Nghiên cứu quy trình xử lý rơm rạ bằng chế phẩm VSV thành phần hữu cơ bón cho lúa xuân trên đất phù sa sông hồng

luận văn, tiến sĩ, thạc sĩ, báo cáo, khóa luận, đề tài

bộ giáo dục và đào tạo trường đạI học nông nghiệp hà nội

vũ thị len

Nghiên cứu quy trình xử lý rơm rạ bằng chế phẩm VSV thành phân hữu cơ bón cho lúa Xuân trên đất phù sa Sông Hồng

LỜI CAM ðOAN

Tôi cam ñoan ñây là công trình nghiên cứu của riêng tôi Các số liệu, kết quả nêu trong luận văn là trung thực và chưa từng ñược ai công

bố trong bất kỳ công trình nào khác

Tôi cam ñoan rằng các thông tin trích dẫn trong luận văn ñều ñã ñược chỉ rõ nguồn gốc

Tác giả luận văn

Vũ Thị Len

LỜI CẢM ƠN

Trong quá trình nghiên cứu và hoàn thành bản luận văn này, tôi ñã nhận ñược sự hướng dẫn nhiệt tình, chu ñáo của thầy giáo PGS TS Nguyễn Xuân Thành Bên cạnh ñó là sự giúp ñỡ quý báu của toàn thể các thầy cô giáo

và cán bộ công nhân viên thuộc Bộ môn Vi sinh vật, phòng phân tích trung tâm Jica và Bộ môn Thuỷ nông - Canh tác, khoa Tài nguyên - Môi trường, Trường ñại học Nông nghiệp Hà Nội, cùng với sự tương trợ thân ái của bạn

MỤC LỤC

1.3 Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của ñề tài 10

2.1 Cây lúa và vai trò của nó trong ñời sống nhân loại 11 2.2 Các quan ñiểm sử dụng phân bón trong trồng trọt 14 2.3 Cơ sở lý luận của việc xử lý phế thải hữu cơ trên ñồng ruộng

4.1 Kết quả ñiều tra tàn dư cây lúa sau thu hoạch vụ mùa 2007 của

4.2 Kết quả phân tích tính chất ñất nông hoá ñất trước thí nghiệm 59 4.3 Phân lập, tuyển chọn các chủng giống VSV có khả năng phân

giải xenlulo cao dùng trong sản xuất chế phẩm 61

4.3.1 Kết quả phân lập, thu thập và sơ tuyển các chủng giống VSV có

4.3.2 Tuyển chọn các chủng giống VSV có khả năng phân giải

Xenluloza cao dùng trong sản xuất chế phẩm 62 4.4 Sản xuất chế phẩm VSV phân giải xenluloza dùng trong xử lý

4.4.1 Quy trình sản xuất chế phẩm (đề tài B2004 - 32 - 66) 65 4.4.2 đánh giá chất lượng chế phẩm VSV theo tiêu chuẩn Việt Nam

4.5 Xử lý rơm rạ tại ựồng ruộng bằng chế phẩm VSV theo quy trình

cải tiến của ựề tài mã số B2004 - 32 - 66 68 4.5.1 Quy trình xử lý (ựã cải tiến) 68 4.5.2 Diễn biến nhiệt ựộ của ựống ủ 70

4.6 Hiệu quả của phân hữu cơ tái chế từ rơm rạ trên cây lúa xuân

4.6.1 Ảnh hưởng của phân RR ựến các yếu tố sinh trưởng và phát triển

4.6.2 Ảnh hưởng của phân RR ựến các yếu tố cấu thành năng suất lúa 77 4.6.3 Ảnh hưởng của phân hữu cơ tái chế từ rơm rạ ựến năng suất lúa

Danh môc c¸c ch÷ viÕt t¾t

8 CMC - aza Enzim phân giải Cacbon Metyl Celluloza

9 CFU ðơn vị hình thành khuẩn lạc

17 TN - CT Thuỷ nông - Canh tác

18 TN - MT Tài nguyên - Môi trường

danh môc b¶ng

4.10 Chất lượng của phân RR2 và của một số loại phân hữu cơ

4.11 Ảnh hưởng của phân RR ñến các yếu tố sinh trưởng, phát

4.12 Ảnh hưởng của phân RR ñến các yếu tố cấu thành năng suất

DANH MỤC HÌNH

2.1 Thực trạng ñốt rơm rạ trên ñồng ruộng của nông dân 6 4.1 Hình thức sử dụng rơm rạ sau thu hoạch của ñịa ñiểm nghiên cứu 58

4.3 Khả năng phân giải xenluloza trên cơ chất tự nhiên 62 4.4 Hình thái khuẩn lạc của các chủng ñược tuyển chọn 64

PHẦN 1 MỞ ðẦU

1.1 Tính cấp thiết của ñề tài

Cây lúa (Oryza sativa) là một trong ba cây lương thực chính trên thế giới

(lúa mì, lúa nước và ngô) Hệ thống lúa nước có nguồn gốc lịch sử và phát triển mạnh mẽ ở châu Á (chiếm 90% diện tích lúa thế giới), nó mang tính an toàn và

ổn ñịnh cao ñồng thời là nguồn ñóng góp chính vào sản lượng lương thực thế giới và là hệ thống ñáp ứng ñược nhu cầu lương thực của hơn 60% dân số trên hành tinh của chúng ta

Ở Việt Nam lúa nước là cây lương thực số một ñược trồng trên khắp mọi miền ñất nước ðặc biệt ñối với ñại ña số người nông dân Việt Nam, cây lúa không những ñem lại lương thực cho họ mà còn cung cấp chất ñốt, nguyên liệu chăn nuôi gia súc, gia cầm và che phủ ñất, chất ñộn chuồng trại chăn nuôi và còn rất nhiều lợi ích khác nữa từ thân lá cây lúa sau thu hoạch Như vậy, cây lúa không những ñem lại lợi ích nhiều mặt cho bà con nông dân mà còn góp phần ñặc biệt quan trọng trong nền kinh tế quốc dân của Việt Nam

Tuy nhiên, một vài thập kỷ trở lại ñây, trong thâm canh lúa nước nói riêng

và trong thâm canh cây trồng nói chung, phân hoá học ñã chiếm vị trí ñộc tôn trong lòng người sử dụng Một khối lượng lớn tàn dư thực vật, nguyên liệu ñược người nông dân sử dụng làm chất ñộn chuồng trại và ủ làm phân bón hữu

cơ từ cuối thập niên 80 của thế kỷ XX trở về trước, bị lãng quên trên các bờ vùng, bờ thửa hoặc bị ñốt cháy toàn bộ sau mỗi vụ thu hoạch ðiều này ñồng nghĩa với việc nhiều loại ñất ñã và ñang bị bóc lột ñến kiệt quệ, trở nên bạc màu hoá, hiệu quả thâm canh giảm, mất dần sức sản xuất; môi trường nước, không khí và cảnh quan môi trường nông nghiệp nông thôn sẽ rơi vào tình trạng ô nhiễm và mất ñi vẻ ñẹp vốn có của nó, các bệnh dịch hại cây trồng ngày một tăng Từ ñó, giải pháp dùng phân hữu cơ (phân sinh học) bón cho các diện tích

thâm canh cây trồng được đánh giá là ưu việt hơn cả Áp dụng giải pháp này khơng những cung cấp đầy đủ 16 nguyên tố dinh dưỡng (N, P, K, Mg, Ca, S, Bo…) cho cây trồng mà cịn làm tơi xốp đất, tạo cấu trúc đất sét - mùn, tăng tính đệm của đất, tăng khả năng giữ phân, nước, điều hịa nhiệt độ của đất đồng thời cũng cung cấp các kích thích tố giúp cho rễ cây phát triển nhanh hơn; chứa các chất kháng sinh, các vi sinh vật đối kháng hay các vitamin để tăng khả năng chống chịu của cây trồng trong những điều kiện bất lợi, lại gĩp phần tiêu diệt các ổ dịch bệnh hại cây trồng Trong điều kiện thâm canh ngày nay phân hữu cơ cĩ ý nghĩa quyết định đến độ phì nhiêu và độ bền sức sản xuất của đất cũng như đến năng suất và chất lượng nơng sản

Mặt khác, tại sao chúng ta khơng đưa "kho báu" mà tồn nhân loại đang hướng đến, một nguồn lợi quốc gia vơ cùng cĩ giá trị, đĩ là tập đồn vi sinh vật phân huỷ và chuyển hố các hợp chất cacbon vào cơng cuộc bảo vệ

độ phì nhiêu cho đất Chính nhờ tập đồn VSV này mà hàng vạn, hàng triệu tấn tàn dư thực vật trên trái đất vẫn hàng ngày, hàng giờ được chuyển hố thành các dạng vật chất dễ tan, dễ tiêu trong đất cho các lồi thực vật và VSV sống hấp thụ, làm cho trái đất trở nên xanh và sạch hơn

Vì vậy, để trả lại cho đất những gì cây trồng đã lấy đi từ đất và để gĩp phần giải quyết vấn đề thiếu hụt phân hữu cơ trong thâm canh hiện nay đồng thời giảm bớt chi phí đầu tư cho phân khống, thuốc bảo vệ thực vật của nhà nơng thì việc xử lý tàn dư cây lúa sau thu hoạch thành phân bĩn hữu cơ là rất cần thiết

Xuất phát từ thực tế trên, được sự phân cơng của khoa Tài nguyên - Mơi

trường, ðại học Nơng nghiệp Hà Nội, chúng tơi tiến hành nghiên cứu đề tài:

" Nghiên cứu quy trình xử lý rơm rạ bằng chế phẩm VSV thành phân hữu cơ bĩn cho lúa Xuân trên đất phù sa Sơng Hồng"

1.2 Mục ñích và yêu cầu nghiên cứu

1.2.1 Mục ñích nghiên cứu

1.2.1.1 Tận dụng nguồn rơm rạ trên ñồng ruộng tái chế thành phân hữu

cơ bón cho cây trồng và bù trả lại nguồn dinh dưỡng cho ñất

1.2.1.2 Cải tiến quy trình xử lý tàn dư thực vật trên ñồng ruộng bằng chế phẩm VSV của ñề tài B 2004 – 32 – 66

1.2.1.3 Bước ñầu ñánh giá hiệu quả của phân hữu cơ tái chế từ rơm rạ bón cho lúa xuân trên ñất phù sa sông Hồng

1.2.2 Yêu cầu nghiên cứu

- Kiểm tra ñặc tính sinh học của bộ giống VSV phân giải xenlulo của bộ môn Vi sinh vật, khoaTài nguyên Môi trường, trường ðại học Nông nghiệp Hà Nội (ðHNN HN)

- Phân lập, tuyển chọn chủng giống VSV phân giải xenlulo mới

- Sản xuất chế phẩm VSV theo quy trình của ñề tài B 2001– 32–09 và B2004–32–66

1.3 Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của ñề tài

1.3.1 Ý nghĩa khoa học

- ðề tài góp phần bổ sung cơ sở lý luận trong việc nghiên cứu và sản xuất chế phẩm VSV phân giải xenlulo ðồng thời khẳng ñịnh vai trò của loại chế phẩm này ñối với việc phân giải các tàn dư thực vật

1.3.2 Ý nghĩa thực tiễn

Tạo nguồn phân hữu cơ bón cho cây trồng, giải quyết một phần sự thiếu hụt về phân hữu cơ trong thâm canh hiện nay

PHẦN 2 TỔNG QUAN TÀI LIỆU

2.1 Cây lúa và vai trị của nĩ trong đời sống nhân loại

Cây lúa Oryza sativa là một loại cây thân thảo, cĩ nguồn gốc từ cây lúa dại Oryza fatua Nĩ là loại cây được đánh giá là cổ xưa nhất, sự tiến hố của

nĩ gắn liền với sự tiến hố của lồi người (đặc biệt ở châu Á) Theo các tài liệu đã ghi chép thì cây lúa được trồng ở Trung Quốc khoảng năm 2800- 2700 trước cơng ngyên, ở Thái Lan vào khoảng 4000 năm trước cơng nguyên và ở Việt Nam vào khoảng 4000 - 3000 năm trước cơng nguyên [15]

Cây lúa nước là một trong những cây lương thực chủ yếu và quan trọng trên thế giới, cĩ ảnh hưởng khơng nhỏ tới đời sống của trên 65% dân số và đến nền kinh tế của nhiều quốc gia trên hành tinh chúng ta Năm 1996, lúa gạo được tiêu thụ bởi 5,8 tỷ người ở 176 quốc gia, là lương thực quan trọng bậc nhất của 2,89 tỷ người dân châu Á, 40 triệu người dân châu Phi và 1,3 triệu người dân châu Mỹ Ở Việt Nam, gieo trồng lúa nước là một nghề cĩ truyền thống từ lâu đời, đem lại lợi ích nhiều mặt cho bà con nơng dân nĩi riêng và nhân dân cả nước nĩi chung ðặc biệt là từ khi thực hiện Nghị quyết

10 và Chỉ thị 100 cùng với việc ứng dụng tiến bộ khoa học cơng nghệ về giống, thuỷ lợi, phân bĩn, kỹ thuật canh tác, quản lý sử dụng đất đai…, sản lượng thĩc đã tăng từ 19,2 triệu tấn (năm1990) lên 35,86 triệu tấn (năm 2007), tăng trung bình 0,98 triệu tấn/năm Sản xuất lúa gạo khơng những đã đảm bảo vững chắc mục tiêu an ninh lương thực quốc gia mà cịn đưa nước ta lên vị trí thứ 2 thế giới về xuất khẩu lúa gạo, với lượng xuất khẩu trung bình 3

- 3,5 triệu tấn/năm [8; 37] ðặc biệt trong những tháng đầu năm 2008, tình

trạng giá cả lương thực leo thang đã khiến hàng 100 triệu người lâm vào cảnh khốn cùng, hàng trăm nghìn người cĩ thể bị chết đĩi (dự đốn của Quỹ tiền tệ quốc tế (IMF)), nhiều quốc gia trên thế giới hiện đã phải dùng tới nguồn lương thực dự trữ hoặc bị khủng hoảng lương thực phải chờ viện trợ từ bên ngồi (Thơng báo của Tổ chức lương thực và Nơng nghiệp của Liên hợp quốc

(FAO)) [18] nhưng tổng lượng gạo xuất khẩu 2 tháng ñầu năm 2008 của Việt

Nam vẫn ñạt 459,3 ngàn tấn với trị giá gần 190,44 triệu USD, tăng 76,95% về lượng và tăng 126,91% về trị giá so với cùng kỳ năm 2007 [2]

Như vậy, việc trồng lúa và tăng năng suất, chất lượng lúa gạo là việc làm có ý nghĩa rất lớn trong vấn ñề bình ổn an ninh lương thực, bình ổn chính trị của nhiều quốc gia trên thế giới ñồng thời cũng là yếu tố ñem lại nguồn thu ngoại

tệ lớn của một số nước xuất khẩu gạo (Thái Lan, Việt Nam, Ấn ðộ, Ai Cập…) Bên cạnh ñó, cây lúa còn cung cấp cho người nông dân chất ñốt, nguyên liệu làm thức ăn gia súc, phân bón và vật liệu che phủ ñất rất hữu hiệu…(sơ ñồ2.1) Do vậy, cũng có thể nói cây lúa không những là người bạn

thân thiết của nhà nông mà còn là bạn của tất cả nhân loại sử dụng lúa gạo

Sơ ñồ 2.1 Vai trò của cây lúa (Oryza sativa )

Tuy nhiên, không phải lúc nào và ở ñâu người ta cũng tận dụng hết các mặt ưu việt của cây lúa ðặc biệt, khi nền kinh tế thị trường ngày càng ñi lên, mức sống của người nông dân ngày càng ñược cải thiện cộng với việc lao

Lương thực cho người và ñộng vật; Sản xuất rượu…

Phân bón; Chất ñốt; Chất phụ gia

ñộng trong ngành nông nghiệp có xu hướng giảm và già hoá thì cây lúa dường như chỉ ñược biết ñến với chức năng chính là cung cấp gạo, nguồn lương thực nuôi sống họ Còn các chức năng khác chỉ ñược duy trì và thực hiện một cách cục bộ ở một số ñịa phương, một số trang trại Thực tế lợi ích

từ tàn dư cây lúa ñem lại cho người nông dân ai cũng biết nhưng nếu so với lợi ích hiện tại mà họ có thì nó quá thấp và ñôi khi không thể hiện rõ nên nó

dễ dàng bị người nông dân bỏ qua Cũng chính vì lý do ñó mà mấy năm gần ñây, ở các vùng trồng lúa mà ñiển hình là ở ñồng bằng sông Hồng và sông Cửu Long luôn xảy ra hiện tượng người nông dân ñốt toàn bộ tàn dư cây lúa sau thu hoạch ñể làm sạch ñồng ruộng

Hình 2.1 Thực trạng ñốt rơm rạ trên ñồng ruộng của nông dân

http://www.vnexpress.net/Vietnam/Xa-hoi/2004/06/3B9D3EA1/)

Việc làm này ñã dẫn ñến khói và bụi tro lan toả ra diện rộng ảnh hưởng trực tiếp ñến sức khoẻ người dân, ñộng vật, cây trồng bản ñịa và ñến những người tham gia giao thông trên ñường quốc lộ Ngoài ra, còn làm tăng lượng khí thải nhà kính (CO2), góp phần làm thay ñổi khí hậu toàn cầu theo chiều hướng xấu; làm mất ñi một lượng lớn chất hữu cơ và một số dinh dưỡng quan trọng ñối với ñất và cây trồng bản ñịa, làm tăng nguy cơ suy thoái ñất và sự sụt giảm lương thực trong tương lai

Tóm lại, ñã coi cây lúa là bạn của nhà nông thì hành xử của chúng ta ñối với nó như thế nào cho ñúng? Câu hỏi này, thiết nghĩ không chỉ giành cho người nông dân, các nhà khoa học mà cả các cấp chính quyền Chỉ có sự kết hợp hài hoà của 3 nhà (nhà nông, nhà khoa học và nhà quản lý) thì toàn bộ sản phẩm từ cây lúa sẽ ñược người nông dân sử dụng triệt ñể và họ sẽ nhận ñược những lợi ích thiết thực từ cây lúa

2.2 Các quan ñiểm sử dụng phân bón trong trồng trọt

Quản lý dinh dưỡng cây trồng trong sản xuất nông nghiệp là một khâu quan trọng trong việc xây dựng hệ thống nông nghiệp bền vững Ngày nay, sản xuất nông lâm nghiệp trên thế giới ñã có những tiến bộ vượt bậc về năng suất, chất lượng và hiệu quả Ngoài những yếu tố ñóng góp cho sự tiến bộ ñó

là giống, công nghệ và kỹ thuật canh tác… thì phân bón cũng là yếu tố rất quan trọng góp phần nâng cao ñáng kể năng suất, chất lượng cây trồng Tuy nhiên, xung quanh vấn ñề về phân bón hiện nay vẫn còn nhiều tranh cãi và quan ñiểm khác nhau

