nghiên cứu quy trình xử lý bã thải cây gai xanh của nhà máy sản xuất sợi dệt thanh hoá đảm bảo an toàn môi trường

Chính vì vậy, đề tài luận án “Nghiên cứu quy trình xử lý bã thải cây Gai xanh của nhà máy sản xuất sợi dệt Thanh Hoá đảm bảo an toàn môi trường” được thực hiện nhằm đáp ứng yêu cầu xử lý

NGUYỄN THẾ KHOA

NGHIÊN CỨU QUY TRÌNH XỬ LÝ BÃ THẢI CÂY GAI XANH CỦA NHÀ MÁY SẢN XUẤT SỢI DỆT

THANH HOÁ ĐẢM BẢO AN TOÀN MÔI TRƯỜNG

LUẬN ÁN TIẾN SĨ KHOA HỌC MÔI TRƯỜNG

THÁI NGUYÊN - NĂM 2024

NGUYỄN THẾ KHOA

NGHIÊN CỨU QUY TRÌNH XỬ LÝ BÃ THẢI CÂY GAI XANH CỦA NHÀ MÁY SẢN XUẤT SỢI DỆT

THANH HOÁ ĐẢM BẢO AN TOÀN MÔI TRƯỜNG

Ngành: KHOA HỌC MÔI TRƯỜNG Mã số: 9.44.03.01

LUẬN ÁN TIẾN SĨ KHOA HỌC MÔI TRƯỜNG

Người hướng dẫn khoa học: 1 PGS.TS LÊ NHƯ KIỂU 2 TS DƯ NGỌC THÀNH

THÁI NGUYÊN - NĂM 2024

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi, công trình nghiên cứu được sự hướng dẫn của PGS.TS Lê Như Kiểu và TS Dư Ngọc Thành từ năm 2017 đến năm 2024 Các số liệu và kết quả đưa ra trong luận án là trung thực của

tác giả nghiên cứu thực hiện đề tài:“Nghiên cứu quy trình xử lý bã thải cây Gai của nhà máy sản xuất sợi dệt Thanh Hoá đảm bảo an toàn môi trường” Các

thông tin trích dẫn trong luận án đã được ghi rõ nguồn gốc

Thái Nguyên, ngày tháng năm 2024

Tác giả luận án

Nguyễn Thế Khoa

Xin chân thành cảm ơn tập thể Lãnh đạo nhà trường, Viện Thổ nhưỡng Nông hoá, Khoa Môi trường và các thầy cô giáo Trường Đại học Nông lâm - Đại học Thái Nguyên đã tạo điều kiện thuận lợi để tác giả có thể học tập và nghiên cứu

Tác giả xin trân trọng gửi lời cảm ơn tất cả những sự giúp đỡ quý báu đó! Thái Nguyên, tháng năm 2024

Tác giả luận án

Nguyễn Thế Khoa

2 Mục đích và yêu cầu của đề tài 2

3 Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài 2

4 Đóng góp mới của luận án 2

Chương 1: TỔNG QUAN VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU 4

1.1 Tổng quan về cây Gai xanh 4

1.1.1 Đặc điểm thực vật học của cây Gai xanh 4

1.1.2 Đặc điểm của sợi Gai xanh 5

1.1.3 Yêu cầu điều kiện ngoại cảnh của cây Gai xanh 8

1.1.4 Giá trị kinh tế của cây Gai xanh 9

1.2 Tình hình sản xuất, chế biến và xử lý bã thải cây Gai xanh trên thế giới 11

1.3 Tình hình sản xuất, chế biến và xử lý bã thải cây Gai xanh ở Việt Nam 18

1.4 Sử dụng VSV trong xử lý các hợp chất giàu xenlulo 25

1.4.1 VSV phân giải xenlulo 25

1.4.2 Các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình phân giải xenlulo của VSV 26

1.5 Một số nghiên cứu về khả năng ứng dụng các nhóm VSV trong cung cấp dinh dưỡng cây trồng 28

1.5.1 VSV cố định nitơ 28

1.5.2 VSV phốt phát vô cơ khó tan hay VSV hòa tan phốt phát (Phosphate Solubilizing Microorganisms - PSM) 30

1.5.3 VSV kích thích sinh trưởng 32

1.6 Tình hình nghiên cứu, sản xuất phân bón hữu cơ, hữu cơ vi sinh từ phụ

phẩm nông nghiệp trên thế giới và Việt Nam 34

1.6.1 Tình hình nghiên cứu, sản xuất phân bón hữu cơ, hữu cơ vi sinh từ phụ phẩm nông nghiệp trên thế giới 34

1.6.2 Tình hình nghiên cứu, sản xuất phân bón hữu cơ, hữu cơ vi sinh từ phụ phẩm nông nghiệp tại Việt Nam 38

Chương 2: ĐỐI TƯỢNG, NỘI DUNG, VẬT LIỆU VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 47

2.1 Đối tượng, phạm vi, địa điểm và thời gian nghiên cứu 47

2.1.1 Đối tượng nghiên cứu 47

2.1.2 Phạm vi nghiên cứu 47

2.1.3 Địa điểm nghiên cứu: 47

2.1.4 Thời gian nghiên cứu: tháng 08/2018 đến tháng 8/2021 47

2.2 Nội dung nghiên cứu 47

2.2.1 Điều tra tình hình sản xuất và chế biến sợi Gai xanh 47

2.2.2 Hiện trạng môi trường và tình hình xử lý bã thải cây Gai xanh sau thu hoạch 47

2.2.3 Phân lập và tuyển chọn các chủng VSV có ích để xử lý nguyên liệu và bổ sung tạo phân bón hữu cơ vi sinh 47

2.2.4 Nghiên cứu nhân sinh khối VSV phân giải xenlulo, cố định nitơ, phân giải phốt phát khó tan, kích thích sinh trưởng thực vật trên thiết bị lên men 3 lít 48

2.2.5 Sản xuất các chế phẩm VSV phục vụ cho thử nghiệm 48

2.2.6 Xây dựng quy trình xử lý bã thải Gai xanh thành phân bón hữu cơ vi sinh 48

2.2.7 Đánh giá hiệu quả của phân bón hữu cơ vi sinh đến cây Gai xanh tại Thanh Hóa 48

2.3 Vật liệu và phương pháp nghiên cứu 49

2.3.1 Vật liệu và thiết bị nghiên cứu 49

2.3.2 Phương pháp nghiên cứu 49

2.3.2.19 Phương pháp xây dựng quy trình xử lý bã thải Gai xanh thành phân bón hữu cơ vi sinh 63

Chương 3: KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU 65

3.1 Điều tra tình hình sản xuất và chế biến sợi Gai xanh trên địa bàn tỉnh Thanh Hóa 65

3.1.1 Hiện trạng sản xuất, chế biến cây Gai xanh 65

3.1.2 Diện tích vùng trồng Gai xanh thâm canh 72

3.2 Hiện trạng môi trường và tình hình xử lý bã thải cây Gai xanh sau thu hoạch 73

3.2.1 Tính toán khối lượng bã thải cây Gai xanh 73

3.2.2 Đặc điểm của bãi thải từ cây gai xanh 73

3.2.3 Tình hình xử lý bã thải cây Gai xanh sau thu hoạch 76

3.3 Phân lập và tuyển chọn các chủng VSV có ích để xử lý nguyên liệu và bổ sung tạo phân bón hữu cơ vi sinh 78

3.3.1 Phân lập và tuyển chọn các chủng VSV phân giải xenlulo cao từ các mẫu đất thu thập tại Thanh Hóa 78

3.3.2 Phân lập và tuyển chọn các chủng VSV có hoạt tính cố định nitơ tự do từ các mẫu đất trồng Gai xanh tại tỉnh Thanh Hóa 89

3.3.3 Phân lập và tuyển chọn các chủng VSV có khả năng phân giải các hợp chất phốt phát vô cơ khó tan từ các mẫu đất trồng Gai xanh tại tỉnh Thanh Hóa 94

3.3.4 Phân lập và tuyển chọn các chủng VSV sinh tổng hợp chất kích thích sinh trưởng thực vật từ các mẫu đất trồng Gai xanh tại tỉnh Thanh Hóa 99

3.3.5 Đánh giá an toàn sinh học và xác định tên loài các chủng VSV tuyển chọn 104

3.4 Nghiên cứu nhân sinh khối VSV phân giải xenlulo, cố định nitơ, phân giải phốt phát khó tan, kích thích sinh trưởng thực vật trên thiết bị lên men 3 lít 106

