Nghiên cứu sản xuất chế phẩm vi sinh vật xử lý phế thải chăn nuôi gia cầm làm phân bón

- Ứng dụng chế phẩm vi sinh vật trong xử lý phân gà thành phân bón hữu cơ phục vụ cho sản xuất nông nghiệp Ý nghĩa khoa học của đề tài - Tạo được một chế phẩm sinh học an toàn, ứng dụng

VIỆN ĐẠI HỌC MỞ HÀ NỘI

KHOA CÔNG NGHỆ SINH HỌC

- -

KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP

Đề tài: Nghiên cứu sản xuất chế phẩm vi sinh vật

xử lý phế thải chăn nuôi gia cầm làm phân bón

Người hướng dẫn : TS Nguyễn Thế Trang Sinh viên thực hiện : Nguyễn Thảo Nguyện

HÀ NỘI, 2017

LỜI CẢM ƠN

Tôi xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc tới TS Nguyễn Thế Trang là người thầy đã tận tình hướng dẫn, giúp đỡ và tạo mọi điều kiện để tôi có thể hoàn thành tốt khóa luận tốt nghiệp này

Tôi xin chân thành cảm ơn toàn thể các thầy cô trong khoa Công nghệ Sinh học, Viện Đại học Mở Hà Nội đã trang bị cho tôi những kiến thức và tạo điều kiện tốt nhất cho tôi trong suốt quá trình học tập tại trường

Trong thời gian qua, tôi đã nhận được sự hỗ trợ nhiệt tình và những ý kiến đóng góp bổ ích của các cán bộ nghiên cứu Phòng Công nghệ vật liệu sinh học – Viện Công nghệ sinh học Nhân dịp này tôi xin chân thành cảm ơn

sự giúp đỡ quý báu đó

Cuối cùng xin bày tỏ tình cảm chân thành nhất tới gia đình, bạn bè, những người thân đã luôn bên tôi, quan tâm, động viên và là chỗ dựa vững chắc trong suốt quá trình học tập và nghiên cứu

Hà Nội, ngày 15 tháng 5 năm 2017

Sinh viên

Nguyễn Thảo Nguyện

MỤC LỤC

LỜI CẢM ƠN i

MỤC LỤC ii

DANH MỤC CHỮ VIẾT TẮT v

DANH MỤC CÁC BẢNG vi

DANH MỤC CÁC HÌNH, ĐỒ THỊ vii

MỞ ĐẦU 1

CHƯƠNG I TỔNG QUAN TÀI LIỆU 3

1.1 TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU XỬ L PH THẢI HỮU CƠ TRÊN TH GIỚI VÀ Ở VIỆT NAM 3

1.1.1 Tình hình nghiên cứu xử lý phế thải hữu cơ trên thế giới 3

1.1.2 Tình hình nghiên cứu xử lý phế thải hữu cơ ở Việt Nam 7

1.2 THÀNH PHẦN PH THẢI HỮU CƠ VÀ VI SINH VẬT PHÂN GIẢI 11 1.2.1 Các hydratcacbon trong phế thải 11

1.2.1.1 Xenluloza trong phế thải 11

1.2.1.2 Hemixenluloza trong phế thải 12

1.2.1.3 Lignin trong phế thải 13

1.2.1.4 Tinh bột trong phế thải 14

1.2.1.5 Pectin trong phế thải 15

1.2.2 Protein trong phế thải 15

1.2.3 Lipit trong phế thải 15

1.3 VAI TRÕ CỦA VI SINH VẬT TRONG Ử L PH THẢI HỮU CƠ 16 1.3.1 Vi sinh vật phân giải xenluloza 16

1.3.2 Vi sinh vật phân giải hemixenluloza 18

1.3.3 Vi sinh vật phân giải tinh bột 19

1.3.4 Vi sinh vật phân giải lignin 20

1.3.5 Vi sinh vật phân giải protein 20

1.4 LỢI ÍCH CỦA PHÂN HỮU CƠ 21

1.4.1 Các loại phân bón hữu cơ 21

1.4.2 Lợi ích của phân hữu cơ 22

1.5 TIÊU CHÍ TUYỂN CHỌN VI SINH VẬT PHÙ HỢP TẠO CH PHẨM VI SINH XỬ L PH THẢI HỮU CƠ 24

CHƯƠNG II VẬT LIỆU VÀ PHƯƠNG PH P 25

2.1 VẬT LIỆU NGHIÊN CỨU 25

2.1.1 Đối tượng nghiên cứu 25

2.1.2 Hóa chất chính 25

2.1.3 Thiết bị chính 25

2.1.4 Môi trường nuôi cấy 25

2.2 PHƯƠNG PH P NGHIÊN CỨU 26

2.2.1 Phương pháp nghiên cứu vi sinh vật 26

2.2.1.1 Đặc điểm hình thái, sinh lý sinh hóa của các chủng vi sinh vật 26

2.2.1.2 Phương pháp giữ giống 28

2.2.1.3 Nghiên cứu các yếu tố ảnh hưởng đến sinh trưởng của vi sinh vật 28 2.2.1.4 Tính đối kháng giữa các chủng vi sinh vật 29

2.2.2 Phương pháp lên men, tạo chế phẩm vi sinh vật 30

2.2.2.1 Phương pháp lên men vi khuẩn, xạ khuẩn và nấm men 30

2.2.2.2 Tạo chế phẩm 30

2.2.3 Ứng dụng chế phẩm trong xử lý phân gà làm phân bón 30

2.2.3.1 Thiết kế thí nghiệm xử lý phân gà làm phân bón 30

2.2.3.2 Phân tích các chỉ tiêu bã thải trước và sau ủ của các mẫu 31

CHƯƠNG III K T QUẢ VÀ THẢO LUẬN 34

3.1 ĐẶC ĐIỂM SINH HỌC CỦA C C CHỦNG VI SINH VẬT 34

3.1.1 Đặc điểm hình thái khuẩn lạc và tế bào của các chủng vi sinh vật 34 3.1.2 Đặc điểm sinh lý, sinh hóa 35

3.1.2.1 Ảnh hưởng của thời gian đến sinh trưởng của các chủng vi khuẩn 35 3.1.2.2 Ảnh hưởng của nhiệt độ đến sinh trưởng của các chủng vi sinh vật37 3.1.2.3 Ảnh hưởng của pH đến sinh trưởng của các chủng vi sinh vật 39

3.1.2.4 Khả năng phân giải CMC 41

3.1.2.5 Đối kháng giữa các chủng vi sinh vật 41

3.2 TẠO CH PHẨM VI SINH VẬT XỬ L PH THẢI HỮU CƠ 43 3.2.1 Nhân giống vi sinh vật 43 3.2.2 Biến động nhóm vi sinh vật trong chế phẩm theo thời gian 43 3.3 ỨNG DỤNG CH PHẨM SINH HỌC XỬ L PH THẢI CHĂN NUÔI GIA CẦM 46 3.3.1 Xử lý phân gà tại hộ gia đình 46 3.3.2 Đánh giá chất lƣợng sản phẩm phân hữu cơ từ phân gà sau xử lý 47

