Quy trình sản xuất phân vi sinh phân giải lân trong nông nghiệp

Trong sản xuất nông nghiệp, phân bón đóng vai trò quan trọng quyết định cả về chất lượng và sản lượng thu hoạch. Hiện nay có rất nhiều dạng phân bón được sản xuất sử dụng trong nông nghiệp như: phân hoá học, phân hữu cơ, phân sinh học, phân vi sinh.

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC NÔNG LÂM TP HỒ CHÍ MINH

BỘ MÔN CÔNG NGHỆ HÓA HỌC

CÔNG NGHỆ LÊN MEN

SẢN XUẤT PHÂN VI SINH PHÂN GIẢI LÂN

Nhóm: X

Ngành: Công nghệ Kỹ thuật Hóa học

Tp Hồ Chí Minh, tháng 11/2017

MỤC LỤC

MỞ ĐẦU 1

CHƯƠNG I: TỔNG QUAN 2

1.1 Tình hình sản xuất và sử dụng phân vi sinh 2

1.2 Phân lân 3

1.2.1 Các dạng phân lân 3

1.2.2 Sự chuyển hóa lân 4

1.2.3 Điều kiện ảnh hưởng đến khả năng phân giải lân 9

CHƯƠNG II: PHÂN LÂN VI SINH 11

2.1 Định nghĩa 11

2.2 Quy trình sản xuất chung 11

2.2.1 Phân lập và tuyển chọn giống vi sinh vật phân giải lân 11

2.2.2 Nhân sinh khối, xử lí sinh khối và tạo sản phẩm 13

2.2.3 Yêu cầu chất lượng và công tác kiểm tra chất lượng 15

2.3 Quy trình sản xuất phân VSV phân giải lân từ chủng Bacillus 15

2.4 Ưu điểm và nhược điểm của phân lân vi sinh 17

2.5 Một số loại phân lân si sinh trên thị trường hiện nay 17

2.6 Phương pháp bón phân lân vi sinh 19

CHƯƠNG III: KẾT LUẬN 21

TÀI LIỆU THAM KHẢO 23

Dưới tác động của việc đẩy mạnh công nghiệp hóa hiện đại hóa đất nước góp phần làm diện tích đất nông nghiệp ngày một giảm đi Chính vì vậy để tăng năng suất, sản lượng cây trồng đồng thời phải đảm bảo môi trường phát triển bền vững là một vấn đề cấp thiết hiện nay Cùng với chất hữu cơ, vi sinh vật sống trong đất, nước và vùng rễ cây có ý nghĩa quan trọng trong các mối quan hệ giữa cây trồng, đất và phân bón Hầu như mọi quá trình xảy ra trong đất đều có sự tham gia của vi sinh vật (mùn hoá, khoáng hoá chất hữu cơ, phân giải, tổng hợp chất dinh dưỡng từ môi trường, )

Phân bón vi sinh do Noble Hiltner sản xuất đầu tiên tại Đức (1896) và được đặt tên là Nitragin Sau đó phát triển sang một số nước khác như ở Mỹ (1896), Canada (1905), Nga (1907), Anh (1910) và Thụy Điển (1914)

Phân đạm vi sinh, phân vi sinh hỗn hợp, phân vi sinh vật phân giải phosphate khó tan có khả năng chuyển hoá các hợp chất phospho khó tan thành dễ tiêu cho cây trồng

sử dụng, góp phần nâng cao năng suất và chất lượng nông phẩm, không gây hại đến sức khoẻ của người, động thực vật và không ảnh hưởng xấu đến môi trường sinh thái Phân bón vi sinh dựa vào các chủng vi sinh vật sẽ phân giải các chất hữu cơ trong bùn, phế thải, rác thải, phế phẩm công nông nghiệp,… tạo ra sinh khối, sinh khối này rất tốt cho cây cũng như cho đất, giúp cải tạo làm đất tơi xốp Vậy phân lân vi sinh có những đặc điểm, ưu điểm và nhược điểm như thế nào? Vai trò ra sao? Nhằm hiểu sâu hơn về vấn đề này chúng em đã tìm hiểu về phân lân vi sinh

CHƯƠNG I TỔNG QUAN

1.1 Tình hình sản xuất và sử dụng phân vi sinh

Trong sản xuất nông nghiệp, phân bón có một vai trò quan trọng quyết định cả về chất lượng và sản lượng thu hoạch Trên thế giới cũng như ở nước ta đã có nhiều công trình nghiên cứu giúp cho nông dân biết chọn lựa những loại phân có ích nhất và cách

sử dụng phân như: bón phân vào thời điểm nào và liều lượng bao nhiêu là có hiệu quả cao nhất

Hiện nay có rất nhiều dạng phân bón khác nhau đã được sử dụng trong nông nghiệp như: Phân hoá học dưới dạng đa lượng hoặc vi lượng, phân hữu cơ, phân sinh học, phân

vi sinh Trong những năm gần đây, ở nhiều nước trên thế giới, người ta đã tổ chức sản xuất công nghiệp một số loại phân vi sinh vật và đem bán ở thị trường trong nước Một

số loại phân vi sinh vật được bán rộng rãi trên thị trường thế giới Tuy nhiên, các loại phân vi sinh vật còn rất ít và chỉ là bộ phận nhỏ so với phân hoá học trên thị trường phân

bón

Ở Việt Nam, phân VSV cố định đạm cây họ đậu và phân VSV phân giải lân đã được nghiên cứu từ năm 1960 và đến năm 1987 phân Nitragin trên nền chất mang than bùn mới được hoàn thiện và đến năm 1991 đã có hơn 10 đơn vị trong cả nước tập trung nghiên cứu phân vi sinh vật Các nhà khoa học đã phân lập được nhiều chủng vi sinh vật cố định đạm và một số VSV phân giải lân

Trên cơ sở tính năng tác dụng của các chủng loại VSV sử dụng, phân bón VSV còn được gọi dưới các tên:

- Phân VSV cố định nitơ (phân đạm vi sinh) chứa các VSV sống cộng sinh với

cây bộ đậu, hội sinh trong vùng rễ cây trồng cạn hay tự do trong đất, nước có khả năng sử dụng N từ không khí tổng hợp thành đạm cung cấp cho đất và cây trồng

- Phân VSV phân giải hợp chất phosphate khó tan (phân lân vi sinh) sản xuất từ

các VSV có khả năng chuyển hoá các hợp chất phosphate khó tan thành dễ tiêu cho cây trồng sử dụng

- Phân VSV kích thích, điều hoà sinh trưởng thực vật chứa các VSV có khả năng

sản sinh các hoạt chất sinh học có tác dụng điều hoà, kích thích quá trình trao đổi chất của cây

- Phân VSV chức năng là sản phẩm có chứa không chỉ các VSV làm phân bón

như cố định nitơ, phân giải lân, kích thích sinh trưởng thực vật mà còn có các loại VSV có khả năng ức chế, tiêu diệt VSV gây bệnh cây trồng

Phân bón vi sinh vật được sản xuất bằng cách nhân sinh khối VSV trong môi trường và điều kiện thích hợp để đạt được một mật độ nhất định sau đó xử lý bảo quản

và đưa đi sử dụng trực tiếp hoặc phối trộn với cơ chất hữu cơ tạo sản phẩm phân hữu cơ

vi sinh vật Trong khuôn khổ các đề tài nghiên cứu thuộc chương trình công nghệ sinh học giai đoạn 1991-2000 Viện Khoa học kỹ thuật nông nghiệp Việt Nam đã phối kết hợp cùng gần 20 cơ quan nghiên cứu, giảng dạy và công ty chuyên ngành đã xây dựng

và triển khai thành công các qui trình sản xuất phân vi sinh vật cố định nitơ, phân vi sinh vật phân giải lân, phân vi sinh vật hỗn hợp cố định nitơ và phân giải lân Sản phẩm phân bón VSV được các hội đồng khoa học nghiệm thu, đánh giá và công nhận là tiến bộ kỹ thuật

1.2 Phân lân

1.2.1 Các dạng phân lân

Lân hay phospho là một trong những yếu tố rất cần thiết cho cây trồng Lượng lân

dễ tiêu trong đất thường không đáp ứng được nhu cầu của cây nhất là những cây trồng

có năng suất cao Bón phân lân và tăng cường độ hoà tan các dạng lân khó tiêu trong đất

là biện pháp quan trọng trong sản xuất nông nghiệp Bón phân hữu cơ, xác động vật vào đất ở mức độ nhất định là biện pháp tăng hàm lượng lân cho đất

