phân lập tuyển chọn một số chủng vi sinh vật để xử lý phụ phẩm nông nghiệp tạo nguồn phân bón hữu cơ ở hà nam

BỘ GIÁO DỤC ĐÀO TẠO BỘ NÔNG NGHIỆP VÀ PTNT HỌC VIỆN NÔNG NGHIỆP VIỆT NAM --- ---NGUYỄN HỒNG THÁI PHÂN LẬP TUYỂN CHỌN MỘT SỐ CHỦNG VI SINH VẬT ĐỂ XỬ LÝ PHỤ PHẨM NÔNG NGHIỆP TẠO NGUỒN

BỘ GIÁO DỤC ĐÀO TẠO BỘ NÔNG NGHIỆP VÀ PTNT

HỌC VIỆN NÔNG NGHIỆP VIỆT NAM

-

-NGUYỄN HỒNG THÁI

PHÂN LẬP TUYỂN CHỌN MỘT SỐ CHỦNG VI SINH VẬT

ĐỂ XỬ LÝ PHỤ PHẨM NÔNG NGHIỆP TẠO NGUỒN

PHÂN BÓN HỮU CƠ Ở HÀ NAM

LUẬN VĂN THẠC SĨ

HÀ NỘI – NĂM 2015

BỘ GIÁO DỤC ĐÀO TẠO BỘ NÔNG NGHIỆP VÀ PTNT

HỌC VIỆN NÔNG NGHIỆP VIỆT NAM

-

-NGUYỄN HỒNG THÁI

PHÂN LẬP TUYỂN CHỌN MỘT SỐ CHỦNG VI SINH VẬT

ĐỂ XỬ LÝ PHỤ PHẨM NÔNG NGHIỆP TẠO NGUỒN

PHÂN BÓN HỮU CƠ Ở HÀ NAM

CHUYÊN NGÀNH: KHOA HỌC MÔI TRƯỜNG

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của bản thân, được xuất phát từ nhiệm vụ khoa học của Chương trình HTQT về KH&CN theo Nghị Định Thư giữa Việt Nam – Hungary, được sự đồng ý của chủ nhiệm dự án đồng thời là giáo viên hướng dẫn – TS Phạm Ngọc Tuấn, Trưởng phòng Nghiên cứu phân bón

và các chế phẩm nông hóa, Trung tâm Nghiên cứu Phân bón và Dinh dưỡng cây trồng, Viện Thổ nhưỡng Nông hóa Các số liệu có nguồn gốc rõ ràng, tuân thủ đúng nguyên tắc và kết quả trình bày trong luận văn được thu thập trong quá trình nghiên cứu một cách trung thực, chưa từng được ai công bố trước đây

Hà Nội, ngày tháng năm 2015

Tác giả luận văn

Nguyễn Hồng Thái

LỜI CẢM ƠN

Luận văn này được thực hiện tại phòng thí nghiệm Bộ môn Vi sinh vật – Viện Thổ Nhưỡng Nông Hóa, phòng thí nghiệm Bộ môn Vi sinh vật – Khoa Môi trường, Học viện Nông nghiệp Việt Nam và được thử nghiệm tại xã Hoàng Tây, Kim Bảng, Hà Nam Để hoàn thành luận văn, tôi đã nhận được rất nhiều sự động viên, giúp đỡ

Trước hết, xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến TS Phạm Ngọc Tuấn và TS Đinh Hồng Duyên đã tận tình hướng dẫn tôi trong thời gian thực hiện luận văn Xin bày tỏ lòng biết ơn chân thành tới anh chị em đồng nghiệp, các thầy cô trong bộ môn Vi sinh vật, Viện Thổ nhưỡng nông hóa và bộ môn Vi sinh vật, Khoa Môi trường, Học Viện Nông nghiệp Việt Nam đã giúp đỡ rất nhiều trong thời gian nghiên cứu tại phòng thí nghiệm

Xin bày tỏ lòng biết ơn chân thành tới các thầy cô giáo đã truyền đạt cho tôi những kiến thức quý báu trong suốt khóa học

Sau cùng tôi xin gửi lời biết ơn sâu sắc đến gia đình, bạn bè, đồng nghiệp

đã luôn động viên và hỗ trợ tôi trong quá trình học cũng như thực hiện luận văn

Do thời gian có hạn và kinh nghiệm nghiên cứu khoa học chưa nhiều nên chắc chắn luận văn còn nhiều thiếu sót, vì vậy rất mong nhận được góp ý của Thầy/Cô

Trân trọng!

Hà Nội, ngày tháng năm 2015

Tác giả luận văn

Nguyễn Hồng Thái

1.3.3 Một số yếu tố lý hóa học ảnh hưởng đến sự sinh trưởng, phát

triển và sinh enzyme của vi sinh vật 18 1.4 Kết quả nghiên cứu và ứng dụng vi sinh vật trong xử lý phụ phẩm nông

nghiệp làm phân bón trên thế giới và ở Việt Nam 21

2.2.1 Phân lập, tuyển chọn một số chủng vi sinh vật có khả năng phân giải xenlulo từ mẫu đất và phụ phẩm nông nghiệp thu thập 29 2.2.2 Đánh giá đặc tính sinh học của các chủng vi sinh vật được tuyển chọn 29 2.2.3 Nghiên cứu lựa chọn chất mang, sản xuất chế phẩm và đánh giá

chất lượng chế phẩm theo TCVN 6168:2002 30 2.2.4 Thử nghiệm xử lý phụ phẩm nông nghiệp tại ruộng bằng chế phẩm

VSV tạo nguồn phân bón hữu cơ cho cây trồng ở tỉnh Hà Nam 30

2.4.2.2 Phương pháp phân lập vi sinh vật từ mẫu phế thải 32 2.4.2.3 Phương pháp xác định thời gian nuôi cấy của các chủng VSV 32 2.4.2.4 Phương pháp xác định hình thái, kích thước khuẩn lạc và hình thái VSV (Benson, 2001) 32 2.4.2.5 Phương pháp xác định hoạt tính enzyme ngoại bào 33

2.4.2.8 Phương pháp đánh giá khả năng gây bệnh lên thực vật

2.4.2.9 Phương pháp xác định ảnh hưởng của nhiệt độ nuôi cấy 34 2.4.2.10 Phương pháp xác định ảnh hưởng của pH ban đầu 34 2.4.2.11 Phương pháp nghiên cứu lựa chọn chất mang 34 2.4.2.12 Phương pháp đánh giá tính đối kháng giữa các chủng vi

2.4.2.13 Phương pháp nhân sinh khối riêng sản xuất chế phẩm 35 2.4.2.14 Phương pháp kiểm tra mật độ tế bào vi sinh vật 36 2.4.2.15 Các phương pháp lý hóa học đánh giá chất lượng đống

3.1 Phân lập và tuyển chọn vi sinh vật từ các mẫu thu thập 39

3.1.2 Tuyển chọn bước đầu các chủng vi sinh vật phân lập được 42 3.2 Đặc tính sinh học, mức độ an toàn sinh học và sơ bộ định danh các

3.2.1 Hình thái, kích thước của các chủng VSV tuyển chọn 45

3.2.3 Đánh giá khả năng gây bệnh lên thực vật của các chủng VSV

3.2.4 Đánh giá khả năng thích ứng với pH của các chủng VSV 50

3.2.5 Đánh giá khả năng thích ứng với nhiệt độ của các chủng VSV 52

3.4.3 Bước đầu tính toán hiệu quả kinh tế, xã hội và môi trường của

việc xử lý rơm rạ thành phân hữu cơ bằng chế phẩm VNBac 70

PHỤ LỤC 1: THÀNH PHẦN CÁC MÔI TRƯỜNG SỬ DỤNG TRONG ĐỀ TÀI 83

PHỤ LỤC 3: KẾT QUẢ THỰC HIỆN Ủ PHỤ PHẨM QUY MÔ TRÌNH DIỄN, HÌNH ẢNH CÁC ĐỐNG Ủ THÍ NGHIỆM SO SÁNH HIỆU QUẢ CỦA CÁC CHẾ PHẨM TẠI TỈNH HÀ NAM 86

DANH MỤC BẢNG

1.2 Khối lượng một số nguồn phụ phẩm nông nghiệp chính ở Việt Nam

1.3 Sản lượng gạo và lượng phế thải rơm rạ sau thu hoạch ở một số quốc gia, vùng lãnh thổ sản xuất gạo chính trên thế giới 5 1.4 Diện tích canh tác, năng suất, sản lượng ngô qua các năm trên toàn quốc

3.1 Số lượng chủng vi sinh vật có khả năng phân giải xenlulo được phân

3.2 Mô tả hình thái các chủng VSV phân giải xenlulo được phân lập 41 3.3 Một số đặc tính sinh học của 38 chủng vi sinh vật phân lập 43 3.4 Ảnh hưởng của các môi trường nuôi cấy đến khả năng sinh trưởng

và sinh enzyme ngoại bào của các chủng V5, V9; X6, X8 48 3.5 Ảnh hưởng của pH môi trường nuôi cấy đến khả năng sinh trưởng và sinh enzyme ngoại bào của các chủng V5, V9; X6, X8 51 3.6 Ảnh hưởng của nhiệt độ môi trường đến khả năng sinh trưởng và

sinh enzyme ngoại bào của các chủng V5, V9; X6, X8 52 3.7 Mật độ tế bào và hoạt tính xenlulaza của các chủng vi sinh vật trong

chất mang sau khi sản xuất và sau 6 tháng bảo quản 55

3.9 Kiểm tra chất lượng chế phẩm EMINA và BactoFil C trước khi sử

3.11 Kết quả phân tích chỉ tiêu lí-hóa các đống ủ trước và sau 35 ngày ủ 66 3.12 Chi phí để xử lý 1 tấn rơm rạ bằng chế phẩm của đề tài 71 3.13 Lượng khí thải vào môi trường trung bình khi đốt 1 tấn rơm rạ 73

DANH MỤC HÌNH, ĐỒ THỊ

2.1 Địa điểm lấy mẫu đất và phụ phẩm hoai mục trên các tỉnh thành 31

3.1 Các bước phân lập, tuyển chọn và lưu giữ chủng vi sinh vật 39

3.4 Vết thương gây ra trên căn hành tây của các chủng V5, V9, X6, X8 50 3.5 Hình ảnh minh họa khả năng tồn tại cùng nhau của các chủng vi sinh

3.7 Quy trình xử lý rơm rạ ngoài đồng ruộng – đống ủ thí nghiệm (khối

3.9 Quy trình xử lý rơm rạ ngoài đồng ruộng – đống ủ mô hình (khối

3.10 Quá trình làm mô hình trình diễn xử lý phụ phẩm bằng chế phẩm

MMTCE Million Metric Tons of Carbon Equivalent

MỞ ĐẦU

Trải qua gần 30 năm đổi mới, Việt Nam vẫn cơ bản là một nước nông nghiệp với khoảng 3/4 dân số sống phụ thuộc vào ngành này Sản phẩm có ích thu được từ trồng trọt thường chỉ chiếm phần nhỏ so với toàn bộ sinh khối tạo ra bởi cây trồng Do đó, lượng phụ phẩm nông nghiệp hàng năm để lại trên đồng ruộng lên tới hàng chục triệu tấn, đủ mọi thành phần như: rơm rạ, thân lá ngô, vỏ, rễ cây,

lá mía, thân cây đậu tương,…

Ở hầu hết các vùng nông thôn hiện nay, phụ phẩm sau thu hoạch đang sử dụng kém hiệu quả Một phần bị đốt gây ô nhiễm môi trường, một phần đổ thẳng xuống các mương rãnh làm ô nhiễm, tắc nghẽn nguồn nước, một phần để lại trên mặt ruộng là ổ sâu bệnh hại cây trồng phát triển, trong khi đất đai canh tác lâu năm

có nguy cơ bị thoái hóa rất cao, bị thiếu chất dinh dưỡng trầm trọng hậu quả của một nền nông nghiệp thâm canh không bền vững

