Bài giảng Sinh thái và sinh học đất

TRƯỜNG ĐẠI HỌC ĐỒNG THÁPKHOA ĐỊA LÝ Bài giảng Sinh thái và sinh học đất GV: Ngô Thạch Thảo Ly Nội dung Chương I. HỆ SINH THÁI ĐẤT - Hệ sinh thái - Vai trò VSV trong hệ sinh thái - Thành phần sinh vật trong đất - Các vi sinh vật điển hình Chương II. CÁC TIẾN TRÌNH TRONG HỆ SINH THÁI ĐẤT Tài liệu tham khảo Phạm Văn Kim. Giáo trình Vi sinh vật đất. Trường Đại học Cần Thơ. Lê Huy Bá. Sinh thái môi trường đất. NXB ĐH Quốc gia TP.HCM, 2000. Lê Văn Khoa. Đất và Môi trường. Nhà xuất bản Giáo dục. 2000. David M.Sylvia, Jeffery J.Fuhrmann, Peter G.Hartel. Principles and applications of soil microbiology. Prestice Hall, Inc, 1999. http:\\ vietsciens.free Seminar Phân loại vi sinh vật: tên gọi, hệ thống phân loại, đặc điểm cơ bản của các loài? Các yếu tố môi trường tác động lên sự phát triển của quần thể vi sinh vật đất? Phân loại vi sinh vật theo đặc điểm sinh lý và tương tác của vi sinh vật trong đất? Ứng dụng quan hệ tương tác của vi sinh vật trong nông nghiệp? Sinh thái vi sinh vật vùng rễ? nấm rễ và ứng dụng trong nông nghiệp? Cố định đạm sinh học: tự do và cộng sinh? Vi sinh vật và chuyển hóa Carbon trong đất? Vi sinh vật và chuyển hóa Đạm trong đất? Vi sinh vật và chuyển hóa Lân trong đất? Vi sinh vật phân hủy thuốc bảo vệ thực vật tồn dư trong đất? Ứng dụng vi sinh vật trong sản xuất phân bón vi sinh? Phòng trừ dịch bệnh bằng phương pháp sinh học có nguồn gốc từ đất? Ủ phân hữu cơ từ các nguồn chất thải, động thái môi trường ủ và vi sinh vật trong quá trình ủ? Chương I. Hệ sinh thái đất 1.Sinh thái học và khái niệm hệ sinh thái Sinh thái học là môn khoa học nghiên cứu về sự phân bố và sinh sống của những sinh vật sống và các tác động qua lại giữa các sinh vật và môi trường sống của chúng. Đối tượng nghiên cứu STH: tất cả các mối quan hệ giữa sinh vật và môi trường Ý nghĩa của nghiên cứu sinh thái học Cơ sở khoa học cho việc bảo vệ và sử dụng hợp lý nguồn tài nguyên thiên nhiên, ngăn ngừa ô nhiễm môi trường Xây dựng mối quan hệ giữa con người và thế giới tự nhiên Hệ sinh thái: là 1 hệ thống bao gồm các sinh vật tác động qua lại với môi trường bằng các dòng năng lượng tạo nên cấu trúc dinh dưỡng nhất định đa dạng về loài và các chu trình vật chất. Môi trường vô sinh Cấu trúc HST Sinh vật sản xuất (Producer) Sinh vật tiêu thụ (Consumer) Sinh vật phân hủy Các chất vô cơ Các chất hữu cơ Khí hậu Sinh vật Môi trường VL 2. Hệ sinh thái đất Là thành phần quan trọng của HST toàn cầu Là hệ sinh thái hoàn chỉnh Nguồn năng lượng Thành phần vô sinh Thành phần hữu sinh Sự tương tác giữa các thành phần vô sinh và hữu sinh Sự chuyển hóa của các dòng năng lượng và kèm theo là chu trình các nguyên tố dinh dưỡng trong đất Xác bả thực vật Động