3.4.1 Nghiên cứu nhân sinh khối VSV phân giải xenlulo 106

3.4.2 Nghiên cứu nhân sinh khối VSV cố định nitơ 110

3.4.3 Nghiên cứu nhân sinh khối VSV phân giải phốt phát khó tan 113

3.4.4 Nghiên cứu nhân sinh khối VSV kích thích sinh trưởng thực vật 115

3.5 Sản xuất các chế phẩm VSV phục vụ cho thử nghiệm 118

3.5.1 Sản xuất chế phẩm vi sinh phân hủy bã thải sau chế biến cây Gai xanh thành nguồn hữu cơ 118

3.5.2 Sản xuất chế phẩm vi sinh chứa VSV có ích (cố định nitơ, phốt phát vô cơ khó tan, sinh chất kích thích sinh trưởng thực vật) để bổ sung vào phân hữu cơ tạo phân bón hữu cơ vi sinh 122 3.6 Xây dựng quy trình xử lý bã thải Gai xanh thành phân bón hữu cơ vi sinh 127 3.6.1 Nghiên cứu về liều lượng chế phẩm vi sinh và số lần đảo đến thời gian

xử lý bã thải Gai xanh và chất lượng phân hữu cơ tạo thành 127 3.6.2 Nghiên cứu bổ sung phụ gia để nâng cao hiệu quả quá trình ủ nguyên liệu 133 3.6.3 Nghiên cứu bổ sung VSV hữu ích vào phân hữu cơ tạo phân bón hữu cơ

vi sinh 138 3.6.4 Đánh giá chất lượng sản phẩm phân hữu cơ vi sinh tạo thành sau quá

trình thử nghiệm trên đống ủ lớn (2 tấn/đống) 139 3.6.5 Xây dựng quy trình xử lý bã thải Gai xanh thành phân bón hữu cơ vi sinh 142 3.7 Đánh giá hiệu quả của phân bón hữu cơ vi sinh đến cây Gai xanh tại Thanh Hóa 145 3.7.1 Ảnh hưởng của bón phân bón hữu cơ vi sinh đến chiều cao cây của giống

Gai xanh 145 3.7.2 Ảnh hưởng của bón phân bón hữu cơ vi sinh đến đường kính thân của

giống Gai xanh 145 3.7.3 Ảnh hưởng của bón phân bón hữu cơ vi sinh đến năng suất thân tươi và

năng suất bẹ khô của cây Gai xanh giống 146 3.7.4 Hiệu quả kinh tế - xã hội, môi trường của việc sử dụng phân bón hữu cơ

vi sinh làm từ bã thải cây Gai xanh 147

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 150 DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH CÔNG BỐ KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU CỦA ĐỀ TÀI LUẬN ÁN 152 TÀI LIỆU THAM KHẢO Error! Bookmark not defined PHỤ LỤC 153

DANH MỤC CHỮ VIẾT TẮT

FAO : Tổ chức nông lương thế giới IAA : Axit Indole -3 -Acetic NFB : Nitrogen Fixing Bacteria NPK : Phân bón N.P.K

UBND : Ủy ban nhân dân VSV : vi sinh vật

DANH MỤC BẢNG

Bảng 1.1 So sánh chất lượng sợi Gai xanh với các loại sợi tự nhiên khác 7

Bảng 1.2 Thành phần hóa học của sợi Gai xanh 8

Bảng 1.3 Hàm lượng các chất dinh dưỡng trong một số phụ phẩm trồng trọt 38

Bảng 2.1 Các công thức đánh giá hiệu quả xử lý bã thải Gai xanh của chế phẩm chứa VSV phân giải xenlulo 60

Bảng 2.2 Các công thức nghiên cứu bổ sung phụ gia 61

Bảng 3.1 Hiện trạng trồng cây Gai xanh trên địa bàn tỉnh Thanh Hóa 66

Bảng 3.2 Hiện trạng đất trồng cây Gai xanh trên địa bàn tỉnh Thanh Hóa 67

Bảng 3.3 Tính toán khối lượng nguyên liệu đáp ứng công suất tiêu thụ của nhà máy sợi dệt tại Thanh Hoá 68

Bảng 3.4 Diện tích quy hoạch trồng cây Gai xanh giai đoạn 2018 - 2025 và định hướng đến 2030 70

Bảng 3.5 Diện tích đất có khả năng thâm canh Gai xanh vùng nguyên liệu đến năm 2025 và định hướng đến năm 2030 72

Bảng 3.6 Một số chỉ tiêu lý, hóa, sinh học trong bã thải cây Gai xanh 75

Bảng 3.7 Số liệu điều tra về sử dụng chất thải cây Gai xanh của nông dân 77

Bảng 3.8 Các chủng VSV phân lập từ mẫu đất và phân ủ tại Thanh Hóa 79

Bảng 3.9 Đặc điểm hình thái và khả năng tạo vòng phân giải CMC của các chủng vi khuẩn phân giải xenlulo phân lập 83

Bảng 3.10 Đặc điểm hình thái và khả năng tạo vòng phân giải CMC của các chủng xạ khuẩn phân giải xenlulo phân lập 84

Bảng 3.11 Tỷ lệ giảm khối lượng bã thải trong bình ủ ở nhiệt độ phòng sau 30 ngày 85

Bảng 3.12 Đặc điểm sinh lý, sinh hóa của các chủng VSV phân giải xenlulo tuyển chọn 87

Bảng 3.13 Ảnh hưởng của nguồn cacbon khác nhau (gluco, sacharo, tinh bột, CMC) đến sinh trưởng, phát triển của các chủng VSV tuyển chọn 87

Bảng 3.14 Hoạt tính enzyme ngoại bào của các chủng xạ khuẩn lựa chọn 89

Bảng 3.15 Đặc điểm của các chủng Azotobacte phân lập có khả năng cố định nitơ tự do 90

Bảng 3.16 Khả năng cố định nitơ của các chủng vi khuẩn phân lập 93 Bảng 3.17 Đặc điểm sinh lý, sinh hóa của chủng VSV cố định nitơ tự do

(ACT02) 94 Bảng 3.18 Đặc điểm của các chủng VSV phân lập có khả năng phân giải

Ca3(PO4)2 95 Bảng 3.19 Đặc điểm sinh lý, sinh hóa của các chủng VSV phân giải lân phân lập 97 Bảng 3.20 Đánh giá hoạt tính phốt phát vô cơ khó tan của các chủng VSV

phân lập 98 Bảng 3.21 Đặc điểm của các chủng VSV sinh tổng hợp chất kích thích sinh

trưởng thực vật 99 Bảng 3.22 Đánh giá hoạt tính sinh IAA của các chủng vi khuẩn phân lập sau

48h nuôi cấy 102 Bảng 3.23 Đặc điểm sinh lý, sinh hóa của các chủng VSV sinh tổng hợp chất

kích thích sinh trưởng thực vật (KCT5) 104 Bảng 3.24 Kết quả định danh các chủng vi khuẩn lựa chọn 105 Bảng 3.25 Phân định độ an toàn sinh học của các chủng vi khuẩn lựa chọn 106 Bảng 3.26 Ảnh hưởng của các nguồn dinh dưỡng khác nhau đến sự phát

triển của các chủng VSV phân giải xenlulo 107 Bảng 3.27 Ảnh hưởng của nguồn dinh dưỡng khác nhau đến hoạt tính sinh

học của các chủng VSV phân giải xenlulo 107 Bảng 3.28 Các thông số kỹ thuật lên men thích hợp của các chủng

Streptomyces PU1.1 và PU2.1 108 Bảng 3.29 Hoạt tính sinh học của các chủng Streptomyces PU1.1, PU2.1 sau

quá trình lên men 110 Bảng 3.30 Ảnh hưởng của các nguồn dinh dưỡng khác nhau đến sự phát

triển của các chủng VSV cố định nitơ 110 Bảng 3.31 Ảnh hưởng của nguồn dinh dưỡng khác nhau đến hoạt tính sinh

học của các chủng VSV cố định nitơ 111 Bảng 3.32 Các thông số kỹ thuật lên men thích hợp của chủng Azotobacter ACT02 111 Bảng 3.33 Hoạt tính sinh học của chủng ACT02 sau quá trình lên men 112

