Khóa luận phân lập và tuyển chọn các chủng vi khuẩn có khả năng sinh enzym xellulaza và thử nghiệm xử lí rơm thành cơ chất hữu cơ

Vì vậy, để tăng cường khảnăng phân giải rơm thành các hợp chất hữu cơ cây trồng có khả năng hấp thu được, chúng tôi tiến hành thực hiện đề tài: “ Phân lập và tuyển chọn các chủng vi khuẩ

Cuối cùng, xin gửi lời cảm ơn đến bạn bè và gia đình đã ko ngừng giúp

đỡ và chia sẻ động viên tôi vượt qua khó khăn trong quá trình học tập và thựchiện khóa luận

Hà Nội, ngày tháng năm

Sinh viên

Nguyễn Việt Lâm

MỤC LỤC

MỞ ĐẦU 1

TỔNG QUAN TÀI LIỆU 3

I Hiện trạng và những hạn chế trong việc sử dụng rơm rạ trên thế giới và Việt Nam: 3

1 Hiện trạng: 3

2 Hạn chế: 5

3 Một số sản phẩm đang được sử dụng để xử lý rơm rạ như: 5

4 Hướng giải quyết: 6

II Tình hình nghiên cứu trong và ngoài nước về xử lý phế phụ phẩm nông nghiệp: 8

1 Tình hình nghiên cứu ngoài nước về xử lý phế phụ phẩm nông nghiệp: .8

2 Tình hình nghiên cứu trong nước về xử lý phế phụ phẩm nông nghiệp .9

2.1 Công nghệ xử lý phụ phẩm nông nghiệp (rơm rạ) thành cơ chất để sản xuất phân bón: 10

2.2 Công nghệ sản xuất than sinh học (THS) từ rơm rạ: 11

2.3 Công nghệ chế biến phụ phẩm nông nghiệp (rơm rạ) làm thức ăn dự trữ cho chăn nuôi: 13

2.4 Công nghệ xử lý nhanh rơm rạ để sản xuất nấm: 15

2.5 Nghiên cứu công nghệ vùi rơm rạ sau thu hoạch và bổ sung chế phẩm

vi sinh vật: 16

2.6 Nghiên cứu phương pháp đột biến và ADN tái tổ hợp nhằm tăng cường hoạt tính phân hủy cenlulo, kích thích sinh trưởng, cố định nitơ, phân giải lân của một số chủng vi sinh vật: 18

2.7 Sử dụng composit để sản xuất một số vật liệu gia dụng và xây dựng từ rơm, rạ và trấu 19

2.8 Nghiên cứu ứng dụng công nghệ vi sinh để sản xuất biogas từ rơm rạ: .19

2.9 Nghiên cứu công nghệ sản xuất cồn và một số nguyên liệu sử dụng cho công nghiệp hóa dược từ rơm rạ: 20

III Sơ lược về xenluloza và sự phân giải xenluloza: 21

1 Cấu trúc và đặc tính của xenluloza: 21

2 Hemixenluloza: 23

3 Lignin: 23

4 Lignin-xenluloza tự nhiên là một cơ chất khó phân hủy: 24

5 Sự phân giải xenluloza: 25

5.1 Enzym xenlulaza: 25

5.2 Cơ chế của sự phân giải xenluloza: 26

5.3 Ứng dụng của enzym xenlulaza: 27

6 Vi sinh vật phân giải xenluloza: 29

6.1 Xạ khuẩn: 29

6.2 Vi khuẩn: 30

6.3 Nấm: 30

VẬT LIỆU VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 32

I Vật liệu: 32

II Phương pháp nghiên cứu: 33

1.Thu nhận mẫu: 33

2 Phương pháp giữ giống: 34

3 Phương pháp xác định hoạt lực enzym ngoại bào bằng phương phápkhuếch tán trên thạch: 34

4 Phương pháp nghiên cứu ảnh hưởng của điều kiện nuôi cấy lên sinhtrưởng, phát triển và sinh tổng hợp enzym của vi sinh vật: 34

5 Khảo sát các yếu tố ảnh hưởng đến hoạt tính của enzym thô thu được từcác chủng đã phân lập: 35

KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 36

1 Phân lập và tuyển chọn các chủng vi sinh vật ưa nhiệt có khả năng sinh tổnghợp xenlulaza: 36

2 Nghiên cứu một số đặc điểm sinh học của 2 chủng vi sinh vật đã lựa chọn:39

3 Kết quả nghiên cứu điều kiện hoạt động của enzyme xellulaza do hai chủng

vi khuẩn Prevotella 342 và Bacillus B3 sản xuất 40

PHỤ LỤC 48

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 54

TÀI LIỆU THAM KHẢO

MỞ ĐẦU

Theo dự báo mới nhất của Tổ chức nông lương Quốc tế (FAO) về sảnlượng lúa thế giới năm 2010 có khả năng đạt 689 triệu tấn (các nước Châu Á sảnxuất 623 triệu tấn) Như vậy sẽ có một lượng rơm rạ khoảng 827 triệu tấn và 138triệu tấn trấu Theo dự báo của Bộ NN&PTNT thì tổng sản lượng lúa của VNnăm 2010 (tăng 7,2%) đạt mức 38,6 triệu tấn, tương đương có 46,3 triệu tấnrơm rạ và 7,7 – 8,0 triệu tấn trấu Lượng phế thải này, nếu được chế biến và xử

lý hợp lý sẽ là nguồn dinh dưỡng cung cấp trở lại cho cây trồng và vật nuôi Tuynhiên, một trong các thành phần chính của rơm, rạ là lignoxenluloza (37,4%) vàhemixenluloza (44,9%) lại là các thành phần khó phân hủy

Vài năm trở lại đây, tình trạng đốt rơm, rạ diễn ra ngày càng phổ biến saumùa gặt, gây ra những ảnh hưởng tiêu cực không nhỏ đến môi trường và sứckhỏe của người dân (1) Việc đốt rơm, rạ không những lãng phí nguồn nhiênnguyên liệu mà còn gây ô nhiễm môi trường, mất an toàn giao thông Theo cácnhà y học, khói bụi khi đốt rơm, rạ làm ô nhiễm không khí, gây tác hại lớn đốivới sức khỏe con người Trẻ em, người già, và người có bệnh hô hấp, bệnh mạntính, dễ bị ảnh hưởng nhất Người ta đã xác định được thành phần các chất gây ônhiễm không khí do đốt rơm, rạ, tác động đến sức khỏe con người làhydrocacbon thơm đa vòng (viết tắt là PAH); dibenzo-p-dioxin clo hóa(PCDDs), và dibenzofuran clo hóa (PCDFs), là các dẫn xuất của dioxin rất độchại, có thể là tiềm ẩn gây ung thư (2)

Bên cạnh đó, việc đốt rơm, rạ trực tiếp ngay trên đồng ruộng gây bất lợicho đồng ruộng lớn hơn nhiều lần so với việc làm phân bón như ta tưởng Cácchất hữu cơ trong rơm rạ và trong đất biến thành các chất vô cơ do nhiệt độ cao

Đồng ruộng bị khô, chai cứng, một lượng lớn nước bị bốc hơi do nhiệt độ hunđốt trong quá trình cháy rơm, rạ Quá trình đốt rơm, rạ ngoài trời không kiểmsoát được, lượng dioxit cacbon CO2, phát thải vào khí quyển cùng với cacbonmonoxit CO; khí metan CH4; các oxit nitơ NOx; và một ít dioxit sunfua SO2.