vật Xác bả động vật Nấm Vi khuẩn Xác nấm Xác Vi khuẩn Động vật nguyên sinh Xác động vật nguyên sinh Nấm Vi khuẩn Các ngtố dinh dưỡng Sơ đồ lưới thức ăn trong đất Hình 1.2. Chu trình năng lượng và các nguyên tố dinh dưỡng trong hệ sinh thái (theo Odum,1967) Vai trò của vi sinh vật trong hệ sinh thái Sinh vật đất Động vật đất Thực vật Nhóm Vi sinh vật đất Hình 1.3. Thành phần sinh vật đất 1. Động vật đất Trong đất có nhiều nhóm động vật sinh sống: - Nguyên sinh động vật - Động vật bậc cao: chuột, nhím, các loài chim làm tổ trong đất - Giun đất: sử dụng lá cây, rễ hoai mục…thải ra chất thải chứa N,P,K… - Một số loài động vật không có lợi cho đất: con mối dùng dịch tiết gắn các hạt đất lại, tạo lớp cứng bao xung quanh tổ, làm đất mất cấu trúc. 2. Thực vật đất - Thực vật bật thấp: tảo đơn bào, nấm, địa y… phân hủy hợp chất hữu cơ, làm sạch môi trường, nâng cao độ phì… - Thực vật bậc cao: giữ đất, giữ nước, hạn chế rửa trôi, làm giàu thành phần hữu cơ - Mỗi loại đất đều có 1 thảm thực vật đặc trưng Nhóm Vi sinh vật đất Nhóm nấm Nhóm xạ khuẩn Nguyên sinh động vật Tảo Nhóm vi khuẩn Trùng roi Gấu nước Chuột chũi Một số loài động vật đất Nấm diệt ruồi Amanita muscaria (Basidiomycota-nấm đảm); Sarcoscypha coccinea (Ascomycota-nấm nang); mốc đen (Zygomycota-nấm tiếp hợp); nấm roi/ nấm trứng (Chytridiomycota); Penicillium conidiophore Volvox Codium Địa y sừng hươu Sự phát triển của hệ sợi nấm Nấm men Nấm sợi Nấm Penicillium sản sinh penicillin Frankiacộng sinh ở rễ cây Phi lao Một số chi xạ khuẩn: A-Microtetraspora; B- Planomonospora; C- Actinosynnema; D- Actinobispora; E- Saccharothrix; F- Crosiella Vi kuẩn Escherichia coli Ba dạng chủ yếu ở vi khuẩn : trực khuẩn, cầu khuẩn và xoắn khuẩn Vi khuẩn lao chụp qua kính hiển vi Các nguồn dinh dưỡng ở vi sinh vật Nguồn thức ăn cacbon Nhóm 1: Tự dưỡng - Tự dưỡng quang năng - Tự dưỡng hoá năng Nhóm 2: Dị dưỡng - Dị dưỡng quang năng - Dị dưỡng hoá năng - Hoại sinh - Ký sinh  Nguồn thức ăn Nitơ: NH3 và NH4+, Acid amin Nguồn thức ăn khoáng Bảng 4.1: Nguồn C được vi sinh vật sử dụng Bảng 4.2. Nguồn N được vi sinh vật sử dụng 5. Các kiểu dinh dưỡng ở vi sinh vật Bảng 5.1. Các kiểu dinh dưỡng ở vi sinh vật CÁC NHÓM VI SINH VẬT CHÍNH Dựa vào đặc điểm cấu tạo tế bào, người ta chia ra làm 3 nhóm lớn: - Nhóm chưa có cấu tạo tế bào bao gồm các loại virus - Nhóm có cấu tạo tế bào nhưng chưa có cấu trúc nhân rõ ràng: vi khuẩn, xạ khuẩn và tảo lam - Nhóm có cấu tạo tế bào, có cấu trúc nhân phức tạp gọi là Eukaryotes: động vật nguyên sinh và tảo đơn bào I. Đặc điểm chung của vi sinh vật 1. Kích thước nhỏ bé Vi sinh vật thường được đo bằng micromet (thường được đo bằng nanomet(nm, nanometre). 