2.2.1 Trong vấn ñề sử dụng phân bón hoá học

Phân bón hoá học là danh từ chung chỉ tất cả các loại phân bón ña lượng (NPK), trung lượng (S, Mg, Ca) và vi lượng (B, Mo, Cu, Zn,…) dùng ñể bón vào ñất cung cấp dinh dưỡng cho cây trồng ñồng thời cải tạo môi trường ñất; hoặc dùng ñể phun qua lá bổ sung dinh dưỡng và ñiều hoà sinh trưởng cây trồng [9]

Lúc ñầu con người chỉ biết thu lượm những sản vật thiên nhiên ñể sinh sống nhưng sau ñó họ ñã biết dùng phân ngựa, phân bắc (trước công nguyên khoảng 1000 năm) và khoảng 200 năm trước công nguyên biết dùng cây họ ñậu làm phân xanh Vào khoảng 200 - 300 năm trước công nguyên Teopharastos và Plinius ñã coi nitrat kali như một loại phân bón cho cây trồng và vai trò nước biển cho dừa Cho ñến năm 1840 Sulius Von Liebig xuất bản cuốn "Hoá học trong nông nghiệp và sinh lý ñược xem là bình minh của nền nông nghiệp hiện ñại [47] Từ ñó ñến nay thế giới ñã sản xuất và sử dụng phân hoá học với số lượng và chủng loại ngày càng lớn

và phong phú Andre Voisin, 1963 ñã khẳng ñịnh rằng: không có phân hoá học nông nghiệp thế giới không thể nào tăng 4 lần trong 50 năm và nó ñã trở thành một trong các yếu tố cơ bản của sự tăng mức sống ở các nước văn

minh [38] (dẫn theo Lê Văn Tri) ðơn cử ra ñây một minh chứng gần gũi

với chúng ta nhất là nền nông nghiệp Việt Nam, theo số liệu thống kê vào những năm 1980, 1990 chúng ta mới sử dụng 28 kgNPK/ha và 88 kg NPK/ha, lúc này Việt Nam vẫn là nước ñi xin viện trợ lương thực; nhưng ñến những năm cuối của thế kỷ 20 lượng phân bón hoá học mà ta sử dụng lên ñến 200 kg NPK/ha, từ ñó ñã ñưa Việt Nam trở thành nước xuất khẩu lương thực ñứng hàng thứ 2 - 3 trên thế giới

Tuy nhiên, mặt trái của vấn ñề là ở phía người sử dụng, thực tế cho thấy chất lượng sản phẩm lại không thường tăng cùng năng suất, ñến một mức nhất ñịnh năng suất vẫn tăng mà chất lượng giảm Nghiên cứu của Schuphan,

1958 về ảnh hưởng của lượng ñạm bón ñến năng suất, chất lượng rau

Spinacea Oleracea cho ta thấy rõ hơn ñiều ñó (bảng 1) [46] (Dẫn theo Vũ Hữu Yêm)

Bảng 2.1 Ảnh hưởng của lượng ựạm bón ựến năng suất, chất lượng rau

Spinacea Oleracea

Trong chất khô Lượng

bón

(kg N/ha)

Năng suất (kg/ô)

NO 3

-ppm

Protein thô (%)

Lyzin trong protein thô (%)

GTSH của protein

Ghi chú: (*) quá ngưỡng tiêu chuẩn của tổ chức y tế thế giới WHO (500ppm NO 3 - )

Chắnh từ tác dụng thần kỳ của phân hoá học trong việc tăng năng suất

ựã dẫn người nông dân thế giới tới chỗ lạm dụng nó ựể phục vụ cho mục ựắch tăng trưởng kinh tế của mình Từ ựó ựã ựể lại không ắt tác hại cho sức khoẻ người và vật nuôi, huỷ hoại môi trường sống đã có rất nhiều nghiên cứu về ảnh hưởng xấu của việc lạm dụng phân hoá học ựến sức khoẻ người và ựộng vật ựược nêu ra ựể hạn chế việc sử dụng phân hoá học của người nông dân như nghiên cứu của Bosch (1956), Kemp (1958 - 1960) trên bò ựều cho thấy:

bò nuôi bằng cỏ ựược bón nhiều ựạm thì hàm lượng Cu trong huyết thanh bò giảm xuống và dễ mắc chứng vô sinh; hoặc bò nuôi bằng cỏ bón nhiều Kali thì có rất nhiều con bị bệnh co cơ ựồng cỏẦ[46]

Một số ý kiến khác về vấn ựề sử dụng phân bón hoá học ựược nêu ra trong bài viết của Engrais, 1974 như sau:

- Phân bón hoá học tạo ra các thực phẩm có chất lượng kém trong khi nền canh tác không phân hoá học lại cho các thực phẩm với giá trị cao;

- Phân hoá học không ựảm bảo duy trì tốt chế ựộ mùn cho ựất;

- Các loại phân hoà tan ảnh hưởng xấu ựến các ựặc tắnh hoá lý của ựất

và ựến hoạt ựộng vi sinh vật

- Không cần phân hoá học vì trong ựất "sạch" những sự chuyển hoá sinh học có thể tạo ra các chất dinh dưỡng mà ựất thiếu;

- Bón phân hoá học làm cây trồng mẫn cảm hơn với sâu bệnh trong khi nền canh tác không phân bón có thể tự bảo vệ mình

- Phân bón làm ô nhiễm nguồn nước

Tuy vậy, những nhận ựịnh trên chỉ có khi loài người ựã sử dụng phân bón hoá học trong một thời gian dài với một liều lượng quá lớn Hai nhà dinh dưỡng học kỳ cựu là H Gounelle và Pointeau ựã có những kết luận là:

"Người ta không thấy trường hợp nào thành phần dinh dưỡng của cây trồng thay ựổi ở mức chấp nhận ựược lại dẫn ựến việc làm hao tổn sức khoẻ của con người và gây ra bệnh tật" Hoặc một nhận ựịnh khác của Bùi đình Dinh (1999) là: "Xét cho cùng, phân hoá học cũng từ ựất và từ khắ trời mà ra Phân Nitơ tổng hợp từ khắ quyển, phân photpho sản xuất từ quặng Apatit, phân kali sản xuất từ quặng chứa kali cao như Kainit, silvilitẦ[38] Do ựó, cần nhắc lại một lần nữa là chúng ta sử dụng phân hoá học như thế nào ựể hạn chế và thậm chắ nó không mang những mặt hạn chế nêu trên Thực tế về bản chất phân khoáng ngoài việc làm tăng năng suất, chất lượng nông sản còn ựể lại cho ựất một lượng tàn dư thân lá thực vật rất lớn, ựồng thời kắch thắch việc sinh sôi nảy

nở và hoạt ựộng của vi sinh vật ựất, làm tăng cường quá trình khoáng hoá và mùn hoá trong ựất nếu người nông dân biết sử dụng ựúng liều lượng, ựúng cách

và ựúng lúc [7] (dẫn theo Vũ Hữu Yêm)

2.2.2 Trong vấn ựề sử dụng phân bón hữu cơ

Trước những hậu quả do việc lạm dụng hoá chất trong nông nghiệp của loài người ựem lại thì một lần nữa học thuyết về nền nông nghiệp hữu cơ lại ựược trỗi dậy và ựề cập ựến trong hầu hết các diễn ựàn về nông nghiệp ở khắp các châu lục trên thế giới Người ta cho rằng áp dụng nền nông nghiệp hữu cơ

sẽ ựem lại các lợi ắch như [19]:

- Tạo ra nông phẩm có chất lượng cao;

- Tăng cường các chu kỳ sinh học trong các hệ thống canh tác;

- Duy trì và tăng cường ñộ phì nhiêu cho ñất;

- Tránh ô nhiễm nảy sinh từ nông nghiệp;

- Giảm thiểu việc sử dụng những tài nguyên không tái sinh ñược;

- Cùng tồn tại và bảo vệ môi trường

ðể ñạt ñược những mục tiêu trên thì việc trả lại ñầy ñủ chất hữu cơ cho ñất ñược ñánh giá là quan trọng nhất Nguyên nhân là do nhờ có chất hữu cơ mà làm tăng nguồn cung cấp nitơ từ mùn ñất tự nhiên, tăng khả năng giữ nước, tránh cho ñất bị chai cứng hoặc bị xói mòn, từ ñó làm tăng tính bền vững cho ñất Tất nhiên, khi lượng chất hữu cơ của ñất trồng bị giảm, phải dùng phân khoáng ñể

bù lại sự thiếu hụt các chất dinh dưỡng nhằm duy trì năng suất của ñất Việc làm này sẽ tăng thêm một số chất dinh dưỡng cho ñất, nhưng không thể thay thế ñược ñặc tính của chất hữu cơ về mặt sinh lý học, cũng không thể thay ñược tất

cả các chất dinh dưỡng cần thiết ñối với cây trồng nên nó phải ñược xem là một

sự bổ sung cho việc tái tuần hoàn chứ không phải là một sự thay thế

Lên Văn Căn, 1979 qua thử nghiệm ñã ñưa ra kết luận: cày vùi rơm rạ tạo ñiều kiện cho ñất có khả năng chịu ñựng ñược lượng phân ñạm hoá học cao, tăng cường nhiều chỉ tiêu của tính chất ñất, cho năng suất cây trồng cao hơn Tỷ lệ chất hữu cơ trong ñất thường ñi ñôi với ñộ phì nhiều của ñất Về phương diện này, khi chất liệu mùn không thích hợp chúng ta cần biến ñổi chúng theo hướng mong muốn ñể ñem lại cho ñất những chất mùn có giá trị cao Các chất mùn có tác dụng kích thích sự tăng trưởng và là chất kháng sinh ñối với thực vật, dưới tác dụng kích thích của chất mùn, hệ rễ của thực vật phát triển tốt và phát huy ñược khả năng sử dụng nhiều chất dinh dưỡng, chất

mùn còn có tác dụng nâng cao tính thẩm thấu màng của tế bào thực vật [5]

Nguyễn Tử Siêm, Thái Phiên (1992) có nhận ñịnh: Mất chất hữu cơ ñã kéo theo hàng loạt suy thoái về trạng thái vật lý, chế ñộ nước, dự trữ và tình trạng dinh dưỡng ñất Bón phân hữu cơ và phân xanh, ñặc biệt là cây bộ ñậu

làm tăng tổng số nhóm chức trong axit mùn, tăng các hydrat cacbon, giúp cho lân ít bị cố ñịnh [25]

Nguyễn Vi, 1993 cho rằng nhờ khả năng phân giải nhanh các chất hữu

cơ ñưa vào của hệ vi sinh vật làm tăng ñộ phì nhiêu ñất, tăng lượng axit hữu

cơ, hydrat cacbon và hình thành vật chất mùn mới có hoạt tính trao ñổi cao Chúng rất giầu các nhóm chức, nhất là nhóm - COOH có tác dụng ngăn cản

sự giữ chặt lân thông qua việc tạo hiệu ứng hình thành phức của các cation hoá trị 2, 3 làm hạn chế kết tủa ở dạng phốt phát vô cơ Hiệu ứng này tăng theo hiệu ứng axit và giảm khi mạch của cấu trúc chất mùn tăng ðưa chất hữu cơ vào ñất làm tăng mạnh hàm lượng các nhóm chức và tăng số lượng vật

chất mùn mạch ngắn chính là tác nhân làm tăng hiệu ứng này [41]

Vũ Hữu Yêm, 1995, cũng thừa nhận rằng phân hữu cơ có tác dụng chuyển hoá các hợp chất khó tan thành dễ tan, giải phóng ñược nhiều dinh dưỡng trong ñất cho cây trồng, cơ chế của hiện tượng này là do tác ñộng của các axit hữu cơ ñược phân giải ra tác ñộng tích cực với Fe trong các phosphate trở thành kém bền vững hơn và chuyển chúng sang dạng phosphate

có hoá trị thấp hơn [45] Nhận ñịnh này cũng tương ñồng với nhận ñịnh của

F.J Stevenson (1982): Lân dễ tiêu của ñất tăng khi bón hữu cơ vào ñất bởi quá trình “chelat” của cation ña hoá trị với axit hữu cơ và các sản phẩm thối rữa hữu cơ, chất hữu cơ có vai trò trong việc ñiều hoà dinh dưỡng không chỉ ñối với lân mà ngay cả với sắt Các hợp chất hữu cơ có ñặc tính “chelat” ñóng vai trò quan trọng trong việc cung cấp cho thực vật Fe và các nguyên tố vi

lượng khác [65]

Phạm Tiến Hoàng, 1995, trên ñất bạc màu nếu không bón phân hữu cơ không thể cho năng suất cao dù có bón lượng phân khoáng lớn Phân hữu cơ bón vào ñất ngoài việc cung cấp dinh dưỡng trực tiếp cho cây còn có chức năng ñiều hoà dinh dưỡng trong ñất và hạn chế một số nguyên tố gây ñộc cho

cây, thực chất tăng khả năng hấp thu của ñất, hạn chế sự rửa trôi, sự bốc hơi của các chất dinh dưỡng và quan trọng hơn ñó là vấn ñề tạo phức ñối với các kim loại gây ñộc như Fe, Al, Mn… Trên vùng ñất vốn ñã thoái hoá nếu chỉ bón cho cây trồng 4 tấn phân chuồng/ha là chưa ñủ, dẫn ñến năng suất không

ổn ñịnh ở mức có lãi suất [16]

Như vậy, quan ñiểm về vai trò của phân hữu cơ ñối với ñất ñai và cây trồng của các nhà khoa học là khá ñồng nhất Từ ñó, càng làm sáng tỏ tầm quan trọng của loại phân này trong thâm canh cây trồng nói chung và thâm canh lúa nước nói riêng ðể thay cho lời kết, chúng tôi xin trích lời phát biểu của Rozamon B G tại hội nghị quốc tế lần thứ 14 về thổ nhưỡng học tại Koyto, Nhật Bản (1990), ñó là: "Mùn ñất bị mất trên hành tinh có thể trở thành hiểm họa về sinh thái nếu không kịp thời ngăn chặn bởi vì mùn ñất là người tích luỹ

cơ bản năng lượng mặt trời trên trái ñất hiện nay và là người bảo vệ khả năng sản xuất của ñất, ñảm bảo sự ổn ñịnh sinh thái của sinh quyển [48]

2.2.3 Sử dụng cân ñối phân hữu cơ - vô cơ

Từ các quan ñiểm về vấn ñề sử dụng phân hoá học và phân hữu cơ nêu

ở hai phần trên, gần ñây ñã xuất hiện một số nhận ñịnh có tính bao quát hơn

và ñược ña số loài người ủng hộ: Phân sinh học (phân chuồng, phân xanh, phế phụ phẩm cây trồng nông nghiệp, phân vi sinh…) có tác dụng rất lớn trong tạo nền thâm canh ñể tăng năng suất cây trồng nhưng nếu chỉ có nó thì không cung cấp ñủ dinh dưỡng cho cây trồng ñể cho năng suất cao, khó ñảm bảo ñủ lương thực, thực phẩm cho toàn nhân loại Do vậy, ñể ñảm bảo cho một nền nông nghiệp bền vững, FAO (1993) ñã ñề xướng chương trình sử dụng tổng hợp các loại phân sinh học và hoá học một cách cân ñối (IPNS) Tức là phải tăng cường sử dụng phân bón, kết hợp hài hoà giữa phân vô cơ và hữu cơ, trong ñó các loại phân ñược sử dụng không những chỉ cân ñối về tỷ lệ mà còn phải cân ñối với lượng hút ñể bù trả lại lượng thiếu hụt do cây trồng lấy ñi từ ñất [38]

Cân đối hữu cơ - vơ cơ khơng chỉ làm tăng hiệu quả sử dụng phân khống mà ngược lại phân khống cũng làm tăng hiệu lực của phân hữu cơ Trên nền cĩ bĩn phân khống, hiệu lực 1 tấn phân chuồng đạt 53 - 89 kg thĩc, trong khi khơng bĩn phân khống chỉ đạt 32 - 52 kg (bảng 2) Kết quả đĩ chứng minh tại sao cây lúa thường xấu trong giai đoạn đầu nếu chỉ bĩn phân

chuồng mà khơng bĩn lĩt phân đạm [7]

Bảng 2.2 Quan hệ hữu cơ - vơ cơ trong dinh dưỡng lúa

Nguồn: Bĩn phân cân đối và hợp lý cho cây trồng, Nxb Nơng nghiệp Hà Nội, 2005

Bên cạnh đĩ, thực tế thổ nhưỡng học đã chứng minh, các tay nối hữu

cơ như Fe, Al, Ca, Mg cĩ vị trí đặc biệt trong việc hình thành cấu trúc đất, gắn kết các vi đồn lạp bền trong nước, tránh được lực xâm kích của hạt mưa Trong tương tác phân bĩn với đất đai, các liên kết hữu cơ - khống hoặc các phức chelat cĩ tác động tương tự, chúng cố định tạm thời các yếu tố dinh dưỡng, tránh rửa trơi, bay hơi hoặc hồ tan quá nhanh hoặc giữ chặt cố kết ðiều này làm tăng hiệu quả của các loại phân bĩn đối với cây trồng [64] Hay một nhận xét của Nguyễn Tử Siêm về quan điểm quản lý dinh dưỡng tổng hợp cũng cho ta thấy rõ sự cần thiết phải bĩn kết hợp và cân đối phân hữu cơ

- vơ cơ: Cây trồng cần cung cấp khơng phải chỉ là một nguyên tố mà luơn luơn cần một tập hợp nhiều nguyên tố Cần thay đổi tập quán chỉ chú trọng đến phân đạm, coi nhẹ lân, kali, trung lượng và vi lượng Phân hữu cơ cĩ hiệu ứng rất tổng hợp nhưng lượng dinh dưỡng mà nĩ đưa lại khơng lớn, chính vì

thế cần phải bổ sung bằng phân hoá học, có hàm lượng nguyên tố cao hơn, hiệu ứng nhanh hơn Tuy nhiên, cần cải tiến cách bón phân, chúng ta nên chia nhỏ phân khoáng bón thành nhiều lần, ñồng thời kết hợp với phân hữu cơ, tủ gốc, phủ ñất, ñi ñôi với giữ ẩm sẽ nâng cao hiệu quả sử dụng rất nhiều Từ ñó cần tránh tư tưởng về một nền nông nghiệp với kỹ thuật ñầu tư thấp (canh tác

bỏ hoá, làm ñất tối thiểu hay không làm ñất), không bón phân hoá học, không

sử dụng thuốc trừ sâu…Quan ñiểm này gần ñây ñã bị bác bỏ cả về mặt lý luận cũng như thực tiễn [26]

