Tài liệu Bước đầu nghiên cứu tạo chế phẩm phân hủy hợp chất hữu cơ từ vi sinh vật bản địa

TRƢỜNG ĐẠI HỌC HÙNG VƢƠNG KHOA KHOA HỌC TỰ NHIÊN ---------***--------- ĐẶNG THỊ PHƢƠNG BƢỚC ĐẦU NGHIÊN CỨU TẠO CHẾ PHẨM PHÂN HỦY HỢP CHẤT HỮU CƠ TỪ VI SINH VẬT BẢN ĐỊA KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC Ngành: Sƣ phạm Sinh học PHÚ THỌ, 2019 TRƢỜNG ĐẠI HỌC HÙNG VƢƠNG KHOA KHOA HỌC TỰ NHIÊN ---------***--------- ĐẶNG THỊ PHƢƠNG BƢỚC ĐẦU NGHIÊN CỨU TẠO CHẾ PHẨM PHÂN HỦY HỢP CHẤT HỮU CƠ TỪ VI SINH VẬT BẢN ĐỊA KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC Ngành: Sƣ phạm Sinh học GIẢNG VIÊN HƢỚNG DẪN: TS. TRẦN TRUNG KIÊN PHÚ THỌ, 2019 i LỜI CẢM ƠN Trong thời gian nghiên cứu và hoàn thành khóa luận, em xin gửi lời cảm ơn chân thành nhất tới thầy giáo hƣớng dẫn TS. Trần Trung Kiên đã hƣớng dẫn tận tình, quan tâm và động viên em hoàn thành khóa luận. Em xin bày tỏ lời cảm ơn sâu sắc đến các thầy (cô) trong Trung tâm Công nghệ sinh học trƣờng Đại học Hùng Vƣơng cùng toàn thể các thầy cô giáo trong khoa Khoa học Tự nhiên, Trƣờng Đại học Hùng Vƣơng đã tạo điều kiện giúp đỡ để em thực hiện và hoàn thành khóa luận này. Cuối cùng, em xin gửi lời cảm ơn đến gia đình, bạn bè, những ngƣời đã luôn bên cạnh động viên, giúp đỡ em trong suốt quá trình thực hiện và hoàn thành khóa luận tốt nghiệp này. Em xin chân thành cảm ơn! Phú Thọ, ngày 08 tháng 05 năm 2019 Sinh viên Đặng Thị Phƣơng ii LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan số liệu và kết quả nghiên cứu trong khóa luận này là của riêng tôi, các kết quả nghiên cứu đƣợc trình bày trong khóa luận là trung thực. Mọi sự giúp đỡ cho việc thực hiện khóa luận này đã đƣợc cảm ơn và các thông tin trích dẫn trong khóa luận đã đƣợc chỉ rõ nguồn gốc và đƣợc phép công bố. Phú Thọ, ngày 08 tháng 05 năm 2019 Sinh viên thực hiện Đặng Thị Phƣơng iii DANH MỤC CHỮ VIẾT TẮT ĐC Đối chứng IMO Indigenous Microorganism - Vi sinh vật bản địa TN Thí nghiệm VSV Vi sinh vật iv DANH MỤC BẢNG Bảng 3.1. Kết quả đặt mẫu tại các địa điểm ............................................................ 18 Bảng 3.2. Kết quả ủ chế phẩm vi sinh với các hợp chất hữu cơ ............................. 23 Bảng 3.3. Ảnh hƣởng của mùn hữu cơ đã đƣợc bằng chế phẩm vi sinh bản địa đến phát triển chiều cao của cây rau dền đỏ (Amaranthus tricolor) ........................... 24 v DANH MỤC HÌNH Hình 3.1. Vật liệu thu thập vi sinh vật bản địa ........................................................ 19 Hình 3.2. Cách đặt mẫu để thu vi sinh vật bản địa .................................................. 19 Hình 3.3. Thu thập phần mốc trắng chứa vi sinh vật bản địa .................................. 20 Hình 3.4. Ủ mốc trắng với rỉ đƣờng ........................................................................ 20 Hình 3.5. Dịch lỏng IMO (gốc) ............................................................................... 21 Hình 3.6. Nhân sinh khối với rỉ đƣờng .................................................................... 21 Hình 3.7. Ảnh hƣởng của mùn hữu cơ đã đƣợc bằng chế phẩm vi sinh bản địa đến phát triển chiều cao của cây rau dền đỏ (Amaranthus tricolor) ........................... 24 vi MỤC LỤC PHẦN I: MỞ ĐẦU ............................................................................................ 1 1. Tính cấp thiết của đề tài ................................................................................. 1 2. Mục tiêu đề tài ............................................................................................... 2 3. Ý nghĩa khoa học và ý nghĩa thực tiễn của đề tài............................................. 2 3.1. Ý nghĩa khoa học ......................................................................................... 2 3.2. Ý nghĩa thực tiễn .......................................................................................... 2 PHẦN 2: NỘI DUNG NGHIÊN CỨU ............................................................. 3 CHƢƠNG 1: TỔNG QUAN VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU ................................... 3 1.1. Một vài nét giới thiệu về vi sinh vật và vi sinh vật bản địa .......................... 3 1.1.1. Giới thiệu chung về vi sinh vật (microorganisms) và vi sinh vật bản địa 3 1.1.1.1. Khái quát chung về vi sinh vật .............................................................. 3 1.1.1.2. Đặc điểm chung của vi sinh vật ............................................................ 3 1.1.1.3. Vai trò của vi sinh vật ........................................................................... 5 1.1.2. Vi sinh vật bản địa ................................................................................... 6 1.2. Khả năng của vi sinh vật phân hủy một số nhóm chất ............................... 7 1.2.1. Sự phân hủy các chất tự nhiên ................................................................ 7 1.2.2. Vai trò của vi sinh vật cố định Nitơ đối với cây trồng ............................ 8 1.2.3. Vai trò của vi sinh vật phân giải lân khó tan ........................................... 9 1.2.4. Vai trò của vi sinh vật phân giải cellulose ............................................... 9 1.2.5. Vai trò của vi sinh vật đối kháng ...........................................................10 1.3. Một số loại phân hữu cơ sinh học, hữu cơ vi sinh, chế phẩm vi sinh đang sử dụng tại Việt Nam ..............................................................................10 1.4. Tình hình nghiên cứu vi sinh vật bản địa .................................................12 1.4.1. Tình hình nghiên cứu trong nƣớc ..........................................................12 1.4.2. Tình hình nghiên cứu vềvi sinh vật bản địa trên thế giới ......................13 vii CHƢƠNG 2: ĐỐI TƢỢNG, NỘI DUNG VÀ PHƢƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU15 2.1. Đối tƣợng và phạm vi nghiên cứu ...........................................................15 2.2. Nội dung nghiên cứu ................................................................................15 2.3. Phƣơng pháp nghiên cứu ..........................................................................15 2.3.1. Phƣơng pháp luận ..................................................................................15 2.3.2. Phƣơng pháp bố trí thí nghiệm ..............................................................15 2.3.3. Phƣơng pháp xử lý liệu ..........................................................................17 CHƢƠNG 3: KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU VÀ THẢO LUẬN ........................18 3.1. Lựa chọn địa điểm đặt mẫu .......................................................................18 3.2. Nghiên cứu tạo chế phẩm phân hủy hợp chất hữu cơ từ vi sinh vật bản địa dạng gốc .....................................................................................................18 3.3. Đánh giá khả năng phân hủy hợp chất hữu cơ của vi sinh vật bản địa ....23 3.4. Ứng dụng mùn hữu cơ đƣợc phân hủy bằng chế phẩm vi sinh bản địa trên cây rau ăn lá ..............................................................................................24 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ .........................................................................26 1. Kết luận ........................................................................................................26 2. Kiến nghị .....................................................................................................26 TÀI LIỆU THAM KHẢO PHỤ LỤC 1 PHẦN I: MỞ ĐẦU 1. Tính cấp thiết của đề tài Việt Nam đang trong giai đoạn công nghiệp hóa - hiện đại hóa với một số ngành kinh tế chủ lực trong đó có ngành nông nghiệp - là một ngành sản xuất nguồn lƣơng thực và thực phẩm chủ yếu cung cấp cho cả nƣớc và xuất khẩu, đóng góp không nhỏ vào GDP. Hằng năm lƣợng hợp chất hữu cơ dƣ thừa trong quá trình chế biến các sản phẩm nông sản, lâm sản, thực phẩm rất lớn và đa dạng về chủng loại. Cùng với đó là những nỗi lo về bãi chứa, ô nhiễm môi trƣờng. Mặc dù nông nghiệp đƣợc cơ giới hóa, đƣợc chú trọng nhƣng nó để lại không ít hệ quả ảnh hƣởng tới môi trƣờng. Ngày nay, đời sống con ngƣời càng đƣợc nâng cao, các sản phẩm cung cấp cho nông nghiệp ngày càng nhiều. Việc quan tâm, xử lý những hợp chất hữu cơ dƣ thừa này thành nguồn cung cấp dinh dƣỡng cho cây trồng, vật nuôi đã dần dần đƣợc quan tâm. Tuy nhiên, việc xử lý không đúng cách những hợp chất hữu cơ dƣ thừa sẽ không đạt đƣợc hiệu suất phân hủy tối đa mà còn gây hậu quả tới môi trƣờng đất, môi trƣờng nƣớc, môi trƣờng không khí và ảnh hƣởng đến các vấn đề nhân sinh xã hội khác. Cho đến nay ngƣời ta đã xác định đƣợc rằng, các vi sinh vật (VSV) có thể phân huỷ đƣợc hầu hết các chất hữu cơ có trong tự nhiên và nhiều hợp chất hữu cơ tổng hợp nhân tạo. VSV tuy nhỏ bé nhất trong sinh giới nhƣng năng lực hấp thu và chuyển hoá thức ăn của chúng có thể vƣợt xa các sinh vật bậc cao. Xu hƣớng hiện tại trong nông nghiệp của Mỹ hƣớng tới các phƣơng pháp ít tốn kém về mặt hóa học, dựa trên sinh học, với hy vọng rằng chúng có thể cải thiện sức khoẻ đất và sản xuất nông nghiệp và ít gây hại cho môi trƣờng hơn các phƣơng pháp sản xuất nông nghiệp thông thƣờng. Ở các nƣớc châu Á, kể cả Hàn Quốc, việc thu thập và nuôi cấy các VSV đất tự nhiên là một hoạt động nông nghiệp lâu đời trong nhiều thế kỷ và việc áp dụng các loại đất này vào đất trồng trọt đƣợc cho là giảm thiểu nhu cầu sử dụng đất vô cơ. Hầu nhƣ còn rất ít các công trình nghiên cứu về VSV bản địa ở Việt Nam theo hƣớng sử dụng trực tiếp để tạo chế phẩm VSV xử lý hợp chất hữu cơ. 2 Chính vì vậy, chúng tôi lựa chọn thực hiện đề tài: “Bước đầu nghiên cứu tạo chế phẩm phân hủy hợp chất hữu cơ từ vi sinh vật bản địa”. 2. Mục tiêu đề tài Tạo đƣợc chế phẩm phân hủy hợp chất hữu cơ từ VSV bản địa và đánh giá đƣợc khả năng phân hủy hợp chất hữu cơ của VSV bản địa. 3. Ý nghĩa khoa học và ý nghĩa thực tiễn của đề tài 3.1. Ý nghĩa khoa học Kết quả đề tài nhằm cung cấp thêm thông tin khoa học về VSV bản địa để tạo chế phẩm phân hủy hợp chất hữu cơ. 3.2. Ý nghĩa thực tiễn Đề tài đƣợc thực hiện sẽ là cơ sở cho việc hoàn thiện quy trình tạo chế phẩm VSV phân hủy các hợp chất hữu cơ và ứng dụng trong thực tiễn. Kết quả đề tài góp phần nâng cao năng suất, chất lƣợng cũng nhƣ hiệu quả kinh tế trong sản xuất nông nghiệp nhờ chế phẩm VSV này. 3 PHẦN 2: NỘI DUNG NGHIÊN CỨU CHƢƠNG 1: TỔNG QUAN VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU 1.1. Một vài nét giới thiệu về vi sinh vật và vi sinh vật bản địa 1.1.1. Giới thiệu chung về vi sinh vật (microorganisms) và vi sinh vật bản địa 1.1.1.1. Khái quát chung về vi sinh vật Vi sinh vật (microorgaisms) là những sinh vật đơn bào hoặc đa bào nhân sơ hoặc nhân thực có kích thƣớc rất nhỏ, không quan sát đƣợc bằng mắt thƣờng mà phải sử dụng kính hiển vi. Khác với tế bào động vật và thực vật, tế bào VSV có khả năng sống và sinh sản một cách độc lập trong tự nhiên [3]. Từ xa xƣa, con ngƣời đã biết sử dụng VSV trong đời sống hàng ngày. Các quá trình làm rƣợu, làm dấm, làm tƣơng, muối chua thực phẩm ... đều ứng dụng đặc tính sinh học của các nhóm VSV. Khi khoa học phát triển, biết rõ vai trò của VSV, thì việc ứng dụng nó trong sản xuất và đời sống ngày càng rộng rãi và có hiệu quả lớn. Ví dụ nhƣ việc chế vacxin phòng bệnh, sản xuất chất kháng sinh và các dƣợc phẩm quan trọng khác ... Đặc biệt trong bảo vệ môi trƣờng, ngƣời ta đã sử dụng VSV làm sạch môi trƣờng, xử lý các chất thải độc hại. Sử dụng VSV trong việc chế tạo phân bón sinh học, thuốc bảo vệ thực vật không gây độc hại cho môi trƣờng, bảo vệ mối cân bằng sinh thái. 1.1.1.2. Đặc điểm chung của vi sinh vật VSV không phải là một nhóm riêng biệt trong sinh giới. Chúng thậm chí thuộc về nhiều giới (kingdom) sinh vật khác nhau. Giữa các nhóm có thể không có quan hệ mật thiết với nhau. Chúng có chung những đặc điểm sau đây :  Kích thƣớc nhỏ bé Mắt con ngƣời khó thấy đƣợc rõ những vật nhỏ hơn 1mm. Vậy mà VSV thƣờng đƣợc đo bằng micromet (m), virut thƣờng đƣợc đo bằng nanomet (nm). Vì VSV có kích thƣớc nhỏ bé cho nên diện tích bề mặt của một tập đoàn VSV hết sức lớn. Chẳng hạn số lƣợng cầu khuẩn chiếm thể tích 1 cm3 có diện tích bề mặt là 6 m2. 4  Hấp thu nhiều, chuyển hoá nhanh VSV tuy nhỏ bé chất trong sinh giới nhƣng năng lực hấp thu và chuyển hoá của chúng có thể vƣợt xa các sinh vật bậc cao. Chẳng hạn vi khuẩn lactic (Lactobacillus) trong 1 giờ có thể phân giải một lƣợng đƣờng lactozơ nặng hơn 1000 - 10000 lần khối lƣợng của chúng. Nếu tính số l O2 mà mỗi mg chất khô của cơ thể sinh vật tiêu hao trong 1 giờ (biểu thị là - QO2) thì ở mô lá hoặc mô rễ thực vật là 0,5 - 4, ở tổ chức gan và thận động vật là 10 - 20, còn ở nấm men rƣợu (Sacharomyces cerevisiae) là 110, ở vi khuẩn thuộc chi Pseudomonas là 1200, ở vi khuẩn thuộc chi Azotobacter là 2000. Năng lực chuyển hoá sinh hoá mạnh mẽ của VSV dẫn đến những tác dụng hết sức lớn lao của chúng trong thiên nhiên cũng nhƣ trong hoạt động sống của con ngƣời.  Sinh trƣởng nhanh, phát triển mạnh So với các sinh vật khác thì VSV có tốc độ sinh trƣởng và sinh sôi nảy nở cực kỳ lớn. Vi khuẩn Escherichia coli trong các điều kiện thích hợp cứ khoảng 12 - 20 phút lại phân cắt một lần. Nếu lấy thời gian thế hệ (generation time) là 20 phút thì mỗi giờ phân cắt 3 lần, 24 giờ phân cắt 72 lần, từ một tế bào ban đầu sẽ sinh ra 4.722.366.500.000.000.000.000 tế bào (nặng 4711 tấn). Tất nhiên trong thực tế không thể tạo ra các điều kiện sinh trƣởng lý tƣởng nhƣ vậy đƣợc cho nên số lƣợng vi khuẩn thu đƣợc trong 1ml dịch nuôi cấy thƣờng chỉ đạt tới mức độ 108 - 109 tế bào. Thời gian thế hệ của nấm men Saccharomyces cerevisiae là 120 phút. Khi nuôi cấy để thu nhận sinh khối (biomass) giàu protein phục vụ chăn nuôi ngƣời ta nhận thấy tốc độ sinh tổng hợp (biosynthesis) của nấm men này cao hơn của bò tới 100.000 lần. Thời gian thế hệ của tảo Chlorella là 7 giờ, của vi khuẩn lam Nostoc là 23 giờ.  Năng lực thích ứng mạnh và dễ phát sinh biến dị Năng lực thích ứng của VSV vƣợt rất xa so với động vật và thực vật. Trong quá trình tiến hoá lâu dài VSV đã tạo cho mình những cơ chế điều hoà trao đổi chất để thích ứng đƣợc với những điều kiện sống rất bất lợi. Ngƣời ta nhận thấy số lƣợng enzim thích ứng chiếm tới 10% lƣợng chứa protein trong tế bào VSV. Sự thích ứng của VSV nhiều khi vƣợt quá trí tƣởng tƣợng của con 5 ngƣời. Phần lớn VSV có thể giữ sức sống ở nhiệt độ của nitơ lỏng (-196oC), thậm chí ở nhiệt độ của hydro lỏng ( - 253oC). Một số VSV có thể sinh trƣởng ở nhiệt độ 250oC, thậm chí 300oC. Một số VSV có thể thích nghi với nồng độ 32% NaCl (muối ăn). Vi khuẩn Thiobacillus thioxidans có thể sinh trƣởng ở pH = 0,5 trong khi vi khuẩn Thiobacillus denitrificans có thể sinh trƣởng ở pH = 10,7. Vi khuẩn Micrococus radiodurans có thể chịu đƣợc cƣờng độ bức xạ tới 750.000 rad. Ở nơi sâu nhất trong đại dƣơng (11034 m) nơi có áp lực tới 1103,4 atm vẫn thấy có VSV sinh sống. Nhiều VSV thích nghi với điều kiện sống hoàn toàn thiếu oxi (VSV kị khí bắt buộc - obligate anaerobes). Một số nấm sợi có thể phát triển thành váng dày ngay trong bể ngâm xác có nồng độ phenol rất cao [4]. VSV rất dễ phát sinh biến dị bởi vì thƣờng là đơn bào, đơn bội, sinh sản nhanh, số lƣợng nhiều, tiếp xúc trực tiếp với môi trƣờng sống. Hình thức biến dị thƣờng gặp là đột biến gen và dẫn đến những thay đổi về hình thái, cấu tạo, kiểu trao đổi chất, sản phẩm trao đổi chất, tính kháng nguyên, tính đề kháng ... Chẳng hạn khi mới tìm thấy khả năng sinh chất kháng sinh của nấm sợi Penicillium chrysogenum ngƣời ta chỉ đạt tới sản lƣợng 20 đơn vị penixilin trong 1ml dịch lên men. Ngày nay trong các nhà máy sản xuất penixilin ngƣời ta đã đạt tới năng suất 100.000 đơn vị/ml. Bên cạnh các biến dị có lợi, VSV cũng thƣờng sinh ra những biến dị có hại đối với nhân loại, chẳng hạn biến dị về tính kháng thuốc.  Phân bố rộng, chủng loại nhiều VSV phân bố ở khắp mọi nơi trên trái đất. Chúng có mặt trên cơ thể ngƣời, động vật, thực vật, trong đất, trong nƣớc, trong không khí, trên mọi đồ dùng, vật liệu, từ biển khơi đến núi cao, từ nƣớc ngọt, nƣớc ngầm cho đến nƣớc biển ... Trong đƣờng ruột của ngƣời thƣờng có không dƣới 100 - 400 loài sinh vật khác nhau, chúng chiếm tới 1/3 khối lƣợng khô của phân. Chiếm số lƣợng cao nhất trong đƣờng ruột của ngƣời là vi khuẩn Bacteroides fragilis, chúng đạt tới số s Ở độ sâu 10.000 m của Đông Thái Bình Dƣơng, nơi hoàn toàn tối tăm, lạnh lẽo và có áp suất rất cao ngƣời ta vẫn phát hiện thấy có khoảng 1 triệu - 10 tỉ vi khuẩn/ml (chủ yếu là vi khuẩn lƣu huỳnh) [4]. 1.1.1.3. Vai trò của vi sinh vật 6 VSV có vai trò to lớn đối với hệ sinh thái cũng nhƣ đối với đời sống con ngƣời [2]. - Vi khuẩn và vi nấm là sinh vật phân giải các chất hữu cơ thành các chất vô cơ trong chu trình chuyển hoá vật chất của hệ sinh thái. - Một số vi khuẩn, vi nấm cũng nhƣ một số động vật nguyên sinh là những tác nhân gây nhiều bệnh cho cây trồng, vật nuôi cũng nhƣ con ngƣời. - Một số vi khuẩn và vi nấm phá huỷ lƣơng thực thực phẩm, vật liệu xây dựng, kiến trúc, công nghiệp, mỹ thuật. - VSV mang lại lợi ích cho con ngƣời trong nhiều lĩnh vực công nghệ chế biến thực phẩm, dƣợc phẩm, công nghệ sinh học và môi trƣờng. 1.1.2. Vi sinh vật bản địa VSV bản địa ( Indigenous Microorganism - IMO) bao gồm các loài vi sinh có nguồn gốc bản địa, sinh sống và phát triển trong môi trƣờng tự nhiên. Các VSV bản địa sống trong đất, nƣớc... tham gia tích cực vào quá trình phân giải chất hữu cơ biến chúng thành CO2 và những hợp chất vô cơ sử dụng làm thức ăn cho cây trồng; một số VSV cố định nitơ thông qua việc biến khí nitơ (N2) trong không khí thành các hợp chất chứa nitơ để cung cấp cho thực vật. IMO có các đặc điểm sau: Khả năng phân hủy: Khi các vật liệu phức tạp nhƣ thực vật, động vật, phân và phân hữu cơ xâm nhập vào đất, IMO sẽ phân hủy chúng thành các hợp chất hoặc nguyên tố đơn giản hơn có thể trải qua các tƣơng tác ion. Ngay cả các chất vô cơ đa dạng bị phân hủy bởi IMO cũng tăng hiệu quả của chúng và đƣợc chuyển đổi thành dạng dễ hấp thụ bởi thực vật. Sản sinh các quá trình hóa học trong đất: VSV sản xuất nhiều enzyme, kháng sinh, axit hữu cơ và các phức hợp khác nhau. Phần lớn các phản ứng hóa học trong đất phụ thuộc vào các enzyme là chất xúc tác. Tái sinh hệ sinh thái: Khi đất đƣợc tái sinh nhờ sử dụng IMO, nhiều loại vi khuẩn và nấm xuất hiện đầu tiên, tiếp theo là tuyến trùng, giun đất, dế nốt ruồi, nốt ruồi, v.v ... Việc sử dụng IMO làm cho hệ sinh thái trở lại theo cách này. Ức chế bệnh bằng cách lƣu thông hóa chất hoạt động tự nhiên: IMO có khả năng chuyển đổi đất yếu thành đất khỏe bằng cách hòa tan các khoáng chất 7 vi lƣợng và tăng cƣờng lƣu thông các chất dinh dƣỡng. IMO mang lại sự đa dạng cho đất, trong đó sự cân bằng giữa các quần thể VSV đã bị phá vỡ do lạm dụng hóa chất. IMO là những sinh vật có thể sống sót ngay trong điều kiện khắc nghiệt. Sự đa dạng phục hồi của vi khuẩn sau đó có thể làm giảm sự xuất hiện của bệnh một cách nhanh chóng [8]. Bảo vệ môi trƣờng có tầm quan trọng hàng đầu trong cuộc sống ngày nay của nhân loại. Các nhà khoa học đã nghiên cứu các công nghệ có sẵn tự nhiên để tăng cƣờng nông nghiệp, quản lý chất thải nông nghiệp, v.v ... Công nghệ dựa trên VSV bản địa là một trong những công nghệ tuyệt vời đƣợc áp dụng ở khu vực phía đông của thế giới để khai thác khoáng sản, tăng cƣờng nông nghiệp và quản lý chất thải. 1.2. Khả năng của vi sinh vật phân hủy một số nhóm chất 1.2.1. Sự phân hủy các chất tự nhiên Các chất hữu cơ sơ cấp - do thực vật tổng hợp từ CO2 liên tục hàng triệu năm nay, và các chất hữu cơ thứ cấp bắt nguồn từ đó, luôn luôn đƣợc phân huỷ song song và gần nhƣ cân bằng với sự tạo ra chúng, nên không bị tích tụ trên trái đất. Chỉ một phần nhỏ của sinh khối thực vật còn đƣợc giữ lại dƣới dạng các hợp chất cacbon có tính khử mạnh nhƣ dầu mỏ, khí mỏ và than đá, trong điều kiện kị khí. Còn trong điều kiện có không khí thì mọi chất đƣợc các cơ thể sống tổng hợp nên đều có khả năng bị phân huỷ nhờ VSV. Mỗi chất hữu cơ đều bị một nhóm VSV tƣơng ứng phân huỷ một phần hay toàn bộ, các sản phẩm phân huỷ này lại đƣợc các loài khác phân huỷ tiếp, cứ nhƣ thế đến tận các chất vô cơ. Nhƣ vậy vật chất luôn luôn đƣợc tuần hoàn bởi hai loại quá trình đối lập nhau: sự tổng hợp chất hữu cơ từ chất vô cơ, và phân huỷ chất hữu cơ thành chất vô cơ. Các quá trình phân huỷ này chủ yếu do VSV thực hiện, ở bất kỳ đâu có sự hiện diện của chúng: trong đất, trong nƣớc, trong cơ thể các sinh vật khác. Riêng trong đất, sự phân huỷ chất hữu cơ rơi vào đó do nhiều nhóm VSV và nhiều động vật nhỏ tham gia, tạo thành các mạng lƣới dinh dƣỡng [4]. VSV phân huỷ các chất hữu cơ tự nhiên để thu nhận vật chất (nguồn cacbon, nguồn nitơ,…) và năng lƣợng, cho sinh trƣởng của chúng. Trải qua quá 8 trình tiến hoá nhiều tỷ năm, chúng đã hoàn thiện đƣợc nhiều con đƣờng phân huỷ đối với nhiều loại chất khác nhau. Kết quả là ngày nay, không có một chất tự nhiên hữu cơ nào không bị VSV phân huỷ. Và chính vì thế, các chất tự nhiên ấy luôn tuần hoàn. 1.2.2. Vai trò của vi sinh vật cố định Nitơ đối với cây trồng Hiện nay, sử dụng phân đạm vô cơ khá tốn kém mà không phải lúc nào việc tăng năng suất cây trồng cũng bù lại đƣợc, nếu chế độ bón phân không hợp lý thì cây trồng chỉ hấp thu đƣợc một phần, còn phần lớn mất đi do quá trình rửa trôi trong đất và khử nitrat. Sử dụng VSV nhƣ một tác nhân sinh học có lợi trong sản xuất nông nghiệp là một trong những xu hƣớng có tiềm năng phát triển thành công nghệ vi sinh trên khắp thế giới. Từ các kết quả nghiên cứu trƣớc đây cho thấy các chế phẩm VSV có tác dụng nâng cao hiệu quả sử dụng phân bón, giảm thiểu thuốc hóa học bảo vệ thực vật và góp phần tích cực vào việc xây dựng nền nông nghiệp bền vững. Ngƣời ta đã ƣớc tính đƣợc lƣợng phân khoáng chỉ hoàn lại 27% lƣợng đạm mà cây trồng lấy đi, còn các loại phân xanh, phân chuồng chỉ bù lại khoảng 30%. Phần lớn lƣợng N cung cấp cho cây trồng là kết quả hoạt động của nhiều nhóm VSV. nổi bật hơn cả trong số những VSV cố định N cho đất là Azotobacter, Azospirillum, vi khuẩn lam và Rhizobium. Đó là cơ sở để sản xuất các loại phân đạm sinh học nhƣ nitragin, azotobacterin, azogin. Nhiều nƣớc trên thế giới đã sản xuất ở quy mô công nghiệp hoặc thủ công phân vi sinh azotobacterin, là dịch nuôi cấy vi khuẩn cố định N. Azotobacter đƣợc hấp phụ vào than bùn hoặc các loại đất giàu chất hữu cơ đã trung hòa và bổ sung thêm một ít phân lân và Kali [2]. Nghiên cứu của Murty M.G (1998) khi nhiễm Azospirillum vào đất trồng lúa cho thấy chúng có tác dụng kích thích sinh trƣởng, phát triển và tích lũy khoáng cho lúa [14]. Hiện nay, nitragin đƣợc sản xuất dƣới những dạng khác nhau nhƣ hấp phụ vào than bùn, vào đất hoặc ở dạng dịch thể. Tuy nhiên, khó khăn hiện nay là việc đảm bảo duy trì chất lƣợng của nitragin do Rhizobium là loại vi khuẩn 9 không tạo bào tử nên rất dễ bị chết trong quá trình bảo quản ở điều kiện nhiệt độ bình thƣờng. Đối với Việt Nam, các hình thức sản xuất hiệu quả thƣờng là tạo giống từ các phòng thí nghiệm và chuyển trực tiếp xuống các cơ sở sản xuất để nhân giống trong các môi trƣờng đơn giản chứa đƣờng và nƣớc chiết đậu. 1.2.3. Vai trò của vi sinh vật phân giải lân khó tan Việc sử dụng phân bón hóa học và một số loại phân hữu cơ trong nông nghiệp ngày càng tăng đã làm tăng sản lƣợng cây trồng một cách rõ rệt. Tuy nhiên, nó cũng đã gây ô nhiễm môi trƣờng và gây suy giảm sức khoẻ đất chậm. Các dƣ lƣợng hóa chất trong sản phẩm thực phẩm cũng gây thƣơng tích cho con ngƣời và gia súc. Để chống lại những vấn đề này và trong nền nông nghiệp bền vững, công nghệ xanh hiện đang đƣợc sử dụng rất nhiều. Bên cạnh đó, việc bón phân lân hóa học thích hợp cũng có ý nghĩa trong việc cải tạo các vùng đất chua, nhƣng bón phân lân vào đồng ruộng có hiệu quả hay không còn phụ thuộc vào sự có mặt của các nhóm VSV có khả năng phân giải hợp chất Phospho khó tan thành dạng dễ hòa tan. Đây là cơ sở để tạo các chế phẩm lân sinh học. 1.2.4. Vai trò của vi sinh vật phân giải cellulose Đối với các chế phẩm VSV phân giải cellulose đã có nhiều công trình nghiên cứu theo hƣớng sử dụng các chủng có hoạt lực mạnh để phân giải rác thải làm phân bón cho cây trồng nói chung và cây lúa nói riêng. Thạc sĩ Lê Hồng Phú - Đại học Bách Khoa đã chọn là chủng nấm mốc Aspergillus niger (chủng VSV có khả năng phân giải cellulose rất mạnh), nhằm tạo ra chế phẩm enzyme có hoạt tính phân giải mạnh pectin và cellulose để thực hiện đề tài “Chế biến vỏ cà phê thành phân hữu cơ” [7]. Võ Thanh Liêm đã nghiên cứu qui trình biến mụn dừa thành đất sạch bằng cách xả chát và các tạp chất trong mụn dừa, dùng phƣơng pháp hóa học để tách chất chát (lignin) trong dừa, đồng thời xử lý và cho ra một gốc hóa học khác ở dạng muối dễ tiêu. Sau đó mụn dừa đã xử lý sẽ đƣợc sấy khô đem xay và đóng gói vào bao. Ông còn nghiên cứu để cho ra loại đất sinh học cũng từ mụn dừa, thay vì xử lý bằng hóa học, ông dùng phƣơng pháp vi sinh để phân giải chất 10 chát trong mụn dừa thành dạng muối vi lƣợng, có tác dụng nhƣ một loại phân bón, khi trộn vào đất sẽ giúp đất trở nên tơi xốp hơn [6]. 1.2.5. Vai trò của vi sinh vật đối kháng Hƣớng phòng trừ bệnh sinh học đã và đang đƣợc nhiều các nhà khoa học trên thế giới nghiên cứu và cho ra các chế phẩm sinh học có nhiều triển vọng. Đây là một trong những phƣơng pháp phòng chống có hiệu quả khả quan. Hiện nay, để phòng trừ các loại nấm gây bệnh hại cây trồng, giúp cây trồng phát triển tốt hơn, làm cho tác nhân gây bệnh không kháng thuốc, an toàn với môi trƣờng sinh thái, phù hợp với xu hƣớng an toàn nông nghiệp hiện nay. Tìm ra các chủng VSV có khả năng kháng nấm bệnh là biện pháp phổ biến của công tác phòng trừ sinh học. Cơ chế đối kháng với VSV gây bệnh là chủng VSV có thể tiết ra chất kháng sinh, cạnh tranh về dinh dƣỡng hoặc tấn công trực tiếp lên tơ nấm gây bệnh, hay tiết ra những chất kích thích sinh trƣởng giúp cho cây trồng tăng khả năng kháng bệnh. Bacillus là một tác nhân sinh học đầy tiềm năng trong việc phòng trừ bệnh hại cây trồng. Chúng có khả năng đối kháng các loại vi nấm gây bệnh với phổ tác động rộng, không gây hại cho con ngƣời và cây trồng. Mặt khác, Bacillus còn tham gia vào quá trình chuyển hóa các chất hữu cơ khó phân hủy thành những chất hữu cơ đơn giản cho cây trồng dễ sử dụng, giúp cải tạo đất, khống chế và tiêu diệt một số loại VSV gây bệnh cho cây trồng bởi các chức năng sinh học chuyên biệt của chúng [11]. Vi khuẩn Bacillus subtilis nằm trong nhóm vi khuẩn có khả năng đối kháng với một số nấm gây bệnh cho cây. Trong các VSV đối kháng, vi khuẩn Bacillus đƣợc chứng minh có khả năng đối kháng với nhiều loại nấm nhƣ: Rhizoctonia, Sclerotinia, Fusarium, Pythium và Phytopthora và một số vi khuẩn khác nhờ vào khả năng sinh ra các chất kháng sinh. 1.3. Một số loại phân hữu cơ sinh học, hữu cơ vi sinh, chế phẩm vi sinh đang sử dụng tại Việt Nam Chế phẩm xử lý phụ phế phẩm nông nghiệp Chế phẩm sinh học nấm đối kháng Trichoderma ngoài tác dụng sản xuất phân bón hũu cơ sinh học, hay sử dụng nhƣ một loại thuốc bảo vệ thực vật thì còn có tác dụng để xử lý ủ phân 11 chuồng, phân gia súc, vỏ cà phê, chất thải hũu cơ nhƣ rơm, rạ, rác thải hữu cơ rất hiệu quả. Chế phẩm sinh học BIMA (có chứa Trichoderma sp.) của Trung Tâm Công nghệ Sinh học TP. Hồ Chí Minh, chế phẩm Vi-ĐK của Công ty thuốc sát trùng Việt Nam đang đƣợc nông dân TP. Hồ Chí Minh và khu vực Đồng bằng Sông Cửu Long, Đông Nam Bộ sử dụng rộng rãi trong việc ủ phân chuồng bón cho cây trồng. Việc sử dụng chế phẩm sinh học này đã đẩy nhanh tốc độ ủ hoai phân chuồng từ 2 - 3 lần so với phƣơng pháp thông thƣờng, giảm thiểu ô nhiễm môi trƣờng do mùi hôi thối của phân chuồng. Ngƣời nông dân lại tận dụng đƣợc nguồn phân tại chỗ, vừa đáp ứng đƣợc nhucầu ứng dụng tăng khả năng kháng bệnh cho cây trồng do tác dụng của nấm đối kháng Trichoderma có chứa trong trong phân. Các chế phẩm sinh học của Viện Sinh học nhiêt đới nhƣ BIO-F, chế phẩm sinh học chứa các VSV do nhóm phân lập và tuyển chọn: xạ khuẩn Streptomyces sp., nấm mốc Trichoderma sp. và vi khuẩn Bacillus sp.. Những VSV trên trong chế phẩm sinh học có tác dụng phân huỷ nhanh các hợp chất hữu cơ trong phân lợn, gà và bò (protein và cellulose), gây mất mùi hôi. Trƣớc đó, chế phẩm sinh học BIO-F đã đƣợc sử dụng để sản xuất thành công phân bón hữu cơ vi sinh từ bùn đáy ao, vỏ cà phê và xử lý rác thải sinh hoạt. Chế phẩm sinh học cải tạo đất Viện Công nghệ Sinh học (Viện Khoa học và Công nghệ Việt Nam) đã nghiên cứu và sản xuất thành công chế phẩm sinh học giữ ẩm cho đất có tên là Lipomycin-M. Thành phần chính là của Lipomycin-M là chủng nấm men Lipomyces PT7.1 có khả năng tạo màng nhầy trong điều kiện đất khô hạn, giúp giảm thoát nƣớc, duy trì độ ẩm cho đất trong điều kiện địa hình không có nƣớc tƣới thời gian dài, góp phần nâng cao tỷ lệ sống của cây trồng, hỗ trợ tốt cho việc phủ xanh đất trống đồi trọc. Chế phẩm sinh học này đƣợc xem là một giải pháp cải tạo đất bền vững cho môi trƣờng sinh thái. Chế phẩm sinh học ứng dụng phòng trừ sâu bệnh VINEEM 1500 EC là sản phẩm của Công ty thuốc sát trùng Miền Nam, đƣợc chiết xuất từ nhân hạt