2. Hấp thu nhiều, chuyển hoá nhanh Năng lực hấp thu và chuyển hoá của chúng có thể vượt xa các sinh vật bậc cao. Chẳng hạn vi khuẩn lactic (Lactobacillus) trong 1 giờ có thể phân giải một lượng đường lactozơ nặng hơn 1000 - 10000 lần khối lượng của chúng. 3. Sinh trưởng nhanh, phát triển mạnh So với các sinh vật khác thì vi sinh vật có tốc độ sinh trưởng và sinh sôi nảy nở cực kỳ lớn. Vi khuẩn Escherichia coli trong các điều kiện thích hợp cứ khoảng 12 - 20 phút lại phân cắt một lần. 4. Năng lực thích ứng mạnh và dễ phát sinh biến dị Trong quá trình tiến hoá lâu dài vi sinh vật đã tạo cho mình những cơ chế điều hoà trao đổi chất để thích ứng được với những điều kiện sống rất bất lợi. Vi sinh vật rất dễ phát sinh biến dị bởi vì thường là đơn bào, đơn bội, sinh sản nhanh, số lượng nhiều, tiếp xúc trực tiếp với môi trường sống. Hình thức biến dị thường gặp là đột biến gen (genemutation) và dẫn đến những thay đổi về hình thái, cấu tạo, kiểu trao đổi chất, sản phẩm trao đổi chất, tính kháng nguyên, tính đề kháng ... 5. Phân bố rộng, chủng loại nhiều Vi sinh vật phân bố ở khắp mọi nơi trên trái đất. Chúng có mặt trên cơ thể người, động vật, thực vật, trong đất, trong nước, trong không khí, trên mọi đồ dùng, vật liệu, từ biển khơi đến núi cao, từ nước ngọt, nước ngầm cho đến nước biển ... Trong đường ruột của người thường có không dưới 100 - 400 loài sinh vật khác nhau. Ở độ sâu 10.000 m của Đông Thái Bình Dương có khoảng 1 triệu - 10 tỉ vi khuẩn/ml (chủ yếu là vi khuẩn lưu huỳnh) CÁC NHÓM VI SINH VẬT CHÍNH 1. Virus CÁC NHÓM VI SINH VẬT CHÍNH 1. Virus Dimitri Ivanovski + Hình thái và kích thước Virus chưa có cấu tạo tế bào Thành phần chủ yếu của hạt virus là acid nucleic (ADN hay ARN ) được bao quanh bởi một vỏ protein. Acid nucleic nằm ở giữa hạt virus tạo thành lõi hay hệ gen của virus. Protein bao bọc bên ngoài lõi tạo thành một vỏ capsid Lõi và vỏ hợp lại tạo thành một nucleocapsid, đó là kết cấu cơ bản của mọi virus. CÁC NHÓM VI SINH VẬT CHÍNH 1. Virus + Hình thái và kích thước CÁC NHÓM VI SINH VẬT CHÍNH 1. Virus + Hình thái và kích thước Virus có kích thước rất nhỏ bé, có thể lọt qua màng lọc vi khuẩn, chỉ có thể quan sát chúng qua kính hiển vi điện tử. Kích thước từ 20 x 30 đến 150 x 300 nanomet (1nm= 10-6 mm). Nhờ kỹ thuật hiển vi điện tử, người ta phát hiện ra 3 loại hình thái chung nhất của virus. Đó là hình cầu, hình que và hình tinh trùng. CÁC NHÓM VI SINH VẬT CHÍNH 1. Virus + Cấu trúc điển hình của virus 1. Virus + Cấu trúc điển hình của virus 1. Virus - Ý nghĩa khoa học Sinh học phân tử và di truyền học hiện đại Ví dụ như việc dùng virus để chuyển các gen cần thiết từ tế bào này sang tế bào khác - Ý nghĩa thực tiễn + Điều chế các vaccin + Phòng trừ bệnh sinh học CÁC NHÓM VI SINH VẬT CHÍNH 1. Virus 1. Virus Virus HIV/AIDS Một số virus điển hình Virus SARS (Severe Acute Respiratory Syndrome) Virus viêm gan B Virus cúm gia cầm H5N1 Virus viêm não Nhật Bản B Virus viêm gan C 2. Vi khuẩn (Bacteria) + Hình thái và kích thước + Cấu tạo tê bào Bảng 2.1. Sự khác nhau giữa tế bào động, thực vật và tế bào của vi khuẩn 2.2.1. Thành tế bào Thành tế bào là lớp cấu trúc ngoài cùng, có độ rắn chắc nhất định để duy trì hình dạng tế bào, có khả năng bảo vệ tế bào đối với một số điều kiện bất lợi. Vi khuẩn Gram dương: có thành phần cấu tạo cơ bản là peptidoglycan (PG) hoặc còn gọi là glucopeptit, murein,...chiếm 95 % trọng lượng khô của thành, tạo ra một màng polime 22 xốp, không hòa tan và rất bền vững, bao quanh tế bào thành mạng lưới. Vi khuẩn Gram âm: Vách vi khuẩn Gram âm gồm một màng ngoài và một khoang chu chất chứa 1-2 lớp PG (chiếm 5-10%) trọng lượng khô vách, giữa lớp PG và màng ngoài có cầu nối lipoprotein. Ngoài ra ở màng ngoài còn có thành phần lipopolysaccharit (LPS) và các protein. 2.2.4. Thể nhân Thể nhân ở vi khuẩn là dạng nhân nguyên thủy, chưa có màng nhân nên không có hình dạng cố định. Thể nhân của vi khuẩn là một nhiễm sắc thể duy nhất cấu tạo bởi một sợi ADN xoắn kép, rất dài và cuộn lại thành hình vòng tròn. Nhân tế bào vi khuẩn không phân hóa thành khối rõ rệt còn gắn với màng tế bào chất. Như vậy, phần lớn các tế bào của các vi sinh vật có nhân nguyên thủy là tế bào đơn bội. Sinh sản của vi khuẩn 2. Vi khuẩn (Bacteria) Cầu khuẩn Deinococcus Leuconostoc Salmonella  Trực khuẩn  Yersinia Rhizobium Pseudomonas Robert Koch (1843-1910) Trực khuẩn lao Mycobacterium tuberculosis 2.3. Ý nghĩa thực tiễn của vi khuẩn Vi khuẩn chiếm đa số trong các vi sinh vật, có những mẫu đất vi khuẩn chiếm tới 90%, bởi vậy nó đóng vai trò quyết định trong các quá trình chuyển hoá vật chất. Vi khuẩn tham gia vào hầu hết các vòng tuần hoàn vật chất trong đất và trong thiên nhiên. Tuy vậy, rất nhiều vi khuẩn gây bệnh cho người và động vật, thực vật, gây nên những tổn thất nghiêm trọng về sức khỏe con người cũng như sản xuất nông nghiệp. Ngày nay, với những thành tựu của khoa học hiện đại, người ta đã tìm ra những biện pháp hạn chế tác hại do vi khuẩn gây ra, ví dụ như việc chế vaccin phòng bệnh, sử dụng chất kháng sinh v.v... 3. Xạ khuẩn (Actinomycetes) Ý nghĩa thực tiến của xạ khuẩn Xạ khuẩn là nhóm vi sinh vật phân bố rộng rãi trong đất, chúng tham gia vào các quá trình phân giải các hợp chất hữu cơ trong đất như cellulose, tinh bột v.v.... góp phần khép kín vòng tuần hoàn vật chất trong tự nhiên. Đặc tính này còn được ứng dụng trong quá trình chế biến phân hủy rác v.v... Nhiều xạ khuẩn có khả năng sinh chất kháng sinh. Đặc điểm này được sử dụng trong nghiên cứu sản xuất