Phụ phẩm nông nghiệp như rơm rạ, lá mía có chứa một lượng dinh dưỡng khá lớn, nếu được tái sử dụng lại sẽ rất có ích cho cây trồng Vì vậy, việc phân hủy các nguồn phế thải từ thiên nhiên nói chung rất quan trọng và cần được duy trì thường xuyên, nó vừa giúp bảo vệ môi trường đồng thời tạo ra nguồn phân hữu cơ cung cấp tại chỗ cho cây trồng, giải quyết đáng kể sự thiếu hụt về phân hữu cơ; giảm chi phí phân bón cho người dân

Phụ phẩm nông nghiệp có chứa hàm lượng xenlulo cao, có thời gian phân hủy

tự nhiên từ 3 – 6 tháng hoặc lâu hơn, gây ứ đọng từ đó làm ảnh hưởng nghiêm trọng đến môi trường nông nghiệp và nông thôn (Nguyễn Xuân Thành và cs., 2003)

Trong những năm gần đây, nhờ sự quan tâm đầu tư của Nhà nước cho nông nghiệp nên đã có nhiều đề tài lớn cấp Bộ, cấp Nhà nước và một số đề tài chuyển giao Khoa học công nghệ về phân lập, tuyển chọn vi sinh vật, ứng dụng trong xử lý phụ phẩm nông nghiệp được thực hiện Tuy nhiên, tình trạng chung của nghiên cứu khoa học hiện nay là các nghiên cứu thường tiến hành độc lập và thiếu tính liên kết

Sự lặp đi lặp lại của nhiều công trình nghiên cứu và hầu hết trong số đó không mang lại hiệu quả thực tiễn như mong đợi Việc tìm hiểu công nghệ mới để chọn ra một tổ

hợp vi sinh vật thích hợp nhằm rút ngắn thời gian phân hủy phụ phẩm nông nghiệp tạo nguồn phân bón hữu cơ trực tiếp cho cây trồng là việc làm có ý nghĩa trong sản

xuất nông nghiệp Xuất phát từ nhu cầu đó, đề tài “Phân lập tuyển chọn một số chủng vi sinh vật để xử lý phụ phẩm nông nghiệp tạo nguồn phân bón hữu cơ

ở Hà Nam” là thực sự cần thiết mở ra nhiều triển vọng giải quyết vấn đề vừa nêu

Đề tài được phát triển từ một phần của nhiệm vụ Hợp tác Quốc tế về Khoa học công nghệ do Trung tâm Khoa học công nghệ Phát triển nông nghiệp và Miền núi thực hiện theo Nghị định thư giữa Việt Nam – Hungary

Yêu cầu của đề tài

- Lấy mẫu phụ phẩm, mẫu đất chứa phụ phẩm đã hoai mục để phân lập VSV

- Đánh giá các đặc tính sinh học để lựa chọn được các chủng VSV có khả năng phân giải mạnh xenluloza, CMCaza để sản xuất chế phẩm

- Lựa chọn được chất mang phù hợp, sản xuất chế phẩm và thử nghiệm hiệu quả của chế phẩm VSV, so sánh với đối chứng và một số loại chế phẩm khác trên thị trường thông qua theo dõi các chỉ tiêu đống ủ

- Các thí nghiệm cần được lặp lại, số liệu cần được ghi chép rõ ràng, cẩn thận

và thường xuyên chụp ảnh quá trình thực hiện đề tài để làm tư liệu minh họa

Chương 1 TỔNG QUAN TÀI LIỆU

1.1 Phụ phẩm nông nghiệp ở Việt Nam

1.1.1 Các khái niệm

Khái niệm chất thải rắn:

Theo Nguyễn Xuân Thành và cs., 2003: chất thải rắn là toàn bộ các loại vật chất được con người loại bỏ trong các hoạt động kinh tế – xã hội của mình (bao gồm các hoạt động sản xuất, hoạt động sống, duy trì sự tồn tại của cộng đồng…) trong đó quan trọng nhất là các loại chất thải sinh ra từ hoạt động sản xuất và hoạt động sống

Theo Luật Bảo vệ môi trường 2014: chất thải rắn là vật thể ở thể rắn được thải ra từ sản xuất, kinh doanh, dịch vụ, sinh hoạt hoặc các hoạt động khác

Khái niệm chất thải nông nghiệp:

Là chất thải phát sinh từ các hoạt động sản xuất nông nghiệp như: trồng trọt, thu hoạch, bảo quản và sơ chế nông sản, chăn nuôi, giết mổ… Hiện tại việc quản lý và xả các loại chất thải nông nghiệp không thuộc về trách nhiệm của các công ty môi trường đô thị các địa phương (Nguyễn Xuân Thành và cs., 2005)

1.1.2 Khối lượng và thành phần một số loại phụ phẩm nông nghiệp chính

Việt Nam là nước nông nghiệp, nguồn phế thải sau thu hoạch rất lớn với nguồn gốc rất đa dạng Hiện nay, mỗi năm hoạt động nông nghiệp trong nước thải

ra hàng chục triệu tấn phụ phẩm Ở miền Bắc, nguồn phụ phẩm nông nghiệp phát sinh chủ yếu từ canh tác các loại cây lương thực ngắn ngày (lúa, ngô, mía, đậu tương, rau màu ), ở miền Nam lại chủ yếu là phụ phẩm từ trồng lúa, các cây công nghiệp dài ngày (cà phê, điều, hồ tiêu )

Trước đây khi đời sống còn khó khăn, phụ phẩm nông nghiệp được bà con tận dụng gần như hoàn toàn Cùng với sự phát triển của xã hội là đời sống nhân dân được cải thiện, những năm gần đây xảy ra tình trạng phụ phẩm bị đốt tràn lan ngay tại ruộng Đây là việc làm gây lãng phí và ô nhiễm không khí trầm trọng

Khối lượng phụ phẩm nông nghiệp ở nước ta (bảng 1.2) được tính toán dựa trên điều tra khối lượng thực tế của từng loại phụ phẩm trên 1 đơn vị diện tích, sau

đó nhân với diện tích gieo trồng hàng năm đã được thống kê (bảng 1.1)

Bảng 1.1 Diện tích gieo trồng một số cây hàng năm đến năm 2013 Loại cây

Bảng 1.2 Khối lượng một số nguồn phụ phẩm nông nghiệp chính ở

Việt Nam năm 2013

(Triệu ha)

Sản lượng (Triệu tấn)

Khối lượng phụ phẩm (Triệu tấn)

Như vậy, lượng phụ phẩm nông nghiệp ở Việt Nam tính đến năm 2013 rất lớn, đạt xấp xỉ 40 triệu tấn chất khô/năm, trong đó rơm lúa chiếm đến 34,38 triệu tấn khô/năm (bằng 86,88%)

Theo tính toán tương đối chính xác của các chuyên gia về chăn nuôi ở Học viện Nông nghiệp Việt Nam, nếu nguồn phụ phẩm nông nghiệp được chế biến và

sử dụng hiệu quả thì với khối lượng như thế này đủ nuôi đàn trâu, bò khoảng 7,78 triệu con trong 1,5 – 2 năm mà không phải đầu tư để trồng thêm cây thức ăn gia súc (Nguyễn Xuân Trạch, 2004)

Vì vậy việc sử dụng các chủng VSV có khả năng phân giải các chất xơ sợi

để phân huỷ rơm rạ, phế thải rau, quả thành mùn và tái chế thành phân hữu cơ sẽ nâng cao hiệu quả sử dụng phụ phẩm, tránh lãng phí đồng thời trả lại nguồn dinh dưỡng mất đi hàng năm cho đất trồng

a Rơm rạ

Theo số liệu công bố năm 2014 của Bộ NN và PTNT, Việt Nam vẫn có khoảng 10 triệu hộ dân sống ở khu vực nông thôn, 70% dân số tham gia sản xuất nông nghiệp và cây lúa là cây trồng chính Lượng rơm rạ tạo ra sau thu hoạch nhiều thứ 2 Đông Nam Á sau Indonesia, bằng 20 và 25% so với hai quốc gia sản xuất lúa gạo lớn nhất thế giới là Trung Quốc và Ấn Độ

Bảng 1.3 Sản lượng gạo và lượng phế thải rơm rạ sau thu hoạch ở một số

quốc gia, vùng lãnh thổ sản xuất gạo chính trên thế giới

Theo Nguyễn Xuân Thành và cs., (2005) thành phần chính của rơm rạ là xenlulo Nếu tính theo trọng lượng khô thì trong rơm có: 35 – 36% xenlulo; 3 – 4,5% chất đạm; 1,2 – 2% chất béo; 30% các dẫn xuất không chứa đạm; 14 – 15% chất khoáng; và cứ trung bình khi thu được 1 kg thóc thì để lại tới 0,8 kg rơm rạ khô Như vậy, rơm rạ là nhóm phụ phẩm giàu chất xơ và nghèo chất đạm nên rất khó phân hủy tự nhiên và có giá trị dinh dưỡng thấp Vì vậy, việc sử dụng các chủng vi sinh vật có khả năng phân giải các chất xơ sợi để phân hủy rơm rạ thành mùn và tái chế thành phân hữu cơ bón trả lại cho cây trồng sẽ nâng cao hiệu quả

sử dụng rơm rạ

b Thân, lá cây ngô

Cây ngô là loại cây lương thực quan trọng thứ 2 ở Việt Nam sau cây lúa gạo và vai trò của nó cũng quan trọng không kém, đặc biệt đối với những vùng miền núi, vùng sâu vùng xa nơi mà điều kiện khí hậu, thổ nhưỡng thường chỉ phù hợp với cây ngô Sản phẩm từ ngô được sử dụng khá rộng rãi, một phần nhỏ để làm lương thực – lương thực dự trữ, phần lớn được sử dụng để chế biến làm thức

ăn cho gia súc, gia cầm

Bảng 1.4 Diện tích canh tác, năng suất, sản lượng ngô qua các năm trên

lần và đẩy sản lượng ngô của năm 2013 lên xấp xỉ 2,6 lần so với năm 2000 Hiện cả nước có hơn 1,7 triệu ha trồng ngô và xu hướng vẫn tiếp tục tăng trong tương lai do nhu cầu rất lớn về nguồn thức ăn chăn nuôi phục vụ trong nước và xuất khẩu

Nguyễn Xuân Bá (2004) khi “Đánh giá về tiềm năng giá trị dinh dưỡng của một số thức ăn không truyền thống cho trâu bò ở miền Trung Việt Nam” đã kết luận: cứ 1ha trồng ngô sau thu hoạch để lại khoảng 3,1 tấn phụ phẩm và phụ phẩm sau thu hoạch của cây ngô có thành phần chính gồm xenlulo (~37,2%); hemixenlulo (~24,1%) và lignin (~17,8%) chứng tỏ khả năng khó phân giải của loại phụ phẩm này cũng giống như nhiều loại phụ phẩm khác Hiện nay, thân, lá

và lõi ngô được người dân sử dụng một phần làm chất đốt, thức ăn cho trâu bò, một phần nhỏ ứng dụng để trồng nấm, còn lại chủ yếu thải bỏ hoặc đốt nên tất yếu gây ô nhiễm môi trường

c Lá và phụ phẩm từ mía

Lá mía được tỉa định kì trung bình 2 lần/tháng trong suốt thời gian sinh trưởng từ khi mía cao khoảng 1,5m đến lúc thu hoạch Tỉa lá là việc làm thường xuyên trong quá trình trồng mía, nếu không được tái sử dụng đây chính là phế thải đầu tiên từ cây mía Ngọn mía là phần trên của cây mía được sử dụng để trồng lại

ở những năm đầu sau khi làm mới giống và chỉ được bỏ lại sau khoảng 3 năm Ngọn mía bao gồm 3 phần khác nhau: phần lá xanh trên cây, phần bẹ lá và phần lõi ngọn cây non Lá và ngọn mía chiếm một khối lượng lớn, từ 25 – 30% tổng sản lượng của cây mía vì thế nếu bị thải loại thì đây là phế thải chính của các vùng đất trồng mía Năng suất ngọn mía thay đổi đáng kể tùy theo giống mía, thời gian thu hoạch, điều kiện trồng và chăm sóc Thông thường ngọn mía chiếm khoảng 10 – 18% tổng sinh khối trên mặt đất của cây mía Theo lý thuyết, lượng ngọn mía thu được từ mỗi hecta mía (khoảng 21 tấn) đủ để làm nguồn thức ăn xanh cả năm cho

2 con bò trưởng thành (Nguyễn Xuân Trạch, 2004)

Trong lá, ngọn mía thì xenlulo, hemixenlulo, lignin là 3 thành phần chính Trong thời kỳ sinh trưởng phồn thịnh của mía, diện tích lá gấp 6 – 7 lần diện tích đất trồng Thành phần lá mía: hàm lượng C: 40 – 47 %; hàm lượng H: 7 – 7,3 %; hàm lượng O: 40 – 41 %, hàm lượng N: 1 – 2% (Trần Công Hạnh, 1997)

1.2 Các biện pháp xử lý phụ phẩm nông nghiệp chính hiện nay

Sự gia tăng không ngừng lượng phụ phẩm nông nghiệp trên thế giới và Việt Nam đòi hỏi chúng ta phải đưa ra những biện pháp xử lí nhanh và hiệu quả Các biện pháp chủ yếu để xử lí loại chất thải này đã và đang được áp dụng là:

1.2.1 Đốt

Đây là biện pháp khá phổ biến ở nước ta hiên nay Nguyễn Xuân Thành và cs., (2000), Lê Văn Nhương và cs., (2001) chứng minh biện pháp đốt tuy giải quyết nhanh một lượng lớn phụ phẩm ngay trên ruộng, tốn ít về công lao động nhưng lại gây ra rất nhiều vấn đề về môi trường Việc đốt phụ phẩm thường tập trung vào mùa thu hoạch (khoảng 2 – 4 tuần) nên khói bụi mù mịt bao trùm một diện tích rộng gây ra rất nhiều khó khăn phiền toái cho giao thông nông thôn Mặt khác, việc đốt phụ phẩm không tập trung còn phá hủy khu hệ vi sinh vật đất trên diện rộng, làm nhiệt độ mặt đất tăng cao gấp nhiều lần bình thường

Quá trình đốt diễn ra nhanh, dễ làm và xử lí được cùng lúc một lượng chất thải lớn nhưng ngược lại nó làm mất gần như hoàn toàn lượng N, khoảng 25% lượng P, khoảng 20% lượng K và từ 5 – 60% lượng S Lượng dinh dưỡng mất mát còn phụ thuộc vào cách thức đốt Ở những nơi mà thu hoạch đã được cơ giới hóa, hầu như tất cả rơm rạ được để lại trên đồng và được đốt nhanh chóng tại chỗ thì sự mất mát S, P, K là nhỏ Một số nơi khác rơm rạ được tập kết thành đống tại một số khu vực nhất định và đốt, vì thế tro không được rải đều trên đồng, các nguyên tố

K, Si, Ca, Mg dễ bị rửa trôi Hơn nữa, việc làm như vậy sẽ gây nên sự chuyển dịch dinh dưỡng lớn từ ngoại vi vào giữa ruộng, đôi khi là từ những thửa ruộng xung quanh vào ruộng trung tâm, làm giảm đi rất nhiều hiệu quả sử dụng tro (Danutawat và Nguyễn Thị Kim Oanh, 2007)

Nghiên cứu của tổ chức Liên hiệp lúa gạo – mỳ đồng bằng sông Ấn – Hằng (RWC) (2008) cho rằng nếu đốt tất cả rơm rạ của cả vùng đồng bằng này sẽ gây ô nhiễm môi trường vô cùng lớn vì diện tích đồng bằng Ấn – Hằng rất rộng Với diện tích canh tác là 12 triệu ha, sản lượng cây trồng chính là 10 tấn/ha, thì chỉ cần đốt một nửa lượng tàn dư cây trồng kể trên sẽ giải phóng ra khoảng 0,14 triệu tấn khí metan (0,8MMTCE/năm) Khí CO2 sinh ra do việc dùng dầu diesel để chạy máy

nông nghiệp và do quá trình đốt cháy tàn dư cây trồng hoặc rơm rạ Khí N2O sinh ra

do đốt cháy tàn dư cây trồng với ước lượng khoảng 40g N2O/tấn rơm rạ, tức là sẽ có khoảng 2.000 tấn khí N2O được phóng thích vào bầu khí quyển nếu đốt toàn bộ lượng rơm rạ kể trên (Nguyễn Công Thành, Báo Nông nghiệp Việt Nam, 07/2008)

Theo Viện Nghiên cứu lúa Quốc tế (IRRI) – Philippines, trong 1 tấn rơm

chứa 5 – 8kg đạm; 1,2kg lân; 20kg kali; 40kg silic và 400kg carbon Do vậy, đốt

bỏ rơm rạ cũng có nghĩa là đã bỏ đi một lượng dinh dưỡng cần thiết cho cây lúa (Bá Phương, Báo điện tử Đảng Cộng sản Việt Nam, 12/2013)

Torigue et al., (2000), Kang-Shin Chen et al., (2008) nhận thấy rằng biện

pháp đốt rơm rạ là biện pháp mà nông dân hiện nay vẫn thường xuyên sử dụng do cách thức đơn giản, dễ làm với chi phí thấp và giúp giảm thiểu sâu bệnh hại Tuy nhiên biện pháp này như đã nêu ở trên cũng gây ra vô số tác hại cho con người và

hệ sinh thái Vì vậy hiện nay một số nước đã ban hành luật cấm đốt phế thải nông nghiệp trên đồng ruộng, ví dụ ở Mỹ, Ấn Độ (dẫn theo Đinh Hồng Duyên, 2011)

1.2.2 Ủ làm phân bón

Ủ phân (composting): Là quá trình phân huỷ hợp chất hữu cơ tự nhiên (chủ yếu là ligno – xenluloza) bởi quần thể sinh vật (vi khuẩn, nấm, xạ khuẩn, động vật nguyên sinh,…) dưới tác động của nhiệt độ, độ ẩm, không khí tạo nên sản phẩm cuối cùng là chất mùn và chất dinh dưỡng mà cây trồng có thể hấp thụ được Ưu điểm của phương pháp là giảm thiểu ô nhiễm môi trường, tạo phân hữu cơ có tác dụng tốt cho đất và cây trồng, giá thành phù hợp với điều kiện thực tế của nước ta (Roger T.Haug, 1993)

Từ rất xa xưa, con người đã biết ủ lá cây, phân gia súc thành phân hữu cơ

để bón cho cây trồng, mang lại hiệu quả kinh tế cao, khởi nguồn ở Ai Cập (3.000 năm TrCN), tiếp đến là Trung Quốc (khoảng 2.000 năm TrCN) Người Nhật cũng

đã sử dụng compost làm phân bón từ nhiều thế kỷ Tuy nhiên trong suốt thời gian

đó, việc sản xuất và sử dụng phân ủ chỉ dựa trên những kinh nghiệm dân gian mà chưa có điều kiện nghiên cứu đầy đủ

Hutchinson và Richards (1921) là những người đầu tiên nghiên cứu về quá trình ủ phân Tuy nhiên đến năm 1943, quá trình ủ phân compost mới được nghiên

cứu một cách khoa học và báo cáo bởi Howard – một giáo sư sinh học người Anh.

Howard đã đưa ra “phương pháp hữu cơ” tức là trộn xác hữu cơ với phân gia súc

theo tỉ lệ 3:1 có đảo trộn thường xuyên Ông đã phát triển phương pháp ủ có tên là Indore trên những loại nguyên liệu khác nhau theo từng lớp và có đảo trộn để tạo điều kiện hiếu khí (dẫn theo Đinh Hồng Duyên, 2011)

Khoảng từ năm 1926 đến năm 1941, Warksman et al., đã nghiên cứu sự phân

hủy hiếu khí bã thực vật, động vật Ông đã kết luận nhiệt độ và vi sinh vật có ảnh hưởng đến sự phân hủy chất thải hữu cơ (dẫn theo Nguyễn Lân Dũng, 2000)

Ở Mỹ vào năm 1942, Rodale đã kết hợp các nghiên cứu của Howard với thực nghiệm của mình và đã đưa ra phương pháp canh tác hữu cơ Phương pháp này cũng đã được rất nhiều quốc gia trên thế giới áp dụng và thu được kết quả khá khả quan Khi áp dụng phương pháp này ở trang trại của mình, người dân Nhật Bản, Trung Quốc, Ấn Độ đều nhận thấy rằng ban đầu năng suất có giảm đi nhưng

đã ổn định sau vài năm và lợi nhuận tăng lên rõ rệt bởi đã giảm được chi phí đáng

kể khi hạn chế sử dụng hóa chất nông nghiệp

Gotass and Mc.Gaughey (1950 – 1953) đã nghiên cứu các nguyên tắc cơ

bản của phân ủ hỗn hợp rác thải và bùn cống Kết quả cho thấy các tác nhân môi trường như: nhiệt độ, độ thoáng khí, kích thước cơ chất, tần số đảo trộn đặc biệt là

tỉ lệ C/N của nguyên liệu thô có liên quan đến hiệu quả của việc ủ phân (dẫn theo Nguyễn Xuân Thành, 2003)

Tuy nhiên, Nguyễn Xuân Thành và cs., (2000) cho rằng sử dụng phương pháp ủ vùi trực tiếp rất mất thời gian vì khu hệ vi sinh vật hữu ích có sẵn trong đống

ủ thường ít nên cần một thời gian nhất định để nhân sinh khối Do đó, nếu sau khi phân lập được các chủng vi sinh vật phù hợp, tiếp tục tuyển chọn đánh giá đặc tính sinh học và nhân sinh khối rồi bổ sung vào đống ủ sẽ rút ngắn thời gian ủ và làm tăng dinh dưỡng của đống ủ

Nhìn một cách tổng thể, quá trình ủ là quá trình phân hủy sinh học các hợp chất hữu cơ nhờ nhóm vi sinh vật dị dưỡng, trong đó vai trò của hệ sinh vật phân giải xenlulo và lignin là rất quan trọng

1.2.3 Biện pháp vùi trực tiếp vào đất

Phụ phẩm sau thu hoạch thay vì gom lại rồi ủ thì được vùi trực tiếp vào đất, sau đó các vi sinh vật trong đất sẽ phân huỷ chúng để cung cấp dinh dưỡng cho cây trồng vụ sau, cải thiện các đặc tính lý hoá, sinh học của đất, nâng cao độ phì nhiêu của đất để sản xuất ổn định lâu dài

Việc vùi các phụ phẩm (rơm rạ, thân lá ngô ) có ưu điểm là tiết kiệm được lượng phân bón NPK, người nông dân không phải vận chuyển một khối lượng lớn chất thải này ra nơi xử lý nên tiết kiệm được sức lao động nhưng lại có nhược điểm là thời gian phân hủy kéo dài dẫn đến không chuẩn bị kịp lượng dinh dưỡng cần thiết cho cây trồng trước mùa vụ mới (Vũ Hữu Yêm, 1995)

Bùi Huy Hiền và cs (2005) đã nghiên cứu sử dụng phụ phẩm nông nghiệp vùi lại ruộng trong cơ cấu cây trồng có lúa nhằm nâng cao độ phì nhiêu đất, giảm

sử dụng phân khoáng khi mà giá phân bón ngày càng tăng Kết quả thực tế cho thấy đã cải thiện đáng kể độ phì nhiêu đất (về hàm lượng chất hữu cơ, đạm, lân và kali dễ tiêu, dung tích hấp thụ, thành phần cơ giới, độ xốp, độ ẩm, vi sinh vật tổng

số, vi sinh vật phân giải xenlulo, vi sinh vật phân giải lân và vi sinh vật cố định đạm), tăng năng suất 6 – 12% so với không vùi Theo tính toán, việc vùi phụ phẩm nông nghiệp có thể giúp giảm được tới 20% lượng phân đạm, lân và 30% lượng phân kali mà vẫn đảm bảo năng suất, hiệu quả kinh tế tương đương với bón đầy đủ phân chuồng và phân khoáng NPK và cao hơn 5% so với chỉ bón phân khoáng NPK, lợi nhuận tăng 5 – 12% so với không vùi phụ phẩm

Theo Danutawat và Nguyễn Thị Kim Oanh (2007) thì phụ phẩm sau thu hoạch được vùi trực tiếp vào đất, sau đó các vi sinh vật bản địa tiến hành nhân sinh khối, phân huỷ chúng để cung cấp dinh dưỡng cho cây trồng vụ sau, cải thiện các đặc tính lý hoá, sinh học của đất, nâng cao độ phì nhiêu của đất để sản xuất ổn định lâu dài Đây là việc làm không những trả lại cho đất hầu hết các nguyên tố dinh dưỡng cây trồng đã lấy đi từ đất, mà còn kiểm soát được sâu bệnh và mầm mống của nó còn sót lại trên những phế thải này

Đề tài KN 01-10-08 về “ Sử dụng hợp lý sản phẩm phụ nông nghiệp nhằm

tăng năng suất cây trồng và ổn định độ phì nhiêu của đất bạc màu” do Đỗ Thị Xô,

Nguyễn Văn Đại thực hiện năm 2008 đã chứng minh: ở công thức thí nghiệm có vùi phụ phẩm nông nghiệp đã làm tăng năng suất cây trồng từ 4 – 21% so với

công thức đối chứng; các công thức vùi phụ phẩm cả 3 vụ cho năng suất cao hơn các công thức được vùi phụ phẩm 1 vụ, từ đó có thể tiết kiệm được phân khoáng Bên cạnh những lợi ích kể trên thì việc vùi rơm rạ vào đất, nếu không thực hiện tốt sẽ gây nhiều bất lợi như: tốn thêm chi phí làm đất, không tiêu diệt triệt để mầm mống sâu bệnh hại lúa, làm chậm sự sinh trưởng và dẫn tới làm giảm năng suất lúa Ngoài ra, việc vùi rơm rạ vào đất ướt sẽ gây ra tình trạng cố định tạm thời của đạm (N) và làm tăng lượng metan (CH4) giải phóng ra trong đất, gây ra tình trạng tích luỹ khí nhà kính đồng thời gây ức chế cho hệ vi sinh vật hảo khí phân giải xenlulo và hệ vi sinh vật hữu ích của đất

1.2.4 Một số biện pháp tái sử dụng phụ phẩm khác

Sử dụng làm thức ăn chăn nuôi

Nghiên cứu của Naseeven (1989) và được Nguyễn Xuân Trạch (2004) khẳng định lại: phương pháp sử dụng phụ phẩm làm thức ăn chăn nuôi là phương pháp thay thế vững chắc hơn so với phương pháp đốt và vùi phụ phẩm vào đất, đặc biệt ở những nơi mà thức ăn gia súc khan hiếm, tuy vậy phạm vi áp dụng của phương pháp bị giới hạn ở một số loại tàn dư thực vật nhất định Phương pháp chế biến rơm rạ, thân cây bắp, ngọn mía, lá mía… bằng cách xử lý urê – vôi và dùng làm thức ăn cho gia súc có sừng (trâu, bò, dê, cừu) đã giúp tăng năng suất sữa bò thêm 10 – 15%, tăng trọng lượng hàng tháng bò thịt từ 12 – 15kg

Trước đây khi chăn nuôi quy mô hộ gia đình còn phổ biến thì phụ phẩm trong trồng trọt chủ yếu được tận dụng làm thức ăn cho gia súc, gia cầm Ở miền núi, do ngô được trồng phổ biến hơn nên người dân sử dụng thân, lá ngô để cho trâu bò ăn thay vì rơm rạ như ở khu vực đồng bằng Đây là biện pháp tích cực để tạo ra năng suất thứ cấp, góp phần tạo thu nhập thêm cho nông dân Tuy nhiên, việc tận dụng này lại là một trong những nguyên nhân trực tiếp gây thiếu dinh dưỡng cho đất trồng

Hiện nay, do chăn nuôi phát triển theo hướng công nghiệp, thực vật được

sử dụng làm thức ăn ngày càng ít mà chủ yếu bỏ lại trên ruộng Ngoài ra, biện pháp không áp dụng được cho lượng phế thải lớn ngành gỗ, cụ thể là mùn cưa

Biện pháp sử dụng phụ phẩm để trồng nấm ăn và nấm dược liệu

Một số loại phụ phẩm nông nghiệp ngày nay được xử lí theo các phương

pháp khác nhau để sử dụng cho trồng nấm thương phẩm Từ khi phát hiện ra công

dụng to lớn của các loại nấm ăn và nấm dược liệu, người ta cũng biết được rằng có thể nuôi trồng chúng nhân tạo trên các thân cây chết trong vườn nhà hay trên các phế thải như mùn cưa Theo thời gian, cùng với sự phát triển của xã hội thì cây nấm cũng được các nhà khoa học nghiên cứu nhiều hơn Nhiều loại nấm mới được tìm ra và từng bước đưa vào sản xuất đại trà Các loại phụ phẩm khác nhau được người dân sử dụng để trồng nấm như: rơm, mùn cưa để trồng nấm rơm, nấm sò; mùn cưa, lõi ngô để trồng nấm Linh chi, nấm mỡ, mộc nhĩ…

Theo Nguyễn Hữu Đống và cs., 2003 đây là một hướng tận dụng khá hiệu quả vừa đem lại nguồn thu không nhỏ, vừa giảm phát thải chất thải rắn hữu cơ vào môi trường Tồn tại lớn nhất của phương pháp là chưa đánh giá được tính an toàn sinh học, quy trình xử lý triệt để bã thải sau thu hoạch nấm Tuy công nghệ nuôi trồng nấm chỉ mới phát triển dưới dạng trào lưu tự phát và còn khá mới ở nhiều nước trong đó có Việt Nam nhưng đã mở ra triển vọng rất lớn cho ngành sản xuất

và chế biến nấm trên thế giới nói chung và ở Việt Nam nói riêng

1.3 Cơ sở khoa học của quá trình phân giải chất thải rắn hữu cơ bằng con đường sinh học

Những nghiên cứu đã chỉ ra xenlulo chiếm tỉ trọng lớn trong cấu trúc của hầu hết các loại phụ phẩm nông nghiệp (>50% khối lượng) Vì thế bản chất việc nghiên cứu cơ sở khoa học của quá trình phân giải chất thải rắn hữu cơ bằng con đường sinh học chính là đi sâu vào nghiên cứu bản chất xenlulo và các phương pháp xử lý xenlulo bằng vi sinh vật

1.3.1 Cấu trúc phân tử và tính bền vững của xenlulo

Hàng năm có khoảng 30 tỷ tấn chất hữu cơ được cây xanh tổng hợp trên Trái Đất và 30% trong số đó là xenlulo Theo Weinberg (1973), xenlulo là thành phần chính của tế bào thực vật chiếm khoảng 20% trong một số loài cỏ, 45% trên

gỗ và hơn 90% trên sợi bông Xenlulo kết hợp với hemixenlulo và lignin tạo nên

độ cứng cho thành tế bào Xenlulo là polysacarit mạch thẳng gồm 1.400 đến 12.000 gốc β – D glucopyranoza liên kết với nhau bằng liên kết β – 1,4 glucozit thành dạng chuỗi, có công thức cấu tạo là (C6H10O5)n hay [C6H7O2(OH)3]n Xenlulo có cấu tạo sợi và các sợi liên kết với nhau bằng các liên kết hydro và các liên kết Vandervan tạo thành các bó nhỏ gọi là micro fibrin và tạo nên cấu trúc mixen của xenlulo Các sợi micro fibrin có chiều rộng từ 100 – 300Å và có chiều dài từ 40 – 100Å

Cấu trúc mixen của xenlulo bao gồm 2 vùng chính: Vùng kết tinh có cấu trúc trật tự rất cao, cấu trúc sợi đậm đặc và chặt chẽ như tinh thể và chiếm khoảng 3/4 cấu trúc xenlulo Do có mạng lưới liên kết hyđrogen dày đặc ngăn cản sự hấp thụ nước và trương lên nên vùng kết tinh rất khó bị tác dụng ngay cả với enzyme xenlulaza Vùng vô định hình có cấu trúc kém chặt chẽ hơn vùng kết tinh nên dễ

bị tác động hơn Vùng này có thể hấp thụ nước và trương lên tạo điều kiện thuận lợi giúp cho enzyme xenlulaza tấn công dễ dàng

Hình 1.1 Cấu trúc phân tử xenlulo

CH 2 OH

O O

HO

H

H

OH H

H

CH 2 OH

O O

H

H

Theo Coughlan và Folan (1979), xenlulo trong tự nhiên là một trong những hợp chất tương đối phức tạp và bền vững, chúng không tan trong nước mà chỉ bị trương lên do hấp thụ nước Xenlulo chỉ bị thủy phân khi đun nóng với axit hoặc kiềm ở nồng độ cao, bị thủy phân ở nhiệt độ 40 – 50oC bởi enzyme xenlulaza, tuy vậy lại bị thủy phân ở điều kiện bình thường bởi phức hệ xenlulaza của vi sinh vật

Nguyễn Thị Phương Chi và cs., 2001 đã chỉ ra rằng: hàng năm thảm thực vật trên trái đất tổng hợp được một khối lượng lớn hydrocacbon, trong đó chỉ có tinh bột là thức ăn cho con người và động vật, phần còn lại mà con người không

sử dụng được chủ yếu là xenlulo (chiếm tới 50% trên tổng số hydratcacbon), các thành phần khác như lignin, hemixenlulo… vì thế chúng bị ứ đọng và gây ô nhiễm môi trường

1.3.2 Cơ chế phân giải xenlulo của enzyme xenlulaza

Sinh tổng hợp xenlulaza của vi sinh vật

Reese et al., 1950 (dẫn theo Nguyễn Xuân Thành, 2003) khẳng định quá

trình phân giải xenlulo tự nhiên là một quá trình phức tạp đòi hỏi sự tham gia phối hợp của phức hệ enzyme xenlulaza Sự điều hòa sinh tổng hợp xenlulaza được thực hiện nhờ cơ chế cảm ứng, kìm hãm xenlulo tự nhiên và các dẫn xuất của chúng là những tác nhân cảm ứng đặc hiệu với các thành phần trong phức hệ xenlulo Quá trình tổng hợp xenlulaza chịu sự điều khiển của bộ máy di truyền và các quá trình sinh hóa Nhiều tác giả khẳng định xenlulaza là enzyme cảm ứng và chất cảm ứng tốt nhất là xenlulo và lactoza Lê Văn Nhương và Nguyễn Lan Hương (2001) cho rằng thực tế VSV tổng hợp xenlulaza mạnh nhất trên môi trường có hàm lượng xenlulo cao nhất hay có chất cảm ứng thích hợp Từ đó có thể coi sự tổng hợp xenlulaza là có tính cảm ứng không chặt chẽ vì xenlulo là cơ chất không hòa tan, phân tử lớn, bản thân không thể thâm nhập vào tế bào để gây

ra các phản ứng sinh hóa Vì vậy để thu được nguồn enzyme cao người ta thường

sử dụng cơ chất không thể thủy phân như: Bã mía, rơm rạ, bột giấy hoặc có thể nuôi cấy kết hợp với VSV đồng hóa tốt xenlobioza

Agrios, G.N (1997) nhận định rằng sự kìm hãm tổng hợp xenlulaza xảy ra rất mạnh mẽ trong môi trường có chứa hydratcacbon dễ tiêu, đặc biệt là glucoza Khi

đó, quá trình sinh tổng hợp xenlulaza chưa bắt đầu Thậm chí khi tế bào đang tổng hợp xenlulaza người ta bổ sung glucoza thì cường độ tổng hợp xenlulaza bị giảm ngay lập tức Nhiều sản phẩm của chu trình Kerbs (axit nitric, succinic…) là chất ức chế quá trình sinh tổng hợp xenlulaza Nguồn nitơ hữu cơ tác động rõ rệt tới quá

trình tổng hợp xenlulaza, khi nuôi Thermoactinomyces trên môi trường có avicel

nếu bổ sung nước chiết nấm men hay pepton thì khả năng sinh C1, C2 sẽ tăng lên

Cơ chế phân giải xenlulo

Quá trình phân giải xenlulo của VSV được thực hiện bởi phức hệ enzyme xenlulaza Phức hệ này gồm 3 enzyme chủ yếu sau đây:

- Endoglucanaza hay CMCaza có khả năng cắt đứt các liên kết bên trong phân tử xenlulo làm giảm nhanh chiều dài chuỗi, làm tăng chậm các nhóm khử, thủy phân liên kết β – 1,4 glucozit một cách tùy tiện và giải phóng xenlodextrin, xenlobioza và glucoza Enzyme này phân giải mạnh mẽ các xenlulo hòa tan nhất

là dạng xenlulo vô định hình nhưng hoạt động rất yếu ở vùng kết tinh

- Exoglucanaza có khả năng tấn công chuỗi xenlulo từ đầu không khử và giải phóng xenlobioza và glucoza Enzyme này không phân giải xenlulo kết tinh cũng như các xenlulo hòa tan, tác dụng yếu lên CMC nhưng hoạt động mạnh lên xenlulo vô định hình

Coughlan và Folan (1979) nhận định rằng: β – 1,4 glucozidaza hay xenlobiaza có khả năng thủy phân xenobioza hay xenlo – oligosacazit (xenlodextrin) hòa tan trong nước giải phóng glucoza Enzyme này có hoạt tính cực đại trên xenlobioza và hoạt động giảm dần theo chiều dài của chuỗi xenlodextrin Chức năng của β – 1,4 glucozidaza chỉ là điều chỉnh sự tích lũy chất cảm ứng của enzyme xenlulaza

Về động học phản ứng của các enzyme này, Reese và các cộng sự lần đầu đưa ra cơ chế phân giải vào năm 1950

Reese Elwyn et al., (1950) nói rằng enzyme C1 tương ứng với endo –

glucanaza là “tiền nhân tố thủy phân” hay enzyme không đặc biệt làm biến dạng xenlulo tự nhiên thành các chuỗi xenlulo hoạt động có mạch ngắn hơn, sau đó enzyme Cx tương ứng với exo – glucanaza tiếp tục phân cắt, giải phóng các đường

hòa tan và cuối cùng tạo thành glucozo dưới tác dụng của xenlobioza (dẫn theo Nguyễn Xuân Thành, 2003)

Năm 1995, Klyosov et al., lại cho rằng quá trình chuyển hóa xenlulo có thể

xảy ra do nhiều phức hệ enzyme xenlulaza, sơ đồ sau thể hiện những bước chính của quá trình thủy phân xenlulo:

Hình 1.2 Quá trình phân hủy xenlulo (Klyosov, 1995)

Chú giải: - E 1 : Endoglucanaza; - E 3 : Xenlobioza;

- E2 : Xenlobiohydrolaza; - E4 : Exoglucozidaza;

Con đường (4) E4 là enzyme xúc tác, nhưng trong trường hợp này còn có cả

E2 hay E3, có khi cả hai enzyme này cùng xúc tác với E4.

Con đường (5) ngoài E1 còn có cả E2 cùng xúc tác

Klyosov cũng đồng thời khẳng định “Các thành phần trên đi theo con đường nào phụ thuộc vào cấu trúc phân tử cơ chất và mức độ polyme hóa, điều kiện thủy phân, thành phần phức hợp xenlulaza và một số yếu tố khác”

Vi khuẩn và xạ khuẩn phân giải xenlulo

Trong tự nhiên, khu hệ VSV có khả năng phân giải xenlulo rất đa dạng và phong phú bao gồm nhiều loại cả vi khuẩn, nấm, xạ khuẩn Để phân giải xenlulo

tự nhiên đòi hỏi sự tham gia phối hợp rất phức tạp của phức hệ enzyme xenlulaza Các VSV thường không có khả năng tạo ra được một tỉ lệ cân đối các enzyme Vì thế trong quá trình phân giải xenlulo cần có sự hiệp đồng để tạo ra phức hệ enzyme xenlulaza hoàn chỉnh Nấm được đánh giá là thường có khả năng khả năng sinh enzyme đa dạng nhất, sau đó đến vi khuẩn và xạ khuẩn

Vi khuẩn (VK): Đã có rất nhiều công trình nghiên cứu về VK phân giải

xenlulo Năm 1785, lần đầu tiên L.Popov đã phát hiện ra rằng các VK kỵ khí tham gia vào quá trình lên men xenlulo Thế kỷ 19 các nhà khoa học đã phân lập được

(5)

một số VSV kỵ khí có khả năng phân giải xenlulo từ mẫu phân và dạ cỏ của động vật nhai lại Năm 1902, Omelianski đã thuần khiết và mô tả giống VK phân giải

xenlulo và nêu lên hai kiểu lên men xenlulo đó là: Lên men hydro do loài Bacillus cellulose-hydrogenicus và lên men metan do loài Bacillus cellulosaemetanicus

Khả năng phân giải xenlulo của các chủng vi khuẩn thường rất khác nhau Bên cạnh những chủng có hoạt tính enzyme xenlulaza rất cao là những chủng gần như không có hoạt tính Do vậy để phân giải hoàn toàn xenlulo trong môi trường tự nhiên, các loài VK khác nhau phải phối hợp với nhau trong mối quan hệ hỗ sinh

Các VK hiếu khí có khả năng phân giải xenlulo khá mạnh như Cellulomonas, Vibrio, Archomobacter Một số niêm vi khuẩn cũng có khả năng này, đáng chú ý là

Cytophara, Sporocytophara, Soragium… (Sin, 1951)

Xạ khuẩn (XK): Bên cạnh nấm và VK, XK cũng có khả năng phân giải

xenlulo, đáng chú ý là Streptomyces, Actinomyces, Nocardia, Micromonospora

Sin (1951) nhận định XK phân giải xenlulo thường được phân lập trực tiếp

từ các mẫu đất, mùn rác, mẫu bùn, những nơi có chứa xenlulo Người ta thường sử

dụng XK đặc biệt là Streptomyces trong việc phân hủy rác sinh hoạt Những XK

này thường thuộc nhóm ưa nhiệt, sinh trưởng, phát triển tốt ở nhiệt độ 45 – 50oC, rất thích hợp với quá trình ủ rác thải (dẫn theo Nguyễn Lân Dũng, 2000)

1.3.3 Một số yếu tố lý hóa học ảnh hưởng đến sự sinh trưởng, phát triển và sinh enzyme của vi sinh vật

Độ ẩm

Eliot (1997); Ken Ichiro et al., (1999) cho rằng độ ẩm của đống ủ là yếu tố

rất quan trọng ảnh hưởng đến số lượng, thành phần và hoạt động của vi sinh vật, đến nhiệt độ và thời gian kết thúc quá trình ủ Khi phân hủy các cơ chất, thêm một lượng nước được tạo ra bổ sung cho nhu cầu của vi sinh vật

Eliot (1997); Waksman and Gerretsen (1931) khẳng định rằng độ ẩm cao quá 65% sẽ ngăn cản dòng khí thổi vào đống ủ, các vi sinh vật hiếu khí không phát triển được, quá trình yếm khí xảy ra gây gián đoạn, kéo dài thời gian ủ Nếu độ ẩm quá thấp ở dưới mức 40% sẽ không đủ nước cho các hoạt động trao đổi chất của vi sinh vật, do đó quá trình ủ sẽ chậm lại Còn nếu độ ẩm ở dưới mức 20% thì chỉ

còn rất ít vi sinh vật hoạt động Độ ẩm thích hợp nhất cho quá trình ủ là từ 40 – 60% (dẫn theo Phạm Văn Toản, 2004)

pH

Theo Roger (1993); Jan Beyea et al., (1995), pH ban đầu của nguyên liệu

dùng làm phân ủ cần nằm từ 5 – 7 Giai đoạn đầu của quá trình ủ tự nhiên pH thường bằng 6, sau 2 – 4 ngày pH giảm xuống 5 do có axit hữu cơ sinh ra, tại thời điểm này các loại nấm chịu được chua đóng vai trò cực kỳ quan trọng trong đống ủ Tuy nhiên, trong quá trình ủ khi nhiệt độ tăng cao, các vi sinh vật nhanh chóng phân huỷ các axit hữu cơ, do đó pH dần tăng lên đến trung tính thậm chí hơi kiềm

Theo Jan Beyea et al., (1995), việc khống chế pH trong ủ hiếu khí thường

không quá quan trọng, nhưng nếu để xảy ra quá trình yếm khí sẽ sinh ra nhiều axit hữu cơ do đó làm giảm pH của đống ủ Bổ sung cacbonat, vôi và các chất có tính kiềm khác vào trong đống ủ có vai trò chất đệm làm cho pH không xuống quá thấp, nhưng nếu bổ sung quá nhiều vào đống ủ để pH chạm đến 9 sẽ gây ra hiện tượng mất nitơ dưới dạng khí ammoniac do đó làm mất nguồn nitơ cho vi sinh vật (dẫn theo Phạm Văn Toản, 2004)

Độ thông khí

Roger (1993) nhận định vai trò của thông khí nhằm cung cấp oxy cho các

vi sinh vật hiếu khí tiến hành quá trình phân giải các hợp chất hữu cơ nhanh chóng đồng thời không phát sinh mùi khó chịu Đây là hai đặc điểm nổi bật của quá trình

ủ hiếu khí so với ủ yếm khí, giúp duy trì độ ẩm trong đống ủ không quá cao và nhiệt cũng được phân bố đều trong đống ủ

Oxy được cung cấp thông qua hai con đường chính đó là qua sự khuếch tán

tự nhiên của không khí và thổi khí cưỡng bức Lượng oxy cung cấp bởi khuếch tán

không đáng kể chiếm 0,5 – 5% tổng lượng oxy đòi hỏi do vậy thổi khí cưỡng bức

là nguồn cung cấp khí chủ yếu của phương pháp ủ hiếu khí

Tỷ lệ cacbon/nitơ (C/N)

Theo Gotass et al., (1953) khi nghiên cứu về quy trình ủ có mặt của vi sinh vật

đã cho rằng tỉ lệ khối lượng giữa cacbon và nitơ (C/N) liên quan mật thiết đến việc mất đạm khi ủ, thậm chí khi lượng N thấp hơn nhu cầu tối thiểu thì VSV còn phải sử dụng đến chính N có trong tế bào (dẫn theo Nguyễn Xuân Thành, 2003)

Gray et al., (1971b); Haug (1980) đã đưa ra con số cụ thể hơn Các ông

nhận thấy: nếu tỷ lệ C/N <30 thì quá trình ủ phân diễn ra rất nhanh chóng; nếu tỷ

lệ C/N >50 sẽ ức chế sự sinh trưởng của vi sinh vật, do đó làm chậm quá trình phân giải và chất lượng sản phẩm sau ủ kém; Nếu tỷ lệ C/N < 30 thì ở giai đoạn đầu của quá trình ủ sự sinh trưởng của vi sinh vật và sự phân huỷ sẽ diễn ra rất nhanh Lượng oxy tự do nhanh chóng hết và quá trình ủ chuyển sang giai đoạn yếm khí, do đó nếu đống ủ không được thông khí kịp thời thì mùi hôi sản phẩm sẽ xuất hiện Khi lượng nitơ quá nhiều thì nitơ sẽ bị mất dưới dạng khí N2 hoặc NH3

và hiện tượng này cũng gây độc cho quần thể vi sinh vật do đó sẽ ảnh hưởng đến

quá trình ủ Theo Jan Beyea et al., (1995); Nishan and Has (1995) nếu tỷ lệ C/N

quá thấp thì khi sản phẩm được bón vào đất có thể gây hại cho cây trồng do hiện tượng “đói nitơ” (dẫn theo Nguyễn Xuân Thành, 2005; Phạm Văn Toản, 2004) Như vậy, để quá trình ủ thật sự hiệu quả thì vi sinh vật cần được cung cấp đầy đủ các chất dinh dưỡng thiết yếu ở dạng có thể dùng được với tỷ lệ thích hợp Các chất dinh dưỡng mà vi sinh vật đòi hỏi với lượng lớn là: cacbon, nitơ, photpho

và kali Vi sinh vật dùng cacbon như là một nguồn cung cấp năng lượng, ngoài ra chúng cũng dùng cacbon và nitơ để tổng hợp nên protein, xây dựng tế bào và sinh sôi nảy nở Trong quá trình ủ thì hoặc là cacbon hoặc là nitơ sẽ là nhân tố hạn chế quá trình phân huỷ diễn ra nhanh (Richard, 1992)

Nhiệt độ

Nakasaki et al., (1985) cho rằng nhiệt độ là nhân tố then chốt quyết định tốc

độ phân huỷ các chất xơ sợi trong đống ủ Theo Mc.Kinley and Vestal (1985);

Strom (1985); Finstein et al., (1986), từ 35 – 55oC là dải nhiệt độ tối thích cho nhiều loài vi sinh vật hữu ích trong quá trình ủ Nếu nhiệt độ < 20oC, các vi sinh vật kém hoạt động và quá trình phân huỷ sẽ diễn ra rất chậm Nếu nhiệt độ > 65oC, một số chủng vi sinh vật bị giết hoặc bị hạn chế sinh trưởng phát triển, và sự đa dạng của vi sinh vật giảm xuống do đó dẫn đến tốc độ của quá trình phân huỷ sẽ chậm đi (dẫn theo Đinh Hồng Duyên, 2011)

Finstein et al., (1980) khẳng định nấm và vi khuẩn sinh axit xuất hiện ở giai

đoạn nhiệt độ khoảng 25 – 30oC Đây là những chủng ưa ấm và vai trò quan trọng

của chúng là làm tăng nhiệt độ của đống ủ tạo điều kiện cho vi sinh vật ưa nhiệt phát triển Vi khuẩn ưa ấm phát triển mạnh trong thời gian ngắn đã sinh ra enzyme thuỷ phân phần lớn protein và hydratcacbon dễ phân huỷ Khi nhiệt độ tăng hơn

40oC các chủng ưa ấm được thay thế bởi nấm, vi khuẩn và xạ khuẩn ưa nhiệt, vi khuẩn có bào tử Nếu vi khuẩn ưa nhiệt phân huỷ mạnh protein, lipit, xenlulo và hemixenlulo thì xạ khuẩn lại phân huỷ tích cực tinh bột và làm giảm đáng kể hàm lượng nước trong đống ủ, còn nấm ưa nhiệt có khả năng phân huỷ mạnh xenlulo

và hemixenlulo Nhiệt độ cao trong quá trình ủ phân có thể giết chết được phần lớn vi sinh vật có hại đồng thời bảo tồn các chủng có lợi, giảm lượng nước có nhiều trong nguyên liệu phế thải tươi, thúc đẩy quá trình phân huỷ các hợp chất hữu cơ nhanh Và cuối cùng khi nhiệt độ đống ủ hạ xuống dưới 40oC thì nấm và vi khuẩn ưa ấm lại xuất hiện trở lại tiếp tục hoạt động hoàn tất quá trình ủ (dẫn theo Nguyễn Xuân Thành, 2003)

1.4 Kết quả nghiên cứu và ứng dụng vi sinh vật trong xử lý phụ phẩm nông nghiệp làm phân bón trên thế giới và ở Việt Nam

1.4.1 Nghiên cứu trên thế giới

Từ thế kỷ XIX, các nhà khoa học đã nghiên cứu và nhận thấy một số vi sinh vật kỵ khí có khả năng phân giải xenlulo Những năm đầu của thế kỷ XX người ta phân lập được các loài vi khuẩn hiếu khí cũng có khả năng này Trong các vi khuẩn hiếu khí phân giải xenlulo thì niêm vi khuẩn là quan trọng nhất

Năm 1946, Hungate đã phân lập được loài xạ khuẩn có tên là monospora propionici có khả năng thủy phân mạnh xenlulo Sau đó vào năm 1966, cũng chính ông đã tiếp tục phân lập được 9 chủng vi khuẩn yếm khí có hoạt tính

Micro-xenlulaza cao thuộc chi: Bacteroides, Butyrivibrio, Clostridium, Ruminococcus và Cillobacterium

Nối tiếp các nghiên cứu của Hungate; năm 2007, Hasham khi đi nghiên cứu

khả năng xử lý rơm rạ của 3 chủng xạ khuẩn thuộc chi: Micro-monospora, Streptomyces và Nocardiodes đã kết luận rằng: việc bổ sung vào xạ khuẩn đã giúp đẩy nhanh quá trình phân hủy rơm rạ và làm giảm thể tích của đống ủ; sau 3 tháng

ở đống ủ có bổ sung xạ khuẩn thể tích đống ủ giảm xuống 38,6 – 64% so với ban

đầu trong khi đó đống ủ đối chứng thể tích đống ủ chỉ giảm 13,6%; việc bổ sung

xạ khuẩn vào đống ủ còn làm tăng chất hữu cơ lên 34,9% và hàm lượng nitơ lên 0,59mg/g, trong khi đó ở đống ủ đối chứng chất hữu cơ là 20% và hàm lượng nitơ chỉ đạt 0,2 mg/g

Stutzenberger (1970) đã nuôi cấy Thermonospara curyata trên môi trường

chứa xenlulo và cao nấm men có bổ sung 0,1% bông nghiền nhỏ thì thấy chúng có khả năng tích lũy enzyme phân hủy xenlulo

Jeris và Regan (1973) thấy trong đống ủ có các loài vi khuẩn phân giải

xenlulo sau: Achromobacter, Clostridium, Cellulomonas, Cytophaga, Cellvibrio, Bacillus, Pseudomonas, Sorangium, Sporocytophara và các loại nấm phân giải

xenlulo như: Alternaria, Aspergillus, Chactomium, Fomes, Fusarium, thecium, Polyponus, Rhizoctonia, Rhozopus

Myro-Lamot, Voét (1979) đã dùng 7 chủng vi sinh vật phân giải xenlulo để phân

hủy xenlophan: Aspergillus Sp., Penicillium Sp., 2 loài Chaetomium, 1 loài Sclerotium rolfsii , 2 loài xạ khuẩn Streptomyces Xenlophan là chất không tan

trong tất cả các dung môi hữu cơ, chứa tới 70% là xenlulo Tác giả nhận thấy: nếu

để từng vi sinh vật tác dụng thì sự phân giải hầu như không diễn ra, xenlophan hầu như chỉ bị phân giải khi sử dụng hỗn hợp các chủng nói trên Kết quả sau 100 ngày cho lượng xenlophan bị phân hủy là 85%, sản phẩm cuối cùng được dùng làm phân bón gồm có: 30% protein, 60% đường hòa tan, 10% các gốc còn lại Năm 1980, Teruo Higa – trường Đại học tổng hợp Ruykuys Okinawa – Nhật Bản đã phân lập tuyển chọn ra một hỗn hợp các vi sinh vật có ích thuộc nhóm yếm khí và hiếu khí gồm: vi khuẩn quang hợp, nấm men, vi khuẩn lactic, xạ khuẩn, nấm lên men và chế tạo ra một chế phẩm vi sinh hữu hiệu (EM) EM đã được chứng minh là có tác dụng tốt ở nhiều lĩnh vực của đời sống và sản xuất như: trồng trọt, chăn nuôi và bảo vệ môi trường Khi dùng EM để xử lý rác cho thấy làm giảm mùi hôi thối của quá trình phân hủy, rút ngắn thời gian xử lý xuống còn

30 – 40 ngày và góp phần nâng cao chất lượng của phân ủ

Tại New Delhi – Ấn Độ, từ năm 1985 đến 1987, Gaur và Bhardwaj đã phân

lập và tuyển chọn được rất nhiều chủng vi sinh vật có khả năng phân hủy xenlulo

và lignin Sau đó Gaur đã sử dụng các chủng nấm Trichurus spiralis, Trichoderma viride, Paecilomyces fusisporus, Aspergillsus sp để đưa các đống ủ (rơm, lá khô)

và kết quả cho thấy: hàm lượng C hữu cơ giảm từ 48% xuống 25% trong vòng một tháng đầu tiên của quá trình ủ; và chỉ trong 8 đến 10 tuần rơm rạ đã phân hủy hoàn toàn thành một loại phân hữu cơ có chất lượng tốt Trong phân này chứa khoảng 1,7% N, và tỷ lệ C/N là 12:3

Ở Trung Quốc cũng có rất nhiều nghiên cứu về việc phân lập vi sinh vật và ứng dụng trong xử lý phế thải hữu cơ Gần đây, vào năm 2005 Wen-Jing Lu et al.,

đã phân lập được 5 chủng vi khuẩn ưa ẩm phân giải mạnh xenlulo từ phế thải rau

quả và thân lá hoa thuộc giống Bacillus, Halobacillus, Aeromicrobium, bacterium Khi ứng dụng các chủng vi sinh vật này để ủ phụ phẩm rau quả và thân

Brevi-lá hoa cho thấy: bổ sung 1% các chủng vi sinh vật vào đống ủ đã làm tăng quá trình phân hủy sinh học các nguyên liệu lên 23,64% so với đống ủ không bổ sung thêm vi sinh vật, do đó rút ngắn thời gian ủ và tăng chất lượng của phân ủ

Nhìn chung, với sự phát triển mạnh mẽ của khoa học kỹ thuật thì các nước trên thế giới đã phân lập tuyển chọn được rất nhiều giống vi sinh vật có khả năng phân hủy phế thải hữu cơ Các kết quả nghiên cứu đều cho thấy rằng, việc bổ sung

vi sinh vật vào đống ủ phế thải hữu cơ đã rút ngắn thời gian ủ, làm giảm thể tích và tăng hàm lượng dinh dưỡng của đống ủ, đồng thời góp phần bảo vệ môi trường

Xuất xứ và thông tin về chế phẩm BactoFil Cell – còn gọi là BactoFil C

Chế phẩm BactoFil C là một loại chế phẩm sinh học phân giải mạnh xenlulo – hemixenlulo đã được nghiên cứu, sản xuất, thử nghiệm và đăng kí bản quyền tại nước Cộng hòa Hungary, quyền tác giả với Công ty Agrobio Hungary Kft Trong chương trình hợp tác về khoa học công nghệ theo Nghị định thư giữa Chính phủ Việt Nam và Hungary về thỏa thuận phối hợp nghiên cứu ứng dụng các chế phẩm VSV của nước bạn để xử lý các sản phẩm phụ nông nghiệp tạo nguồn phân bón hữu cơ cho cây trồng và vệ sinh môi trường nông nghiệp – nông thôn, chế phẩm BactoFil C đã được lựa chọn Trước đó, hai chế phẩm BactoFil A và B

đã được sử dụng ở Việt Nam từ năm 2009 (Quyết định số 61A/QĐ-TT-ĐPB ngày 26/3/2010 của Cục trưởng Cục Trồng trọt, Bộ Nông nghiệp & PTNT)

Chế phẩm BactoFil C của Agrobio Hungary Kft có thành phần bao gồm các

chủng vi sinh vật sau: Cellvibrio ostrviensis, Pseudomonas fluorescens, Azotobacter vinelandii với mật độ tổng số 3,0 x 109 CFU/ml; Các vi khuẩn phân hủy xenlulo hiếu khí đếm được 2,0 x 109 CFU/ml; Các nguyên tố đa và vi lượng (As, Cd, Co,

Cr, Cu, Hg, Ni, Pb, Se); Các enzyme sinh tổng hợp bởi các vi sinh vật và các thành phần khác trong đất; pHH2O 5,1; chất khô 2,0%; chất hữu cơ 1,3%

Chế phẩm BactoFil C là một loại chế phẩm vi sinh vật mang tính đổi mới, cung cấp giải pháp xuất sắc khắc phục những vấn đề cấp thiết hiện nay Với 1 lít chế phẩm BactoFil C sử dụng trên diện tích 1 hecta thì thời gian phân hủy thân, rễ,

lá cây ngô và hoa hướng dương sẽ giảm xuống đáng kể Dưới tác dụng của BactoFil C, khả năng làm đất, cơ cấu, thành phần, độ mùn và khả năng giữ nước của đất được cải thiện và nâng lên Môi trường sống vì thế không còn thuận lợi cho các loại sâu, sinh vật gây hại phát triển, đồng thời có thể giảm đáng kể lượng phân hóa học đặc biệt đối với cây hoa hướng dương

Các loại VSV hữu ích có trong chế phẩm BactoFil C tạo ra một số lượng

lớn chất xenlulaza và xilanaza làm cho cấu trúc các phân tử xenlulo mạch C dài và

ligno-xenlulo phân hủy tạo thành đường glucoza – chất cần cho sự hoạt động của

các loài vi khuẩn cố định đạm trong cây trồng

Khả năng cố định đạm sẽ được nâng cao lên mức độ cao nhất nếu sau khi phun BactoFil C chúng ta bổ sung thêm 1 lít BactoFil A 10, hoặc BactoFil B 10 trên

1 hecta tùy loại cây trồng (Agrobio, 2008) (Chuyên đề 4 – Phạm Ngọc Tuấn, 2014)

1.4.2 Nghiên cứu ở Việt Nam

Theo thống kê năm 2013, Việt Nam là một nước với khoảng 74% dân số hoạt động trong lĩnh vực nông nghiệp do vậy lượng phế thải nông nghiệp là rất lớn Bên cạnh đó, khí hậu nóng ẩm của Việt Nam rất thích hợp cho việc ủ phân

Có nhiều phương pháp làm phân ủ, từ phương pháp ủ đống tĩnh đơn giản đến hệ thống lên men phức tạp Tuy nhiên việc xử lý phế thải ở Việt Nam hiện còn gặp một số khó khăn như: thiếu vốn đầu tư; đòi hỏi phải có các biện pháp kỹ thuật đơn giản, dễ vận hành, bảo quản và sửa chữa; ý thức người dân chưa cao

Hiện tại, rất nhiều đề tài đã nghiên cứu và ứng dụng thành công công nghệ

vi sinh vật trong việc xử lý rác thải, phế thải hữu cơ Trong số đó phải kể đến là đề tài cấp Nhà nước KHCN-02-04 (1998), đề tài nghiên cứu khoa học cấp Bộ B99-32-46 và B2001-32–09 do các nhà vi sinh vật học đầu ngành chủ trì thực hiện Nguyễn Lân Dũng và cs., đã phân lập được hàng trăm chủng vi sinh vật có khả năng phân giải xenlulo, hemixenlulo, lignin, xây dựng được quy trình sản xuất chế phẩm VSV phân giải chất hữu cơ đạt huy chương vàng Hội chợ triển lãm kinh

tế kỹ thuật toàn quốc năm 1987 Kết quả thử nghiệm cho thời gian ủ chỉ còn 45 –

60 ngày thay vì 6 - 12 tháng trong điều kiện tự nhiên

Đề tài KHCN cấp Nhà nước B02 – 04 (1998) đã phân lập được một lượng khổng lồ gồm 585 chủng xạ khuẩn, 327 chủng vi khuẩn và 58 chủng nấm sợi có khả năng phân giải CMC Trong đó tuyển chọn được một số chủng có hoạt lực cao

gồm: Streptomyces sp., Aspergillus japonicus, A Unilateralis thrower

Lê Văn Nhương (1998) đã phân lập tuyển chọn được 11 chủng nấm sợi, 7 chủng vi khuẩn, 6 chủng xạ khuẩn có hoạt tính xenlulaza cao Sau khi thử nghiệm nhiều lần, tác giả đã cho ra được 3 công thức phối trộn các chủng vi sinh vật khác nhau tối ưu để phân giải lá mía, rác nông thôn và vỏ cà phê Đặc biệt, rác nông thôn khi xử lý bằng chế phẩm EMUNI của đề tài với độ ẩm duy trì 50 – 60% và tần suất 7 ngày đảo trộn một lần thì sẽ cho hiệu quả xử lý tốt nhất

Việc dùng rơm rạ để sản xuất phân hữu cơ không những tận dụng được hiệu quả nguồn phế phẩm nông nghiệp (xét về mặt môi trường), mà điều này còn đồng nghĩa với việc đem lại hiệu quả kinh tế khá lớn Theo tính toán của các hộ làm phân hữu cơ từ rơm rạ, để sản xuất 1 tấn phân hữu cơ từ rơm rạ có sẵn thì chỉ

mất khoảng 400.000 – 650.000 đồng, trong khi các loại phân hữu cơ vi sinh hiện

bán trên thị trường có giá từ 2 đến 3,5 triệu đồng/tấn

Nguyễn Xuân Thành và cs., (2005) đã nghiên cứu thành công đề tài khoa học cấp Bộ B2004 – 32 – 66: “Xây dựng quy trình sản xuất chế phẩm vi sinh xử lý tàn dư thực vật trên đồng ruộng thành phân hữu cơ tại chỗ bón cho cây trồng” Đề tài đã phân lập được 8 chủng VSV để làm giống sản xuất chế phẩm, xây dựng được quy trình sản xuất chế phẩm vi sinh vật, chế phẩm vi sinh đạt tiêu chuẩn Việt

Nam TCVN 7185:2002 và xây dựng được quy trình xử lý tàn dư thực vật bằng chế phẩm VSV tại nông hộ với tổng thời gian ủ từ 30 – 60 ngày phụ thuộc vào từng nhóm cây trồng khác nhau Phế thải sau ủ có hàm lượng mùn, hàm lượng dinh dưỡng cao có thể làm phân bón hữu cơ tại chỗ cho cây trồng Tính trung bình trong một vụ, lượng tàn dư thực vật để lại trên đồng ruộng là 28,17 tấn/ha, nếu đem toàn bộ đi xử lý bằng chế phẩm vi sinh vật, thì sẽ cho ra được 8,1 tấn phân hữu cơ Lãi suất mang lại cho nông hộ là 718.000 đồng/ha

Phan Bá Học (2007) trong nghiên cứu về “Ứng dụng chế phẩm vi sinh vật

xử lý tàn dư thực vật trên đồng ruộng thành phân hữu cơ tại chỗ bón cho cây trồng trên đất phù sa sông Hồng” đã kết luận: cứ 1 tấn rơm rạ sau ủ cho 0,2 – 0,25 tấn phân hữu cơ; 1 tấn thân và lá ngô sau ủ cho 0,3 – 0,33 tấn phân hữu cơ; 1 tấn thân và lá khoai tây sau ủ cho ra 0,2 tấn phân hữu cơ Phân hữu cơ chế biến từ tàn dư thực vật khi bón cho cây rau cho các kết quả sau: Đối với cây cải bắp, năng suất khi bón phân khoáng kết hợp 18 tấn phân chuồng/ha tăng thêm 3,9 tấn/ha, khi bón phân khoáng kết hợp với 18 tấn phân hữu cơ tái chế/ha tăng thêm 6,6 tấn/ha so với đối chứng chỉ bón phân khoáng Hiệu quả kinh tế khi bón phân hữu cơ tái chế tăng thêm 3,12 triệu đồng/ha, khi bón phân chuồng tăng thêm 0,96 triệu đồng/ha so với đối chứng Đối với súp lơ, năng suất và hiệu quả kinh tế khi bón phân hữu cơ tái chế kết hợp với phân khoáng so với đối chứng tăng thêm 4,9 tấn/ha, 5,55 triệu đồng/ha

Ở Viện Khoa học Công Nghệ Việt Nam, Lý Kim Bảng và cs., (2001) đã nghiên cứu thành công chế phẩm VIXURA và công nghệ xử lý rơm rạ đem lại hiệu quả kinh tế, xã hội rất cao Chế phẩm VIXURA chứa 12 – 15 chủng vi sinh vật được phân lập tại Việt Nam, có khả năng sinh các enzyme ngoại bào khác nhau để phân hủy chất hữu cơ trong rác thải và rơm rạ, đồng thời tăng khả năng chống chịu sâu bệnh của cây trồng Tàn dư cây lúa sau thu hoạch được gom thành từng đống cao từ 1,5 – 2m, sau 5 – 7 ngày xử lý với chế phẩm VIXURA đã đạt nhiệt độ tới 70 – 80oC, sau 25 – 30 ngày thì rơm rạ mềm, chuyển màu đen và được công nhận là một loại phân bón hữu cơ rất tốt cho đồng ruộng

Năm 2011, Đinh Hồng Duyên trong luận án tiến sĩ Sinh học: “Tuyển chọn

vi sinh vật có khả năng phân giải phế phụ phẩm sau thu hoạch để tạo chế phẩm dùng trong sản xuất phân bón hữu cơ tại đồng ruộng” đã phân lập và tuyển chọn được 3 chủng VSV: VP-14, XX-7 và NT-18 có sức sống cao, khả năng cạnh tranh lớn và khả năng thích ứng pH rộng để làm giống sản xuất chế phẩm VSV phân hủy phế thải sau thu hoạch Cụ thể: chế phẩm VSV đã rút ngắn thời gian ủ phụ

phẩm rơm rạ từ 3 – 4 tháng xuống còn 40 ngày, thời gian ủ phụ phẩm hành tỏi từ 5 – 6 tháng xuống còn 50 ngày, thời gian ủ phụ phẩm rau quả từ 2 – 3 tháng xuống còn 30 ngày Hàm lượng photpho, kali trong các đống ủ thí nghiệm có bổ sung chế phẩm vi sinh vật đều cao hơn trong đống ủ đối chứng và cao hơn trước khi ủ

Xuất xứ và thông tin về chế phẩm sinh học EMINA

Chế phẩm sinh học EMINA (viết tắt của từ Effective Microorganisms of Institute of Agrobiology) là một sản phẩm do Viện Công Nghệ Sinh Học Việt Nam tạo ra, nền tảng là chế phẩm EM của Nhật Bản Trong chế phẩm EM gốc có khoảng 80 loài vi sinh vật kị khí và hiếu khí thuộc các nhóm: vi khuẩn quang hợp,

vi khuẩn lactic, nấm men, nấm mốc, xạ khuẩn Các loài VSV này được lựa chọn từ hơn 2000 loài VSV đang dùng phổ biến Chế phẩm EMINA ở Việt Nam là tập

hợp của 5 loài vi sinh vật bản địa có ích là vi khuẩn Bacillus, vi khuẩn quang hợp,

vi khuẩn lactic, nấm men, xạ khuẩn Các vi sinh vật hữu hiệu này được phân lập từ

tự nhiên và được chứng minh hoàn toàn không gây hại với con người, động thực vật và môi trường Đây là những vi khuẩn chuyên sống cộng sinh trong cùng môi trường, giúp tăng cường đa dạng vi sinh vật đất, bổ sung các vi sinh vật có ích vào môi trường, góp phần giảm thiểu sự ô nhiễm

Công thức sử dụng chế phẩm EMINA: trung bình 1 tấn tàn dư các loại sử dụng 1 lít chế phẩm/50 – 200 lít nước Sau khoảng 15 – 20 ngày, tàn dư phân huỷ

từ 70 – 90% và có thể sử dụng trực tiếp làm phân bón cho các loại cây trồng Tóm lại, nhận thức được nguy cơ từ lượng lớn phụ phẩm nông nghiệp sinh

ra hàng ngày trên thế giới, các nhà khoa học đã và đang đầu tư rất nhiều tâm sức

và tiền bạc vào nghiên cứu vi sinh vật xử lý phụ phẩm, hướng tới một nền nông nghiệp bền vững Hàng nghìn công trình nghiên cứu mỗi năm được thực hiện để

tìm ra những chủng vi sinh vật phân giải mạnh mẽ nhất phù hợp với từng điều kiện cụ thể của khí hậu, đất đai, mục đích cuối cùng là áp dụng những tiến bộ đó vào thực tiễn cuộc sống

Bên cạnh những công trình đã được ghi nhận nhờ hiệu quả chứng minh trong nhiều năm qua, còn rất nhiều công trình vẫn chưa đạt được hiệu quả như mong muốn Điều đó cho thấy sự lãng phí một nguồn ngân sách không nhỏ cho phát triển khoa học công nghệ của nhà nước Đồng thời, trong sự hợp tác nghiên cứu giữa các nước, nhiều công trình hay chưa được tiếp thu, học hỏi và phát triển, gây lãng phí, tốn kém lớn khi phải tiến hành nghiên cứu đánh giá lại

Công tác nghiên cứu khoa học trên thực tế gặp rất nhiều khó khăn trong việc tìm ra những phát hiện mới, đặc biệt ở lĩnh vực nghiên cứu vi sinh vật học Vì vậy việc duy trì, tiếp thu và kế thừa những tiến bộ từ các đề tài đi trước đang là vấn đề rất được quan tâm, được các quốc gia hết sức ưu tiên Chế phẩm EMINA là một trong số rất ít minh chứng cho thành công từ việc áp dụng một cách hiệu quả, sáng tạo chế phẩm nước ngoài (cụ thể là chế phẩm EM của Nhật) vào điều kiện của Việt Nam Vì thế, luận văn được thực hiện trên cơ sở kế thừa các điểm ưu việt trong chế phẩm BactoFil C của Hungary, tìm kiếm và lựa chọn các chủng bản địa tương đương để nghiên cứu, đánh giá, tìm ra một công thức phối trộn cũng như một bộ chủng vi sinh vật triển vọng trong việc xử lý hiệu quả phụ phẩm nông nghiệp Sự thành công của đề tài này cho phép mở rộng sự giao lưu, kết nối của đội ngũ các nhà khoa học Việt Nam với thế giới

Chương 2 NỘI DUNG VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU

2.1 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu

2.1.1 Đối tượng nghiên cứu

- Vi khuẩn, xạ khuẩn có khả năng phân giải xenlulo tương tự như trong chế phẩm Bactofil C

2.1.2 Phạm vi nghiên cứu

- Giới hạn không gian:

+ Các tỉnh thực hiện lấy mẫu: lấy mẫu đất và tàn dư rơm rạ ở Hà Nam, Quảng Nam và Vĩnh Phúc; lấy mẫu đất và tàn dư ngọn lá mía ở Thanh Hóa

+ Tỉnh Hà Nam được lựa chọn để tiến hành thử nghiệm chế phẩm vi sinh vật xử lý phụ phẩm nông nghiệp

- Giới hạn thời gian: Từ tháng 12/2013 đến tháng 4/2015

2.1.3 Địa điểm nghiên cứu

- Hai phòng thí nghiệm: phòng thí nghiệm Bộ môn vi sinh vật – Khoa Môi trường, Học Viện Nông nghiệp Việt Nam, phòng thí nghiệm Bộ môn Vi sinh vật, Viện Thổ nhưỡng Nông hóa

- Ruộng của chủ hộ Vũ Hữu Khuynh, phó chủ nhiệm HTX nông nghiệp Hoàng Tây, xã Hoàng Tây, huyện Kim Bảng, tỉnh Hà Nam

2.2 Nội dung nghiên cứu

2.2.1 Phân lập, tuyển chọn một số chủng vi sinh vật có khả năng phân giải xenlulo từ mẫu đất và phụ phẩm nông nghiệp thu thập

2.2.2 Đánh giá đặc tính sinh học của các chủng vi sinh vật được tuyển chọn

- Đặc điểm hình thái, đặc tính sinh học các chủng vi sinh vật được tuyển chọn

- Khả năng gây bệnh lên thực vật của các chủng vi sinh vật đã tuyển chọn

- Ảnh hưởng của các điều kiện nuôi cấy khác nhau đến khả năng sinh enzyme ngoại bào của các chủng vi sinh vật đã được tuyển chọn:

+ Ảnh hưởng của pH ban đầu đến khả năng sinh enzyme ngoại bào

+ Ảnh hưởng của nhiệt độ nuôi cấy đến khả năng sinh enzyme ngoại bào

2.2.3 Nghiên cứu lựa chọn chất mang, sản xuất chế phẩm và đánh giá chất lượng chế phẩm theo TCVN 6168:2002

- Đánh giá tính đối kháng của bộ chủng vi sinh vật trong chế phẩm của đề tài

- Nghiên cứu lựa chọn môi trường chất mang chế phẩm

- Sản xuất thử nghiệm và đánh giá chất lượng của chế phẩm vi sinh vật theo tiêu chuẩn Việt Nam TCVN 6168:2002, đặt tên chế phẩm là VNBac (do chế phẩm được tạo ra từ các sinh vật bản địa của Việt Nam tương tự các VSV có trong chế

phẩm BactoFil – C của Hungary)

2.2.4 Thử nghiệm xử lý phụ phẩm nông nghiệp tại ruộng bằng chế phẩm vi sinh vật tạo nguồn phân bón hữu cơ cho cây trồng ở tỉnh Hà Nam

2.3 Vật liệu nghiên cứu

Hóa chất: MgSO4.7H2O, KH2PO4, K2HPO4, MgSO4, FeCl3, MnSO4, CaCl2, NaCl, NaNO3, FeSO4, KI, I2, Na2HPO4, KNO3, H2SO4, tinh bột tan, CMC, malt,

pepton, cao nấm men, rose bengal, gelatin, glucoza, cao thịt, nước cất, thạch, cồn Dụng cụ và thiết bị thí nghiệm

- Dụng cụ thí nghiệm: bình tam giác, ống nghiệm, đĩa petri, que cấy, đèn cồn, ống đong, nhiệt kế, khay đựng, bông (thấm nước và không thấm nước)

- Thiết bị thí nghiệm: nồi hấp vô trùng, tủ định ôn, tủ sấy, cân kỹ thuật, máy lắc, tủ lạnh, máy cất nước, tủ cấy vô trùng, buồng cấy vô trùng

Các môi trường sử dụng:

- Môi trường nhân giống cấp 1, 2: Môi trường Ixenhetxki và Contrep cho

vi sinh vật phân giải xenlulo; môi trường Hans; môi trường Gause I, môi trường Gause II, môi trường thạch – glucoza, môi trường LB cho vi khuẩn phân giải

xenlulo nhóm Bacillus, môi trường xạ khuẩn tổng số, môi trường Gost, môi

trường Gluco – Peptone – Agar (GPA) để kiểm tra VSV tạp nhiễm

- Môi trường đánh giá hoạt tính enzyme: Môi trường xác định hoạt tính

enzyme xenlulaza; môi trường xác định hoạt tính enzyme CMCaza; thuốc thử lugol; dung dịch muối sinh lý

- Môi trường sản xuất chế phẩm vi sinh: Môi trường dịch thể; môi trường

SX1 nhân sinh khối các chủng VSV; môi trường SX2 nhân sinh khối các chủng VSV, môi trường chất mang