tồn tại  ở trong đất trồng cây họ đậu làm ảnh hưởng rất lớn đến quá trình hình thành nốt sần ở    cây đậu.

Quan hệ cộng sinh

• Là quan hệ hai bên cùng có lợi, bên này không thể thiếu bên kia trong quá trình sinh sống. Ở vi sinh vật, người ta ít quan sát thấy quan hệ cộng sinh. Có một số giả thiết cho rằng: ty thể – cơ quan hô hấp của tế bào vi nấm chính là một vi khuẩn cộng sinh với vi nấm.
• Giả thiết đó dựa trên cấu tạo của ty thể có cả bộ máy DNA riêng biệt, có thể tự sao chép như một cơ thể độc lập. Giả thiết này chưa được công nhận hoàn toàn. Lại có giả thiết cho rằng, các plasmid có trong vi nấm và vi khuẩn chính là sự cộng sinh giữa virus và vi nấm hay vi khuẩn đó. Ví dụ như các plasmid mang gene kháng thuốc sẽ mang lại mối lợi cho vi khuẩn chủ là kháng được thuốc kháng sinh, vì thế mà hai bên cùng có lợi và gọi là quan hệ cộng sinh.

Quan hệ hỗ sinh

Là quan hệ hai bên cùng có lợi nhưng không nhất thiết phải có nhau mới sống được như quan hệ cộng sinh. Quan hệ này thường thấy trong sự sống của vi sinh vật vùng rễ. Ví dụ như mối quan hệ giữa nấm mốc phân hủy tinh bột thành đường và những nhóm vi khuẩn phân giải loại đường đó. Mối quan hệ giữa nhóm vi khuẩn phân giải phosphor và nhóm vi khuẩn phân giải protein cũng là quan hệ hỗ sinh, trong đó nhóm thứ nhất cung cấp P cho nhóm thứ hai và nhóm thứ hai cung cấp N cho nhóm thứ nhất.

Quan hệ đối kháng

• Quan hệ đối kháng lẫn nhau giữa hai nhóm vi sinh vật. Loại này thường tiêu diệt loại kia hoặc hạn chế quá trình sống của nhau.
• Ví dụ điển hình là xạ khuẩn sinh kháng sinh và nhóm vi khuẩn mẫn cảm với chất kháng sinh do xạ khuẩn sinh ra. Khi nuôi cấy hai nhóm này trên môi trường thạch đĩa. Ta có thể thấy rõ hiện tượng đối kháng: xung quanh nơi xạ khuẩn mọc có một vòng vô khuẩn. Tại đó vi khuẩn không mọc được. Người ta căn cứ vào đường kính của vòng vô khuẩn đó mà đánh giá khả năng tạo ra kháng sinh của xạ khuẩn.
• Tất cả các mối quan hệ trên đây của khu hệ vi sinh vật đất tạo nên những hệ sinh thái vô cùng phong phú trong từng loại đất. Chúng làm nên độ màu mỡ của đất, thay đổi tính chất lý hóa của đất và từ đó ảnh hưởng đến cây trồng.

Các yếu tố ảnh hưởng đến hệ vi sinh vật trong đất

Ánh sáng

• Ánh sáng thường xuyên qua vài cm đất bề mặt. Vì vậy vi sinh vật quang dưỡng thường tồn tại ở lớp đất bề mặt. Các chỉ tiêu lý hóa như nhiệt độ và độ ẩm của đất bề mặt thường biến động theo thời gian trong ngày và theo mùa.
• Vì vậy, một số vi sinh vật bao gồm cả tảo thường chuyển đổi giữa quang dưỡng và hô hấp dị dưỡng các chất chuyển hóa khi thiếu ánh sáng. Địa y là dạng sống kết hợp giữa tảo lục hay vi khuẩn lam Nostoc và nấm để thích ứng với các môi trường khắc nghiệt. Nấm bảo vệ mất nước, sinh vật quang dưỡng cung cấp năng lượng từ quá trình quang hợp.

Độ ẩm đất

Nước cần thiết cho các hoạt động của vi sinh vật. Thường áp suất nước tối ưu cho các hoạt động là 0,1 atm giữa nước mao quản và nước tự do. Khả năng chịu mất nước cao nhất là nấm đến nấm mốc và cuối cùng là vi khuẩn.

