Luận văn thac si kỹ THUẬT môi TRỪONG

Hội đồng đánh giá luận văn thạc sỹ gồm các chuyên gia và các nhà khoa học nhiều kinh nghiệm trong lĩnh vực Khoa học Môi trường. Các thành viên trong hội đồng đã đưa ra nhiều nhận xét, ý kiến phản biện, bên cạnh việc ghi nhận những kết quả đã đạt được của Học viên cũng chỉ ra được các hạn chế để hoàn thiện luận văn. Kết quả đánh giá chung là các luận văn đều được trình bày khoa học, có sáng tạo, có ý nghĩa cả về mặt lý luận và ứng dụng thực tiễn. Các học viên đã có nhiều cố gắng trong việc hoàn thành Luận văn, vận dụng tốt các kiến thức đã học vào việc phân tích và đề xuất các giải pháp cho các vấn đề đã đặt ra của đề tài và kỳ vọng có thể mở rộng và phát triển thành các nghiên cứu ở cấp cao hơn.

BỘ CÔNG THƯƠNG

TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH

NGUYỄN THUỲ TRANG

NGHIÊN CỨU ẢNH HƯỞNG CỦA THAN SINH HỌC ĐẾN HỆ VI SINH VẬT CHUYỂN HOÁ

METHANE VÀ PHÁT THẢI KHÍ METHANE

Công trình được hoàn thành tại Trường Đại học Công nghiệp TP Hồ Chí Minh

Người hướng dẫn khoa học: TS Trịnh Ngọc Nam

Người phản biện 1: PGS.TS Phan Thị Phượng Trang

Người phản iện 2: Ts.Nguyễn Ngọc Ẩn

Luận văn thạc sĩ được bảo vệ tại Hội đồng chấm ảo vệ Luận văn thạc sĩ Trường Đại học Công nghiệp Thành phố Hồ Chí Minh ngày… tháng … năm 2019

Thành phần hội đồng đánh giá luận văn thạc sĩ gồm:

NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ

Họ tên học viên: Nguyễn Thuỳ Trang MSHV: 15118671

Ngày, tháng, năm sinh: 26/08/1992 Nơi sinh: Bắc Giang

Chuyên ngành: K thuật Môi trường Mã chuyên ngành: 60520320

I TÊN ĐỀ TÀI:

Nghiên Cứu Ảnh Hưởng Của Than Sinh Học Đến Hệ Vi Sinh Vật Chuyển Hoá Methane Và Phát Thải Khí Methane Trong Đất Trồng Lúa

NHIỆM VỤ VÀ NỘI DUNG:

- Nghiên cứu ảnh hưởng của than sinh học đến hệ vi sinh vật chuyển hóa methane trong đất trồng lúa

- Đánh giá ảnh hưởng của than sinh học đối với phát thải khí methane từ lúa nước quy mô phòng thí nghệm

II NGÀY GIAO NHIỆM VỤ: Quyết định số 1065/QĐ-DHCN ngày 08 tháng 05

năm 2018 của Hiệu trưởng Trường Đại Học Công Nghiệp Thành Phố Hồ Chí Minh

III NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ: 08/11/2018

IV NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: TS Trịnh Ngọc Nam

Tp Hồ Chí Minh, ngày … tháng … năm 2019

VIỆN TRƯỞNG VIỆN KHCN&QLMT

LỜI CẢM ƠN

Lời đầu tiên tôi xin chân thành ày tỏ lòng cảm ơn và kính trọng sâu sắc đối với thầy TS Trịnh Ngọc Nam, người đã tận tình hướng dẫn tôi trong suốt quá trình học tập và thực hiện luận văn này Thầy đã mở ra cho tôi những vấn đề khoa học rất lý thú, định hướng tôi vào nghiên cứu các lĩnh vực hết sức thiết thực và vô cùng ổ ích, đồng thời tạo điều kiện thuận lợi cho tôi học tập và nghiên cứu Tôi

đã học hỏi được rất nhiều ở thầy phong cách làm việc, cũng như phương pháp nghiên cứu khoa học

Tôi cũng xin trân trọng cảm ơn đến thầy TS Nguyễn Thanh Bình, PGS TS Lê Hùng nh và thầy giáo, cô giáo trong trường Đại học Công Nghiệp Tp HCM đã tận tình giảng dạy dìu dắt em trong suốt thời gian học tập tại trường

Tôi xin gửi lời cảm ơn chân thành tới các anh chị đã tận tình giúp đỡ và chỉ bảo trong suốt quá trình học tập và thực hiện luận văn tại Phòng F4.4 Viện Sinh Học

Và Công Nghệ Thực Phẩm, các ạn học viên cao học và các tôi sinh viên làm việc tại phòng, những người đã làm cùng tôi, luôn ở ên tôi lúc thất bại hay những lúc thành công

Luận văn được thực hiện trong phạm vi nội dung và kinh phí của đề tài cấp trường (mã số 171.4031 và hợp đồng số 38/HĐ- ĐHCN) xin chân thành cảm ơn

Và cuối cùng, tôi xin cảm ơn đến gia đình và bạn è đã luôn ủng hộ và giúp đỡ tôi

TÓM TẮT LUẬN VĂN THẠC SĨ

Hiện nay, các hoạt động sản xuất lúa nước là một trong những nguồn phát thải lớn khí methane Sự giảm phát thải CH4 có thể đóng góp vào việc kiểm soát sự nóng lên toàn cầu Bên cạnh đó, tận dụng các phụ phẩm trong quá trình sản xuất có thể xem như nguồn tài nguyên tái tạo được ằng cách chuyển sang dạng than sinh học Chính vì vậy, nghiên cứu này được thực hiện với 2 nội dung:

- Nghiên cứu ảnh hưởng của than sinh học đến hệ vi sinh vật chuyển hoá methane trong đất trồng lúa thông qua sự phong phú của 16S rRN của methanogens, sự phong phú của các gen methane monooxygenase (pmo ), và sinh khối của cây lúa

- Đánh giá ảnh hưởng của than sinh học đối với phát thải khí methane từ lúa nước quy mô phòng thí nghiệm

Đất nhiễm mặn đã được sử dụng cho một thí nghiệm nhà lưới với hai yếu tố thí nghiệm: than sinh học (không có than, than sinh học trấu và than sinh học rơm) và phân ò (có và không có phân ò) Không có phân ò, việc ổ sung cả than sinh học

từ trấu và than sinh học từ rơm làm tăng đáng kể sự phát triển của cây lúa Thêm than sinh học có nguồn gốc từ rơm rạ vào đất nhiễm mặn, làm giảm đáng kể lượng khí thải CH4 hơn 30% so với các iện pháp kiểm soát tương ứng (448,3 mg/ m2

/ 90 ngày so với 649,8 mg/ m2/ 90 ngày) Lượng phát thải CH4 tăng mạnh khi ổ sung phân ò (dao động từ 6.091,3 đến 10,427,4 mg/ m2/ 90 ngày) nhưng vẫn ở mức thấp trong trường hợp ổ sung than sinh học (từ 557,9 đến dưới 2.000 mg/ m2

/ 90 ngày)

Sự giảm phát thải methane chủ yếu là do tác động của than sinh học đến các yếu tố hóa lý của đất và sự thay đổi của quần thể vi sinh vật, đặc iệt là giảm sự phong phú

và hoạt động sản xuất methane của methanogens và sự gia tăng hoạt động oxy hóa

CH4 của methanotrophs Phát hiện nhấn mạnh vai trò khả thi của việc ổ sung than sinh học trong việc kiểm soát khí thải CH4 từ đất lúa do đó giúp ngăn ngừa iến đổi khí hậu

Từ khóa: Than sinh học, phát thải methane, methanogens, methanotrophs, đất trồng lúa

ABSTRACT

Currently, paddy fields are one of the largest anthropogenic sources of global

methane emission A decrease in paddy methane emission can contribute

significantly towards the control of global warming Besides, making use of by-

product in the manufacturing can be considered a renewable source that converting

biochar format For reason, the aims of the current investigation are:

- To study the influence by biochar on microbial metabolism of methane in paddy

field indicated the abundance of 16S rRNA genes of methanogens, the abundance of

methane monooxygenase (pmoA) genes, and biomass of rice plants

- Assessing the impact of biochar on methane emissions at laboratory scale

Saline-sodic soil was used for a net house experiment with two experimental factors:

biochar (no-biochar, rice-husk, and –straw biochar) and cow manure (with and

without cow manure) Without the manure, the addition of both rice-hush and –straw

biochar significantly increased rice growth Adding biochar derived from straw to

saline-sodic soil significantly reduced methane emissions by more than 30%

compared to the corresponding controls (448.3 mg/m2/90 days compared to 649.8

mg/m2/90 days) Emissions of CH4 hugely increased with cow manure addition

(ranging from 6,091.3 to 10,427.4 mg/m2/90 days) but remained at low level in the

case of biochar addition (ranging from 557.9 to under 2,000 mg/m2/90 days) The

decrease of methaneemissions of methane was mainly due to the impact of biochar on

physicochemical factors of soil and changes in populations of microorganisms,

especially the reduction of the abundance and activity of producing methane of

methanogens and the increase of the abundance and methane oxidative activity of

methanotrophs Our findings highlight the viable role of biochar addition in the

control of methane emissions from paddy soil and thus helps prevent climate change

Key words: Biochar, methane emission, methanogens, methanotrophs, paddy soil

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của bản thân tôi Các kết quả nghiên cứu và các kết luận trong luận văn là trung thực, không sao chép từ bất kỳ một nguồn nào và dưới bất kỳ hình thức nào Việc tham khảo các nguồn tài liệu đã được thực hiện trích dẫn và ghi nguồn tài liệu tham khảo đúng quy định

Học vi n

Nguyễn Thuỳ Trang

MỤC LỤC

DANH MỤC BẢNG vii

DANH MỤC HÌNH ẢNH viii

DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT ix

MỞ ĐẦU 1

1 Đặt vấn đề 1

2 Mục tiêu nghiên cứu 3

3 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu 3

4 Cách tiếp cận trong nghiên cứu 3

5 Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài 4

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ LĨNH VỰC NGHIÊN CỨU 5

1.1 Tình hình sản xuất lúa nước và sự phát thải khí nhà kính 5

1.1.1 Tình hình sản xuất lúa nước 5

1.1.2 Sự phát thải khí nhà kính từ sản xuất lúa nước 7

1.2 Hệ vi sinh vật 8

1.2.1 Hệ vi sinh vật sản sinh khí methane 8

1.2.2 Hệ vi sinh vật chuyển hóa methane 12

1.2.3 Than sinh học với hệ vi sinh vật đất 15

1.3 Than sinh học 17

1.3.1 Tổng quan 17

1.3.2 Sử dụng than sinh học trong cải tạo đất 26

CHƯƠNG 2 VẬT LIỆU VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 29

2.1 Vật liệu nghiên cứu 29

2.1.1 Mẫu đất nghiên cứu 29

2.1.2 Vật liệu thí nghiệm khác 30

2.2 Phương pháp nghiên cứu 31

2.2.1 Thí nghiệm Trồng lúa 31

2.2.2 Phương pháp đo đạc thông số sinh trưởng của lúa 34

2.2.3 Phương pháp xác định phát thải methane: 35

2.2.4 Phương pháp phân tích hệ vi sinh vật 37

2.2.5 Phương pháp xử lý số liệu 44

CHƯƠNG 3 KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU 45

3.1 Sinh khối của lúa 45

3.2 Đánh giá khả năng phát thải methane 47

3.3 Đánh giá hoạt động chuyển hoá methane trong đất trồng lúa 50

3.4 Đánh giá sự ảnh hưởng của vi sinh vật đến việc chuyển hoá methane trong đất trồng lúa 51

3.4.1 Kết quả phân tích PCR 51

3.4.2 Kết quả phân tích PCR real time 55

3.5 Tác động của than sinh học đến hệ vi sinh vật chuyển hóa methane và vi sinh vật sản sinh methane 60

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 63

1 Kết luận 63

2 Kiến nghị 63

DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH ĐÃ CÔNG BỐ CỦA HỌC VIÊN 64

TÀI LIỆU THAM KHẢO vi

PHỤ LỤC xi

LÝ LỊCH TRÍCH NG NG CỦA HỌC VIÊN xix

DANH MỤC BẢNG

Bảng 1.1 Diện tích gieo trồng và năng suất trồng lúa của Việt Nam từ năm 2000 đến

2013 [7] 6

Bảng 1.2 Các nhóm phân loại chính của cổ khuẩn sinh methane [19] 10

Bảng 1.3 Tính chất methanotrophy [19] 13

Bảng 1.4 Một số thành phần chính trong các loại nguyên liệu [6] 19

Bảng 1.5 Các loại vật liệu chứa ligno Cellulosic và sử dụng hiện tại [13] 20

Bảng 1.6 Tỷ lệ tương đối 4 thành phần chính của than sinh học (phần trăm trọng lượng) [27] 24

Bảng 1.7 Thành phần nguyên tố tổng số (C, N, C:N, P, K, Pa) và phạm vi pH của các than sinh học được sản xuất từ rẩt nhiều nguyên liệu [27] 25

Bảng 2.1 Bố trí thí nghiệm theo các công thức 33

Bảng 2.2 Thành phần phản ứng PCR 39

Bảng 2.3 Thành phần mồi sử dụng trong PCR gen pmoA……… …… 40

Bảng 2.4 Thành phần mồi sử dụng trong PCR 16S rRNA……… ……… 40

Bảng 2.3 Thành phần gel 41

Bảng 3.1 Số lượng gen 16S rRNA 410

Bảng 3.2 Tương quan số lượng gen pomA 41

DANH MỤC HÌNH ẢNH

Hình 1.1 Sản xuất, tiêu thụ và thải khí methane vào không khí trong ruộng lúa [17]

7

Hình 1.2 Con đường cho quá trình oxy hóa của methane và đồng hóa của formaldehydein MOBs [19] 14

Hình 1.3 Con đường cho sự đồng hóa của formaldehyde trong methanotrophs loại II [19] 15

Hình 1.4 Bên trái- đất đỏ nhiệt đới (oxisols) nghèo dinh dưỡng, ên phải-đất đã qua cải tạo bởi than sinh học [26] 18

Hình 1.5 Cấu trúc lò làm thủ công và sản phẩm của nó [6] 21

Hình 1.6 Lò thủ công ằng thép và lò làm ằng gạch [6] 22

Hình 1.7 Mô hình của một cấu trúc graphitic microCristalline được hiển thị trên ên trái và hình ảnh than sinh học trên kính hiển vi điện tư quét [25] 23

Hình 2.1 Chậu thí nghiệm mô phỏng [36] 35

Hình 3.1 Sinh khối lúa sau khi kết thúc thí nghiệm 45

Hình 3.2 Tổng lượng phát thải methane trong suốt quá trình thí nghiệm 48

Hình 3.3 Hoạt động chuyển hóa methanogenic 50

Hình 3.4 Kết quả điện di 16S rRNA(18 mẫu theo thứ tự bố trí thí nghiệm 1-18) 52

Hình 3.5 Kết quả điện di pmoA(18 mẫu theo thứ tự bố trí thí nghiệm 1-18) 53

Hình 3.6 Kết quả gen điện di 16s RNA (số thứ tự 24 mẫu 1-24 ) 53

Hình 3.7 Kết quả điện di pmoA(24 mẫu theo thứ tự bố trí thí nghiệm 1-24) 54

Hình 3.8 Kết quả PCR Real time giai đoạn 1 (1-18) 57

Hình 3.9 Kết quả PCR Real time giai đoạn 2 (1-24) 58

Hình 3.10 Tác động của than sinh học đến hệ vi sinh vật sản sinh methane 16S rRNA Error! Bookmark not defined. Hình 3.11 Tác động của than sinh học đến hệ vi sinh vật chuyển hoá methane pmoA 61

MOB : Vi khuẩn Oxi Hóa Methane

N 2 O

PCR

: Di Nito mono oxide : Chuỗi phản ứng Polymerase

pMMO : Particulate methane mono-oxygenase

pMOA : Tiểu đơn vị gene pMMO

TAE : Tris-Acetic-EDTA

Taq : Thermus aquaticus DNA polymerase

QCVN : Quy chuẩn Việt Nam

WHO : Tổ chức Y tế Thế giới (World heath organization)

Hiện nay, các hoạt động sản xuất nông nghiệp được áo cáo thải ra đến 1/3 tổng lượng khí thải gây hiệu ứng nhà kính hàng năm [3] Trong đó canh tác lúa nước trên toàn cầu được áo cáo hàng năm thải ra lượng khí gây hiệu ứng nhà kính khoảng 60 triệu tấn/năm ( iến thiên từ 20 đến 100 triệu tấn) tương đương 5 - 20% tổng lượng khí thải do con người gây ra [4] Ở Việt Nam mỗi năm ngành nông nghiệp tạo ra khoảng 43% tổng lượng khí thải toàn quốc (khoảng 65 đến 150 triệu tấn CO2 mỗi năm) từ các hoạt động sản xuất lúa nước và các hình thức xử lý phụ phẩm của một

số loại cây trồng (rơm rạ, ã mía, vỏ quả cà phê, thân lá ngô, lạc và đậu tương) không đúng cách Theo áo cáo của Đoàn Văn Điếm và cộng sự trong năm 2000, khí CH4 phát thải trong chỉ riêng phần diện tích trồng lúa nước ở Việt Nam chiếm tỷ trọng 57,5% tổng lượng phát thải khí từ các họat động nông nghiệp toàn quốc [5] Như vậy sản xuất lúa nước ở Việt Nam hiện nay đang phát thải một lượng lớn khí

CH4, N2O do môi trường sinh trưởng thường ngập nước, các quá trình trao đổi chất

ên trong đất trồng thường ở trạng thái yếm khí Hiện tượng này góp phần làm tăng nồng độ khí hiệu ứng nhà khí trong không khí theo thời gian

Đầt trồng cũng là vấn đề của sản xuất lúa nước ở Việt Nam Ước tính ở Việt Nam, đất nhiễm mặn có gần 2 triệu ha, chiếm gần 6% tổng diện tích đất tự nhiên Đất nhiễm mặn ảnh hưởng mạnh mẽ đến sự sinh trưởng và năng suất của cây lúa, gây

Về mặt môi trường, than sinh học khi được ón và đất có thể kiểm soát quá trình phát thải khí methane từ đất lúa nước thông qua a cơ chế (1) hạn chế hoạt động của các vi khuẩn chuyển hóa khí methane, (2) làm tăng hoạt động oxi hóa khí methane,

và (3) làm phong phú các kiểu gen pmo của các vi khuẩn dinh dưỡng methane [9] Khí methane là loại khí nhà kính quan trong thứ 2 sau CO2, trong lúc nó có hiệu lực gây ấm lên toàn cầu cao hơn 25 lần so với khí CO2 [10] Khoảng 20% hậu quả ấm lên toàn cầu có tác nhân từ các hoạt động của con người được áo cáo do khí methane gây ra [11], và việc sản xuất lúa nước được xem như là nguồn phát thải khí methane chủ yếu [12] Zhang (2012), thực hiện nghiên cứu ón than sinh học sản xuất từ rơm rạ của cây lúa mì cho lúa nước, áo cáo rằng than sinh học có tác dụng cải tiến độ màu mỡ của đất (pH, C tổng số, đạm tổng số và dung trọng đất) và từ đó làm tăng năng suất cây lúa Kết quả của tác giả này cũng cho thấy rằng than sinh học có khả năng làm giảm phát thải khí N2O, nhưng làm tăng phát thải khí CH4 Tuy nhiên, một nghiên cứu khác của [9] yoshiyuki(2016)cho thấy rằng việc ón

2 Mục ti u nghi n cứu

Nghiên cứu ảnh hưởng của than sinh học đến hệ vi sinh vật chuyển hoá methane trong đất trồng lúa nước

3 Đối tượng và phạm vi nghi n cứu

Đối tượng nghiên cứu

 Thành phần sinh vật và đa dạng gen liên quan đến chuyển hóa methane trong đất

 Lượng khí nhà kính phát thải khi trồng lúa nước bằng đất nhiễm mặn có ổ sung các thành phần khác nhau

Phạm vi nghiên cứu

Các nghiên cứu ảnh hưởng của than sinh học đến hệ vi sinh vật chuyển hóa methane

và sự sinh trưởng của lúa nước được tiến hành ở quy mô phòng thí nghiệm Một thí nghiệm trong chậu trên đất nông nghiệp được thực hiện Đất thí nghiệm bị nhiễm mặn, có độ EC >4 Lúa nước được trồng trong 2 tháng Sự sinh trưởng của lúa nước, sự phát thải khí nhà kính và các thành phần vi sinh vật kiểu gen trong đất được nghiên cứu

4 Cách tiếp cận trong nghi n cứu

 Nội dung 1: Nghiên cứu ảnh hưởng của than sinh học đến hệ vi sinh vật chuyển hóa methane trong đất trồng lúa

 Nội dung 2: Đánh giá ảnh hưởng của than sinh học đối với phát thải khí methane

từ lúa nước quy mô phòng thí nghiệm

5 Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài

Ý nghĩa khoa học

Nghiên cứu này có mục đích chính tìm hiểu cơ chế ảnh hưởng của than sinh học đến sự phát thải khí nhà kính và sinh trưởng lúa cũng trên đất nhiễm mặn Đây là các kiến thức mới cả ở trong nước và trên thế giới Kiến thức này sẽ làm cơ sở phục

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ LĨNH VỰC NGHIÊN CỨU

1.1 Tình hình sản xuất lúa nước và sự phát thải khí nhà kính

1.1.1 Tình hình sản xuất lúa nước

Tính đến năm 2013, tổng diện tích gieo trồng lúa là 7.899 nghìn ha Trên toàn đất

nước Việt Nam có tổng cộng 6 loại đất chính, gồm: đất phèn, đất xám, đất cát, đất

đỏ, đất phù sa và đất nhiễm mặn [13] Trong đó, đất phèn và đất nhiễm mặn là 2

loại đất có tính chất ảnh hưởng lớn đến sản lượng và năng suất của cây lúa Biến đổi

khí hậu, nóng lên toàn cầu ngày càng ảnh hưởng nghiêm trọng đến nền nông

nghiệp, biểu hiện là việc hạn hán kéo dài, xâm nhập mặn khiến cho diện tích đất

nhiễm mặn tăng lên Kéo theo đó, năng suất lúa giảm xuống Trong tình hình đó,

người nông dân phải thực hiện các iện pháp nhằm giảm độ mặn của đất, hoặc trồng

các loại cây khác có khả năng thích nghi cao hơn

Trong thời gian qua sự thay đổi sử dụng đất đai chuyển iến mạnh mẽ cũng như sự

iến đổi của khí hậu tác động đến sử dụng đất đai làm cho một số nhóm đất có sự

thay đổi về đặc tính đất và chất lượng đất [6]

Năm 2015 cả nước chuyển đổi được khoảng 34.600 ha trồng lúa sang các cây hoa

màu khác có hiệu quả cao hơn như ắp, rau, đậu phộng, dưa hấu, khoai mì (sắn),…

Gạo là một trong những loại lương thực quan trọng đối với hơn 50% dân số thế

giới Năm 2015, sản lượng sản xuất lúa gạo tăng 1% so với năm 2014 (749,1 triệu

tấn lên 741,8 triệu tấn) và có xu hướng tăng trong những năm tiếp theo [14]

Việt Nam nằm trong vùng nhiệt đới gió mùa với bờ biển dài, địa hình, khí hậu, phức

tạp, do đó, hình thành nhiều vùng canh tác khác nhau Nghề trồng lúa ở Việt Nam

được chia ra là 3 vùng chính gồm đồng bằng sông Hồng, đồng bằng ven biển miền

Trung và đồng bằng Nam Bộ Ghi chép diện tích gieo trồng và năng suất lúa của

Việt Nam từ năm 2000 dến năm 2013 được thể hiện trong bảng sau:

Theo bảng thống kê diện tích và sản lượng lúa của cả nước, nhận thấy rằng bắt đầu

từ năm 2000 đến năm 2007 diện tích trồng lúa giảm từ 7.666 nghìn ha xuống 7.207 nghìn ha và từ năm 2007 trở đi diện tích trồng lúa có xu hướng tăng trở lại và đạt 7.899 nghìn ha vào năm 2013 Diện tích của vụ lúa mùa có xu hướng giảm dần, còn diện tích của vụ đông xuân thì tăng dần theo từng năm Diện tích vụ hè thu giữ ở mức ổn định và ắt đầu có xu hướng tăng từ năm 2010

Từ năm 2005 trở lại đây sản lượng lúa gạo có xu thế tăng dần Ngoài việc tăng diện tích trồng lúa thì việc ứng dụng khoa học k thuật vào nông nghiệp bằng việc tạo ra

những giống lúa mới có năng suất cao, chống chọi được với nhiều loại sâu ệnh cũng góp phần nâng cao sản lượng lúa gạo của cả nước

1.1.2 Sự phát thải khí nhà kính từ sản xuất lúa nước

Ngành nông nghiệp không chỉ là ngành chịu tác động của biến đổi khí hậu mà còn

là ngành gây ra phát thải nhà kính rất lớn Tại Việt Nam, lượng phát thải khí nhà kính khu vực nông nghiệp chiếm 43% tổng lượng phát thải khí nhà kính quốc gia Trong tổng số lượng khí thải nhà kính phát thải của ngành nông nghiệp, khu vực trồng lúa nước chiếm 57,5%, chăn nuôi chiếm 17,18%, đất nông nghiệp chiếm 21,85%, còn lại là nguồn phát thải khác [15] Khoảng 90% diện tích đất trồng lúa -

ít nhất là thỉnh thoảng - bị ngập nước Ngập nước là nguyên nhân chính gây nên phát thải khí nhà kính, đặc biệt là methane [16]

Hình 1.1 Sản xuất, tiêu thụ và chuyển khí methane vào không khí trong ruộng lúa

[17]

Phân hữu cơ là loại phân chứa các thành phần dinh dưỡng dưới dạng hợp chất hữu

cơ Phân hữu cơ ao gồm phân ò, phân xanh, phân than ùn, phụ phế phẩm nông nghiệp, phân rác…Phân hữu cơ ón vào đất kích thích sự phát thải khí CH4 khi

Khuếch tán

Sự sôi (Ebulliton)

Oxi hoá trong đất

Khuếch tán

Carbon hữu cơ

Sản xuất ở trong khối đất Đất bị oxi hóa

QT trong bộ rễ lúa

Nguồn gây phát thải chủ yếu trong trồng lúa nước truyền thống là do lạm dụng phân hóa học, làm tỷ lệ phân thất thoát cao gây nên sự ô nhiễm đất và phát thải N2O Thói quen đốt phụ phẩm, rơm rạ sau mỗi vụ thu hoạch diễn ra khắp nơi trên cả nước

đã gây phát thải khí car onic (CO2) vào môi trường Tổng các lượng khí CO2, CH4,

N2O phát thải ngày càng tăng gây ra hiệu ứng khí nhà kính và đó là một trong những nguyên nhân dẫn đến sự biến đổi khí hậu Khí methane (CH4) và nitơ oxit (N2O) mạnh hơn 25 và 298 lần phát thải khí nhà kính (GHG) hơn so với carbon dioxide (CO2) [1] Sự giảm lượng phát thải các khí này có thể có một tác động lớn về giảm nhẹ biến đổi khí hậu Trong khi có các nguồn CH4 và khí thải N2O tự nhiên thì chính con người cũng tạo ra nguồn CH4 bao gồm phát thải từ các các hoạt động: sản xuất lúa gạo (ngập nước), hệ thống sản xuất chăn nuôi, cháy sinh khối, nhiên liệu đốt than, đốt củi, và các phân hủy chất thải hữu cơ kỵ khí [18] Nguồn khí phát thải N2O do con người tạo ra bao gồm: quản lý đất nông nghiệp (kể cả việc áp dụng phân ón N), phân động vật và quản lý nguồn nước thải, quá trình đốt cháy nhiên liệu hóa thạch và sản xuất một số hóa chất công nghiệp (EPA) Cho đến nay người ta xác định được rằng công nghệ than sinh học có khả năng làm giảm lượng phát thải khí CH4 và N2O từ các hoạt động liên quan đến đất, và có thể giúp tránh tạo ra khí CH4 từ các chất thải hữu cơ sinh học nhất định

thuỷ (Prokaryote) cần được chia thành hai nhóm khác iệt nhau hoàn toàn là Vi khuẩn (Eubacteria hay Bacteria) và Cổ khuẩn (Archaebacteria hay rchaea), và

cùng với các Sinh vật nhân thật (Eukarya) làm thành a lĩnh giới (Domains) ở sinh

vật Các nghiên cứu sâu hơn về phả hệ và đặc điểm sinh lý sinh hoá cho thấy rằng

cổ khuẩn được tách ra từ rất sớm trong quá trình tiến hoá, chúng không gần vi

khuẩn nhiều hơn so với sinh vật nhân thật, do vậy tên gọi Archaea được đề xuất thay cho Archaebacteria Hiện nay cả hai tên gọi Archaea và Archaeabacteria đều được sử dụng trong các tài liệu vi sinh vật, tuy nhiên thuật ngữ Archaea chính xác

hơn vì rõ ràng cổ khuẩn không phải vi khuẩn mà là một nhóm vi sinh vật riêng iệt

Cổ khuẩn sinh methane (methanogens)

Trong cổ khuẩn, các loài sinh methane làm thành một nhóm lớn và đa dạng với các đặc điểm chung là (1) tạo khí methane như sản phẩm cuối cùng của chu trình trao đổi năng lượng và (2) sống kỵ khí ắt uộc Cổ khuẩn sinh methane thu năng lượng cho quá trình sinh trưởng từ việc chuyển hoá một số chất thành khí methane Nguồn

cơ chất chủ yếu của các vi sinh vật này là hydro, format và acetat Ngoài ra, một số hợp chất C1 như methaneol, trimethylamin, dimethylsulfid và rượu như isopropanol, isobutanol, cyclopentanol, etanol cũng được sử dụng làm cơ chất

Những nơi thông thường có thể tìm thấy cổ khuẩn sinh methane là các ể lên men hữu cơ kỵ khí, các lớp trầm tích thiếu oxygen, đất ngập úng và hệ đường ruột của động vật Khi ở dạng chủng đơn cổ khuẩn sinh methane rất nhạy cảm với oxygen, tuy vậy trong tự nhiên chúng có thể tồn tại ở môi trường hiếu khí nhờ được bao bọc

và ảo vệ bởi các vi sinh vật hiếu khí và kỵ khí khác Trong môi trường kỵ khí, cổ khuẩn sinh methane phải cạnh tranh về cơ chất, đặc biệt là hydro và acetat, với các nhóm vi sinh vật sử dụng chất nhận điện tử có hiệu điện thế khử dương tính hơn so với CO2 như là nitơrat, sulfat và ôxit sắt III Như vậy cổ khuẩn sinh methane sẽ chiễm lĩnh các môi trường nơi không có nhiều các loại chất nhận điện tử tiềm năng Đặc điểm

Hiện nay tổng số cổ khuẩn sinh methane được iết đến là 50 loài thuộc 19 chi, sáu

họ và a lớp Sự phân loại này dựa trên trình tự 16S rRNA hiện có, tuy nhiên chúng

ta có thể hình dung đƣợc rằng theo thời gian khi những loài mới đƣợc iết thêm thì

có thể ảng phân loại này sẽ cần phải thay đổi

Bảng 1.2 Các nhóm phân loại chính của cổ khuẩn sinh methane [19]

T = họ/ chi chuẩn; -nt- nhƣ trên

Về hình thái cổ khuẩn sinh methane rất đa dạng,trong đó một số loài có hình dạng

nhƣ Methanosarcina, Methanospirillum hay Methanosaeta

Họ Methanobacteriaceae có thành tế ào cấu tạo từ pseudomurein, vì thế ắt mầu

Gram (+) Họ Methanobacteriaceae gồm có a chi

là Methanobacterium, Methanobrevibacter và Methanosphaera Các loài thuộc chi Methanobacterium có tế ào hình que hoặc hình sợi, đôi khi tạo nhóm gồm

nhiều tế ào Tất cả các loài thuộc chi này đều có khả năng sinh methane từ H2 +

CO2, một số loài sử dụng

Cơ chế chuyển hóa

Cộng sinh ắt uộc diễn ra giữa cổ khuẩn sinh methane và một nhóm vi khuẩn cộng sinh ắt uộc, trong đó cả đôi ên cùng cần đến nhau Nhóm vi khuẩn cộng sinh trong mối liên kết này oxy hoá acid hữu cơ như propionate, các acid có mạch car on dài hơn, các hợp chất thơm và chuyển điện tử sang proton hay CO2, tạo thành hydro hay format tương ứng Nhóm vi khuẩn cộng sinh này chỉ có thể thực hiện được trao đổi chất khi nồng độ hydro và format trong môi trường xung quanh được giữ ở mức rất thấp, và nhiệm vụ đó do cổ khuẩn sinh methane đảm nhiệm

Ở một số môi trường đặc iệt như các suối nước nóng hay các tầng nham thạch núi lửa cổ khuẩn sinh methane thường có mặt với số lượng lớn Trong trường hợp này chúng sống tự do, không phụ thuộc vào các vi sinh vật khác vì nguồn cơ chất chủ yếu được sử dụng ở đây là hydro, sản phẩm có được từ con đường lý hoá chứ không qua con đường sinh học

Quá trình sinh methane ở cổ khuẩn có thể coi như là quá trình hô hấp kỵ khí, trong

đó chất nhận điện tử là CO2 hoặc nhóm methyl trong các hợp chất C1 và acetat Tuy nhiên, như ta thấy trong ảng 4, năng lượng được giải phóng ra trong các phản ứng tạo methane đều rất nhỏ Để so sánh ta có thể lấy năng lượng giải phóng từ phản ứng oxygen hoá glucoza ằng oxygen C6H12O6 + 6 O2 → 6 CO2 + 6 H2O (∆G0’ =

