Khả năng chuyển hoá vật chất của vi sinh vật trong các môi trường tự nhiên - Phần 3: Chuyển hoá các hợp chất nito - Quá trình cố định nito phân tử

Nitrogen cycle chu trình nitơ sự tuần hoàn của nitơ giữa các sinh vật và môi trường. Nitơ dạng khí trong khí quyển chỉ được sử dụng trực tiếp bởi một số vi sinh vật (clostridium) và một số tảo lam (nostoc). Chúng biến đổi nitơ thành dạng amon, nitrit và nitrat, những chất này sau đó được giải phóng vào đất bởi các quá trình bài tiết và phân giải. Có một cách khác để nitơ khí quyền được cố định là nhờ các tia lửa điện của sấm sét.

Phần lớn thực vật chỉ có thể sử dụng nitơ dưới dạng nitrat, trừ một số thực vật cộng sinh với vi khuẩn nốt sần Rhizobium hoặc các sinh vật khác tạo nốt sần của rễ. Khi thực vật và động vật chất thì nitơ hữu cơ trong chúng biến đổi trở lại thành dạng nitrat trong quá trình gọi là nitrat hoá. Một phần nitrat này được thực vật hấp thụ, còn một phần bị mất do quá trình khử nitrit và quá tình rửa trôi. Sự tăng cường sử dụng phân bón trong nông nghiệp (nitrat amon) hiện nay trở thành một nhân tố quan trọng trong chu trình nitơ .x.nitrogen fixation.

Xem các nội dung cùng chủ đề liên quan:

Quá trình cố định Nitơ phân tử

Khí nitơ chiếm khoảng 76% bầu không khí bao quanh chúng ta, trên mỗi hecta đất trọng lượng của nó nặng tới 80.000 tấn. Khí nitơ thường xuyên được hình thành và bổ sung vào không khí do quá trình phản nitrat hoá.

Con người, động vật, thực vật đều cần đạm, song sống giữa bầu không khí mênh mông đạm như vậy tuyệt đại đa số sinh vật đều không sử dụng trực tiếp khí nitơ. Chỉ có nhóm sinh vật cố định nitơ là có khả năng này.

Hàng năm nhu cầu của cây trồng trên toàn thế giới đối với nitơ là hàng trăm triệu tấn. Tuy nhiên, phân bón hoá học chỉ đáp ứng được khoảng 30%. Lượng còn lại là do quá trình cố định nitơ phân tử cung cấp.

Cơ chế của quá trình cố định nitơ phân tử

Nitơ phân tử được cấu tạo từ 2 nguyên tử nitơ nối với nhau bằng 3 dây nối N≡N. Để phá vỡ được 3 dây nối này bằng phương pháp hoá học cần phải tiến hành ở nhiệt độ và áp suất rất cao. Ví dụ như muốn tạo thành xianamit canxi là một loại phân đạm hoá học người ta phải tiến hành phản ứng giữa nitơ phân tử và cacbit canxi ở nhiệt độ 1000 - 1100 độ C.

Nếu muốn liên kết nitơ với hydro để tạo thành amoniac thì phản ứng phải được tiến hành ở nhiệt độ 600 độ C và áp suất 1000at với những chất xúc tác đắt tiền. Trong khi đó nhóm vi khuẩn cố định nitơ có thể biến khí nitơ thành hợp chất đạm ở các điều kiện bình thường về nhiệt độ và áp suất. Vậy cơ chế cố định của nó là như thế nào? Đó là điều các nhà khoa học nghiên cứu trong lĩnh vực này hết sức quan tâm. Từ trước tới nay có rất nhiều giả thiết về cơ chế của quá trình cố định đạm sinh học.

Đa số nhà nghiên cứu đều thống nhất cho rằng: Quá trình cố định nitơ sinh học là một quá trình khử N₂ thành NH₃ dưới tác dụng của men nitrogenaza sinh ra bởi vi sinh vật.

Nitrogenaza đã được chiết xuất ra từ Azotobacter vinelandii - 1 loài vi khuẩn cố định nitơ sống tự do trong đất.
+ Nitrogenaza bao gồm hai thành phần khác nhau, 1 thành phần gồm protein và Fe, 1 thành phần gồm protein, Fe, Mo.
- Electron của các chất khử sẽ đi vào thành phần thứ 1 của nitrogenza (phần có chứa protein và sắt) sau đó được chuyển sang thành phần thứ 2, qua đó electron được hoạt hoá có thể phản ứng với N₂.
- N₂ cũng đi qua 2 thành phần của nitrogeneza và được hoạt hoá. Hydro được hoạt hoá nhờ các enzym của hệ thống hydrogenaza. Năng lượng dùng trong quá trình này là ATP của tế bào. Cuối cùng NH₃ được hình thành. Có thể tóm tắt trong sơ đồ sau:

Co che cua qua trinh co dinh nito phan tu

+ Enzym nitrogenaza ngoài tác dụng khử N₂ thành NH₃ còn có khả năng xúc tác cho việc khử một số chất khác. Ví dụ như nó có thể khử axetylen thành etylen. Phản ứng khử axetylen ngày nay được dùng để xác định hoạt tính nitrogenaza.

Azotobater là loại vi khuẩn hiếu khí, song quá trình cố định nitơ lại là một quá trình khử ở điều kiện không có oxy. Hai điều kiện trái ngược nhau được thoả mãn đối với một tế bào là do Azotobacter có nhiều màng lipoporotein. Bên ngoài màng là những men hô hấp hoạt động, sử dụng oxy để hình thành ATP và làm cho oxy không thấm vào phía trong màng, nơi đó có nitrogenaza tiến hành cố định nitơ ở điều kiện kỵ khí.

NH₃ được hình thành đến một mức độ nào đó sẽ kìm hãm sự hoạt động của nitrogenaza, nó chính là yếu tố điều hoà hoạt tính của enzym.

Ở vi khuẩn cố định nitơ sống cộng sinh với cây bộ đậu, cơ chế cố định nitơ có phần nào phức tạp hơn vì nó có liên quan đến thực vật. Vai trò của thực vật ở đây chính là sự hình thành Leghemoglobin, chất này đóng vai trò chuỗi chuyển điện tử từ quá trình quang hợp của cây vào nitrogenaza của vi khuẩn. Enzym nitrogenaza của vi khuẩn nốt sần sống cộng sinh với cây đậu cũng có cấu trúc giống như nitrogenaza của vi khuẩn cố định nitơ sống tự do trong đất.

Mối quan hệ giữa thực vật và vi khuẩn trong quá trình cố định nitơ cộng sinh có thể biểu diễn bởi sơ đồ sau:

Tuy nhiên gần đây có một số tác giả cho rằng, quá trình cố định nitơ phân tử xảy ra ở tế bào thực vật chứ không xảy ra ở tế bào vi khuẩn. Những tác giả này dựa vào kết quả thí nghiệm dùng nguyên tố phóng xạ N15 thấy nó xuất hiện chủ yếu ở màng tế bào thực vật trong khi xuất hiện rất ít ở tế bào vi khuẩn.

Một số hình ảnh về nốt sần trên rễ cây

vi-khuan-not-san-cong-sinh-co-dinh-nito-

Vi sinh vật cố định nitơ

Nhiều loài vi sinh vật có khả năng cố định nitơ phân tử. Chúng bao gồm 3 nhóm chính:
1. Nhóm vi khuẩn cố định nitơ cộng sinh,
2. Nhóm vi khuẩn cố định nitơ sống tự do và
3. Nhóm vi tảo cố định nitơ.
Ở đây chúng ta chỉ nghiên cứu kỹ 2 nhóm đầu.

I. Vi khuẩn cố định nitơ cộng sinh với cây bộ đậu

1. Đặc điểm chung

Vi khuẩn cố định nitơ cộng sinh với cây bộ đậu còn gọi là vi khuẩn nốt sần. Chúng hình thành những nốt sần ở rễ cây, đôi khi ở cả thân cây phần gần với đất và cư trú trong đó. Tại nốt sần, vi khuẩn tiến hành quá trình cố định nitơ, sản phẩm cố định được một phần sử dụng cho vi khuẩn và một phần sử dụng cho cây. Những sản phẩm quang hợp của cây cũng một phần được cung cấp cho vi khuẩn. Chính vì thế mà quan hệ giữa vi khuẩn và cây là quan hệ cộng sinh hai bên cùng có lợi.