Nhiệt độ đất

• Nhiệt độ biến thiên rất lớn đặc biệt là đất bề mặt. Các quần thể sinh vật đất chịu được sự biến thiên lớn của nhiệt độ bề mặt và thường chia ra các loại sau: ưa lạnh (nhiệt độ < 20 ⁰C), ưa ẩm  (20  –  45  ⁰C),  ưa  nhiệt  (45  –  90  ⁰C)  và  đặc  biệt  ưa  nhiệt  cực  trị (> 90 ⁰C). Phần lớn các vi sinh vật đều ưa ẩm bởi vì ảnh hưởng của các dung môi trong đất lên nhiệt độ đất.

pH đất

• Đất tự nhiên thường có giá trị pH từ 6 – 8 và đây là pH tối ưu cho các vi sinh vật đất.
• Tuy nhiên, có một số loài thích pH thấp, như Thiobacillus thiooxidans có khả năng oxy  hóa lưu huỳnh thành sulfite với pH tối ưu từ 2 – 3.

Kết cấu đất

• Kết cấu đất ảnh hưởng đến quần xã vi sinh vật trong đất. Đất pha cát, thịt và sét thường là môi trường lý tưởng cho các vi sinh vật vì chứa nhiều chất dinh dưỡng, nước và không khí. Đất cát và sét chứa số lượng vi sinh vật ít.

Dinh dưỡng đất

• Carbon và nitơ thường là nguồn dinh dưỡng định ra mức giới hạn quan trọng nhất cho các hoạt động của vi sinh vật. Nếu carbon và nitơ có hàm lượng thấp thì sinh trưởng và hoạt động của vi sinh vật đất cũng rất chậm.
• Một số vi sinh vật đất chuyển sang trạng thái ngủ khi nguồn dinh dưỡng cạn kiệt. Tuy nhiên, các sinh vật cố định đạm thường có số lượng lớn và hoạt động mạnh nhờ rễ cây tiết ra chất dinh dưỡng.

Thế năng oxy hóa – khử của đất

Thế năng oxy hóa khử (Eh) là đại lượng đo mức độ oxy hóa hay khử cơ chất trong môi trường tính bằng volt hoặc millivolt (V hoặc mV). Vi sinh vật hiếu khí thường thích môi trường oxy hóa nên có thế khử +800 mV. Vi sinh vật kỵ khí thích môi trường khử có thế khử –300 mV. Oxy trong đất có thế khử +800 mV.

Các loại vi sinh vật trong đất

Đất chứa nhiều vi sinh vật gọi là đất sống (living soil). Đất càng màu mỡ càng chứa nhiều vi sinh vật. Đất bề mặt có nhiều quần thể vi sinh vật như vi khuẩn, xạ khuẩn, vi khuẩn cổ, nấm, tảo, động vật nguyên sinh, phage và virus. Thêm vào đó còn có các vi sinh vật di nhập vào đất bởi con người và các hoạt động của động vật. Con người đưa các vi khuẩn vào đất với mục đích phân hủy sinh học hoặc kiểm soát sinh học. Vi sinh vật còn du nhập vào đất nhờ ứng dụng các loại phân từ chất thải động vật hoặc phân chim hay chất thải từ động vật khác. Các vi sinh vật này làm phong phú thêm các quần thể vi sinh vật trong đất.

Vi khuẩn (Bacteria)

• Trong đất vi khuẩn thường có số lượng nhiều nhất. Số lượng vi khuẩn tùy thuộc vào từng loại môi trường, đặc biệt nhiều trong đất ẩm giàu chất mùn ở nhiệt đới.
• Số lượng vi khuẩn có thể nhìn thấy được (khuẩn lạc) dưới điều kiện nuôi cấy từ 10⁷ đến 10⁸ CFU/g đất trong tổng số 10¹⁰ tế bào/g đất (bảng 2). Trong đất chưa bão hòa, vi khuẩn hiếu khí có số lượng gấp hai đến ba lần vi khuẩn kỵ khí.
• Số lượng vi khuẩn kỵ khí tăng theo chiều sâu của đất. Hệ VSV đất đóng vai trò rất lớn trong quá trình hình thành đất, làm tăng độ phì nhiêu cho đất (các vi khuẩn cố định nitơ, vi khuẩn phân giải cellulose) và có vai trò quan trọng trong tuần hoàn vật chất trong tự nhiên. (bảng 3)