Do những tác hại của việc đốt rơm rạ, việc tìm ra phương pháp xử lí phếliệu rơm rạ trong nông nghiệp trở lên rất bức thiết Nhưng vấn đề đặt ra là rấtkhó khăn khi phân hủy rơm do thành phần chính của rơm là xelluloza và cáchợp chất của xelluloza là các chất khó bị phân hủy Vì vậy, để tăng cường khảnăng phân giải rơm thành các hợp chất hữu cơ cây trồng có khả năng hấp thu

được, chúng tôi tiến hành thực hiện đề tài: “ Phân lập và tuyển chọn các chủng vi khuẩn có khả năng sinh enzym xellulaza và thử nghiệm xử lí rơm thành cơ chất hữu cơ”

Mục đích của đề tài:

Phân lập và tuyển chọn được các chủng vi khuẩn có khả năng sản sinhenzym xelluloza và các hợp chất của xelluloza trong rơm rạ thành cơ chất hữu

cơ sử dụng cho cây trồng

Nội dung nghiên cứu:

- Phân lập và tuyển chọn một số chủng vi sinh vật có khả năng phân giảihợp chất celluloza;

- Nghiên cứu một số đặc điểm của các chủng vi sinh vật được tuyển chọn;

- Nghiên cứu một số đặc tính của enzyme celluloza do các chủng vi sinhtuyển chọn sản sinh;

- Thử nghiệm khả năng phân giải rơm của các chủng vi khuẩn tuyển chọn

Phần II

TỔNG QUAN TÀI LIỆU

I Hiện trạng và những hạn chế trong việc sử dụng rơm rạ trên thế giới

và Việt Nam:

1 Hiện trạng:

Theo dự báo mới nhất của Tổ chức nông lương Quốc tế (FAO) về sảnlượng lúa thế giới năm 2010 có khả năng đạt 689 triệu tấn (các nước Châu Á sảnxuất 623 triệu tấn) Như vậy sẽ có một lượng rơm rạ khoảng 827 triệu tấn và 138triệu tấn trấu

Theo dự báo của Bộ NN&PTNT thì tổng sản lượng lúa của VN năm 2010(tăng 7,2%) đạt mức 38,6 triệu tấn (tương đương có 46,3 triệu tấn rơm rạ và 7,7– 8,0 triệu tấn trấu)

Các loại phế phụ phẩm như rơm rạ, trấu rất có ích cho đất trồng Trongthân và lá lúa vào thời kỳ lúa chín chứa 40% tổng lượng nitơ, 80-85% tổnglượng kali, 30-35% tổng lượng photpho, 40-45% tổng lượng lưu huỳnh trongtổng chất khô của cây lúa Rơm rạ, trấu còn là nguồn cung cấp kali, silic, kẽmquan trọng cho cây trồng

Đây là lượng hữu cơ vô cùng quan trọng cần thiết phải được xử lý và trả lạicho đất Nếu không làm tốt công việc này hàng năm thì vô hình chung chúng ta

đã lấy đi một lượng lớn chất hữu cơ từ đất mà khó có thể bù đắp lại dù bằng mọibiện pháp nào Dần dần năm này qua năm khác đất trở nên nghèo kiệt chất hữu

cơ Hơn nữa, người nông dân thường sử đạm hóa học để chăm sóc cấy trồng, tuy

hiệu quả kinh tế là khá rõ rệt, nhưng ngược lại chính những hóa chất này đã làmcho đất ngày càng trở nên cằn cỗi Nhiều thí nghiệm dài hạn ở Philippine chothấy năng suất lúa giảm dần sau nhiều năm canh tác do việc cung cấp đạm củađất không hiệu quả.

Trước kia rơm rạ, trấu dư thừa thường được đốt trực tiếp tại đồng ruộng;cách xử lý này phổ biến ở nước ta và các nước như Australia, Pháp, Malaysia,Myanma, Thái Lan… Cách làm này gây ảnh hưởng rất xấu đến môi trường, lãngphí nguồn nguyên liệu hữu cơ có giá trị và làm gia tăng hiệu ứng nhà kính Tại

Ấn Độ, nhà nước khuyến cáo nông dân không nên đốt rơm rạ gây ô nhiễm môitrường Tổ chức Rice-wheat consortium for Indo-Gangatic plains (2003) đãkhuyến cáo rằng nếu cả đồng bằng sông Hằng của Ấn Độ, với diện tích trồng lúa

là 12 triệu ha, nếu tất cả nông dân đều đốt rơm rạ thì sẽ giải phóng vào bầu khíquyển 2.000 tấn khí N2O Tại Mỹ, người ta đã ban hành luật cấm đốt rơm rạ trênruộng lúa nhằm bảo vệ môi trường

Ở Việt Nam, tại nhiều địa phương việc đốt rơm rạ đã trở thành thói quen vàthường xuyên diễn ra ngay sau mùa thu hoạch, bụi khói trong quá trình đốt đãảnh hưởng rất lớn đến các khu vực và các trung tâm đô thị lớn do khói bụi cósức lan tỏa nhanh trong không trung, gây nên những bệnh về đường hô hấp chocon người, làm giảm tầm nhìn của người tham gia giao thông, hậu quả còn cóthể gây ra những tai nạn giao thông đáng tiếc, nhiều vùng ngập lụt, rơm rạ bịphân hủy trong tình trạng yếm khí đã sản sinh nhiều chất độc hại như H2S,

CH4 thải vào môi trường

Sản phẩm của quá trình đốt chủ yếu là CO2 và hơi nước, sự phát thải khí

CO2 trong quá trình đốt sẽ gây nên hiệu ứng nhà kính và sự nóng nên của tráiđất, vấn đề mà cả thế giới đang quan tâm Thực tế tại các tỉnh đồng bằng sôngCửu Long, hiện tượng vỏ trấu và rơm rạ sau thu hoạch không được xử lý và pháttán tự do đã gây nên ô nhiễm nguồn nước và làm tắc nghẽn các hệ thống kênh

tưới, kênh tiêu… và hàng năm phải bỏ ra một lượng kinh phí không nhỏ để dọndẹp và nạo vét kênh mương.

Với 46,3 triệu tấn rơm rạ và 7,7 – 8,0 triệu tấn trấu, nhưng thực tế số lượngrơm, rạ chỉ có thể thu hồi được khoảng 50% (phần còn lại ở tại ruộng), tức làkhoảng 23 triệu tấn - trong đó sử dụng cho trồng nấm khoảng 3 triệu tấn, nhưvậy còn khoảng 20 triệu tấn rơm rạ và 7,0-8,0 triệu tấn vỏ trấu/năm Đó là mộtkhối lượng vô cùng lớn, nếu không có những biện pháp hữu hiệu thì sẽ rất lãngphí một nguồn hữu cơ quan trọng

2 Hạn chế:

Chưa có những nghiên cứu sâu về sự ảnh hưởng của các điều kiện kinh tế

xã hội… đến tập quán xử lý rơm rạ dưới các hình thức và quy mô khác nhau ởtừng vùng sinh thái

Trình độ hiểu biết của người dân về tác hại của việc đốt rơm rạ còn nhiềuhạn chế

Giá trị của rơm rạ sau khi được xử lý tạo thành các sản phẩm có giá trịtrong nông nghiệp ít được các cấp chính quyền và người dân quan tâm Chưa có một giải pháp xử lý tổng hợp, nhanh, triệt để và hiệu quả cao, kỹthuật, quy mô còn chưa phù hợp với từng loại phế thải nông nghiệp và điều kiện

cụ thể ở các địa phương

Chưa có một dự án KHCN tổng thể mang tầm cỡ Quốc gia có tính liênViện nghiên cứu, tập hợp nhiều nhà nghiên cứu về đất, vi sinh vật, công nghệsinh học và phân bón để cùng giải quyết vấn đề rất bức xúc về xử lý phế thảinông nghiệp hiện nay, đặc biệt là rơm rạ và trấu

3 Một số sản phẩm đang được sử dụng để xử lý rơm rạ như:

- Vixura, để xử lý 1 tấn rơm cần khoảng 10 kg chế phẩm và ủ trongthời gian là 25-30 ngày.

- EMUNIV để xử lý 1 tấn rơm cần khoảng 500g chế phẩm và ủ trongthời gian là 45-50 ngày

Với một sản phẩm để xử lý rơm rạ trong một thời gian như trên là quá dài

để có thể quay vòng nhanh rơm rạ thành phân bón hiệu quả, do đó chưa đáp ứngđược tình hình thực tế của Việt Nam

4 Hướng giải quyết:

Trong tự nhiên rơm rạ bị phân hủy rất lâu, vì tại từng địa điểm, thời gian,không gian khác nhau thì khả năng phân hủy chất hữu cơ của vi sinh vật trong tựnhiên cũng khác nhau Do vậy, cần phải có một công nghệ để khắc phục nhữngnhược điểm trên, tức là: không phụ thuộc vào địa điểm, thời gian và không gian

mà chất hữu cơ vẫn được phân hủy nhanh theo ý muốn của con người, côngnghệ đó chính là công nghệ vi sinh, nhằm tuyển chọn được các chủng vi sinh vật

có khả năng phân hủy lignoxenluloza (chất khó phân giải và chủ yếu trong thànhphần của rơm rạ) cực nhanh, hiệu quả cao Do vậy, việc nghiên cứu tuyển chọncác chủng vi sinh vật có khả năng chuyển hóa nhanh và hiệu quả hợp chấtlignoxenluloza để sử dụng trong xử lý rơm rạ, nhằm rút ngắn đáng kể thời gian

xử lý (khoảng 12-15 ngày), nâng cao chất lượng mùn rác và đảm bảo thời gianxen kẽ giữa 2 vụ lúa là rất cần thiết và cấp bách Đây là một trở ngại lớn nhấthiện nay trong việc xử lý phế thải nông nghiệp

Cần có những nghiên cứu sâu và toàn diện hơn nữa để sử dụng mùn ráclàm phân hữu cơ vi sinh Phân lập, tuyển chọn và bổ sung các chủng vi sinh vật

có các hoạt tính sinh học có lợi như: kích thích sinh trưởng cây trồng, có khảnăng phân giải lân, cố định nitơ và các chất dinh dưỡng khoáng đa lượng, trunglượng, vi lượng để nâng cao chất lượng phân hữu cơ chế biến

Sử dụng phương pháp đột biến và ADN tái tổ hợp nhằm tăng cường hoạtlực phân hủy lignoxenluloza, kích thích sinh trưởng, cố định nitơ, phân giải lâncủa một số chủng vi sinh vật để ứng dụng trong sản xuất chế phẩm sinh học.

Sử dụng công nghệ vi sinh (bổ sung các chủng vi khuẩn lactic, probiotic)

để chế biến rơm thành thức ăn chăn nuôi dự trữ có chất lượng cao, nghiên cứubiện pháp bảo quản trong thời gian dài, phục vụ chăn nuôi gia súc vào mùa đôngkhi mà nguồn thức ăn tươi không đủ cung cấp

Nghiên cứu một số quy trình công nghệ sản xuất than sinh học từ rơm rạ vàcác giải pháp sử dụng để cải tạo đất, tăng năng suất cây trồng và giảm thiểu ônhiễm môi trường

Sử dụng công nghệ vi sinh chế biến nhanh rơm rạ để sản xuất nấm ăn chấtlượng cao và sử dụng bã nuôi trồng nấm sản xuất phân bón hữu cơ

Nghiên cứu các biện pháp vùi rơm rạ kết hợp bổ sung chế phẩm vi sinh(gồm các chủng vi sinh vật hiếu khí hoặc yếm khí) có khả năng phân hủy nhanhcenlulo để trả lại nguồn hữu cơ cho đất

Ứng dụng công nghệ Composit để sản xuất một số vật liệu xây dựng từrơm, rạ và trấu

Nghiên cứu công nghệ sản xuất biogas từ phế phụ phẩm nông nghiệp (rơmrạ)

Nghiên cứu sản xuất cồn và một số nguyên liệu sử dụng cho công nghiệphóa dược, mỹ phẩm từ rơm rạ

Đề xuất, lựa chọn các phương pháp, quy mô xử lý nhanh rơm rạ thànhnhững sản phẩm có giá trị phù hợp với các vùng sinh thái Việt Nam

Tổ chức các lớp đào tạo, tập huấn về xử lý nhanh rơm rạ thành các sảnphẩm có giá trị trong nông nghiệp cho các cán bộ địa phương và người dânnhằm nâng cao trình độ kỹ thuật.

II Tình hình nghiên cứu trong và ngoài nước về xử lý phế phụ phẩm nông nghiệp:

1 Tình hình nghiên cứu ngoài nước về xử lý phế phụ phẩm nông nghiệp:

Đã có nhiều biện pháp xử lý phế thải nông nghiệp như đốt, chôn lấp, ủphân compost Ở Australia, Pháp, Indonesia, Malaysia, Miến Điện, Philippine,Tây Ban Nha và Thái Lan, rơm rạ và vỏ trấu thường được đem đốt Các nước

Mỹ, Đức, Italia đã xử lý bằng cách chôn vùi chiếm 60-80% rác thải nôngnghiệp Nhiều nghiên cứu cho thấy vùi rơm rạ vào đất trồng lúa đã làm năngsuất lúa tăng 5-7% so với công thức đốt rơm rạ thành tro bón Trung Quốc tậndụng rơm rạ để sản xuất biogas Thái Lan và Indonesia là những quốc gia ở khuvực Đông Nam Á sớm nghiên cứu đưa rơm rạ vào sản xuất điện

Bên cạnh việc sử dụng nguồn rác thải nông nghiệp để làm nhiên liệu (baogồm cả việc đốt trực tiếp lấy nhiệt, đốt lấy nhiệt để chạy các tuôcbin phát điệnhay để nuôi nấm mốc sản sinh etanol, sản xuất nhựa sinh học), để nuôi trồngthủy sản (trộn vào cùng thức ăn nuôi cá), để làm các vật liệu của công nghiệpsản xuất đồ gốm, sản xuất các vật liệu hấp phụ dùng trong xử lý nước thải, sảnxuất silic công nghiệp, đa số lượng rác thải còn lại được đốt bỏ không sử dụng

Từ sau Nghị định thư Kyoto, nhiều quốc gia trên thế giới bao gồm Brazil, Mỹ vàliên minh Châu Âu đã đầu tư vào nghiên cứu sản xuất cồn sinh học và cácnguyên liệu sinh học từ các phế thải công nông nghiệp như bã mía, rơm rạ, bộtgiấy Đây là giải pháp có lợi nhiều mặt: (1) đáp ứng được nhu cầu về nhiên liệukhi nguồn nguyên liệu hóa thạch cạn kiệt; (2) giảm khí hiệu ứng nhà kính do

không phải đốt các phế thải nông nghiệp và nguyên liệu hóa thạch; (3) tạo đượcnhiều sản phẩm cho dược phẩm có giá trị.

Xử lý các phế phụ phẩm nông nghiệp bằng biện pháp hóa học, sử dụngammonia (urê) đã được quan tâm nghiên cứu từ lâu ở Bangladesh (1981) và cácnước Đông Nam Á trong những năm gần đây Phương pháp này có thể áp dụngcho các nông trại nhỏ Tuy nhiên sự ủng hộ từ nông dân đã không được nhưmong đợi Gần đây công nghệ này cũng đã được áp dụng ở Trung Quốc

Trung Quốc là nước sản xuất gạo lớn nhất thế giới, mỗi năm tạo ra hơn 500triệu tấn rơm rạ sau thu hoạch Rơm rạ thường được đem đốt và như vậy đã làmtăng ô nhiễm và phát thải CO2 Vì vậy nghiên cứu xử lý rơm rạ thành nguồnthức ăn cho gia súc, nuôi trồng nấm đã được đầu tư từ lâu, bởi vì sử dụng phụphẩm nông nghiệp để cung cấp thức ăn cho gia súc, phân gia súc sau đó lại được

sử dụng làm phân hữu cơ bón ruộng, đất đai được cải thiện dinh dưỡng, do đó

mà năng suất cây trồng cũng tăng lên, đem lại lợi nhuận cho người nông dân,cũng như trong việc bảo vệ môi trường Nhiều công nghệ đã được áp dụng thànhcông trong xử lý rơm rạ bao gồm xử lý bằng vật lý, hóa học và vi sinh

Ở nhiều nước như Nhật, Pháp, Hà Lan, Trung Quốc nuôi trồng nấm từ phếthải của ngành nông nghiệp như rơm rạ, mùn cưa, bông phế thải, bã mía, thân lángô đã được chú trọng từ lâu bởi hiệu quả kinh tế từ nghề nuôi trồng nấm đemlại, nguồn nguyên liệu ít bị cạnh tranh với các ngành sản xuất khác, đồng thờigiảm thiểu ô nhiễm môi trường Nguồn bã thải nuôi trồng nấm sau đó lại được

sử dụng để sản xuất phân bón hữu cơ Hà Lan và Đài Loan là hai nước đã chếbiến và xuất khẩu phân hữu cơ từ bã nấm Trồng nấm đã trở thành một ngànhcông nghiệp thực phẩm lớn được cơ giới hóa toàn bộ từ khâu xử lý nguyên liệuđến thu hái, nên năng suất và sản lượng rất cao

2 Tình hình nghiên cứu trong nước về xử lý phế phụ phẩm nông nghiệp

2.1 Công nghệ xử lý phụ phẩm nông nghiệp (rơm rạ) thành cơ chất để sản xuất phân bón:

Hiện nay nguồn rác thải trong nông nghiệp cũng đã được xử lý bằngphương pháp sinh học, sử dụng công nghệ vi sinh có điều khiển, song thời gian

xử lý còn dài (25-50 ngày - tùy thuộc loại sản phẩm), chất lượng mùn tạo ra cònthấp Do đó, cần phải có những chế phẩm vi sinh xử lý hiệu quả rơm rạ, rút ngắnthời gian (khoảng 12-15 ngày), đây là việc làm rất cần thiết và cấp bách, đápứng nhu cầu thực tế của nông nghiệp Việt Nam

Trong các biện pháp xử lý và tái sử dụng rác thải thì biện pháp ủ hiếu khí(aerobic composting) được quan tâm nhiều nhất, biện pháp này không những rútngắn thời gian ủ mà còn nâng cao chất lượng mùn rác và các vi sinh vật gâybệnh cũng như vi sinh vật sinh các chất độc không thể phát triển được

Bản chất của quá trình phân hủy là chất thải hữu cơ được vi sinh vật có sẵntrong rác thải và vi sinh vật bổ sung vào quá trình xử lý đã phân giải chất hữu cơ

để tạo thành các chất nhỏ hơn, sinh nhiệt cao, sản phẩm chính cuối cùng là mùn(humus) Quá trình diễn ra càng nhanh, thì lượng nhiệt sinh ra càng lớn Do vậy,người ta đã đưa ra khái niệm cho quá trình ủ rác là “càng nóng, càng tốt” Dovậy, việc tuyển chọn các chủng vi sinh vật sử dụng trong ủ rác không nhữngphải có hoạt tính phân giải xenluloza cao, mà còn phải chịu được nhiệt độ caocủa đống ủ

Việc sử dụng vi sinh vật có hoạt tính phân giải hợp chất ligno-xenluloza để

xử lý phế thải nông nghiệp không những giúp chúng ta giải quyết được vấn đề ônhiễm môi trường mà còn tận dụng được nguồn cacbon dồi dào này

Về công nghệ ủ rác, người ta cũng đưa ra nhiều loại mô hình khác nhau, cóloại cho rác vườn, có loại cho rác sinh hoạt, có loại cho rác thải nông nghiệp,cũng như các qui mô xử lý khác nhau Dựa vào phương thức cung cấp oxy vào

bể ủ rác thải có thể chia thành hai phương pháp ủ hiếu khí: lên men tự nhiên cóđảo trộn và lên men có thổi khí cưỡng bức.

Từ chỗ compost chỉ sản xuất bằng phương pháp thủ công truyền thốngphục vụ cho sản xuất nông lâm nghiệp, chưa thành sản phẩm bán trên thị trườngnhư phân hoá học, cho đến nay ở nhiều nước trên thế giới như Nhật Bản, HànQuốc, Đài Loan compost đã trở thành sản phẩm bán rộng trên thị trường, vớiquy mô sản xuất công nghiệp Sản xuất và sử dụng compost đã phổ biến rộng rãitrên thế giới Tuy vậy, ở một số nước vẫn nổi lên một số vấn đề như: Chất lượngthấp, lượng phân sử dụng lớn trên một đơn vị diện tích từ đó dẫn đến mức đầu tưcao

2.2 Công nghệ sản xuất than sinh học (THS) từ rơm rạ:

Vấn đề sử dụng TSH cho sản xuất nông nghiệp được đề cập lần đầu tiênvào những năm 1870 khi một số nhà khoa học, địa lý người Anh (James Orton,Charles Hartt, và Herbert Smith…) khi thám hiểm Nam Mỹ đã phát hiện ra mộtloại “đất đen” ở lưu vực sông Amazon với thành phần chất hữu cơ khá lớn, tầngđất mặt màu đen, có độ dày lên đến 60cm Ngoài ra, các nhà khoa học còn pháthiện ra cách thức sử dụng nó như vật liệu bón cho đất của dân cư bản địa Đếnnăm 1966, nhà khoa học đất Wim Sombroek (Hà Lan) đã gọi loại đất đen này là

“terra preta”, lấy tên theo địa danh của Brazil nơi phát hiện loại “đất đen” màu

mỡ này Như vậy, việc sử dụng than sinh học để cải tạo đất bắt đầu khoảng 2500năm trước đây (năm 450 trước CN) khi chính thổ dân Indians đã “tạo ra” thansinh học và bón cho cây trồng

Từ hàng nghìn năm trước, tại các quốc gia châu Á có nền văn minh lúanước, tro và than của rơm rạ đốt sau khi thu hoạch được coi là một trong nhữngnguồn “phân bón” phổ biến nhất bổ sung cho đất Loại “phân” này thực sự cầnthiết đối với tất cả các loại cây trồng Tro và than từ rơm rạ trộn với phân tươidùng ủ phân hữu cơ giúp giảm sự thất thoát chất dinh dưỡng của phân, đồng thời

khử được các VK có hại Than rơm rạ cung cấp lượng kali và giúp pH đất tăngđáng kể so với than gỗ Ngoài ra, việc sử dụng rơm rạ làm than hoạt tính giúplàm tận diện đáng kể các sâu bệnh gây hại cho cây trồng

Trong hầu hết các môi trường nhiệt đới, đất đai cho sản xuất nông nghiệpđang phải đối mặt với một hạn chế lớn là hàm lượng dinh dưỡng thấp và tốc độkhoáng hóa nhanh của chất hữu cơ đất và suy thoái đất Đất bị suy thoái (nghèohữu cơ, mất cấu trúc, khô hạn vv ) dẫn đến khả năng hấp phụ và trao đổi cationcủa đất thấp, trong điều kiện như vậy hiệu lực của các loại phân bón thường thấp

và hiệu quả sản xuất sẽ không đạt như mong muốn Hiện nay loại hình sử dụngđất phổ biến trên vùng đất dốc nhiệt đới là canh tác quảng canh truyền thống

“đốt nương làm rẫy”, tàn dư cây trồng thường được đốt và tro thường được trảlại cho đất như một dạng dinh dưỡng bổ sung Lượng dinh dưỡng bổ sung nàyđem lại hiệu quả tích cực cho độ phì đất nhưng chỉ trong một thời gian ngắn.Hơn nữa hậu quả của việc đốt tàn dư cây trồng sẽ thải ra một lượng lớn khí hiệuứng nhà kính CO2; CO và NOx v…v nguyên nhân đóng góp vào quá trìnhnóng lên toàn cầu và biến đổi khí hậu

Than sinh học được sản xuất từ quá trình phân hủy nhiệt các vật chất hữu

cơ tự nhiên như phế phụ phẩm cây trồng, chất phế thải chăn nuôi, rác sinh hoạt,phế thải của công nghiệp giấy, chế biến gỗ… trong điều kiện hạn chế oxy vàđược gọi là nhiệt phân Các sản phẩm của quá trình nhiệt phân bao gồm: (1) -Chất khí: Carbon monoxide, carbon dioxide, hydrogen, methane vv với lượngnhiệt rất lớn có thể tận dụng nguồn nhiệt này để tạo ra điện năng; (2) - Chấtlỏng: dầu sinh học có chứa nhiều nhóm chất oxy hóa; (3) - Chất rắn: các sảnphẩm có hàm lượng C cao (than sinh học) Ngày nay trên thế giới có rất nhiềugiải pháp công nghệ để tạo ra nguồn than sinh học phục vụ sản suất nông nghiệp

và các ngành khác như y tế, khoa học môi trường v v (3)

Những kết quả nghiên cứu trên cho thấy TSH có thể coi như một nguồnnguyên vật liệu hỗ trợ cho nông nghiệp hữu cơ bền vững bởi những ưu điểmsau: TSH có hàm lượng dinh dưỡng cao; khả năng giữ nước và dinh dưỡng caogiúp giảm sự rửa trôi chất dinh dưỡng (thông qua qúa trình cố định vật lý vàocác khe nhỏ của các vật liệu carbon); giúp tăng dung tích hấp thu (CEC) của đất,giải phóng từ từ chất dinh dưỡng cho cho cây trồng (thông qua sự khoáng hóasinh học chậm); TSH còn làm tăng pH đất, tạo môi trường lý tưởng cho VSV cốđịnh đạm và động vật đất phát triển Ngoài ra sự cố định cacbon của than sẽgiảm thiểu phát thải CO2 vào không khí và là một trong các giải pháp hữu hiệulàm giảm sự nóng nên của trái đất và biến đổi khí hậu.

Tuy nhiên thực tế ở Việt nam, việc nghiên cứu sản xuất TSH chưa đượcđầu tư thích đáng, cụ thể: chưa có công nghệ và mô hình phù hợp để sản xuấtTSH có hiệu quả, chưa có khuyến cáo, hướng dẫn sử dụng TSH hợp lý, chưahiểu hết những tác dụng mà TSH mang lại Do đó, cần phải có những nghiêncứu công phu, từ đúc rút kinh nghiệm và sáng tạo nhằm đưa ra công nghệ sảnxuất TSH phù hợp, hiệu quả từ rơm rạ và trấu, để giải quyết tốt vấn đề rơm rạhiện nay trong cả nước

2.3 Công nghệ chế biến phụ phẩm nông nghiệp (rơm rạ) làm thức ăn

dự trữ cho chăn nuôi:

Ở hầu hết các nước đang phát triển các nguồn thức ăn cho gia súc chủ yếu

là phụ phẩm sau thu hoạch đặc biệt là rơm của cây ngũ cốc Do đó, việc nângcao chất lượng của rơm là nhiệm vụ trọng tâm trong chiến lược để nâng cao chấtlượng thức ăn chăn nuôi Trong suốt hai thập kỷ vừa qua các nhà khoa học đãquan tâm nhiều đến việc xử lý rơm bằng biện pháp hóa và lý học Nhiều loại hóachất đã được sử dụng để chuyển hóa các hợp chất khó tiêu (xenlulo, hemicenlulo

và lignin) thành dạng dễ tiêu (đường glucoza) Tuy nhiên, có ba loại hóa chấtđược sử dụng nhiều trong các nghiên cứu là hydroxit Natri (NaOH), ammonia

(NH3), và hydroxit Canxi (CaOH) Các kết quả về áp dụng phương pháp xử lýrơm rạ, thân lá ngô bằng ammonia được đề cập trong các nghiên cứu của MaoHuaming và Feng Yanglian (1991); Meng Qingxiang (1988); Xing Tingxian(1995); Ji Yilun et al., (1988); Gu Chuipeng et al., (1988); Liu Jianxin et al.,(1992).

Các phương pháp ammoni hóa sử dụng urê đã nhận được sự quan tâm lớnnhư là một hệ thống thích hợp cho các nước đang phát triển Từ những năm

1970, Bangladesh, Canada, Đan Mạch, Ai Cập, Ấn Độ, Nhật Bản, Ni-giê, Na

Uy, Tuy-ni-di, Vương quốc Anh và Mỹ đã bắt đầu nghiên cứu để xử lý rơmbằng phương pháp ammoni hóa Một số quốc gia đã phổ biến rộng rãi phươngpháp này ở cấp quốc gia

Tuy nhiên, sự thành công của xử lý urê cũng như các hóa chất khác ứngdụng trên các trang trại không như mong muốn Do đó, cần thiết phải phát triểncác công nghệ thay thế để xử lý thức ăn chăn nuôi cho sản xuất Nhiều nỗ lực đãđược thực hiện bởi các nhà khoa học để tìm các phương pháp tiếp cận hiệu quảcho vấn đề này Một triển vọng để thay thế cho xử lý urê là lên men vi sinh vật,phương pháp đã được phát triển trong thời gian gần đây tại Trung Quốc Phươngpháp này đơn giản và giá thành thấp Tuy nhiên, mặc dù khả năng thay thế việc

sử dụng hóa chất đắt tiền, gây ô nhiễm môi trường bằng biện pháp sinh học cómột tiềm năng lớn, song cho đến nay, mặc dù khuyến khích các phòng thínghiệm thử nghiệm, không có qui trình xử lý phụ phẩm nông nghiệp bằng visinh vật nào mà gây được ảnh hưởng với nông dân Nhiều thất bại của xử lý sinhhọc phụ phẩm cây trồng đã được mô tả trong các tài liệu, mặc dù có một số cảithiện trong giá trị dinh dưỡng Vì vậy, trước khi áp dụng phương pháp lên mensinh học mới, nhiều vấn đề cần được tiếp tục nghiên cứu

Tuy nhiên, trên thị trường hiện nay có một số chế phẩm sinh học chứa cácchủng vi khuẩn Lactic, nấm men, sử dụng để ủ chua phụ phẩm nông nghiệp như

EM , Song tác dụng của vi sinh vật trong các sản phẩm này chưa thực sự hiệuquả, thể hiện thời gian ủ còn dài, còn bị nhiễm một số loại vi sinh vật gây thối vàgây bệnh, chưa thực sự đáp ứng nhu cầu hiện tại của thức ăn chăn nuôi, đặc biệtcho vùng cao, nơi có nhiều đại gia súc và thiếu thức ăn tươi vào vụ đông xuânhàng năm Do đó, việc tuyển chọn các chủng vi sinh như lactic và nấm menphân hủy xenluloza mạnh, thúc đẩy quá trình phân giải hydratcacbon dễ hòa tantrong cây tạo thành các axit hữu cơ chủ yếu là axit lactic, dẫn đến làm tăngnhanh độ chua của thức ăn đem ủ, thời gian ủ chua được rút ngắn, ngăn chặn sựxâm nhập của nấm mốc và các loại vi khuẩn gây thối, đảm bảo độ dinh dưỡng,cung cấp chất xơ, tinh bột và các vi sinh vật giúp gia súc tiêu hoá tốt và có nhiềunăng lượng, phòng ngừa các bệnh đường ruột, nâng cao khả năng chống chịu rétcho động vật là rất cần thiết.

2.4 Công nghệ xử lý nhanh rơm rạ để sản xuất nấm:

Ngành sản xuất nấm ăn được hình thành và phát triển trên thế giới từ hàngtrăm năm nay Theo thống kê, thị trường tiêu thụ nấm ăn trên thế giới ngày càngtăng cao, trung bình khoảng 15 triệu tấn/năm Với giá bán từ 800-2.200USD/tấn Thị trường tiêu thụ nấm ăn lớn nhất hiện nay là Mỹ, Nhật, Đài Loan

và các nước châu Âu Nấm ăn và nấm dược liệu có thể được sản xuất từ nhiềuloại phế phụ phẩm khác nhau trong sản xuất nông nghiệp như rơm rạ, lõi ngô,

vỏ trấu, v.v… Để sản xuất được 1 tấn nấm ăn thành phẩm, trung bình phải sửdụng từ 10 -13 tấn rơm rạ nguyên liệu Như vậy bình quân mỗi năm, lượng rơm

rạ, phụ phẩm phục vụ cho ngành sản xuất nấm trên toàn thế giới khoảng 15 triệutấn/năm; Tuy nhiên, hiện nay trên thế giới lượng phế liệu này vẫn chưa đượcnghiên cứu sử dụng hiệu quả mà chủ yếu vẫn được người dân đốt bỏ ngay saukhi thu hoạch

Để tận dụng nguồn hữu cơ này, người ta có thể chế biến rơm rạ rất đơngiản không cần ủ nhiều, chỉ cần ngâm rơm rạ với nước vôi tỷ lệ 5% trong

khoảng 18-20 giờ, rồi vớt ra để ráo nước Xếp thành bó hoặc luống liên tục nhưluống khoai lang, chiều rộng 30-40cm, chiều cao từ 25-35cm, dài tùy ý Khi xếpcần làm cho các lớp rơm xếp tương đối chặt tay Các luống cần cách nhau 30-35cm để tiện việc đi lại chăm sóc và thu hái Tuy nhiên, với phương pháp nàythì thời gian ủ còn dài (khoảng 12 ngày), chất lượng rơm rạ sau ủ chưa thật tốt,

do đó sản lượng cũng như chất lượng nấm chưa được như mong muốn

Do đó, để đạt năng suất cao phải sử dụng phương pháp ủ rơm tạo một quátrình lên men khử trùng rơm, rạ để có có một loại giá thể tốt cho nấm phát triển,tránh sự sự xâm nhập và phát triển của nấm dại và mầm bệnh Theo phươngpháp này người ta trộn vào rơm, rạ đã được làm ướt 2-3% bột nhẹ hay vôi bột,0,5% đạm ure, 1% đạm sunfat amon, 1-2% super lân rồi ủ đống trong thời gian7-10 ngày, qua 2 đến 3 lần đảo, sau đó bổ sung chế phẩm vi sinh, xếp thànhluống rồi chuẩn bị cấy giống nấm Trong một số trường hợp còn có thể bổ sungbằng cám gạo 1-2% vào giá thể trồng nấm rơm nhằm tạo môi trường thuận lợi

và cung cấp dinh dưỡng cho nấm khi phát triển quả thể (4)

2.5 Nghiên cứu công nghệ vùi rơm rạ sau thu hoạch và bổ sung chế phẩm vi sinh vật:

Vùi phụ phẩm với lượng 5 tấn/ha đã làm cho hàm lượng cacbon (OC)trong đất thay đổi từ 5,2 g/kg đến 5,5 g/kg đất Hàm lượng lân dễ tiêu cũng cóchiều hướng thay đổi từ 33,45 kg/ha đến 38,79 kg/ha và hàm lượng kali dễ tiêutrong đất cũng thay đổi từ 154,90 kg/ha đến 158,83 kg/ha Theo Vũ Hữu Yêm,1982; Đỗ Thị Xô, 1995 và Nguyễn Thị Dần, 1995, trên đất bạc màu vùi phụphẩm của cây trồng vụ trước cho cây trồng vụ sau đã cải thiện độ phì nhiêu đất

và tăng năng suất cây trồng từ 3,6 đến 21,1% so với công thức không vùi phụphẩm Theo Ponnamperuma F.N (1984), khi nghiên cứu về ảnh hưởng của vùirơm rạ đến trạng thái dinh dưỡng và năng suất lúa cho kết quả như sau: vùi rơm

rạ 5 tấn/ha liên tục trong 11 vụ đã cải thiện được độ phì đất một cách đáng kể vàlàm tăng năng suất lúa 45% so với không vùi rơm rạ (thí nghiệm trong chậu) Vùi rơm rạ vào đất làm tăng tổng số vi sinh vật đất 20% so với công thứckhông vùi rơm rạ Vùi rơm rạ + vôi vào đất làm tăng số lượng vi khuẩn háo khí2,5 lần, vi khuẩn yếm khí 1,5 lần so với công thức không vùi rơm rạ + vôi.

Vùi phụ phẩm nông nghiệp đã cải thiện độ phì nhiêu đất (hàm lượng chấthữu cơ, đạm, lân và kali dễ tiêu, dung tích hấp thu, thành phần cơ giới, độ xốp,

độ ẩm, vi sinh vật tổng số, vi sinh vật phân giải xenluloza, vi sinh vật phân giảilân và vi sinh vật cố định đạm), đã tăng năng suất 6-12% so với không vùi Vùi phụ phẩm nông nghiệp có thể thay thế lượng phân chuồng cần bón cho cây trồngtrong cơ cấu có lúa; giảm được 20% lượng phân đạm, lân và 30% lượng phânkali mà năng suất vẫn không giảm so với không vùi phụ phẩm Hiệu quả kinh tếtương đương với bón đầy đủ phân chuồng và phân khoáng NPK và cao hơn 5%

so với chỉ bón phân khoáng NPK, lợi nhuận tăng 5-12% so với không vùi phụphẩm

Việc vùi các phế phụ phẩm (rơm rạ, thân lá ngô ) có ưu điểm là tiết kiệmđược lượng phân bón NPK, người nông dân không phải vận chuyển một khốilượng lớn phế thải này ra nơi xử lý vì vậy tiết kiệm được sức lao động Nhưng

có nhược điểm là thời gian phân hủy kéo dài, phế phụ phẩm như rơm rạ, thân lángô cần được phân hủy hoàn toàn trước khi trồng mới cho kết quả tốt Trongtrường hợp lúa được tưới nước đầy đủ, vùi trực tiếp rạ vào ruộng lúa trong thờikỳ cày bừa có lợi hơn là vùi phân ủ được chế biến từ chính các rơm rạ đó Silicđựợc giải phóng do rạ phân giải đã làm tăng năng suất lúa Còn trong trườnghợp không đủ nước mà phải dựa vào nước trời thì vùi phân ủ lại tốt hơn vùi rơm

rạ trực tiếp

Tác dụng của việc vùi rơm rạ sau thu hoạch là rõ ràng, nhưng để tăng hiệuquả của mùn sau vùi, rút ngắn thời gian xử lý thì cần phải có chế phẩm vi sinh

gồm những chủng vi sinh vật sinh trưởng yếm khí và hiếu khí, có khả năng phânhủy nhanh và hiệu quả rơm rạ, kết hợp quy trình sử dụng hợp lý Có như vậymới có thể đáp ứng thời gian xen giữa 2 vụ lúa, tránh hiện tượng gây hiệu ứngnhà kính.

2.6 Nghiên cứu phương pháp đột biến và ADN tái tổ hợp nhằm tăng cường hoạt tính phân hủy cenlulo, kích thích sinh trưởng, cố định nitơ, phân giải lân của một số chủng vi sinh vật:

Hiện nay, xu thế ứng dụng CNSH hiện đại trong nông nghiệp đã đượcnhiều nước và nhiều nhà khoa học quan tâm Trong đó tập chung vào cải thiệncác chủng giống cây trồng, vật nuôi, giống vi sinh vật theo các chỉ tiêu mà conngười quan tâm như: cây chịu hạn, chống sâu bệnh, chịu phèn, tăng năng suất,chất lượng, về vật nuôi gồm các chỉ tiêu: tăng tỉ lệ nạc, tăng hàm lượngprotein, tỉ lệ sữa, chất lượng sữa, v v ; với vi sinh vật gồm các chỉ tiêu: tăngkhả năng sinh các hoạt chất thứ cấp theo ý muốn con người, v v

Để thực hiện ý muốn và điều khiển giống vật nuôi, cây trồng người tathường sử dụng 2 phương pháp chủ yếu như: đột biến và tái tổ hợp ADN, đây là

2 phương pháp rất hiệu quả, nhanh và tiện lợi Đối với vi sinh vật chỉ trong thờimột thời gian ngắn chúng ta có thể nhận được các chủng vi sinh vật mới có cácđặc tính sinh học hoàn toàn mới hơn hẳn chủng gốc ban đầu(5, 6, 7)

Do vậy, với xu thế hiện đại ngày nay nhiệm vụ của các nhà khoa học phảitiếp nhận và áp dụng hiệu quả các công nghệ mới trong sản xuất nông nghiệp.Đối với vi sinh vật nông nghiệp, việc làm tăng khả năng tạo ra các hoạt chất sinhhọc và tăng hoạt lực của chúng là những việc làm rất có ý nghĩa Để cải thiệnchủng giống vi sinh vật có các hoạt tính sinh học quý đang sử dụng cho sản xuấtnông nghiệp theo chiều hướng tích cực, những chủng mới tạo ra phải có khảnăng tăng hoạt tính sinh học của chúng khoảng 40-60% so với chủng gốc, có thể

có những đặc tính tăng 200-300% (9, 10)

2.7 Sử dụng composit để sản xuất một số vật liệu gia dụng và xây dựng

từ rơm, rạ và trấu.

Công nghệ composite gồm một hay nhiều pha gián đoạn được phân bốtrong một pha liên tục duy nhất (Pha là một loại vật liệu thành phần nằm trongcấu trúc của vật liệu composite.) Pha liên tục gọi là vật liệu nền (matrix), thườnglàm nhiệm vụ liên kết các pha gián đoạn lại Pha gián đoạn được gọi là cốt hayvật liệu tăng cường (reinforcement) được trộn vào pha nền làm tăng cơ tính, tínhkết dính, chống mòn, chống xước

Hỗn hợp composite được tạo ra từ nhiều loại chất hóa học khác nhau vàchúng có cốt lõi liên kết với nhau bằng những sợi hóa học có nhiều tính năngđặc biệt như sợi “thủy tinh”, sợi “Bazan”, sợi “hữu cơ”, sợi “Cacbon” v.v Cácsợi này liên kết với các chất hóa học nó tạo lên một vật liệu rất tốt và có nhiềutính năng đặc biệt như: Có độ bền hóa cao, độ bền cơ học cao, cách điện, cáchnhiệt tốt, chịu nhiệt độ cao, an toàn vệ sinh v.v

Hiện nay công nghệ composite đã được ứng dụng trong nhiều lĩnh vựckhác nhau để tạo ra các sản phẩm có giá trị phục vụ đời sống con người và xãhội Từ những ứng dụng trên đề tài sẽ hướng tới ứng dụng công nghệ composite

để chế tạo các vật liệu đồ gia dụng và vật liệu xây dựng từ phế phụ phẩm nôngnghiệp (rơm rạ) Mục tiêu sẽ sản xuất được các loại vật liệu cơ bản để sản xuấtcác sản phẩm thứ cấp có nhiều tính năng vượt trội mà các sản phẩm khác không

có được như: độ bền cao, không cong vênh, không mối mọt, không ẩm mốc vàđặc biệt là rất an toàn về vệ sinh… (11)

2.8 Nghiên cứu ứng dụng công nghệ vi sinh để sản xuất biogas từ rơm rạ:

Biogas là kết quả của quá trình phân hủy một khối lượng sinh học bằng vikhuẩn và khí methanol Phần lớn biogas (từ 55-75%) được tạo ra từ khí metan,25-45% còn lại sinh ra từ khí cacbonic Ngoài ra, một lượng nhỏ biogas còn có

trong một số một số hợp chất hidro và dihidro sunfua Trước khi rơm rạ từ câylúa chưa được sử dụng vào nguồn lợi sản xuất ra nguồn nhiên liệu gas sinh học,các nhà khoa học cho rằng, trong rơm có khối lượng lớn polisacarit và gỗ lànhững nguồn nguyên liệu khó phân hủy đối với vi khuẩn Các chuyên gia nghiêncứu thuộc trường đại học Công nghệ Hóa học Bắc Kinh đang thử nghiệmphương pháp xử lý rơm bằng natri hidrocid, mội loại dung dịch phổ biến giốngnhư một loại kiềm ăn da Tác động của natri hidrocid sẽ phá hủy một số mắtxích tổ hợp sinh học khó phá vỡ, cho phép hợp chất trên dễ dàng bị tiêu hủy bởi

vi khuẩn Toàn bộ quá trình sản xuất gas sinh học sau xử lý natri hidrocid tăng

từ 27-64,5% Hiện các nhà khoa học đang tiến hành ứng dụng công nghệ banđầu trong xử lý rơm và biogas sau này.(12)

Với công nghệ sản xuất biogas từ rơm rạ đã mở ra một phương pháp có thểtận dụng triệt để nguồn nguyên liệu dồi dào mà bấy lâu nay người dân vẫnthường bỏ phí Kết quả sẽ tạo ra nguồn năng lượng sạch, tiết kiệm, sản phẩmcuối của công nghệ sẽ được dùng để sản xuất phân bón, trả lại cho đất nguồnhữu cơ quý giá

2.9 Nghiên cứu công nghệ sản xuất cồn và một số nguyên liệu sử dụng cho công nghiệp hóa dược từ rơm rạ:

Đề án sẽ sử dụng kỹ thuật sinh học hiện đại như metagenomics kết hợp vớimetabolomics để phát hiện ra các enzyme, chủng vi sinh vật mới có khả năngthủy phân hiệu quả lignoxenluloza Đồng thời cũng nhờ công cụ này để tiếnhành sàng lọc và phát hiện chủng vi sinh vật có khả năng chuyển hóa ra các sảnphẩm đích cuối cùng Sử dụng công cụ tin sinh học, nhằm mô phỏng cấu trúcenzyme cũng như động học của quá trình xúc tác enzyme cơ chất, xác định gốcaxit amin cần thay đổi để làm tăng hiệu quả chuyển hóa lignoxenluloza Cácenzyme sau khi được mô phỏng sẽ được tổng hợp trong E coli hoặc nấm men

để sản xuất lượng lớn enzyme dùng để chuyển hóa đặc hiệu ra sản phẩm mong

muốn Dựa trên công nghệ nền là công nghệ lên men, đề án sẽ nghiên cứu tối ưu

để thu được sản phẩm đích cao nhất.(13, 14)

Mục tiêu của đề án sẽ sản xuất được cồn và một số nguyên liệu sử dụngtrực tiếp làm dược phẩm hoặc nguyên liệu trung gian cho công nghiệp hóa, dược

từ rơm rạ Để thực hiện mục tiêu trên, đề án sẽ tiến hành một số công việc sau:

- Phát hiện được các enzyme, chủng vi sinh vật có đặc tính mới, thủy phânhiệu quả lignoxelluloza từ các nguồn phế thải nông nghiệp Gây đột biến địnhhướng các enzyme để làm tăng hiệu quả chuyển hóa lignoxelluloza của enzyme

- Sản xuất được các enzyme để chuyển hóa lignoxelluloza bằng công nghệtái tổ hợp gen Phát hiện các chủng vi sinh vật có khả năng chuyển hóa các sảnphẩm thủy phân lignoxelluloza thành cồn, dược phẩm như xylitol, vitamin vàcác nguyên liệu có giá trị cho ngành hóa dược

III Sơ lược về xenluloza và sự phân giải xenluloza:

1 Cấu trúc và đặc tính của xenluloza:

Xenluloza là thành phần chủ yếu của vách tế bào thực vật và chiếm 50%tổng lượng hydrocacbon trên trái đất Ngoài thực vật là nguồn chủ yếu còn cótrong giới động vật nhưng số lượng rất ít

Xenluloza là một hydrocacbon rất bền về mặt cơ học Với số lượng lớn liênkết nội phân tử giúp cho việc gắn bên trong chuỗi được bền chặt, tạo sức căng

và độ vững chắc Còn các liên kết hydro gian phân tử nối các chuỗi xenlulozavới nhau tạo thành bó sợi rất cứng Do vậy mà xenluloza tự nhiên hoàn toànkhông tan trong nước Mặt khác còn do tính kị nước của chuỗi β-1-4 glucan, sựbảo vệ của lignin và hemixenluloza đã kìm hãm sự trương lên trong môi trườngnước Sợi xenluloza trong vách tế bào non dễ bị thủy phân hơn do khoảng trốnglớn, khi tế bào già thì lignin và hemixenluloza chiếm đầy khoảng trống.(15)Cấu trúc hóa học của xenluloza là một polyme mạch thẳng, được trùng hợp

từ các monome là glucose, các monome này nối với nhau nhờ liên kết β-1-4

glycozit làm cho các monome luân phiên nhau một “sấp” lại một “ngửa” Sựthay đổi tương đối nhỏ này dẫn đến sự thay đổi về tính chất của polysaccarit thuđược.