－2870 kJ/mol) Là những sinh vật duy nhất có khả năng tạo ra khí methane, cổ khuẩn sinh methane có những enzyme và coenzyme thiết yếu cho quá trình tổng hợp methane và đóng vai trò chỉ thị cho nhóm, ví dụ như coenzyme F420 và coenzyme M Sự hiện diện của coenzyme F420 khiến cho các tế ào của cổ khuẩn sinh methane có tính tự phát sáng dưới ánh đèn huỳnh quang ( ước sóng 350－420 nm) Mặc dù hiện tượng tự phát sáng này có thể mạnh, yếu, hay đôi khi mất hẳn, tuỳ thuộc vào các pha sinh trưởng của tế ào, nhưng đó vẫn là một đặc điểm đơn giản và tiện lợi để nhận iết cổ khuẩn sinh methane dưới kính hiển vi Bên cạnh đó, trình tự acid amin trong các chuỗi peptid của coenzyme M cũng được dùng để phân loại cổ khuẩn sinh methane Những nghiên cứu trong lĩnh vực này cho thấy sự

ùn, đầm lầy, môi trường ngầm, đất, ruộng lúa và ãi chôn lấp

Đặc điểm

Methanotrophy là một trường hợp đặc iệt của methylotrophy, sử dụng các hợp chất car on đơn giản được giảm nhiều hơn car on dioxide Tuy nhiên, một số methylotrophs cũng có thể sử dụng các hợp chất đa cac on khác iệt với methanotrophs thường là các chất ôxi hóa methane và methanol Các methanotrophs

thực hiện duy nhất cho đến nay là thành viên của chi Methylo Cella và

MethyloCystis

Về mặt chức năng, methanotrophs được gọi là vi khuẩn ôxi hóa methane, tuy nhiên,

vi khuẩn oxy hoá methane ao gồm các vi sinh vật khác mà không được coi là methanotrophs đơn Vì lý do này, vi khuẩn oxy hoá methane đã được tách thành

ốn nhóm nhỏ: hai nhóm vi khuẩn đồng mê methane, các methanotrophs, và hai vi khuẩn oxy hóa amôni tự hoại ( OB)

Bảng 1.3 Tính chất methanotrophy [19]

Cũng như khí methane là khí nhà kính có tiềm năng mạnh hơn nhiều so với CO2 Do đó methanotrophs đóng một vai trò quan trọng trong việc giảm phát thải khí methane vào ầu khí quyển từ các môi trường như ruộng lúa, ãi chôn lấp, đầm lầy và đầm lầy, nơi mà sản xuất khí methane tương đối cao

Cơ chế chuyển hóa

Dưới điều kiện hiếu khí, chúng kết hợp oxy và methane để hình thành formaldehyde , sau đó được kết hợp vào các hợp chất hữu cơ qua con đường serine hoặc đường ri ulose monophosphate (RuMP) Các methanotrophs loại I là một phần của Gamma_proteobacteria và chúng sử dụng con đường RuMP để hấp thu cacbon

Hình 1.2 Con đường cho quá trình oxy hóa của methane và đồng hóa của

cơ Cơ chế chính xác của quá trình oxy hóa methane trong điều kiện kị khí vẫn là chủ đề của cuộc tranh luận nhưng lý thuyết phổ iến nhất là archaea sử dụng con đường methanogenesis đảo ngược để sản xuất car on dioxide và một chất khác không rõ Chất trung gian không rõ này sau đó được sử dụng ởi vi khuẩn khử sulfate để thu được năng lượng từ việc giảm sulfat thành hydrogen sulfide Các methanotrophs kị khí không liên quan đến các methanotrophs aero ic đã iết; có quan hệ gần gũi nhất với methanotrophs không tiêu thụ khí là methanogens theo thứ

tự Methanosarcinales

1.2.3 Than sinh học với hệ vi sinh vật đất

Quần thể sinh vật đất có vai trò rất quan trọng đối với hoạt động của đất và cung cấp cho hệ sinh thái nhiều yếu tố thiết yếu Tìm hiểu về sự tương tác giữa than sinh

Than sinh học do tính chất rất xốp của nó, được ứng dụng để cung cấp một khu vực nơi sinh vật nhỏ có thể sống trong không gian đó mà các sinh vật lớn không thể vào

để tìm kiếm con mồi của nó Vi sinh vật sống trong các micro mao quản sẽ làm tăng tốc độ tăng trưởng của nấm nhờ dựa vào sự khuếch tán các chất dinh dưỡng và các loại khí cần thiết, điều này cho thấy các vi sinh vật sử dụng các nấm gần như không phụ thuộc vào nguồn năng lượng phân hủy của than sinh học Đây có thể là một trong những cơ chế làm tăng sinh khối của vi sinh vật [20] [21] và kết hợp với tiềm năng gia tăng nước của đất là một cơ chế hoạt động của vi sinh vật [20] [21]

Tuy nhiên do sự phức tạp của hệ thống vi sinh vật đất, vi sinh vật có khả năng thực nhiều cơ chế khác nhau để làm việc

- Thay đổi tính chất lý-hóa học của đất

- Gián tiếp tác động trên mycorrhizae thông qua tác động trên vi sinh vật đất

- Sự can thiệp của nấm và sự khử độc của alleloChemicals trên than sinh học

- Cung cấp nấm từ loài ăn thực vật nấm

Than sinh học, ngay sau khi nhiệt phân, có thể có một loạt các hợp chất trên ề mặt

Đó có thể ao gồm những hợp chất có thể chuyển hóa dễ dàng ởi vi khuẩn, nhưng cũng có thể ao gồm những hợp chất có tính diệt khuẩn và diệt nấm như formaldehyde và Cresol [22] Tuy nhiên, thời gian cư trú của những chất này chỉ được thể hiện trong khoảng 1-2 mùa và không có khả năng ảnh hưởng lâu dài đến các sinh vật đất [23]

Cấu trúc của than sinh học cung cấp một nơi ẩn náu cho các sinh vật đất nhỏ có lợi, chẳng hạn như nấm cộng sinh mycorrhyzal có thể xâm nhập sâu vào ên trong không gian của than sinh học và sợi nấm extraradical( sợi nấm nấm mà được tìm thấy ên ngoài rễ) được hình thành ào tử trong các micro mao quản của than sinh học nơi có cuộc đua tranh giữa các loài sinh vật hoại sinh [24] Marumoto (2015)đã cho rằng" ý tưởng ứng dụng than kích thích nấm mycorrhiza ar uscular ản địa trong đất và do đó thúc đẩy tăng trưởng thực vật tương đối nổi tiếng ở Nhật Bản, mặc dù các ứng dụng thực tế của than được hạn chế do chi phí cao của nó"

Mối quan hệ giữa nấm mycorrhizal và than sinh học có thể là quan trọng trong việc thực hiện tiềm năng của than để cải thiện khả năng sinh sản

để có tỷ lệ than sinh học lên trên 50% Điều khác iệt giữa than sinh học với than củi là mục đích chính sử dụng của nó, nó được sản xuất như một chất phụ gia cho đất, chủ yếu để cải thiện lưu giữ chất dinh dưỡng và lưu trữ carbon Than sinh học

là chất ổn định vững chắc và giàu cac on, do đó, có thể được sử dụng để khóa

car on trong đất Sự quan tâm về than sinh học ngày càng tăng vì những lo ngại về biến đổi khí hậu gây ra ởi lượng khí thải carbon dioxide (CO2) và các khí nhà kính khác (GHG) Mặc dù lịch sử của than sinh học đã kéo dài hàng ngàn năm song khoa học vẫn còn tương đối chưa được thấu đáo về than sinh học

Hình 1.4 Bên trái- đất đỏ nhiệt đới (oxisols) nghèo dinh dưỡng, ên phải-đất đã qua

cải tạo bởi than sinh học [26]

Nguyên liệu sản xuất than sinh học

Ngày nay, người ta thể sử dụng ất kỳ vật liệu sinh khối thực vật, đem đi nhiệt phân trong điều kiện thiếu hoặc không có oxi để tạo ra than sinh học, sinh khối đó có thể

là dư lượng cây trồng, gỗ và chất thải gỗ, hoặc các vật liệu hữu cơ khác nhau

Về nguyên tắc, ất kỳ vật chất hữu cơ nào cũng có thể nhiệt phân, tuy nhiên mỗi loại nguyên liệu khác nhau thì cho tỷ lệ sản phẩm chất rắn (than) và sản phẩm chất lỏng, chất khí cùng với đặc tính lý hóa của than sinh học là khác nhau Do thành phần hóa học cấu tạo nên sinh khối vật chất hữu cơ là thành tố quan trong trong sản xuất than sinh học Dưới đây là một số thành phần chính trong những nguyên liệu chính thường dùng để sản xuất than sinh học

Bảng 1.4 Một số thành phần chính trong các loại nguyên liệu [6]

Gỗ (cây dương, liễu, sồi) 0.27 - 1 26 - 30 38 - 45

Cellulose và lignin ị nhiệt phân ở các nhiệt độ khác nhau, tương ứng từ 240-350°C đến 280-500°C, tỷ lệ tương đối của mỗi thành phần sẽ xác định cấu trúc sinh khối được giữ lại sau thời gian nhiệt phân, ở nhiệt độ nhất định và trong một thời gian nhiệt phân nhất định Nguyên liệu có hàm lượng lignin cao, thường cho sản lượng than sinh học cao hơn

Mặt khác, lignocellulosic là nguyên liệu hữu cơ phong phú nhất trên trái đất chiếm 50% tổng số sinh khối thực vật và giới thiệu sản xuất ước tính hàng năm là 50×109

tấn [3] Phần lớn các chất thải lignoCellulose trước đây thường chỉ được xử lý ằng cách đốt sinh khối, điều này gây lãng phí tài nguyên và ô nhiễm môi trường ởi lượng khí phát thải

dầu Các loại hạt, hạt ông,

ô liu, đậu tương,…

+ Hạt, vỏ, nước thải, vỏ trấu, vỏ sò, đá, ác ỏ toàn

bộ trái cây và nước trái cây +Xác mía

+ Vỏ sò, vỏ, xơ vải, sợi,

ùn, nước thải,…

+ Phân ón, chất thải khác + Gỗ dư, vỏ cây, lá,…

+ Dăm gỗ, dăm gỗ, bụi cưa,…

+ Sợi thải, … + Báo cũ, giấy, ìa, ván cũ,

và cá, một số hạt để khai chiết rút dầu + Thức ăn cho động vật

và cá, một số hạt chiết rút dầu

+ Nhiên liệu đốt cháy + Thức ăn gia súc, phân ón, nhiên liệu đốt cháy

+ Bón vào đất +Đốt, làm ghỗ ép,… + Các ngành công nghiệp giấy và ột giấy, …

+ Tái sử dụng trong ngành công nghiệp bột giấy và làm nhiên liệu + Tỷ lệ tái chế nhỏ, làm chất đốt cháy khác + Đốt cháy

Hiện nay, người ta chú ý tới việc sử dụng vỏ trấu làm nguyên liệu sản xuất than sinh học Cùng với sản lương thóc gạo ngày càng tăng thì lượng trấu thải ra cũng ngày càng cao, nhất là ở những vựa lúa lớn như Thái Lan, Ấn Độ, Trung Quốc hay như ĐBSCL và ĐBSH ở nước ta Đối với huyện Cờ Đỏ, trực thuộc thành phố Cần Thơ, lượng trấu thải ra hàng năm lên đến 500.000 tấn Lượng trấu này nhiều khi không được sử dụng mà được xử lý ằng hai phương pháp là đốt trực tiếp, hoặc đổ thẳng

ra sông Việc này có thể gây ô nhiễm môi trường trầm trọng Trong khi đó, sử dụng

vỏ trấu nhiệt phân thành than sinh học đem lại nguồn lợi lớn Than sinh học sản xuất từ vỏ trấu có hàm lượng khoáng cao, đặc iệt là silic Lượng tro trong than sinh học có thể lên đến 24% hoặc thậm chí 41% theo khối lượng

1.3.1.2 Sản xuất than sinh học

Quy trình cổ-Than sinh học được tạo ra trong tự nhiên từ kết quả của các vụ cháy thảm thực vật và việc cố ý đốt của con người trong những hầm lò có cấu trúc đơn giản được làm thủ công Khi than được tạo ra với mục đích thêm nó vào đất như là một chất “ ổ sung”, thì nó được gọi là than sinh học Mặc dù những mặt lợi mà than sinh học có thể mang lại cho đất theo các phương pháp truyền thống và nó không phải là một cách thân thiện với môi trường

Hình 1.5 Cấu trúc lò làm thủ công và sản phẩm của nó [6]

Lò nung để sản xuất than sinh học ngoài được xây dựng trong đất, còn có thể sử dụng gạch, thép,… Nhưng những lò đó vẫn phát thải ra rất nhiều ụi và khói ao gồm các khí nhà kính nguy hiểm

Ngày nay, than sinh học được sản xuất ằng k thuật nhiệt phân, nghĩa là sinh khối được đốt khi có ít hoặc không có ôxy ở nhiệt độ cao (350-700°C) trong lò có thiết

kế đặc iệt Các“ iến”chính trong quá trình nhiệt phân là: Nguyên liệu đầu vào, nhiệt độ và thời gian nhiệt phân

Hình 1.6 Lò thủ công ằng thép và lò làm ằng gạch [6]

Về nguyên tắc, ất kỳ nguyên liệu hữu cơ nào cũng có thể sử dụng cho nhiệt phân sản xuất than sinh học, tuy nhiên mỗi loại nguyên liệu khác nhau sẽ cho một tỉ lệ sản phẩm và chất lượng sản phẩm khác nhau Để quá trình nhiệt phân diễn ra nhanh chóng thì nguyên liệu phải được sấy/hong khô đến hàm lượng ẩm dưới 10%

Các lò nhiệt phân sản xuất than sinh học có thể dùng trong nhiều điều kiện, từ ếp trại cho đến các đơn vị quy mô công nghiệp để tạo ra điện và sưởi ấm

Trong phương pháp hiện đại, quá trình nhiệt phân iến đổi chất hữu cơ thành a thành phần khác nhau là khí, dầu và than sinh học theo tỷ lệ khác nhau tùy thuộc vào nguyên liệu và điều kiện nhiệt phân được sử dụng, do đó thường có a sản phẩm chính ra khỏi lò Ngoài sản phẩm là than sinh học thường chiếm khoảng 50% của hàm lượng của sinh khối, còn lại là nhiên liệu sinh học

Hình 1.7 Mô hình của một cấu trúc graphitic microCristalline đƣợc hiển thị trên ên

trái và hình ảnh than sinh học trên kính hiển vi điện tƣ quét [25]

Thành phần hóa học và ề mặt hóa học

Thành phần than sinh học rất không đồng nhất, nó chứa cả thành phần ền và không

ền [26] Car on, vật chất dễ ay hơi, khoáng chất (tro) và độ ẩm thường được coi như là thành phần chính của nó [25] Tóm tắt phạm vi tỷ lệ tương đối của các thành phần trong than sinh học được sản xuất từ rất nhiều nguồn vật liệu và các điều kiện nhiệt phân [26]

Bảng 1.6 Tỷ lệ tương đối 4 thành phần chính của than sinh học (phần trăm trọng

Bảng 1.7 Thành phần nguyên tố tổng số (C, N, C:N, P, K, Pa) và phạm vi pH của

các than sinh học được sản xuất từ rẩt nhiều nguyên liệu [27]

pH (g/kg)

C (g/kg)

(NO -3 ,

NH 4 + ) (mg/kg)

P (g/kg)

Pa (g/kg )

K (g/kg )

Ứng dụng của than sinh học

Than sinh học đã trở nên phổ iến nhờ vai trò và tiềm năng của nó trong cải tạo đất, môi trường và giảm nhẹ iến đổi khí hậu Hơn nữa, như đã trình ày ở trên, quá trình sản xuất đó còn tạo ra hai loại năng lượng từ một nguồn, đó là một nguồn năng lượng tái tạo ền vững

Than sinh học có thể được sử dụng như một sự ổ sung thêm vào đất để tăng sản lượng cây trồng, cải thiện chất lượng nước, duy trì độ ẩm cho đất, giảm lượng phát thải khí nhà kính, làm giảm sự rửa trôi các chất dinh dưỡng, làm giảm độ chua cho đất, cải thiện tính chất vật lý của đất, và các nhu cầu về phân ón Các tính chất đó phụ thuộc rất nhiều vào các đặc tính của than sinh học và có thể phụ thuộc vào cả điều kiện của khu vực đó nữa (đất cằn cỗi hay đất tốt), nhiệt độ, độ ẩm Bổ sung vừa phải than sinh học cho đất có thể làm giảm 50- 80% lượng phát thải khí N2O và hoàn toàn ngăn chặn sự phát thải khí metal (CH4) Bảo toàn năng lượng có thể đạt được thông qua việc tránh phát sinh năng lượng trong sản xuất phân ón dư thừa Than sinh học có thể được sử dụng trong việc cải tạo các vùng đất ị thoái hóa và mất khả năng canh tác (có tính acid và tính kiềm )

1.3.2 Sử dụng than sinh học trong cải tạo đất

1.3.2.1 Ảnh hưởng đến tính chất vật lý đất

Việc đưa than sinh học vào đất có thể thay đổi thuộc tính vật lý đất như kết cấu, cấu trúc, phân ố, dung trọng và kích thước mao quản có ý nghĩa đối với chế độ không khí đất, khả năng giữ nước, tăng trưởng thực vật

Dung trọng

Than sinh học có dung trọng thấp hơn nhiều so với đất và có cấu trúc khá xốp, do

đó, ứng dụng than sinh học có thể làm giảm đáng kể dung trọng của đất Nếu 100t/ha than sinh học với dung trọng 0,4 g/cm3 được áp dụng cho 20cm trên cùng của đất có dung trọng là 1,3g/cm3, và các hạt than sinh học không lấp đầy các khoảng hổng trong đất, sau một thời gian các tầng đất mặt dày 20cm đó sẽ được dày thêm 2,5cm và có dung trọng giảm (giả sử trộn đồng nhất) là 0,1g/cm3 xuống còn 1,2 g/cm3 Tuy nhiên, nếu than sinh học được áp dụng có một độ ền cơ học thấp và tương đối nhanh chóng tan rã thành các hạt nhỏ lấp đầy không gian các khoảng hổng trong đất, thì dung trọng của đất sẽ tăng lên

Chế độ nước và khả năng duy trì các chất dinh dưỡng

Lợi ích nông học của than sinh học thường được quy cho cải thiện chế độ nước và lưu giữ chất dinh dưỡng Các cơ chế của khả năng này của than sinh học là khá đơn giản Thêm than sinh học cho đất có thể có tác động trực tiếp và gián tiếp về khả năng giữ nước của đất, quyết định thời gian tồn tại của nước có thể ngắn hoặc dài Khả năng giữ nước của đất được quyết định ởi sự phân ố và kết nối các lỗ mao quản trong môi trường đất, chủ yếu là quy định của kích thước hạt đất (kết cấu), kết hợp với các đặc tính cấu trúc (kết hợp) và thành phần chất hữu cơ trong đất

Các đặc điểm của lớp điện tích ề mặt, và sự phát triển của nó theo thời gian, sẽ xác định các ảnh hưởng lâu dài tới kết cấu đất Than sinh học nói chung có CEC cao đóng vai trò một tác nhân liên kết của chất hữu cơ và khoáng chất

1.3.2.2 Ảnh hưởng của than sinh học tới các quá trình trong đất

Sự hấp phụ các hợp chất hữu cơ kị nước

Sự tích lũy các hợp chất hữu cơ kị nước (ví dụ như P Hs là các hydroCac on thơm

đa vòng, polychlorinated iphenyl- PCBs là các hợp chất hữu cơ có từ 1 đến 10 nguyên tử Cl được gắn vào vòng iphenyl, thuốc trừ sâu, thuốc diệt cỏ) trong đất và trầm tích, thường được mô tả dựa trên sự tồn tại đồng thời 2 quá trình: sự hấp thụ (absorption) vào vật chất hữu cơ tự nhiên (vô định hình) (NOM) và hấp phụ (adsorption) trên vật liệu than [30] Một trong những ứng dụng của than sinh học, là

dự ki ến sẽ nâng cao tổng khả năng thu hút của đất, và từ đó có thể cố định, hay cản trở di chuyển của các chất gây ô nhiễm trong đất (có thể đã có sẵn hoặc sẽ được thêm vào đất), làm giảm độc tính của chúng

Những nghiên cứu trước đây đã chứng minh rằng hấp phụ tới ề mặt than sinh học chủ yếu chịu ảnh hưởng của các đặc tính cấu trúc và hóa học của các chất gây ô nhiễm (như trọng lượng phân tử, mặt phẳng, tính kị nước) [30] [31]cũng như phân

ố, kích thước khoảng hổng, diện tích ề mặt và chức năng của than [31] [32] Hầu hết các ằng chứng về sự tăng khả năng hấp thu các hợp chất hữu cơ kị nước

ởi than sinh học được thêm vào đất là gián tiếp và nỗ lực trước đây để đánh giá