Bảng 3.34 Ảnh hưởng của các nguồn dinh dưỡng khác nhau đến sự phát triển của các chủng VSV phân giải phốt phát khó tan 113 Bảng 3.35 Ảnh hưởng của nguồn dinh dưỡng khác nhau đến hoạt tính sinh

học của các chủng VSV cố định nitơ 113 Bảng 3.36 Các thông số kỹ thuật lên men thích hợp của chủng Bacillus PCT2 114 Bảng 3.37 Hoạt tính sinh học của chủng PCT2 sau quá trình lên men 115 Bảng 3.38 Ảnh hưởng của các nguồn dinh dưỡng khác nhau đến sự phát

triển của các chủng VSV sinh chất kích thích sinh trưởng thực vật 115 Bảng 3.39 Ảnh hưởng của nguồn dinh dưỡng khác nhau đến hoạt tính sinh

học của các chủng VSV sinh chất kích thích sinh trưởng thực vật 116 Bảng 3.40 Các thông số kỹ thuật lên men thích hợp của chủng Azotobacter

KCT5 116 Bảng 3.41 Hoạt tính sinh học của chủng Azotobacter KCT5 sau quá trình lên men 117 Bảng 3.42 Tổ hợp VSV sử dụng trong sản xuất chế phẩm vi sinh phân hủy

bã thải Gai xanh 118 Bảng 3.43 Khả năng tồn tại của các chủng Streptomyces lilaceus PU1.1 và

Streptomyces misionensis PU2.1 trong điều kiện hỗn hợp chủng dạng lỏng 118 Bảng 3.44 Hoạt tính sinh học của các chủng Streptomyces lilaceus PU1.1 và

Streptomyces misionensis PU2.1 trong điều kiện hỗn hợp chủng 119 Bảng 3.45 Khả năng tồn tại của các chủng xạ khuẩn Streptomyces lilaceus PU1.1

và Streptomyces misionensis PU2.1 trong chất mang than bùn 120 Bảng 3.46 Khả năng tồn tại của các chủng VSV trong chế phẩm sau 6 tháng

bảo quản 122 Bảng 3.47 Hoạt tính sinh học của các chủng vsv trong chế phẩm sau thời

gian bảo quản khác nhau 122 Bảng 3.48 Tổ hợp VSV sử dụng trong sản xuất chế phẩm VSV có ích 123 Bảng 3.49 Khả năng tồn tại của các chủng vsv lựa chọn* trong chất mang

than bùn sau các thời gian bảo quản 123

Bảng 3.50 Hoạt tính sinh học của các chủng VSV lựa chọn trong chất mang

than bùn sau các thời gian bảo quản 124

Bảng 3.51 Liều lượng chế phẩm vi sinh và số lần đảo 127

Bảng 3.52 Một số chỉ tiêu hóa học trong bã thải Gai xanh sau xử lý ủ chế phẩm vi sinh 132

Bảng 3.53 Một số chỉ tiêu so sánh giữa việc ủ VSV tự nhiên và ủ bổ sung chế phẩm vi sinh sau 28 ngày ủ 133

Bảng 3.54 Công thức bổ sung phụ gia 133

Bảng 3.55 Một số chỉ tiêu hóa học sau quá trình ủ 135

Bảng 3.56 Đánh giá độ hoai mục đống ủ sau 30 ngày 136

Bảng 3.57 Tỷ lệ nảy mầm của hạt cải trên nền các cơ chất khác nhau 137

Bảng 3.58 Nhiệt độ trong các túi sản phẩm phân ủ sau 28 ngày 137

Bảng 3.59 Công thức thí nghiệm tỷ lệ giống và thời gian ảnh hưởng đến sinh trưởng và phát triển của các chủng VSV hữu ích trong cơ chất hữu cơ 138

Bảng 3.60 Một số chỉ tiêu lý, hóa học của sản phẩm sau 4 tuần ủ 140

Bảng 3.61 Mật độ tế bào các nhóm VSV trong phân hữu cơ vi sinh thành phẩm 141

Bảng 3.62 Chiều cao cây của cây Gai xanh giống 145

Bảng 3.63 Đường kính thân của cây Gai xanh giống 146

Bảng 3.64 Năng suất thân tươi của cây Gai xanh giống 146

Bảng 3.65 Năng suất bẹ khô của cây Gai xanh giống 146

Bảng 3.66 Hiệu quả kinh tế của việc sử dụng phân bón hữu cơ vi sinh trong canh tác cây Gai xanh 147

DANH MỤC HÌNH

Hình 3.1 Bã thải của cây Gai xanh sau thu hoạch 74 Hình 3.2 Bã thải cây Gai xanh sau thu hoạch tại đồng ruộng 76 Hình 3.3 Khuẩn lạc và vòng phân giải cơ chất CMC của chủng VSV phân

lập (vòng tròn trong suốt bao quanh khuẩn lạc) 83 Hình 3.4: Hình ảnh khuẩn lạc của các chủng VSV có khả năng phân giải

xenlulo mạnh 84 Hình 3.5: Đánh giá khả năng phân giải xenlulo của 02 chủng VSV phân lập 85 Hình 3.5 Minh họa độ sụt giảm khối lượng bã thải Gai xanh sau 30 ngày xử

lý VSV phân giải xenlulo 86 Hình 3.6 Minh họa hình ảnh phản ứng màu của các chủng Azotobacter với

thuốc thử Nessler 92 Hình 3.7 Phân lập các chủng VSV phân giải Ca3(PO4)2 (tạo vòng trong bao

quanh) từ mẫu đất trồng Gai xanh của huyện Cẩm Thủy 96 Hình 3.8 Vòng tròn trong suốt bao quanh khuẩn lạc của các VSV phân lập 98 Hình 3.9 Khả năng sinh tổng hợp IAA thô của các chủng VSV tuyển chọn 103 Hình 3.10 Thí nghiệm đánh giá hiệu quả xử lý bã thải Gai xanh của chế phẩm

chứa VSV phân giải xenlulo 136

DANH MỤC ĐỒ THỊ, SƠ ĐỒ

Đồ thị 3.1 Động thái phát triển của chủng Streptomyces PU1.1 phân giải xenlulo trên thiết bị lên men chìm 109 Đồ thị 3.2 Động thái phát triển của chủng Streptomyces PU2.1 phân giải

xenlulo trên thiết bị lên men chìm 109 Đồ thị 3.3 Động thái phát triển của chủng Azotobacter ACT02 cố định Nitơ

tự do trên thiết bị lên men chìm 112 Đồ thị 3.4 Động thái phát triển của chủng Bacillus PCT2 phân giải phốt

phát khó tan trên thiết bị lên men chìm 114 Đồ thị 3.5 Động thái phát triển của chủng Azotobacter KCT5 sinh chất kích

thích sinh trưởng thực vật trên thiết bị lên men chìm 117 Đồ thị 3.6 Biến động nhiệt độ của đống ủ theo thời gian sau khi xử lý ủ chế

phẩm vi sinh ở các công thức 128 Đồ thị 3.7 Sự thay đổi pH trong đống ủ sau xử lý ủ 129 Đồ thị 3.8 Sự biến động mật độ VSV hiếu khí tổng số trong đống ủ sau 4

tuần xử lý chế phẩm vi sinh 130 Đồ thị 3.9 Sự biến động mật độ Vi khuẩn hiếu khí phân giải xenlulo trong

đống ủ sau 4 tuần xử lý chế phẩm vi sinh 130 Đồ thị 3.10 Sự biến động mật độ Xạ khuẩn hiếu khí phân giải xenlulo trong

đống ủ sau 4 tuần xử lý chế phẩm vi sinh 131 Đồ thị 3.11 Một số chỉ tiêu hóa học trong bã thải Gai xanh sau xử lý ủ chế

phẩm vi sinh 132 Đồ thị 3.12 Sự biến động nhiệt độ trong quá trình ủ ở các công thức bổ sung

phụ gia khác nhau 134 Đồ thị 3.13 Sự biến động số lượng VSV trong quá trình ủ 135 Đồ thị 3.14 Ảnh hưởng của tỷ lệ giống và thời gian đến sinh trưởng và phát

triển của các chủng VSV hữu ích trong cơ chất hữu cơ 139 Sơ đồ 3.1 Quy trình sản xuất chế phẩm vi sinh phân hủy bã thải 121 Sơ đồ 3.2 Quy trình sản xuất chế phẩm VSV có ích 126 Sơ đồ 3.3 Quy trình xử lý bã thải Gai xanh thành phân bón hữu cơ vi sinh 144