Lân trong đất gồm 2 dạng chính: lân hữu cơ và lân vô cơ

 Lân hữu cơ

Lân hữu cơ có trong cơ thể động vật, thực vật, vi sinh vật thường gặp ở các hợp chất chủ yếu như phytin (phytin và các chất họ hàng: inositol, inositolmonophosphate, inositoltriphosphate), phospholipit, axit nucleic Trong không bào người ta còn thấy lân vô cơ ở dạng octhophosphate làm nhiệm vụ đệm và chất dự trữ Cây trồng, vi sinh vật không thể trực tiếp đồng hoá lân hữu cơ Muốn đồng hoá chúng phải được chuyển hoá thành dạng muối H3PO4

 Lân vô cơ

Lân vô cơ thường ở trong các dạng khoáng như apatit, phosphoric, phosphate sắt, phosphate nhôm, Muốn cây trồng sử dụng được phải qua chế biến, để trở thành dạng dễ tan

Nhờ vi sinh vật lân hữu cơ được vô cơ hoá biến thành muối của axit phosphoric Các dạng lân này một phần được sử dụng, biến thành lân hữu cơ, một phần bị cố định dưới dạng lân khó tan như Ca3(PO2)2, FePO4, AlPO4 Những dạng khó tan này trong môi trường có pH thích hợp, với sự tham gia của vi sinh vật sẽ chuyển hoá thành dạng

dễ tan

1.2.2 Sự chuyển hóa lân

Trong đất thường tồn tại các vi sinh vật có khả năng hoà tan lân Các vi sinh vật này được các nhà khoa học đặt tên cho chúng là: HTL (hoà tan lân, tên tiếng anh PSM – phosphate solubilizing microorganisms)

1.2.2.1 Sự chuyển hoá lân vô cơ

 Vi sinh vật phân giải

Vi khuẩn phân giải những hợp chất lân vô cơ khó tan thường gặp các giống:

Pseudomonas, Alcaligenes, Micrococcus, Achromobacter, Agrobacterium, Aerobacter, Brevibacterium, Flavobacterium, Bên dưới là hình ảnh của một số giống tiêu biểu

Hình 1.1: Giống Pseudomonas là một chi của họ Pseudomonadaceae; vi khuẩn Gram

âm, tế bào hình que, di động nhờ roi ở đầu và không có bào tử

Hình 1.2: Vi khuẩn Alcaligenes là một chi của họ Alcaligenaceae; Gram âm, hiếu khí,

hình que

Hình 1.3: Micrococcus là một chi của vi khuẩn trong họ Micrococcaceae; tế bào hình

cầu Gram dương

Bên cạnh các vi khuẩn và xạ khuẩn thì nấm cũng có tác dụng trong quá trình hoà

tan hợp chất lân khó tan: Penicillium, Aspergillus, Rhizopus, Sclerotium

 Cơ chế hoà tan phospho

Đại đa số nghiên cứu đều cho rằng sự phân giải Ca3(PO4)2 có liên quan mật thiết với sự sản sinh axit trong quá trình sống của vi sinh vật Trong đó axit cacbonic rất quan trọng Chính H2CO3 và hệ enzim phosphatase do vi sinh vật tiết ra phân giải Ca3(PO4)2 Quá trình phân giải theo phương trình sau:

Ca3(PO4)2 + 4CO2 + 4H2O Ca(H2PO4)2 + 2Ca(HCO3)2

Ngoài ra phosphate khó tan cũng được chuyển thành dạng dễ tan dưới tác dụng của axit hữu cơ (carboxylic acids) do vi sinh vật tiết ra Tuy nhiên mỗi loại vi sinh vật tiết ra những loại axit khác nhau và có tác dụng chuyển hóa các phosphate khác nhau

Một nghiên cứu được tiến hành trên 3 chủng Pseudomonas fluorescens (CB501,

CD511 và CE509) Trên môi trường thạch, hai chủng (CB501 và CE509) có khả năng hòa tan 3 loại phosphate Ca3(PO4)2, AlPO4.H2O hoặc FePO4.2H2O trong khi chủng CD511 cho thấy một vùng quầng chỉ trên một tấm thạch phosphate có bổ sung sắt (Fe-P) Tuy nhiên, trong môi trường lỏng, tất cả các chủng đã có thể huy động một lượng đáng kể phốt pho (P) phụ thuộc vào từng loại phosphate Calcium phosphate (Ca-P) hòa tan kết quả của sự kết hợp giữa độ pH và carboxylic acids Tại pH = 7, nó đã được hòa tan bởi hầu hết các axit hữu cơ Tuy nhiên, tổng hợp các carboxylic acids là cơ chế chính tham gia trong quá trình hòa tan phosphate nhôm (Al-P) và phosphate sắt (Fe-P) Cả hai

