Sử dụng chế phẩm sinh học xử lý tàn dư thực vật trên đồng ruộng
Khóa luận tốt nghiệp
Nguyễn Mạnh Tuấn- MTA51
PHẦN I: MỞ ĐẦU
1.1 Đặt vấn đề
Việt Nam là một nước nông nghiệp, hàng năm sản xuất ra hàng chục
triệu tấn lương thực, cùng với nó là phụ phẩm sau quá trình thu hoạch như
thân cây ngô, đậu, lạc, mía,… và đặc biệt là rơm rạ. Một năm nước ta sản
xuất được khoảng 36-37 triệu tấn lúa; 17-18 triệu tấn mía; 4,5 triệu tấn ngô,...
ước tính tổng số phế phẩm trong nông nghiệp tạo ra trên 50 triệu tấn [27].
Trước đây, người nông dân tận dụng những phụ phẩm này làm chất đốt
phục vụ sinh hoạt gia đình, thức ăn cho gia súc (rơm rạ cho trâu, bò,…) hay
vùi ngay xuống đất để tự phân hủy. Đã có lúc những phế phẩm nông nghiệp
này bị tiêu hủy ngay tại đồng ruộng bằng cách đốt bỏ. Biện pháp này đã gây ô
nhiễm môi trường và hơn nữa làm mất đi vĩnh viễn nhiều nguyên tố quan
trọng mà cây trồng đã lấy đi từ đất, đặc biệt là cacbon, lưu huỳnh.
Hàng năm nước ta chỉ sản xuất được khoảng 2.669.137 tấn phân bón
cho sản xuất nông nghiệp, đáp ứng được 8% nhu cầu về phân đạm, 65% nhu
cầu phân lân, còn lại phải nhập khẩu từ nước ngoài. Trong giai đoạn 20052010 dự tính hàng năm nhu cầu sản xuất cần 1.504.000 tấn đạm, 813.000 tấn
1
Khóa luận tốt nghiệp
2
5
Nguyễn Mạnh Tuấn- MTA51
2
P O , 598.000 tấn K O (Bùi Huy Hiền, 2005). Nếu ta tận dụng được nguồn
phế thải từ sản xuất nông nghiệp sẽ giảm được 10-20% lượng phân khoáng thì
chúng ta đã tiết kiệm được khoảng 110,5-221,1 triệu USD/năm.
Đoan Bái là một xã thuần nông thuộc huyện Hiệp Hòa tỉnh Bắc Giang.
Tổng diện tích đất nông nghiệp của xã là 714,21ha, canh tác các loại cây
trồng như lúa, ngô, lạc,… với diện tích đất như trên thì lượng tàn dư thực vật
được sinh ra trên đồng ruộng là không nhỏ. Phần lớn lượng tàn dư này được
bà con để lại ruộng, một phần được cày úp vùi luôn xuống ruộng, phần còn lại
được chất đống rồi đốt. Việc đốt rơm rạ đã tạo ra lượng khói bụi lớn ảnh
hưởng đến sinh hoạt của người dân, ô nhiễm môi trường, đồng thời làm chai
cứng đất dưới tác dụng của nhiệt độ, gây ảnh hưởng nghiêm trọng đến chất
lượng đất sau này.
Xử lý tàn dư thực vật trên đồng ruộng bằng chế phẩm vi sinh là việc
làm cần thiết, không chỉ làm sạch môi trường, tiêu diệt mầm bệnh, dịch hại
cây trồng mà còn có ý nghĩa rất lớn trong việc tạo ra nguồn phân hữu cơ tại
2
Khóa luận tốt nghiệp
Nguyễn Mạnh Tuấn- MTA51
chỗ trả lại cho đất giải quyết sự thiếu hụt về phân hữu cơ hiện nay, đồng thời
giảm bớt chi phí về phân bón và thuốc trừ sâu cho nông dân.
Xuất phát từ thực tế trên chúng tôi thực hiện đề tài: “Ứng dụng quy
trình B2004-32-66 xử lý tàn dư rơm rạ trên đồng ruộng và tái chế thành phân
hữu cơ bón cho cây lạc vụ Xuân 2010 tại xã Đoan Bái - huyện Hiệp Hòa - tỉnh
Bắc Giang”
1.2 Mục đích yêu cầu của đề tài
1.2.1 Mục đích nghiên cứu
- Điều tra lượng tàn dư thực vật và rơm rạ trên đồng ruộng trong sản xuất
nông nghiệp tại xã Đoan Bái.
- Áp dụng quy trình (B2004-32-66) xử lý phế thải rơm rạ tái chế thành
phân hữu cơ góp phần giảm thải ô nhiễm môi trường.
- Đánh giá hiệu quả sử dụng phân hữu cơ tái chế từ rơm rạ trên cây lạc vụ
Xuân 2010.
1.2.2 Yêu cầu nghiên cứu
- Sử dụng phiếu để điều tra lượng tàn dư thực vật trong sản xuất nông nghiệp
của xã Đoan Bái – Hiệp Hòa – Bắc Giang.
- Tiến hành ủ phế thải rơm rạ theo quy trình B2004-32-66 thành phân hữu cơ.
3
Khóa luận tốt nghiệp
Nguyễn Mạnh Tuấn- MTA51
- Bố trí thí nghiệm đánh giá hiệu quả của phân hữu cơ tái chế từ rơm rạ trên
cây lạc vụ Xuân 2010.
PHẦN II: TỔNG QUAN TÀI LIỆU
2.1 Tổng quan về cây lúa
2.1.1 Cây lúa và vai trò của nó trong đời sống nhân loại
Cây lúa Oryza sativa là một cây thân thảo, có nguồn gốc từ cây lúa dại
Oryza fatua. Nó là loại cây được đánh giá là cổ xưa nhất, sự tiến hóa của nó
gắn liền với sự tiến hóa của loài người (đặc biệt là châu Á). Theo các tài liệu
ghi chép lại thì cây lúa được trồng ở Trung Quốc khoảng năm 2800-2700
trước công nguyên, ở Thái Lan vào khoảng 4000 năm trước công nguyên và ở
Việt Nam vào khoảng 4000-3000 năm trước công nguyên.
Cây lúa nước là một trong những cây lương thực chủ yếu và quan trọng
trên thế giới, có ảnh hưởng không 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 châu Phi và 1,3 triệu
người dân châu Mỹ. Ở Việt Nam, gieo trồng lúa nước là một nghề có truyền
thống lâu đời, đem lại lợi ích nhiều mặt cho bà con nông dân nói riêng và
nhân dân cả nước nói chung. Đặc biệt là từ khi thực hiện Nghị quyết 10 và
Chỉ thị 100 cùng với việc áp dụng tiến bộ khoa học công nghệ về giống, thủy
lợi, phân bón, kỹ thuật canh tác, quản lý sử dụng đất đai,… sản lượng thóc đã
tăng từ 19,2 triệu tấn (năm 1990) lên 35,86 triệu tấn (năm 2007), tăng trung
bình 0,98 triệu tấn/năm. Sản xuất lúa gạo không những đã đảm bảo vững chắc
mục tiêu an ninh lương thực quốc gia mà còn đưa nước ta lên vị trí số 2 thế
giới về xuất khẩu lúa gạo, với lượng xuất khẩu trung bình 3-3,5 triệu tấn/năm
[4]. Đặc 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
4
Khóa luận tốt nghiệp
Nguyễn Mạnh Tuấn- MTA51
nghìn người có thể chết đói (dự đoán của Quỹ tiền tệ quốc tế - IMF), nhiều
quốc gia trên thế giới đã phải dùng nguồn lương thực dự trữ hoặc bị khủng
hoảng lương thực chờ viện trợ từ bên ngoài (Thông báo của Tổ chức lương
thực và Nông nghiệp của Liên hợp quốc – FAO) nhưng tổng lượng gạo xuất
khẩu 2 tháng đầu năm 2008 của Việt Nam vẫn đạt 459,3 nghìn tấn với trị giá
gần 190,44 triệu USD, tăng 76,95% về lượng và tăng 126,91% về giá trị so
với cùng kỳ năm 2007 [25].
Như vậy, việc trồng lúa và tăng năng suất, chất lượng lúa gạo là việc
làm có ý nghĩa rất lớn trong vấn đề bình ổn an ninh lương thực, bình ổn chính
trị của nhiều quốc gia trên thế giới đồng thời cũng là yếu tố đem lại nguồn thu
ngoại tệ lớn của một số nước xuất khẩu gạo (Thái Lan, Việt Nam, Ấn Độ, Ai
Cập,…). Bên cạnh đó, cây lúa còn góp phần cung cấp cho người nông dân
chất đốt, nguyên liệu làm thức ăn gia súc, phân bón và vật liệu che phủ đất rất
hữu hiệu,… 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.
Cây lúa
Rơm rạ
Hạt thóc
Gạo
Cám
- Nhiên liệu
- Giá thể nuôi nấm
- Thức ăn gia súc
- Phân bón
- Vật liệu che phủ đất
- Làm nhà đất
….
Trấu
Lương thực
Thức ăn
Phân bón,
cho người
gia súc,
chất đốt,
và động
nguyên liệu
chất phụ
vật, sản
sản xuất
gia…
xuất rượu,
phân bón
…
HCVS
…
Sơ đồ 2.1 Vai trò của cây lúa (Oryza sativa)
2.1.2 Tình hình sản xuất lúa trên Thế giới và Việt Nam
Tình hình sản xuất lúa trên Thế giới
5
Khóa luận tốt nghiệp
Nguyễn Mạnh Tuấn- MTA51
Nhu cầu về gạo trên thế giới ngày càng tăng, bình quân mỗi năm phải
tăng 1,7% trong thời kỳ 1990 đến 2025. Điều đó phụ thuộc vào sự phát triển
dân số ở mỗi thời kỳ và nhu cầu về lương thực của con người.
Lúa vẫn là cây lương thực chính, cung cấp hơn 50% tổng năng lượng
được tiêu thụ cho toàn nhân loại. Xét về tiêu dùng thì lúa gạo được con người
tiêu thụ nhiều nhất, chiếm 85% tổng lượng sản xuất rồi đến lúa mì 60% và
ngô là 25%. Ngoài việc cung cấp tinh bột, gạo còn cung cấp protein, lipit,
vitamin và các khoáng chất cần thiết cho cơ thể con người, đặc biệt là vitamin
nhóm B [18].
Theo số liệu thống kê của FAO năm 2004, diện tích trồng lúa toàn thế
giới khoảng 150 triệu ha và sự biến động diện tích hàng năm không nhiều.
Sản lượng các năm có khác nhau là do năng suất. Trên 90% diện tích tập
trung ở châu Á. Xét về diện tích, 11 nước trồng lúa lớn nhất thế giới là
Bangladet, Ấn Độ, Trung Quốc, Indonexia, Thái Lan, Việt Nam, Myanma,
Nhật Bản, Brazin, và Mỹ. Năng suất bình quân toàn thế giới là 3,7 tấn/ha, cao
nhất là châu Úc (đạt 8,3 tấn/ha) tiếp đó là Mỹ và thấp nhất là châu Phi (mới
chỉ đạt 2,2 tấn/ha). Tổng sản lượng lúa trên thế giới đạt 535,7 triệu tấn trong
năm 1994, trong đó các nước châu Á sản xuất 485,1 triệu tấn (chiếm 90,55%).
Theo báo cáo của Tổng cục thống kê, sản lượng thóc toàn cầu năm 2007 đạt
khoảng 643 triệu tấn (tương đương với 429 triệu tấn gạo), với năng suất ổn
định 4,1 tấn/ha. Sản lượng lúa ở châu Á đạt khoảng 584 triệu tấn năm 2007
(cao hơn 3 triệu tấn so với năm 2006); châu Phi năm 2007 đạt 22,2 triệu tấn
(tương đương năm 2006); và tại Nam Mỹ sản lượng lúa năm 2007 đạt 21,6
triệu tấn (thấp hơn năm 2006 là 4% (22,4 triệu tấn)) [18].
Tình hình sản xuất lúa ở Việt Nam
Từ xưa tới nay, cây lúa vẫn là cây lương thực chính, chiếm 82% tổng
diện tích trồng trọt. Hiện tại, nước ta cơ bản vẫn là một nước nông nghiệp,
6
Khóa luận tốt nghiệp
Nguyễn Mạnh Tuấn- MTA51
nên cây lúa có ảnh hưởng trực tiếp đến đời sống, an ninh xã hội của cả nước.
Vì vậy sản xuất lúa có ảnh hưởng đến thu nhập của hàng chục triệu nông dân
và ổn định chính trị, xã hội của đất nước.
Theo số liệu của Bộ NN&PTNT, thành tựu sản xuất lúa gạo của nước
ta là rất to lớn và vững chắc. Nếu giai đoạn 1975-1980 sản lượng thóc của
chúng ta mới chỉ xung quanh 10-11 triệu tấn, thiếu hụt 1,6-1,7 triệu tấn gạo và
mức tiêu dùng gạo chỉ xung quanh 120kg/người/năm thì đến 2000 sản lượng
lúa đã tăng lên tới 32,5 triệu tấn, đưa nước ta vào một trong năm nước có sản
lượng thóc lớn nhất thế giới.
Từ năm 2000-2006, tổng sản lượng lúa gạo của Việt Nam tăng mạnh,
từ 32,5 triệu tấn (năm 2000) lên 35,8 triệu tấn (năm 2006).
Bảng 2.1 Diện tích, năng suất, sản lượng lúa của Việt Nam
Năm
Diện tích
(1000 ha)
Năng suất
(tạ/ha)
Sản lượng
(1000 tấn)
2000
7666,3
42,2
32529,5
2001
7492,7
42,9
32108,4
2002
7504,3
45,9
34447,2
2003
7452,2
46,4
34568,8
2004
7445,3
48,6
36148,9
2005
7329,2
48,8
35832,9
2006
7324,4
48,9
35826,8
(Nguồn: số liệu thống kê năm 2007, Tổng cục thống kê Việt Nam)
Bảng trên cho ta thấy diện tích và sản lượng lúa của Việt Nam qua các
năm.Như vậy, diện tích canh tác lúa có giảm qua các năm, nhưng sản lượng
và năng suất tăng lên. Có được kết quả như trên, trước hết là phải nói tới
chính sách đổi mới, cơ chế quản lý nông nghiệp của Đảng phù hợp với lòng
7
Khóa luận tốt nghiệp
Nguyễn Mạnh Tuấn- MTA51
dân, phát huy nội lực thúc đẩy lực lượng sản xuất phát triển. Đối với sản xuất
nông nghiệp đã ưu tiên đầu tư các công trình thủy lợi, nghiên cứu đưa ứng
dụng khoa học kỹ thuật tiên tiến vào sản xuất. Đặc biệt là các giống lúa mới
có thời gian sinh trưởng ngắn, năng suất cao, khả năng chống chịu tốt đã đưa
vào sản xuất góp phần làm tăng năng suất và sản lượng.
2.1.3 Các biện pháp xử lý tàn dư rơm rạ
Xử lý rơm rạ trên đồng ruộng
Thông thường để xử lý rơm rạ sau khi thu hoạch bao gồm việc thu về
làm nhiên liệu đun nấu, đốt, rải trên đồng ruộng,… mỗi cách xử lý khác nhau,
về lâu dài, đều ảnh hưởng đến toàn bộ sự cân bằng và tình trạng dinh dưỡng
trong đất. Tuy nhiên trên thực tế chỉ có 3 phương thức xử lý rơm rạ chính: lấy
rơm rạ ra khỏi đồng ruộng, vùi rơm rạ vào đất, đốt rơm rạ sau vụ thu hoạch.
* Lấy rơm rạ ra khỏi đồng ruộng
Lấy rơm rạ ra khỏi đồng ruộng làm ảnh hưởng đến quá trình nghèo hóa
và cạn kiệt Nitơ (N), Kali (K) và Silic (Si) trong đất. Tuy nhiên rơm rạ có thể
được sử dụng làm nhiên liệu để nấu nướng, làm thức ăn cho trâu bò, làm nấm,
hay làm nhiên liệu cho nghành công nghiệp,… Như vậy việc lấy rơm rạ ra
khỏi đồng ruộng sẽ lấy đi một số lượng lớn dinh dưỡng mỗi năm, nhất là khi
phân chuồng không được dùng trở lại cho đồng ruộng.
* Vùi rơm rạ vào đất
Đây là việc làm trả lại cho đất hầu hết các chất dinh dưỡng mà cây lúa
đã lấy đi từ đất, nên có tác dụng bảo tồn toàn bộ nguồn dinh dưỡng dữ trữ của
đất về lâu dài. Nếu kết hợp việc bón phân từng vụ cho lúa cùng với việc vùi
rơm rạ vào đất sẽ bảo toàn được dinh dưỡng N, P, K, S cho lúa còn làm tăng
khả năng dự trữ dinh dưỡng cho lúa. Tuy nhiên việc vùi rơm rạ ướt, sẽ gây ra
8
Khóa luận tốt nghiệp
Nguyễn Mạnh Tuấn- MTA51
tình trạng cố định tạm thời của đạm (N) và làm tăng lượng metan (CH 4)
phóng thích trong đất, gây ra tình trạng tích lũy khí nhà kính. Khi vùi một
lượng lớn rơm rạ vào đất sẽ tốn nhiều lao động, cần có máy móc thích hợp
cho việc làm đất cũng như có thể gây một số vấn đề về bệnh cây.
9
Khóa luận tốt nghiệp
Nguyễn Mạnh Tuấn- MTA51
* Đốt rơm rạ sau thu hoạch
Đốt rơm rạ hầu như làm mất hết toàn bộ N; lượng P mất đi khoảng
25%; K mất đi khoảng 20% và S mất đi khoảng 5-60%. Lượng dinh dưỡng
mất mát tùy thuộc vào cách thức đốt rơm rạ. Việc đốt rơm rạ gây ra ô nhiễm
không khí và mất dinh dưỡng, nhưng lại là biện pháp làm giảm giá thành và
giảm thiểu sâu bệnh hại.
Như vậy tùy theo sự cân nhắc lợi hại mà có thể sử dụng biện pháp xử lý
rơm rạ khác nhau. Tuy nhiên, nếu không vì mục đích nâng cao giá trị của rơm
rạ như làm nấm, làm giấy,... thì cách tốt nhất nên vùi rơm rạ vào đất để duy trì
lâu dài sự cân bằng dinh dưỡng vào đất. Trong trường hợp vì thiếu lao động,
phương tiện,… thì đốt rơm rạ theo hình thức rải đều trên ruộng vẫn tốt hơn
việc lấy rơm rạ ra khỏi đồng ruộng để bỏ đi.
Phân bón chế biến từ rơm rạ
Sử dụng chế phẩm sinh học, các chuyên gia thuộc Viện Công nghệ sinh
học đã giúp nông dân biến rơm rạ thành chất mùn bón ruộng. Phương pháp
này không chỉ cải tạo đất mà còn góp phần bảo vệ môi trường.
Sau mỗi vụ gặt, nông dân thu gom rơm rạ vào một góc ruộng, hòa chế
phẩm cùng với nước và phân NPK rồi tưới lên rơm rạ. Sau đó họ phủ nilông
hoặc trát bùn để giữ ẩm. Sau thời gian từ 45 đến 60 ngày đem tái chế và có
thể sử dụng bón trực tiếp cho các loại cây trồng nông nghiệp.
2.2 Các biện pháp sinh học xử lý tàn dư thực vật trên đồng ruộng
2.2.1 Thành phần các hợp chất có trong tàn dư thực vật
Thành phần phế thải hữu cơ trên đồng ruộng
Phế thải hữu cơ tự nhiên có thành phần rất phong phú và đa dạng. Tuy
nhiên, chúng đều thuộc vào 2 nhóm hợp chất chính: nhóm hợp chất hữu cơ
chứa cacbon (xenluloza, hemixenluloza, pectin, lignin, tinh bột) và nhóm hợp
chất hữu cơ chứa nito (protein, lipit, kitin).
10
Khóa luận tốt nghiệp
Nguyễn Mạnh Tuấn- MTA51
Các hợp chất hữu cơ này không biến mất mà luôn luôn chuyển hóa từ
dạng này sang dạng khác dưới tác dụng của nhiều yếu tố khác nhau (vật lý,
hóa học, sinh học) tạo thành một vòng tuần hoàn khép kín trong tự nhiên.
Bảng 2.2 Hàm lượng xenluloza trong một số tàn dư thực vật
Loại tàn dư thực vật
Vỏ hạt
Bông
Sợi
Gỗ thông
Lúa mì
Rơm
Lúa mạch
Lúa nước
Vỏ đậu tương
Xenluloza (%)
60,00
91,00
41,00
30,50
48,34
43,00
51,00
(Nguồn: Nguyễn Thị Dung, 1996) [2]
Thành phần và số lượng phế thải hữu cơ trên đồng ruộng là tùy thuộc
vào hệ thống canh tác của mỗi vùng địa lý, mỗi quốc gia, dân tộc. Tuy vậy,
phế thải hữu cơ trên đồng 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) mà chủ yếu mà
xenluloza.
Thành phần và tỷ lệ các hợp chất có trong rơm rạ
Thành phần chính của rơm rạ là xenluloza, nếu tính theo sản lượng khô
thì trong rơm rạ có:
- 1,2 – 2% chất béo;
- 30% các dẫn xuất không chứa đạm;
- 35 – 36% xenluloza;
- 14 – 15% chất khoáng.
Thành phần hóa học của rơm rạ từ các giống lúa và mùa vụ gieo trồng
khác nhau sẽ khác nhau. Điều này, ta có thể thấy rõ trong bảng 2.3: [5]
11
Khóa luận tốt nghiệp
Nguyễn Mạnh Tuấn- MTA51
Bảng 2.3 Thành phần hóa học của một số loại rơm rạ khô ở Việt
Nam
Loại
rơm
Rơm lúa
chiêm
Rơm lúa
mùa
Rơm lúa
nếp
Rơm lúa
tẻ
Vật
chất
khô
Protein
thô
Lipit
thô
Xơ thô
Dẫn xuất
Khoáng
không N
(%)
90,85
4,65
1,49
31,18
40,91
12,62
90,81
5,06
1,67
30,61
37,23
16,24
94,36
7,06
1,34
30,91
40,57
14,48
91,25
5,15
1,32
29,88
42,45
12,45
(Nguồn: http://www.sinhhocvietnam.com/)
2.2.2 Cơ sở khoa học của việc ứng dụng công nghệ vi sinh trong xử lý tàn
dư thực vật trên đồng ruộng
Từ lâu con người đã nhận thức được tầm quan trọng của vi sinh vật đối
với con người và sản xuất nông nghiệp. Nhờ khả năng kỳ diệu của vi sinh vật
trong quá trình tổng hợp, phân giải các hợp chất đã góp phần tích cực vào
việc khép kín vòng tuần hoàn các vật chất trong tự nhiên, trong đó có vòng
tuần hoàn Cacbon và nitơ.
Trong vấn đề xử lý tàn dư thực vật trên đồng ruộng người ta thường tập
trung nghiên cứu phương pháp để quá trình phân giải, chuyển hóa các họp chất
cacbon khó phân giải: xenluloza, hemixenluloza, lignin,... (chủ yếu là xenluloza)
diễn ra thuận lợi nhất. Trong đó, không thể thiếu việc tìm hiểu về đặc điểm cấu tạo
và đặc tính lý hóa học của chúng.
2.1.1.1 Xenlulo
Xenlulo là hợp chất cao phân tử được cấu tạo từ các gốc β-D – Glucose
bằng liên kết β – 1,4 glucozit tạo thành dạng chuỗi, có công thức cấu tạo là
(C6H10O5)n hay [C6H7O2(OH)3]n trong đó n có thể nằm trong khoảng 5000 –
12
Khóa luận tốt nghiệp
Nguyễn Mạnh Tuấn- MTA51
14000. Mỗi phân tử xenlulo thường chứa 1.400 – 10.000 gốc gluco [20].
Trọng lượng phân tử của xenlulo rất khác nhau, phụ thuộc vào từng loại thực
vật (ở bông là 1.000.000, còn ở sợi gai là 1.840.000). Trên mỗi chuỗi glucan
các đơn vị lặp lại không phải là gluco mà là xenlulobio. Mỗi phân tử có dạng
ghế. Phân tử này quay 180o so với phân tử kia, do đó các nhóm hydroxyl (OH) đều ở mặt phẳng ngang của phân tử [16]. Xenlulo là thành phần cơ bản
của thành tế bào thực vật, kết hợp với hemixenlulo và lignin tạo nên độ cứng
cho thành tế bào. Trong tự nhiên xenlulo là hợp chất khá bền vững, chúng
không tan trong nước mà chỉ bị phồng lên vì các nhóm hydroxyl của các đơn
vị gluco có xu hướng hoàn thành liên kết hydrogen nhạy hơn là với phân tử
nước. Phân tử xenlulo có cấu trúc không đồng nhất gồm 2 vùng: vùng kết tinh
có trật tự cao (sự sắp xếp phân tử giữa mỗi sợi là đều đặn), cấu trúc sợi đậm
đặc và chặt chẽ như tinh thể và chiếm khoảng 3/4 cấu trúc xenlulo; và vùng
vô định hình có cấu trúc ít trật tự hơn, do đó dễ dàng bị enzim xenlulaza tấn
công vì vùng này có thể hấp thụ nước và trương lên [23].
Xenlulo là một hợp chất tương đối phức tạp và chỉ bị thủy phân khi bị
đun nóng với axit và kiềm nhưng lại bị thủy phân ở điều kiện bình thường
nhờ phức hệ xenlulaza của VSV [22]. Hàng năm thảm thực vật trên Trái đất
tổng hợp được một khối lượng lớn hydratcacbon. Trong đó tinh bột là nguồn
thức ăn cho người và động vật. Phần còn lại chủ yếu là xenlulo, hemixenlulo,
lignin thì con người và động vật lại không hoặc ít sử dụng. Vì thế các phế thải
chứa xenlulo đã bị ứ đọng và gây ô nhiễm môi trường. Chính vì vậy, việc
thủy phân xenlulo thành gluco là một vấn đề có ý nghĩa quan trọng trong việc
khép kín vòng tuần hoàn cacbon. Tuy nhiên, nếu sử dụng phương pháp hóa
học sẽ tốn nhiều kinh phí và hiệu quả kinh tế không cao. Do đó, phương pháp
sinh học dùng vi sinh vật là một phương pháp tối ưu và cho hiệu quả cao [16].
Cơ sở khoa học của quá trình phân hủy xenlulo
13
Khóa luận tốt nghiệp
Nguyễn Mạnh Tuấn- MTA51
a. Sinh tổng hợp xenlulaza của vi sinh vật
Phân giải xenlulo tự nhiên là một quá trình phức tạp đòi hỏi sự tham
gia phối hợp của phức hệ enzim xenlulaza. Sinh tổng hợp xenlulaza được thực
hiện nhờ cơ chế cảm ứng, kìm hãm xenlulo tự nhiên và dẫn xuất của chúng là
những tác nhân cảm ứng đặc hiệu với các thành phần trong phức hệ
xenlulaza. Quá trình này chịu sự điều khiển của bộ máy di truyền và các quá
trình sinh hóa do các chất cảm ứng, sự kiềm chế của các chất trao đổi và các
sản phẩm cuối cùng.
Theo Whitaker, xenlulo không phải là chất cảm ứng trực tiếp mà khi ở
ngoài môi trường chúng bị thủy phân bởi một lượng nhỏ enzim cấu trúc thành
xenlobioza, chất này có thể thấm qua màng tế bào vào trong và được coi là
chất cảm ứng sinh lí, nhưng nếu nồng độ xenlobioza cao sẽ sinh tổng hợp
xenlulaza. Vì vậy, để thu được nguồn enzim cao người ta thường sử dụng các
cơ chất không dễ bị thủy phân như: bã mía, rơm rạ, giấy loại. Hoặc có thể
nuôi cấy kết hợp vi sinh vật đồng hóa tốt xenlobioza [11].
Spirodonov đã nghiên cứu ảnh hưởng của các nguồn cacbon lên quá
trình sinh tổng hợp xenlulaza của chủng VK Thermomonospora fusca cho
thấy nguồn cacbon dễ tiêu (1%): gluco, xenlobioza, xyloza không ức chế sinh
tổng hợp xenlulaza. Tuy nhiên, nếu nuôi trên môi trường có xenlulo vi tinh
thể thì hoạt lực xenlulaza mạnh nhất. Hoạt lực xenlulaza sẽ thấp hơn từ 20-30
lần nếu nuôi cấy trong môi trường không bổ sung gluco và xyloza [11].
b. Cơ chế phân giải xenlulo
Quá trình phân giải xenlulo của vi sinh vật được thực hiện bởi phức hệ
enzim xenlulaza. Phức hệ này gồm 3 enzim chủ yếu:
- Endogluconaza (1,4 - β - D glucanohydrolaza, Cx, EC 3.2.1.4). Thủy
phân liên kết 1,4 glucozit bên trong phân tử xenlulo một cách tùy tiện, nó
không tấn công xenlobioza nhưng thủy phân xenlodextrin. Enzim này phân
14
Khóa luận tốt nghiệp
Nguyễn Mạnh Tuấn- MTA51
giải mạnh xenlulo hòa tan nhất là dạng xenlulo vô định hình nhưng hoạt động
yếu ở vùng kết tinh.
- Exoglucanaza (1,4 - β - D glucanxenlobiohydrolaza, C1, EC 3.2.1.91).
Tác dụng lên xenlulo, cắt các đơn vị xenlobioza khỏi các đầu không khử của
chuỗi xenlulo, không tấn công các xenlulo thay thế, có thể thủy phân
xenlodextrin nhưng không thủy phân xenlobioza.
- β glucozidaza (β - D glucozit glucohydrolaza) hay xenlobioza
EC 3.2.1.21. Cắt các xenlobioza tạo thành bởi C1 và Cx thành gluco, không
tấn công xenlulo hay xenlodextrin bậc cao [12].
Về động học phản ứng của các enzim này, Reese và các cộng sự lần
đầu đưa ra cơ chế phân giải vào năm 1950.
Xenlulo
tự nhiên
C1
Xenlulo
Cx
hoạt động
Đường Xenlobioza
Gluco
hòa tan
Theo Reese thì enzim C1 tương ứng với Endo – glucanaza là “tiền nhân
tố thủy phân” hay enzim không đặc biệt làm biến dạng xenlulo tự nhiên thành
các chuỗi xenlulo hoạt động có mạch ngắn hơn, sau đó enzim Cx tương ứng
với Exo – glucanaza tiếp tục phân cắt, giải phóng các đường hòa tan, và cuối
cùng tạo thành gluco dưới tác dụng của xenlobioza [9].
Còn tác giả Lutzen thì cho rằng sự thủy phân xenlulo tự nhiên phải có
sự hiệp đồng của cả 3 loại enzim trên. Chúng tạo thành phức hệ enzim nhiều
thành phần trên bề mặt của các phân tử xenlulo. Nhờ đó Lutzen đưa ra mô
hình phân giải xenlulo như sơ đồ sau:
15
Khóa luận tốt nghiệp
Nguyễn Mạnh Tuấn- MTA51
Exo – glucanaza
Endo – glucanaza
Xenlobioza
Xenlulo
Xenlobiohydrolaza
Gn
G1
G
(2)Endo – glucanaza + Xenlobiohydrolaza
(1) Exo – glucanaza
Sơ đồ 2.2 Mô hình phân hủy xenlulo của Lutzen
Để thủy phân xenlulo vô định hình cần có sự tác động của C x hoặc C1
nhưng để thủy phân xenlulo tinh thể thì nhất thiết phải có sự có mặt của cả 2
loại enzim này. Ở đây phức hệ enzim xenlulaza có tác động hiệp đồng chặt
chẽ, Cx tấn công một cách tự nhiên lên chuỗi xenlulo, phân cắt liên kết
glucozit ở một số chỗ tùy ý, tạo ra các đầu có khả năng bị tấn công bởi C 1.
Kết quả tạo ra xenlobioza – một chất kìm hãm cho cả C1 và Cx. Các liên kết
glucozit đã được tách ra sẽ có khả năng nhanh chóng bị nối lại do bản chất có
trật tự cao của chính cơ chất, còn khi vắng mặt Cx thì sự thủy phân không xảy ra
hoặc xảy ra chậm chạp do không tạo ra các đầu tự do (Coughlan & CTV, 1979).
c. Vi sinh vật phân giải xenlulo
Trong tự nhiên khu hệ VSV phân giải xenlulo rất phong phú và đa dạng
bao gồm cả VK, XK và các loài nấm.
Xenlulo là một phức hệ enzim rất phức tạp, các VSV thường không có
khả năng tạo được tỉ lệ giữa các hợp phần một cách tương đối. Có loài tạo
được nhiều enzim này, có loài tạo được nhiều enzim khác, ví dụ vi khuẩn
thường không có khả năng tổng hợp Exo – glucanaza, trong khi đa số các loài
nấm lại có khả năng này. Giống nấm Tricoderma có khả năng tổng hợp mạnh
các enzim Endo – glucanaza và Exo – glucanaza, giống Aspergillus niger lại
16
Khóa luận tốt nghiệp
Nguyễn Mạnh Tuấn- MTA51
tổng hợp mạnh xenlobioza, chúng thường kết hợp với nhau trong mối quan hệ
sinh hỗ.
Nấm: có rất nhiều loài nấm phân giải xenlulo mạnh, trong đó nấm sợi
là nhóm có khả năng tiết ra môi trường một lượng lớn enzim với đầy đủ các
thành phần nên có khả năng phân giải xenlulo mạnh. Nấm có hoạt tính phân
giải xenlulo đáng chú ý là Trichoderma bao gồm hầu hết các loại sống hoại
sinh trong đất, những đại diện tiêu biểu là Trichoderma reesei, Trichoderma
virder, chúng phân hủy tàn dư thực vật trong đất góp phần chuyển hóa lượng
hữu cơ khổng lồ. Một số loài nấm khác cũng có hoạt tính phân giải xenlulo
khá cao là Aspergillus niger, Fusarium solani, Penicillium pinophinum và
Sclevotium rolfsii [21].
Vi khuẩn: so với nấm sợi thì khả năng phân giải xenlulo của vi khuẩn
không cao bằng do lượng enzim tiết ra môi trường ít hơn và số enzim cũng
không đầy đủ. Do vậy để phân giải xenlulo tự nhiên các loài VK khác nhau
phải phối hợp với nhau để cùng phân giải trong mối quan hệ sinh hỗ.
Các vi khuẩn hiếu khí có khả năng phân giải xenlulo khá mạnh như:
Bacillus, Cellulomonas, Vibrio, Archomobacter. Niêm vi khuẩn cũng có khả
năng này, đáng chú ý là: Cytophaga, Sporocytophaga, Sogarium [3].
Các vi khuẩn kỵ khí thuộc các chủng ưa ẩm và ưa nhiệt thuộc giống
Bacillus và Clostridium có khả năng phân giải xenlulo. Chúng phát triển trên
môi trường đường đơn. Người ta gọi quá trình phân giải xenlulo kỵ khí là quá
trình lên men xenlulo. Điển hình là khu hệ VSV trong dạ cỏ của động vật nhai
lại, ở đây tồn tại các loại vi sinh vật có khả năng phân giải xenlulo là
Ruminococcus flavefaciens, R. albus, Butivibrio fibiosolvens, Bacterroides
succinogenes-Xạ khuẩn: bên cạnh nấm và vi khuẩn, xạ khuẩn cũng có khả năng phân
giải xenlulo khá cao, đáng chú ý là Streptomyces, Actinomyces, Nocardia,
Mycromonospora.
17
Khóa luận tốt nghiệp
Nguyễn Mạnh Tuấn- MTA51
XK phân giải xenlulo được phân lập từ các mẫu đất, mùn rác, mẫu bùn,
những nơi có chứa xenlulo. Người ta thường sử dụng XK đặc biệt là
Streptomyces trong việc phân hủy rác sinh hoạt. Những XK này thường thuộc
nhóm ưa nhiệt, sinh trưởng, phát triển tốt ở nhiệt độ 45 0 – 500C, rất thích hợp
với quá trình ủ rác thải [11;12].
Từ các kết quả nghiên cứu trên chúng ta có thể thấy rằng các chủng
VSV phân hủy xenlulo rất đa dạng và phong phú.
2.1.1.2 Hemixenluloza
Hemixenluloza đứng sau xenluloza về khối lượng tế bào thực vật và
được phân bố chủ yếu ở vách tế bào. Về cấu trúc so với xenluloza thì
hemixenluloza không chặt chẽ bằng. Hemixenluloza dễ bị phân giải bởi kiềm
hay axit loãng, đôi khi chúng còn bị phân giải trong nước nóng và đặc biệt
hemixenluloza dễ dàng bị enzim hemixenluloza phân hủy. Enzim
hemixenluloza cũng có tính chất tương đồng với xeluloza về cơ chế tác động,
tính chất cảm ứng. Tuy nhiên điểm khác biệt giữa hai nhóm enzim này là
enzim hemixenluloza có phân tử lượng nhỏ hơn, cấu trúc đơn giản hơn và
kém bền vững hơn so với xenluloza [8].
Các VSV phân giải hemixenluloza như các loài thuộc chi Clotridium,
các vi khuẩn dạ cỏ như: Ruminococus, Bacillus. Một số loài nấm sợi như
Aspergillus niger, Penicillium [1].
2.1.1.3 Lignin
Lignin là những hợp chất có thành phần cấu tạo phức tạp. Lignin khác
xenluloxa ở chỗ hàm lượng cacbon trong thân tàn dư thực vật tương đối
nhiều. Lignin dễ bị phân hủy từng phần dưới tác dụng của Na 2SO3, H2SO4,…
nhưng lại không hòa tan trong dung dịch hữu cơ thông thường. Đặc biệt lignin
rất bền vững dưới tác dụng của enzim do đó gây cản trở quá trình phân giải
lingo – xenluloza. Có khoảng 15 enzim tham gia vào quá trình phân giải
18
Khóa luận tốt nghiệp
Nguyễn Mạnh Tuấn- MTA51
lignin. Ligninaza không thủy phân thành các tiểu phần hòa tan như quá trình
phân hủy xenluloza và trong cấu trúc của lignin chỉ có một số ít liên kết có thể
bị thủy phân. Tiến trình phân giải lignin bởi VSV được đặc trưng bởi các
phản ứng: [1]
- Cắt oxy hóa mạch bên của đơn vị phenyl propan.
- Hình thành nhóm cacboxyl thơm
- Tách nhóm methoxyl.
Lignin là cấu tử khó chuyển hóa nhất trong các chất đồng hành
xenluloza vì chúng rất bền trước tác dụng của enzim ligninaza làm cản trở quá
trình phân hủy từ hàng tháng đến hàng năm. Sự phân giải lignin là kết quả của
mối quan hệ hỗ sinh giữa nấm, vi khuẩn và vi sinh vật khác trong đất. Nấm
phân giải như Basidiomycetes, và một vài thuộc họ Acomycetes.
Vi khuẩn đại diện phân hủy lignin như là Pseudomonas, Xanthomonas,
Acinebacter. Ngoài ra một số xạ khuẩn cũng có khả năng phân hủy lignin
mạnh là Streptomyces, Nocardia [12].
2.2.3 Các phương pháp xử lý phế thải hữu cơ bằng công nghệ vi sinh
Thực tế cho thấy năng suất cây trồng không thể tăng lên mãi bằng phân
vô cơ, khi năng suất đã đạt cực đại thì hiệu quả 1 kg NPK sẽ giảm. Nếu cứ
bón phân vô cơ lên cao sẽ gây ô nhiễm môi trường làm cho đất chai cứng và
chua hoá. Để khắc phục những sai lầm của quá khứ, nhằm nâng cao hiệu quả
của phân bón đối với cây trồng và khắc phục sự thiếu hụt về phân hữu cơ,
nhiều nước trên thế giới đặt hướng chung là tăng cường ứng dụng công nghệ
vi sinh vật vào sản xuất phân hữu cơ, phân hữư cơ vi sinh và đặc biệt là phân
hữu cơ, phân hữu cơ vi sinh được sản xuất từ rác thải, phế thải và tàn dư thực
vật,...
Sử dụng các vi sinh vật để sản xuất chế phẩm sinh học xử lý tàn dư
thực vật người ta nhận thấy khi phối trộn vi khuẩn, nấm, xạ khuẩn với tỷ lệ
19
Khóa luận tốt nghiệp
Nguyễn Mạnh Tuấn- MTA51
1:1:1, thì cho hiệu quả xử lý cao nhất. Sử dụng chế phẩm sinh học có tác dụng
rất tốt trong sản xuất nông ngiệp và cải tạo đất.
Hiện nay trên thế giới có rất nhiều phương pháp xử lý chất thải hữu cơ
có nguồn gốc từ thực vật, động vật. Tuỳ theo điều kiện cụ thể mà những
phương pháp đó được thực hiện ở mỗi quốc gia là khác nhau, thậm chí tùy
từng giai đoạn cụ thể mà người ta áp dụng từng phương pháp thích hợp.
Trong đó có 6 phương pháp điển hình xử lý chất thải hữu cơ từ nguồn thực
vật bằng công nghệ vi sinh.
Phương pháp sản xuất khí sinh học (Biogas) - ủ yếm khí
Cơ sở của phương pháp này là nhờ hoạt động của vi sinh vật mà các
chất khó phân hủy (xenluloza, hemixenluloza, lignin,…) chuyển thành dễ
phân hủy. Sau đó lại được chuyển hóa tiếp thành các chất khí trong đó chủ
yếu là metan [6].
- Ưu điểm: thu lại được một loạt các chất khí có thể cháy được và cho
nhiệt lượng cao, sử dụng làm chất đốt, không ô nhiễm môi trường. Phế thải
sau khi lên men được chuyển hóa thành phân hữu cơ có chất dinh dưỡng cao
có thể bón cho cây trồng.
- Nhược điểm: khó lấy chất thải sau khi lên men. Là quá trình kỵ khí
nên bắt buộc việc thiết kế bể ủ phức tạp, vốn đầu tư khá lớn.
Phương pháp ủ phế thải thành đống, lên men tự nhiên có đảo trộn
Phế thải sau khi phân loại được chất đống có chiều cao từ 1,5-2,0m đảo
trộn mỗi tuần 1 lần. Nhiệt độ đống ủ là 55-60oC, độ ẩm 50-70%. Sau 3-4 tuần
tiếp theo ủ thành đống không đảo trộn [11].
- Ưu điểm: đơn giản, dễ làm.
- Nhược điểm: mất vệ sinh gây ô nhiễm nguồn nước và không khí.
Phương pháp ủ phế thải thành đống không đảo trộn và có thổi khí
Phế thải được chất thành đống cao từ 1,5-2,0m. Phía dưới được lắp đặt
một hệ thống phân phối khí. Nhờ có quá trình thổi khí cưỡng bức mà quá
trình chuyển hóa nhanh hơn, nhiệt độ ổn định hơn, ít ô nhiễm hơn.
20
- Xem thêm -