Từ năm 1886 Hellrigel và Wilfarth đã phát hiện ra khả năng cố định nitơ của cây đậu Hoà Lan bằng thí nghiệm trồng trên cát cây kiều mạch và cây đậu Hoà Lan. Sau khi kết thúc thí nghiệm người ta tiến hành định lượng đạm tổng số ở 2 chậu cát và nhận thấy: chậu cát trồng cây đậu Hoà Lan có hàm lượng nitơ tăng lên so với ban đầu còn chậu cát trồng kiều mạch thì lượng nitơ giảm đi. Nghiên cứu sâu hơn nữa người ta thấy lượng đạm chỉ tăng lên khi đất trồng cây đậu không khử trùng và nốt sần được hình thành trên rễ cây đậu. Từ đó người ta đã kết luận rằng: cây đậu Hoà Lan khi cộng sinh với một loài vi khuẩn sống trong nốt sần thì sẽ có khả năng cố dịnh nitơ không khí.
Đến năm 1888 Beijerinck đã phân lập được vi khuẩn nốt sần, năm 1889 vi khuẩn nốt sần được đặt tên là Rhizobium. Lúc đầu người ta dựa vào cây đậu mà vi khuẩn cộng sinh để đặt tên loài cho chúng. Ví dụ như loài Rhizobium leguminosarum cộng sinh với cây đậu Hoà Lan, loài Rhizobium trifolii cộng sinh với cây cỏ ba lá.

Gần đây người ta chia vi khuẩn nốt sần thành hai nhóm, nhóm sinh trưởng nhanh và nhóm sinh trưởng chậm dựa vào thời gian xuất hiện khuẩn lạc trên môi trường nuôi cấy.
- Nhóm sinh trưởng nhanh khuẩn lạc xuất hiện sau 3 - 5 ngày, có đường kính 2 - 4mm thuộc chi Rhizobium.
- Nhóm sinh trưởng chậm khuẩn lạc xuất hiện sau 5 - 7 ngày nuôi cấy, có đường kính không quá 1mm thuộc chi Bradirhizobium.

Trong quá trình phát triển vi khuẩn nốt sần thường có sự thay đổi hình thái. Lúc còn non, đa số các loài có hình que, có khả năng di động bằng đơn mao, chùm mao hoặc chu mao tuỳ từng loài. Sau đó trở thành dạng giả khuẩn để có hình que phân nhánh, mất khả năng di động. Ở dạng này, vi khuẩn nốt sần có khả năng cố định nitơ. Khi già dạng hình que phân nhánh phân cắt tạo thành dạng hình cầu nhỏ.

Vi khuẩn nốt sần thuộc loại háo khí, ưa pH trung tính hoặc hơi kiềm, thích hợp với nhiệt độ 28 - 30 độ C, độ ẩm 60 - 80%. Chúng có khả năng đồng hoá các nguồn cacbon khác nhau như các loại đường đơn, đường kép, axit hữu cơ, glyxerin v.v...
- Đối với nguồn nitơ, khi cộng sinh với cây đậu, vi khuẩn nốt sần có khả năng sử dụng nitơ không khí.
- Khi sống tiềm sinh trong đất hoặc được nuôi cấy trên môi trường, chúng mất khả năng cố định nitơ. Lúc đó chúng đồng hoá các nguồn nitơ sẵn có, nhất là các nguồn amôn và nitrat. Chúng có thể đồng hoá tốt các loại axit amin, một số có thể đồng hoá peptôn.

Ngoài nguồn dinh dưỡng cacbon và nitơ, vi khuẩn nốt sần còn cần các loại chất khoáng, trong đó quan trọng nhất là photpho.

Khi nuôi vi khuẩn nốt sần ở môi trường có sẵn nguồn đạm lâu ngày, chúng sẽ mất khả năng xâm nhiễm và hình thành nốt sần. Đó là điều cần chú ý trong việc giữ giống vi khuẩn nốt sần.

2. Sự hình thành nốt sần và quan hệ cộng sinh của vi khuẩn nốt sần với cây bộ đậu.

Quan hệ cộng sinh giữa vi khuẩn nốt sần và cây đậu tạo thành một thể sinh lý hoàn chỉnh. Chỉ trong quan hệ cộng sinh này, chúng mới có khả năng sử dụng nitơ của không khí. Khi tách ra, cả cây đậu và vi khuẩn đều không thể sử dụng nitơ tự do, không phải tất cả các cây thuộc bộ đậu đều có khả năng cộng sinh với vi khuẩn nốt sần mà chỉ khoảng 9% trong chúng.

Khả năng hình thành nốt sần ở cây đậu không những phụ thuộc vào vi khuẩn có trong đất mà còn phụ thuộc vào các điều kiện ngoại cảnh khác nhau.
- Về độ ẩm, đa số cây đậu có thể hình thành nốt sần trong phạm vi độ ẩm từ 40 - 80%, trong đó độ ẩm tối thích là 60 - 70%. Tuy nhiên, cũng có những trường hợp ngoại lệ, ví dụ như cây điền thanh có thể hình thành nốt sần trong điều kiện đất ngập nước.

- Độ thoáng khí của đất cũng ảnh hưởng đến sự hình thành và chất lượng nốt sần. Thường nốt sần chỉ hình thành ở phần rễ nông, phần rễ sâu rất ít nốt sần. Nguyên nhân là do tính háo khí của vi khuẩn nốt sần, thiếu Oxy sẽ làm giảm cường độ trao đổi năng lượng và khả năng xâm nhập vào rễ cây. Đối với cây, thiếu Oxy cũng làm giảm sự hình thành sắc tố Leghemoglobin. Những nốt sần hữu hiệu có màu hồng chính là màu của sắc tố này.

- Nhiệt độ thích hợp nhất với hoạt động của vi khuẩn nốt sần là 24 độ C, dưới 10 độ C nốt sần vẫn có thể hình thành nhưng hiệu quả cố định nitơ giảm. Ở nhiệt độ 36 độ C cây đậu phát triển tốt nhưng cường độ cố định nitơ lại kém.

- pH môi trường cũng ảnh hưởng đến sự hình thành và chất lượng nốt sần. Có loại chỉ hình thành nốt sần ở pH từ 6,8 đến 7,4 có loại có khả năng hình thành nốt sần ở pH rộng hơn từ 4,6 đến 7,5.

Tính đặc hiệu là một đặc điểm quan trọng trong quan hệ cộng sinh giữa vi khuẩn nốt sần và cây đậu. Một loài vi khuẩn nốt sần chỉ có khả năng cộng sinh với một hoặc vài loài đậu. Cũng có một số loài vi khuẩn có khả năng hình thành nốt sần ở cây đậu không đặc hiệu với nó nhưng số lượng nốt sần ít và khả năng cố định nitơ kém. Tuy nhiên đặc tính này giúp cho vi khuẩn nốt sần có thể tồn tại ở những nơi không có cây đậu đặc hiệu đối với nó. Tính đặc hiệu giữa vi khuẩn và cây đậu được quyết định bởi hệ gen của chúng. Bởi vậy người ta có thể cải biến tính đặc hiệu bằng các tác nhân đột biến hoặc có thể dùng kỹ nghệ di truyền để cải biến hệ gen quy định đặc hiệu cộng sinh.

Quá trình hình thành nốt sần được bắt đầu từ sự xâm nhập của vi khuẩn vào rễ cây. Vi khuẩn thường xâm nhập vào rễ cây qua các lông hút hoặc vết thương ở vỏ rễ. Cây đậu thường tiết ra những chất kích thích sinh trưởng của vi khuẩn nốt sần tương ứng, đó là các hợp chất gluxit, các axit amin v.v... Muốn xâm nhiễm tốt, mật độ của vi khuẩn trong vùng rễ phải đạt tới 104 tế bào trong 1 gram đất. Nếu xử lý với hạt đậu thì mỗi hạt đậu loại nhỏ cần 500 - 1000 tế bào vi khuẩn, hạt đậu loại to cần khoảng 70.000 tế bào.

Khi mật độ vi khuẩn phát triển tới một mức độ nhất định nó sẽ kích thích cây đậu tiết ra enzym poligalactorunaza có tác dụng phân giải thành lông hút để vi khuẩn qua đó xâm nhập vào. Đường vi khuẩn xâm nhập được tạo thành do tốc độ phát triển của vi khuẩn (sinh trưởng đến đâu, xâm nhập đến đấy) hình thành một "dây xâm nhập" được bao quanh bởi một lớp nhày do các chất của vi khuẩn tiết ra trong quá trình phát triển. Ở giai đoạn này phản ứng của cây đối với vi khuẩn tương tư như đối với vật ký sinh, bởi vậy tốc độ tiến sâu vào nhu mô của dây xâm nhập rất chậm do phản ứng của cây - chỉ khoảng 5 - 8 μm/h. Không phải tất cả các dây xâm nhập đều tiến tới nhu mô rễ mà chỉ một số trong chúng. Chính vì thế để hình thành nốt sần cần mật độ vi khuẩn lớn.

Khi tới lớp nhu mô, vi khuẩn kích thích tế bào nhu mô phát triển thành vùng mô phân sinh. Từ vùng mô phân sinh tế bào phân chia rất mạnh và hình thành 3 loại tế bào chuyên hoá: Vỏ nốt sần là lớp tế bào nằm dưới lớp vỏ rễ bao bọc quanh nốt sần; Mô chứa vi khuẩn gồm những tế bào bị nhiễm vi khuẩn nằm xen kẽ với các tế bào không nhiễm vi khuẩn. Những tế bào chứa vi khuẩn có kích thước lớn hơn tế bào không chứa vi khuẩn tới 8 lần, có những mô chứa vi khuẩn toàn bộ các tế bào đều bị nhiễm vi khuẩn. Loại tế bào chuyên hoá thứ 3 là các mạch dẫn từ hệ rễ vào nốt sần. Đây chính là con đường dẫn truyền các sản phẩm của quá trình cố định nitơ cho cây và các sản phẩm quang hợp của cây cho nốt sần.

Tại các tế bào chứa vi khuẩn, vi khuẩn nốt sần xâm nhập vào tế bào chất tại đấy chúng phân cắt rất nhanh. Từ dạng hình que sẽ chuyển sang dạng hình que phân nhánh gọi là dạng giả khuẩn thể. Chính ở dạng giả khuẩn thể này vi khuẩn bắt đầu tiến hành quá trình cố định nitơ.

Thời kỳ cây ra hoa là thời kỳ nốt sần hình thành nhiều nhất và có hiệu quả cố định nitơ mạnh nhất. Hiệu quả cố định nitơ thường thể hiện ở những nốt sần có kích thước lớn và có màu hồng của Leghemoglobin.

Ở những cây đậu có đời sống ngắn từ 1 năm trở xuống, đến giai đoạn cuối cùng của thời kỳ phát triển, màu hồng của sắc tố Leghemoglobin chuyển thành màu lục. Lúc đó kết thúc quá trình cố định nitơ, dạng giả khuẩn thể phân cắt thành những tế bào hình cầu. Khi cây đậu chết, vi khuẩn nốt sần sống tiềm sinh trong đất chờ đến vụ đậu năm sau. Tuy nhiên, có một vài cây họ đậu như cây điền thanh hạt tròn không thấy xuất hiện dạng giả khuẩn.

Ở những cây đậu 1 năm và những cây đậu lâu năm (thân gỗ) cũng có sự khác nhau về tính chất nốt sần. Ở cây lạc, cây đậu tương, nốt sần hữu hiệu (có khả năng cố định nitơ) thường có màu hồng, kích thước lớn, thường nằm trên rễ chính trong khi nốt sần vô hiệu có màu lục, kích thước nhỏ, thường nằm trên rễ phụ. Tuy nhiên ở một số cây đậu lâu năm lại không theo quy luật đó. Ví dụ như cây keo tai tượng dùng để trồng rừng, nốt sần hữu hiệu có cả ở rễ phụ và không có màu hồng.

3. Ứng dụng của vi khuẩn nốt sần

Từ lâu người ta đã biết sử dụng vi khuẩn nốt sần để sản xuất chế phẩm. Nitragin bón cho cây đậu. Nitragin là một loại phân vi sinh vật có hiệu quả khá rõ rệt so với các loại phân vi sinh vật khác. Nitragin được sản xuất bằng cách nhân giống vi khuẩn nốt sần trong môi trường thích hợp. Khi đạt được một số lượng nhất định thì cho hấp thụ vào chất mang. Chất mang có thể là đất hoặc than bùn, trong 1 gram chất mang cần chứa khoảng > 10⁹ tế bào vi khuẩn. Việc bảo quản chế phẩm tương đối khó vì vi khuẩn nốt sần không có khả năng hình thành bào tử, nó sẽ bị chết dần. Để nâng cao chất lượng của chế phẩm người ta thường bổ sung vào chất mang một số chất dinh dưỡng như đường Saccaroza v.v...

- Khi sử dụng Nitragin bón cho cây đậu cần chú ý đến điều kiện môi trường để đảm bảo cho vi khuẩn nốt sần sau khi vào đất sẽ phát huy được tác dụng.
- Hàm lượng nitơ trong đất rất quan trọng, nhất là nitơ dễ tiêu. Khi lượng nitơ dễ tiêu đạt đến một mức độ nhất định sẽ kìm hãm quá trình cố định nitơ của vi khuẩn nốt sần. Bởi thế người ta chỉ bón một ít phân đạm trong giai đoạn đầu để kích thích cây đậu phát triển.
- Hàm lượng P và K dễ tiêu trong đất cũng rất quan trọng đối với hoạt động của vi khuẩn nốt sần, thiếu P và K vi khuẩn nốt sần phát triển yếu.
- Các nguyên tố vi lượng như Mo, B, Cu, Co cũng rất cần thiết cho quá trình cố định nitơ. Ngoài ra còn cần chú ý đến độ ẩm, độ thoáng khí, nhiệt độ và pH của đất khi sử dụng Nitragin.

Mối quan hệ lẫn nhau giữa các nhóm vi sinh vật trong đất cũng rất quan trọng đối với vi khuẩn nốt sần. Trong đất có những nhóm vi sinh vật sống hỗ sinh với vi khuẩn nốt sần. Nhưng cũng có nhóm đối kháng, ví dụ như xạ khuẩn và virus. Một số xạ khuẩn sinh kháng thể có thể ức chế hoặc tiêu diệt vi khuẩn nốt sần. Một số virus có khả năng xâm nhiễm và phá vỡ tế bào vi khuẩn. Bởi vì khi sử dụng Nitragin cần phải chú ý đến các điều kiện ngoại cảnh. Đặc biệt không nên phun thuốc trừ sâu cùng một lúc với bón Nitragin cũng như các loại phân vi sinh khác.

II. Vi khuẩn cố định nitơ sống tự do trong đất

Ngoài vi khuẩn nốt sần là loại cố định nitơ cộng sinh, trong đất còn có nhóm vi sinh vật nitơ sống tự do, không cộng sinh với thực vật. Trong số này chúng ta nghiên cứu mấy nhóm chính sau đây:

+ Azotobacter

Azotobacter được phát hiện từ năm 1901 do Beijerinck - là một loại vi khuẩn hiếu khí, không sinh bào tử, có khả năng cố định nitơ phân tử, sống tự do trong đất.

Khi nuôi cấy Azotobacter trong môi trường nhân tạo chúng biểu hiện đặc tính đa hình: khi còn non chúng có dạng trực khuẩn hình que, có tiên mao, có khả năng di động. Khi già Azotobacter mất khả năng di động, tế bào chuyển thành dạng hình cầu, xung quanh được bao bọc bởi một lớp vỏ nhày. Một số loài Azotobacter có khả năng hình thành nang xác và sống tiềm sinh trong đó, khi gặp điều kiện thuận lợi nang xác vỡ, tế bào lại sinh trưởng phát triển. Nang xác là một hình thức tồn tại của Azotobacter nó không phải là bào tử. Một nang xác có thể bao bọc một số tế bào bên trong. Khuẩn lạc của Azotobacter lúc non có màu trắng đục. Khi già chuyển thành màu vàng lục hoặc màu nâu.

Trong đất, nhất là đất lúa, thường có phổ biến những loài Azotobacter sau:

- Azotobacter chroococcum: có khả năng di động lúc còn non, khi già có khả năng hình thành nang xác. Khuẩn lạc lúc già có sắc tố màu nâu hoặc màu đen không khuếch tán vào môi trường.

- Azotobater beijerinckii: không có khả năng di động, có khả năng hình thành nang xác. Khuẩn lạc lúc già có màu vàng hoặc nâu sáng, sắc tố không khuếch tán vào môi trường.

- Azotobacter vinelandii: có khả năng di động và hình thành nang xác. Khuẩn lạc màu lục huỳnh quang, sắc tố khuếch tán vào môi trường.

- Azotobacter agilis: có khả năng di động, không tạo thành nang xác, khuẩn lạc màu vàng lục huỳnh quang, sắc tố khuếch tán vào môi trường.

Azotobacter có khả năng đồng hoá nhiều loại đường khác nhau, nhất là các sản phẩm phân giải của xenluloz. Bởi vậy, đất có bón phân xanh, rơm rạ, rác rưởi rất tốt cho sự phát triển của Azotobacter. Sự phát triển và khả năng cố định nitơ của Azotobacter phụ thuộc rất nhiều vào hàm lượng photpho dễ tiêu trong môi trường. Ngoài ra, canxi và các nguyên tố vi lượng như B, Mo, Fe, Mn cũng rất cần thiết đối với Azotobacter. Một vài nguyên tố phóng xạ có tác dụng kích thích sinh trưởng đối với Azotobacter.

Azotobacter thích hợp nhất với pH = 7,2 - 8,2 song chúng có thể phát triển được ở pH từ 4,5 - 9,0. Chúng thích hợp với nhiệt độ từ 25 đến 30 độ C.

Azotobacter dã được nghiên cứu để chế tạo phân vi sinh vật bón cho lúa, ở một số nơi chúng có thể hiện hiệu quả tốt nhưng không phổ biến bằng phân vi khuẩn nốt sần Nitragin. Chế phẩm chế tạo từ Azotobacter được gọi là Azotobacterin.

+ Clostridium

Clostridium đươc phát hiện từ năm 1893, là một loại vi khuẩn kị khí sống tự do trong đất. Khác với Azotobacter nó có khả năng hình thành bào tử. Loài phổ biến nhất trong đất là Clostridium pasteurianum có hình que ngắn, khi còn non có khả năng di động bởi tiên mao. Khi già mất khả năng di động.

Khi hình thành bào tử thường có hình con thoi do bào tử hình thành lớn hơn kích thước tế bào.

Clostridium có khả năng đồng hoá nhiều nguồn cacbon khác nhau như các loại đường, rượu, tinh bột... Nó thuộc loại kị khí nên các sản phẩm trao đổi chất của nó thường là các loại axit hữu cơ, butanol, etanol, axeton v.v.... Đó là các sản phẩm chưa được oxy hoá hoàn toàn.

P và K là 2 nguyên tố rất cần thiết cho sự phát triển và cố định nitơ của Clostridium. Ngoài ra các nguyên tố vi lượng như Mo, Co, Cu, Mn cũng rất cần thiết đối với Clostridium.

Clostridium có khả năng phát triển ở pH = 4,7 - 8,5. Bào tử của chúng có thể chịu được nhiệt độ cao, có thể sống được 1 giờ ở nhiệt độ 800C. Một số loài còn có thể chịu được nhiệt độ 1000C trong 30 phút.

Ngoài 2 nhóm vi khuẩn cố định nitơ sống cộng sinh với thực vật và sống tự do trong đất như đã nói ở trên, còn có một số vi khuẩn có khả năng cố định nitơ sống trên bề mặt rễ và ăn sâu vào lớp tổ chức bề mặt rễ của một số loại cây hoà thảo như lúa, ngô, mía... Đó là một loại vi khuẩn có dạng xoắn được phát hiện từ năm 1974 thuộc chi Azospirillum. Từ 1974 đến nay Azospirillum đã được nghiên cứu nhiều trên thế giới. Ở Việt Nam cũng có những nghiên cứu bước đầu và ứng dụng chế phẩm Azospirillum nhằm mục đích nâng cao sản lượng của các cây hoà thảo nói trên.

Ngoài các nhóm vi khuẩn cố định nitơ nói trên ra, còn có một số loài tảo đơn bào cũng có khả năng cố định nitơ. Ví dụ như tảo lam sống tự do và tảo lam sống cộng sinh trong bèo hoa dâu. Các loài này cũng đóng góp không nhỏ vào quá trình cố định nitơ không khí.