đã được huy động ở pH 4 bởi citrate, malate, tartrate, và trên mức thấp hơn nhiều với

gluconate và trans-aconitate Sau đó, một thử nghiệm được tiến hành trên giống ngô Zea mays, kết quả thu được sử dụng 5 thông số trong đó bao gồm cả năng suất và hấp thu P, kết quả cho thấy chủng CB501 là tốt nhất kết quả toàn bộ với +37%, tiếp theo chủng CE509 (+21,2%) và sau đó bởi chủng CD511 (+16,7%)

Ảnh hưởng của carboxylic acids đến sự hòa tan phosphate phụ thuộc vào độ pH Calcium phosphate Ca-P được hòa tan ở pH trung tính (pH = 7 cho Ca3(PO4)2 ), trong khi Al-P và Fe-P sẽ được hòa tan trong điều kiện có tính axit (pH = 4 cho FePO4 và

AlPO4 ) Chỉ citrate hòa tan đáng kể Ca-P, Tartrate và trans-aconitate có hiệu lực nhẹ

Vì vậy, đặc biệt là sản xuất citrate chủng rất quan trọng để cải thiện khả phosphate trong kiềm đất hoặc trong trường hợp làm màu mỡ với đá phosphate

Trong đất, vi khuẩn nitrat hoá và vi khuẩn chuyển hoá S cũng có tác dụng quan trọng trong việc phân giải Ca3(PO4)2

1.2.2.2 Sự chuyển hoá lân hữu cơ

 Vi sinh vật phân giải

Giống Bacillus: B megaterium, B subtilis, B malaberensis

Hình 1.4: Bacillus megaterium, vi khuẩn hình thành bào tử hình que, Gram dương

Hình 1.5: Bacillus subtilis (trực khuẩn cỏ), là một vi khuẩn Gram dương

B megaterium không những có khả năng phân giải hợp chất lân vô cơ mà còn có

khả năng phân giải hợp chất lân hữu cơ Người ta còn dùng B megaterium làm phân vi

sinh vật

Ngoài ra còn các giống Serratia, Proteus, Arthrobscter, Nấm: Aspergillus,

Penicillium, Rhizopus, Cunnighamella, Xạ khuẩn: Streptomyces

Hình 1.6: Penicillium là một chi nấm có tầm quan trọng lớn trong môi trường

Hình 1.7: Streptomyces là chi lớn nhất của ngành Xạ khuẩn và là một chi thuộc nhánh

Streptomycetaceae

 Cơ chế phân giải

Sự chuyển hóa các hợp chất lân hữu cơ thành muối cảu H3PO4 theo sơ đồ sau:

Hình 1.8: Sơ đồ quy trình phân giải Nucleoprotein

Vi sinh vật phân giải lân hữu cơ chủ yếu gồm các chủng Bacillus và Pseudomonas Ngoài ra còn một số loại xạ khuẩn và nấm mốc khác Đáng chú ý là B megaterium var

phosphatsum có khả năng phân giải lân hữu cơ cao Đồng thời B megaterium còn có

khả năng hình thành bào tử nên sức sống rất mạnh

1.2.3 Điều kiện ảnh hưởng đến khả năng phân giải lân

Độ pH: nhìn chung pH ít ảnh hưởng đến khả năng phân giải lân Nhìn chung ở pH 7,8 - 7,9 ảnh hưởng tốt đến sự phát triển của hệ vi sinh vật phân giải lân

Độ ẩm: ở những nơi có ẩm độ cao, do hoạt động của vi sinh vật mạnh nên tạo ra nhiều acid hữu cơ làm tăng quá trình phân giải lân

