Tại sao một số vi sinh vật có thể giữ ni tơ?

Trong không khí có chứa một lượng rất lớn khí nitơ, nhưng đáng tiếc là khí nitơ ở trạng thái trơ, thực vật không thể trực tiếp sử dụng. Chỉ nhờ tác dụng của một số vi sinh vật, phân tử nitơ tự do trong không khí mới được biến thành hợp chất nitơ để thực vật hấp thụ. Sinh vật cố định đạm là tên gọi chung cho những vi sinh vật có khả năng thực hiện chức năng này.

Vi sinh vật cố định đạm có thể chia thành hai loại lớn: một loại là vi sinh vật cố định nitơ cộng sinh, loại kia là vi sinh vật cố định nitơ không cộng sinh.

Ngay từ năm 1888, người ta đã phát hiện vi khuẩn nốt sần trong rễ cây họ đậu có thể cố định khí nitơ trong không khí. Tuy nhiên, khi chúng sống độc lập trong đất thì không thực hiện tác dụng đó. Chỉ khi gieo hạt giống của thực vật họ đậu vào đất, rễ non hình thành, các vi khuẩn này thông qua lông rễ xâm nhập vào tổ chức rễ, sinh sôi nhiều, làm bộ rễ phình to và hình thành nốt rễ. Lúc này, vi khuẩn nốt rễ bên trong các nốt rễ kết hợp với cây họ đậu thành mối quan hệ cộng sinh đặc biệt; khi đó chúng mới tiến hành cố định nitơ, cung cấp chất dinh dưỡng nitơ cho thực vật. Chủng loại vi khuẩn nốt rễ rất nhiều, mỗi loại có phạm vi tạo nốt nhất định.

Ví dụ, vi khuẩn nốt sần rễ đậu Hà Lan chỉ có thể hình thành nốt rễ ở rễ đậu Hà Lan, đậu tằm, đậu Sơn Li; vi khuẩn nốt sần rễ đậu đũa chỉ có thể hình thành nốt rễ trên đậu đũa, đậu xanh, lạc; còn vi khuẩn nốt sần rễ tử vân anh chỉ có thể hình thành nốt rễ trên cây tử vân anh.

Trong nhóm vi sinh vật cố định nitơ cộng sinh, ngoài vi khuẩn nốt rễ ở cây họ đậu, bộ rễ của cây dương đỏ, cây ma hoàng cũng có nốt rễ cộng sinh. Có một số thực vật cá biệt còn có thể hình thành nốt trên lá; bộ rễ của thực vật họ lan, họ đỗ quyên cũng có thể hình thành rễ nấm và tiến hành tác dụng cố định nitơ.

Trong nhóm vi sinh vật cố định nitơ không cộng sinh, vi khuẩn cố định nitơ phân bố rộng nhất. Chúng có nhiều trong đất canh tác, đặc biệt là trong vườn rau. Loài vi khuẩn này có thể sử dụng nguồn năng lượng từ hợp chất cacbon để cố định nitơ, trực tiếp làm tăng lượng nitơ trong đất. Hiện nay, chế phẩm vi khuẩn cố định nitơ được sử dụng ở Trung Quốc chính là dựa vào loại vi khuẩn này để nhân giống.

Tảo lục lam là một loại vi sinh vật cố định nitơ không cộng sinh khác. Loài này khác với vi khuẩn cố định nitơ ở chỗ có thể trực tiếp dùng năng lượng ánh sáng Mặt Trời để quang hợp, lấy cacbon và năng lượng để thực hiện quá trình cố định nitơ. Nếu đưa tảo lục lam vào ruộng nước, sau vài tuần lượng nitơ trên mỗi mẫu ruộng có thể đạt tới 10 – 20 kg; khi đó trồng lúa nước sẽ có hiệu quả tăng sản rõ rệt.

Mấy chục năm gần đây, người ta đã phát hiện hơn 100 loài vi sinh vật khác nhau có khả năng cố định nitơ. Ví dụ, có một số vi khuẩn có thể oxy hóa hợp chất hydrocarbon trong dầu mỏ để thu năng lượng và cố định nitơ, gọi là “dầu mỏ cố định nitơ”. Cũng có một số loài có thể cố định nitơ trên bề mặt lá thực vật, gọi là “cố định nitơ trên mặt lá”.

Theo tính toán, mỗi năm trên Trái Đất có khoảng 100 triệu tấn nitơ trong không khí được cố định. Trong đó, vi khuẩn nốt sần ở rễ thực vật họ đậu cố định khoảng 5 triệu tấn, các thực vật cộng sinh không thuộc họ đậu khoảng 25 triệu tấn, vi khuẩn cố định nitơ không cộng sinh khoảng 1 – 2 triệu tấn, tảo lục lam khoảng 10 triệu tấn. Amoniac tổng hợp dùng trong công nghiệp để cố định nitơ hóa học chiếm khoảng 10% tổng sản lượng của giới sinh vật. Vì vậy, sinh vật cố định nitơ có vai trò rất lớn trong việc cân bằng nitơ trong đất, tăng độ phì nhiêu và cung cấp nitơ cần thiết cho sự sinh trưởng của thực vật.