Vi khuẩn cố định đạm là những vi khuẩn có enzyme nitrogenase, chuyển khí nitơ (N2) trong không khí thành amoniac, dạng nitơ mà cây và chính chúng dùng được. Có loài sống tự do trong đất, có loài cộng sinh trong nốt sần ở rễ cây họ đậu như Rhizobium, có loài vi khuẩn lam sống cộng sinh trong lá bèo hoa dâu. Nhờ chúng, nitơ trong khí quyển đi vào chuỗi thức ăn của sinh giới.
Bài này đi theo đường đi của nitơ dưới mặt đất: vì sao cây sống giữa biển nitơ mà vẫn thiếu đạm, nitrogenase làm việc khó khăn ra sao, nốt sần màu hồng nói gì, vì sao nông dân Việt Nam thả bèo hoa dâu, các nhóm vi khuẩn khác làm gì trong chu trình nitơ, và vi sinh vật phân giải biến rác hữu cơ thành phân bón như thế nào. Kỹ thuật canh tác và liều phân bón thuộc phạm vi nông nghiệp; ở đây chỉ bàn sinh học.
Sống giữa biển nitơ mà vẫn thiếu đạm
Khí nitơ chiếm khoảng bốn phần năm thể tích không khí, nhưng thực vật và động vật không dùng trực tiếp được. Lý do nằm ở liên kết ba giữa hai nguyên tử nitơ trong phân tử N2, một trong những liên kết bền nhất trong tự nhiên. Muốn tách nó ra cần rất nhiều năng lượng. Cây chỉ hấp thụ được nitơ ở dạng ion amoni hoặc nitrat hoà tan trong đất.
Trong tự nhiên, chỉ có vài con đường đưa N2 vào dạng dùng được: sét đánh tạo ra một lượng oxit nitơ, và quan trọng hơn nhiều là cố định nitơ sinh học do một số vi sinh vật nhân sơ thực hiện. Từ đầu thế kỷ XX, con người có thêm con đường công nghiệp là quy trình Haber–Bosch tổng hợp amoniac ở nhiệt độ và áp suất cao để sản xuất phân đạm.
So sánh hai con đường giúp bạn thấy sự tinh tế của vi khuẩn: nhà máy cần nhiệt độ hàng trăm độ và áp suất rất cao, còn vi khuẩn làm được việc đó ở nhiệt độ của đất nhờ một enzyme. Cái giá vi khuẩn phải trả là năng lượng: cố định một phân tử N2 tiêu tốn nhiều ATP. Vì vậy vi khuẩn cố định đạm cần nguồn năng lượng dồi dào, và các loài cộng sinh lấy năng lượng đó từ đường do cây quang hợp tạo ra.
Nitrogenase: enzyme cần tránh xa oxy
Nitrogenase là phức hệ enzyme xúc tác phản ứng khử N2 thành NH3. Phản ứng cần ba thứ: nguồn electron, nguồn năng lượng ATP, và điều kiện không có oxy, vì oxy làm hỏng enzyme này một cách nhanh chóng. Điều kiện thứ ba tạo ra một nghịch lý: nhiều vi khuẩn cố định đạm lại cần oxy để hô hấp lấy ATP. Mỗi nhóm vi khuẩn giải quyết nghịch lý đó theo cách riêng.
Ở nốt sần cây họ đậu, cây tạo ra protein leghemoglobin, có cấu tạo và chức năng gần giống hemoglobin trong máu người. Leghemoglobin gắn oxy, giữ nồng độ oxy tự do trong nốt sần ở mức rất thấp để nitrogenase không bị hỏng, đồng thời vẫn cung cấp đủ oxy cho vi khuẩn hô hấp. Chính leghemoglobin làm ruột nốt sần đang hoạt động có màu hồng đỏ.
Ở vi khuẩn lam dạng sợi, một số tế bào trong sợi biệt hoá thành tế bào dị hình có thành dày, không thực hiện pha quang hợp tạo oxy. Nitrogenase hoạt động trong các tế bào dị hình này, tách biệt khỏi các tế bào quang hợp bên cạnh. Một số vi khuẩn sống tự do lại hô hấp rất mạnh để tiêu thụ nhanh oxy quanh enzyme. Ba lời giải khác nhau cho cùng một bài toán là ví dụ đẹp về thích nghi.
Nốt sần ở rễ cây họ đậu: quan hệ cộng sinh có trao đổi
Hai bên cùng có lợi. Vi khuẩn Rhizobium và một số chi gần gũi nhận đường và nơi sống từ cây; đổi lại, chúng cung cấp nitơ dạng dùng được cho cây. Đây là quan hệ cộng sinh, cả hai bên đều được lợi.
Có tín hiệu nhận diện. Rễ cây họ đậu tiết ra các chất tín hiệu, vi khuẩn phù hợp nhận ra và tiết tín hiệu đáp lại, kích thích rễ hình thành nốt sần. Mỗi loài vi khuẩn thường chỉ cộng sinh được với một nhóm cây họ đậu nhất định.
Màu nốt sần nói lên tình trạng. Cắt đôi một nốt sần, ruột màu hồng đỏ thường là nốt đang cố định đạm; ruột trắng, xanh nhạt hoặc nâu xám thường là nốt chưa hoạt động hoặc đã già. Bạn có thể tự quan sát trên rễ cây lạc, đậu xanh, đậu tương nhổ lên từ vườn.
Lợi ích cho đất. Khi cây họ đậu chết đi hoặc phần rễ còn lại trong đất phân huỷ, một phần nitơ đã cố định được trả lại cho đất. Đây là cơ sở sinh học của tập quán luân canh, xen canh với cây họ đậu ở nhiều vùng nông thôn.
Giới hạn. Khi đất đã có rất nhiều đạm khoáng, cây có xu hướng hình thành ít nốt sần hơn, vì cố định đạm tốn năng lượng. Hiện tượng này cho thấy quan hệ cộng sinh được điều chỉnh theo nhu cầu chứ không cố định.
Bèo hoa dâu và vi khuẩn lam: một tập quán lâu đời ở ruộng lúa
Bèo hoa dâu là một loài dương xỉ thuỷ sinh nhỏ, nổi trên mặt nước, lá có màu xanh hoặc đỏ tía tuỳ điều kiện. Trong các khoang nhỏ ở lá bèo có vi khuẩn lam Anabaena sống cộng sinh và cố định nitơ. Bèo cung cấp chỗ ở và chất dinh dưỡng, vi khuẩn lam cung cấp đạm cho bèo. Nhờ vậy bèo hoa dâu sinh trưởng nhanh ở nơi nghèo đạm.
Ở nhiều vùng trồng lúa nước tại Việt Nam, nông dân từ lâu đã thả bèo hoa dâu trên ruộng, rồi vùi bèo xuống bùn làm phân xanh, hoặc dùng làm thức ăn chăn nuôi. Khi bèo phân huỷ, nitơ trong sinh khối của nó được trả lại cho đất và lúa hấp thụ. Đây là ví dụ về việc con người dùng một quan hệ cộng sinh vi sinh vật trước khi biết đến vi khuẩn.
Ngoài bèo hoa dâu, vi khuẩn lam sống tự do trên mặt ruộng ngập nước cũng cố định nitơ. Đây là một trong những lý do ruộng lúa nước có thể duy trì năng suất qua nhiều vụ. Nếu bạn sống gần ruộng, quan sát lớp màng xanh trên mặt nước hay bèo trên mương là cách học sinh học ngay ngoài đời. Chỉ quan sát và chụp ảnh, không lội xuống ao mương sâu một mình.
Những hiểu lầm hay gặp về vi sinh vật trong đất
Phần vi sinh vật trong đất có nhiều nhận định nghe hợp lý nhưng sai, xuất hiện cả trong bài làm của học sinh lẫn trong câu trả lời của chatbot. Đối chiếu với danh sách dưới đây:
- "Cây hấp thụ trực tiếp nitơ trong không khí qua lá." Sai: cây không dùng được N2; nitơ vào cây chủ yếu qua rễ ở dạng amoni hoặc nitrat.
- "Mọi cây đều có nốt sần, chỉ là to nhỏ khác nhau." Sai: nốt sần cộng sinh với Rhizobium chủ yếu gặp ở cây họ đậu; một số cây khác có kiểu cộng sinh cố định đạm riêng với vi khuẩn khác, nhưng đa số cây trồng không có.
- "Vi khuẩn trong đất đều là vi khuẩn gây bệnh, nên đất càng ít vi khuẩn càng tốt." Sai: phần lớn vi sinh vật đất là nhóm phân giải, cố định đạm, cộng sinh; đất màu mỡ thường có quần thể vi sinh vật phong phú.
- "Vi khuẩn nitrat hoá làm mất đạm của đất." Nhầm vai: nitrat hoá chuyển amoni thành nitrat, cây vẫn dùng được; nhóm làm thất thoát đạm vào khí quyển là vi khuẩn phản nitrat hoá.
- "Cố định đạm sinh học không tốn gì." Sai: nitrogenase cần nhiều ATP, nên cây phải "trả" bằng đường quang hợp cho vi khuẩn cộng sinh.
Một cách luyện hiệu quả là tự viết lại mỗi nhận định sai thành câu đúng, kèm một từ khoá giải thích như "liên kết ba", "cộng sinh", "hô hấp kị khí", "ATP". Khi AI đưa ra nhận định thuộc một trong các dạng trên, bạn đã có sẵn công cụ để nhận ra và hỏi lại nó dựa vào đâu.
Vi sinh vật trong chu trình nitơ: ai làm gì
Cố định đạm chỉ là một mắt xích. Cả chu trình nitơ dưới mặt đất do nhiều nhóm vi sinh vật cùng vận hành. Bảng dưới gom các bước chính.
| Bước | Biến đổi | Nhóm vi sinh vật | Ý nghĩa |
|---|---|---|---|
| Cố định nitơ | N2 thành NH3 | Vi khuẩn cộng sinh, vi khuẩn tự do, vi khuẩn lam | Đưa nitơ không khí vào sinh giới |
| Amon hoá | Nitơ hữu cơ trong xác, chất thải thành NH4+ | Nhiều vi khuẩn và nấm phân giải | Trả nitơ từ xác sinh vật về đất |
| Nitrat hoá | NH4+ thành NO2- rồi thành NO3- | Vi khuẩn nitrit hoá và vi khuẩn nitrat hoá (hoá tự dưỡng) | Tạo nitrat, dạng nhiều cây hấp thụ tốt |
| Phản nitrat hoá | NO3- thành N2 bay vào khí quyển | Vi khuẩn hô hấp kị khí dùng nitrat | Làm mất đạm ở đất ngập nước, thiếu oxy |
Bảng này nối với kiến thức về kiểu dinh dưỡng và kiểu hô hấp ở bài trước của danh mục: vi khuẩn nitrat hoá là hoá tự dưỡng, vi khuẩn phản nitrat hoá là hô hấp kị khí với nitrat làm chất nhận electron. Đất bí, ngập úng lâu ngày thiếu oxy nên phản nitrat hoá mạnh, làm thất thoát đạm; đó là lý do làm đất tơi xốp có lợi cho cây.
Vi sinh vật phân giải: ủ một thùng phân nhỏ từ rác bếp như một thí nghiệm
Vi sinh vật phân giải là nhóm biến lá rụng, vỏ rau, bã trà thành mùn. Một thùng ủ nhỏ ở góc sân hay ban công là cách học sinh quan sát chúng làm việc trong vài tuần. Làm cùng người lớn trong nhà.
- Chuẩn bị thùng nhựa có nắp, khoan vài lỗ nhỏ ở thành và đáy để thoát nước và lấy không khí, đặt trên khay.
- Xếp xen kẽ lớp vật liệu "nâu" giàu cacbon như lá khô, giấy vụn không in màu, với lớp "xanh" giàu đạm như vỏ rau, bã trà, bã cà phê. Không cho thịt, cá, xương, dầu mỡ, sữa vì dễ bốc mùi và thu hút ruồi chuột.
- Giữ ẩm vừa phải, như miếng bọt biển đã vắt. Mỗi tuần đảo đều để cung cấp oxy.
- Ghi chép hằng tuần: nhiệt độ ở giữa đống ủ (dùng nhiệt kế đất nếu có), mùi, màu, độ vụn của vật liệu.
- Sau vài tuần đến vài tháng tuỳ điều kiện, vật liệu chuyển thành mùn sẫm màu, mùi đất. Rửa tay sau mỗi lần thao tác, đeo găng nếu có.
Hiện tượng đống ủ ấm lên ở giữa là do vi sinh vật phân giải hô hấp mạnh, toả nhiệt. Nếu đống ủ có mùi hôi, thường là quá ẩm hoặc thiếu oxy, vi sinh vật kị khí chiếm ưu thế. Sau khi có số liệu (không kèm tên, địa chỉ nhà), bạn có thể nhờ AI: "Đây là bảng nhiệt độ và quan sát thùng ủ của mình qua sáu tuần. Hãy đặt cho mình bốn câu hỏi để giải thích các thay đổi bằng hoạt động của vi sinh vật, không viết lời giải thích hộ." Khi AI vẽ sơ đồ chu trình nitơ cho bạn, kiểm từng mũi tên với bảng ở mục trên; sơ đồ do AI tạo hay nhầm chiều mũi tên giữa nitrit và nitrat.
Câu hỏi thường gặp
Vì sao cây họ đậu ít cần bón phân đạm hơn nhiều cây khác?
Vì cây họ đậu có vi khuẩn cộng sinh trong nốt sần ở rễ cung cấp một phần nitơ cố định từ không khí. Tuy vậy mức cần bón bao nhiêu còn tuỳ loại cây, giai đoạn và đất; phần kỹ thuật bón phân nên tham khảo hướng dẫn của cán bộ nông nghiệp.
Nốt sần ở rễ cây có phải là bệnh không?
Nốt sần do vi khuẩn cố định đạm tạo ra ở cây họ đậu là cấu trúc cộng sinh có lợi, không phải bệnh. Tuy nhiên, có những khối u ở rễ do giun tròn hay vi sinh vật gây bệnh tạo ra. Nốt sần cộng sinh thường tròn, dễ tách, ruột hồng khi đang hoạt động.
Vì sao nitrogenase bị oxy làm hỏng mà vi khuẩn vẫn sống được ở nơi có không khí?
Vì mỗi nhóm vi khuẩn có cách bảo vệ enzyme: nốt sần có leghemoglobin giữ oxy tự do thấp, vi khuẩn lam có tế bào dị hình tách biệt, một số vi khuẩn tự do hô hấp rất mạnh để tiêu thụ oxy quanh enzyme. Nhờ vậy chúng sống ở nơi có không khí mà vẫn cố định được nitơ.
Bèo hoa dâu có phải là tảo không?
Không. Bèo hoa dâu là một loài dương xỉ thuỷ sinh nhỏ. Trong lá của nó có vi khuẩn lam Anabaena sống cộng sinh và cố định nitơ. Vì sinh trưởng nhanh và giàu đạm, bèo hoa dâu được dùng làm phân xanh và thức ăn chăn nuôi ở nhiều vùng.
Ủ phân hữu cơ ở nhà có mùi hôi là do đâu?
Mùi hôi thường xuất hiện khi đống ủ quá ẩm, bị nén chặt hoặc lâu không đảo, khiến thiếu oxy và vi sinh vật kị khí chiếm ưu thế, tạo các khí có mùi. Thêm vật liệu khô như lá khô, đảo đều cho thoáng thường cải thiện được. Không cho thịt cá vào thùng ủ.
Có thể dùng AI để chẩn đoán vì sao cây đậu nhà mình ít nốt sần không?
AI có thể liệt kê các khả năng chung như đất đã nhiều đạm, thiếu vi khuẩn phù hợp, đất quá chua hoặc úng. Nhưng để biết nguyên nhân thật trong vườn bạn, cần quan sát thực tế và nếu là sản xuất thì nên hỏi cán bộ nông nghiệp. Hãy dùng danh sách của AI như các giả thuyết để kiểm tra.