MỞ ĐẦU 1 Đặt vấn đề

Cùng với sự phát triển của xã hội, nhu cầu về các sản phẩm may mặc cũng như nhu cầu về nguyên liệu của ngành dệt may nước ta ngày càng lớn Việc phát triển cây nguyên liệu khác ngoài cây bông nhằm bổ sung cơ cấu nguyên liệu cho ngành dệt may là rất cần thiết, góp phần giảm dần việc nhập khẩu xơ, tiết kiệm ngoại tệ và chủ động sản xuất, tạo ra sản phẩm mới có giá trị gia tăng cao

Theo đánh giá, hàng năm các nhà máy sản xuất dệt sợi trong nước cần hàng chục ngàn tấn nguyên liệu, nhu cầu đầu vào rất lớn nhưng việc sản xuất sợi Gai xanh chỉ mới duy trì quy mô nhỏ lẻ nên phải nhập khẩu gần như toàn bộ từ nước ngoài, chi phí rất tốn kém Do đó, việc nhân rộng các mô hình trồng Gai xanh sẽ mang lại lợi ích song hành, vừa tiết kiệm được nguồn ngoại tệ lớn, đồng thời tạo ra công ăn việc làm nhằm tăng thu nhập cho người nông dân

Năm 2016, Công ty Cổ phần Đầu tư phát triển sản xuất và Xuất nhập khẩu An Phước đầu tư dự án nhà máy sản xuất sợi dệt kết hợp phát triển vùng nguyên liệu cây Gai xanh tại xã Cẩm Tú, huyện Cẩm Thủy, tỉnh Thanh Hóa Theo Sở Nông nghiệp và Phát triển nông thôn tỉnh Thanh Hoá, tính đến tháng 12 năm 2021, diện tích trồng Gai xanh trên địa bàn tỉnh Thanh Hóa đạt 460 ha Hiện nay, tất cả diện tích trồng Gai xanh nguyên liệu trên địa bàn tỉnh đều được Công ty này ký hợp đồng và bao tiêu sản phẩm

Trong quá trình sản xuất, lượng bã thải từ việc nghiền cây Gai xanh lấy sợi là rất lớn Tuy là bã thải nhưng trong bã cây lại có nhiều chất hữu cơ "bổ béo" mà cây Gai xanh đã hút từ đất như protêin, lipít, các chất khoáng, vitamin

Mỗi năm 1ha cây Gai xanh cần lượng phân bón hóa học vào khoảng 1,9 tấn Với diện tích 460 ha trồng Gai xanh và còn phát triển hơn nữa trong thời gian tới thì nhu cầu phân bón của nông dân là rất lớn Việc sử dụng phân bón hữu cơ vi sinh bón cho cây trồng giúp cung cấp chất hữu cơ cho đất, làm gia tăng hệ vi sinh vật (VSV) đất, tăng khả năng giữ nước, giữ phân bón làm cho đất tơi xốp hơn, bộ rễ cây trồng khỏe, tăng hiệu suất sử dụng phân bón cho cây, tăng khả năng chống chịu sâu bệnh hại và năng suất cây trồng

Chính vì vậy, đề tài luận án “Nghiên cứu quy trình xử lý bã thải cây Gai xanh của nhà máy sản xuất sợi dệt Thanh Hoá đảm bảo an toàn môi trường”

được thực hiện nhằm đáp ứng yêu cầu xử lý hiệu quả số lượng lớn bã thải, giảm ô nhiễm môi trường và tạo ra loại phân bón hữu cơ phục vụ cho sản xuất cây Gai xanh nói riêng và các cây trồng khác nói chung, góp phần sản xuất nông nghiệp theo hướng kinh tế tuần hoàn, tạo sản phẩm sạch, an toàn

2 Mục đích và yêu cầu của đề tài

2.1 Mục đích

Xử lý được bã thải từ trồng cây gai xanh thành phân bón hữu cơ vi sinh nhằm giảm thiểu phát sinh chất thải gây ô nhiễm môi trường, nâng cao năng suất cây trồng và phù hợp với xu hướng phát triển kinh tế tuần hoàn

3 Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài

- Ý nghĩa khoa học: Kết quả nghiên cứu của luận án là những đóng góp về mặt phương pháp luận và cơ sở khoa học cho việc phân lập và tuyển chọn bộ chủng VSV phù hợp với quá trình chuyển hóa ligno - xenlulo, áp dụng trong xử lý bã thải cây gai xanh làm phân bón hữu cơ vi sinh

- Ý nghĩa thực tiễn: Đề tài có ý nghĩa thực tiễn tận dụng hiệu quả chất thải nông nghiệp, góp phần giảm thiểu ô nhiễm môi trường, nâng cao năng suất cây trồng và phù hợp với xu hướng phát triển kinh tế tuần hoàn

4 Đóng góp mới của luận án

- Phân lập và tuyển chọn được 02 chủng xạ khuẩn có khả năng phân giải xenlulo cao phù hợp để xử lý bã thải trồng cây gai xanh làm nguyên liệu sản xuất

phân bón hữu cơ vi sinh Các chủng này đã được định tên đến loài bằng phân

tích trình tự 16S – rARN

- Phân lập và tuyển chọn được 03 chủng vi khuẩn cố định nitơ, phân giải phốt phát vô cơ khó tan, kích thích sinh trưởng có hoạt tính sinh học cao phù hợp với điều kiện thổ nhưỡng của tỉnh Thanh Hóa để sản xuất phân bón hữu cơ vi sinh

- Đã xây dựng được quy trình sản xuất chế phẩm vi sinh từ các chủng vi sinh tuyển chọn được và quy trình sử dụng chế phẩm vi sinh để xử lý bã thải trồng cây Gai xanh thành phân bón hữu cơ vi sinh đạt tiêu chuẩn theo quy định hiện hành của Bộ Nông nghiệp và Phát triển nông thôn Sử dụng phân bón hữu cơ vi sinh từ bã thải bón cho cây Gai xanh, giúp giảm ô nhiễm môi trường do tái sử dụng bã thải dư thừa sau sản xuất thành sản phẩm có ích

Chương 1

TỔNG QUAN VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU 1.1 Tổng quan về cây Gai xanh

1.1.1 Đặc điểm thực vật học của cây Gai xanh

Cây Gai xanh (Boehmeria nivea L Gaud) tên tiếng Anh là Green Ramie, Chinese grass, thuộc họ Gai xanh (Urticaceae), là loại cây song tử diệp, đâm chồi

lưu niên, cao 0,9 - 2,1m, cây lưỡng tính, thụ phấn nhờ gió Là loài lưỡng bội với 2n=14 (Balakrishna Gowda, 2010) Toàn bộ cây Gai xanh gồm có 2 phần liên quan mật thiết: bộ phận khí sinh và bộ phận địa sinh Bộ phận khí sinh gồm có các thân khí sinh, cành, lá, hoa, quả; bộ phận địa sinh gồm có các loại thân ngầm và các loại rễ (Trung tâm tiền sử Đông Nam Á, 2003)

Thân khí sinh từ các loại thân ngầm từ dưới đất đâm lên, có thể cao đến 3m, đường kính gốc 10 - 20mm, phía ngọn thót lại nhiều ít tùy giống Thân Gai xanh thường được phủ bằng những lông nhỏ không dễ thấy, không có cành nhánh hoặc có rất ít Mỗi gốc Gai xanh thường có từ 10 đến 50 thân khí sinh, tùy giống, tùy tuổi và tùy điều kiện sinh sống Khi cây còn nhỏ thân có màu xanh, khi già thì chuyển sang màu nâu

Lá Gai xanh hình tim, mọc cách trên thân, mặt trên lá màu xanh, mặt dưới có nhiều lông tơ trắng Phiến lá thường dài 10 - 18cm, rộng 9 - 16cm hình thon hay quả tim, mũi nhọn, thường có 3 - 5 gân chính tùy chủng, từ gân chính đâm ra rất nhiều gân con thành hình lưới, gân nổi gồ lên về phía mặt dưới lá Mép lá có răng cưa Lá có cuống dài (5 - 13cm) và có lá kèm Lá kèm có hình trứng với một đầu nhọn

Hoa Gai xanh mọc thành cụm ở trên ngọn, thuộc loại hoa đơn tính đồng chu, với 5 đài hoa và không có cánh hoa Cấu tạo hoa cây Gai xanh gồm một tế bào, một bầu nhụy, một vòi nhụy nhỏ có lông ở một bên Hoa đực mọc ở phần dưới thấp, có 5 nhị hoa và 1 bầu nhụy non Hoa cái ra sau nên ở phía trên, ở đoạn thân hoa đực và hoa cái tiếp giáp nhau thì mọc lẫn lộn Đầu tiên, hoa đực nở và nhờ gió thụ phấn Sau đó hoa phát triển thành quả có rất nhiều hạt nhỏ Quả Gai xanh thuộc loại quả khô, có 2 tâm bi làm thành 1 ngăn chứa 1 hạt, khi chín thì quả màu nâu nhạt Hạt được tạo thành với số lượng lớn Hạt Gai xanh màu nâu đậm, hình thuẫn dẹp, dài