các chất kháng sinh dùng trong y học, nông nghiệp và bảo quản thực phẩm. 4. Vi khuẩn lam (Ngành Cyanobacteria) Vi khuẩn lam có mặt ở khắp mọi nơi, trong đất, trên đá, trong suối nước nóng, trong nước ngọt và nước mặn. Chúng có năng lực chống chịu cao hơn so với thực vật đối với các điều kiện bất lợi như nhiệt độ cao, pH thấp. Một số loài có khả năng sống cộng sinh với các cơ thể khác như Rêu, Dương xỉ, Tuế...Nhiều loài cộng sinh với nấm để tạo ra Địa y (Lichen). Vi khuẩn lam thuộc nhóm vi sinh vật quang tự dưỡng, chúng thu năng lượng từ ánh sáng, thông qua quá trình quang hợp để tổng hợp chất hữu cơ từ CO2 và nước lấy từ không khí. 5. Vi nấm Vi nấm là nhóm nấm có kích thước hiển vi. Vi nấm khác với vi khuẩn và xạ khuẩn, chúng có cấu tạo nhân điển hình, vì vậy chúng được xếp vào nhóm Eukaryotes. Vi nấm gồm 2 nhóm lớn - Nấm men và nấm sợi, nấm men có cấu trúc đơn bào, nấm sợi có cấu trúc đa bào. Nấm sợi còn gọi là nấm mốc. Vi nấm được xếp loại trong giới nấm (Fungi) bao gồm cả các nấm lớn. 5.1. Nấm men (Yeas) + Hình thái và kích thước Nấm men thường có hình cầu hoặc hình bầu dục, một số loại có hình que và một số hình dạng khác. Kích thước trung bình của nấm men là 3-5x5-10m. Một số loài nấm men sau khi phân cắt bằng phương pháp nảy chồi, tế bào con không rời khỏi tế bào mẹ và lại tiếp tục mọc chồi. Bởi vậy nó có hình thái giống như cây xương rồng khi quan sát dưới kính hiển vi. Nhân tế bào nấm men là nhân điển hình, có màng nhân, bên trong là chất dịch nhân có chứa hạch nhân + Ý nghĩa thực tiễn của nấm men - Tham gia vào các quá trình chuyển hóa vật chất, phân hủy chất hữu cơ trong đất. - Ứng dụng trong công nghiệp thực phẩm, nông nghiệp và các ngành khác. Đặc biệt trong quá trình sản xuất các loại rượu, cồn, nước giải khát lên men, làm thức ăn gia súc ... - Chế tạo thức ăn gia súc từ nấm men, thậm chí thức ăn dùng cho người cũng có thể chế tạo từ nấm men 5.2. Nấm mốc (nấm sợi) Nấm mốc cũng thuộc nhóm vi nấm, có kích thước hiển vi. Khác với nấm men, có không phải là những tế bào riêng biệt mà là một hệ sợi phức tạp, đa bào có màu sắc phong phú. + Hình thái và kích thước Nấm mốc có cấu tạo hình sợi phân nhánh, tạo thành một hệ sợi chằng chịt phát triển rất nhanh gọi là khuẩn ti thể hay hệ sợi nấm + Ý nghĩa thực tiễn của nấm mốc - Tham gia tích cực vào các quá trình chuyển hoá vật chất, khép kín các vòng tuần hoàn vật chất trong tự nhiên. - Khả năng chuyển hoá vật chất của chúng được ứng dụng trong nhiều ngành, đặc biệt là chế biến thực phẩm - Mặt khác, có nhiều loại nấm mốc mọc trên các nguyên, vật liệu, đồ dùng, thực phẩm ... phá hỏng hoặc làm giảm chất lượng của chúng. Một số loài còn gây bệnh cho người, động vật thực vật (bệnh lang ben, vẩy nến ở người...