K T LUẬN 49 TÀI LIỆU THAM KHẢO 50

DANH MỤC C C BẢNG

DANH MỤC C C HÌNH, ĐỒ THỊ

MỞ ĐẦU

Chăn nuôi là một lĩnh vực quan trọng trong nông nghiệp,đáp ứng nhu cầu thực phẩm hàng ngày của mọi người dân trong xã hội và còn là một nguồn thu nhập quan trọng cho những người nông dân Việt Nam những năm gần đây, chăn nuôi đã góp vai trò quan trọng trong nền kinh tế cả nước Tuy nhiên, đi đôi với việc tăng trưởng sản lượng là lượng phế thải trong quá trình chăn nuôi rất lớn khoảng 85 triệu tấn/năm, nên cần phải có những biện pháp

xử lý phù hợp để tránh gây ô nhiễm môi trường

Để góp phần xử lý phế thải chăn nuôi có thể sử dụng các biện pháp sinh học tạo chế phẩm giúp tăng lợi ích của phế thải Vi sinh vật đang là phương pháp tiếp cận nghiên cứu tốt nhất của thế giới, tập trung vào việc phân lập vi sinh vật từ tự nhiên hay tạo ra các chủng giống vi sinh vật mới, có khả năng nuôi dưỡng, tạo thành các phế phẩm sinh học Các nghiên cứu về chủng xạ khuẩn, nấm men và vi khuẩn có khả năng phân giải phế thải chăn nuôi dạng rắn xử lý trong thời gian 15 ngày có thể sử dụng làm phân bón hữu cơ có giá trị [16] Trong quá trình xử lý phế thải thì vi sinh vật đóng vai trò quyết định nhất trong việc chuyển hóa hợp chất hữu cơ khó phân hủy như xenluloza và những thành phần còn lại trong phế thải thành những nguồn dinh dưỡng dễ

hấp thụ cho cây trồng Chính vì lẽ đó việc thực hiện đề tài khóa luận “Nghiên cứu sản xuất chế phẩm vi sinh vật xử lý phế thải chăn nuôi gia cầm làm phân bón” là cần thiết

Mục tiêu cơ bản của đề tài

Tạo chế phẩm vi sinh vật phân giải xenluloza và ứng dụng xử lý phân

gà thành phân bón hữu cơ phục vụ cho sản xuất nông nghiệp

Nội dung nghiên cứu:

- Nghiên cứu một số đặc điểm cơ bản bộ chủng vi sinh vật có khả năng sinh tổng hợp xenlulaza cao tại Việt Nam

- Tạo chế phẩm vi sinh vật xử lý phế thải hữu cơ từ các chủng vi sinh vật

- Ứng dụng chế phẩm vi sinh vật trong xử lý phân gà thành phân bón hữu cơ phục vụ cho sản xuất nông nghiệp

Ý nghĩa khoa học của đề tài

- Tạo được một chế phẩm sinh học an toàn, ứng dụng trong xử lý phân gà tạo phân bón hữu cơ, đáp ứng vấn đề bức xúc hiện nay về vệ sinh môi trường nông thôn

- Tạo nguồn phân bón hữu cơ sinh học sạch phục vụ cho sản xuất nông nghiệp

CHƯƠNG I TỔNG QUAN TÀI LIỆU 1.1 TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU Ử L PH THẢI HỮU CƠ TRÊN

TH GIỚI VÀ Ở VIỆT NAM

1.1.1 Tình hình nghiên cứu xử lý phế thải hữu cơ trên thế giới

Các chất thải từ quá trình chăn nuôi đã gây ra nhiều vấn đề về môi trường, Hartung và Philips phân tích và đưa ra mô hình về mối quan hệ giữa chăn nuôi và các yếu tố ô nhiễm môi trường từ chăn nuôi như sau:

Hình 1.1 Sơ đồ phát tán chất thải chăn nuôi của Hartung và Philips [1]

Hình trên cho thấy phế thải chăn nuôi khi thải ra môi trường các chất gây bất lợi cho sức khỏe con người và môi trường sinh thái xung quanh Phân chuồng, một chất thải có khối lượng lớn do vật nuôi bài tiết trong quá trình sinh sống sẽ gây ô nhiễm không chỉ không khí, đất mà cả nguồn nước ngầm,

vì chúng sinh khí độc, chứa các nguyên tố như nitơ, photpho, kali, chì, asen, cadimi … và các loại mầm bệnh, kí sinh trùng, vi sinh vật gây hại khác như

Enterobacter, E coli, Salmonella, Streptococcus là những tác nhân có thể

gây hại trực tiếp hoặc gián tiếp đến sức khỏe con người [6; 7]

Phân hữu cơ là loại phân bón thành phần chủ yếu là bã thải thực vật, động vật mà thông qua hoạt động trực tiếp hay gián tiếp của vi sinh vật, cung cấp dinh dưỡng cho cây trồng, góp phần nâng cao chất lượng và năng suất của sản phẩm Phân hữu cơ là nguồn cung cấp dinh dưỡng cho cây trồng, không

ảnh hưởng xấu đến người, động vật và môi trường sinh thái Phân hữu cơ sinh học là phân hữu cơ được bổ sung thêm các chủng vi sinh vật sống đã được chọn lọc, thông qua các hoạt động của chúng tạo nên các chất dinh dưỡng mà cây trồng có thể sử dụng được (N, P, K…) hay các hợp chất sinh học khác góp phần nâng cao năng suất hoặc chất lượng nông phẩm Phân hữu cơ tuy có tác dụng đến cây trồng chậm hơn phân hóa học, nhưng một ưu điểm lớn mà phân hoá học không thể có được là làm tăng độ mùn, độ phì nhiêu của đất, do

ưu thế này mà cho đến nay phân hữu cơ được dùng rộng rãi trong nông nghiệp Đã từ lâu, 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 Nhưng việc sản xuất và sử dụng phân hữu cơ chỉ theo kinh nghiệm dân gian, chưa có những nghiên cứu

về các quá trình diễn ra trong đống ủ Vào những năm đầu thế kỷ 20, nhiều nhà sinh học đã bắt đầu nghiên cứu để tìm ra những yếu tố tác động vào quá trình ủ, rút ngắn thời gian và nâng cao chất lượng phân ủ và đã đạt được nhiều thành tựu đáng kể Waksman và các cộng sự nghiên cứu sự phân huỷ hiếu khí

bã thực vật, động vật và đã kết luận nhiệt độ, các nhóm vi sinh vật có ảnh hưởng đến sự phân huỷ chất thải hữu cơ, Rodale J.I đã kết hợp các nghiên cứu của Howard với những thực nghiệm của mình và đã đưa ra phương pháp hữu

cơ trong trồng trọt, làm vườn Theo thời gian phương pháp và kỹ thuật ngày càng hoàn thiện, đáp ứng nhu cầu chế biến các chất thải nông nghiệp đồng thời kiểm soát ô nhiễm môi trường do chúng gây ra Một hình thức sản xuất phân hữu cơ rất phổ biến là ủ chất hữu cơ thực vật với chất thải động vật, sau một vài tháng đến hàng năm, sản phẩm tạo thành được dùng làm phân hữu cơ Phân hữu cơ có thể gồm các loại như phân xanh, phân chuồng, phân rác, than bùn, phân hữu cơ vi sinh … Quá trình phân huỷ hợp chất hữu cơ tự nhiên bởi quần thể vi sinh vật dưới tác động của độ ẩm, nhiệt độ, không khí tạo nên các sản phẩm cuối cùng là chất mùn và chất dinh dưỡng mà cây trồng có thể hấp thụ được Quá trình phân huỷ sinh học các hợp chất hữu cơ xảy ra do những nhóm vi sinh vật dị dưỡng như vi khuẩn, nấm, xạ khuẩn và động vật nguyên

sinh, trong đó vai trò của hệ vi sinh vật phân giải xenluloza, lignin, protein, lipit … là rất quan trọng Khi phân huỷ các chất hữu cơ với sự có mặt của oxy, thì quá trình được gọi là hiếu khí Vi sinh vật yếm khí phân huỷ các hợp chất không có oxy tham gia nhóm đặc biệt đầu tiên là nhóm vi khuẩn sinh axit

và nhóm vi khuẩn chuyển hoá trực tiếp thành metan, amoniac, CO2, H2 …

Trung bình 6 ÷ 8 tháng quá trình phân huỷ hợp chất hữu cơ tự nhiên kết thúc, thời gian kéo dài có ảnh hưởng đến hiệu quả quay vòng của các chất thải hữu cơ Sử dụng chế phẩm vi sinh trong chế biến phế thải chăn nuôi cùng với việc trộn vào các nguyên liệu nghèo nitơ như rơm rạ, lá khô, mùn cưa, lõi ngô, cỏ khô … chất lượng phân hữu cơ sẽ được cải thiện Trong các nghiên cứu Gauze và các cộng sự đã cho thấy các vi sinh vật phân giải xenluloza đã làm tăng hàm lượng nitơ và photpho trong phân hữu cơ cùng với việc giảm giá thành công nghệ