Nhiệt độ: các chủng vi sinh vật có nhiệt độ thích hợp cho quá trình phân giải lân

là khác nhau Nhìn chung khoảng nhiệt độ thích hợp nằm trong khoảng 20 – 40oC

Nucleoprotein

Protein

Axit nucleic

Axit amin 4C5H10O5 C6H5O5 C5H5O5O C5H5O5O2 C4H5O5O 4H3PO4

Hợp chất hữu cơ: Hàm lượng chất hữu cơ mùn hoá không ảnh hưởng đến quá trình phân giải lân Hợp chất hữu cơ tươi làm tăng sự sinh trưởng của hệ vi sinh vật, dẫn đến tăng quá trình hoà tan hợp chất lân khó tan

Hệ rễ: Hệ rễ cây trồng kích thích sự sinh trưởng của vi sinh vật Do đó sự phân giải hợp chất lân khó tan cũng được tăng cường Tuy nhiên một số loài cây có thể tiết ra các chất độc ngăn chặn sự sinh trưởng, phát triển của vi sinh vật

CHƯƠNG II PHÂN LÂN VI SINH

2.1 Định nghĩa

Phân lân vi sinh (phân vi sinh vật phân giải phosphate khó tan) là sản phẩm có chứa một hay nhiều chủng vi sinh vật còn sống đạt tiêu chuẩn đã ban hành có khả năng chuyển hoá các hợp chất phospho khó tan thành dễ tiêu cho cây trồng sử dụng, góp phần nâng cao năng suất và chất lượng nông phẩm Phân lân vi sinh vật không gây hại đến sức khoẻ của người, động thực vật và không ảnh hưởng xấu đến môi trường sinh thái

2.2 Quy trình sản xuất chung

2.2.1 Phân lập và tuyển chọn giống vi sinh vật phân giải lân

Chủng vi sinh vật phân giải lân được phân lập, tuyển chọn từ đất hoặc từ vùng rễ cây trồng trên các loại đất hay cơ chất giàu hữu cơ theo phương pháp nuôi cấy pha loãng trên môi trường Pikovskaya Trong quá trình nuôi cấy trên môi trường Pikovskaya các chủng vi sinh vật phân giải lân sẽ tạo vòng phân giải (vòng tròn trong suốt bao quanh khuẩn lạc) Vòng phân giải được hình thành nhờ khả năng hoà tan hợp chất phospho không tan được bổ sung vào môi trường nuôi cấy

Bảng 2.1: Môi trường Pikosvkaya, dùng để phân lập giữ giống và nghiên cứu khả năng phân giải photphat của các chủng vi sinh vật

Để sản xuất phân lân vi sinh ta cần tuyển chọn các chủng vi sinh vật có khả năng phân giải nhiều loại hợp chất phospho khác nhau và có ảnh hưởng tốt đến cây trồng Vì ngoài hoạt tính phân giải lân, nhiều chủng vi sinh vật còn có các hoạt tính sinh học khác gây ảnh hưởng xấu đến sự sinh trưởng, phát triển và năng suất cây trồng Chính vì vậy

sau khi đánh giá khả năng phân giải lân của các chủng vi sinh vật dùng để sản xuất phân lân vi sinh ta cần phải đánh giá được ảnh hưởng của chúng đến đối tượng cây trồng sử dụng Chỉ sử dụng chủng vi sinh vật vừa có hoạt tính phân giải lân cao vừa không gây ảnh hưởng xấu đến cây trồng và môi trường sinh thái

Ngoài những chỉ tiêu quan trọng như trên ta còn phải đánh giá đặc tính sinh học như: thời gian mọc; kích thước tế bào, khuẩn lạc; khả năng thích ứng ở pH; khả năng cạnh tranh, Để có thể tạo ra loại phân lân vi sinh mang những đặc tính tốt nhất

2.2.2 Nhân sinh khối, xử lí sinh khối và tạo sản phẩm

Trong quá trình sản suất phân lân vi sinh hiên nay người ta sử dụng chủng giống

vi sinh được lựa chọn (chủng gốc), tiến hành nhân sinh khối, xử lý sinh khối và tạo sản phẩm phân lân vi sinh Thông thường để sản xuất phân lân vi sinh từ vi khuẩn người ta

sử dụng phương pháp lên men chìm (Submerged culture) trong các nồi lên men và sản xuất phân lân vi sinh từ nấm người ta sử dụng phương pháp lên men xốp Sản phẩm tạo

ra của phương pháp lên men xốp là chế phẩm dạng sợi hoặc chế phẩm bào tử

Quy trình chung cho sản xuất phân vi sinh vật từ vi khuẩn theo phương pháp lên men chìm như sau: