Nghiên cứu vi sinh vật để xử lý chất thải chăn nuôi dạng rắn

3.1 Môi trường không khí tại các trang trại chăn nuôi 60 3.2 Mật độ vi sinh vật gây bệnh và ký sinh trùng trong chất thải chăn 3.4 Khả năng phân giải chất hữu cơ của các chủng vi sinh vậ

1

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN

PHẠM BÍCH HIÊN

NGHIÊN CỨU VI SINH VẬT

ĐỂ XỬ LÝ CHẤT THẢI CHĂN NUÔI DẠNG RẮN

Chuyên ngành: VI SINH VẬT HỌC

Mã số: 62.42.40.01

TÓM TẮT LUẬN ÁN TIẾN SĨ SINH HỌC

Hà Nội - Năm 2012

2

Công trình được hoàn thành tại:

Trường Đại học Khoa học Tự nhiên- Đại học Quốc gia Hà Nội

Người hướng dẫn khoa học:

PGS.TS Phạm Văn Toản GS.TS Nguyễn Đình Quyến

vào hồi 9 giờ 00 ngày 26 tháng 4 năm 2012

Có thể tìm hiểu luận án tại:

- Thư viện Quốc gia Việt Nam

- Trung tâm Thông tin – Thư viện, Đại học Quốc gia Hà Nội

5

MỤC LỤC

Trang

Lời cam đoan

Lời cảm ơn

Danh mục các ký hiệu và chữ viết tắt

Danh mục các bảng

Danh mục các hình vẽ

Danh mục sơ đồ

Mục lục

MỞ ĐẦU 1

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN TÀI LIỆU 4

1.1 CHẤT THẢI CHĂN NUÔI VÀ BIỆN PHÁP XỬ LÝ 4

1.1.1 Chất thải chăn nuôi và nguy cơ ô nhiễm môi trường 4

1.1.2 Tình hình sử dụng chất thải chăn nuôi ở Việt Nam 7

1.1.3 Các biện pháp xử lý chất thải chăn nuôi 10

1.1.3.1 Phương pháp vật lý phân tách chất rắn - lỏng 10

1.1.3.2 Các phương pháp hoá học 10

1.1.3.3 Các phương pháp sinh học 11

1.2 VI SINH VẬT THAM GIA QUÁ TRÌNH XỬ LÝ CHẤT THẢI HỮU CƠ 17

1.2.1 Vi sinh vật phân giải xenluloza 17

1.2.1.1 Xenluloza 17

1.2.1.2 Enzym xenlulaza 18

1.2.1.3 Vi sinh vật tổng hợp xenlulaza 20

1.2.2 Vi sinh vật thủy phân tinh bột 22

1.2.2.1 Cấu trúc của tinh bột 22

6

1.2.2.2 Enzym thuỷ phân tinh bột 24

1.2.2.3 Vi sinh vật tổng hợp enzim thuỷ phân tinh bột 26

1.2.3 Vi sinh vật phân giải protein 27

1.2.3.1 Enzym proteaza 27

1.2.3.2 Vi sinh vật tổng hợp enzim phân giải protein 29

1.2.4 Vi khuẩn tổng hợp axit lactic và bacterioxin 31

1.2.4.1 Bacterioxin 32

1.2.4.2 Ứng dụng của vi khuẩn lactic 37

CHƯƠNG 2: VẬT LIỆU VÀ PHƯƠNG PHÁP 41

2.1 VẬT LIỆU 41

2.1.1 Các mẫu thu thập và chủng vi sinh vật 41

2.1.1.1 Mẫu thu thập 41

2.1.1.2 Vi sinh vật 41

2.1.2 Hóa chất 41

2.1.3 Các dung dịch và môi trường 42

2.1.3.1 Các dung dịch 42

2.1.3.2 Môi trường 43

2.1.4 Thiết bị, dụng cụ 44

2.2 PHƯƠNG PHÁP 44

2.2.1 Phương pháp phân loại vi sinh vật 44

2.2.1.1 Phân loại theo phương pháp truyền thống 44

2.2.1.2 Phân loại bằng kỹ thuật sinh học phân tử 45

2.2.2 Xác định hoạt tính sinh học của vi sinh vật 49

2.2.2.1 Xác định hoạt tính xenlulaza, amylaza, proteaza 49

2.2.2.2 Nghiên cứu đặc tính của proteaza 50

2.2.2.3 Định lượng đường khử theo Micro-Bertrand 50

2.2.2.4 Xác định khả năng tổng hợp axit lactic 51

2.2.2.5 Định lượng axit lactic theo Therner 51

2.2.2.6 Xác định khả năng kháng khuẩn trên môi trường thạch đĩa 52

7

2.2.2.7 Xác định khả năng kháng khuẩn trong môi trường dịch thể 52

2.2.2.8 Phát hiện bacterioxin 52

2.2.2.9 Điện di protein trên gel tricine- SDS- PAGE 53

2.2.2.10 Xác định khả năng kháng khuẩn trực tiếp trên gel acrylamit 53 2.2.3 Xác định hiện trạng chất thải chăn nuôi 54

2.2.3.1 Điều tra thực trạng chất thải chăn nuôi 54

2.2.3.2 Xác định khí thải H2S và NH3 54

2.2.3.3 Xác định mật độ vi sinh vật gây bệnh, ký sinh trùng 54

2.2.3.4 Xác định hàm lượng các nguyên tố khoáng 55

2.2.4 Thử nghiệm và đánh giá hiệu quả của chế phẩm 55

2.2.4.1 Thử nghiệm sử dụng chế phẩm vi sinh vật xử lý chất thải chăn nuôi dạng rắn 55

2.2.4.2 Đánh giá độ chín và độ an toàn của phân ủ 55

2.2.4.3 Thí nghiệm đồng ruộng đánh giá hiệu quả phân bón hữu cơ 56

CHƯƠNG 3: KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 58

3.1 THỰC TRẠNG CHẤT THẢI TẠI MỘT SỐ CƠ SỞ CHĂN NUÔI 58

3.1.1 Tình hình quản lý, sử dụng chất thải chăn nuôi 58

3.1.2 Thực trạng môi trường tại một số cơ sở chăn nuôi 59

3.1.1.1 Ô nhiễm do khí thải độc hại 59

3.1.1.2 Ô nhiễm do vi sinh vật gây bệnh và ký sinh trùng 61

3.2 NGHIÊN CỨU VI SINH VẬT ĐỂ XỬ LÝ CHẤT THẢI CHĂN NUÔI 61

3.2.1 Phân lập, tuyển chọn bộ chủng giống vi sinh vật 61

3.2.1.1 Vi sinh vật phân giải xenluloza, tinh bột, protein 62

3.2.1.2 Vi khuẩn lactic 64

3.2.2 Định tên và xác định độ an toàn sinh học của các chủng nghiên cứu 67

3.2.2.1 Định tên vi sinh vật bằng phương pháp truyền thống 68

3.2.2.2 Định tên vi sinh vật bằng kỹ thuật sinh học phân tử 73

8

3.2.2.3 Độ an toàn sinh học của các chủng vi sinh vật nghiên cứu 77

3.2.3 Một số yếu tố môi trường ảnh hưởng đến khả năng phân giải chất hữu cơ của các chủng vi sinh vật nghiên cứu 79

3.2.3.1 Ảnh hưởng đến khả năng phân giải xenluloza của chủng XK112 79

3.2.3.2 Ảnh hưởng đến khả năng phân giải tinh bột của chủng B20 82

3.2.3.3 Ảnh hưởng đến khả năng phân giải protein của chủng B15 87

3.2.4 Hoạt tính đối kháng của chủng LH19 91

3.2.4.1 Khả năng đối kháng vi khuẩn gây bệnh và vi khuẩn gây thối rữa 90

3.2.4.2 Khả năng sinh tổng hợp bacterioxin của vi khuẩn lactic LH19 93 3.2.4.3 Một số yếu tố môi trường ảnh hưởng đến hoạt tính kháng khuẩn của chủng LH19 98

3.3 NGHIÊN CỨU SẢN XUẤT CHẾ PHẨM VI SINH VẬT ĐỂ XỬ LÝ CHẤT THẢI CHĂN NUÔI 102

3.3.1 Điều kiện nhân sinh khối vi sinh vật 102

3.3.1.1 Thời gian nuôi cấy 102

3.3.1.2 Tỷ lệ giống cấy 103

3.3.1.3 Điều kiện cấp khí 104

3.3.1.4 Môi trường nhân sinh khối 105

3.3.2 Quy trình sản xuất chế phẩm 106

3.3.3 Chất lượng chế phẩm 108

3.4 ỨNG DỤNG CHẾ PHẨM VI SINH VẬT XỬ LÝ CHẤT THẢI CHĂN NUÔI 110

3.4.1 Hiệu quả xử lý chất thải chăn nuôi 110

3.4.1.1 Động thái nhiệt độ đống ủ 111

3.4.1.2 Hiệu quả chuyển hóa các thành phần dinh dưỡng 113

3.4.1.3 Hiệu quả xử lý vi sinh vật gây bệnh và ký sinh trùng 115

9

3.4.1.4 Hiệu quả xử lý mùi hôi do khí phát thải 116 3.4.2 Khả năng sử dụng chất thải chăn nuôi sau xử lý làm phân bón 118 3.5 HIỆU QUẢ SƢ DỤNG PHÂN HỮU CƠ TỪ CHẤT THẢI CHĂN

NUÔI ĐỐI VỚI CÂY TRỒNG 121 3.5.1 Hiệu quả của phân hữu cơ đối với rau cải 121 3.5.2 Hiệu quả của phân hữu cơ đối với cây dƣa chuột 125

10

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT

CFU Colony forming unit (V)