Sự có mặt của vi sinh vật phân giải xenluloza là một trong các yếu tố quan trọng để rút ngắn thời gian phân huỷ các hợp chất hữu cơ Gauze đã sử dụng các chủng nấm ưa ấm vào các đống ủ, các chủng vi sinh vật phân giải hợp chất hữu cơ được bổ sung trong quá trình ủ đóng vai trò vi sinh vật khởi động để sản xuất nhanh phân hữu cơ từ nguồn phế thải giàu xenluloza là

Aspergillus, Trichoderma và Penicillium Cũng từ các kết quả nghiên cứu và

thực tiễn sản xuất, Gauze và cộng sự đã đề xuất kỹ thuật bổ sung thêm quặng

photphat với liều lượng 5 % và vi sinh vật phân giải lân (Aspergillus, Penicillium, Pseudomonas, Bacillus) với mật độ 106 ÷ 108

CFU/g cùng với

Azotobacter nhằm nâng cao giá trị dinh dưỡng của sản phẩm [29] Năm 1980

các kết quả nghiên cứu của Gauze và cộng sự cho thấy việc bổ sung thêm các loại vi sinh vật có khả năng phân huỷ xenluloza cao cùng các nguyên tố dinh dưỡng như đạm dạng hữu cơ, lân dạng quặng photphorit và một số điều kiện môi trường khác đã giúp rút ngắn thời gian ủ phân chuồng từ 4 ÷ 6 tháng còn

2 ÷ 4 tuần Các chủng vi sinh vật phân giải hợp chất hữu cơ được bổ sung

trong quá trình ủ đóng vai trò vi sinh vật khởi động sản xuất nhanh phân hữu

cơ từ nguồn phế thải giàu xenluloza là Aspergillus, Trichoderma và Penicillium [29] Quá trình phân huỷ hợp chất hữu cơ tự nhiên bởi quần thể vi

sinh vật (vi khuẩn, nấm, xạ khuẩn, động vật nguyên sinh…) dưới tác động của

độ ẩm, nhiệt độ, không khí tạo nên các sản phẩm cuối cùng là chất mùn và chất dinh dưỡng mà cây trồng có thể hấp thụ được Quá trình phân huỷ sinh học các hợp chất hữu cơ xảy ra do những nhóm vi sinh vật dị dưỡng như vi khuẩn, nấm, xạ khuẩn và động vật nguyên sinh, trong đó vai trò của hệ vi sinh vật phân giải xenluloza, lignin, protein, lipit … là rất quan trọng Khi phân huỷ các chất hữu cơ với sự có mặt của oxy, thì quá trình được gọi là hiếu khí

Vi sinh vật yếm khí phân huỷ các hợp chất trong điều kiện không có oxy tham gia nhóm; đầu tiên thường là nhóm vi khuẩn sinh axit và giai đoạn cuối thường là nhóm vi khuẩn chuyển hoá trực tiếp thành NH3, CH4, CO2, H2 … Ngoài một số ít gây bệnh cho người và động thực vật, hầu hết vi sinh vật đều tham gia và đóng vai trò quan trọng trong quá trình chuyển hoá vật chất và nhờ có sự tham gia của chúng vào quá trình phân giải các chất mà chuỗi thức

ăn và lưới năng lượng luôn được duy trì ở trạng thái cân bằng Vi sinh vật không trực tiếp phân huỷ các hợp chất hữu cơ mà chúng chỉ tham gia chuyển hóa hợp chất hữu cơ thành những chất đơn giản như đường, axit amin, axit béo nhờ các enzym ngoại bào [21]

Trong các kết quả nghiên cứu về vai trò phân giải hợp chất hữu cơ chứa cacbon của xạ khuẩn, Gauze và cộng sự đã cho thấy xạ khuẩn góp phần tích cực trong chuyển hoá hợp chất giàu hydratcacbon khi sử dụng xạ khuẩn kết hợp với vi khuẩn và vi nấm thời gian xử lý phế phụ phẩm nông nghiệp (rơm, thân lá cây, phân gia súc, gia cầm) thời gian xử lý rút ngắn xuống còn 30 ngày Các chủng xạ khuẩn này thuộc nhóm ưa nóng sinh trưởng phát triển tốt

ở nhiệt độ 45 ÷ 50 ºC và rất thích hợp cho các quá trình phân huỷ các hợp chất hữu cơ [29]

1.1.2 Tình hình nghiên cứu xử lý phế thải hữu cơ ở Việt Nam

Ở Việt Nam, các loại phân bón hữu cơ ngày càng được quan tâm nghiên cứu, sản xuất và sử dụng để chăm sóc cây trồng nhằm hướng tới nền nông nghiệp sạch và bền vững.Trong vài năm gần đây việc sử dụng phân bón hữu cơ sinh học ngày càng gia tăng Theo Cục Trồng trọt, đến tháng 10/2010, Việt Nam đã có trên 350 loại phân hữu cơ khoáng và hữu cơ sinh học, lượng sản xuất có đăng ký hàng năm đã tới 1 triệu tấn

Phân hữu cơ sinh học cung cấp được nhiều chất dinh dưỡng cho cây trồng Ảnh hưởng của nó đối với cây trồng thường chậm nhưng lại có tính ưu việt là duy trì được lâu dài Đặc biệt phân hữu cơ sinh học có tác dụng trong việc cải tạo đất Hiện nay, phân hữu cơ sinh học được nghiên cứu sản xuất từ các nguồn rác thải, phế thải và phụ phẩm của các ngành sản suất nông nghiệp

Ở một số tỉnh đã xây dựng được các công ty với quy mô khác nhau để sản xuất các loại sản phẩm này Tuy nhiên các sản phẩm đó mang tính thị trường

và ít tới tay được các hộ nông dân nghèo đặc biệt các nông hộ ở miền núi Một số cơ sở sản xuất phân bón hữu cơ sinh học được tạo ra trên nguyên tắc phối trộn giữa than bùn với các phế thải của nông nghiệp và phân chuồng, thêm một tỷ lệ thấp phân hóa học đạm, lân và kali Quy trình ủ và phối trộn dựa chủ yếu vào hệ vi sinh vật hoang dại có sẵn trong phân, rác và một phần

do tác dụng các axit mùn (axit humic, fulvic,…) có sẵn trong than bùn Vì vậy, thời gian ủ trộn kéo dài, chất lượng không ổn định vì không có sự chọn lọc các chủng vi sinh vật

Chất hữu cơ đã được mùn hoá nên có tính keo dính gắn các hạt cát, hạt sét, tạo độ xốp cho đất, giúp đất có kết cấu tốt, không bị chai cứng và đất lại thông thoáng Trường Đại học Cần Thơ đã có nhiều công trình nghiên cứu khoa học về sử dụng các chế phẩm sinh học, phân sinh học, phân hữu cơ để giảm bớt lượng phân hóa học mà năng suất và chất lượng nông sản vẫn ổn định