Tóm lại, các quan ñiểm về sử dụng phân bón là thay ñổi qua các thời kỳ lịch sử mặc dù sự thay ñổi ñó là chậm hơn Tuy nhiên, sự thay ñổi này là tất yếu vì nó phù hợp với nhu cầu, thị hiếu về lương thực, thực phẩm của toàn thể nhân loại ở mỗi một giai ñoạn lịch sử ñó cũng như phù hợp với sự phát triển của khoa học kỹ thuật về con người nói chung và về nông nghiệp nói riêng

2.3 Cơ sở lý luận của việc xử lý phế thải hữu cơ trên ñồng ruộng bằng phương pháp sinh học

2.3.1 Thành phần phế thải hữu cơ trên ñồng ruộng

Phế thải hữu cơ trong tự nhiên có thành phần rất phong phú và ña dạng Tuy nhiên, tựu chung chúng ñều thuộc 2 nhóm hợp chất chính là:

Nhóm hợp chất hữu cơ chứa cacbon:

Thành phần và số lượng phế thải hữu cơ trên ñồng ruộng là tuỳ thuộc vào hệ thống canh tác của mỗi vùng ñịa lý, mỗi quốc gia dân tộc Tuy vậy, phế thải hữu cơ trên ñồng ruộng là loại chiếm số lượng lớn nhất trong các loại chất thải hữu cơ và thành phần chủ yếu của nó là nhóm hợp chất cacbon khó phân giải (xenluloza, hemixenluloza, pectin, lignin)

Bảng 2.3 Lượng chất thải hữu cơ trên thế giới năm 2001

Loại chất thải Số lượng (triệu tấn/năm) Tàn dư thực vật trên ñồng ruộng 1200

Chất thải công nghiệp thực phẩm 420

Nguồn: Nguyễn ðức Lượng, Nguyễn Thuỳ Dương, 2001 [22]

Bảng 2.4 Hàm lượng xenluloza trong một số tàn dư thực vật trên ñồng ruộng

Do ñó, trong vấn ñề xử lý tàn dư thực vật trên ñồng ruộng người ta thường tập trung nghiên cứu phương pháp ñể quá trình phân giải, chuyển hoá các hợp chất cacbon khó phân giải (chủ yếu là xenluloza) diễn ra thuận lợi nhất Trong ñó, không thể thiếu việc tìm hiểu về ñặc ñiểm cấu tạo và ñặc tính

lý hoá học của xenluloza Một số nghiên cứu cho biết:

Xenluloza là thành phần chủ yếu của thành tế bào thực vật, chiếm tới 50% tổng số hydratcacbon trên trái ñất Trong vách tế bào thực vật, xenluloza tồn tại trong mối liên kết chặt chẽ với các polisaccarit khác: Hemi-xenluloza, pectin và lignin tạo thành liên kết bền vững [66] Nó ñược tổng hợp hàng năm với số lượng lớn, chiếm tới 7,2 x 1011 tấn trong tổng sinh khối thực vật của trái ñất là 1,8 x 1012 tấn

Xenluloza là một polime mạch thẳng gồm các anhydroglucoza trong mối liên kết β - 1,4 glucozit Phân tử anhydroglucoza trong xenluloza có dạng ghế bành, phân tử sau quay 1800 so với phân tử trước Mức ñộ trùng hợp của xenluloza tự nhiên có thể ñạt 10 000 - 14 000 ñơn vị glucoza trên phân tử [53], trọng lượng tương ứng là 1,5 triệu dalton với chiều dài phân tử có thể lớn hơn hoặc bằng 5µm Các chuỗi xenluloza này có ñường kính khoảng 3,0 nm thường có các nhóm OH tự do nên các chuỗi xenluloza gần nhau thường kết hợp với nhau tạo thành các sợi có ñường kính khoảng 10 - 40 nm, những sợi hợp lại với nhau thành bó sợi to và ñược bao bọc bởi lignin và hemi - xenluloza Phân tử xenluloza có cấu trúc không ñồng nhất thường có hai vùng xen kẽ:

- Vùng kết tinh có trật tự cao và bền vững với các tác ñộng bên ngoài

- Vùng vô ñịnh hình có cấu trúc không chặt do ñó kém bền vững hơn Vùng vô ñịnh hình có thể hấp thụ nước và trương lên do vậy dễ bị tấn công bởi enzim Trong khi ñó ở vùng kết tinh mạng lưới liên kết hydro ngăn cản sự trương này và trong nhiều dung môi hữu cơ, các dung dịch axit và

kiềm loãng cũng không có tác dụng, chỉ bị thuỷ phân khi ñun nóng với axit hoặc với kiềm Liên kết glucozit không bền với axit, xenluloza dễ bị thuỷ phân bởi axit thành các sản phẩm thuỷ phân không hoà tan, có ñộ bền cơ học kém hơn xenluloza tự nhiên khi thuỷ phân hoàn toàn sẽ thu ñược sản phẩm cuối cùng là ñường hoà tan D - glucoza Dung dịch kiềm làm trương phồng mạch xenluloza và hoà tan một phần các xenluloza phân tử nhỏ Trong khi ñó

ở ñiều kiện bình thường một số vi sinh vật có thể thuỷ phân xenluloza thành ñường ñơn [58]

Ảnh 2.2 Hình ảnh 3D hợp chất cao phân tử Cellulose

(Màu nâu-cacbon, màu ñỏ-oxy, màu trắng-hydro)

Từ sự hiểu biết về ñặc ñiểm cấu tạo và ñặc tính sinh lý, sinh hoá của xenluloza các nhà khoa học tiếp tục tìm hiểu về cơ chế của quá trình phân giải

và các tác nhân tham gia vào quá trình phân giải loại hợp chất cacbon này

2.3.2 Enzim xenlulaza

Xenlulaza ở vi sinh vật và cơ chế tác dụng của chúng gần ñây ñã ñược một

số tác giả tổng kết khá chi tiết ðây là phức hệ enzym thuỷ phân xenluloza tạo ra các ñường ñủ nhỏ ñể ñi qua vách tế bào vi sinh vật Ở một số vi sinh vật, enzym oxy hoá khử và enzym phân giải protein cũng tham gia vào quá trình trên Nhiều

tác giả cho rằng phức hệ xenlulaza bao gồm 3 enzym chủ yếu sau [53]:

- Endoglucanaza hay CMC- aza (endo - 1,4, - β - D - glucan - glucanohydrolaza) tấn công chuỗi xenluloza một cách tuỳ tiện và phân huỷ liên kết β- 1.4 - glucozit giải phóng xenluobioza và glucoza, thuỷ phân CMC hoặc xenlulo phồng theo kiểu tuỳ tiện, làm giảm nhanh chiều dài chuỗi và tăng chậm các nhóm khử, enzim này cũng tác dụng lên xenlodextrin Ở vùng

vô ñịnh hình enzim này hoạt ñộng mạnh nhưng lại yếu ở vùng kết tinh và không phân giải ñược xenlobioza

- Exoglucanaza hay xenlobiohydrolaza (exo - 1,4 - D - glucaza - 4 - xenlobiohydrolaza) giải phóng xenlobioza hoặc glucoza từ ñầu không khử của xanluloza, tác dụng yếu lên CMC nhưng tác dụng rất mạnh lên xenluloza vô ñịnh hình hoặc xenluloza ñã bị phân giải một phần Tác dụng lên xenluloza kết tinh không rõ nhưng khi có mặt endoglucanaza thì có tác dụng hiệp ñồng rõ rệt

- β - glucozidaza hay xenlobiaza thuỷ phân xenlobioza và các xenlodextrin khác hoà tan trong nước cho glucaza, nó có hoạt tính cực ñại trên xenlobioza, còn ở xenloñextrin thì hoạt tính giảm khi chiều dài của chuỗi tăng lên Tuỳ theo vị trí mà β - glucozidaza ñược coi là nội bào, ngoại bào hoặc liên kết màng tế bào Chức năng của β - glucozidaza có lẽ là ñiều chỉnh

sự tích luỹ các chất cảm ứng của xenlulaza Mỗi enzym thành phần lại có thể gồm một hay vài izozim khác nhau về trọng lượng phân tử, ñiểm ñẳng ñiện và hàm lượng polisaccarit liên kết Người ta cho rằng tính ña hình của xenluloza

là nhằm phù hợp với cấu trúc phức tạp của mạch phân tử xenluloza, gồm nhiều vùng có ñặc tính thuỷ phân khác nhau Tuỳ thuộc vào loài vi sinh vật và ñiều kiện nuôi cấy, tỷ lệ các enzim thành phần trong phức hệ xenlulaza và hiệu lực phân giải xenluloza của xenlulaza là khác nhau Nhưng ñể phân giải hoàn toàn xenluloza tự nhiên cần có sự tác dụng hiệp ñồng của cả 3 thành

phần trong phức hệ xenlulaza [63]

2.3.3 Cơ chế tác dụng

Các thành phần riêng rẽ trong phức hệ xenlulaza không có khả năng thuỷ phân xenluloza kết tinh mà phải có sự hiệp ựồng của cả 3 thành phần Cơ chế tác dụng của các enzim này hiện còn có nhiều quan ựiểm khác nhau:

Năm 1950 Reese và cộng sự lần ựầu tiên ựưa ra cơ chế phân giải xenluloza [30] như sau:

Xenluloza

tự nhiên

C1 Xenluloza

hoạt ựộng

Cx đường hoà tan

Xenlobioza Xenlobiaza Glucoza Trong ựó, C1 tương ứng với exogluconaza;

Cx tương ứng với endoglucanaza Theo Reese, C1 là "tiền nhân tố thuỷ phân" hay là enzim không ựặc hiệu, nó làm trương xenluloza tự nhiên biến thành các chuỗi xenluloza hoạt ựộng có mạch ngắn hơn và bị enzim Cx tiếp tục phân cắt tạo thành các ựường tan và cuối cùng thành glucoza Tác giả cho rằng vi sinh vật phát triển trên xenluloza hoà tan: Cacboxymetyl celluloza (CMC), cacboxyetyl celluloza (CEC) chỉ tạo ra Cx, trong khi ựó vi sinh vật phát triển trên celluloza có trật tự cao thì có cả C1 và Cx Khi hoạt ựộng trên xelluloza, C1 làm biến ựổi celluloza nhưng khi tách riêng thì tác dụng này không còn biểu hiện nữa Trên thực tế C1 có khả năng hạn chế việc sản sinh ựường khử từ CMC và không có khả

năng tấn công các xenluloza có trật tự [20] (Dẫn theo đào Thị Lương)

Tiếp ựó là nghiên cứu của Ericson và cộng sự ựược công bố vào năm

1985, nghiên cứu này cho ta hiểu rõ hơn về quá trình thuỷ phân xenluloza của phức hệ xenlulaza [56] Các vùng vô ựịnh hình trên bề mặt xenluloza bị endo Ờ glucanaza cắt các liên kết β- 1.4 Ờ glucozit tạo ra các ựầu mạch tự do và exo Ờ glucanaza tấn công cắt thành từng ựoạn 2 ựơn vị glucoza (xenlobioza) từ các ựầu mạch tự do ựó Kết quả tác ựộng của endo và exo Ờ glucanaza là làm xuất hiện các xenlo Ờ oligosacarit mạch ngắn, xenlobioza và glucoza Từ ựây

enzim β – glucozidaza mới bắt ñầu hoạt ñộng, chúng thuỷ phân tiếp các mạch xenlo – oligosacarit và xenlobioza thành glucoza Như vậy, cơ chế này nêu rõ ñược vai trò của từng loại enzim thành phần và giải thích ñược tác ñộng hợp ñồng giữa chúng trong quá trình thuỷ phân xenluloza

Tuy nhiên, ñến năm 1988 Kliosov và cộng sự [11] (dẫn theo Nguyễn Thị Hạnh Dung) lại cho rằng quá trình chuyển hoá xenluloza có thể xảy ra do nhiều phức hệ enzim xenlulaza, các enzim xenlulaza thành phần hoạt ñộng ở vùng nào của xenluloza, ở giai ñoạn nào của quá trình là tuỳ thuộc vào cấu trúc phân tử của cơ chất, mức ñộ polyme hoá, ñiều kiện thuỷ phân, thành phần phức hợp xenlulaza và các yếu tố khác Theo tác giả quá trình thuỷ phân xenluloza diễn ra theo sơ ñồ sau:

E1 (5) Xenluloza

ban ñầu

E1 (1)

Xenlo - oligosacarit

E2 (2) Xenlobioza

E3 (3) Glucoza E4

(4) E1 - Endoglucanaza

E2 - Xenlobiohydrolaza

E3 – Xenlobiaza E4 – Exoglucozidaza Trong ñó, ở con ñường (4) E4 là enzim xúc tác nhưng trong một số trường hợp còn có cả E1 hay E2 có khi cả hai enzim này cùng xúc tác với E4; con ñường (5) ngoài E1 còn có cả E2 cùng xúc tác

Như vậy, ñã có rất nhiều giả thuyết về quá trình phân huỷ xenluloza ñược ñặt ra nhưng nhìn chung các giả thuyết ñều có chung một quan ñiểm là dưới tác dụng của phức hệ enzim xenlulaza các phần tử xenluloza ñược phân giải, chuyển hoá ñến sản phẩm cuối cùng là glucoza; các hợp chất hữu cơ ñược phân huỷ ñến sản phẩm cuối cùng là mùn và hàng loạt các chất dinh

dưỡng quan trọng ñối với cây trồng Chính nhờ cơ chế này mà hàng vạn, hàng

tỷ tấn tàn dư hữu cơ trên trái ñất ñược giải phóng và cung cấp dưỡng chất cho cây trồng sinh trưởng, phát triển ñồng thời làm trái ñất trở nên xanh hơn, sạch hơn và ñẹp hơn

2.3.4 Vi sinh vật phân giải xenluloza

Trong tự nhiên có rất nhiều loại vi sinh vật có khả năng tiết ra một hoặc một số loại enzim là tác nhân của quá trình phân giải chuyển hoá các hợp chất hữu cơ, biến chúng từ các dạng thô xơ thành dạng mùn nhuyễn và các chất dinh dưỡng dễ hấp thụ trong ñất, từ ñó làm tăng ñộ phì nhiêu của ñất và cải thiện môi trường sống xung quanh chúng ta Từ xa xưa ñến nay loài người ñã nghiên cứu

và chứng minh ñược vai trò to lớn ñó của hệ vi sinh vật trong tự nhiên Chúng vô cùng phong phú và ña dạng, bao gồm vi khuẩn, nấm và xạ khuẩn

a) Vi khuẩn

Từ thế kỷ 19 các nhà khoa học ñã nghiên cứu và nhận thấy một số vi sinh vật kỵ khí có khả năng phân giải xenluloza Những năm ñầu thế kỷ 20 người ta phân lập ñược các vi khuẩn hiếu khí cũng có khả năng này Trong các vi khuẩn phân giải xenluloza, niêm vi khuẩn là quan trọng nhất, chúng thường có hình que nhỏ bé, hơi cong, có thành tế bào mỏng, bắt màu thuốc

nhuộm kém, chủ yếu là các giống Cytophaga, Sporocytophara và Sorangium

Niêm vi khuẩn nhận ñược năng lượng khi oxy hoá các sản phẩm của sự phân giải xenluloza thành CO2 và H2O Ngoài ra còn thấy các loài thuộc giống

Cellvibrio cũng có khả năng phân huỷ xenluloza Trong ñiều kiện kỵ khí, các

loài vi khuẩn ưa ấm hoặc ưa nhiệt thuộc giống Clostridium và Bacillus tiến

hành phân giải xenluloza Chúng phát triển yếu trên môi trường chứa ñường ñơn Khi phân giải xenluloza thành glucozsa và xenlobioza, chúng sử dụng các ñường này như nguồn năng lượng và nguồn cácbon, cũng thường kèm theo việc tạo thành các axit hữu cơ, CO2 và H2 [54]

Trong dạ cỏ của các ựộng vật nhai lại có một hệ vi sinh vật tồn tại ựể

phân giải xenluloza ựó là Ruminococcus flavefaciens, R albus, Butyrivibrio

fibrisolvens, Bacteroides succinogenes

Ngoài ra còn có Cellulomonas, Baccillus hoặc Acetobacter xylium cũng

có khả năng phân giải xenluloza rất mạnh [10]

Jeris và cộng sự [20] (theo đào Thị Lương) tìm thấy trong ựống ủ có

các loại vi khuẩn như Acteromobacter, Clostridium, Cellulomonas,

Cytophaga, Cellvibrio, Bacillus, Pseudomonas, Sorangium, Sporocytophaga

ựều có khả năng phân giải xenluloza

b) Nấm sợi

Trên thực tế, nấm sợi ựóng vai trò quan trọng hơn vi khuẩn và xạ khuẩn trong vòng tuần hoàn cacbon tự nhiên Chúng không những có thể phát triển ựược ở các ựiều kiện khắc nghiệt hơn vi khuẩn và xạ khuẩn mà còn tiết vào môi trường lượng enzim xenlulaza ngoại bào khá ựầy ựủ và hoàn chỉnh Các nấm ựược ựánh giá là có khả năng phân giải, chuyển hoá xenluloza mạnh là

Trichoderma reesei, T viride, Fusarium solani, Penicillium pinophinum, Phanerochate chrysosporium, Sporotrichum pulverulentum và Selerotium

[56] Ngoài ra, trong ựống ủ phế thải người ta còn tìm thấy các giống nấm

Myrothecium, Polypones, Rhizoctonia, Ầ

Các nấm ưa nhiệt cũng ựược chú ý vì chúng có thể tổng hợp các enzim bền nhiệt hơn, chúng sinh trưởng và phân giải nhanh xenluloza nhưng hoạt tắnh xenlulaza của dịch lọc lại thấp [21] Nấm có khả năng sinh trưởng và sản xuất xenlulaza cực ựại ở phạm vi pH = 3,5 Ờ 6,6

c) Xạ khuẩn

Xạ khuẩn là một nhóm vi sinh vật có mặt quanh năm ở tất cả các loại ựất Số lượng xạ khuẩn phụ thuộc vào loại ựất và tắnh chất của ựất Xenlulaza

của xạ khuẩn là enzim ngoại bào Waksman và ctv khi phân lập trong mùn rác thấy xạ khuẩn có mặt trong tất cả các loại ñất ở các mùa trong năm Hungater

(1946) phân lập ñược loài Micromonosopra có khả năng thuỷ phân xenluloza Ballamy (1974) nuôi cấy Theramoactinomyces trong phân bò ñể thu ñược

protein bao gồm lizin, triptophan và các axit amin chứa lưu huỳnh với hàm lượng khá cao Veigia và ctv (1983) ñã phân lập ñược 36 chủng xạ khuẩn từ bùn ở vịnh Lacoruva (Tan Ban Nha) trong ñó có 19 chủng có khả năng tổng hợp xenlulaza và sinh trưởng tốt ở môi trường chứa 3,5% NaCl (Dẫn theo Vũ

Thị Thanh Bình) [4] Theo Nguyễn Xuân Thành và ctv (2003), trong ñống ủ

phế thải rắn có chứa nhiều loại xạ khuẩn ñó là Actinomyces, Streptomyces,

Frankia, Nocardia, Actinopolyspora, Actinosynoema, Dermatophilus, Pseudonocardia , …[31]

2.4 Các phương pháp xử lý phế thải hữu cơ

Việc quản lý và xử lý chất thải hữu cơ trên thế giới mới bắt ñầu ñược quan tâm từ năm 1930 Trước ñó, do nhiều lý do mà viêc quản lý, xử lý chất thải còn manh mún và tự phát Sau chiến tranh thế giới thứ 2 nền kinh tế các nước phục hồi và phát triển, lúc bấy giờ vấn ñề xử lý phế thải mới ñược quan tâm Hiện nay trên thế giới có rất nhiều phương pháp xử lý chất thải hữu cơ

có nguồn gốc ñộng vật, thực vật Tuỳ theo ñiều kiện cụ thể mà những phương pháp ñó ñược thực hiện ở mỗi quốc gia là khác nhau Tuy nhiên, theo Nguyễn Xuân Thành (2003) [34] tựu chung cũng chỉ có 4 phương pháp chính như sau:

2.4.1 Biện pháp chôn lấp

Chôn lấp là biện pháp lưu giữ các chất thải trong một hố ñào, phía trên

có phủ một lớp ñất Sau một thời gian phế thải hữu cơ ñược chuyển hoá thành mùn, ñất có thể ñưa vào sử dụng Thực chất của phương pháp này là tạo ra môi trường yếm khí ñể hệ VSV yếm khí hoặc bán hảo khí hoạt ñộng phân giải chuyển hoá các hợp chất hữu cơ ðây là biện pháp xử lý lâu ñời, cổ ñiển và ñơn

giản nhất Qua thực nghiệm người ta ựã nhận thấy rằng tuỳ thuộc vào số dân, lượng chất thải mà người ta ựưa ra quy mô bãi chôn lấp khác nhau (bảng2.5) Nếu lượng chất thải càng lớn thì quy mô bãi chôn lấp càng lớn và thời gian tái

Lượng chất thải (tấn/năm)

Diện tắch (ha)

Thời gian tái

sử dụng (năm)

Loại vừa 100 Ờ 150 65000 10 Ờ 30 10 Ờ 30 Loại lớn 350 Ờ 1000 200000 30 Ờ 50 30 Ờ 50 Loại rất lớn > 1000 >200000 >50 > 50

Tuy nhiên, phương pháp này theo Willison và ctv (1980) [20] (dẫn theo

đào Thị Lương), Nguyễn Xuân Thành, 2003 [32] phương pháp này có những nhược ựiểm:

- đòi hỏi nhiều diện tắch ựất

- Làm giảm thể tắch phế thải ắt và thời gian xử lý lâu

- Có mùi hôi thối, sinh ra các khắ ựộc như CH4, H2S, NH3 và nước rác

rò rỉ làm ô nhiễm môi trường xung quanh và mạch nước ngầm gây ảnh hưởng ựến sức khoẻ con người, ựộng vật và cây trồng

- Chịu ảnh hưởng của thời tiết

Một số nước trên thế giới, người ta ựã xây những bể lớn hoặc lót ựáy bằng vật liệu dẻo không thấm nước, hoặc kết hợp xử lý với chế phẩm VSV như EM ựể tránh rỏ rỉ nước từ bãi chôn lấp ra vùng lân cận và xuống nước ngầm ựồng thời làm giảm mùi hôi và ựẩy nhanh quá trình phân giải phế thải Mặc dù vậy, ựây vẫn là biện pháp không thân thiện với môi trường và sức khoẻ cộng ựồng

2.4.2 Biện pháp ñốt

*) ðốt lộ thiên

ðây là biện pháp diễn ra khá phổ biến ở các nước ñang phát triển và kém phát triển, nó mang tính tự phát cao Khi lượng phế thải tồn dư với một lượng lớn mà họ không biết dùng vào mục ñích gì thì biện pháp ñốt luôn ñược

họ lựa chọn Biện pháp này không những gây ô nhiễm môi trường không khí,

là nhân tố làm tăng lượng khí nhà kính (CO2), gây ra các bệnh về ñường hô hấp và mắt mà còn làm mất ñi một lượng hữu cơ rất lớn có thể dùng ñể bón

bù trả lại cho ñất [20]

*) ðốt trong lò

Phương pháp này thường ñược áp dụng ở các nước phát triển nhưng chỉ mang tính tạm thời Biện pháp này tuy mang tính quy hoạch cao hơn nhưng cũng không tránh khỏi những nhược ñiểm của ñốt lộ thiên Ngoài ra còn rất tốn kém trong ñầu tư trang thiết bị và năng lượng

Như vậy, thiêu ñốt chỉ là phương pháp mang tính tạm thời, không thân thiện với môi trường sống và không ñem lại hiệu quả kinh tế cho chúng ta

2.4.3 Biện pháp ñổ ra sông hồ, ao ngòi và biển

ðây là hiện tượng thường xuyên xảy ra ở các vùng ven biển, sông ngòi, kênh rạch Phương pháp này dựa trên cơ sở là “khả năng tự làm sạch của môi trường nước” Tuy nhiên, trong ñiều kiện ngày nay (mật ñộ dân số/ñơn vị diện tích lớn, mức sống của người dân ñược cải thiện) lượng phế thải mà chúng ta ñưa vào môi trường ñã vượt qua khả năng tự làm sạch của nó Từ ñó,

ñã dẫn ñến hiện tượng ô nhiễm môi trường không khí và nguồn nước gây mất cân bằng hệ sinh thái nước, ảnh hưởng ñến sức khoẻ con người, ñộng vật ñồng thời tăng nguy cơ lan truyền ô nhiễm ra diện rộng Bởi vậy, ñây là biện pháp không ñược khuyến khích sử dụng

2.4.4 Biện pháp sinh học

Từ những thập kỷ cuối thế kỷ XX, công nghệ sinh học ñã có những tiến

bộ vượt bậc, những thành tựu thuộc lĩnh vực này ñã có ảnh hưởng sâu sắc ñến cuộc sống nhân loại Ngày nay, công nghệ sinh học ñã từng bước len lỏi vào rất nhiều lĩnh vực của cuộc sống con người như nông nghiệp, y tế, xây dựng, năng lượng và môi trường…và ñã khẳng ñịnh ñược vị thế của nó trong thế kỷ XXI

Trong lĩnh vực môi trường, khi phế thải hữu cơ tồn dư trên trái ñất với lượng càng ngày càng lớn, vượt xa khả năng xử lý của các phương pháp truyền thống như ñã nêu trên thì công nghệ sinh học ñã ñem lại cho chúng ta một giải pháp mang tính ưu việt cao, ñó là xử lý phế thải hữu cơ bằng biện pháp sinh học Cơ sở của phương pháp này là dựa trên ñặc tính quý báu của

hệ vi sinh vật có khả năng phân giải chuyển hoá các hợp chất hữu cơ tự nhiên (xenluloza, tinh bột, protein…) thành các dạng vật chất dễ tan, dễ tiêu, dễ hấp thụ trong cả ñiều kiện hiếu khí và kỵ khí Hiện nay, chúng ta ñã có trong tay khá nhiều kỹ thuật ñể xử lý phế thải hữu cơ theo phương pháp sinh học, ñiển hình như:

a) Phương pháp sản xuất khí sinh học (Biogas ) [6]

Phương pháp này dựa trên cơ sở hoạt ñộng phân giải các chất hữu cơ tự nhiên (xenluloza, hemixenluloza, lignin, pectin…) của hệ vi sinh vật kỵ khí Quá trình này còn ñược gọi là quá trình lên men metan, nó diễn ra qua các giai ñoạn:

- Thuỷ phân các cơ chất: Tức là các chất hữu cơ tự nhiên bị phân huỷ dưới tác ñộng của men hydrolaza do VSV tiết ra ñể hình thành các hợp chất ñơn giản hơn, có thể tan trong nước (các ñường ñơn, glyxerin, axit béo, axit amin…)

- Giai ñoạn hình thành các axit hữu cơ: Dưới tác ñộng của hệ enzim VSV các chất hữu cơ dễ tan chuyển thành các axit hữu cơ (axit axetic, axit propionic, axit putyric…), rượu etylic, rượu metylic, khí cacbonic và hydro

- Giai ñoạn hình thành metan: Là giai ñoạn quan trọng nhất của toàn bộ quá trình Nó có thể xảy ra theo các cách:

CO2 + 4H2 CH4 + H2O CH3COOH CH4 + CO2

R COOH A R1 COOH B CH3COOH C CH4 + CO2

Trong ñó A, B, C là các loại VSV khác nhau

Ưu ñiểm của phương pháp này là có thể thu ñược một loạt các chất khí có thể cháy ñược và cho nhiệt lượng cao, không gây ô nhiễm môi trường Phế thải sau khi lên men ñược chuyển hoá thành phân hữu cơ có hàm lượng dinh dưỡng cao ñể bón cho cây trồng Tuy vậy, phương pháp này

có một số nhược ñiểm:

- Khó lấy các chất thải sau lên men

- Là quá trình kỵ khí bắt buộc vì vậy việc thiết kế bể ủ rất phức tạp, tốn kém, ñòi hỏi vốn ñầu tư lớn

- Gặp nhiều khó khăn trong khâu tuyển chọn nguyên liệu

b) Phương pháp làm phân ủ

Từ xa xưa, loài người ñã biết ủ lá cây, phân gia súc thành phân hữu cơ

ñể bón cho cây trồng, mang lại hiệu quả kinh tế cao Tuy nhiên, việc sản xuất

và sử dụng phân ủ chỉ theo những kinh nghiệm dân gian, chưa có các nghiên cứu ñầy ñủ về phương pháp này Vào những năm ñầu của thế kỷ 20 nhiều nhà sinh học ñã bắt ñầu nghiên cứu những yếu tố tác ñộng vào quá trình ủ, rút ngắn thời gian và nâng cao chất lượng phân ủ như Hutchinson và Richards (1921), Golas và Cs (1950 – 1952) Từ ñó ñến nay ñã có rất nhiều công trình nghiên cứu về phương pháp ủ phân của các tác giả trên toàn thế giới Tuy nhiên, các phương pháp ñó thường chỉ tập trung xung quanh cơ chế hoạt ñộng của vi sinh vật: Các hợp chất hữu cơ dùng làm phân ủ ñược phân giải chuyển

hoá cả trong ñiều kiện hiếu khí và ñiều kiện kỵ khí Nhìn chung phương pháp

và kỹ thuật ủ ngày càng hoàn thiện, ñáp ứng nhu cầu chế biến các chất thải nông công nghiệp và sinh hoạt nhằm kiểm soát ô nhiễm môi trường và tăng thêm nguồn phân bón hữu cơ phục vụ sản xuất nông nghiệp

- Phương pháp ủ phế thải thành ñống có ñảo trộn: Phế thải ñược chất thành ñống có chiều cao từ 1,5 – 2m ñảo trộn hàng tuần Nhiệt ñộ trung bình trong quá trình ủ là 55 – 600C, ñộ ẩm duy trì từ 50 – 60%, thời gian kết thúc quy trình ủ là 4 – 5 tuần Trong quá trình ủ, các loại nấm mốc và xạ khuẩn chuyển hoá các chất hữu cơ thành mùn Phương pháp này ñơn giản dễ thực hiện nhưng mất vệ sinh, gây ô nhiễm môi trường Phương pháp này thường ñược áp dụng ở các nước châu Á như Trung Quốc, Ấn ðộ, Thái Lan, Việt Nam…

- Phương pháp ủ phế thải thành ñống không ñảo trộn có thổi khí: Phế thải ñược chất thành ñống có chiều cao 2,0 – 2,5 m, phía dưới ñống phế thải

có lắp ñặt một hệ thống phân phối khí Do có quá trình thổi khí cưỡng bức mà nhiệt ñộ trong bể ủ ñược ổn ñịnh, giúp cho hệ VSV sinh trưởng phát triển thuận lợi, các quá trình chuyển hoá diễn ra nhanh hơn, ít ô nhiễm Phương pháp này do Viện nghiên cứu Nông nghiệp thực nghiệm Belsville của Mỹ thực hiện dựa trên cở sở của các phương pháp xử lý nước thải, yêu cầu trình

ñộ công nghệ vừa phải rất thích hợp trong ñiều kiện nước ta

- Phương pháp lên men trong các thiết bị chứa: Phế thải ñược cho vào các thiết bị chứa có dung tích khác nhau ñể lên men, các vi sinh vật ñã ñược tuyển chọn bổ sung cho hệ vi sinh vật tự nhiên trong thiết bị ủ, nhờ ñó mà quá trình lên men xảy ra nhanh hơn, dễ kiểm soát và ít ô nhiễm môi trường

2.5 Các nghiên cứu xử lý phế thải hữu cơ bằng phương pháp sinh học

2.5.1 Nghiên cứu ngoài nước

Trước tình trạng ô nhiễm rác thải và phế thải ngày càng trầm trọng và

nhu cầu sản xuất phân hữu cơ cho sản xuất nông nghiệp an toàn ngày càng lớn, một số nhà khoa học môi trường và sinh học thế giới ựã bắt tay vào nghiên cứu, khai thác các nguồn hữu cơ tự nhiên có từ hoạt ựộng sản xuất nông nghiệp (trồng trọt, chăn nuôi) và từ sinh hoạt của con người hàng ngày (ăn uống, chế biếnẦ) ựể tái chế thành phân bón hữu cơ Cùng với sự góp mặt của công nghệ sinh học, hàng vạn, hàng triệu tấn phế thải hữu cơ ựã ựược xử lý tạo ra sản phẩm cuối cùng là CO2, nước và phân ủ đã có rất nhiều nghiên cứu cơ bản và chuyên sâu của các nhà khoa học thế giới, từ ựó giúp hoàn thiện và rút ngắn quá trình ủ phân ựồng thời tạo ra sản phẩm với chất lượng tốt nhất

Nghiên cứu của Gotaas [57] cho biết: nguyên liệu ựầu vào dùng làm

phân ủ cần phải có pH từ 5 - 7; trong quá trình ủ giai ựoạn ựầu pH ựạt khoảng

6, sau 2 - 4 ngày pH giảm xuống chỉ còn 4,5 - 5 do các axit hữu cơ ựược sinh

ra với lượng lớn; nhưng khi nhiệt ựộ ủ tăng cao thì pH tăng lên theo xu hướng hơi kiềm (7,5 - 8,5) Tác giả cũng cho rằng không nên bổ sung thêm tro, cacbonat hoặc vôi vào ựống ủ vì sẽ gây mất ựạm dưới dạng NH3 trong ựiều kiện pH cao

Cũng theo Gotaas [57], trong quá trình ủ hiếu khắ có mặt của vi sinh vật

sẽ xảy ra 3 trường hợp sau:

- Khi lượng cacbon trong rác có ắt thì một lượng lớn khắ NxOy và NH3

sẽ thoát ra ngoài không khắ

- Khi tỷ lệ C/N thắch hợp cho vi sinh vật sử dụng thì lượng nitơ mất ựi không ựáng kể

- Khi lượng nitơ có ắt hơn lượng cacbon thì một số vi sinh vật sẽ chết

và nitơ chứa trong tế bào của chúng sẽ ựược tái sử dụng

Lamot và Voets (1979) ựã dùng 7 vi sinh vật phân giải xenluloza

(Aspergillus sp, Penicillium sp, 2 loài Chaetomium, 1 loài Sclerotium rolfsii

và 2 loài xạ khuẩn Streptomyces) ựể phân giải xenlophan Vì xenlophan có

khá nhiều thành phần các chất bọc ngoài: 10% nitroxenluloza và clorua polivinyliden, 90% xenlophan (trong ựó có 76% xenluloza) nên cơ chất này không tan trong tất cả các dung môi hữu cơ Tác giả nhận thấy nếu ựể từng vi sinh vật tác dụng thì sự phân giải hầu như không diễn ra, do ựó phải dùng hỗn hợp vi sinh vật nói trên Tuy nhiên xenlophan cũng bị phân giải rất chậm dưới tác dụng của hỗn hợp VSV nêu trên, phải sau gần 100 ngày lên men thì chúng mới phân huỷ ựược 85% xenlophan Sản phẩm cuối cùng là 30% protein, 60% ựường hoà tan ựược dùng làm phân bón.[61]

Harper và Lynch (1984) ựã nuôi hỗn hợp 2 chủng là Trichodecma

harzianum (phân giải xenluloza) và Clostridium butiricum (cố ựịnh nitơ)

nhằm làm tăng khả năng phân giải xenluloza, thành phần chắnh trong phế thải

hữu cơ [59]

Waskman, 1939 ựã khẳng ựịnh một khối lượng lớn hợp chất hữu cơ ựược phân huỷ khi nhiệt ựộ ựạt 650C trong quá trình ủ phân từ nguyên liệu phân chuồng và rơm rạ đến năm 1977, nghiên cứu của Finstein và cs ựã làm

rõ hơn vấn ựề này, tác giả cho rằng nấm và vi khuẩn sinh axit xuất hiện ở giai ựoạn nhiệt ựộ 25 - 300C, làm tăng nhiệt ựộ ựống ủ tạo ựiều kiện cho VSV ưa nhiệt phát triển ựồng thời sinh ra enzim phân huỷ phần lớn protein và hydrocacbon dễ phân giải; khi nhiệt ựộ tăng hơn 400C chúng ựược thay thế bởi nấm, vi khuẩn và xạ khuẩn ưa nhiệt, những VSV này làm chức năng phân huỷ các hợp chất khó phân giải hơn như Hemi - xenluloza, xenluloza; sau cùng nấm và vi khuẩn ưa ấm xuất hiện khi nhiệt ựộ hạ xuống (dẫn theo đào Thị Lương) [20]

Từ các nghiên cứu chuyên sâu nêu trên và từ rất nhiều nghiên cứu khác

mà trên thế giới ựã có khá nhiều loại chế phẩm xenlulaza dùng trong xử lý môi trường và sản xuất phân bón sinh học [11] (dẫn theo Nguyễn Thị Hạnh Dung) như: