sản xuất phân bón vi sinh cố định đạm.

Tuy nhiên, sử dụng phân bón hóa học quá mức và không hợp lý đã dẫn đến những ảnh hưởng xấu đến tính chất đất, phẩm chất nông nghiệp cũng như môi trường, do đó ảnh hưởng xấu đến sức khỏe

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHỆ TP.HCM

KHOA MÔI TRƯỜNG CÔNG NGHỆ SINH HỌC

KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP

HỒ CHÍ MINH, THÁNG 07 NĂM 2010

1 Đầu đề khóa luận tốt nghiệp:

Sản xuất phân vi sinh cố định đạm

2 Nhiệm vụ:

Tổng quan về sản xuất và sử dụng phân vi sinh cố định đạm

3 Ngày giao khóa luận tốt nghiệp: 01/05/2010

4 Ngày hoàn thành nhiệm vụ: 10/07/2010

5 Họ tên người hướng dẫn: Phần hướng dẫn

TS NGUYỄN THỊ HAI Tổng quan tài liệu

Nội dung và yêu cầu khóa luận tốt nghiệp đã thông qua bộ môn

Ngày 10 tháng 07năm 2010 Chủ nhiệm bộ môn Người hướng dẫn

ĐHKTCN

Độc lập – Tự do – Hạnh Phúc

-

Khoa: Môi trường và công nghệ sinh học Bộ môn: Công nghệ sinh học NHIỆM VỤ KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP Họ và tên sinh viên: THÁI SƠN NAM MSSV: 207111028 Ngành : Công nghệ sinh học Lớp: 07CSH 01 PHẦN DÀNH CHO KHOA, BỘ MÔN Người duyệt:………

Đơn vị ………

Ngày bảo vệ………

Điểm tổng kết………

Nơi lưu trữ khóa luận tốt nghiệp………

………

……… …………

Nam xin chân thành cảm ơn đến gia đình, thầy cô và bạn bè trong 3 năm học vừa qua đã giúp đỡ, dìu dắt em tới ngày hôm nay Đặc biệt, con xin chân thành cô Hai đã không ngừng dìu dắt nâng đỡ con trong suốt quá trình học cho đến ngày hôm nay Con sẽ nhớ mãi đến cô, từ khi thực tập và làm bài tốt nghiệp cô không ngừng giảng giải, sửa chửa để hoàn thiện hoàn thiện bài báo cáo thực tập cũng như bài tốt nghiệp

Con xin chân thành cám ơn cô!

Thái Sơn Nam

LỜI CẢM ƠN

CHƯƠNG 1: TÌNH HÌNH TIÊU THỤ PHÂN BÓN TRONG NÔNG NGHIỆP

1.1 Tình hình tiêu thụ phân bón trên thế giới 02

1.2 Tình hình tiêu thụ phân bón ở Việt Nam 06

CHƯƠNG 2: ẢNH HƯỞNG TIÊU CỰC CỦA PHÂN BÓN HÓA HỌC ĐẾN MÔI TRƯỜNG SINH THÁI 2.1 Sự tích lũy NO3- và NH4+ trong cơ thể người và động vật 10

2.2 Sự tích lũy NO3-, NH4+ trong nước mặt và nước ngầm 12

2.3 Sự tích lũy NH3- và NH4+ trong môi trường đất 13

2.4 Aûnh hưởng của phân bón đối với môi trường sinh thái 14

CHƯƠNG 3: SỬ DỤNG VI SINH VẬT CỐ ĐỊNH ĐẠM ĐỂ SẢN XUẤT PHÂN HỮU CƠ VI SINH 3.1 Giới thiệu 16

3.2 Lịch sử phát hiện 17

3.3 Thành phần các vi sinh vật cố định đạm 18

3.3.1 Vi khuẩn cộng sinh Rhizobium 18

3.3.2 Vi khuẩn tự do: Azotobacter, Azospirillum 20

3.3.2.1 Vi khuẩn tự do azotobacter 20

3.3.2.2 Vi khuẩn tự do azospirillum 21

CHƯƠNG 4: PHƯƠNG PHÁP PHÂN LẬP, GIỮ GIỐNG VÀ NHÂN SINH KHỐI 4.1 Phân lập 24

4.1.1 Phân lập sơ bộ 24

4.1.1.1 Vi khuẩn cộng sinh Rhizobium 24

4.1.1.2 Vi khuẩn Azotobacter 25

4.1.2.1 Vi khuẩn Rhizobium 27

4.1.2.2 Vi khuẩn Azotobacter 28

4.1.2.3 Vi khuẩn Azospirillum 28

4.2 Phương pháp giữ giống 28

4.2.1 Vi khuẩn Rhizobium 28

4.2.2 Vi khuẩn Azotobacter 29

4.2.3 Vi khuẩn Azospirillum 30

4.3 Cơ chế cố định Nitơ 31

4.3.1 Cơ chế cố định Nitơ phân tử 31

4.3.2 Quá trình khử 32

4.4 Phân loại phân vi sinh cố định đạm 33

4.5 Nhân sinh khối 35

4.6 Quy trình sản xuất 37

4.7 Các loại phân bón vi sinh cố định đạm 38

4.7.1 Sản xuất nitragin từ vi khuẩn nốt sần rhizobium 38

4.7.2 Phân vi sinh của Azotobacter 39

4.7.3 Phân vi sinh azospirillum 40

CHƯƠNG 5 :HIỆU QUẢ SỬ DỤNG CỦA PHÂN VI SINH CỐ ĐỊNH ĐẠM 5.1 Tình hình nước ngoài 42

5.2 Tình hình trong nước 43

CHƯƠNG 6: KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 6.1 Kết luận 46

6.2 Kiến nghị 46

PHẦN MỞ ĐẦU

Trong nền kinh tế nước ta hiện nay, nông nghiệp chiếm một vị trí quan trọng Một biện pháp hàng đầu để đẩy mạnh sản xuất nông nghiệp là sử dụng phân bón Với tốc độ tăng dân số hiện nay bình quân diện tích đất canh tác trên đầu người là quá thấp Nhưng con số đó lại ngày càng thấp hơn ở các nước đang phát triển do tốc độ tăng dân số và diện tích đất trồng trọt bị thu hẹp trong quá trình công nghiệp hóa và đô thị hóa Để đảm bảo lương thực, thực phẩm tiêu dùng trong nước và xuất khẩu, hướng thâm canh sản xuất nông nghiệp là tất yếu Theo thống kê, nhân dân các vùng thâm canh phải đầu tư phân bón 30-50% tổng chi phí trồng trọt vào phân bón khiến nhu cầu sử dụng phân bón ngày càng cao Tuy nhiên, sử dụng phân bón hóa học quá mức và không hợp lý đã dẫn đến những ảnh hưởng xấu đến tính chất đất, phẩm chất nông nghiệp cũng như môi trường, do đó ảnh hưởng xấu đến sức khỏe con người và động vật

Vì vậy việc nghiên cứu ứng dụng các loài vi khuẩn có khả năng cố định đạm cung cấp nguồn đạm dinh dưỡng cho cây trồng là rất cần thiết Đó cũng

chính là lý do để thực hiện đề tài: “Sản xuất phân vi sinh cố định đạm”

CHƯƠNG 1: TÌNH HÌNH TIÊU THỤ PHÂN BÓN TRONG SẢN XUẤT

NÔNG NGHIỆP

Theo Võ Thị Loan năm 2008:

Phân bón ngoài hiệu ứng trực tiếp là tăng năng suất cây trồng, nó còn có tác dụng rất lớn đến việc nền đất thâm canh mà lâu nay người sử dụng ít chú ý đến Tuy nhiên, sử dụng phân bón hóa học quá mức và không hợp lý đã dẫn đến những ảnh hưởng xấu đến tính chất đất, phẩm chất nông nghiệp cũng như môi trường, do đó ảnh hưởng xấu đến sức khỏe con người và động vật

Trước thế kỷ XIX nông nghiệp thế giới nói chung và Việt Nam nói riêng vốn là nền nông nghiệp hữu cơ Ơû Châu Âu trước khi có phân hóa học, một ha không đủ cung cấp lương thực cho một người, điều này, khẳng định vai trò không thể thiếu của phân hóa học trong nền nông nghiệp hiện nay khi có sự bùng nổ về dân số

Trong 4 chất dinh dưỡng cần thiết N, P, K, S cho cây trồng N (Nitơ) là chất dinh dưỡng số 1, là nguyên tố tham gia vào tất cả các protein đơn giản và phức tạp, là thành phần chủ yếu của chất nguyên sinh của tế bào thực vật Nitơ cũng là thành phần các acid nucleic đóng vai trò hết sức là quan trọng trong trao đổi chất của cơ thể, cây trồng khi cung cấp không đủ Nitơ cho cây trồng thì cây trồng sinh trưởng và phát triển kém, lá có màu vàng có màu lục nhạt, năng suất mùa màng giảm

1.1 Tình hình tiêu thụ phân bón trên thế giới:

Một trong những yếu tố quan trọng để nâng cao năng suất cây trồng là sử dụng phân bón Để nuôi sống 7- 8 tỷ người trên thế giới trong những năm tới, số lượng lương thực phải được gia tăng và điều đó phụ thuộc vào phân bón Chính

vì vậy nhịp độ sản xuất và tiêu thụ phân bón hóa học của thế giới tăng không ngừng Nhờ phân bón mà năng suất cây trồng có thể tăng từ 30- 50%, nhưng để

sản lượng tăng lên gấp đôi thì chi phí phân bón, thuốc trừ sâu và kỹ thuật tăng lên gấp 10 lần [32]

Theo FAO: toàn thế giơiù năm 1960 sử dụng 10 triệu tấn phân đạm, năm

1980 là 62,7 triệu tấn, đến năm 1990 là 150 triệu tấn Về phân lân của những năm 1960, thế giới đã sử dụng 2,1 triệu tấn (P2O5), đến năm 1990 là 40 triệu tấn Như vậy, về tổng thể không thể phủ nhận vai trò của phân hóa học trong thực tế, đây là nhu cầu quan trọng nhằm tăng tính sản xuất của đất

Hiện nay trên thế giới việc sử dụng phân bón rất biến động, tuy nhiên, nơi sử dụng nhiều nhất là các nước Tây Âu và một số nước Châu Á Còn ở Châu Phi, vùng Trung Đông và các nước Mỹ Latin nhìn chung lượng phân hóa học sử dụng còn thấp hơn nhiều mức bình quân trên thế giới

Bảng 1.1 Tình hình sử dụng phân hóa học của các nước:

Quốc gia Lượng phân bón hóa học bình quân sử

dụng cho 1 ha gieo trồng (kg/ha) Hà Lan

Hàn Quốc Nhật Bản Trung Quốc Việt Nam

758

467

430

390 80-90 (Nguồn nông nghiệp và môi trường, Lê Văn Khoa, NXBNN)

Qua bảng trên cho thấy trong khu vực Châu Á lượng phân bón sử dụng cho 1ha gieo trồng năm 2001 ở Hà Lan lớn nhất 758 kg/ha, Việt Nam chỉ bằng 30,8% lượng sử dụng ở Trung Quốc và 19,4% lượng sử dụng ở Nhật Bản Năng suất lúa của Việt Nam bằng 53,9% của Trung Quốc, 48,1% của Nhật Bản

Theo kết quả nghiên cứu của Hiệp Hội Công Nghiệp Phân Bón thế Quốc Tế IFA: nhìn tổng thể xu hướng tiêu thụ phân bón giảm xuống từ đầu những

nhiên, ở các nước đang phát triển xu hướng sử dụng phân bón vẫn tăng lên Năm

1993 đến 1994, các nước đang phát triển tiêu thụ phân bón tăng lên 55%, năm

1998 đến 1999 tăng lên 58% Vì lẽ đó sản xuất phân đạm cũng tăng lên ở các nước phát triển, năm 1980 đến 1981 tăng 31%, năm 1992 đến 1993 tăng 45% [23]

Phân bón hóa học đặc biệt là phân đạm đã đóng góp vai trò quan trọng trong tăng năng suất cây trồng, phân bón đã tăng ở các nước công nghiệp phát triển: tại Mỹ ure tăng 11 lần, Pháp tăng 6- 8 lần, Liên Xô cũ tăng 11- 13 lần, … các nước đang phát triển ở Châu Phi tăng 2 lần, Châu Mỹ Latin tăng 2,5 lần, Châu Á tăng 3 lần

Bảng 1.2 Nhu cầu phân bón trên thế giới

Đơn vị triệu tấn Dinh dưỡng Năm 1987 Năm 1995

(Nguồn Lê Văn Khoa, 2001)

Vào những năm 1900, mức tiêu thụ phân đạm của thế giới là 2 triệu tấn,

50 năm sau lên tới 14 triệu tấn, năm 1978 là 100 triệu tấn, đến năm 1982 là 130 triệu tấn, năm 2000 khoảng 180 triệu tấn Về phân lân những năm 1960 trên thế giới sử dụng 21 triệu tấn (P2O5), đến 1990 là 40 triệu tấn [30]

Hiệp Hội Phân Bón Quốc Tế IFA cho biết trong giai đoạn 5 năm tới nhu cầu phân bón thế giới dự kiến sẽ đạt 171,9 triệu tấn trong năm 2010/ 2011, tăng 11,6 % so với 2005/ 2006, tương ứng mức bình quân 2,2%/năm trong đó K, phân lân và phân đạm dự kiến tăng lần lượt 3%, 2,6% và 1,8%

Trong giai đoạn 2006- 2010, dự báo của IFA về nhu cầu tiêu thụ của từng loại phân bón:

- Đối với phân ure: nhu cầu tiêu thụ toàn cầu sẽ tăng bình quân 3%/ năm và đạt 143,6 triệu tấn vào năm 2010 Sản lượng toàn cầu dự kiến sẽ tăng 40 triệu tấn vào năm 2010, đạt 180 triệu tấn Riêng năm 2010 sản lượng phân ure của thế giới có khả năng tăng thêm 14 triệu tấn, chủ yếu nhờ sự gia tăng sản lượng của khu vực Tây Á và Trung Quốc

- Phân đạm và amoniac: năm 2010 sản lượng amoniac toàn cầu có thể đạt 202 triệu tấn, tăng 35 triệu tấn so với 167 triệu tấn năm 2006 Sản lượng amoniac của thế giới dự kiến tăng bình quân 7%/ năm trong giai đoạn 2006-

2009 và có thể tăng thêm 15 triệu tấn vào năm 2010 Khu vực Tây Á có thể chiếm 1/3 mức gia tăng sản lượng trong khoảng thời gian trên

Theo IFA, nhu cầu tiêu thụ phân đạm của thế giới trong giai đoạn 2006-

2010 dự kiến tăng bình quân 1,8%/năm, đạt 99,1 triệu tấn vào 2010 Nguồn cung ứng phân đạm toàn cầu có thể tăng bình quân 5,4%/năm, trong khi nhu cầu tiêu thụ chỉ tăng 2,1%

- Đối với phân lân: sản lượng phân lân của thế giới tăng bình quân khoảng 2%/năm từ 77 triệu tấn trong năm 2006 lên 195 triệu tấn trong năm

2010 Trong đó Trung quốc có khả năng chiếm 1/3 mức gia tăng này trong thời gian trên Ngoài ra sản lượng phân lân của các nước và khu Tây Á, Châu Phi, Đông Á và Mỹ Latin dự kiến sẽ tăng lên khi tình hình sản xuất ở Mỹ không thuận lợi

- Đối với phân DAP: sản lượng DAP toàn cầu dự kiến tăng thêm 3,3 triệu tấn P2O5 vào năm 2010, đạt 24,1 triệu tấn P2O5 Trung Quốc chiếm 40% mức gia tăng sản DAP kể trên

- Đối với phân MOP: sản lượng phân Kali (MOP) toàn cầu 2010 dự báo sẽ đạt 71,3 triệu tấn, tăng mạnh so với 64,3 triệu tấn năm 2005 IFA dự đón sản lượng phân Kali (K2O) của thế giới có thể đạt 41,4 triệu tấn vào năm 2010, tăng

này dự kiến đạt 30,8 triệu tấn vào năm 2010, tăng so với 27,1 triệu tấn năm

2006

Theo IFA, hầu hết sự gia tăng nhu cầu tiêu thụ phân bón đều xuất phát từ thị trường Châu Á, trong đó khu vực Nam Á và Đông Á chiếm hơn một nửa tổng mức tăng này Ngoài ra, các khu vực khác trên thế giới dự kiến mức tiêu thụ bình quân hàng năm: Mỹ Latin và vùng Caribe (3%), Bắc Mỹ (2,1%), Đông Nam A Ù(3,3%), Đông Âu và Trung Á (3%), Châu Đại Dương (2,1%), Tây Á và Đông Bắc Phi (1,9%) Nhu cầu phân bón của thị trường Châu Phi giai đoạn 2006-2009 dự kiến tăng 4,2 % so với năm 2005/2006, thị trường Châu Âu giai đoạn này tăng nhẹ[13]

1.2 Tình hình tiêu thụ phân bón tại Việt Nam

Việt nam có trên 80% làm nghề nông, nông nghiệp đã cung cấp hơn 40% tổng sản phẩm quốc doanh (GDP) và đóng góp vai trò quan trọng trong xuất khẩu nông sản Trong vài năm gần đây kinh tế nông nghiệp ở nước ta tăng trưởng ở mức ổn định 5-7%/năm, mang lại thu nhập cho người dân sống ở nông thôn, góp phần xóa đói giảm nghèo đảm bảo an ninh lương thực cho xã hội, góp phần ổn định kinh tế xã hội của đất nước Bón phân là biện pháp kỹ thuật có ảnh hưởng quyết định đến năng suất, chất lượng sản phẩm cây trồng, hiệu quả và thu nhập của người sản xuất Thực tiễn sản xuất ở nhiều nơi trên thế cũng như ở nước ta trong những năm qua đã chứng minh rằng không có phân bón thì không thể đạt được năng suất và sản lượng cao Nếu không có phân bón nông nghiệp không thể nào tăng gấp 4 lần trong vòng 50 năm qua và là một trong các yếu cơ bản để tăng mức sống Trong đó, phân bón hóa học đã chiếm lĩnh chủ yếu trong các loại phân được sử dụng trong sản xuất nông nghiệp của hầu hết các nước trên thế giới

Việt Nam là một nước nông nghiệp trồng lúa nước nhưng so với thế giới thì đến năm 50 của thế kỷ này mới bắt đầu làm quen với phân bón hóa học Tuy

vậy mức độ sử dụng phân bón hóa học ở Việt nam mỗi năm mỗi tăng Năm 1980 cả nước sử dụng 500 ngàn tấn phân đạm (quy về đạm tiêu chuẩn) và trên 200 ngàn tấn phân lân (quy về superphosphat đơn) Đến năm 1990 đã sử dụng 2,1 triệu tấn phân đạm và 650 ngàn tấn phân lân[30]

Mức độ sử dụng phân bón hóa học (N+ P2O5+ K2O) trong 17 năm (1985 đến 2001) tăng bình quân 9%/năm và đang có xu hướng tăng khoảng 105 trong thới gian tới Từ 1985 đến nay sử dụng phân đạm tăng trung bình 7,2%/năm, phân lân tăng 13,9%/năm, phân kali tăng tốc độ cao nhất tăng 23,9%/năm Tổng lượng dinh dưỡng (N+ P2O5+ K2O) sử dụng năm 1985/1986 là 385,6 ngàn tấn, năm 1989/1990 là 541,7 ngàn tấn thì dến năm 1990/2000 là 2234,0 ngàn tấn tăng 5,8 lần so với năm 1985/1986[16]

Trong 5 năm trở lại đây (2001-2005) lượng dinh dưỡng sử dụng cho trồng trọt đang ngày một gia tăng:

Bảng 1.3 Số lượng phân hóa học được sử dụng qua các năm

Năm N P2O5 K2O NPK(kg/ha) Tỉ lệ N: P2O5:K2O 2000/2001 1245,5 475,0 390,0 171,5 1:0,38:0,31 2001/2002 1071,4 620,2 431,9 165,5 1:0,58:0,4 2002/2003 1251,8 668,0 411,0 179,7 1:0,53:0,33 2003/2004 1317,5 733,2 480,0 - 1:0,56:0,36 2004/2005 1385,5 806,6 516,0 - 1:0,58:0,37 ( Nguồn đất và phân bón, Bùi Huy Hiền, 2005[3])

Theo Bộ Nông Nghiệp và Phát Triển Nông Thôn ở nước ta lượng phân bón sử dụng trong nông nghiệp ngày càng tăng cả về số lượng và chủng loại Hàng năm ít nhất có 1.420 loại phân bón khác nhau được đưa ra thị trường Trong đó phân đơn, phân NPK khoảng 1.084 loại, phân hữu cơ-khoáng, phân vi

Nhìn chung, mức sản xuất và sử dụng dinh dưỡng cho cây trồng thấp và không cân đối Phân đạm ure mới chỉ đáp ứng được 10% so với nhu cầu sản xuất, phân lân đáp ứng 60-70%, phân Kali phải nhập khẩu hoàn toàn [32] Hàng năm nhập khẩu 1,4 triệu tấn ure/năm 200-300 ngàn tấn lân trên năm và 150-200 ngàn tấn/năm kali [18] Tỷ lệ dinh dưỡng trung bình thế giới là N : P2O5 : K2O là 1: 0,47 : 0,36, trong đó các nước đang phát triển tỷ lệ này là 1: 0,37 : 0,17 Ơû Việt Nam mới chỉ đạt 1 : 0,2 : 0,04 mức độ sử dụng phân bón khác nhau ở nhiều vùng [30]

Lượng phân bón sử dụng cho lúa không đều giữa các vùng trong cả nước, liều lượng phân hóa học sử dụng đối với lúa ở Đồng Bằng Sông Hồng 155- 210

kg NPK/ ha, vùng Đồng Bằng Sông Cửu Long 150- 200 kg NPK/ ha cho 1 vụ Khoảng 80% lượng phân hóa học sử dụng ở nước ta tập trung ở vùng trồng lúa

Tuy nhiên, do hệ số sử dụng đạm không cao nên lượng đạm bón cho nông nghiệp cao hơn nhiều so với nhu cầu Trên các loại đất khác nhau, tỷ lệ liều lượng bón rất khác nhau

Mặc dù lượng phân bón hóa học ở nước ta còn chưa cao so với 1 số quốc gia phát triển song đã tồn tại một số hạn chế gây sức ép lên vấn đề môi trường do:

- Sử dụng không đúng kỹ thuật nên hiệu quả phân bón thấp

- Bón phân không cân đối giữa tỷ lệ NPK, nặng nề về sử dụng phân đạm Cả nước tỷ lệ NPK là 1,0 : 0,3 : 0,1 trong khi tỷ lệ thích hợp là 1,0 : 0,5 : 0,3

- Chất lượng phân bón không đảm bảo: hiện nay, ngoài lượng phân bón nhập khẩu do nhà nước quản lý hoặc các doanh nghiệp công nghiệp trong nước sản xuất còn một lượng lớn phân bón nhập lậu không được kiểm soát và một số

sơ sở nhỏ lẻ sản xuất trong nước không đảm bảo chất lượng Chính lượng phân bón này gây ra áp lực và ảnh hưởng xấu đến môi trường đất

Tóm lại: theo sự tăng trưởng của nền nông nghiệp và công nghiệp hiện đại, mức độ sản xuất và sử dụng phân bón ngày càng tăng Việc lạm dụng phân bón hóa học đặc biệt là phân đạm đã gây ô nhiễm đáng kể môi trường sống, ảnh hưởng tới sức khỏe của con người

CHƯƠNG 2: ẢNH HƯỞNG TIÊU CỰC CỦA PHÂN ĐẠM HÓA HỌC

ĐẾN MÔI TRƯỜNG SINH THÁI

2.1 Sự tích lũy NO 3 - và NH 4 + trong cơ thể người và động vật

Các nước cho thấy, hệ số sử dụng đạm trung bình chỉ 30-40%, lượng còn lại mất và là nguồn ô nhiễm đối với môi trường đất, nước Lượng đạm cao tích tũy trong trong sản phẩm nông nghiệp sẽ xâm nhập vào cơ thể Vì chạy theo năng suất và thói quen sử dụng đạm (đặc biệt ở các vành đai rau màu của các thành phố lớn) nhân dân sử dụng với liều lượng cao làm xuất hiện trong đất, sản phẩm có chứa nhiều NO3-, NO2- Các hợp chất này dẫn đến hội chứng Methaemoglobinaemia (hội chứng trẻ da xanh) hiện tượng rất phổ biến hiện nay

ở các nước đang phát triển Trong các loại lương thực, thực phẩm, nước uống… rau được sử dụng hằng ngày đưa vào cơ thể lượng NO3- lớn nhất

Sự tích lũy NO3- trong mô cây không độc với cây trồng, nhưng nó thể làm hại gia súc, người và đặc biệt là trẻ em khi sử sử dụng lương thực, thực phẩm có hàm lượng NO3- cao Thực ra tính độc của NO3- rất thấp, NO3- trong lương thực phẩm, nước uống đe dọa đến sức khỏe con người là do khả năng khử NO3- thành

NO2- trong quá trình bảo quản, vận chuyển và ngay trong bộ máy tiêu hóa của con người

không được thực hiện Cơ chế này dễ dàng xảy ra với trẻ em, đặc biệt là trẻ có sức khỏe yếu, tiêu hóa kém do trẻ em còn thiếu enzyme cần thiết để khử nitrit xuống N2 và NH3 rồi thả ra ngoài Nelson (1984) cho rằng: bệnh methaemoglobin có triệu chứng rõ rệt khi hàm lượng metheamoglobin lớn hơn 10% và trẻ em có thể chết khi trong máu có triệu chứng 50-70% methaemoglobin

Trong dạ dày, do có tác dụng của hệ vi sinh vật, các loại enzyme và do các quá trình hóa sinh mà NO2- dễ dàng tác dụng với các acid amin tự do tạo thành nitrosamie là hợp chất gây ung thư

Các acid amin trong môi trường axit yếu (pH=3-6) đặc biệt với sự có mặt của ion nitrit sẽ dễ bị phân hủy thành anđêhit và acid amin bậc 2, từ đó tiếp tục vận chuyển thành Nitrosamie Nitrit có mặt trong rau quả thường vào khoảng 0.05-2 mg/kg

Ngày nay, nhiều tác giả nhắc đến Nitrosamie như là tác nhân làm sai lệch nhiễm sắc thể, dẫn đến truyền đạt sai thông tin duy truyền Đối với người

NO3- có thể gây ngộ độc liều lượng 4g/ngày, ở liều lượng 5g/ngày có thể chết, 13-18g/ngày gây chết hoàn toàn Việc sử dụng nước tồn dư NO3- quá cao sẽ gây bệnh methaemoglobin cơ thể sẽ bị hôn mê nhẹ, lên tới 50% có biểu hiện nghiêm trọng, 70-80% thì có thể thiếu oxy nghiêm trọng dẫn tới suy tim mạch và chết trong trạng thái tím tái Ngoài ngộ độc còn có một số biểu hiện mạch máu ngoại

vi dãn rộng, huyết áp thấp, niêm mạc tái, hoạt động của huyết áp giảm, vitamin B2, B6 không được tổng hợp, vitamin A thiếu

Ngộ NO3-,và NO2- và bệnh lý methaemoglobin, xảy ra với gia súc ăn cỏ có hàm lượng NO3- quá cao Nhìn chung độc NO3- xảy ra với cừu biểu hiện rối loạn máu, da, thở nhanh, máu biến đổi thành nâu và có thể xảy ra hiện tượng xảy thai và sau đó gia súc bị chết

Các nghiên cứu về tồn dư NO2- cho thấy, hàm lượng chất này trong nước uống, trong thực phẩm là không nhiều thậm chí là trong nước uống là không đáng kể Tuy nhiên các công trình nghiên cứu chi ra rằng phân đạm tăng tồn dư NO3- trong nông sản Khi bón đạm với liều lượng 30 – 180 kg N/ha thì lượng tồn dư trong cà rốt và củ cải tăng từ 21.7 lên 41.6 mg/kg và 236 lên 473 mg/kg Bùi Quang Xuân (1998) khi nước ảnh hưởng của phân bón tới năng suất và hàm lượng NO3- trong cà chua, hành tây cho thấy,từ bón phân đạm làm tăng năng suất nhưng cũng tăng lượng NO3- trong củ hành tây từ 72.8 – 87.4 mg/kg, cà chua từ 300 -485 mg/kg Chính vì vậy thực phẩm ăn có nồng độ NO3- cao trong rau là nguồn NO2- quan trọng, chiếm 75% mức tổng cung cấp

2.2 Sự tích lũy NO 3 - , NH 4 + trong nước mặt và nước ngầm

Nhiều nhà khoa học trên thế giới cho rằng muốn thăm canh tăng năng suất cây trồng thì đất nào cũng phải sử dụng phân bón Những mối lo ngại về môi trường trong lĩnh vực nông nghiệp ở các nước phát triển và đang phát triển thông thường hay nói đến các vùng thăm canh, nơi sử dụng phân hóa học ở mức độ cao, cây trồng không sử dụng hết dẫn đến sự tích lũy Nitơ trong đất nước mặt và rữa trôi xuống tầng nước ngầm Theo viện tài nguyên thế giới, đến nắm 1993 quỹ đất của toàn nhân loại là 14042 triệu ha Như vậy cứ mỗi năm theo mức sử dụng phân đạm hóa học năm 1995 mỗi ha phải gánh chịu: 200 tấn NO3- Tuy nhiên, cũng theo viện nghiên cứu tài nguyên thế giới, đất trồng trọt chiếm 20,6% Như vậy, lượng NO3- tích lũy trong đất trồng trọt tăng lên gấp 5 lần, nghĩa là 75 kg NO3-/ha Nếu tính lượng đất trên 1 ha có phân bố NO3- ngấm sâu 0,5 m thì sau một năm sử dụng phân đạm khoáng hàm lượng NO3- trong đất khoảng 7,5 – 8 ppm Một số nghiên cứu xác định được lượng đạm sản sinh ra trên đồng ruộng chỉ khoảng 35 -55% có nguồn gốc phân hóa học, phần lớn vẫn nhờ phân hữu cơ Như vậy, tích lũy sẽ rất nhiều lớn hơn giá trị 8 ppm

Mặc dù thực vật rất cần Nitơ nhưng nguyên tố này gần như được hấp thụ rất ít và rất yếu trong đất Chính vì thế mà nhiều nơi trên thế giới nước mặt, lượng NO3- ở nước sông và mức sử dụng phân đạm có tương quan r = +0,7 Trong nồng độ nitơ dạng Nitrat ( NO3-) có thể thay đổi từ 0 – 4 mg/l đôi khi lên tới 10 mg/l Trên thế giới 10% số sông được khảo sát bởi hệ thống GEMS điều cho thấy nồng độ NO3- vượt mức tiêu chuẩn của WHO đối với nước uống Ở châu Âu, hơn 90% sông được khảo sát điều có lượng Nitrat khác nhau và có 5% số sông có hàm lượng cao hơn 200 lần so với nồng độ nền của các sông chua bị ô nhiễm Ở Mỹ, dòng chảy từ các trang trại đã gây ô nhiễm chính, 64% các sông và 57% các hồ bị hại từ trung bình đến nghiêm trọng do ô nhiễm diện rộng

Một thông báo của Ấn Độ cho biết: vùng Haryana đã bị nhiễm bẩn Nitrat , một số giếng nước ngầm có nồng độ Nitrat rất cao từ 114ppm đến 1800 ppm Nghiên cứu sự nhiễm bẩn NO3- vào nước ngầm, Diez và cộng sự (1994) cho biết rằng lượng Nitrat thấm vào nước ngầm phụ thuộc vào 2 nguyên tố chính là nồng độ NO3- trong dịch đất và lượng mưa Mặt khác những nghiên cứu bằng nguyên tử đánh dấu cũng khẳng định NH4+ trong nước có nguồn gốc chủ yếu từ Nitơ bón vào đấât Nồng độ NO3- tăng nhanh trong một số ngày đầu và sau 6 ngày đêm chiếm khoảng 11,5 – 17,4% tổng liều lượng Nitơ bón cho lúa Nhưng thực tế cũng cho thấy, lượng Nitơ được sử dụng rất nhiều trong nông nghiệp song quá trình Nitrat và phản ứng Nitrat là quá trình mất đạm, mất chất dinh dưỡng đối với cây trồng cũng diễn ra khá mạnh và nếu đứng từ gốc độ môi trường thì quá trình chuyển hóa đạm ở các dạng NO3-, NO2- về dạng Nitơ phân tử trở lại khí quyển góp phần làm cân bằng, ổn định hài hòa môi trường

2.3 Sự tích lũy NH 3 - và NH 4 + trong môi trường đất

Phân bón hóa học chắc chắn đã gia tăng năng suất, nhưng việc sử dụng

nitrat và phosphat rãi một cách dư thừa sẽ chảy theo nước mặt và làm ô nhiễm các mực thủy cấp

Thâm canh không ngừng của nông nghiệp, sử dụng ngày càng nhiều các chất nhân tạo (phân hóa học) làm cho đất ô nhiễm tuy chậm nhưng chắc, không hoàn lại, đất sẽ kém đi sự phì nhiêu Phân hóa học được sử dụng rộng rãi nhằm gia tăng năng suất cây trồng Nguyên tắc là lấy đi của đất các chất cần thiết cho cây thì sẽ phải trả lại đất qua hình thức bón phân Trong các phân hoa học sử dụng nhiều nhất có thể kể đến như: phân đạm, phân lân, phân kali Sự tiêu thụ phân bón của thế giới gia tăng 16 lần từ 1964 đến 1986

Vì lý do lợi nhuận, các chất trên không được thuần khiết Do đó chúng chứa nhiều tạp chất kim loại và ít di động trong đất Chúng có thể tích tụ ở các tầng mặt của đất nơi có rễ cây

Nếu bón quá nhiều phân hóa học là hợp chất Nitơ, lượng hấp thu của rễ thực vật tương đối nhỏ, đại bộ phân còn lưu lại trong dất, qua phân giải chuyển hóa, biến thành muối Nitrat, trở thành nguồn ô nhiểm cho mạch nước ngầm và các dòng sông Cùng với sự tăng lên về số lượng sử dụng phân hóa học, độ sâu và độ rộng của loại ô nhiễm này ngày càng nghiêm trọng

Các loại phân hóa học thuộc nhóm chua sinh lý (ure, (NH4)2SO4,

K2SO4,KCl, super phosphat) còn tồn dư acid đã làm chua đất, nghèo kiệt các ion base và xuất hiện nhiều độc tố đối với cây trồng như: Al3+, Mn2+, Fe3+, làm giảm hoạt tính sinh học của đất Bón nhiều đạm vào thời kỳ muộn cho rau quả, đã làm tăng đáng kể hàm lượng NO3- trong sản phẩm

2.4 Aûnh hưởng của phân bón đối với môi trường sinh thái

Theo số liệu tính toán của các chuyên gia trong lĩnh vực nông hóa học ở Việt Nam, hiện nay hiệu suất sử dụng phân đạm mới chỉ đạt từ 30-45%, lân từ 40-45%, kali 40-50%, tùy theo chân đất, giống cây trồng, thời vụ, phương pháp

bón, loại phân bón,… như vậy còn 60-65% lượng đạm tương đương với 1,77 triệu tấn ure, 55-60% lượng lân tương đương 2,07 triệu tấn supe lân và 55-60% lượng kali tương đương với 344 nghìn tấn kali clorua được bón vào đất nhưng chưa được cây trồng sử dụng

Trong số phân bón chưa được cây sử dụng, một phần còn ở lại trong đất, một phần bị rửa trôi theo nước mặt do mưa, theo các công trình thủy lợi ra các ao hồ, sông suối gây ô nhiễm nguồn nước mặt Một phần rửa trôi theo chiều dọc xuống tầng nước ngầm và một phần bị bay hơi do tác động của nhiệt độ hay quá trình phản nitrat hóa gây ô nhiễm không khí

Như vậy, ngoài tác dụng tích cực, tăng năng suất cây trồng thõa mãn nhu cầu lương thực, thực phẩm cho con người, phân bón hóa học cũng gây nhiều nguy hại cho môi trường và sức khỏe con người Việc những nước lợi dụng các vi sinh vật có khả năng cố định đạm để cung cấp dinh dưỡng cho cây trồng đang được chú trọng trên phạm vi thế giới

CHƯƠNG 3: SỬ DỤNG VI SINH VẬT CỐ ĐỊNH ĐẠM ĐỂ SẢN XUẤT

PHÂN HỮU CƠ VI SINH

3.1 Giới thiệu:

Phân vi sinh cố định đạm là sản phẩm chứa chủng vi sinh vật sống đã được tuyển chọn có mật độ đạt theo tiêu chuẩn hiện hành Thông qua các hoạt động của chúng sau quá trình bón vào đất tạo ra chất dinh dưỡng mà cây trồng sử dụng được (Nitơ) hay các hoạt chất sinh học, góp phần nâng cao năng suất và chất lượng nông sản Phân vi sinh cố định đạm đảm bảo không gây ảnh hưởng xấu đến con người, hệ sinh thái và chất lượng nông sản

Nói đến môi trường đất ta phải kể đến vai trò của hệ sinh vật đất Trong đó, vi sinh vật đóng vai trò rất quan trọng trong quá trình hình thành đất do các dụng:

- Tổng hợp các chất cần thiết cho sự phát triển của cây trồng và tăng nguồn dinh dưỡng cho đất như tổng hợp các chất đạm hữu cơ từ Nitơ của khí quyển nhờ vi khuẩn nốt sần, sống cộng sinh vào cây họ đậu góp phần cung cấp các chất dinh dưỡng có Nitơ hữu cơ cho cây và vi khuẩn cố định đạm

Azotobacterium giúp tăng Nitơ hữu cơ, vô cơ trong đất

- Tăng cường sự phân giải các hợp chất hữu cơ trong đất, góp phần hình thành chất mùn trong đất để tăng độ phì nhiêu trong đất

- Tăng cường sự chuyển hóa hợp chất vô cơ trong đất

Như vậy chế phẩm phân vi sinh cố định đạm không hại đến sức khỏe con người, vật nuôi và cây trồng Không gây ô nhiễm môi trường sinh thái

Chế phẩm phân vi sinh cố định đạm có tác dụng cân bằng hệ vi sinh vật trong môi trường sinh thái

Chế phẩm phân vi sinh cố định đạm không làm chai đất, mà làm tăng độ phì nhiêu cho đất

Chế phẩm phân vi sinh cố định đạm đồng hóa chất dinh dưỡng cho cây trồng, tăng suất và chất lượng sản phẩm

Chế phẩm phân vi sinh cố định đạm có tác dụng làm tăng chất đề kháng cho cây trồng

Chế phẩm phân vi sinh cố định đạm phân hủy chuyển hóa các chất hữu cơ bền vững, làm sạch môi trường

Quá trình cố định Nitơ sinh học là quá trình khử Nitơ trong không khí thành NH3 dưới tác dụng của enzyme Nitrogenase của vi sinh vật

3.2 Lịch sử phát hiện

Trong khí quyển của Trái Đất khí Nitơ chiếm 78%, con người, động thực vật đều cần đến đạm Song đại đa số các sinh vật đều không sử dụng trực tiếp khí Nitơ chỉ có nhóm vi sinh vật cố định Nitơ là có khả năng này

Hàng năm, nhu cầu về Nitơ đối với cây trồng trên toàn thế giới là hàng trăm triệu tấn Tuy nhiên, phân bón hóa học chỉ đáp ứng được khoảng 30% lượng còn lại là do quá trình cố định Nitơ phân tử cung cấp

Khả năng cố định đạm của vi khuẩn đạm cố định hội sinh Azospirillum

được Beijerinck phát hiện từ năm 1922, nhưng vai trò của nó trong hoạt động cố định đạm vùng rễ của cây hòa thảo chỉ được biết đến vào những năm của thập kỷ

70 nhờ việc tìm ra nơi trú ngụ của chúng Năm 1976 đã phát hiện Azospirillum

bên trong và bên bề mặt của mô rễ, tạo ra mối quan hệ cộng sinh với cây, chúng có thể tồn tại trong đất vùng rễ, trên bề mặt rễ Đây là loài vi khuẩn có khả năng cố định đạm khá lớn, chúng nhận các chất hữu cơ như pectin, acid hữu cơ làm nguồn dinh dưỡng để phát triển và cố định đạm, đồng thời cung cấp các hợp chất Nitơ cho cây chủ Hiện nay, người ta sản xuất ra các phân vi sinh cố định đạm cho cây hòa thảo, đặc biệt là cây lúa mang tên Azogin và đã được chuyển khai cho các cây trồng khác nhau ở nhiều vùng sinh thái khác nhau có thể tăng năng

Chế phẩm vi khuẩn nốt sần đã được sản xuất từ rất lâu trên thế giới Năm

1896 lần đầu tiên người Đức chế ra loại chế phẩm gọi là Nitrazin, ở Mỹ sản xuất

ra chế phẩm Nitroculture, ở Anh sản xuất ra loại phân nitrobacterin Đến nay, hầu hết các nước đều sử dụng sản phẩm vi khuẩn nốt sần cho cây bộ đậu đặc biệt là cây đậu tương

Ơû Việt Nam, phân vi sinh cố định đạm cho cây bộ đậu đã được nghiên cứu từ 1960 Đến năm 1987 phân bón nitrazin trên nến chất mang than bùn mới được hoàn thiện Năm 1991 đã có hơn 10 doanh đã tham gia nghiên cứu lĩnh vực này

Việt Nam và nước ngoài cho thấy, phân bón hữu cơ vi sinh có tác dụng tốt đến sự sinh trưởng, phát triển, năng suất cây trồng, giảm giá thành nâng cao hiệu quả trồng trọt và cải tạo môi trường đất canh tác Chính phủ Việt Nam đã sớm nhận thấy được vai trò của phân bón vi sinh, vì vậy từ năm 1994, Thủ tướng Chính phủ đã ra Chỉ thị số: 644/TTg ngày 05 tháng 11 năm 1994 chỉ đạo việc quản lý: sản xuất, kinh doanh và chất lượng phân bón vi sinh, trong đó đã nhấn mạnh:” Để tiến đến một nền nông nghiệp sạch, giữ cho đất màu mỡ cần sử dụng hợp lý các loại phân và thuốc trừ sâu hóa học dựa trên nguồn tài nguyên dồi giàu về than bùn và photphosrit ở nước ta cần khuyến khích sử dụng các nguyên liệu này làm chất nền và chất phụ gia để sản xuất phân bón vi sinh, chế phẩm vi sinh, dùng chúng để thay thế dần các loại phân hóa học trong nông nghiệp theo xu hướng chung của thế giới…”

3.3 Thành phần các vi sinh vật cố định đạm:

Vi sinh vật cố định đạm được chia làm 2 nhóm:

Vi khuẩn cộng sinh: chủ yếu thuộc về vi khuẩn nốt sần Rhizobium

Vi khuẩn tự do: Azotobacter, Azospirillum…

3.3.1 Vi khuẩn cộng sinh Rhizobium:

v Đặc điểm:

Năm 1886, Beijerinck đã phân lập đuợc chủng vi khuẩn nốt sần rễ đậu từ rễ của một số cây đậu

Thuộc loại hiếu khí không bào tử

Hình dạng: là giống vi khuẩn nốt sần của cây họ đậu có hình dạng và kích thước thay đổi phụ thuộc vào giai đoạn phát triển

Khi vi khuẩn còn non, tế bào có dạng hình que ngắn , chuyển động được Khi vi khuẩn già, tế bào có kích thước lớn, không chuyển động và phân nhánh, được gọi là thể giả khuẩn Giai đoạn này thường trùng với giai đoạn ra hoa của thực vật, lúc đó cường độ cố định đạm của chúng cũng là cực đại

Có loại đơn mao, có loại chu mao cũng có loại tiêm mao mọc thành chùm

ở đầu

Khuẩn lạc: Trên môi trường đặc tạo khuẩn lạc trơn bóng , nhày, vô màu Chất nhày là một polysaccharide cấu tạo bởi hexose, pentose và acid uronic

v Phân loại

Rhizobium có những loài quan trọng như:

- R phaseoli (ở đậu nành, đậu tây, đậu ngựa)

- R leguminosarum (đậu Hà Lan)

- R trifolli (cỏ ba lá)

Trong đó có một số chủng mọc chậm không làm acid hoá môi trường nuôi

cấy ( như R phaseoli) và các chủng mọc nhanh làm acid hoá môi trường nuôi cấy ( như R leguminosarum)

v Định hoạt tính và khả năng cố định đạm:

Ta có thể tính và định lượng Enzyme Nitrogenase thông qua sắc ký với enzyme chuẩn có hàm lượng nhất định Nếu thấy xuất hiện những vạch tương đương với enzyme chuẩn thì xác định chúng có Enzyme Nitrogenase hay có khả năng cố định đạm

Nuôi cấy Rhizobium trên môi trường Dobereiner và sử dụng để định đạm

tổng số với đối chứng (môi trường không nuôi cấy) nếu có sự gia tăng hàm lượng đạm chứng tỏ chúng có khả năng cố định đạm

3.3.2 Vi khuẩn tự do: Azotobacter, Azospirillum…

3.3.2.1 Vi khuẩn tự do: Azotobacter:

v Đặc điểm:

Azotobacter là vi khuẩn hiếu khí bắt buộc, gram âm nhạy cảm với độ ẩm

của đất và hàm lượng các nguyên tố khoáng trong đất; P, K, Mo, B nếu đảm bảo

điều kiện hiếu khí tốt thì chủng Azotobacter có thể cố định đạm từ 10- 30mg N,

khi sử dụng 4g đường, ở nhiệt độ, thích hợp 25- 30oc, pH 7,2-8,2 Trong môi

trường axit không có hoặc có ít Azotobacter

v Phân loại:

Azotobacter phổ biến nhất là ba loài dưới đây:

Azo.chroococum: khi tế bào còn non có hình que, chuyển động được, kích

thướt tế bào từ 3-7micromet Khi tế bào già thì có hình cầu, tế bào xếp thành từng đôi hay hình khối có vỏ nhày Khi nuôi cấy trên môi trường đặc khuẩn lạc nhày không có màu hoặc màu nâu

Azo.agile: dạng hình cầu hoặc oval có kích thướt từ 3- 5 micromet đứng

riêng lẻ hoặc kết đôi, khuẩn lạc nhẵn, tiết sắc tố vàng hay lục vào môi trường

Azo.vinelandii: trong môi trường mới cấy có hình que, kích thướt tế bào từ

2-3 micromet Khi tế bào già thì có hình cầu, bào tương rất đậm khuẩn lạc nhẵn, trong suốt thường không có màng nhày Chúng thường tiết sắc tố huỳnh quang vào môi trường

Do Azotobacter có màng lipoprotein bên ngoài là những emzym hô hấp

hoạt động sử dụng oxi để hình thành ATP và làm cho oxi không thấm vào trong màng, nơi có nitrogennase tiến hành cố định đạm ở điều kiện kỵ khí NH3 được hình thành đến một mức độ nào đó sẽ kiềm hãm nitrogenase, nó chính là hoạt tính điều hòa nitrogenase

v Định tính và khả năng cố định đạm

Định tính: khuẩn lạc Azotobacter lồi, đàn hồi, hơi nhày, khi còn non có

màu trắng dần về già có màu nâu sẫm

Quan sát thấy những khuẩn lạc có đặc tính như trên đem nhuộm nang bằng cách nuôi trên môi trường Ashby Sau 2 tuần tiến hành nhuộm nang, nhuộm đơn để quan sát sự tạo nang

Sau khi xác định được sơ bộ những khuẩn lạc Azotobacter đem xác định

hoạt tính cố định đạm

Xác định khả năng cố định đạm bằng phương pháp đạm tổng số Các chủng vi khuẩn được nuôi cấy trong các bình chứa 100 ml môi trường Ashby vô đạm Sau 7 ngày lấy 10 ml dịch nuôi cấy đem vô cơ hoá và xác định đạm tổng ->

xác định được lượng đạm cố định được trong 7 ngày nuôi cấy ở Azotobacter

Chọn chủng vi khuẩn có khả năng cố định đạm mạnh mẽ nhất

Azospirillum là vi khuẩn Gram âm, thuộc họ Spirillaceae, di chuyển mạnh

Tế bào có dạng xoắn từ nữa vòng đến vài vòng Khuẩn lạc phát triển một loại