0,7mm, rộng 0,6mm, có phôi nhũ chứa dầu Hạt có kích thước rất nhỏ, 1g hạt có khoảng 7000 hạt (Tara Sen và H N Jagannatha Reddy, 2011)

Thân ngầm của Gai xanh giống như rễ, do đó thường gọi là “rễ” Những thân ngầm này lúc đầu đâm ngang, rồi sau đâm xiên lên khỏi mặt đất thành thân khí sinh Thực tế, thân ngầm khác rễ ở chỗ có nhiều đốt, mỗi đốt lại có mầm ngủ mọc lên thành thân khí sinh Những thân ngầm này cắt thành đoạn đem trồng thì thành những cá thể mới

Gai xanh trồng bằng thân ngầm hay bằng hom thân, thì đầu tiên trên đó phát triển loại rễ bất định và rễ hom lụi dần đi Gai xanh trồng bằng hạt thì thời kỳ cây con cũng có rễ cái và rễ con nhưng về sau lụi đi và chỉ phát sinh rễ bất định trên thân khí sinh và thân ngầm Đặc biệt, cây Gai xanh có loại rễ rất phát triển, phình to lên, và chứa nhiều chất dự trữ gọi là rễ củ (Trung tâm tiền sử Đông Nam Á, 2003) Thân ngầm bắt đầu mọc sau khi trồng khoảng 5 - 20 ngày Giai đoạn đầu, cây sinh trưởng nhờ chất dinh dưỡng dự trữ trong rễ Có thể thu hoạch Gai xanh sau khi trồng 3 - 10 tháng nhưng lần thu hoạch đầu thường không sử dụng sợi được vì cây phát triển không đều và chất lượng sợi kém (Brink M và Escobin R.P., 2003)

Việc hiểu rõ được các đặc điểm thực vật học của cây Gai xanh làm cơ sở khoa học để thực hiện các biện pháp nhân giống và canh tác Dựa vào đặc điểm mọc lan nhanh của thân ngầm để bố trí khoảng cách trồng hợp lý, dựa vào đặc điểm của thân khí sinh và sự phát triển của bộ rễ Gai xanh mà xác định mật độ trồng, liều lượng, phương pháp và thời kỳ bón phân thích hợp Qua đó tạo tiền đề cho ruộng Gai xanh đạt năng suất cao và chất lượng sợi tốt

1.1.2 Đặc điểm của sợi Gai xanh

Mặt cắt ngang sợi Gai xanh có hình hơi dẹt, hình dạng không đều, có vách dày và thon nhọn ở 2 đầu Vách tế bào có vằn sọc theo chiều dọc Sợi Gai xanh chứa 69 -91% xenlulo, 5 - 13% hemi xenlulo, 1% lignin, 2% pectin và 2 - 4% tro Vỏ cây Gai xanh tách từ thân có chứa một lượng lớn chất gôm vì vậy cần có phương pháp đặc biệt để loại bỏ chúng Chất gôm có thành phần chính là hemi xenlulo và pectin, những chất này không hòa tan trong nước nhưng hòa tan được trong dung dịch kiềm Sợi Gai xanh đã khử gôm có chứa 96 - 98% xenlulo (Brink M và Escobin R.P., 2003)

Sợi Gai xanh bóng tự nhiên như tơ tằm và thường bị nhầm với tơ tằm Nó có hàm lượng lignin thấp (0,5%) so với sợi đay (13,5%) Sợi Gai xanh mịn hơn, tế bào sợi Gai xanh đồng đều và tròn hơn so với các loại sợi khác (Pratik Satya và ctv, 2010)

Sợi Gai xanh là loại sợi có giá trị vì nó mịn, bóng, độ bền cao, chịu lực tốt, chịu ẩm tốt và có khả năng trộn với tất cả các loại sợi tự nhiên và nhân tạo khác Sợi Gai xanh kháng lại các hoạt động hóa học tốt hơn so với các loại sợi khác và ít chịu ảnh hưởng của vi khuẩn, nấm bao gồm cả nấm mốc Tuy nhiên, sợi Gai xanh cũng chịu ảnh hưởng bởi một số sinh vật trong điều kiện nóng và ẩm

Sợi Gai xanh dài nhất trong các loại sợi thực vật, tế bào sợi Gai xanh có chiều dài khoảng 40 - 250mm và đường kính khoảng 25 - 60µm, dài gấp khoảng 6 lần sợi bông, 10 lần so với sợi lanh và 8 lần so với tơ tằm Tuy nhiên, một nghiên cứu của Mỹ cho rằng sợi Gai xanh dài 5 - 36mm và đường kính khoảng 41,8µm Sợi Gai xanh có tỷ lệ chiều dài/độ mảnh cao thể hiện cho loại sợi chất lượng tốt, tỷ lệ này ở sợi Gai xanh thậm chí cao hơn 1000 - 3000 lần so với sợi bông (Sarkar D và ctv, 2010)

Độ bền, khả năng thấm nước, khả năng nhuộm màu của sợi Gai xanh cao hơn so với sợi bông và sợi lanh nhưng độ mịn thì chỉ tương đương Tuy nhiên, khi ẩm, sợi Gai xanh co giãn kém hơn các loại sợi khác và khi trộn với lông cừu, khả năng co giãn vẫn thấp hơn so với lông cừu (Brink M và Escobin R.P., 2003) Sợi Gai xanh có thể hấp thụ nước và cũng nhanh khô mà không bị co hoặc biến dạng Theo Coss và Tayler (1948), khả năng hút nước khoảng 100% trong vòng 10 phút và 195% trong vòng 72 giờ Sợi Gai xanh có màu cực trắng, tương đương với tơ tằm và không bị đổi màu Sợi Gai xanh có tỉ trọng khoảng 1,50 đến 1,55 (Tara Sen và H N Jagannatha Reddy, 2011)

Độ bền, độ giãn của sợi Gai xanh lần lượt là 400 - 940 N/mm2, 3,6 - 3,8% Sợi Gai xanh có khả năng kháng khuẩn, tăng độ bền khi ngâm trong nước, đặc biệt là nước biển (Brink M và Escobin R.P, 2003) Có báo cáo cho rằng sợi Gai xanh bền gấp 8 lần sợi bông, 7 lần so với tơ tằm và độ bền càng tăng khi độ ẩm tăng Tuy nhiên một báo cáo khác lại cho rằng sợi Gai xanh bền tương đương với sợi bông, lanh, gai xanh dầu Sự khác nhau này có thể do ảnh hưởng của nguồn cung cấp, phương pháp xử lý sợi, điều kiện canh tác, nhiệt độ, độ ẩm (Tara Sen và H N Jagannatha Reddy, 2011)

Bảng 1.1 So sánh chất lượng sợi Gai xanh với các loại sợi tự nhiên khác Đặc điểm Sợi Gai xanh Sợi bông Sợi đay Sợi lanh Đặc điểm vật lý

Chiều dài tế bào sợi (mm) 20 - 25 16 - 52 0,8 - 6,0 26 - 65

Theo Nelson Potenciano Marinho và cs.(2018), các chất tách chiết từ cây Gai xanh có khả năng hòa tan trong nước (lạnh và nóng) chiếm 8,40% của các nguyên tố hữu cơ bám vào thành sợi (bao gồm các chất pectic như polysaccharides, gôm và nhựa) và phần còn lại của nhu mô, khoáng chất hữu cơ và phenolic Phần trăm các hợp chất có thể chiết xuất trong dung môi hữu cơ là 45,32%, bao gồm các axit béo, sáp, chất béo và dầu, thường được tìm thấy trong sợi sau quá trình degumming Hàm lượng tro thấp 1,70% Hàm lượng lignin là 1,06%, nhưng khác nhau giữa các loại thực vật, chủ yếu ở các giai đoạn trưởng thành khác nhau Hàm lượng xenlulo và hemixenlulo là 71,09 và 12,11%, tương ứng Các giá trị này phụ thuộc vào lượng chất dinh dưỡng có sẵn trong đất và giai đoạn của sự trưởng thành của cây

Bảng 1.2 Thành phần hóa học của sợi Gai xanh

TT Chỉ tiêu phân tích Thành phần sợi Gai xanh (%)

3 Các chất tách chiết hòa tan trong etanol

Nguồn: Nelson Potenciano Marinho và cs.(2018)

1.1.3 Yêu cầu điều kiện ngoại cảnh của cây Gai xanh

- Yêu cầu về đất: Cây Gai xanh dễ trồng và phát triển trên hầu hết các loại đất

nhưng trồng tốt nhất trên các loại đất tơi xốp, giàu dinh dưỡng và thoát nước tốt Nó cũng thích hợp với các loại đất có nguồn gốc núi lửa (Robert, 2005) Đất thịt nhẹ, cát pha và đất cát nhẹ thoát nước tốt thích hợp cho cây Gai xanh phát triển Đất sét và đất thịt nặng thì không trồng được Gai xanh Cây Gai xanh rất mẫn cảm với độ ẩm, không phát triển được ở chân đất cát khô và trên đất thoát nước kém Cây Gai xanh rất hợp với đất rừng, trồng lên luống (Singh, 2009) Độ pH đất thích hợp để trồng Gai xanh khoảng 5,5 - 6,6 Nhưng Robert (2005) lại cho rằng pH có thể nằm trong khoảng 4,3 - 7,3 và thích hợp nhất trên đất chua nhẹ Đất đá vôi không thích hợp với cây Gai xanh mặc dù Gai xanh có nhu cầu cao về canxi Gai xanh là cây phàm ăn và nhanh làm cạn kiệt đất nên đòi hỏi đất phải tốt hoặc bón phân đầy đủ để cây phát triển Đối với các loại đất nghèo dinh dưỡng, để trồng Gai xanh thì cần bón nhiều phân hữu cơ Tất cả các tàn dư thực vật sau khi tách sợi nên trả lại cho đất hoặc bón bổ sung phân hữu cơ hoặc vô cơ cho đất

- Yêu cầu về khí hậu: Mặc dù được trồng nhiều ở các vùng nhiệt đới nhưng cây

Gai xanh phát triển tốt nhất ở các vùng á nhiệt đới (Brink M và Escobin R.P., 2003)

Cây Gai xanh phát triển tốt ở điều kiện ấm với nhiệt độ khoảng 25 - 310C Cây không ưa ánh sáng trực xạ, phát triển tốt ở ánh sáng yếu, ngày ngắn thì thúc đẩy cây Gai xanh nở hoa Gai xanh là cây ưa ẩm, lượng mưa trung bình năm yêu cầu là 1.000 - 1.400mm, khi non hơi chịu bóng, ẩm độ tương đối khoảng 80% (Koichi, 2006) Theo Robert (2005), cây Gai xanh sống tốt nhất ở những vùng có nhiệt độ và độ ẩm cao với tổng lượng mưa khoảng 1100mm và phân bố đều trong năm

Cây Gai xanh rất mẫn cảm với sự úng nước, nó không phát triển tốt ở những vùng thường xuyên có bão hoặc lũ lụt Sự ngập úng đã làm ảnh hưởng đáng kể đến chiều cao cây, trọng lượng thân và năng suất sợi khô nhưng ảnh hưởng không đáng kể đến độ mịn và đường kính sợi (Brink M và Escobin R.P., 2003) Như vậy, điều kiện thổ nhưỡng và khí hậu ở Việt Nam rất thuận lợi cho sự sinh trưởng, phát triển của cây Gai xanh và thực tế cây Gai xanh đã được trồng ở nước ta từ lâu đời

1.1.4 Giá trị kinh tế của cây Gai xanh

Một số loài trong họ Gai xanh được trồng để lấy sợi như Boehmeria nivea (L.) Gaudich., Boehmeria holosericea Blume, Maoutia puya (Hook.f.) Wedd.,

Oreocnide frutescens (Thunb.) Miq (Dương Thị Hoàn và Hà Thị Vân Anh, 2009)

Gai xanh là một trong những cây lấy sợi từ vỏ rất có giá trị vì sợi Gai xanh có nhiều đặc tính quý và do đó có nhiều công dụng quan trọng Sợi Gai xanh là loại sợi dệt cổ xưa nhất, được sử dụng từ thời tiền sử ở Trung Quốc, Ấn Độ, Indonesia, được nhắc đến và ngợi ca trong nhiều bài thơ cổ (Sanskrit) (Brink M và Escobin R.P., 2003)

Sợi Gai xanh chịu được nấm mốc, dễ nhuộm màu, không nhăn nhúm, sau khi xử lý khử keo hoặc biến tính bằng phương pháp hóa học thì độ mềm mại tăng cao, do đó nó cũng là nguyên liệu cao cấp để dệt nên các loại hàng có giá trị

Vải dệt từ xơ Gai xanh có khả năng kháng khuẩn, nấm mốc, chống thối rữa, mục nát, bền với ánh sáng, có khả năng chống bám bẩn tự nhiên, thấm hút nước tốt cho người sử dụng cảm giác thoải mái khi mặc Loại vải này có đặc tính dễ nhuộm, có độ bền màu ướt tốt, tăng bền khi ướt, chịu được nhiệt độ cao của nước khi giặt, vải càng giặt càng bóng, độ co sau giặt thấp (Phạm Thị Mỹ Giang, 2010)

Vải Gai xanh có lĩnh vực áp dụng rộng rãi: trong lĩnh vực nội thất nó được dùng làm drap trải giường, trải bàn, dệt chiếu, màn cửa… cao cấp Trong lĩnh vực

may mặc thì sản phẩm Gai xanh đại diện cho phong cách thời trang gần gũi thiên nhiên, thân thiện môi trường là xu thế của tương lai (Lê Quốc Ân, 2010), dùng để may các mặt hàng cao cấp như áo Kimono, quần áo thể thao, tã lót trẻ em, làm gối, khăn tay, khăn quàng cổ, giá lót cho áo complet (do khử mùi tốt, không bị hôi trong điều kiện ẩm ướt) (Brink M và Escobin R.P., 2003) Sợi Gai xanh hút ẩm ít, chịu nóng tốt, tỏa nhiệt nhanh và cách điện, do đó cũng được dùng làm vải bọc dây điện, dây cua - roa, chỉ khâu giày Sợi Gai xanh tương đối nhẹ nên cũng được dùng để dệt vải bọc cánh máy bay, buồm tàu, vải đi mưa (Trung tâm tiền sử Đông Nam Á, 2003)

Sợi Gai xanh lại chịu ẩm, khó bị mục, sau khi ngâm nước độ bền lại tăng lên nhiều, vì vậy thường được dùng dể làm dây câu, lưới đánh cá và dây thừng dùng trong hàng hải (Trung tâm tiền sử Đông Nam Á, 2003) Ở Trung Quốc, cây Gai xanh được sử dụng để làm giấy từ nhiều thế kỷ Ở Brazil, sợi Gai xanh thô được dùng làm bao tải thay thế cho sợi đay Những phần còn lại sau khi đã lấy sợi và những sợi ngắn được dùng làm giấy cao cấp như làm tiền giấy, giấy cuốn thuốc lá, những phần loại ra được trộn với sợi bông và tơ nhân tạo để làm vải hạng thấp Sợi Gai xanh được chế biến, làm ra nhiều sản phẩm khác như vải bạt, màn chống muỗi, bít tất, vải bọc ghế nệm, đầu lọc thuốc lá, măng sông đèn, dây buộc giày, túi đi biển và dệt thảm Sợi Gai xanh có thể dệt thuần hoặc phối trộn với polyeste, lông cừu, tơ tằm, sợi bông và các loại sợi khác dùng trong cả dệt thoi và cả dệt kim (Brink M và Escobin R.P., 2003) Ví dụ, khi phối hợp sợi Gai xanh với len sẽ làm giảm độ co rất nhiều so với len không pha Thực ra, thuộc tính của sợi được đánh giá thông qua độ bền, tính dễ uốn dẻo, độ đều và tính thấm nước Sợi Gai xanh có các đặc tính quý hơn so với các loại sợi lấy từ thân khác Tuy nhiên, sợi Gai xanh cứng và giòn với độ co giãn thấp Điều đó là lý do tại sao thường trộn lẫn sợi Gai xanh với loại sợi khác, điển hình là trộn lẫn 55% sợi Gai xanh với 45% sợi bông (Sarkar D và cs., 2010)

Ngoài ra, sợi Gai xanh bền nên còn được dùng làm bố lốp ô tô, vải bọc ống dẫn nước, ống cứu hỏa, vải trang trí nội thất, bao bì đóng gói hàng đi tàu biển và làm thuốc súng Bã Gai xanh, lõi Gai xanh dùng làm giấy và chế tạo vật cách nhiệt, cách âm Do phát triển thành khóm, mọc lan tỏa rất nhanh nhờ thân ngầm chui dưới mặt đất, rễ phát triển mạnh, tán lá che phủ lớn … nên cây Gai xanh còn có tác dụng

cải tạo lý tính của đất, làm cho đất tơi xốp, giữ ẩm, chống xói mòn đất rất hiệu quả Cây Gai xanh có khả năng hút phốt pho tốt nên nó được dùng để cải tạo đầm lầy, những vùng chứa chất thải của nhà máy đường…(Tara Sen và H N Jagannatha Reddy, 2011) Cây Gai xanh giàu protein nên có thể làm thức ăn cho gia súc, dê, cừu, lợn, gà và nuôi cá Cây Gai xanh làm thức ăn gia súc có giá trị dinh dưỡng cao Trong 100g chất khô của phần phía trên mặt đất có chứa 11 - 28g protein thô, 9 - 29g sợi thô, 15 - 17g tro, 3,7 - 4,5g Ca và 0,13 - 0,31g P Trong 100g lá khô có chứa 25g protein Trong phần còn lại của cây Gai xanh sau khi tách sợi chứa 13g protein/100g chất khô Ở Thái Lan đã nghiên cứu cho thấy, trong thân và lá của cây Gai xanh 4 và 6 tuần tuổi, protein tiêu hóa được lần lượt là 86 và 52 g/1 kg chất khô; lượng tinh bột lần lượt là 381 và 331 g/1 kg chất khô Thức ăn gia súc làm từ lá Gai xanh có chứa 21 - 22% protein thô (Brink M và Escobin R.P., 2003)

Ngoài tác dụng lấy sợi thì các nhà khoa học còn phát hiện thấy nhiều tác dụng dược học của cây Gai xanh Lá Gai xanh có thể tinh chế vitamin C Ở Việt Nam và một số nước khác, lá Gai xanh được dùng làm bánh Gai xanh ăn rất ngon và bổ dưỡng Rễ và thân ngầm của cây Gai xanh được sử dụng để làm thuốc chữa bệnh Những thuốc này ở Trung Quốc có tên là Zhumagen Các nghiên cứu cho biết rễ cây Gai xanh có tác dụng tích cực trong bảo vệ gan, lợi tiểu, tiêu độc, cầm máu và hiệu ứng chống oxy hóa (Trung tâm tiền sử Đông Nam Á, 2003) Ở Malaysia, lá Gai xanh dùng làm thuốc đắp và chống đầy hơi, nước sắc rễ và lá Gai xanh dùng làm thuốc bổ và rễ Gai xanh làm thuốc chống lở loét Ở Trung Quốc và các nước Đông Dương, rễ và lá Gai xanh dùng làm thuốc giải nhiệt, thuốc rối loạn đường ruột, đường niệu và thuốc an thai (Brink M và Escobin R.P., 2003) Vì vậy đây không chỉ là một cây công nghiệp mà còn là một cây dược liệu rất đáng phát triển

1.2 Tình hình sản xuất, chế biến và xử lý bã thải cây Gai xanh trên thế giới

Cây Gai xanh có thể có nguồn gốc từ phía tây và trung phần Trung Quốc, nó đã trở thành cây trồng rất lâu đời ở Trung Quốc rồi lan dần sang các nước châu Á Trên thế giới cây Gai xanh phân bố ở Ấn Độ, Malaysia, Lào, Campuchia, Philippin, Trung Quốc và Nhật Bản Gai xanh được nhập vào châu Âu để trồng từ thế kỷ XVIII (Tạ Kim Chỉnh và cs., 2008)

Theo cơ sở dữ liệu của FAO, Hoa Kỳ và Thổ Nhĩ Kỳ, khoảng 21 quốc gia đã trồng cây gai dầu sợi vào năm 2021 Các quốc gia đó là: Áo, Bulgaria, Chile, Trung Quốc, Séc, Triều Tiên, Pháp, Đức, Hy Lạp, Ý, Nhật Bản, Litva, Hà Lan, Ba Lan, Hàn Quốc, Romania, Liên bang Nga, Tây Ban Nha, Thổ Nhĩ Kỳ, Ukraine và Hoa Kỳ Dữ liệu của FAO cũng cho thấy rằng vào năm 2021, cây gai dầu có khối lượng sản xuất toàn cầu ước tính là 287.318 tấn được thu hoạch từ 74.307 ha (183.617 mẫu Anh) ở 20 quốc gia Năng suất dao động từ mức thấp 300 kg/ha ở Séc lên tới 7.850 kg/ha ở Ý và 7.812 kg/ha ở Pháp và Hà Lan Năm 2021, Trung Quốc trở thành quốc gia sản xuất sợi gai dầu lớn thứ hai trên thế giới theo khối lượng, thứ ba theo diện tích và thứ năm theo sản lượng Sản lượng sợi gai dầu của Trung Quốc dường như đã tăng gấp ba lần từ năm 2010 đến năm 2021, từ 2.133 kg/ha đến 6.446 kg/ha Phần lớn thị trường cây gai dầu của Trung Quốc được dành riêng cho sản xuất dệt may, có lịch sử kéo dài ít nhất 5.000 năm Trung Quốc có cơ sở hạ tầng chế biến cây gai dầu phát triển hoàn chỉnh, khó có nước nào có thể cạnh tranh được (FAOSTAT, 2023)

Sản xuất cây gai xanh đang rất phát triển ở các nước thuộc Liên minh châu Âu Theo Ủy ban Châu Âu, 34.960 ha đất được dành để trồng cây gai dầu ở EU vào năm 2019 Con số này chiếm 75%, tăng từ 19.970 ha được trồng vào năm 2015 Mặc dù diện tích trồng cây gai dầu tăng nhưng chỉ chiếm 0,02% diện tích đất canh tác ở Liên minh Châu Âu Pháp là quốc gia dẫn đầu các nước thành viên EU có diện tích nông nghiệp lớn nhất dành riêng cho việc trồng cây gai dầu với diện tích gần 18.000 ha (khoảng 44.5000 mẫu Anh) Tiếp theo là Ý, Hà Lan và Estonia (US Department of Agriculture Foreign Agriculture Service, 2022)

Cây Gai xanh là một trong những loại cây phát triển nhanh nhất trên thế giới và nó được trồng theo hệ thống để lấy sợi và hạt So với cây trồng khác, cây Gai xanh công nghiệp cho năng suất sinh khối rất cao (~ 30 tấn/ha) (Struik et al., 2000; Cappelletto et al., 2001; Van der Werf, 2004; Amaducci et al., 2008) Liên minh Châu Âu cho phép trồng 54 giống cây Gai xanh khác nhau Xơ là một sản phẩm có giá trị của cây Gai xanh và chủ yếu được sử dụng cho các ứng dụng dệt may Trong quá trình sơ chế, các sợi cáp được tách ra từ cây Gai xanh thông qua quá trình ngâm và vò Còn lại sinh khối (chủ yếu chứa gỗ lõi, bụi và một lượng nhỏ sợi cáp ngắn,

được gọi là sợi lõi) được coi là sản phẩm phụ của quá trình sản xuất sợi (Đặng và Nguyễn, 2006) và chúng có thể sử dụng làm chất độn chuồng (95%), lớp phủ hoặc làm thành phần của bê tông nhẹ (~ 5%)

Tất cả các bộ phận của cây gai dầu đều có công dụng kinh tế Hoa và lá gai dầu được sử dụng trong các sản phẩm như trà, tinh dầu, ứng dụng y tế, thực phẩm bổ sung và các ứng dụng khác Cây Gai xanh được trồng chủ yếu để chế tạo thành bông sợi cao cấp để dệt vải phục vụ ngành may Vải từ cây Gai xanh thoáng mát, thấm mồ hôi, giữ nếp lâu và đặc biệt có tính khử mốc rất cao Sợi bông từ vỏ cây Gai xanh là loại bông cao cấp để may những hàng may cao cấp đắt tiền Sợi bông pha với sợi hóa học, sợi tơ tằm làm tăng giá trị hàng hóa của ngành may thời trang Một sản phẩm là tơ Gai xanh khi chưa chế thành bông cũng có thể dệt thô bằng các khung dệt thổ cẩm đơn sơ tạo ra các phụ kiện phục vụ ngành may xuất khẩu rất có giá trị Lõi cây Gai xanh là nguyên liệu tốt để sản xuất nấm ăn, sản xuất bao bì giấy Rễ cây Gai xanh là một dược liệu cầm máu rất quý, dùng làm thuốc kháng viêm, chữa viêm gan siêu vi B, tiểu đường, suy nhược thần kinh, béo phì, thuốc chữa động thai, chảy máu, doạ sẩy thai, đái đục, đái ra máu, sưng tấy Lá cây Gai xanh là nguyên liệu trong lĩnh vực chiết xuất chất màu từ thực vật, làm chất màu thực phẩm trong sản xuất bánh, kẹo (A T M Faiz Ahmed et al.,2022)