Bảng 1. Vi khuẩn chiếm ưu thế trong đất 

Loài	Đặc tính	Chức năng
Arthrobacter	Hiếu khí, dị dưỡng, Gram dương hoặc âm, chiếm đến 40% số lượng vi khuẩn đất được nuôi cấy.	Tuần hoàn vật chất và phân hủy sinh học.
Streptomyces	Xạ khuẩn hiếu khí, dị dưỡng, Gram dương, chiếm đến 5 – 20% số lượng vi khuẩn đất được nuôi cấy.	Tuần hoàn vật chất và phân hủy sinh học. Sinh kháng sinh, ví dụ: Streptomyces scabies…
Pseudomonas	Dị dưỡng, Gram âm, hiếu khí hoặc kỵ khí không bắt buộc. Sử dụng hệ thống nhiều loại enzyme khác  nhau,  chiếm  10 – 20% số lượng vi khuẩn đất được nuôi cấy.	Tuần hoàn vật chất và phân hủy sinh học, đặc biệt vật chất hữu cơ. Tác nhân khống chế sinh học.
Bacillus	Dị dưỡng hiếu khí, Gram dương, tạo nội bào tử, chiếm 2 – 10% số lượng vi khuẩn đất được nuôi cấy.	Tuần hoàn vật chất và phân hủy sinh học. Tác nhân khống chế sinh học, như: Bacillus thuringiensis.

Ngày nay vi khuẩn được phân loại dựa theo phương pháp phân tử. Phương pháp này dựa trên sự so sánh các thông tin di truyền chứa đựng trong DNA của các nhóm VSV khác nhau. Vì các thông tin di truyền được mã hóa bởi DNA, mà các cặp base (của purin với pyrimidin) tạo thành các gene và để làm khuôn mẫu tổng hợp nên các polypeptid. Kiểu phân loại này bao gồm nhiều loại kỹ thuật:

• Dựa theo tỷ lệ các base của các DNA (hoặc theo sự cấu thành của các DNA).
• Lai DNA (DNA hybridisation).
• Lai sinh học (biological hybridisation).
• Phân loại dựa trên cấu trúc phân tử protein kết hợp với phương pháp thống kê. Theo phương pháp này, vi khuẩn rất đa dạng với hơn 10.000 loài trong 1 g đất. Không phải tất cả các loài vi khuẩn này đều có thể nuôi cấy được ở phòng thí nghiệm.

Bảng 2. Vi khuẩn đất tự dưỡng quan trọng 

Loài	Đặc tính	Chức năng
Nitrosomonas	Gram âm, hiếu khí	Chuyển hóa NH4+ thành NO2- (bước đầu tiên cố định đạm)
Nitrobacter	Gram âm, hiếu khí	Chuyển hóa NO2- thành NO3- (bước thứ hai cố định đạm)
Thiobacillus thiooxidans	Gram âm, hiếu khí	Oxy hóa S thành SO42-
Thiobacillus denitrificans	Gram âm, kỵ khí không bắt buộc	Oxy hóa S thành SO42-
Thiobacillus ferrooxidans	Gram âm, hiếu khí	Oxy hóa Fe2+ thành Fe3+

Bảng 3. Vi khuẩn đất dị dưỡng quan trọng

 

Loài	Đặc tính	Chức năng
Actinomycetes, e.g., Streptomyces	Hiếu      khí,      Gram dương, dạng sợi	Tạo mùi trong đất và kháng sinh
Bacillus	Hiếu      khí,      Gram dương, tạo bào tử	Tuần hoàn carbon, sản xuất thuốc trừ côn trùng và kháng sinh
Clostridium	Kỵ khí, Gram dương, tạo bào tử	Tuần hoàn carbon, sản sinh độc tố E, F tùy loài. C. thermocellum lên men Ethanol
Methanotrophs, e.g., Methylosinus	Hiếu khí	Oxy hóa methane và đồng trao đổi chất trichloroethene (TCE) sử dụng enzyme methanemonooxygenase.
Cuprivadus necator	Hiếu khí, Gram âm	Phân hủy 2,4-D nhờ plasmid pJP4
Rhizobium	Hiếu khí, Gram âm	Cố định đạm, cộng sinh ở cây họ đậu
Frankia (xạ khuẩn)	Hiếu khí, hoặc vi hiếu khí, Gram dương	Cố định đạm, cộng sinh trong nốt rễ ở cây phi lao (Casuarina equisetifolia)
Agrobacterium	Hiếu khí, Gram âm	Tác nhân gây bệnh khối u ở thực vật

Hệ vi sinh vật trong đất có vai trò rất quan trọng đối với độ màu mỡ của đất. Vì vậy việc cải tạo đất là cải tạo môi trường sống tự nhiên của vi sinh vật.

Các yếu tố ảnh hưởng đến hệ vi sinh vật trong đất:

• Nhiệt độ
• Độ ẩm.
• Dĩnh dưỡng đất.
• pH của đất.