khảo sát khả năng kết hợp nấm phân hủy tannin và cellulose với chế phẩm enzyme enchoice để tăng cường sinh học trong quá trình ủ compost từ mụn dừa

Chủ ng vi sinh vậ t có khả năng phân giả i enzyme tannase .... Thí nghiệ m đánh giá khả năng áp dụ ng nấ m phân hủ y tannin N1 và N2 và EC trong ủ compost .... Thí nghiệ m đánh giá khả n

H U

BỘ GIÁO DỤ C VÀ ĐÀO TẠ O TRƯ Ờ NG ĐẠ I HỌ C KỸ THUẬ T CÔNG NGHỆ TP HCM

NGUYỄ N THỊ HOÀNG OANH

H U

CÔNG TRÌNH ĐƯ Ợ C HOÀN THÀNH TẠ I TRƯ Ờ NG ĐẠ I HỌ C KỸ THUẬ T CÔNG NGHỆ TP HCM

Cán bộ hư ớ ng dẫ n khoa họ c : TS Nguyễ n Hoài Hư ơ ng

Cán bộ chấ m nhậ n xét 1 :

Cán bộ chấ m nhậ n xét 2 :

Luậ n văn thạ c sĩ đư ợ c bả o vệ tạ i Trư ờ ng Đạ i họ c Kỹ thuậ t Công nghệ TP HCM ngày tháng năm 2012 Thành phầ n Hộ i đồ ng đánh giá luậ n văn thạ c sĩ gồ m: (Ghi rõ họ , tên, họ c hàm, họ c vị củ a Hộ i đồ ng chấ m bả o vệ luậ n văn thạ c sĩ ) 1

2

3

4

5

6

Xác nhậ n củ a Chủ tị ch Hộ i đồ ng đánh giá LV và Khoa quả n lý chuyên ngành sau khi luậ n văn đã đư ợ c sử a chữ a (nế u có)

Chủ tị ch Hộ i đồ ng đánh giá LV Khoa Quả n lý chuyên ngành

NHIỆ M VỤ LUẬ N VĂN THẠ C SĨ

Họ tên họ c viên: Nguyễ n Thị Hoàng Oanh Giớ i tính: Nữ

Ngày, tháng, năm sinh: 13 – 12 – 1984 Nơ i sinh: Tp.HCM

Chuyên ngành: Công nghệ Môi trư ờ ng MSHV: 0981081022

I- TÊN ĐỀ TÀI:

Khả o sát khả năng kế t hợ p nấ m phân hủ y tannin và cellulose vớ i chế phẩ m enzyme Enchoice để tăng cư ờ ng sinh họ c trong quá trình ủ compost từ mụ n dừ a

II- NHIỆ M VỤ VÀ NỘ I DUNG:

- Khả o sát khả năng phân hủ y cellulose trong mụ n dừ a củ a nấ m SD4, C1

- Khả o sát khả năng phân hủ y tannin trong mụ n dừ a củ a nấ m TN1, TN2

- Khả o sát khả năng kế t hợ p nấ m phân hủ y tannin và cellulose vớ i chế phẩ m enzyme Enchoice

- Khả o sát điề u kiệ n độ ẩ m tố i tư u khi ủ thự c nghiệ m

- Ủ mô hình phân compost từ mụ n dừ a

III- NGÀY GIAO NHIỆ M VỤ : 20/12/2010

- (Ngày bắ t đầ u thự c hiệ n LV ghi trong QĐ giao đề tài)

IV- NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆ M VỤ : 15/03/2012

V- CÁN BỘ HƯ Ớ NG DẪ N: TS.NGUYỄ N HOÀI HƯ Ơ NG

Trư ớ c hế t, tôi xin bày tỏ lòng biế t ơ n sâu sắ c đế n TS Nguyễ n Hoài Hư ơ ng đã

tậ n tình hư ớ ng dẫ n tôi thự c hiệ n nghiên cứ u củ a mình

Xin cùng bày tỏ lòng biế t ơ n chân thành tớ i các thầ y cô giáo, ngư ờ i đã đem lạ i cho tôi nhữ ng kiế n thứ c bổ trợ , vô cùng có ích trong nhữ ng năm họ c vừ a qua

Cũ ng xin gử i lờ i cám ơ n chân thành tớ i các thầ y cô Ban Giám hiệ u, Phòng Đào

tạ o sau đạ i họ c, Phòng thì nghiệ m khoa Môi trư ờ ng và Sinh họ c, Phòng thì nghiệ m khoa Công nghệ thự c phẩ m đã tạ o điề u kiệ n cho tôi trong quá trình họ c tậ p và làm việ c

Cuố i cùng tôi xin gử i lờ i cám ơ n đế n gia đình, bạ n bè, mộ t số sinh viên khoa Công nghệ Sinh họ c khóa 07 và 08, nhữ ng ngư ờ i đã luôn bên tôi, độ ng viên, hỗ trợ và khuyế n khích tôi trong quá trình thự c hiệ n đề tài nghiên cứ u củ a mình

Tôi xin cam đoan mọ i sự giúp đỡ trong Luậ n văn này đề u đư ợ c cám ơ n và các thông tin trích dẫ n trong luậ n văn đề u đư ợ c ghi rõ nguồ n gố c

Họ c viên thự c hiệ n Luậ n văn

Nguyễ n Thị Hoàng Oanh

H U

TÓM TẮ T LUẬ N VĂN

Việ t Nam sả n xuấ t 680 triệ u trái dừ a/năm cho sả n phẩ m phụ là 40,8 ngàn tấ n chỉ

xơ dừ a và chấ t thả i là 95,2 ngàn tấ n mụ n dừ a, gây ô nhiễ m môi trư ờ ng trầ m trọ ng do

mụ n dừ a chứ a hàm lư ợ ng lignin (tố i đa 55%), cellulose (tố i đa 40%) và tannin cao (tố i

đa 12%) Tậ n dụ ng mụ n dừ a làm giá thể trồ ng trọ t như đấ t sạ ch, phân bón đòi hỏ i phả i tiề n xử lý mụ n dừ a bằ ng rử a nư ớ c và/hoặ c dung dị ch kiề m cũ ng gây ô nhiễ m môi trư ờ ng đấ t và nư ớ c do tannin bị rử a trôi Áp dụ ng tăng cư ờ ng sinh họ c ủ compost mụ n

dừ a đã đư ợ c nghiên cứ u triể n khai ở Ấ n Độ đạ t nhiề u kế t quả hứ a hẹ n Để thích ứ ng điề u kiệ n Việ t Nam, hỗ n hợ p vi sinh vậ t có khả năng tiế t enzyme tannanse và cellulase

đư ợ c sử dụ ng ủ compost mụ n dừ a, kế t hợ p vớ i chế vớ i phẩ m enzyme thư ơ ng mạ i Enchoice Kế t quả cho thấ y vớ i mậ t độ VSV 107 bào tử /g, bổ sung 0,05% Enchoice và 0,5% NPK, compost thu đư ợ c sau 21 ngày ủ có tỉ lệ giả m khố i lư ợ ng là 46%, tỉ lệ giả m tannin là 82%, tỉ số C/N còn lạ i 22:1 so vớ i 51:1 lúc khở i điể m

H U

i

DANH MỤ C BẢ NG

Bả ng 1.1 Tổ ng sả n lư ợ ng dừ a, chỉ xơ dừ a và mụ n dừ a củ a 50% vỏ trái 5

Bả ng 1.2 Các quố c gia trồ ng dừ a và sả n xuấ t chỉ xơ dừ a ở châu Á Thái Bình Dư ơ ng 5 Bả ng 1.3 Thành phầ n hóa họ c củ a mụ n dừ a 6

Bả ng 1.4 Thành phầ n khoáng trong mụ n dừ a 7

Bả ng 1.5 Độ hòa tan củ a mụ n dừ a 8

Bả ng 1.6 Tính chấ t vậ t lý củ a mụ n dừ a 10

Bả ng 1.7 Các enzyme tham gia vào quá trình phân hủ y lignin và các phả n ứ ng chủ yế u 18

Bả ng 1.8 Các enzyme hemicellulase 24

Bả ng 1.9 Các vi sinh vậ t phân hủ y cellulose 29

Bả ng 1.10 Chủ ng vi sinh vậ t có khả năng phân giả i enzyme tannase 35

Bả ng 1.11 Tỷ lệ C/N củ a các chấ t thả i 42

Bả ng 1.12 Các chỉ tiêu chấ t lư ợ ng củ a compost 46

Bả ng 1.13 Giá trị dinh dư ỡ ng củ a mụ n dừ a trư ớ c và sau khi ủ compost 52

Bả ng 1.14 Các nghiên cứ u tăng cư ờ ng sinh họ c ủ compost mụ n dừ a 54

Bả ng 2.1 Tóm tắ t các hoạ t tính enzyme xác đị nh cho chế phẩ m Enchoice 62

Bả ng 2.2 Bố trí thí nghiệ m khả o sát hoạ t tính tannase củ a N1, N2 và N1/N2 trên môi trư ờ ng mụ n dừ a 63

Bả ng 2.3 Thí nghiệ m đánh giá khả năng áp dụ ng nấ m phân hủ y tannin N1 và N2 và EC trong ủ compost 65

Bả ng 2.4 Thí nghiệ m xác đị nh độ ẩ m thích hợ p cho khố i ủ compost có bổ sung vi nấ m 65

Bả ng 2.5 Thí nghiệ m đánh giá khả năng áp dụ ng nấ m phân hủ y tannin N1 và N2 và nấ m phân hủ y cellulose C1 và SD4 trong ủ compost phòng thí nghiệ m 66

Bả ng 2.6 Thí nghiệ m ủ đánh giá chấ t lư ợ ng 67

Bả ng 3.1 Tóm tắ t kế t quả phân tích hoạ t tính enzyme trong chế phẩ m Enchoice 74

Bả ng 3.2 Độ giả m khố i lư ợ ng củ a khố i ủ mụ n dừ a bổ sung N1, N2 và EC 78

Bả ng 3.3 Độ giả m khố i lư ợ ng khi thay đổ i độ ẩ m khố i ủ 81

H U

iii

DANH MỤ C HÌNH Ả NH

Hình 1.1 Sả n phẩ m từ trái dừ a 4

Hình 1.2 Mộ t số sả n phẩ m từ mụ n dừ a 11

Hình 1.3 Quy trình sả n xuấ t cocopeat 12

Hình 1.4 Cấ u trúc phụ phế phẩ m giàu xơ 14

Hình 1.5 Sự phân hủ y phụ phế phẩ m lignocellulos trong tự nhiên cung cấ p đư ờ ng cho các vi sinh vậ t khác 15

Hình 1.6: Các đơ n vị cơ bả n củ a lignin 16

Hình 1.7: Cấ u trúc lignin trong gỗ mề m vớ i các nhóm chứ c chính 17

Hình 1.8 Sơ đồ đơ n giả n hóa phả n ứ ng phân hủ y lignin nhờ enzyme LiP và glyoxal oxidase 20

Hình 1.9 Các nấ m phân hủ y lignin tiề m năng 21

Hình 1.10 Cấ u trúc acid humic 22

Hình 1.11 Cấ u trúc chung củ a hemicellulose 23

Hình 1.12 Cơ chế xúc tác củ a các enzyme thủ y phân hemicellulose 25

Hình 1.13 Hai mô hình cấ u trúc sợ i cellulose 26

Hình 1.14 Các enzyme củ a phứ c hợ p cellulose 28

Hình 1.15 Nấ m Trichoderma phân hủ y cellulose 30

Hình 1.16 Mộ t số vi khuẩ n phân giả i cellulose 31

Hình 1.17 Các cấ u trúc chính củ a tannin 33

Hình 1.18 Cơ chế hoạ t độ ng củ a tannase 34

Hình 1.19 Quá trình ủ compost 37

Hình 1.20 Thay đổ i nhiệ t độ và pH trong quá trình ủ compost 40

Hình 1.21 Ủ phân compost mụ n dừ a ở Ấ n Độ 51

Hình 2.1 Bố trí thí nghiệ m 59

Hình 2.2 Nuôi cấ y vi nấ m bằ ng phư ơ ng pháp phòng ẩ m 60

Hình 2.3 Phát hiệ n nhanh enzyme ngoạ i bào 61

Hình 3.1 Nấ m N1 phân lậ p dự a trên khả năng thủ y phân tannin 69

Hình 3.2 Nấ m N2 phân lậ p dự a trên khả năng thủ y phân tannin 70

H U

Hình 3.3 Phát hiệ n enzyme tannase thủ y phân acid tannic trên đĩ a thạ ch bằ ng dung

dị ch FeCl3/H2SO4 71

Hình 3.4 Nấ m phân hủ y cellulose 72

Hình 3.5 Khả o sát khả năng phân hủ y cellulose trên thạ ch CMC 73

Hình 3.6 Hoạ t tính tannase củ a N1, N2 trên môi trư ờ ng mụ n dừ a 75

Hình 3.7 Hoạ t tính enzyme cellulase trích ly trong mụ n dừ a ủ vớ i C1 hoặ c SD4, bổ sung urea 0.5% 77

Hình 3.8 So sánh độ giả m khố i lư ợ ng củ a các mẫ u ủ tăng cư ờ ng EC, N1 và N2 sau 15 ngày 80

Hình 3.9 Đồ thị biể u diễ n độ giả m khố i lư ợ ng mụ n dừ a sau 15 ngày ủ ở các độ ẩ m khác nhau khi có cấ y nấ m 82

Hình 3.10 So sánh ả nh hư ở ng củ a tác tác nhân tăng cư ờ ng sinh họ c (vi nấ m) lên độ giả m khố i lư ợ ng khố i ủ sau 15 ngày và tannin sau 30 ngày 85

Hình 3.11 Độ giả m khố i lư ợ ng compost sau 10, 21, 30 ngày ủ 86

Hình 3.12 Tỉ lệ giả m tannin trong compost sau 10, 21, 30 ngày ủ 86

Hình 3.13 Hàm lư ợ ng cellulose còn lạ i sau 10, 21 ngày ủ 87

H U

MỤ C LỤ C

MỞ ĐẦ U 1

1 Mụ c tiêu đề tài 1

2 Đố i tư ợ ng nghiên cứ u 1

3 Phạ m vi nghiên cứ u 2

4 Phư ơ ng pháp nghiên cứ u 2

4.1 Phư ơ ng pháp luậ n 2

4.2 Phư ơ ng pháp thự c tiễ n 3

CHƯ Ơ NG I TỔ NG QUAN TÀI LIỆ U 4

1.1 Thự c trạ ng mụ n dừ a 4

1.1.1 Tình hình sả n xuấ t phát sinh mụ n dừ a 4

1.1.2 Thành phầ n hoá họ c củ a mụ n dừ a 6

1.1.2.1 Thành phầ n hóa họ c cơ bả n 6

1.1.2.2 Thành phầ n chấ t hữ u cơ hòa tan trong mụ n dừ a 8

1.1.3 Tính chấ t vậ t lý củ a mụ n dừ a 9

1.1.4 Ứ ng dụ ng củ a mụ n dừ a 10

1.1.5 Nhữ ng vấ n đề môi trư ờ ng liên quan đế n tồ n trữ và xử lý mụ n dừ a 12

1.2 Quá trình phân hủ y phụ phế phẩ m giàu xơ 14

1.2.1 Tổ ng quát về phụ phế phẩ m nông nghiệ p giàu xơ và quá trình phân giả i trong tự nhiên 14

1.2.2 Lignin và quá trình phân giả i lignin 15

1.2.2.1 Lignin 15

1.2.2.2 Enzyme phân giả i lignin 18

1.2.2.3 Vi sinh vậ t phân giả i lignin 21

1.2.2.4 Tác dụ ng củ a quá trình thủ y phân lignin đố i vớ i đấ t 22

1.2.3 Hemicellulose và quá trình phân giả i hemicellulose 22

1.2.3.1 Hemicellulose 22

1.2.3.2 Qúa trình phân giả i hemicellulose 24

1.2.4 Cellulose và quá trình phân giả i cellulose 25

H U

1.2.4 1 Cellulose 25

1.2.4.2 Enzyme phân giả i cellulose – enzyme cellulase 27

1.2.4.3 Vi sinh vậ t phân giả i cellulose 29

1.2.5 Tannin và quá trình phân giả i tannin 31

1.2.5.1 Tannin 32

1.2.5.2 Enzyme phân giả i tanin – enzyme tannase 33

1.2.5.3 Vi sinh vậ t phân giả i tannin 35

1.3 Tổ ng quan về compost 36

1.3.1 Đị nh nghĩ a compost 36

1.3.2 Nhữ ng lợ i ích và hạ n chế củ a quá trình ủ compost 37

1.3.2.1 Lợ i ích củ a quá trình ủ compost 37

1.3.2.2 Hạ n chế củ a quá trình làm compost 38

1.3.3 Khoa họ c ủ compost 38

1.3.3.1 Cơ chấ t củ a quá trình củ compost 38

1.3.3.2 Vi sinh vậ t và quá trình sinh họ c chuyể n hóa compost 39

1.3.3.3 Diễ n biế n quá trình ủ compost 39

1.3.3.4 Các yế u tố ả nh hư ở ng lên quá trình sả n xuấ t compost 40

1.3.3.5 Chấ t lư ợ ng compost 46

1.3.3.6 Các phư ơ ng pháp tăng tố c độ ủ và cả i thiệ n chấ t lư ợ ng compost 47

1.4 Nghiên cứ u ứ ng dụ ng tăng cư ờ ng sinh họ c đã đư ợ c áp dụ ng đố i vớ i mụ n dừ a 50

1.5 Lý do nghiên cứ u và điể m mớ i củ a đề tài 56

CHƯ Ơ NG II VẬ T LIỆ U VÀ PHƯ Ơ NG PHÁP NGHIÊN CỨ U 57

2.1 VẬ T LIỆ U 57

2.2 PHƯ Ơ NG PHÁP 58

2.2.1 Mụ c đích 58

2.2.2 Phư ơ ng pháp luậ n 58

2.2.3 Mụ c tiêu 58

2.2.4 Nộ i dung và bố trí thí nghiệ m 59

2.2.4.1 Khả o sát hình thái khuẩ n lạ c, tế bào, đị nh tính enzyme tannase và cellulase củ a các chủ ng nấ m N1, N2, C1 và SD4 trên cơ chấ t phòng thí nghiệ m 59

2.2.4.2 Khả o sát hoạ t tính enzyme củ a chế phẩ m thư ơ ng mạ i Enchoice 62

H U

2.2.4.3 Khả o sát hoạ t tính tannase N1, N2 trên cơ chấ t mụ n dừ a 63

2.2.4.4 Khả o sát hoạ t tính cellulase củ a C1, SD4 trên cơ chấ t mụ n dừ a 63

2.2.4.5 Đánh giá khả năng áp dụ ng nấ m phân hủ y tannin N1 và N2 và EC trong ủ compost 64

2.2.4.6 Xác đị nh độ ẩ m thích hợ p cho khố i ủ compost có bổ sung vi nấ m 65

2.2.4.7 Đánh giá khả năng áp dụ ng nấ m phân hủ y tannin N1 và N2 và nấ m phân hủ y cellulose C1 và SD4 trong ủ compost phòng thí nghiệ m 66

2.2.4.8 Đánh giá chấ t lư ợ ng phân compost ủ thí nghiệ m 66

2.2.5 Phư ơ ng pháp xử lý số liệ u 67

CHƯ Ơ NG III KẾ T QUẢ VÀ THẢ O LUẬ N 68

3.1 Khả o sát hình thái khuẩ n lạ c, tế bào, khả năng tiế t enzyme tannase và cellulase củ a các chủ ng nấ m N1, N2, C1 và SD4 trên cơ chấ t 68

3.1.1 Nấ m phân hủ y tannin N1 và N2 68

3.1.2 Khả o sát hình thái và khả năng tiế t enzyme cellulase củ a C1 và SD4 71

3.2 Khả o sát hoạ t tính enzyme củ a chế phẩ m thư ơ ng mạ i Enchoice 74

3.3 Khả o sát hoạ t tính phân hủ y tannin (tannase) củ a N1, N2 trên cơ chấ t mụ n dừ a.74 3.4 Khả o sát hoạ t tính phân hủ y cellulose (cellulase) củ a C1, SD4 trên cơ chấ t mụ n dừ a 77

3.5 Đánh giá khả năng áp dụ ng nấ m phân hủ y tannin N1 và N2 và EC trong ủ compost 78

3.6 Xác đị nh độ ẩ m thích hợ p cho khố i ủ compost có bổ sung vi nấ m 81

3.7 Đánh giá khả năng áp dụ ng nấ m phân hủ y tannin N1 và N2 và nấ m phân hủ y cellulose C1 và SD4 trong ủ compost phòng thí nghiệ m 82

3 8 Đánh giá chấ t lư ợ ng phân compost ủ thí nghiệ m 85

KẾ T LUẬ N VÀ KIẾ N NGHỊ 89

1 KẾ T LUẬ N 89

2 KIẾ N NGHỊ 89

TÀI LIỆ U THAM KHẢ O 91

PHỤ LỤ C 99

Trên thế giớ i và Việ t Nam, compost đư ợ c sả n xuấ t vớ i công nghệ ổ n đị nh, sử

dụ ng nhiề u phư ơ ng pháp khác nhau Mộ t trong nhữ ng điể m khác biệ t giữ a các phư ơ ng pháp ủ compost là việ c áp dụ ng thêm biệ n pháp tăng cư ờ ng sinh họ c, là sử

dụ ng thêm các chế phẩ m sinh họ c chứ a mộ t lư ợ ng vi sinh chuyên biệ t vào khố i ủ nhằ m tăng tố c và đẩ y nhanh hiệ u quả phân hủ y sinh họ c, đem lạ i lợ i ích về mặ t kinh

tế và chấ t lư ợ ng sả n phẩ m

Vớ i thờ i gian trư ớ c, ngư ờ i ta thư ờ ng phân lậ p mộ t chủ ng thuầ n khiế t để sả n xuấ t enzyme hay xử lý phụ phế phẩ m Tuy nhiên, hiệ n nay xuấ t hiệ n xu hư ớ ng kế t hợ p các chủ ng mô phỏ ng hệ sinh thái vi sinh vậ t trong tự nhiên trong các chế phẩ m nhằ m đạ t hiệ u quả cao hơ n trong việ c ủ phân compost, đem lạ i lợ i ích về chấ t lư ợ ng

sả n phẩ m và kinh tế Đó cũ ng chính là hư ớ ng nghiên cứ u củ a đề tài này, khả o sát khả năng kế t hợ p nấ m phân hủ y tannin và cellulose vớ i chế phẩ m enzyme Enchoice

có khả năng tạ o thêm mộ t chế phẩ m khác có ý nghĩ a về mặ t môi trư ờ ng và lợ i ích cho ngư ờ i nông dân

1 Mụ c tiêu đề tài

- Khả o sát hình thái khuẩ n lạ c, tế bào, hoạ t tính enzyme tannase và cellulase

củ a các chủ ng nấ m có khả năng phân hủ y tannin và cellulose trên cơ chấ t phòng thí nghiệ m

- Khả o sát hoạ t tính enzyme củ a chế phẩ m thư ơ ng mạ i Enchoice

- Khả o sát hoạ t tính phân hủ y tannin (tannase) và củ a các chủ ng nấ m có khả năng phân hủ y tannin trên cơ chấ t mụ n dừ a

- Khả o sát hoạ t tính phân hủ y cellulose (cellulase) củ a các chủ ng nấ m có khả năng phân hủ y cellulose trên cơ chấ t mụ n dừ a

- Đánh giá khả năng áp dụ ng các nấ m phân hủ y tannin và EC trong ủ compost

- Xác đị nh độ ẩ m thích hợ p cho khố i ủ compost có bổ sung vi nấ m

- Đánh giá khả năng áp dụ ng nấ m phân hủ y tannin và nấ m phân hủ y cellulose trong ủ compost phòng thí nghiệ m

- Đánh giá chấ t lư ợ ng phân compost ủ thí nghiệ m

2 Đố i tư ợ ng nghiên cứ u

- Các chủ ng nấ m phân hủ y tannin (N1,N2)

Ý nghĩa khoa họ c: Là mộ t trong số nhữ ng đề tài nghiên cứ u hạ n chế - cả i thiệ n

tình hình ô nhiễ m môi trư ờ ng từ nguồ n phế phẩ m mụ n dừ a, đánh giá khả năng

kế t hợ p củ a các chủ ng nấ m phân hủ y tannin và cellulose và chế phẩ m thư ơ ng

mạ i

Ý nghĩa thự c tiễ n: ứ ng dụ ng công nghệ sinh họ c vào đờ i số ng sả n xuấ t, nhằ m

giả i quyế t tình trạ ng ô nhiễ m do việ c xả thả i mụ n dừ a tư ơ i hay tránh việ c xử lý các loạ i nư ớ c thả i từ các hoạ t độ ng sả n xuấ t, khai thác các sả n phẩ m từ mụ n

dừ a

4 Phư ơ ng pháp nghiên cứ u

4.1 Phư ơ ng pháp luậ n

Để ủ compost mụ n dừ a cầ n phả i có tăng cư ờ ng sinh họ c, các mụ c tiêu củ a tăng

cư ờ ng sinh họ c là tannin, chấ t ứ c chế hoạ t độ ng củ a phầ n đông vi sinh vậ t, tiế p theo là lignin, hemicelluloses và cellulose Các vi sinh vậ t đáp ứ ng các yêu cầ u trên

đư ợ c phân lậ p từ mụ n dừ a, thu sinh khố i bào tử bổ sung vào khố i ủ Bên cạ nh đó, nhiề u chế phẩ m enzyme đư ợ c đư a vào thị trư ờ ng hỗ trợ ủ compost Việ c kế t hợ p giữ a chế phẩ m vi sinh và enzyme cũng có thể là giả i pháp rút ngắ n thờ i gia n ủ compost mụ n dừ a Tuyể n chọ n nấ m phân hủ y phụ phẩ m lignocellulose dự a trên khả năng tiế t enzyme cellulase, vì cellulose bị lignin và hemicelluloses bao quanh và

cả n trở sự tiế p xúc củ a enzyme vớ i cơ chấ t Mộ t khi cellulose bị phân giả i, chứ ng tỏ lignin và hemicelluloses cũ ng bị phân giả i Hemicellulose dễ dàng bị phân hủ y nhấ t Sự phân hủ y lignocellulose có thể đư ợ c đánh giá qua chỉ tiêu độ giả m khố i

Theo số liệ u củ a chuyên gia APCC (Asia Pacific Coconut Community), dừ a

đư ợ c trồ ng trên 93 quố c gia trên thế giớ i vớ i diệ n tích 12,5 triệ u ha đư a về 61, 165

triệ u trái dừ a/năm (Arancon R, 2008)

Vỏ trái dừ a chiế m 35% khố i lự ơ ng trái Chỉ xơ dừ a chiế m 30% và mụ n dừ a chiế m 70% khố i lư ợ ng khô Tỉ lệ sợ i theo chiề u dài ư ớ c khoả ng dài: trung bình: ngắ n là 60: 30: 10 Tổ ng sả n lư ợ ng chỉ xơ dừ a tòan thế giớ i đạ t khoả ng 5-6 triệ u

tấ n/ năm Ngành sả n xuấ t chỉ xơ dừ a phát triể n không ngừ ng, lan sang cả Việ t Nam

Mụ n dừ a (Coir pith, cocopeat, coir dust) là sả n phẩ m phụ củ a ngành sả n xuấ t chỉ

xơ dừ a, gồ m nhữ ng chỉ sợ i ngắ n (<2 mm chiề u dài) và nhữ ng hạ t kích thư ớ c nhỏ thu đư ợ c trong quá trình tách sợ i khỏ i vỏ trái dừ a (Hình 1.1)

Hình 1.1 Sả n phẩ m từ trái dừ a, a) Sả n phẩ m từ trái dừ a, b) Chỉ xơ dừ a, c) Mụ n

dừ a

(Fiber)

Mụ n dừ a (Coir pith) Triệ u tấ n

(Ngàn tấ n)

Sơ dừ a (Ngàn tấ n)

Mụ n dừ a thuộ c loạ i phụ phế phẩ m giàu xơ Các nghiên cứ u về thành phầ n hóa

họ c củ a mụ n dừ a đư ợ c trình bày trên bả ng 1.6 củ a nhiề u tác giả khác nhau

H U

7 TOM (total

Hàm lư ợ ng lignocellulose cao nên tính chấ t vậ t lý củ a mụ n dừ a là rấ t bề n dư ớ i

nư ớ c Tạ i các cơ sở chế biế n vỏ trái dừ a, các đố ng phụ phẩ m mụ n dừ a có thể tồ n tạ i

đế n hàng trăm năm (Meerow, 1994; Evans et al., 1996) Lignin và cellulose là các biopolymer chứ a nhiề u phenolic hydroxyl, carboxylic, amino, sulphate groups, do

đó dễ dàng tư ơ ng tác vớ i các kim loạ i nặ ng hoặ c các chấ t gây ô nhiễ m khác trong

nư ớ c thả i (Tan et al., 1993; Veglio và Beolchini, 1997; Gballah et al., 1997)

Ngoài ra, mụ n dừ a là phụ phẩ m rấ t nghèo protein, N tổ ng đư ợ c công bố là 0,3 %

(Joachim, A.W.R., 1930) hay protein là 2,04% (Sjostrom, 1993) Thành phầ n

khoáng đa vi lư ợ ng trong mụ n dừ a đư ợ c coi là phong phú, đặ c biệ t hàm lư ợ ng K và

P cao Ngoài ra trong mụ n dừ a còn chứ a rấ t nhiề u khoáng vi lư ợ ng (bả ng 1.4)

Bả ng 1.4 Thành phầ n khoáng trong mụ n dừ a (Aniekemeabasi Israela, 2010)

Khoáng chấ t µg khoáng chấ t/g mụ n dừ a

Nghiên cứ u hiệ n nay

µg khoáng chấ t/g mụ n dừ a Giá trị tham khả o (Conrad và Hasen, 2007)

pH = 7.0, Nhiệ t độ = 29.6oC, liề u lư ợ ng 0.5 g ND = không tìm ra

Kích thư ớ c hạ t = 50 µ m Màu sắ c củ a mụ n dừ a = nâu đế n nâu nhạ t

1.1.2.2 Thành phầ n chấ t hữ u cơ hòa tan trong mụ n dừ a

Hàm lư ợ ng chấ t tan trong môi trư ờ ng acid yế u (HCl) cao hơ n trong môi trư ờ ng

nư ớ c thừ ơ ng, vì trong điề u kiệ n acid các nhóm chứ c như hydroxyl bị thủ y phân (Pansera et al., 2004) Trong môi trư ờ ng kiề m các hợ p chấ t sáp (waxes) và nhự a hòa tan, liên kế t giữ a lignin, cellulose bị phá hủ y mộ t phầ n (Nada et al., 2002) Tỉ lệ chấ t tan tăng khi hàm lư ợ ng kiề m tăng Độ hòa tan còn phụ thuộ c vào kích thư ớ c

hạ t/sợ i, tỉ lệ dung môi/mụ n dừ a

Bả ng 1.5 Độ hòa tan củ a mụ n dừ a

STT Dung môi/ điề u kiệ n Độ hòa tan (% CK)

1 Nư ớ c nhiệ t độ thư ờ ng 25

Tannin là mộ t hợ p chấ t polyphenol hòa tan chiế t từ phụ phế phẩ m giàu xơ chứ a nhiề u nhóm hydroxyl Tannin cũ ng là mộ t hợ p chấ t đư ợ c chiế t nhiề u từ vỏ cây, cành, lá và các bộ phậ n khác củ a cây, đư ợ c sử dụ ng trong công nghệ thự c phẩ m (làm rư ợ u vang), thuố c, chấ t kế t dính trong sả n xuấ t tấ m vậ t liệ u từ hạ t rờ i, và công nghệ thuộ c da

Mụ n dừ a chứ a hàm lư ợ ng lignin và tannin cao (đạ t tớ i 55% và 12% tư ơ ng ứ ng)

Dư ớ i điề u kiệ n áp suấ t và nhiệ t độ cao, các chấ t này sẽ mề m ra và có đặ c tính như chấ t kế t nố i nhự a dẻ o (thermoplastic binding materials (Banzon và Velasco 1982) Tannin đư ợ c chiế t từ mụ n dừ a, cô đặ c và sấ y phun Phân tích tannin trong chấ t chiế t bằ ng phư ơ ng pháp sử dụ ng trong ngành thuộ c da (hide powder method) cho thấ y chấ t chiế t chứ a 28,47% tannin và 50,72% chấ t khác tannin Tỉ lệ tannin: non-

tannin là 0,5 so vớ i tỉ lệ này là 2,6 từ vỏ cây mimosa (Acaria decurrens), mộ t chấ t

chiế t tannin thư ơ ng mạ i Các nghiên cứ u chuyên môn cũ ng cho thấ y chấ t lư ợ ng da

bò và dê thuộ c từ tannin mụ n dừ a thấ p hơ n so vớ i tannin từ vỏ cây mimosa (Tamolang 1976)

1.1.3 Tính chấ t vậ t lý củ a mụ n dừ a

Bả ng 1.6 thể hiệ n các tính chấ t vậ t lý củ a mụ n dừ a

Mụ n dừ a có pH từ acid yế u đế n trung tính, đặ c biệ t có khả năng giữ nư ớ c cao do giàu các hợ p chấ t lignocelluloses có thể liên kế t hydro vớ i nư ớ c, độ xố p (thoáng khí cao), độ dẫ n điệ n từ 0,8-2,5 dS/m khá cao do hàm lư ợ ng muố i cao, khả năng trao

đổ i ion

4 Độ xố p (total pososity) % 79,8-81,7%

94-96%

6 Khả năng trao đổ i ion

(Cation exchange capacity)

2.39 mmol/g 60-130meg/100 mg

1.1.4 Ứ ng dụ ng củ a mụ n dừ a

Vậ t liệ u xây dự ng

- Thanh, tấ m

- Vậ t liệ u sàn, trầ n, mái, tư ờ ng

- Vậ t liệ u cách âm, cách nhiệ t

- Vậ t liệ u bề n trong nư ớ c

rpeat.htm

Compost mụ n dừ a http://www.indiamart.com/cocoexporters-traders/coconut-coir-products.html

Hình 1.2 Mộ t số sả n phẩ m từ mụ n dừ a

Ư u điể m:

- Sả n phẩ m 100% nguồ n gố c thiên nhiên, có khả năng phân hủ y sinh họ c

- Sả n phẩ m thân thiệ n môi trư ờ ng, nguồ n tái tạ o đư ợ c

- Có thể thay thế than bùn (peat moss) làm giá thể

- Có thể làm giá trồ ng trọ t nhiề u loạ i cây, hoa do độ thoáng khí tố t, khả năng

- Độ dẫ n điệ n cao (hàm lư ợ ng muố i cao) phả i rử a bớ t

- Tannin mụ n dừ a chấ t lư ợ ng không cao, không dùng trong công nghệ thuộ c

da đư ợ c

- Hàm lư ợ ng lignocelluloses cao, khó phân hủ y sinh họ c

- Giá thể lên men thể rắ n (María C Orzuaa et al.,(2009))

- Giá thể cho nấ m Trichoderma spp làm tác nhân kiể m soát sinh họ c

1.1.5 Nhữ ng vấ n đề môi trư ờ ng liên quan đế n tồ n trữ và xử lý mụ n dừ a

Như đã nói ở trên, mụ n dừ a có hàm lư ợ ng tannin từ 2,5-6,5% (Cooke, 1949), 12% (Vinodhini, S.et al., 2006) và hàm lư ợ ng muố i khá cao (độ dẫ n điệ n cao) nên không thể sử dụ ng trự c tiế p làm giá thể trồ ng trọ t Muố n sử dụ ng đư ợ c ngư ờ i ta cầ n phả i xử lý mụ n dừ a Công nghệ thư ờ ng dùng nhấ t là rử a mụ n dừ a vớ i nư ớ c, cho đế n khi đạ t pH và độ dẫ n điệ n thích hợ p (trung tính và <0,5 dS/m tư ơ ng ứ ng)

8-Tồ n trữ mụ n dừ a dư ớ i trờ i mư a sẽ rử a trôi tannin, ngấ m xuố ng đấ t, ứ c chế vi sinh vậ t đấ t

Công nghệ xử lý mụ n dừ a củ a Ấ n Độ

bớ t muố i và tannin đế n khi pH và EC đạ t tiêu chuẩ n, nư ớ c theo độ dố c trên sàn thoát ra ngoài C) Phơ i: chuyể n sang sân phơ i dư ớ i ánh sáng mặ t trờ i

D) Sàng: theo kích thư ớ c thích hợ p, tư ơ ng

ứ ng khả năng giữ nư ớ c

E) Nén: tạ o thành block có kích thư ớ c xác

đị nh

(http://www.royalmultitek.com/en/production.html)

Hình 1.3 Quy trình sả n xuấ t cocopeat

Công nghệ Việ t Nam

- Xử lý mụ n dừ a bằ ng nư ớ c vôi xử lý lignin và tannin (Huỳ nh Thị Lạ c, 2006)

Xứ lý nứ ơ c thả i rử a mụ n dừ a

- Xử lý nứ ơ c thả i từ sả n xuấ t chỉ dừ a bằ ng phư ơ ng pháp kị khí sử dụ ng UASB

VSV trong bùn thả i chị u đư ợ c mứ c Phenol 500-700 mg/l (Neena C et al., 2007) Công nghệ chư a đư ợ c triể n khai ở Việ t Nam

H U

14

1.2 Quá trình phân hủ y phụ phế phẩ m giàu xơ

1.2.1 Tổ ng quát về phụ phế phẩ m nông nghiệ p giàu xơ và quá trình phân giả i trong tự nhiên

Các phụ phẩ m giàu xơ là nguyên liệ u hữ u cơ , cấ u trúc chính củ a chúng bao gồ m cellulose, lignin và hemicellulose Ngoài ra, còn có số lư ợ ng nhỏ các thành phầ n khác như tro, protein và pectin

Cellulose và hemicellulose là các đạ i phân tử cấ u tạ o từ các gố c đư ờ ng khác nhau, trong khi lignin là mộ t polymer dạ ng vòng đư ợ c tổ ng hợ p từ tiề n phenylpropanoid Thành phầ n cấ u tạ o và phầ n trăm củ a các polymer này là khác nhau giữ a các loài

Hình 1.4 Cấ u trúc phụ phế phẩ m giàu xơ (Rubin, (2008))

- Vi sinh vậ t phân hủ y lignin

- Vi sinh vậ t phân hủ y hemicellulose và vi sinh vậ t phân hủ y cellulose

Hình 1.5 Sự phân hủ y phụ phế phẩ m lignocellulos trong tự nhiên cung cấ p đư ờ ng cho các vi sinh vậ t khác (Bayer EA et al.)

1.2.2 Lignin và quá trình phân giả i lignin

1.2.2.1 Lignin

Lignin là mộ t phứ c hợ p chấ t hóa họ c phổ biế n đư ợ c tìm thấ y trong hệ mạ ch thự c

vậ t, chủ yế u là giữ a các tế bào, trong thành tế bào thự c vậ t Lignin là mộ t trong các polymer hữ u cơ phổ biế n nhấ t trên trái đấ t Trong tự nhiên, lignin chủ yế u đóng vai trò chấ t liên kế t trong thành tế bào thự c vậ t, liên kế t chặ t chẽ vớ i mạ ng cellulose và

H U

16 hemicellulose để tạ o nên màng tế bào giúp thự c vậ t cứ ng chắ c và giòn, có chứ c năng vậ n chuyể n nư ớ c trong cơ thể thự c vậ t (mộ t phầ n là để làm bề n thành tế bào

và giữ cho cây không bị đổ , mộ t phầ n là điề u chỉ nh dòng chả y củ a nư ớ c), giúp cây phát triể n và chố ng lạ i sự tấ n công củ a côn trùng và mầ m bệ nh Thự c vậ t càng già,

lư ợ ng lignin tích tụ càng lớ n Lignin đóng vai trò quan trọ ng trong chu trình carbon, tích lũ y carbon khí quyể n trong mô củ a thự c vậ t thân gỗ lâu năm, là mộ t trong các thành phầ n bị phân hủ y lâu nhấ t củ a thự c vậ t sau khi chế t, để rồ i đóng góp mộ t phầ n lớ n chấ t mùn giúp tăng khả năng quang hợ p củ a thự c vậ t

Cấ u trúc:

- Lignin có cấ u trúc không gian 3 chiề u, phứ c tạ p, vô đị nh hình, chiế m 17%

đế n 33% thành phầ n củ a gỗ

- Lignin là mộ t polyphenol có cấ u trúc mở

- Lignin là polymer, đư ợ c cấ u thành từ các đơ n vị phenylpropene, vài đơ n vị

cấ u trúc điể n hình là: guaiacyl (G), coniferyl alcohol; syringyl (S), sinapyl alcohol; p-hydroxylphenyl (H), trans-p-courmary alcohol (Hình 1.6)

trans-Hình 1.6: Các đơ n vị cơ bả n củ a lignin

- Cấ u trúc củ a lignin đa dạ ng, tùy thuộ c vào loạ i gỗ , tuổ i củ a cây hoặ c cấ u trúc

củ a nó trong gỗ Ngoài việ c đư ợ c phân loạ i theo lignin củ a gỗ cứ ng, gỗ mề m và cỏ , lignin có thể đư ợ c phân thành hai loạ i chính: guaicyl lignin và guaicyl-syringyl lignin

- Gỗ mề m chứ a chủ yế u là guaiacyl, gỗ cứ ng chứ a chủ yế u syringyl Các nghiên cứ u đã chỉ ra rằ ng guaiacyl lignin hạ n chế sự trư ơ ng nở củ a xơ sợ i và vì vậ y loạ i nguyên liệ u đó sẽ khó bị tấ n công bở i enzyme hơ n syringyl lignin

H U

17

- Hoàn toàn không đồ ng nhấ t trong cấ u trúc Lignin dư ờ ng như bao gồ m vùng

vô đị nh hình và các vùng có cấ u trúc hình thuôn hoặ c hình cầ u Lignin trong tế bào thự c vậ t bậ c cao không có vùng vô đị nh hình Các vòng phenyl trong lignin củ a gỗ

mề m đư ợ c sắ p xế p trậ t tự trên mặ t phẳ ng thành tế bào

- Ngoài ra, cả cấ u trúc hóa họ c và cấ u trúc không gian củ a lignin đề u bị ả nh

hư ở ng bở i mạ ng polysaccharide Việ c mô hình hóa độ ng họ c phân tử cho thấ y rằ ng nhóm hydroxyl và nhóm methoxyl trong các oligomer tiề n lignin sẽ tư ơ ng tác vớ i vi

sợ i cellulose cho dù bả n chấ t củ a lignin là kỵ nư ớ c

Hình 1.7: Cấ u trúc lignin trong gỗ mề m vớ i các nhóm chứ c chính

Tính chấ t

- Các nhóm chứ c ả nh hư ở ng đế n hoạ t tính củ a lignin bao gồ m nhóm phenolic hydroxyl tự do, methoxyl, benzylic hydroxyl, ether củ a benzylic vớ i các rư ợ u mạ ch thẳ ng và nhóm carbonyl (Hình 1.7) Guaicyl lignin chứ a nhiề u nhóm phenolic hydroxyl hơ n syringyl

- Lignin tạ o liên kế t hóa họ c vớ i hemicellulose và ngay cả vớ i cellulose (như ng không nhiề u) Độ bề n hóa họ c củ a nhữ ng liên kế t này phụ thuộ c vào bả n chấ t liên kế t, cấ u trúc hóa họ c củ a lignin và các gố c đư ờ ng tham gia liên kế t

H U

18 Carbon alpha (Cα ) trong cấ u trúc phenyl propane là nơ i có khả năng tạ o liên kế t cao nhấ t vớ i khố i hemicellulose Ngư ợ c lạ i, các đư ờ ng nằ m ở mạ ch nhánh như arabinose, galactose, và acid 4-O-methylglucuronic là các nhóm thư ờ ng liên kế t vớ i lignin Các liên kế t có thể là ether, ester (liên kế t vớ i xylan qua acid 4-O-methyl-D-glucuronic), hay glycoside (phả n ứ ng giữ a nhóm khử củ a hemicellulose và nhóm

OH phenolic củ a lignin)

- Cấ u trúc hóa họ c củ a lignin rấ t dễ bị thay đổ i trong điề u kiệ n nhiệ t độ cao và

pH thấ p như điề u kiệ n trong quá trình tiề n xử lý bằ ng hơ i nư ớ c Ở nhiệ t độ phả n

ứ ng cao hơ n 200oC, lignin bị kế t khố i thành nhữ ng phầ n riêng biệ t và tách ra khỏ i cellulose Nhữ ng nghiên cứ u trư ớ c đây cho thấ y đố i vớ i gỗ cứ ng, nhóm ether β -O-4 aryl bị phá hủ y trong quá trình nổ hơ i Đồ ng thờ i, đố i vớ i gỗ mề m, quá trình nổ hơ i làm bấ t hoạ t các nhóm hoạ t độ ng củ a lignin ở vị trí α như nhóm hydroxyl hay ether, các nhóm này bị oxy hóa thành carbonyl hoặ c tạ o cation benzylic, cation này sẽ tiế p

tụ c tạ o liên kế t C-C

- Trong dinh dư ỡ ng độ ng vậ t, lignin rấ t đáng quan tâm vì nó không bị tiêu hóa

bở i enzyme củ a cơ thể vậ t chủ Lignin còn liên kế t vớ i nhiề u polysaccharide và protein màng tế bào ngăn trở quá trình tiêu hóa cellulose Gỗ , cỏ khô và rơ m rấ t giàu lignin nên tỷ lệ tiêu hóa thấ p trừ khi đư ợ c xử lý hóa họ c làm cho các liên kế t giữ a lignin vớ i các carbohydrate khác (cellulose, hemicelluloses) bị bẻ gãy

1.2.2.2 Enzyme phân giả i lignin

Để phân hủ y đư ợ c hợ p chấ t có cấ u tạ o hóa họ c phứ c tạ p như lignin, mộ t loạ t enzyme tham gia vào quá trình phân hủ y lignin (Bả ng 1.7)

Bả ng 1.7 Các enzyme tham gia vào quá trình phân hủ y lignin và các phả n ứ ng chủ

yế u

STT Enzyme Cofactor, cơ chấ t Phả n ứ ng cơ bả n

1 Lignin peroxidase (LiP) H2O2, veratryl

5 Aryl alcohol oxidase,

Oxy hóa rư ợ u thơ m thành aldehyde, sinh ra H2O2

Phân tử laccase thư ờ ng là monomeric protein, chỉ mộ t số là oligomeric protein, có khố i lư ợ ng phân tử dao độ ng trong khoả ng 60 – 90 kD Phầ n lớ n laccase củ a nấ m có bả n chấ t là glycoprotein vớ i hàm lư ợ ng carbonhydrate chiế m khoả ng 10 – 25%

b) Lignin peroxidase

Lignin peroxidase là mộ t glycoprotein có chứ a nhân heme, enzyme này xúc tác quá trình oxy hóa lignin và các hợ p chấ t có vòng giố ng lignin khi có mặ t H2O2trong môi trư ờ ng LiP có trọ ng lư ợ ng phân tử từ 36 – 48 kDa, pH tố i thích cho hoạ t độ ng trong khoả ng 2,5 – 3, điể m đẳ ng điệ n pI là 3,2 – 4 LiP có thể xúc tác các phả n ứ ng oxy hóa các hợ p chấ t phenol dẫ n đế n mở vòng do có thế oxy hóa khử

H U

20 cao Thế oxy hóa khử cao đư ợ c giả i thích do các hợ p chấ t chấ t trung gian đư ợ c tạ o

ra trong chu trình xúc tác củ a LiP là các hợ p chấ t LiPI và LiPII Đầ u tiên LiP bị oxy hóa thành LiPI nhờ H2O2, tiế p theo LiPI oxy hóa cơ chấ t (hợ p chấ t vòng thơ m)

và trở thành LiPII LiPII tiế p tụ c oxy hóa mộ t phân tử cơ chấ t khác và trở về dạ ng ban đầ u rồ i tiế p tụ c mộ t chu trình xúc tác khác

c) Mangan peroxidase

Mangan peroxidase cũ ng giố ng như LiP thuộ c nhóm enzyme xúc tác phả n

ứ ng vớ i sự có mặ t củ a H2O2 Enzyme này hoạ t độ ng như mộ t phenoloxydase bằ ng cách sử dụ ng Mn3+/Mn2+ làm cặ p oxy hóa khử trung gian, chúng tham gia phả n ứ ng oxy hóa phenol và các hợ p chấ t dẫ n xuấ t phenol bằ ng cách tấ n công trự c tiế p vào cấ u trúc vòng thơ m chuyể n hóa chúng thành nhữ ng gố c có trọ ng lư ợ ng phân tử thấ p theo con đư ờ ng oxy hóa khử mangan gián tiế p

a)

b)

Hình 1.8 Sơ đồ đơ n giả n hóa phả n ứ ng phân hủ y lignin nhờ enzyme

LiP và glyoxal oxidase (a), MnP và laccase (b) (Hatakka A.et al)