Việc nghiên cứu ứng dụng các loại men tổng hợp sản xuất từ các chủng

vi sinh vật phân giải chất xơ, chất hữu cơ đã tạo ra chế phẩm sinh học

Compostmaker và đã được Bộ NN&PTNT công nhận là tiến bộ kỹ thuật và cho phép áp dụng trong sản xuất Chế phẩm Compostmaker xử lý nguyên liệu giàu hợp chất cacbon có bổ sung phân gia súc gia cầm làm cơ chất trồng cây, sản phẩm tạo ra bảo đảm độ an toàn sinh học Thành phần của phế thải chăn nuôi gia súc gồm phần lớn các hợp chất hữu cơ và các sản phẩm sau quá trình phân huỷ của chúng Quá trình chuyển hoá của các hợp chất hữu cơ trong phế thải này ngoài môi trường tự nhiên chủ yếu dựa vào hoạt động sống của vi sinh vật trong tự nhiên, nên quá trình phân huỷ này thường kéo dài khoảng 4

÷ 6 tháng Để đẩy nhanh tốc độ phân hủy các phế thải này, hiện đã có rất nhiều biện pháp xử lý phế thải chăn nuôi như: sử dụng hóa chất, chôn lấp hoặc ủ đánh đống tự nhiên, xử lý sinh học v.v Trong đó, xử lý phế thải chăn nuôi theo phương pháp sinh học (sử dụng vi sinh vật có ích làm tác nhân sinh học) không những đạt hiệu quả cao, rút ngắn thời gian ủ, hạn chế ô nhiễm môi trường mà sản phẩm tạo thành sau khi xử lý còn có thể sử dụng như nguồn phân bón có chất lượng

Dinh dưỡng trong phân chuồng tươi chủ yếu nằm dưới dạng các hợp chất hữu cơ cây trồng khó có thể hấp thụ được Ở nhiều nơi nông dân Việt Nam đã có kinh nghiệm xử lý phân chuồng trước khi đưa ra bón trực tiếp cho cây trồng Để tăng khả năng sử dụng nhanh các chất dinh dưỡng cần thiết phải được chế biến để chuyển hoá các chất hữu cơ phân tử lớn thành các chất vô cơ phân tử nhỏ hơn và các chất khoáng dễ tiêu Hiện tại việc chế biến phân chuồng chủ yếu là áp dụng biện pháp ủ phân giản đơn, nguyên lý của quá trình

ủ phân chuồng là dưới tác động của các vi sinh vật hiếu khí và yếm khí vốn có trong phân, các chất hữu cơ phân tử lớn sẽ được chuyển hóa thành các chất hữu

cơ phân tử nhỏ hơn và dần được chuyển thành các dạng muối vô cơ để cây trồng hấp thu, nhờ vậy các chất khó tiêu sẽ được chuyển thành dễ tiêu [17; 18; 31] Phân tích một đơn vị khối lượng phế thải chăn nuôi, người ta đã thu được kết quả thành phần dinh dưỡng trong từng loại tập hợp trong bảng 1.1

Bảng 1.1 Thành phần hoá học của một số loại phân gia súc, gia cầm [3]

Các kết quả nghiên cứu về xử lý phế thải chăn nuôi đã được đề cập nhiều trong các hội thảo quốc gia và khu vực, trong đó chủ yếu là các kết quả đánh giá về hiện trạng ô nhiễm từ phế thải chăn nuôi Nghiên cứu thử nghiệm

và tiếp thu công nghệ vi sinh vật hữu hiệu (Effective Microorganisms - EM) trong nông nghiệp và vệ sinh môi trường đã xác định hỗn hợp các vi sinh vật

hữu hiệu có tác dụng tích cực trong việc giảm thiểu ô nhiễm không khí của các bãi rác, rác thải sinh hoạt và ô nhiễm nước do các chất thải hữu cơ gây nên, đồng thời cũng xác định hỗn hợp các vi sinh vật hữu hiệu có tác dụng ức chế một số vi sinh vật gây bệnh đường ruột ở động vật Sử dụng EM hoặc sản phẩm thứ cấp Bokashi có thể giảm thiểu mùi hôi của các chuồng trại chăn nuôi Công trình nghiên cứu không đề cập đến việc xử lý phế thải chăn nuôi bằng EM, chưa xác định được chỉ tiêu kỹ thuật của sản phẩm và định tên các

vi sinh vật có trong sản phẩm [3]

Ứng dụng chế phẩm vi sinh vật phân giải chất hữu cơ đã được áp dụng trong nước thải như Biomix, phế thải như Vixura, và cả trong nuôi trồng thủy sản Các kết quả ứng dụng trên cho thấy xử lý phế thải bằng chế phẩm vi sinh

dùng bộ chủng Streptomyces và Bacillus đã rút ngắn thời gian xử lý từ 1 ÷ 2

tháng còn 25 ngày [2]

Mục tiêu nghiên cứu các chế phẩm vi sinh không những để xử lý hiệu quả phế thải chăn nuôi mà còn rút ngắn thời gian xử lý Ứng dụng tổ hợp vi sinh vật có chứa các chủng vi sinh vật có khả năng thích nghi, sinh trưởng tốt

có hoạt tính chuyển hóa hợp chất hữu cơ giàu cacbon, photphat khó tan, protein, lipit đã tạo ra chế phẩm vi sinh vật xử lý nhanh phế thải chăn nuôi

có hoạt tính sinh học cao và ổn định, thân thiện với môi trường

Kết quả nghiên cứu ứng dụng chế phẩm Bio-F có Streptomyces sp., Trichoderma sp và Bacillus sp tác dụng phân huỷ nhanh các hợp chất hữu

cơ, làm mất mùi hôi trong phân lợn, gà và bò Sau 3 ngày các vi sinh vật hữu ích phát triển mạnh phân giải và làm mất mùi hôi, nhiệt độ trong khối ủ cũng tăng 60 ÷ 70 ºC, tiêu diệt các vi sinh vật gây bệnh và trứng giun trong phân Sau 7 ÷ 10 ngày, tiếp tục ủ chín giai đoạn kết thúc và sản phẩm thu được là phân bón hữu cơ chất lượng cao, có tác dụng phòng chống nấm gây hại cây trồng [7]

Kết quả nghiên cứu lựa chọn giải pháp công nghệ phù hợp nhằm giảm thiểu ô nhiễm môi trường, cho thấy thử nghiệm xử lý phân lợn ở vùng chăn

nuôi trang trại tập trung với các chế sinh học (EM thứ cấp, EM Bokaski và Compost Maker) cho phép rút ngắn trung bình khoảng 1/3 thời gian, so với ủ phân bằng phương pháp truyền thống, giảm nồng độ 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 quy mô tập trung, phân lợn sau khi xử

lý đáp ứng được các yêu cầu của phân hữu cơ vi sinh cho cây trồng

1.2 THÀNH PHẦN PH THẢI HỮU CƠ VÀ VI SINH VẬT PHÂN GIẢI 1.2.1 Các hydratcacbon trong phế thải

Trong phế thải các hydratcacbon chiếm tỷ trọng lớn bởi nó là thành phần chính trong sinh khối thực vật Rác thải hữu cơ thường chứa nhiều thành phần khác nhau với các tỷ lệ khác nhau tùy mỗi loại thực vật

Trong tự nhiên, lignoxenluloza là một hợp chất hữu cơ trong thành phần cấu trúc chính của thực vật và các loài thân gỗ khác như cỏ, lúa ngô, khoai sắn … Nó là một đại phân tử, bao gồm ba thành phần là xenluloza, hemixenluloza và lignin liên kết chặt chẽ với nhau bằng các liên kết cộng hóa trị và các liên kết không cộng hóa trị, các liên kết chặt chẽ này tạo nên cấu trúc vững chắc, rất khó phân hủy Lignoxenluloza chiếm tỉ trọng lớn có thể nên đến 90 % trọng lượng khô của thực vật Thành phần tỉ lệ của lignoxenluloza là khác nhau giữa các loài, thậm chí ngay cả trong một loài tỉ

lệ này cũng thay đổi theo điều kiện sinh trưởng trong ngoại cảnh, độ tuổi

Ngoài ra còn có một số hợp chất như tinh bột, pectin … cũng có mặt tuy chỉ với lượng nhỏ nhưng chúng có vai trò quan trong trong cấu tạo thực vật, ảnh hưởng đến sinh trưởng của vi sinh vật phân giải

1.2.1.1 Xenluloza trong phế thải

Xenluloza là một trong những thành phần chủ yếu của các tổ chức thực vật Chiếm tới 50 % tổng số hydratcacbon trên trái đất Xenluloza trong gỗ chiếm 40 ÷ 50 %, đặc biệt trong bông có thể chiếm đến 90 % Hàm lượng xenluloza trong sinh khối thực vật thay đổi tùy loài, cũng là một trong những

sinh khối hữu cơ phong phú đa dạng Xenluloza tồn tại trong mối liên kết chặt chẽ với các polysaccarit khác như hemixenluloza, pectin, lignin tạo thành liên kết bền vững

Xenluloza là hợp chất cao phân tử được cấu tạo từ các liên kết các mắt xích β-D-Glucose, có công thức cấu tạo là (C6H10O5)n hay [C6H7O2(OH)3]n trong đó n có thể nằm trong khoảng 5000 ÷ 14000 Xenluloza là thành phần chính tạo nên lớp màng tế bào thực vật, giúp cho các

mô thực vật có độ bền cơ học và tính đàn hồi Trong gỗ lá kim, xenluloza chiếm khoảng 41 ÷ 49 %, trong gỗ lá rộng nó chiếm 43 ÷ 52 % thể tích [17]

Tính chất vật lý của xenluloza: là chất màu trắng, không mùi, không vị Xenluloza không tan trong nước ngay cả khi đun nóng và các dung môi hữu

cơ thông thường Tan trong một số dung dịch acid vô cơ mạnh như: HCl, HNO3, một số dung dịch muối: ZnCl2, PbCl2, … Xenluloza có nhiều trong bông (95 ÷ 98 %), đay, gai, tre, nứa, gỗ, (Xenluloza chiếm khoảng 40 ÷ 45

% trong gỗ)

Các mạch xenluloza được liên kết với nhau nhờ liên kết hydro và liên kết van Der Waals, hình thành hai vùng cấu trúc chính là tinh thể và vô định hình Trong vùng tinh thể, các phân tử xenluloza liên kết chặt chẽ với nhau, vùng này khó bị tấn công bởi enzym cũng như hóa chất Ngược lại, trong vùng vô định hình, xenluloza liên kết không chặt với nhau nên dễ bị tấn công

1.2.1.2 Hemixenluloza trong phế thải

Trong tế bào thực vật, hemixenluloza đứng thứ hai về khối lượng Trong thành phần của hemixenluloza có nhiều loại đường khác nhau Chính

vì vậy, tên của chúng thường được gọi theo tên của một loại đường chủ yếu nào đó có trong thành phần của chúng như mannan, galactan, pentozan … Khối lượng phân tử của hemixenluloza nhỏ hơn xenluloza rất nhiều, chúng chỉ khoảng 150 gốc đường đơn Các gốc đường này được nối với nhau bằng các liên kết -1,4; -1,3; -1,6-glucozit Bao gồm hai loại đường là hexoza và

pentoza Các hemixenluloza thường tạo mạch ngắn và phân nhánh, so với xenluloza thì hemixenluloza có cấu trúc không chặt chẽ, dễ bị phân giải bởi kiềm yếu và axit yếu, đôi khi còn bị phân giải trong nước nóng Trong số các loại hemixenluloza thì xylan có nhiều trong thiên nhiên Trong rơm rạ xylan chiếm khoảng 15 ÷ 20 %, trong bã mía chiếm 30 %, trong gỗ thông chiếm 7 ÷

12 %, trong các loại lá rộng chiếm 20 ÷ 25 % khối lượng khô

Hemixenluloza là một polyme rất phức tạp và phân nhánh, độ trùng hợp khoảng 70 ÷ 200 đơn phân Hemixenluloza chứa cả đường 6 cacbon gồm glucoza, mannoza và galactoza và đường 5 gồm xyloza và abarinoza Thành phần cơ bản của hemixenluloza là β – D xylopyranoza, liên kết với nhau bằng liên kết β -(1-4) Cấu tạo của hemixenluloza khá phức tạp và đa dạng tùy vào nguyên liệu, tuy nhiên có một vài điểm chung gồm: Mạch chính của hemixenluloza được cấu tạo từ liên kết β -(1-4) Xyloza là thành phần quan trọng nhất Nhóm thế phổ biến nhất là nhóm acetyl O – liên kết với vị trí 2 hoặc 3 Mạch nhánh cấu tạo từ các nhóm đơn giản, thông thường là disaccharit hoặc trisaccharit Sự liên kết của hemixenluloza với các polysaccharit khác và với lignin là nhờ các mạch nhánh này Cũng vì hemixenluloza có mạch nhánh nên tồn tại ở dạng vô định hình và vì thế dễ bị thủy phân Hemixenluloza là polysaccharit trong màng tế bào tan trong dung dịch kiềm và có liên kết chặt chẽ với xenluloza, là một trong ba sinh khối tự nhiên chính Cùng với xenluloza và lignin, hemixenluloza tạo nên thành tế bào vững chắc ở thực vật Về cấu trúc, hemixenluloza có thành phần chính là D-glucoza, D-galactoza, D-mannoza, D-xyloza và L-arabinoza liên kết với các thành phần khác và nằm trong liên kết glycosit Hemixenluloza còn chứa cả axit 4-O-methylglucuronic, axit D-galacturonic và axit glucuronic

1.2.1.3 Lignin trong phế thải

Lignin là một phức hợp chất hóa học phổ biến được tìm thấy trong hệ mạch thực vật, chủ yếu là giữa các tế bào, trong thành tế bào thực vật Là một trong các polyme hữu cơ phổ biến nhất trên trái đất Lignin có cấu trúc không

gian 3 chiều, phức tạp, vô định hình, chiếm 17 ÷ 33 % thành phần của gỗ Lignin không phải là carbohydrat nhưng có liên kết chặt chẽ với nhóm này để tạo nên màng tế bào giúp thực vật cứng chắc và giòn, có chức năng vận chuyển nước trong cơ thể thực vật (một phần là để làm bền thành tế bào và giữ cho cây không bị đổ, một phần là điều chỉnh dòng chảy của nước), giúp cây phát triển và chống lại sự tấn công của côn trùng và mầm bệnh Trong tự nhiên, lignin chủ yếu đóng vai trò chất liên kết trong thành tế bào thực vật, liên kết chặt chẽ với mạng xenluloza và hemixenluloza Rất khó để có thể tách lignin ra hoàn toàn [22]

Lignin là polyme, được cấu thành từ các đơn vị phenylpropen, vài đơn

vị cấu trúc điển hình là: guaiacyl (G), trans-coniferyl alcohol; syringyl (S), trans-sinapyl alcohol; p-hydroxylphenyl (H), trans-p-courmary alcohol [30] Cấu trúc của lignin đa dạng, tùy thuộc vào loại gỗ, tuổi của cây hoặc cấu trúc của nó trong gỗ Ngoài việc được phân loại theo lignin của gỗ cứng, gỗ mềm

và cỏ, lignin có thể được phân thành hai loại chính: guaicyl lignin và syringyl lignin [8]

guaicyl-1.2.1.4 Tinh bột trong phế thải

Tinh bột là một cacbonhyđrat cao phân tử bao gồm các đơn vị D-glucoza nối với nhau bởi liên kết α-glucozit Công thức phân tử gần đúng là (C6H10O5)n trong đó n có giá trị từ vài trăm đến khoảng mười nghìn Tinh bột

có dạng hạt màu trắng tạo bởi hai loại polime là amiloza và amilopectin Amiloza là polime mạch thẳng gồm các đơn vị D- glucoza liên kết với nhau bởi liên kết α-1,4-glucozit Amilopectin là polime mạch nhánh, ngoài chuỗi glucoza thông thường còn có những chuỗi nhánh liên kết với chuỗi chính bằng liên kết α-1,6-glucozit

Trong tự nhiên, tinh bột là thành phần chủ yếu của các loại ngũ cốc, củ

và quả Hàm lượng tinh bột có trong hạt và củ là 40  70 %, trong các phần khác của cây là 4  25 % Chúng đóng vai trò là nguồn dự trữ năng lượng cho

quá trình nảy mầm của hạt và là nguồn lương thực chủ yếu của con người Enzym thủy phân tinh bột phân hủy chủ yếu liên kết α-glucozit Nhóm enzym này gồm: α-amylaza, β-amylaza, glucoamylaza và dextrinaza

1.2.1.5 Pectin trong phế thải

Pectin là một polysaccarit tồn tại phổ biến trong thực vật, là thành phần tham gia xây dựng cấu trúc tế bào thực vật Ở thực vật pectin tồn tại chủ yếu

ở 2 dạng là pectin hòa tan và protopectin không hòa tan Dưới tác dụng của axit, protopectinaza hoặc khi gia nhiệt thì protopectin chuyển thành pectin Pectin là hợp chất cao phân tử polygalactoronic có đơn phân tử là galactoronic và rượu metylic Trọng lượng phân tử từ 20.000  200.000 đvC Hàm lượng pectin 1 % trong dung dịch có độ nhớt cao, nếu bổ sung 60 % đường và điều chỉnh pH môi trường từ 3,1 ÷ 3,4 sản phẩm sẽ tạo đông

1.2.2 Protein trong phế thải

Protein là hợp chất cao phân tử chứa nitơ (15 ÷ 17 %) tính theo trọng lượng khô) Protein là thành phần quan trọng của cơ thể động, thực vật Sự phân giải protein trải qua các quá trình thuỷ phân protein thành các polypeptit, sau đó là các axit amin, tiếp theo là các quá trình amon hoá, nitrat hoá và phản nitrat hoá Quá trình amon hoá là quá trình chuyển hoá các hợp chất nitơ hữu

cơ thành nitơ dạng khoáng Quá trình nitrat hoá là quá trình chuyển hoá các chất amoniac ban đầu thành axit nitơ sau đó thành axit nitric Quá trình khử nitrat thành nitơ gọi là phản nitrat hoá

1.2.3 Lipit trong phế thải

Lipit (este phức tạp của glyxerin và axit béo) có nhiều trong cơ thể sinh vật, chúng thường là chất dự trữ hoặc bảo vệ So với các chất khác thì lipit thủy phân chậm hơn Nhiều vi sinh vật có khả năng phân giải lipit vì chúng tổng hợp được lipaza

1.3 VAI TRÕ CỦA VI SINH VẬT TRONG Ử L PH THẢI HỮU CƠ

Vi sinh vật là các sinh vật có kích thước rất nhỏ bé, chúng có mặt ở hầu khắp mọi nơi trong đất, trong nước, không khí, thậm chí chúng sống cả trong

cơ thể người và động, thực vật Trong rác thải có mặt hầu hết các loại vi sinh vật, cả các vi sinh vật gây bệnh, quá trình xử lý phế thải, chúng sử dụng các chất hữu cơ có trong rác làm nguồn cơ chất Mặt khác, chúng phân huỷ các chất hữu cơ này thành các chất mùn và các sản phẩm phụ khác, chúng sinh trưởng làm tăng sinh khối, bổ sung protein cho sản phẩm quá trình xử lý rác thải Các vi sinh vật này là các thể dị dưỡng hoại sinh, chúng sử dụng các chất hữu cơ làm cơ chất dinh dưỡng Trong quá trình sống, các vi sinh vật này sinh

ra enzym thuỷ phân để phân cắt các hợp chất hữu cơ vốn là các chất cao phân

tử thành các hợp chất đơn giản hoặc các đơn vị cấu thành hợp chất cao phân

tử Các chất này thấm vào tế bào, tham gia vào quá trình đồng hoá trao đổi chất để tạo ra năng lượng cho hoạt động sống và xây dựng tế bào mới Ngoài các thể dị dưỡng hoại sinh, người ta còn thấy ở trong rác các nhóm vi khuẩn

tự dưỡng cố định amon, nitrat hóa và phản nitrat hoá, nhóm vi khuẩn khử sunphat, chuyển hoá lưu huỳnh

Một điều đáng lưu ý là trong quá trình ủ phế thải, nhiệt độ đống ủ tăng cao, có khi lên đến 60 ÷ 70 oC, làm cho đa số các vi sinh vật gây bệnh có trong phế thải chết vì phần lớn chúng không chịu được nhiệt độ cao Các loài nấm thường không chịu được nhiệt độ cao nên chỉ phát triển mạnh trong thời gian đầu sau đó chết đi Một số chủng vi khuẩn, xạ khuẩn ưa nhiệt và chịu nhiệt có khả năng sinh trưởng trong điều kiện nhiệt độ cao có thể tồn tại trong suốt quá trình ủ

1.3.1 Vi sinh vật phân giải xenluloza

Trong tự nhiên một nửa hợp chất cacbon trong sinh khối (biomass) trên mặt đất là xenluloza, chiếm khoảng 35 ÷ 50 % khối lượng khô sinh khối thực vật Tất cả các sản phẩm sinh khối sẽ được khoáng hóa nhờ hệ thống enzym

phân giải xenluloza được cung cấp bởi vi sinh vật Hệ thống enzym phân giải xenluloza này thường chậm và không hoàn toàn Tuy nhiên trong khoảng thời gian ngắn (48 giờ) hệ vi sinh vật trong dạ cỏ bò có thể phân giải 60 ÷ 65 % xenluloza, trong đường ruột của loài mối có thể tiêu hóa đến 90 % xenluloza của gỗ Còn trong hệ thống sinh học phức tạp như rễ cây hoặc những mảnh vỡ thực vật trong đất, xenluloza có thể được phân hủy trong thời gian lâu hơn.

Nhiều nghiên cứu cho rằng xenlulaza là một hệ enzym phức tạp được sinh ra bởi nhiều vi sinh vật, phổ biến là nấm, vi khuẩn, xạ khuẩn Mặc dù những loài nấm sợi thì phân hủy rất tốt các xenluloza tự nhiên thế nhưng vi khuẩn lại có tốc độ sinh trưởng cao hơn so với nấm nên có tiềm năng lớn để được dùng trong việc sản xuất xenluloza Xạ khuẩn không những có khả năng phân giảixenluloza mà còn có khả năng sinh kháng sinh ứng dụng rất cao trong sản xuất xenluloza

Trong điều kiện tự nhiên thoáng khí xenluloza có thể bị phân giải dưới tác dụng của nhiều vi sinh vật hiếu khí Các loài vi khuẩn như:

Achromobacter, Pseudomonas, Cellulomona, Cellvibrio, Bacillus, Cytophaga, Angiococcus, Polyangium, Sporocytophaga, Sorangium, Archangium, Promyxobacterium; xạ khuẩn như Micromonospora, Proactino- myces, Actinomyces, Streptomyces, Streptosporangium [9] … Nhưng trong thực tế, người ta thấy Bacillus, Fravobacterium và Pseudomonas là các loài

phân lập được có tần suất cao nhất

Ngoài các vi khuẩn hiếu khí còn có một số vi khuẩn kị khí có khả năng tham gia vào quá trình phân giải xenluloza Người ta gọi quá trình phân giải xenluloza kị khí là quá trình lên men xenluloza Điển hình là vi khuẩn ưa ẩm hoặc ưa nóng trong khu hệ vi sinh vật trong dạ cỏ động vật nhai lại:

Ruminococcus flavefeciens, R albus, R parvum, Bacteroides succinpgenes, Butyrivibrio fibrisolvens, Clostridium cellobioparum, Cillobacterium cellulosolvens,…

Xạ khuẩn cũng tham gia vào quá trình phân giải xenluloza Xạ khuẩn là một nhóm vi khuẩn đặc biệt, phần lớn xạ khuẩn là Gram dương, hiếu khí, hoại sinh, có cấu tạo đặc trưng bởi sư phân nhánh Một số xạ khuẩn có khả năng

phân giải xenluloza đáng chú ý là các loài thuộc chi Streptomyces, Nocardia, Actinomyces, Proactinomyces, Thermoactinomyces… Do xạ khuẩn có thể sản

sinh nhiều sản phẩm trao đổi chất quan trọng nên đã được các nhà khoa học quan tâm nghiên cứu rất nhiều từ trước đến nay

Có rất nhiều loài nấm phân giải xenluloza mạnh, đại diện là các loài

Trichoderma reesei, Aspergillus niger, Fusarium solani, Penicillium pinophinum, Sporotrium pulverlentum Các loài nấm ưa nhiệt cũng được chú

ý vì chúng có thể tổng hợp các enzym bền nhiệt, sinh trưởng và phân giải nhanh xenluloza Chúng phân hủy các tàn dư của thực vật trong đất góp phần chuyển hóa một lượng hữu cơ khổng lồ Chúng thường phân hủy xenluloza khi nhiệt độ cao từ 20 ÷ 30 oC, khoảng pH 3,5 ÷ 6,6

Các vi khuẩn kỵ khí ưa ẩm và ưa nóng thích ứng một cách khá nghiêm ngặt trong việc sử dụng xenluloza Chúng phát triển yếu trên môi trường chứa

các loại đường đơn (glucoza, maltoza, saccaroza) Hầu hết các vi sinh vật này

đều sinh ra xenlulaza thuỷ phân xenluloza thành bioxenluloza và sau đó thành đường đôi, đường đơn Các đường này trở thành nguồn cung cấp năng lượng cho quá trình trao đổi chất và sinh trưởng, phát triển của vi sinh vật

1.3.2 Vi sinh vật phân giải hemixenluloza

Xylan là thành phần chính của hemixeluloza thực vật, là polysaccharit phổ biến thứ hai trong tự nhiên chỉ sau xeluloza và được tìm thấy trong thành

tế bào thực vật Xylan còn tham gia vào cấu trúc và giúp lignocelluloza bền hơn [28]

Xylanaza được dùng để chỉ một phức hệ các enzym cần thiết cho quá trình phân hủy hoàn toàn cơ chất xylan, một polysaccharit không đồng nhất

Trong tự nhiên, một số vi sinh vật sử dụng các nguồn năng lượng tự sinh ra các loại xylanaza khác nhau Các loại enzym này ngoài chức năng phân hủy thành tế bào thực vật còn kết hợp với các enzym thủy phân khác tham gia vào quá trình tách dòng

Trong các loài vi sinh vật có khả năng sinh tổng hợp xylanaza, nấm, vi khuẩn và xạ khuẩn là các nhóm quan trọng nhất, đặc biệt là nấm sợi Các nhóm vi sinh vật có khả năng sinh xylanaza phân bố khá rộng rãi và tham gia tích cực vào các chu trình tuần hoàn vật chất, nhất là các quá trình phân giải chất hữu cơ để hình thành chất mùn

Các loại xylanaza được sinh ra bởi vi khuẩn và nấm sợi ưa kiềm có khả năng chịu nhiệt tốt hơn và do đó chúng được ứng dụng rộng rãi và cho hiệu quả cao hơn trong công nghiệp [27]

1.3.3 Vi sinh vật phân giải tinh bột

Tinh bột là chất dự trữ chủ yếu của thực vật, đặc biệt là cây có củ, gồm 2 thành phần amyloza và amylosepectin Các chưng vi sinh vật phân giải tinh bột

như: Aspergillus, Fusarius, Rhizopus, Bacillus, Cytophaga, Pseudomonas, Streptomyces

Vi sinh vật phân giải tinh bột nhờ tiết ra hệ enzym amylaza gồm có 4 enzym: α - amylaza tác động vào bất kỳ mối liên kết 1,4 glucosit nào trong phân

tử tinh bột cắt thành nhiều đoạn ngắn gọi là sự dịch hóa tinh bột tạo sản phẩm là đường 3 cacbon gọi là maltotrioza; β – amylaza chỉ có khả năng cắt đứt liên kết 1,4 glucosit ở cuối phân tử tinh bột bởi thế còn gọi là exoamylaza, sản phẩm của

β – amylaza thường là đường disaccharit maltoza; Amyloza 1,6 - glucosidaza có khả năng cắt đứt mối liên kết 1,6 glucosit tại những chỗ phân nhánh của amylosepectin; Glucoamylaza phân giải tinh bột thành glucoza và các oligosacharit, enzym này có khả năng phân cắt cả 2 loại liên kết 1,4 và 1,6 glucozit

1.3.4 Vi sinh vật phân giải lignin

Các vi sinh vật phân giải lignin thường là Phanerochaete chrysosporium, Basidomyces, Ascomycetes, Streptomyces sp., Actinomyces

Lignin peroxidaza (LiP) được mô tả là một glycoprotein chứa khoảng 15 % cacbonhydrat và một nhóm phụ protoporphyrin sắt IV (heme) Lignin peroxidaza có trọng lượng phân tử 41.000 ÷ 42.000 Da, pH 2, pH thấp hơn thì enzym không ổn định Họ lignin peroxidaza gồm isozym, số lượng isozym khác nhau tùy từng chủng nấm, điều kiện nuôi cấy, kỹ thuật tinh sạch và kỹ thuật phân đoạn Lignin peroxidaza không có cơ chất chuyên biệt, nó có thể oxi hóa lignin và những hợp chất liên quan tới lignin (có rượu hay không rượu), kết quả là phân cắt nối cacbon α – cacbon β, mở vòng thơm, oxi hóa rượu, demethyl hóa

Các hợp chất có vòng phenol và không vòng phenol như methoxybenzen cũng là cơ chất của LiP Các cơ chất có vòng phenol bị oxi hóa để tạo ra những sản phẩm tương tự những sản phẩm tạo thành bởi các peroxidaza khác, trong khi sự oxi hóa các methoxybenzen không có vòng phenol thì chỉ có ở LiP Sự oxi hóa các cơ chất này thành các gốc ion dương aryl

1.3.5 Vi sinh vật phân giải protein

Trong tự nhiên protein được chuyển hóa thành các axit amin đơn giản nhờ các proteaza Proteaza phân bố ở thực vật, động vật, vi sinh vật Tuy nhiên, nguồn enzym phong phú nhất là nguồn từ vi sinh vật, có hầu hết ở các

vi sinh vật như vi khuẩn, nấm mốc và xạ khuẩn, … Có thể nói vi sinh vật là nguồn nguyên liệu thích hợp nhất để sản xuất enzym ở quy mô lớn dùng trong công nghiệp và đời sống

Nhóm proteaza xúc tác quá trình thủy phân liên kết peptit (-CO-NH)n

trong phân tử protein, polypeptit đến sản phẩm cuối cùng là các axit amin Ngoài ra, nhiều proteaza cũng có khả năng thủy phân liên kết este và vận

chuyển axit amin Proteaza là một nhóm enzym phân giải protein (gồm proteinaza, peptidaza, desaminaza,…) mà phần lớn được tế bào tiết ra ngoài

và hoạt động ở bên ngoài tế bào Proteaza có chức năng sinh học rất đa dạng, đóng vai trò quan trọng trong việc điều hòa quá trình trao đổi chất ở sinh vật sống Ngoài chức năng xúc tác cho phản ứng thủy phân protein thành axit amin và các hợp chất có phân tử lượng thấp mà các tế bào có thể dễ dàng hấp thu, proteaza còn có vai trò quyết định trong thiết lập, duy trì sự cân bằng giữa tổng hợp và phân giải protein Bên cạnh đó chúng còn tham gia vào quá trình hình thành và nảy mầm bào tử của vi sinh vật, quá trình đông tụ máu, điều chỉnh huyết áp, biến hình các enzym và điều hòa biểu hiện gen [10] So với proteaza động vật và proteaza thực vật thì proteaza vi sinh vật là một hệ thống rất phức tạp bao gồm nhiều enzym rất giống nhau về cấu trúc, khối lượng và hình dạng phân tử nên rất khó tách ra dưới dạng tinh thể đồng nhất Cũng do là phức hệ gồm nhiều enzym khác nhau nên proteaza vi sinh vật thường có tính đặc hiệu rộng rãi cho sản phẩm thủy phân triệt để và đa dạng

1.4 LỢI ÍCH CỦA PHÂN HỮU CƠ

1.4.1 Các loại phân bón hữu cơ

Phân hữu cơ được chế biến từ những sản phẩm thực vật và động vật Phân hữu cơ được bón với khối lượng lớn, nhưng nó chỉ chứa một lượng rất ít những chất dinh dưỡng khoáng mà cây lúa cần Tuy nhiên, phân hữu cơ không thể thiếu trong sản xuất nông nghiệp, nó không chỉ cung cấp dinh dưỡng cho cây trồng, mà còn làm cho cấu trúc của đất tốt hơn, đất tơi xốp hơn, bộ rễ thực vật phát triển mạnh Có hai loại phân hữu cơ là: phân hữu cơ truyền thống và phân hữu cơ công nghiệp Phân hữu cơ truyền thống được chia làm 4 nhóm chính là: phân chuồng, phân rác, than bùn và phân xanh Ngoài ra còn có một số loại phân bón khác như: tro, phân bắc, phân gia cầm, bùn ao, bùn hồ, bùn sông, nước phù sa, khô dầu Phân hữu cơ công nghiệp bao gồm: phân hữu cơ khoáng (được sản xuất từ nguyên liệu hữu cơ được

trộn thêm một hay nhiều yếu tố dinh dưỡng khoáng); Phân hữu cơ sinh học (được sản xuất từ nguyên liệu hữu cơ có sự tham gia của vi sinh vật sống có ích hoặc các tác nhân sinh học khác) và phân hữu cơ vi sinh - còn gọi là phân

vi sinh (là sản phẩm phân bón chứa vi sinh vật sống, đã được tuyển chọn có mật độ phù hợp với tiêu chuẩn ban hành, thông qua các hoạt động sống của các vi sinh vật có ích tạo nên các chất dinh dưỡng mà cây trồng có thể sử dụng được hay các hoạt chất sinh học, đối kháng vi khuẩn, vi nấm gây bệnh vùng rễ cây để góp phần nâng cao năng suất, chất lượng nông sản)

1.4.2 Lợi ích của phân hữu cơ

Phân hữu cơ sinh học hay hữu cơ truyền thống là loại phân toàn diện có đầy đủ đa, trung, vi lượng và các amino axit như: axit aspartic, axit glutamic, lyzin, serin, leucin, histidin, tryptophan, alanin, glycin các thành phần dinh dưỡng này rất cần thiết cho cây trồng mà phân vô cơ không thể thay thế được

Cải tạo hóa tính đất: trong quá trình phân giải phân hữu cơ có khả năng

hòa tan, làm giảm khả năng di động của một số nguyên tố khoáng, Hạn chế khả năng đồng hóa kim loại của cây, do đó sản phẩm nông nghiệp trở nên sạch hơn Việc hình thành các phức hữu cơ - vô cơ làm tăng tính đệm của đất, điều này rất quan trọng đối với đất có thành phần cơ giới nhẹ

Cải tạo lý tính đất : Tác dụng ổn định cấu trúc đất phụ thuộc vào bản

chất hữu cơ và mức độ mùn hóa Chất hữu cơ sau khi vùi vào đất, thông qua hoạt động của vi sinh vật, chất hữu cơ phân hủy biến thành mùn Mùn làm tăng sự dính kết các hạt đất để tạo thành đoàn lạp cho đất có cấu trúc tốt, thoáng khí, dễ cày bừa, làm cho nước thấm vào đất thuận lợi hơn, khả năng thấm nước của đất cao hơn, việc bốc hơi mặt đất ít đi nhờ vậy mà tiết kiệm được nước tưới Đất làm quá tơi nếu không được phủ bằng một lớp hữu cơ sau khi tưới hoặc sau khi mưa đất sẽ tạo thành một lớp váng ngăn cản việc thông khí, việc thấm nước hạn chế việc nảy mầm của hạt và dễ bị xói mòn, đồng thời khi mưa nhiều, đất thoát nước nhanh hơn, ít bị úng hơn

Phân hữu cơ sinh học tác động đến hệ sinh thái của đất Trong quá

trình phân giải, phân hữu cơ cung cấp thêm thức ăn cho vi sinh vật có ích cả thức ăn khoáng và thức ăn hữu cơ, nên khi bón phân vào đất tập đoàn vi sinh vật có ích phát triển nhanh, kể cả giun đất cũng phát triển Một số chất có hoạt tính sinh học (phytohormon) được hình thành lại tác động đến việc tăng trưởng và trao đổi chất của cây

Dùng phân vi sinh có thể thay thế được từ 50 ÷ 100 % lượng phân đạm hóa học (tùy từng loại cây trồng) Thực tế sản xuất cho thấy 1 tấn phân vi sinh thay thế cho 10 tấn phân chuồng Bón phân vi sinh làm cho cây khỏe hơn, sinh trưởng nhanh hơn, khả năng chống chịu sâu bệnh tốt hơn, năng suất cây trồng

có thể tăng từ 25 ÷ 30 %, chất lượng tốt hơn, mã quả đẹp hơn Bón phân vi sinh có thể tiết kiệm được nhiều chi phí do giá phân hạ, giảm lượng phân bón, giảm số lần phun và lượng thuốc bảo vệ thực vật … nên hạ được giá thành sản phẩm, tăng thêm mức thu nhập cho nông dân Do bón vi sinh nên sản phẩm rất

an toàn, lượng nitrat giảm đáng kể, đất không bị ô nhiễm, khả năng giữ ẩm tốt hơn, tăng cường khả năng cải tạo đất do các hệ sinh vật có ích hoạt động mạnh

làm cho đất tơi xốp hơn, cây dễ hút thu dinh dưỡng hơn

Xu hướng chung hiện nay trong sản xuất lúa trên thế giới là tạo ra sản phẩm phân hữu cơ vi sinh giàu dinh dưỡng và vi sinh vật để bón cho lúa Nhiều quốc gia trên thế giới đã khuyến khích người dân sử dụng phân bón sinh học Vì vậy, công nghệ ứng dụng chế phẩm sinh học để xử lý bèo tây, rơm rạ và các phụ phẩm nông nghiệp khác thành phân bón hữu cơ sinh học, thay thế phân bón hóa học rất phù hợp với xu thế sản xuất nông nghiệp hiện nay của nhiều nước trên thế giới Sử dụng phân bón hữu cơ vi sinh để bón cho cây trồng sẽ làm tăng năng suất cây trồng, hạn chế sâu bệnh, có tác dụng cải tạo đất tốt, tăng độ xốp và mầu mỡ cho đất