Các phân tử xenluloza với số lượng đơn vị glucoza khoảng 300 – 1500không xoắn cuộn mà nằm như một cái băng duỗi thẳng Điều này giải thích tạisao xenluloza có cấu trúc dạng lớp sợi, gồm nhiều phân tử xenluloza song songgắn với nhau nhờ liên kết hydro gian phân tử tạo thành bó sợi xenluloza(mixen) Cấu trúc mixen gồm hai vùng chính: vùng kết tinh (chiếm ¾ cấu trúc)

và vùng vô định hình Vùng kết tinh có cấu trúc vững chắc hơn vùng vô địnhhình do có mạng lưới liên kết hydro dày đặc Do vậy mà enzym khó tấn cônghơn

Trong tự nhiên, các chuỗi β-1-4 glucan của xenluloza có dạng sợi Sợi sơcấp là sợi nhỏ nhất có đường kính khoảng 3nm Các sợi sơ cấp hợp thành vi sợi

có đường kính từ 10 – 40nm, những vi sợi này hợp thành bó sợi to Toàn bộ cấutrúc sợi được bao bọc bởi một lớp vỏ hemixenluloza và lignin rắn chắc

Xenluloza bị thủy phân khi đun nóng với axit hoặc kiềm, trong khi đó ởđiều kiện bình thường xellulase của vi sinh vật có thể thủy phân xenluloza

Liên kết glucozit không bền với axit Xenluloza dễ bị phân hủy bởi axit vàtạo thành sản phẩm phân hủy không hoàn toàn là hydro-Xenlulo có độ bền cớhọc kém hơn xenluloza nguyên thủy, còn khi thủy phân hoàn toàn thì sản phẩmtạo thành là D-glucoza.(16)

Về bản chất hóa học, xenluloza là một rượu đa chức có phản ứng với kiềmhay kim loại kiềm tạo thành xenlulo-ancolat Nguyên tử hydro ở các nhóm OHbậc một và hai trong phân tử xenluloza cũng có thể bị thay thế bởi các gốc –metyl, -etyl, … tạo ra những chất có độ kết tinh và độ hòa tan cao trong nướckhác nhau Xenluloza cũng bị oxy hóa bởi một số tác nhân tạo thành sản phẩmoxy hóa một phần là oxy-xenluloza Tác nhân oxy hóa chọn lọc nhất là axit iodic(HIO4), và muối của nó Xenluloza không tan trong nước, dung dịch kiềm làm

trương phồng mạch xenluloza và hòa tan một phần xenluloza phân tử nhỏ Đặcbiệt xenluloza dễ hòa tan trong dung dịch Cu(NH3)4(OH)2, và hàng loạt các dungdịch là các phức chất của đồng, niken, cadmi, kẽm …

… Trong gỗ cây lá kim, chủ yếu hemixenluloza được tạo nên từ loại đường 6cacbon: galactam, manan …

Khác với xenluloza, phân tử hemixenluloza nhỏ hon nhiều, thông thườngkhông quá 150 gốc đường, được nối với nhau không chỉ bằng liên kết -1,4 màcòn bằng liên kết -1,3 và -1,6 glucozit tạo ra mạch ngắn và phân nhánh

Vì độ polyme thấp, phân nhánh và hỗn hợp nhiều đường nênhemixenluloza không có cấu trúc chặt chẽ như ở xenluloza và độ bền hóa lýcũng thấp hơn Hemixenluloza dễ tan trong dung dịch kiềm, trong nước nóng và

dễ bị phân hủy bởi axit nóng Xylan là một hemixenluloza phổ biến nhất trong

tự nhiên, chiếm 30% khối lượng rơm, 20 – 25% cây gỗ lá rộng, 7 – 17% cây gỗ

lá kim

3 Lignin:

Là một hợp chất cao phân tử đặc biệt của thực vật, thường tập trung ởnhững mô hóa gỗ, là chất kết dính tế bào, làm tăng độ bền cơ học, chống thấmnước qua vách tế bào mô xylem, ngăn cản sự xâm nhập của vi sinh vật gâybệnh

Khác với xenluloza, hemixenluloza, lignin hình thành từ các dẫn xuất củaphenyl, propan, một chất thơm có mạch nhánh Nói cách chi tiết hơn, lignin là

sản phẩm ngưng tụ của ba thành phần chủ yếu: rượu p-cumaryl, coniferyl, trans-cynapyl theo tỷ lệ khác nhau tùy loại thực vật Lignin của cây gỗthực vật mềm điển hình gồm có 80% conyferyl, 14% cumaryl và 6% coniferyl.Lignin của cây gỗ cứng gồm lượng bằng nhau của conyferyl và cynapyl, còncumaryl chiếm tỉ lệ rất nhỏ.

trans-Trong đại phân tử lignin, các đại cấu trúc nối với nhau bằng rất nhiều liênkết và loại liên kết, trong đó liên kết chủ yếu chiếm 50 – 60% số liên kết giữamonome là kiểu liên kết aryl-glyxerol-aryl-ete Ngoài ra còn có kiểu liên kếtphenyl-cumaryl, biphenyl, diarylete Vì dẫn xuất của các hợp chất thơm có mạchbên với nhiều nhóm chức hoạt động, đặc biệt là OH của nguyên tử cacbon (đốivới vòng thơm) nên lignin có thể tham gia vào nhiều loại phản ứng khác hẳn vớixenluloza và hemixenluloza như các phản ứng thế (clo hóa), phản ứng este hóa,oxi hóa, dimetyl hóa …

Lignin hòa tan tốt trong dung dịch kiềm nóng, một phần trong dung môihữu cơ

4 Lignin-xenluloza tự nhiên là một cơ chất khó phân hủy:

Mỗi thành phần cấu tạo nên lignin-xenluloza , do bản chất các liên kết hóahọc, do mức độ polyme hóa và tính không tan trong nước là đối tượng khó phânhủy Tính khó phân hủy lại gia tăng lên nhiều lần khi chúng liên kết với nhau vàvới các thành phần khác nữa thành một thể cấu trúc chặt chẽ và phức tạp

Các mạch phân tử xenluloza không bao giờ tồn tại riêng lẻ mà nhờ liên kếthydro gian phân tử tạo thành các cấu trúc lớn hơn gọi là vi sợi, dọc theo sợi cónhững vùng tại đó các phân tử sắp xếp song song và chặt khít gọi là vùng kếttinh, xem kẽ những vùng mà có sự sắp xếp kém trật tự và chặt chẽ là vùng vôđịnh hình Các vi sợi liên kết với nhau bằng cách đan xen ở những vùng vô địnhhình này.(17)

Các vi sợi xenluloza, lignin, hemixenluloza theo những quy tắc nhất định

để hình thành cấu trúc vi sợi Với cấu trúc nhiều lớp gồm có nhiều thành phần

có bản chất hóa học khác nhau như vậy, lignin-xenluloza có độ bền vật lí cao,rất khó xâm nhập đối với các vi sinh vật và enzym Hơn nữa để phân hủy bất cứthành phần nào của phức hợp một cách hiệu quả và triệt để cần phải tác độngđến thành phần khác Ví dụ để phân giải lignin-xenluloza cần đồng thời phângiải cả lignin, xenluloza, hemixenluloza Nhưng do cả ba đều có tính chất hóahọc khác nhau nên cơ chế tác động và điều kiện tiến hành cũng khác nhau

5 Sự phân giải xenluloza:

5.1 Enzym xenlulaza:

Enzym xenlulaza xúc tác cho quá trình chuyển hóa xenluloza thành các sảnphẩm hòa tan Để thủy phân hoàn toàn xenluloza cần một phức hệ enzymxenlulaza Hiện nay có nhiều ý kiến khác nhau về phức hệ này và cơ chế tácđộng của chúng trong quá trình phân giải các hợp chất xenluloza Theo quanđiểm hiện nay thì hệ enzym này bao gồm ba enzym chủ yếu sau:

- Exo-glucanaza hay xenlobihydrolaza: enzym cắt xenluloza từ đầu khôngkhử và giải phóng ra xenlobioza, tác dụng yếu lên CMC nhưng tác dụng rấtmạnh lên xenluloza vô định hình hoặc xenluloza đã bị phân giải một phần, tácdụng lên xenluloza kết tinh không rõ nhưng khi có mặt endo-glucanaza thì cótác dụng rõ rệt

- Endo-glucanaza hay CMCaza: enzym này thủy phân liên kết β-1-4glucozit một cách ngẫu nhiên để giải phóng xenlobioza và glucoza Enzym nàycũng tác dụng lên xenlodextrin Enzym này phân giải một cách mạnh mẽ cácxenluloza vô định hình nhưng lại tác động rất yếu trên xenluloza kết tinh, đồngthời cũng không phân giải được xenlobioza

- β-glucozidaza hay xenlobiaza: enzym này thủy phân xenlobiza và cácxenlodextrin mạch ngắn thành glucoza Nó có hoạt tính cực đại trên xenlobiozacòn ở xenlodextrin thì hoạt tính giảm khi chiều dài của chuỗi tăng Tùy vị trí màβ-glucozidaza được coi là nội bào hay ngoại bào hay liên kết màng tế bào, chứcnăng có lẽ là điều chỉnh sự tích lũy các chất cảm ứng của xenluloza Tùy thuộc