CV Coefficient of variation (Sai số thí nghiệm)

ADN Axit deoxyribonucleic

OC Organic cacbon (Các bon hữu cơ)

OD Optical density (Mật độ quang)

OM Organic matter (Chất hữu cơ)

PCR Polymerase Chain Reaction (Phản ứng chuỗi trùng

hợp)

SDS-PAGE Sodium dodecyl sulfate polyacrylamide gel

electrophoresis

11

3.1 Môi trường không khí tại các trang trại chăn nuôi 60 3.2 Mật độ vi sinh vật gây bệnh và ký sinh trùng trong chất thải chăn

3.4 Khả năng phân giải chất hữu cơ của các chủng vi sinh vật 63

3.6 Hoạt tính sinh học của các chủng vi khuẩn lactic phân lập 66 3.7 Hoạt tính sinh học của các chủng vi sinh vật nghiên cứu 67 3.8 Đặc điểm sinh hóa của các chủng vi sinh vật nghiên cứu 72 3.9 Mức độ an toàn của các chủng vi sinh vật nghiên cứu 79 3.10 Ảnh hưởng nhiệt độ đến sinh trưởng và khả năng phân giải

13

3.18 Ảnh hưởng của nhiệt độ và thời gian đến hoạt tính bacterioxin 97 3.19 Hoạt tính của bacterioxin ở các pH khác nhau 98 3.20 Ảnh hưởng của nhiệt độ đến sinh trưởng và hoạt tính kháng khuẩn

3.26 Ảnh hưởng của lượng cấp khí đến sinh khối của các chủng vi

3.27 Khả năng sinh trưởng của các chủng vi sinh vật nghiên cứu trên

3.28 Điều kiện thích hợp nhân sinh khối của các chủng vi sinh vật

3.29 Khả năng tồn tại của 4 chủng vi sinh vật trong chế phẩm 108

3.30 Hoạt tính của 4 chủng vi sinh vật trong chế phẩm 109 3.31 Biến động nhiệt độ trong quá trình xử lý chất thải chăn nuôi 112 3.32 Thành phần chất thải chăn nuôi sau xử lý 114 3.33 Mật độ vi sinh vật gây bệnh và ký sinh trùng trong chất thải chăn

3.34 Môi trường không khí tại trang trại chăn nuôi lợn 117 3.35 Môi trường không khí tại trang trại chăn nuôi gà 117 3.36 Kiểm tra độ chín của phân ủ qua nhiệt độ của túi sản phẩm 120

15

DANH MỤC CÁC HÌNH

1.1 Dòng chảy dinh dưỡng và sự phát tán các yếu tố gây ô nhiễm

môi trường từ một số trang trại chăn nuôi lợn ở Việt Nam 5 1.2 Số liệu khảo sát sử dụng chất thải chăn nuôi lợn của 54 trang trại

1.8 Mô hình cấu trúc phân tử bậc II của -amylaza 25 1.9 Mô hình cấu trúc phân tử bậc II của -amylaza 25 1.10 Mô hình cấu trúc không gian của bacterioxin phân lớp IIa 36 1.11 Mô hình cấu trúc phân tử của bacterioxin 36 3.1 Tình hình sử dụng chất thải tại 6 cơ sở chăn nuôi điều tra năm

3.2 Hoạt tính phân giải xenluloza của chủng xạ khuẩn XK112 67 3.3 Hoạt tính phân giải tinh bột của chủng vi khuẩn B20 67 3.4 Hoạt tính phân giải protein của chủng vi khuẩn B15 67 3.5 Hoạt tính kháng E carotovora KT03 của chủng LH19 67 3.6 Hình thái bào tử, cuống sinh bào tử của chủng xạ khuẩn XK112 68

3.8 Hình dạng, kích thước tế bào của chủng vi khuẩn B15 70 3.9 Hình dạng, kích thước tế bào của chủng LH19 70 3.10 Hình thái khuẩn lạc của chủng xạ khuẩn XK112 71 3.11 Hình thái khuẩn lạc của chủng vi khuẩn B20 71 3.12 Hình thái khuẩn lạc của chủng vi khuẩn B15 71

16

3.13 Hình thái khuẩn lạc của chủng vi khuẩn LH19 71 3.14 Cây phát sinh dựa trên phân tích trình tự ADNr 16S của chủng

3.15 Cây phát sinh dựa trên phân tích trình tự ADNr 16S của chủng

3.16 Cây phát sinh dựa trên phân tích trình tự ADNr 16S của chủng

3.17 Cây phát sinh dựa trên phân tích trình tự ADNr 16S của chủng

3.18 Ảnh hưởng của nhiệt độ đến sinh trưởng và khả năng phân giải

3.31 Thí nghiêm đánh giá hiệu quả của phân hữu cơ từ chất thải chăn

nuôi đối với rau cải tại xã Vân Nội- Đông Anh- Hà Nội 125 3.32 Thí nghiêm đánh giá hiệu quả của phân hữu cơ từ chất thải chăn

nuôi đối với dƣa chuột Tại tam Hợp- Quỳ Hợp- Nghệ An 128

18

MỞ ĐẦU

Những năm gần đây, ngành chăn nuôi Việt Nam đã có bước phát triển nhanh chóng, góp phần quan trọng vào sự phát triển chung của ngành nông nghiệp Giá trị sản xuất chăn nuôi năm 2009 đạt mức tăng trưởng 5,3% nhưng theo kế hoạch, giai đoạn 2010-2015 phải đạt trung bình 6-7%/ năm [3, 10, 27] Trong thời kỳ đổi mới, nhờ các chính sách khuyến khích, các doanh nghiệp, hộ cá thể đã mạnh dạn đầu tư

để phát triển chăn nuôi hàng hoá qui mô trang trại tập trung Tuy nhiên, do chỉ tập trung đầu tư để nâng cao năng suất, chất lượng vật nuôi, nhiều trang trại chưa chú trọng đến công tác kiểm soát, quản lý chất thải nên đã làm phát sinh dịch bệnh, tác động xấu đến sức khỏe cộng đồng và ảnh hưởng trực tiếp đến việc phát triển bền vững của ngành chăn nuôi Tại nhiều địa phương người dân chưa quan tâm đúng mức đến việc xử lý chất thải chăn nuôi trước khi sử dụng Mỗi năm cả nước có khoảng 60 triệu tấn chất thải vật nuôi, trong đó chỉ có khoảng 50% được xử lý, số còn lại sử dụng trực tiếp bón cho cây trồng hoặc làm thức ăn cho cá Tại nhiều địa phương, người dân vẫn sử dụng trực tiếp chất thải chăn nuôi làm phân bón mà không quan tâm đến việc xử lý hoặc cũng chỉ ủ đống để chờ bón cho cây trồng theo mùa vụ Đây là một trong các nguyên nhân gây ô nhiễm môi trường và lây truyền các dịch bệnh cho người, vật nuôi và cây trồng [30, 31]

Chất thải chăn nuôi gia súc, gia cầm có chứa các hợp chất các bon, nitơ, phốt pho và các nguyên tố khoáng khác là nguồn dinh dưỡng quan trọng của cây trồng, song cây trồng không thể sử dụng trực tiếp mà phải qua quá trình chuyển hoá Phương pháp ủ phân chuồng truyền thống thường kéo dài 4-6 tháng không thể áp dụng tại các cơ sở chăn nuôi tập trung vì không có đủ điều kiện về cơ sở hạ tầng

Đã có nhiều công trình nghiên cứu sử dụng vi sinh vật khởi động để rút ngắn thời gian phân hủy chất thải hữu cơ Tuy nhiên, đến nay ở Việt Nam chế phẩm vi sinh vật được sử dụng chủ yếu để xử lý rác thải sinh hoạt và phế phụ phẩm nông nghiệp, công nghiệp chế biến, chưa có chế phẩm đặc thù cho xử lý chất thải chăn nuôi, nhất là chưa xử lý có hiệu quả mùi hôi của chất thải chăn nuôi Một số chế phẩm sử dụng vi sinh vật không có lý lịch chủng giống rõ ràng, gây nhiều băn

19

khoăn về tính an toàn đối với sức khỏe người, vật nuôi và môi trường sinh thái Đề

tài luận án “Nghiên cứu vi sinh vật để xử lý chất thải chăn nuôi dạng rắn” được

triển khai nhằm tạo được chế phẩm từ các chủng vi sinh vật an toàn, có khả năng xử

lý hiệu quả mùi hôi thối phát sinh từ chất thải chăn nuôi, phân huỷ nhanh chất hữu

cơ tạo ra phân bón có chất lượng, đáp ứng nhu cầu dinh dưỡng của cây trồng

Các nội dung chính của luận án được thực hiện tại Bộ môn Sinh học Môi trường- Viện Môi trường Nông nghiệp; Bộ môn Vi sinh vật- Viện Thổ nhưỡng Nông hóa (Viện Khoa học Nông nghiệp Việt Nam), Phòng Công nghệ Vật liệu Sinh học- Viện Công nghệ Sinh học (Viện Khoa học và Công nghệ Việt Nam) và được

sự hỗ trợ từ các đề tài do Viện Khoa học Nông nghiệp Việt Nam chủ trì mà tôi trực

tiếp tham gia thực hiện gồm: “Nghiên cứu chế phẩm vi sinh vật xử lý nhanh phế

thải chăn nuôi” (Đề tài cấp Nhà nước thuộc chương trình Công nghệ Sinh học

Nông nghiệp và Thủy sản năm 2008-2010); “Nghiên cứu và ứng dụng chế phẩm vi

sinh để chế biến phế thải chăn nuôi làm phân bón hữu cơ sinh học tại nông hộ huyện Quỳ Hợp, Nghệ An” (Đề tài cấp Bộ Nông nghiệp và Phát triển nông thôn

năm 2009-2011) và “Tuyển chọn bộ chủng vi sinh vật sử dụng trong sản xuất chế

phẩm vi sinh xử lý nhanh phế thải chăn nuôi gà, lợn ở qui mô tập trung” (Đề tài cấp

cơ sở, Viện Khoa học Nông nghiệp Việt Nam năm 2010- 2012)

Mục tiêu của đề tài luận án:

- Tuyển chọn được bộ chủng vi sinh vật thuộc nhóm an toàn sinh học, có khả năng sinh trưởng mạnh, cạnh tranh được với các vi sinh vật trong chất thải, ức chế tiêu diệt có hiệu quả các vi khuẩn gây bệnh và chuyển hóa nhanh chất hữu cơ có trong chất thải chăn nuôi

- Tạo được chế phẩm vi sinh vật để xử lý chất thải chăn nuôi góp phần giảm ô nhiễm môi trường, tạo ra phân hữu cơ cung cấp dinh dưỡng cho cây trồng thay thế một phần phân bón vô cơ, góp phần phát triển nông nghiệp an toàn và bền vững

20

Đóng góp mới của luận án

1 Đây là công trình đầu tiên ở Việt Nam nghiên cứu một cách có hệ thống, từ hiện trạng chất thải dạng rắn ở trang trại chăn nuôi tập trung, đến sản xuất và ứng dụng thành công chế phẩm vi sinh vật xử lý chất thải chăn nuôi, giảm ô nhiễm môi trường và rút ngắn thời gian chuyển hóa các hợp chất hữu cơ từ 3- 4 tháng xuống còn 21- 30 ngày

2 Là công trình đầu tiên nghiên cứu một cách tổng hợp và chứng minh được hiệu quả sử dụng vi khuẩn lactic sinh các chất kháng khuẩn (axit lactic và bacterioxin)

để xử lý mùi hôi thối và đối kháng vi khuẩn gây bệnh trong chất thải chăn nuôi

3 Xây dựng được qui trình sản xuất và ứng dụng chế phẩm vi sinh vật xử lý chất thải chăn nuôi dạng rắn làm phân bón hữu cơ thay thế phân chuồng và có thể tiết kiệm được 25% lượng phân khoáng, góp phần phát triển sản xuất nông nghiệp an toàn, bền vững

Ý nghĩa khoa học và thực tiễn

- Đề tài cung cấp bốn chủng vi sinh vật an toàn, có hoạt tính sinh học cao trong sản xuất chế phẩm vi sinh xử lý chất thải chăn nuôi, tạo phân bón hữu cơ góp phần giảm lượng phân hoá học nâng cao hiệu quả sản xuất của nông dân

- Đề xuất giải pháp giảm thiểu ô nhiễm môi trường trong chăn nuôi qui mô trang trại góp phần phát triển bền vững ngành chăn nuôi

21

Chương 1

TỔNG QUAN TÀI LIỆU

1.1 CHẤT THẢI CHĂN NUÔI VÀ BIỆN PHÁP XỬ LÝ

1.1.1 Chất thải chăn nuôi và nguy cơ ô nhiễm môi trường

Chất thải chăn nuôi tạo ra trong quá trình chăn nuôi gia súc gia cầm, gồm ba dạng chủ yếu: Chất thải rắn (bao gồm chủ yếu là phân, chất độn chuồng, thức ăn thừa và đôi khi là xác gia súc, gia cầm chết hàng ngày), chất thải lỏng (bao gồm nước rửa chuồng, nước tắm cho vật nuôi, nước tiểu, một phần phân), chất thải bán lỏng (gồm cả chất thải rắn và chất thải lỏng)

Các công trình nghiên cứu về ô nhiễm do chất thải chăn nuôi [3, 10, 22, 27,

31, 57, 111] đã xác định tác nhân ô nhiễm môi trường của chất thải chăn nuôi gồm:

- Ô nhiễm do kim loại nặng: Thức ăn chăn nuôi công nghiệp thường chứa các nguyên tố vi lượng, kim loại nặng Trong quá trình trao đổi chất của vật nuôi có khoảng 90% đồng (Cu) không tiêu hoá hết bài tiết ra ngoài; arsen (thạch tín) trong phân vật nuôi có thê tích tụ trong nội tạng người và vật nuôi gây biến đổi quá trình trao đổi chất, là nguyên nhân gây các bệnh ung thư Khoảng 50% lượng phốt pho, nitơ từ thức ăn được động vật bài tiết ra phân; trong quá trình thu gom, đánh đống phần bị rửa trôi có thể tích luỹ phủ lên bề mặt đất, một lượng nhỏ phối hợp với Ca,

Cu, Al thành phức hợp không dung giải làm cho đất cằn cỗi, ảnh hưởng đến sinh trưởng của thực vật, một phần chảy vào nguồn nước làm cho các phù du sinh vật, rong tảo phát triển dẫn đến giảm dinh dưỡng và oxy trong nước, phá huỷ môi trường sinh thái nước

- Ô nhiễm do khí thải độc hại: Trong phân, nước thải của lợn có khoảng 40 loại khí độc khác nhau sinh ra từ quá trình thối rữa thức ăn thừa và xác động vật, thực vật do hoạt động sống của vi khuẩn yếm khí Các khí thải H2S, NH3, CH4, CO2,, N2O gây mùi hôi thối khó chịu, kích thích trung khu hô hấp của con người và vật nuôi Các khí độc này tuỳ theo nồng độ mà gây cho người mệt nhọc, đau đầu, khó thở, co giật

và có thể tử vong Với gia súc có thể làm giảm lượng thức ăn tiêu thụ, có hiện tượng

trùng giun sán), các vi sinh vật gây hại (E coli, Salmonella, Shigella, Vibrio

cholerae, Enterococcus faecalis, Streptococcus ) và một số loài vi rút gây bệnh

Nhiều động vật nhiễm các loại bệnh có thể lây truyền sang người, như lợn là ổ chứa của vi rút gây bệnh viêm não Nhật Bản, gia cầm là ổ chứa của vi rút cúm A, H5N1,

H1N1 Nhiều loại bệnh như tả, lỵ, thương hàn từ động vật bị bệnh lây truyền sang người qua thực phẩm, qua con đường "phân- miệng" hoặc qua việc giết mổ gia súc

bị nhiễm bệnh

Sommer & Jensen [111] đã đưa ra mô hình về mối quan hệ giữa chăn nuôi và các yếu tố ô nhiễm môi trường theo hình 1.1

Hình 1.1 Dòng chảy dinh dưỡng và sự phát tán các yếu tố gây ô nhiễm môi trường

từ một số trang trại chăn nuôi lợn ở Việt Nam [111]

Bán

Mầm bệnh Khí amoniac Mùi Khí gây hiệu ứng nhà kính

Mầm bệnh Khí amoniac Mùi Khí gây hiệu ứng nhà kính

Ao cá

Bể chứa hiếm khí

Hồ, sông, kênh mương

23

Các chuồng trại chăn nuôi, các nguồn chất thải chăn nuôi là nguồn phát sinh tác nhân gây bệnh trực tiếp hoặc gián tiếp đến sức khỏe con người và môi trường Nếu các trang trại chăn nuôi chỉ tập trung đầu tư vào năng suất và chất lượng vật nuôi, không thực hiện tốt quá trình vệ sinh chuồng trại và các giải pháp quản lý nguồn chất thải thì ô nhiễm môi trường ảnh hưởng trầm trọng đến sức khoẻ cộng đồng đồng thời là nguyên nhân gây ra các rủi ro của sản xuất chăn nuôi, tác động xấu tới sự phát triển bền vững của ngành chăn nuôi cũng như sản xuất nông nghiệp

Các nghiên cứu của Viện Chăn nuôi, Viện Công nghệ Môi trường, Viện Thú

y và chương trình Asia ProEco của Liên minh châu Âu tại Việt Nam đã đánh giá mức độ ô nhiễm trong chăn nuôi và xác định rằng hầu hết các cơ sở chăn nuôi lợn

và gà ở Việt Nam được điều tra đều chú ý đến khâu vệ sinh khử trùng tiêu độc định

kỳ Các loại hoá chất khử trùng được sử dụng phổ biến gồm: Han Iodil, Ben cocid, BKA, cloramin, Allside dưới dạng phun sương hoặc pha loãng theo nồng độ quy định [10, 27] Mặc dù vậy, nồng độ khí H2S, NH3 và tổng số VSV, bào tử nấm, VK gây bệnh cho gia súc và con người trong đất, nước, không khí tại các khu vực chăn nuôi và vùng phụ cận đều cao hơn mức cho phép vài lần đến hàng chục lần

Theo Trịnh Quang Tuyên và cs [27]: Trong 160 trang trại nuôi lợn nái ở Hà Nội, Hà Tây cũ, Thái Bình, Ninh Bình, có 37,7% trang trại có khoảng cách ly so với khu dân cư trên 100 m; 55,6% cách khu dân cư từ 10 đến 100 m và 6,8% chỉ cách dưới 10 m, các trang trại này thường nằm ngay trong khu gia đình Cùng với lượng khí phát thải, khoảng 50% chất thải chăn nuôi của các trang trại không được xử lý bằng bất kỳ biện pháp nào trước khi sử dụng làm thức ăn cho cá hay bón cho cây trồng; điều đó dẫn đến nguy cơ ô nhiễm môi trường rất cao, đây là một trong những nguyên nhân gây bùng phát các loại dịch bệnh cho gia súc, gia cầm trong những năm qua [6, 22, 31, 90]

Xử lý chất thải chăn nuôi chỉ được quan tâm trong thời gian gần đây, khi số lượng trang trại chăn nuôi tập trung cũng như qui mô đầu vật nuôi tăng nhanh khiến mức độ ô nhiễm do chất thải chăn nuôi lên đến mức báo động

Phân hữu cơ là nguồn cung cấp dinh dưỡng chủ yếu cho cây trồng và cải tạo

độ màu mỡ, giữ ẩm cho đất, chống xói mòn, bạc màu; cải thiện môi trường sống tốt hơn cho hệ vi sinh vật đất, ngoài ra còn làm tăng hiệu lực của phân bón vô cơ lên 8-10% Khi bón phân hóa học, cây sử dụng khoảng 40%, phần còn lại bị rửa trôi nhưng nếu trộn 20-30% phân hóa học với phân hữu cơ thì cây có thể sử dụng 80% lượng phân hóa học [7, 10, 17, 25]

1.1.2 Tình hình sử dụng chất thải chăn nuôi ở Việt Nam

Trong những năm gần đây, nhu cầu thịt, trứng, sữa ngày càng tăng, tất yếu thúc đẩy ngành chăn nuôi phát triển Tính đến 01/4/2010 tổng đàn lợn hiện có 27,3

25

triệu con, đàn gia cầm có 277,4 triệu con, tăng lần lượt là 3,1 % và 8,1 % so với năm 2008 Giá trị sản xuất chăn nuôi năm 2009 đạt mức tăng trưởng 5,3 %, so với cùng kỳ năm 2008 Uớc tính Việt Nam với tốc độ tăng trưởng kinh tế 8 %/ năm, tốc

độ phát triển dân số 1,3 %/ năm thì chăn nuôi phải tăng từ 9-10 %/ năm mới đáp ứng được nhu cầu của xã hội [6, 10]

Theo số liệu điều tra năm 2008 có 75- 80 % số lượng lợn ở Việt Nam được sản xuất theo phương pháp truyền thống bởi các hộ gia đình nhỏ lẻ, 10% bởi các trang trại trung bình, 10-15% là các trang trại chăn nuôi được thương mại hoá [3, 6, 27] Mặc dù đứng trước nhiều khó khăn nhưng với những chính sách và sự hỗ trợ kịp thời của Nhà nước, ngành chăn nuôi ở Việt Nam đang dần khôi phục Phương thức tổ chức sản xuất chăn nuôi hàng hoá quy mô trang trại trong những năm gần đây ngày càng được nhân rộng và phát triển, tính đến đầu năm 2010, cả nước có khoảng 20.800 trang trại chăn nuôi, đã xuất hiện mô hình trang trại tư nhân với quy

mô lớn, ứng dụng khoa học kỹ thuật tốt, đạt hiệu quả kinh tế cao [3, 27]

Cùng với khoảng 25-30 triệu khối chất thải lỏng, mỗi ngày đàn gia súc, gia cầm của Việt Nam thải ra khoảng 539.733,15 tấn chất thải rắn, ước tính mỗi năm

có trên 60 triệu tấn phân vật nuôi các loại Trong số đó chỉ có khoảng 50% được xử

lý bằng phương pháp ủ trước khi sử dụng [3, 10]

Kết quả khảo sát của Phùng Thị Vân và cs tại 54 trang trại chăn nuôi lợn ở tỉnh Thái Bình, Bắc Giang (Hình 1.2) cho biết: Trong tổng số lượng chất thải, có khoảng 43% được sử dụng cho biogas, còn 57% (chủ yếu là chất thải rắn không qua

xử lý hoặc chỉ ủ thông thường khoảng 7-10 ngày) sử dụng cho các mục đích khác nhau (12% bón cho cây trồng, 13% làm thức ăn cho cá, 13% để bán cho các chủ nuôi cá hoặc bón cho cây trồng và 19% thải ra các hệ thống thải công cộng như kênh, rạch, sông, hồ) Tiến hành phỏng vấn 54 hộ chăn nuôi lợn có 20% hộ cho rằng chăn nuôi lợn để cung cấp chất thải cho các ao đầm nuôi cá vì cá tăng trọng nhanh và giảm chi phí vận chuyển ra đồng ruộng để bón cho cây trồng [30, 115]

26

Hình 1.2 Số liệu khảo sát sử dụng chất thải chăn nuôi lợn của 54 trang trại

tại tỉnh Thái Bình và Bắc Giang [30]

Một kết quả điều tra khác tại 40 trang trại chăn nuôi lợn ở Hà Nội, Hà Tây

cũ, Thái Bình, Ninh Bình [27] cho thấy: 91,7% trang trại qui mô trên 200 lợn nái có thiết kế nhà chứa phân, trong khi đó ở qui mô từ 30 đến 100 lợn nái chỉ 7,6% trang trại có sử dụng nhà chứa phân và 6,1% trang trại có hố chứa phân Như vậy, các trang trại qui mô chăn nuôi tương đối lớn mới đầu tư và quan tâm đến quản lý chất thải chăn nuôi Tuy nhiên, nhà chứa phân ở các trang trại được điều tra là nơi chứa phân lợn được thu gom hàng ngày Với các trang trại không có nhà chứa phân ,chất thải thường được đựng vào bao tải, để tập trung ngoài trời Cả hai hình thức thu gom này đều không có các biện pháp xử lý ô nhiễm trước khi vận chuyển đi sử dụng hoặc bán

Kết quả nghiên cứu cho thấy, việc sử dụng nguồn chất thải chăn nuôi ở các qui mô chăn nuôi rất khác nhau: sử dụng chất thải cho trồng trọt đạt cao nhất với qui mô từ 30 đến 100 lợn nái (64,0%), thấp nhất là 12,5% ở qui mô trên 200 Nếu

để bán cao nhất là 58,6% ở qui mô trên 200 lợn nái và thấp nhất ở qui mô từ 30 đến

100 (14,1%); Để sử dụng cho ao nuôi cá: Cao nhất là 17,4% ở qui mô trên 200 lợn

27

nái và thấp nhất ở qui mô từ 30 đến 100 (8,2%) Chất thải từ các trang trại qui mô trên 200 lợn nái thường để bán và sử dụng cho các ao đầm nuôi cá Đa số các trang trại qui mô nhỏ, sử dụng chất thải cho trồng trọt Việc sử dụng chất thải chăn nuôi khác nhau, có mối liên quan đến số lượng phân được thu gom hàng ngày lớn so với diện tích nơi chứa Bán hoặc sử dụng chất thải để nuôi cá có thể chuyển và giải phóng nhanh chất thải, trong khi để phục vụ trồng trọt thì lại liên quan đến thời vụ

và thời điểm bón phân

1.1.3 Các biện pháp xử lý chất thải chăn nuôi

Có rất nhiều công trình nghiên cứu đã có kết quả và được đề xuất, dùng riêng

rẽ hoặc kết hợp để tăng hiệu quả xử lý cũng như hiệu quả kinh tế của công nghệ Các giải pháp chính gồm:

1.1.3.1 Phương pháp vật lý phân tách chất rắn - lỏng

Bao gồm phương pháp lắng cặn, phương pháp sử dụng máy tách chất rắn, phương pháp lọc Các phương pháp này giúp giảm đáng kể hàm lượng nước trong chất thải, giảm diện tích hồ chứa phân, tăng giá trị dinh dưỡng trong phân rắn Phần rắn sau khi phân tách có thể tiếp tục được xử lý bằng phương pháp sinh học (60%), bằng phương pháp hoá lý (25%) và phương pháp nhiệt (10%) [27, 111] để làm phân bón cho cây trồng hoặc để sản sinh năng lượng Phương pháp này được áp dụng ở nhiều nước trên thế giới, trong đó Hà Lan có khoảng 80 nhà máy, Pháp có khoảng

600 trang trại lợn áp dụng phương pháp phân tách và xử lý chất thải chăn nuôi

1.1.3.2 Các phương pháp hoá học

+ Bơm và trộn các chất điện ly đơn giản hoặc các chất điện ly polyme cùng với hỗn hợp chất thải trước khi tách cơ học làm tăng 82% hiệu quả tách chất rắn Hoá chất thường được dùng để keo tụ và kết bông các phân tử rắn là các chất polyme như polyacrylamit và các muối kim loại (clorua sắt, muối nhôm và vôi) Các chất này làm tăng đáng kể tính kỵ nước của phân, làm cho các chất rắn liên kết tạo phân tử

có kích thước lớn hơn, kết lắng nhanh hơn; 90% phốt pho dạng hoà tan và không hoà tan được kết tủa và tách ra khỏi chất lỏng [27, 111]

28

+ Tăng pH của hỗn hợp phân lên 12 trong vòng 30 phút sẽ tiêu diệt phần lớn các vi sinh vật sống trong phân, làm giảm thiểu sự phát tán mùi và ngăn ngừa phát tán mầm bệnh Vôi sống (CaO) và vôi tôi (CaOH) thường được dùng cho mục đích này, tuy nhiên phương pháp này làm mất một phần amoni trong phân [27, 111]

Sử dụng các biện pháp vật lý, hoá học chi phí cao, tốn năng lượng, cần quan tâm tới an toàn lao động khi tiếp xúc với các loại hoá chất, thiết bị điện

1.1.3.3 Các phương pháp sinh học

Có một số biện pháp sinh học thường được áp dụng như [27, 34, 57, 61, 71]:

- Sử dụng giun (Phương pháp này còn gọi là Vermicomposting): Được sử dụng ở nhiều nước trên thế giới như Cu Ba, Philippin, Ấn Độ, một số nước châu Phi, người

ta dùng một số loại giun trong đó có giun quế (Lumbricus rubellus) như là tác nhân

chính để phân huỷ các hợp chất hữu cơ trong phân gia súc Giun sử dụng phân gia súc làm thức ăn, sản phẩm thải ra là dạng đất có giá trị dinh dưỡng cho cây trồng

- Sử dụng thảm thực vật: Thảm này được xem là một hệ thống phối hợp các biện pháp sinh hóa và cơ học, bao gồm hệ thống cây cỏ bản địa trồng xung quanh hồ chứa phân, có vai trò xử lý nước thải chảy tràn từ hồ chứa, giữ lại khoảng 70-90% các chất dinh dưỡng không hoà tan và 50% chất dinh dưỡng hoà tan Hiệu quả xử lý phụ thuộc vào từng loại thực vật, độ dốc, loại đất và độ rộng của thảm Phương pháp này có chi phí đầu tư thấp nhưng đòi hỏi diện tích rộng, được áp dụng ở Mỹ, Canada

- Sử dụng vi sinh vật (VSV): Sử dụng vi sinh vật là biện pháp chính trong phương

pháp sinh học Dựa trên cơ sở tối ưu hoá các điều kiện môi trường cho hệ VSV tự nhiên hoặc VSV khởi động phát triển để phân giải các hợp chất hữu cơ của phân trong điều kiện hiếu khí hay kỵ khí để tạo sản phẩm cuối cùng ổn định, có giá trị kinh tế, giảm hàm lượng chất rắn tổng số, giảm mùi, tiêu diệt VSV gây bệnh

+ Sử dụng vi sinh vật kỵ khí: Thường được dùng để xử lý chất thải dạng lỏng và

bán lỏng Phân huỷ kỵ khí là quá trình phân huỷ diễn ra bởi vi sinh vật trong điều kiện không có oxy để tạo khí CO2, CH4 nhưng hàm lượng chất dinh dưỡng N, P hầu như không thay đổi, phốt pho có thể lắng đọng ở lớp bùn trong khối kín không có

29

hệ thống hút, nitơ có thể chuyển hoá thành NH4 nhưng không bay hơi do hệ thống

bị bịt kín Ưu điểm là tạo ra khí sinh học (biogas) cung cấp năng lượng cho các trang trại Lợi ích của quá trình phân huỷ tạo biogas là giảm được phần lớn nồng độ các chất ô nhiễm hữu cơ, giảm BOD xuống 4-5 lần, giảm trên 90% số lượng ký sinh trùng, vi sinh vật gây hại, tuy nhiên hàm lượng các chất hữu cơ cũng như các chất gây hại trong nước thải sau biogas vẫn cao hơn qui định, vì vậy cần tiếp tục xử lý trước khi sử dụng cho cây trồng hoặc xả xuống ao cá và hệ thống thải công cộng Ngoài ra hệ thống biogas sau một thời gian sử dụng phải được xử lý các sự cố như tắc, đóng váng và rạn nứt bể

+ Sử dụng vi sinh vật hiếu khí: Đó là các hồ có lắp đặt hệ thống thông khí cung

cấp oxy cho vi khuẩn hiếu khí phân huỷ chất hữu cơ trong chất thải Hệ thống thông khí có thể hoạt động liên tục hoặc gián đoạn trong quá trình phân huỷ, vì vậy cần chi phí đầu tư và vận hành cao

+ Xử lý chất thải chăn nuôi dạng rắn bằng chế phẩm vi sinh vật khởi động

Đây là quá trình xử lý chất thải bằng biện pháp ủ (composting) có sử dụng VSV khởi động Để rút ngắn thời gian ủ cũng như hạn chế tối đa các ảnh hưởng không có lợi của quá trình chế biến phân ủ đến môi trường, kỹ thuật ủ nhanh (Rapid Composting) đã được nghiên cứu và ứng dụng rộng rãi tại Ấn Độ, Philippin, Mỹ, Canada…Ngoài các yếu tố cân bằng tỷ lệ C/N, điều khiển nhiệt độ, độ thông khí của khối ủ, các nhà khoa học đặc biệt quan tâm đến vai trò của VSV khởi động (microbial activator) và VSV làm giàu dinh dưỡng phân ủ [34, 47, 57, 61, 77, 93]

Các kết quả nghiên cứu [34, 47, 57, 61] cho thấy: Bổ sung VSV có khả năng phân giải xenlulo, protein, tinh bột, phốt phát hữu cơ…cùng các nguyên tố dinh dưỡng như nitơ, phốt pho dạng quặng photphorit và một số điều kiện môi trường khác đã giúp rút ngắn thời gian ủ phân chuồng từ 4- 6 tháng xuống còn 2- 4 tuần, giảm lượng H2S, NH3 bay hơi Quá trình ủ sẽ cho ra phân bón có giá trị hơn, giảm thiểu mùi phát tán trong không khí và giảm chi phí cho vận chuyển phân vì phân ủ nhẹ hơn phân tươi Thời gian ủ không những phụ thuộc vào chu trình sống của VSV trong đống ủ, mà còn phụ thuộc vào các yếu tố môi trường và tính di truyền của

30

VSV Trong quá trình ủ phân, VSV phân huỷ chất hữu cơ thành các axit hữu cơ, các khí CO2, H2O và NH3 Đặc biệt trong quá trình ủ, nhiệt độ tăng tới 50-600C trong nhiều ngày nên có thể tiêu diệt VSV gây hại và làm ung trứng giun [10, 27]

Các yếu tố chính ảnh hưởng đến quá trình ủ gồm :

* Độ ẩm: Nếu độ ẩm của nguyên liệu quá khô, quá trình phân hủy các hợp chất hữu

cơ sẽ diễn ra chậm; nếu độ ẩm quá cao, trong đống ủ sẽ xảy ra quá trình phân giải

yếm khí Nên điều chỉnh độ ẩm ban đầu của đống ủ ở 45- 60%, sản phẩm sau quá

trình ủ đạt khoảng 20- 25% [57, 77, 109, 116]

* Nhiệt độ: Quá trình ủ luôn gắn liền với việc giải phóng năng lượng Nhiệt độ

đống ủ tăng nhanh hay chậm phụ thuộc vào nguồn nguyên liệu và sự hoạt động của VSV Nhiệt độ phù hợp nhất cho quá trình ủ được xác định khoảng 55- 600C Nếu nhiệt độ tăng lên quá 600C thì quần thể VSV trong đống ủ sẽ giảm mạnh Với nhiệt

độ trên 700C độ hoạt động của VSV sẽ giảm 10-15% so với nhiệt độ 600C [77, 109]

* pH: Khoảng pH thích hợp cho quá trình ủ là rất rộng, tuy nhiên đã có rất nhiều các công trình nghiên cứu [10, 47, 57, 77, 109, 116] cho thấy giá trị pH trong quá

trình ủ compost không nên cao hơn 8, pH cao là nguyên nhân làm bay hơi khí NH3dẫn đến tình trạng thất thoát nitơ ra không khí

* Kích cỡ nguyên liệu, nồng độ oxy và quá trình sục khí: Để đảm bảo cung cấp

oxy cho vi sinh vật, thể tích khí trong đống ủ phải đạt khoảng 20- 30% Điều này phụ thuộc vào tính chất vật lý của nguồn nguyên liệu, khoảng cách giữa các đơn vị nguyên liệu với nhau và áp suất khí trao đổi Kích cỡ nguyên liệu nhỏ có tác dụng làm tăng khả năng phân giải của vi sinh vật song lại hạn chế lưu lượng khí trao đổi,

vì vậy phải cân đối hài hoà sao cho hai yếu tố này không mâu thuẫn nhau Cung cấp khí trong quá trình ủ có tác dụng ổn định nhiệt độ khối ủ và làm khô nguyên liệu, đồng thời tăng cường oxy cho vi sinh vật hoạt động Lượng khí cần thiết được xác

định khoảng 2,5 L/kg nguyên liệu khô trong một phút [47, 57, 77, 109, 116]

* Thành phần dinh dưỡng: Vi sinh vật có nhu cầu sử dụng C, N, P, K như những

nguồn dinh dưỡng cơ bản Tỷ lệ C/N thích hợp là từ 25:1 đến 30:1 Nếu tỷ lệ này cao hơn 40:1 sẽ hạn chế sự sinh trưởng của vi sinh vật, làm cho quá trình ủ bị kéo

31

dài Nếu tỷ lệ C/N thấp hơn 20:1 sẽ dẫn đến sự thất thoát nitơ trong quá trình ủ Tỷ

lệ tốt nhất khi kết thúc quá trình ủ là 10:1 đến 15:1 Tỷ lệ C/P phù hợp trong quá trình phân giải được xác định là 75:1 đến 150:1 Để tạo thuận lợi cho VSV sinh trưởng, thông thường người ta bổ sung thêm rỉ mật vào đống ủ nhằm cung cấp nguồn đường và axit amin cần thiết cho các chủng vi sinh vật [47, 57, 77, 109, 116]

* Đảo trộn: Khi quá trình phân giải trong đống ủ bắt đầu thì sự đảo trộn được xem

như một quá trình cung cấp không khí cho vi sinh vật sinh trưởng Sự đảo trộn không những cung cấp không khí cho quá trình ủ mà còn làm giảm nhiệt độ của đống ủ Nhiệt độ quá cao sẽ hạn chế sự sinh trưởng của vi sinh vật và làm gián đoạn quá trình chuyển hóa nguyên liệu

* Vi sinh vật khởi động (Starter microorganisms) và làm giàu dinh dưỡng: Việc

lựa chọn các chủng vi sinh vật khởi động cần dựa vào các nguyên tắc: Các chủng vi sinh vật phải có hoạt tính sinh học mạnh (khả năng sinh phức hệ enzym phân hủy các hợp chất hữu cơ cao và ổn định); sinh trưởng tốt trong điều kiện của đống ủ, cạnh tranh được với vi sinh vật có sẵn trong đống ủ, có khả năng chịu nhiệt; không độc với người, động thực vật và vi sinh vật hữu ích; nuôi cấy dễ dàng, sinh trưởng tốt trên môi trường tự nhiên, thuận tiện cho quá trình nhân giống thu sinh khối [34]

Các chủng vi sinh vật phân giải hợp chất hữu cơ đóng vai trò VSV khởi động

như Aspergillus, Trichoderma, Penicillium được bổ sung trong quá trình ủ để phân

giải nhanh các loại chất thải giàu xenluloza tạo phân bón hữu cơ Cũng từ các kết quả nghiên cứu và thực tiễn sản xuất, Gauze và cs [61] đã đề xuất kỹ thuật bổ sung

thêm quặng phốt phát với liều lượng 5% và VSV phân giải lân (Aspergillus,

định nitơ tự do Azotobacter nhằm nâng cao giá trị dinh dưỡng của sản phẩm Bình

thường trong đống ủ tự nhiên có cả VSV có lợi và hại Khi tạo điều kiện thích hợp, các VSV có hại cũng sinh trưởng mạnh, nhưng khi đưa VSV khởi động chúng sẽ sinh trưởng vượt trội lấn át tối đa VSV có hại, do đó sản phẩm tạo ra là rất an toàn

Ở Nam Phi đã sản xuất phân ủ (compost) từ nguồn nguyên liệu là phân chim và amoni cacbonat Năm 1982, Công ty Dickerson Composting Plant ở Mỹ đã sản xuất

32

100.000 tấn compost trị giá 7.000.000 USD Từ năm 1986 Đài Loan đã phát triển sản xuất compost, hàng chục loại compost được đưa ra thị trường phục vụ cho sản xuất thuốc lá, chè, ngô Các nước Đài Loan, Nhật Bản, Hàn Quốc, Malaysia, Philippin, Indonesia đã sản xuất và sử dụng compost rộng rãi cho nhiều loại cây trồng: cọ dầu, cao su, mía, lúa Tại Ấn Độ, sản lượng phân hữu cơ từ các nguồn chất thải khác nhau

là 1.750 triệu tấn, đạt giá trị hàng hoá 536 triệu USD Tại Thái Lan, số lượng phân bón hữu cơ do các cơ sở nhà nước sản xuất là 24.000 tấn và khoảng 100.000 tấn do các công ty tư nhân sản xuất Công ty Farmatic Biotech Energy của Đức đã xây dựng nhà máy phân huỷ kỵ khí, nhà máy khí sinh vật có công suất xử lý tới 146.000 tấn phân trâu bò, gia cầm và xử lý cả phế thải lương thực hữu cơ [10, 27, 57, 61, 71, 109, 116]

Việt Nam thường sử dụng phương pháp ủ (composting) để xử lý phân dạng rắn, trong đó có phương pháp ủ nóng, ủ nguội và phối hợp (ủ nóng trước- ủ nguội sau) Nguyên lý của quá trình ủ phân chuồng là: dưới tác động của các VSV hiếu khí và yếm khí ở điều kiện tối ưu, các chất hữu cơ phân tử lớn sẽ chuyển thành chất hữu cơ phân tử nhỏ, các chất khó tiêu chuyển thành dễ tiêu, nhờ đó cây trồng tăng khả năng sử dụng nhanh các chất dinh dưỡng cần thiết Thông thường để chất thải chăn nuôi hoai mục hoàn toàn đòi hỏi thời gian ủ từ 3 đến 6 tháng

Trường Đại học Nông nghiệp Hà Nội đã nghiên cứu thử nghiệm và tiếp thu công nghệ VSV hữu hiệu (EM) ứng dụng trong nông nghiệp và vệ sinh môi trường Khi chăn nuôi quy mô lớn thì lượng phân thải tập trung nhiều, tạo ra mùi hôi đặc trưng, là môi trường thuận lợi hấp dẫn ruồi đến sinh sôi nảy nở Sử dụng chế phẩm

EM trong chăn nuôi có thể giảm tỷ lệ bệnh đường ruột cho vật nuôi và giảm mùi hôi thối từ phân vật nuôi ở các trại chăn nuôi [18]

Trường Đại học Khoa học Tự nhiên, Đại học Quốc gia Hà Nội đã giới thiệu phương pháp ủ phân có sử dụng VSV để sản xuất phân ủ quy mô hộ gia đình Qui trình này giúp tận dụng nguồn phân gia súc, phế phụ phẩm chăn nuôi tại địa phương, sản xuất thành phân bón giúp tăng năng suất cây trồng, giảm chi phí sản xuất nông nghiệp, đồng thời góp phần cải tạo đất và bảo vệ môi trường sinh thái Năm 2001, Đặng Xuyến Như nghiên cứu thành công quy trình sử dụng chế phẩm

33

sinh học để xử lý phế thải chăn nuôi lợn ở trang trại quy mô hộ gia đình nhằm giảm thiểu ô nhiễm môi trường, sử dụng nguồn chất thải làm phân bón hữu cơ [17]

Chế phẩm Bio-F do tác giả Võ Thị Hạnh và cs nghiên cứu chứa các VSV

như xạ khuẩn Streptomyces sp., nấm mốc Trichoderma sp và vi khuẩn Bacillus sp

có tác dụng phân huỷ nhanh các hợp chất hữu cơ, làm mất mùi hôi trong phân lợn,

gà và bò Sau 3 ngày các VSV hữu ích phát triển mạnh phân giải chất hữu cơ và làm mất mùi hôi Nhiệt độ trong khối ủ cũng tăng lên tới 60-700C, có tác dụng tiêu diệt các VSV gây bệnh và trứng giun trong phân Sau 7-10 ngày, tiếp tục ủ chín và sản phẩm thu được là phân bón hữu cơ chất lượng cao, có tác dụng giảm tỉ lệ bệnh héo

cây dưa leo do nấm Fusarium sp [9]

Năm 2005, dự án KC04-DA11của Bộ môn Vi sinh vật- Viện Thổ nhưỡng Nông hóa đã sản xuất thử nghiệm thành công chế phẩm Compost Maker phục vụ cho sản xuất hàng nghìn tấn phân bón hữu cơ từ nguồn phế thải chăn nuôi Từ năm 2008-2011, trong chương trình CNSH Nông nghiệp và nguồn tài trợ ADB, Viện Thổ nhưỡng Nông hóa, Viện Môi trường Nông nghiệp đã sản xuất thử nghiệm thành công và chuyển giao công nghệ sản xuất chế phẩm vi sinh vật cho sản xuất phân hữu cơ từ phế thải chăn nuôi tại nhiều tỉnh thành trong cả nước Chế phẩm

chứa Streptomyces, Bacillus, nấm men và vi khuẩn lactic có tác dụng phân huỷ

nhanh các hợp chất hữu cơ trong chất thải, làm mất mùi hôi Trong quá trình ủ, nhiệt độ khối ủ tăng lên tới 600C, các vi sinh vật gây bệnh và trứng giun bị tiêu diệt Sau 21-30 ngày, giai đoạn kết thúc sản phẩm thu được là phân hữu cơ có chất lượng dinh dưỡng cao, đáp ứng được yêu cầu phục vụ sản xuất nông nghiệp an toàn, bền vững [10, 25, 27]

Kết quả nghiên cứu lựa chọn giải pháp KHCN phù hợp nhằm giảm thiểu ô nhiễm môi trường của Viện Chăn nuôi năm 2008-2010 cho thấy, thử nghiệm xử lý phân lợn ở vùng chăn nuôi trang trại tập trung bằng các chế phẩm sinh học (EM thứ cấp, EM Bokaski và Compost Maker) đã làm giảm trung bình 1/3 thời gian ủ so với

ủ phân bằng phương pháp truyền thống, giảm sự phát thải khí NH3, H2S gây mùi hôi thối và giảm các mầm bệnh vi sinh vật, ký sinh trùng Sử dụng chế phẩm đơn giản, dễ làm, phù hợp với các trang trại qui mô tập trung Phân lợn sau khi xử lý đã đáp ứng được các yêu cầu của phân hữu cơ cho cây trồng [27]

34

1.2 VI SINH VẬT THAM GIA QUÁ TRÌNH XỬ LÝ CHẤT THẢI HỮU CƠ

Hệ vi sinh vật trong chất thải chăn nuôi rất phong phú, bao gồm nhiều nhóm VSV có hoạt tính sinh học khác nhau, giữ vai trò hết sức quan trọng trong chu trình chuyển hóa các hợp chất hữu cơ thành các chất mùn giúp cho cây trồng sử dụng đạt năng suất cao Ở đây chỉ đề cập các nhóm VSV có khả năng phân huỷ các chất hữu

cơ phổ biến, là thành phần chính trong chất thải chăn nuôi (xenluloza, tinh bột protein) và VSV có khả năng ức chế các VSV gây bệnh, làm giảm việc phát thải các khí độc hại

1.2.1 Vi sinh vật phân giải xenluloza

1.2.1.1 Xenluloza

Xenluloza là thành phần chủ yếu của thành tế bào thực vật với tỷ lệ trong khoảng 30- 80% tính theo khối lượng khô Xenluloza là một polyme mạch thẳng bao gồm nhiều gốc anhydroglucoza gắn với nhau nhờ liên kết -1,4 glycozit, chúng liên kết chặt chẽ với các polisacarit khác như hemi-xenluloza, pectin và linhin tạo thành những phức hợp bền vững Gốc hydroglucoza có dạng ghế bành, gốc đứng sau tạo góc quay 180o so với gốc đứng trước Mỗi phân tử xenluloza thường chứa 10.000-14.000 gốc glucoza, khối lượng tương ứng là 1,5 triệu kDa, với chiều dài phân tử có thể lớn hơn hoặc bằng 5 m [4, 7, 85]

Hình 1.3 Cấu trúc phân tử xenluloza Hình 1.4 Chuỗi các đơn phân

hydroxyetyl xenluloza Xenluloza có cấu trúc lớp sợi song song, các chuỗi xenluloza gắn với nhau nhờ mạng lưới liên kết hydro, còn các lớp gắn với nhau nhờ lực Van-der-Van, các

35

sợi sơ cấp hợp lại thành vi sợi, những vi sợi này hợp thành bó sợi to có thể quan sát dưới kính hiển vi quang học Phân tử xenluloza có cấu trúc không đồng nhất, thường có hai vùng xen kẽ: Vùng kết tinh có trật tự cao và bền vững với các tác động bên ngoài và vùng vô định hình có cấu trúc không chặt chẽ, do đó kém bền vững hơn Vùng vô định hình có thể hấp thụ nước và trương lên, do vậy dễ bị enzym tấn công Trong khi đó ở vùng kết tinh, mạng lưới liên kết hydro ngăn cản sự trương này, các dung môi hữu cơ, các dung dịch axit hay kiềm loãng cũng không có tác dụng, các enzym chỉ có thể tác dụng lên bề mặt của các sợi [4, 7, 85]

Xenluloza là hợp chất phức tạp và bền vững không tan trong nước và trong nhiều dung môi hữu cơ, không bị các dung dịch axit và kiềm loãng tác dụng, chỉ bị thuỷ phân khi đun nóng với axit hoặc kiềm Do liên kết glycozit không bền với axit, xenluloza dễ bị thuỷ phân bởi axit thành các sản phẩm thuỷ phân không hoà tan, có

độ bền cơ học kém hơn

Xenluloza tự nhiên khi bị thuỷ phân hoàn toàn sẽ cho sản phẩm cuối cùng là D-glucoza Dung dịch kiềm làm trương phồng mạch xenluloza và hoà tan một phần các xenluloza phân tử nhỏ Trong khi đó ở điều kiện bình thường (pH trung tính và nhiệt độ, áp suất thường) một số vi sinh vật có thể thuỷ phân xenluloza thành xenlobioza, sau đó dưới tác động của xenlobioza thành glucoza [39, 40, 42]

1.2.1.2 Enzym xenlulaza

Xenlulaza là một phức hệ các enzym hoạt động cùng nhau để thuỷ phân xenluloza, tạo ra các loại đường đi qua thành tế bào vi sinh vật Nhiều tác giả cho rằng phức hệ xenlulaza bao gồm 3 enzym chủ yếu sau đây [48, 49, 52, 63, 65, 89]:

- Endo-1,4-glucanaza (hay CMC-aza, Cx) tác động lên chuỗi xenluloza một

cách tuỳ tiện và phân huỷ liên kết -1,4-glycozit giải phóng xenlobioza và glucoza Enzym này thuỷ phân CMC hoặc xenluloza theo kiểu tuỳ tiện, làm giảm nhanh chiều dài chuỗi và tăng chậm các nhóm khử, tác dụng lên xenlodextrin

Enzym này hoạt động mạnh ở vùng vô định hình nhưng lại hoạt động yếu ở vùng kết tinh

36

- Exo-1,4-glucanaza (hay xenlobiohydrolaza, C1,) giải phóng xenlobioza

hoặc glucoza từ đầu không khử của xenluloza, tác dụng yếu lên CMC, nhưng tác dụng rất mạnh lên xenluloza vô định hình hoặc xenluloza đã bị phân giải một phần; tác dụng lên xenluloza kết tinh không rõ nhưng khi có mặt endoglucanaza thì có tác dụng hiệp đồng rõ rệt

xenlodextrin khác hoà tan trong nước, chúng có hoạt tính cao trên xenlobioza, còn đối với xenlodextrin thì có hoạt tính thấp và giảm khi chiều dài của chuỗi tăng lên Tuỳ theo vị trí mà -glucozidaza được coi là nội bào, ngoại bào hoặc liên kết với thành tế bào

Mỗi enzym thành phần, có thể gồm một vài izozim khác nhau về khối lượng phân tử, điểm đẳng điện và hàm lượng polisacarit liên kết Kết quả các công trình nghiên cứu cho thấy: tính đa hình của xenlulaza, nhằm phù hợp với cấu trúc phức tạp của mạch phân tử xenlulaza, gồm nhiều vùng có hoạt tính thuỷ phân khác nhau Tuỳ thuộc vào loài vi sinh vật và điều kiện nuôi cấy, tỷ lệ các enzym thành phần trong phức hệ xenlulaza và hiệu lực phân giải xenluloza của xenlulaza khác nhau, nhưng để phân giải hoàn toàn xenluloza tự nhiên, cần có sự tác dụng hiệp đồng của

cả ba thành phần trong phức hệ xenlulaza Quá trình tổng hợp xenlulaza chịu sự điều khiển của bộ máy di truyền, quá trình sinh hoá do các chất cảm ứng, sự kiềm chế bởi các chất trao đổi trung gian và các sản phẩm cuối cùng [85, 89, 100]

Xenlulaza có mặt trong nhóm vi sinh vật, như ở nhiều loài vi nấm, vi khuẩn

và xạ khuẩn Có ít nhất hai bước trong phân hủy xenluloza do VSV

Bước 1: Tiền thuỷ phân (prohydrolytic) Trong bước này một enzym (C1) sẽ làm trương (swell) hoặc hydrat hoá các mạch glucoza khan

Bước 2: sử dụng các enzym thủy phân (Cx) và -glucosidaza (xenlobiaza) Gilbert và Hazelwood [62] đã nghiên cứu về phức enzym của xenluloza Phức này chuyển hoá xenluloza tinh thể, vô định hình thành glucoza Glucoza sau khi giải phóng được xác định Hexokinaza/glucoza-6-photphat ở bước sóng 340 nm

37

Trong thực tế, vi sinh vật tổng hợp xenlulaza mạnh nhất trên môi trường có hàm lượng xenluloza hay chất cảm ứng thích hợp Vì vậy, sự tổng hợp xenlulaza có tính cảm ứng không chặt chẽ bởi xenluloza là cơ chất không tan, phân tử lớn, bản thân không thể thâm nhập vào tế bào để gây ra các phản ứng sinh hoá Theo Gilbert

và Hazelwood [62], xenluloza không phải là chất cảm ứng trực tiếp mà khi ở ngoài môi trường chúng bị thuỷ phân bởi một lượng nhỏ enzym cấu trúc thành xenlobioza; Chất này có thể thấm vào tế bào qua màng và được coi là chất cảm ứng sinh lý, nhưng nếu nồng độ xenlobioza cao thì sẽ kìm hãm tổng hợp xenlulaza Nhằm mục đích thu được nguồn enzym cao, thường sử dụng các cơ chất không dễ thuỷ phân như: bã mía, rơm rạ, giấy loại [65, 67] hoặc có thể nuôi kết hợp với các vi sinh vật đồng hoá tốt xenluloza

lên men hydro do loài Bacillus cellulosae hydrogenicus và lên men metan do

Bacillus cellulosae metanicus; chúng là vi khuẩn ưa ấm với nhiệt độ sinh trưởng tối

ưu 30-350C [4, 7] Đầu thế kỷ XX, các nhà khoa học cũng đã phân lập được các vi khuẩn hiếu khí ưa ấm, ưa nhiệt cũng có khả năng này [40, 47] Đến nay hàng loạt các công trình nghiên cứu cho thấy rất nhiều VSV có khả năng phân giải xenluloza

Trong điều kiện kỵ khí có các loài vi khuẩn phân giải xenluloza (điển hình

là các vi khuẩn trong dạ cỏ của động vật nhai lại) như: Clostridium, Ruminococcus

flavofeciens, Bacteroides succienpgennes [4, 7, 12, 24, 39]…Trong điều kiện hiếu

38

khí có các loài phân giải xenluloza ưa ấm hoặc ưa nhiệt như: Pseudomonas

fluorescens [48, 62, 65], Cellulomonas fimi (tạo thành 10 endogluconaza) [89], Bacillus subtilis (tổng hợp một endogluconaza giống ở nấm), Cellvibrio, Azotobacter, Flavobacterium, Archromobacter, Bacillus pumilus [4, 7, 12, 24,

80]…Trong các vi khuẩn hiếu khí phân giải xenluloza, niêm vi khuẩn là quan trọng

nhất, thường có dạng hình que nhỏ, hơi uốn cong, có thành tế bào mỏng, bắt màu

thuốc nhuộm kém, chủ yếu ở các chi Cytophaga, Sporocytophaga và Sorangium

Niêm vi khuẩn nhận năng lượng khi oxy hoá các sản phẩm của quá trình phân giải xenluloza thành CO2 và H2O [47, 48]

* Xạ khuẩn

Xạ khuẩn phân giải xenluloza được tìm thấy trong tất cả các loại đất, mùn rác và những nơi có chứa xenluloza, xenlulaza của xạ khuẩn là enzym ngoại bào Kết quả phân lập cho thấy xạ khuẩn có mặt trong tất cả các mẫu mùn rác ở các mùa trong năm, số lượng xạ khuẩn phụ thuộc vào loại đất và tính chất của đất [4, 24, 32]

Xạ khuẩn là nhóm vi khuẩn đặc biệt, kích thước tế bào nhỏ như vi khuẩn nhưng đặc trưng bởi sự phân nhánh, đa số sống trong đất, Gram (+) và hiếu khí Dựa vào đặc điểm nhiệt độ sinh trưởng, người ta chia xạ khuẩn thành hai dạng: + Xạ khuẩn ưa ấm: Sinh trưởng tốt ở nhiệt độ 25-37oC

+ Xạ khuẩn ưa nhiệt: Sinh trưởng tốt ở nhiệt độ 45-70oC

Các nhóm xạ khuẩn phân giải xenluloza chính: Streptomyces, Nocardia,

Thermoactinomyces, Thermomonospora, Micromonospora…[4, 23, 32, 44, 67]

* Nấm sợi

Nấm sợi phân giải xenluloza mạnh hơn vi khuẩn vì chúng tiết vào môi trường lượng enzym ngoại bào nhiều hơn vi khuẩn Vi khuẩn thường tiết vào môi trường phức hệ xenlulaza không hoàn chỉnh, thuỷ phân được cơ chất đã cải biến như giấy lọc và CMC còn nấm tiết hệ xenlulaza hoàn chỉnh nên có thể thuỷ phân xenluloza hoàn toàn

39

Các loài nấm được nghiên cứu nhiều là: Trichoderma reesei, Aspergillus,

Verticillium, T viride, Fusarium solanii, Penicillium pinophinum, Phanerochatae chrysosporium, Sporotrichum pulverulentum và Sclerotium rolfs [48, 49, 98, 100]

Nấm sinh trưởng và sản xuất xenlulaza mạnh khi độ ẩm cao và ở nhiệt độ 20- 300C, pH 3,5- 6,6 Nấm thường phân hủy xenluloza ở giai đoạn cuối của quá trình ủ, khi nhiệt độ đống ủ đã giảm xuống Tuy nhiên có một số nấm ưa nhiệt (40-

450C) có thể tổng hợp các enzym chịu nhiệt; chúng sinh trưởng nhanh và phân giải xenluloza nhưng hoạt tính xenlulaza của dịch lọc lại thấp [40, 61]

1.2.2 Vi sinh vật thủy phân tinh bột

1.2.2.1 Cấu trúc của tinh bột

Trong tự nhiên, tinh bột tồn tại dưới dạng các hạt có kích thước 0,002- 0,12

mm phụ thuộc vào nguồn gốc tinh bột Ngoài cùng của hạt tinh bột là lớp vỏ xenluloza chứa ít nước nên bền với tác động bên ngoài, bên trong là lớp tinh bột Với cấu trúc này tinh bột ít chịu ảnh hưởng của axit hoặc enzym Khi phá vỡ cấu trúc này bằng nhiệt thì các hạt tinh bột hấp thụ nước, phồng lên, dính vào nhau làm

độ nhớt tăng và gây hiện tượng hồ hoá Nếu xử lý nhiệt lâu hơn, hạt tinh bột sẽ bị phân cắt do tác dụng thuỷ phân từng phần và hoà tan một phần các phân tử cấu thành tinh bột, độ nhớt của dung dịch giảm xuống

Hình 1.5 Cấu trúc của

tinh bột Hình 1.6 Cấu trúc mạch amyloza Hình 1.7 Cấu trúc mạch amylopectin Đại phân tử tinh bột được tạo thành từ nhiều lớp đồng tâm: lớp ngoài là amylopectin, lớp trong là amyloza Hai thành phần amyloza và amylopectin có tỷ lệ

dễ tan trong nước ấm, tạo nên dung dịch có độ nhớt không cao và không bền khi nhiệt độ hạ thấp [theo 7, 16]

Các dung dịch đậm đặc của amyloza nhanh chóng tạo nên dạng gel vô định hình, cứng, rắn hoặc co giãn, sau đó tạo thành tinh thể và kết tủa không thuận nghịch Amyloza có xu hướng kết tinh vì nó có cấu tạo đơn giản, không cồng kềnh

về mặt lập thể, tốc độ phân huỷ phụ thuộc vào pH, nồng độ, khối lượng phân tử và

sự có mặt của các ion [59, 60, 81, 82]

Amylopectin có khối lượng phân tử 500.000-1.000.000 kDa, được cấu tạo bởi các gốc glucoza liên kết với nhau bằng cả kiên kết -1,4 glycozit và -1,6 glycozit Một số nghiên cứu cho thấy trong phân tử cũng có cả liên kết -1,3 glycozit Cấu trúc phân tử của nó bao gồm một mạch nhánh trung tâm (chứa liên kết

-1,4 glycozit) từ đó phát ra các nhánh phụ có chiều dài vài chục gốc glucoza Điểm phân nhánh có liên kết -1,6 glycozit Vì nó có cấu trúc mạch nhánh nên phân tử không tạo thành dạng xoắn ốc như amyloza [theo 7, 16]

Khi phản ứng với iot, amylopectin cho màu đỏ nâu (do kết quả của sự hình thành nên các hợp chất hấp phụ) Dung dịch amylopectin không có xu hướng kết tinh nên có khả năng giữ nước Khác với dung dịch amyloza, amylopetin có độ nhớt cao và bền hơn Cả hai thành phần này đều được cấu tạo từ các đơn vị -D-glucoza qua liên kết 1-4 và 1-6 glycozit Tinh bột không hoà tan trong nước lạnh nhưng bị

hồ hoá khi đun nóng đến 60-80oC Dưới tác dụng của enzym amylaza hoặc axit mạnh, các liên kết glycozit bị phá huỷ để tạo thành phân tử thấp hơn Sự thuỷ phân xảy ra ở hai mức độ là dịch hoá và đường hoá Sản phẩm chủ yếu của dịch hoá tinh bột là các polyglucoza tương ứng (dextrin), còn sản phẩm của đường hoá là glucoza hoặc maltoza [15, 41]

41

1.2.2.2 Enzym thuỷ phân tinh bột

Amylaza rất phổ biến ở vi sinh vật, thuộc nhóm enzym xúc tác cho sự phân giải liên kết nội phân tử trong polysacarit với sự tham gia của nước Cơ chất của amylaza là tinh bột và glycogen, theo tính chất và cách tác dụng lên tinh bột, phân biệt amylaza thành các loại: -amylaza, -amylaza, glucoamylaza và oligo 1-6 glucozidaza [37, 89, 114]

* -Amylaza (-1,4 glucan-glucanhydrolaza )

-amylaza từ các nguồn khác nhau có nhiều điểm giống nhau Phân tử lượng của các -amylaza từ các nguồn khác nhau xấp xỉ 40.000 kDa -amylaza có khả năng phân cắt các liên kết -1,4 glycozit nằm phía bên trong phân tử cơ chất một cách ngẫu nhiên không tuân theo trình tự nào Liên kết -1,6 glycozit không bị thuỷ phân sẽ phong toả các liên kết -1,4 gần nó, làm cho -amylaza không được tác dụng, vì thế với amylopectin thì sản phẩm tạo ra là các dextrin chứa cả liên kết -1,4 và -1,6 glycozit

Khi tác dụng lên tinh bột, enzym này giải phóng glucoza ở dạng amutanmer nên được gọi là -amylaza -amylaza có khả năng thuỷ phân tinh bột

-và thuỷ phân bột thô Quá trình thuỷ phân tinh bột gồm nhiều giai đoạn khác nhau Thông thường thì -amylaza chỉ thuỷ phân tinh bột thành các phân tử dextrin có khối lượng phân tử thấp (không cho màu xanh với iot) và một ít maltoza -amylaza

dễ tan trong nước, trong các dung dịch muối và rượu loãng Các protein -amylaza

có tính chất axit béo và tính chất của globulin, điểm đẳng điện nằm trong phạm vi vùng 4,2- 5,7 [theo 7, 16, 96]

-amylaza là một metalo enzym trong phân tử có chứa ion canxi, khi tách hoàn toàn Ca2+ ra khỏi phân tử thì enzym bị mất hết khả năng thuỷ phân cơ chất vì

Ca2+ tham gia vào sự hình thành và ổn định cấu trúc bậc III và duy trì cấu hình của enzym -amylaza bền nhiệt hơn so với các amylaza khác, tất cả các - amylaza đều bị kìm hãm bởi ion kim loại nặng như Cu2+, Hg2+, Ag2+ Một loạt các ion kim loại như Li+, Na+, Mg2+, Cr3+, Mn2+, Co2+, Sn2+, Cd2+ không có ảnh hưởng đến -

* -Amylaza (-1,4 Glucan maltohydrolaza)

-Amylaza xúc tác thuỷ phân liên kết 1-4 glycozit trong tinh bột, glycogen

và polysacarit đồng loại, phân cắt tuần tự gốc glucoza từ đầu không khử của mạch

-amylaza hầu như không thuỷ phân hạt tinh bột nguyên vẹn mà thuỷ phân mạnh

mẽ hồ tinh bột -amylaza phân giải 100% amyloza thành matoza và phân giải 55% amylopectin thành matoza Matoza tạo thành có cấu hình , vì thế enzym tương ứng được gọi là -amylaza -Amylaza có trung tâm xúc tác chứa các nhóm -

54-SH và COOH cùng với đường imidazol của gốc histidin [Theo 7, 16, 55]

-Amylaza hoạt động tối thích ở pH 4,6 và nhiệt độ 10-50oC, bị bất hoạt ở

70oC Khác với -amylaza, nó liên kết rất bền khi không có mặt Ca2+ -amylaza bị kìm hãm hoàn toàn bởi Cu2+, Hg+, iot, ozon… [Theo 7, 82, 91]

Hình 1.8 Mô hình cấu trúc phân tử bậc

II của -amylaza

Hình 1.9 Mô hình cấu trúc phân tử bậc

IIcủa -amylaza

Glucoamylaza là một exoenzym, thuỷ phân liên kết 1-4 glycozit trong phân

tử polysacarit, tách tuần tự từng gốc glucoza khởi đầu không khử của mạch Nó cũng thuỷ phân liên kết -1,6 glucozit và -1,3, chịu ảnh hưởng của kích cỡ cấu