Ngày nay, việc sử dụng sinh khối thực vật để thay thế các nhiên liệu hóa thạch không thể tái tạo đang trở thành một ưu tiên trong chính sách quản lý năng lượng Việc sản xuất nhiên liệu sinh học chủ yếu bắt nguồn từ cây năng lượng Đây có thể là vật liệu giàu ligno - xenlulo, chẳng hạn như phụ phẩm nông nghiệp, cây thân thảo hoặc phụ phẩm lâm nghiệp (Kim và Dale, 2004) Nguồn sinh khối này được chuyển đổi thành nhiều loại sản phẩm và nhiên liệu sinh học có giá trị cao Vật liệu ligno - xenlulo, với hàm lượng carbohydrate cao, rất dồi dào, rẻ tiền và phần lớn không được sử dụng Các thành phần hóa học chính của vật liệu ligno - xenlulo là: xenlulo, hemi xenlulo và lignin, với một lượng nhỏ các hợp chất khác như tro, protein, lipid, sáp và các chất ngoại vi khác nhau Cấu trúc và thành phần ligno - xenlulo rất khác nhau, tùy theo loài thực vật, các bộ phận của cây, điều kiện sinh trưởng, v.v (Ding và Himmel, 2006; Zhang và Lynd, 2004)

Việc sử dụng cây Gai xanh làm nguyên liệu lọc sinh học có thể cung cấp cho nhiều lĩnh vực khác nhau (ví dụ: hóa học, năng lượng, giao thông ) Mối quan tâm của ngành công nghiệp đối với cây Gai xanh ngày càng tăng vì nó thân thiện với môi trường và do các ứng dụng có thể có của nó như trong bột giấy và giấy (González -García et al, 2010), bio - composite (Boutin et al, 2006; Carus et al, 2008; Magnani, 2010) và là nguyên liệu thô để sản xuất nhiên liệu sinh học (Sipos et al, 2010; Kreuger et al, 2011) Ví dụ, một phép đo chính xác hàm lượng carbohydrate sinh khối là cần thiết vì nó liên quan trực tiếp đến sản lượng ethanol trong các quá trình chuyển đổi sinh hóa (Aden và cộng sự, 2002) Hơn nữa, các thành phần phụ của sinh khối có thể bao gồm protein, tro, axit hữu cơ và các vật liệu phi cấu trúc khác Mặc dù các thành phần riêng lẻ này có thể chỉ chiếm một phần nhỏ của nguyên liệu, nhưng sự hiện diện của chúng có thể có ảnh hưởng đáng kể đến việc vận hành nhà máy lọc sinh học quy mô công nghiệp

Ngoài ra trong thành phần chất xơ này có hoạt chất với khả năng chống vi khuẩn, côn trùng tấn công và nấm mốc (Dong Gu Lee, 2015) Ở Hàn Quốc đã có rất nhiều nghiên cứu về việc sử dụng cây Gai xanh trong thực phẩm, chẳng hạn như nhiều loại bánh gạo truyền thống của Hàn Quốc (Dong Gu Lee, 2015) Đặc biệt, phần lá của cây Gai xanh rất giàu các yếu tố dinh dưỡng như khoáng chất, protein, vitamin, và nhiều chất hoạt tính sinh học khác nhau (Singleton VL, Orthofer R, Lamuela -Raventos RM., 1999) Trong thuốc thảo dược truyền thống của Trung Quốc đã sử dụng rễ của cây Gai xanh để điều trị cảm lạnh thông thường, phù nề, sốt, nhiễm trùng đường tiết niệu, viêm thận và an thai rất tốt Những nghiên cứu trước đây đã tìm thấy các hợp chất quý có trong cây Gai xanh như alkaloids, lignans, flavon, terpenoids và glycosides và axit behenic, axit ursolic, β - sitosterol, cholesterol, kiwiionoside, rutin, uracil, quercetin, α -amyrin, nonacosanol, emodin, emodin -8 -O -β -glucoside, physcion, polydatin, catechin, epicatechin và epicatechin gallate (Dong Gu Lee, 2015) Theo dược lý hiện đại, lá Gai xanh có chlorogenic acid, flavonoid rhoifolin, apogenin Trong đó chlorogenic acid có tác dụng diệt nấm, vi khuẩn và chống oxy hóa mạnh gấp 10 lần vitamin E Nó phong tỏa nhóm “tự do”, ngăn chặn sự oxy hóa lipoprotein LDL, là khởi điểm của xơ động

mạch để dẫn tới cao huyết áp và nhồi máu cơ tim Các báo cáo đã chỉ ra rằng các chất chiết xuất từ rễ cây Gai xanh đã biểu hiện các hoạt động bảo vệ gan chống lại các tổn thương gan do CCl4 gây ra và các tác dụng chống oxy hóa trên FeCl2 -ascorbate gây ra lipid peroxid hóa trong gan homogenate (Dong Gu Lee, 2015) Trong nghiên cứu Xiaoning Wang và cs đã chỉ ra rằng chiết xuất 2 Boehmeria nivea (L.) Gaud có thể ngăn ngừa thoái hóa thần kinh dẫn đến bệnh Alzheimer (Xiaoning Wang, 2015)

Lá cây Gai xanh cũng thường được sử dụng trong các biện pháp dân gian như một thuốc lợi tiểu và chống sốt, và đã được cho là có tính chất hepatoprotective, chống oxy hóa và chống viêm (Dong Gu Lee, 2015) Các nghiên cứu trước đây đã chỉ ra rằng lá Gai xanh chứa kiwiionoside, rutin, uracil, axit 3 -hydroxy -4 -methoxy -benzoic, cholesterol, αamyrin, nonacosanol, emodin, emodin -8 -O -β -glucoside, physcion, polydatin, catechin , kali nitrat, β -sitosterol, epicatechin và epicatechin gallate Hơn nữa, lá của B nivea chứa một lượng lớn các hợp chất phenolic, có khả năng ức chế men chuyển đổi angiotensin I Trong rễ của loài B tricuspis có một số epicatechin dimers như (-) - epiafzelechin - (-) - epicatechin -4,8 (hoặc 6) -dimer, và (-) - epicatechin - (-) epicatechin - 4,8 - (hoặc 6) - dimer, trong số đó epicatechin, epicatechin gallate, và rutin là các hợp chất polyphenolic được gọi là flavonoid, được biết đến với đặc tính chống oxy hóa, chống viêm, chống khối u, chống vi khuẩn, chống virus và chống dị ứng (Dong Gu Lee, 2015) Rễ Gai xanh chứa acid chlorogenic, acid protocatechuic, acid cafeic, acid quy nic, rhoifolin 0,7%, apigenin, rhoifolin khi thủy phân cho apigenin, glucose, rhamnose Ngoài ra, còn chứa β - sitosterol, daucosterol và acid 19α hydroxyl ursolic (CA, 126, 1997, 291739) Các polysaccharide thành phần chủ yếu gồm D - galctose , L - 6 rhamnose, D - arabinose, D - mannose, và D - galacturonic Me - ester Bên cạnh polysaccharid, còn có một số oligosaccharid và monosaccharide Các monosaccharide trong rễ cây là erythrose, heptose và một lượng nhỏ D - galactose, L - arabinose, acid D - galacturonic, melibiose, glucose và fructose, các polysaccharide, một số oligo saccharid và monosaccharide Các pectin với thành phẩn chủ yếu là acid D - galacuronic và dẫn chất mentyl ester của chúng, cùng với đường L - rhamnose, D -

galactose, L - arabinose, L - fructose, D - glucose, D - manose và D - Xylose, các hemixenlulo với thành phần chính là glucomannan (A Pérez, 2013)

Việc sử dụng các sản phẩm phụ của ngành công nghiệp dệt may có nguồn gốc từ lá Gai xanh làm thức ăn cho gia súc đã được nhiều nhóm nghiên cứu quan tâm tìm hiểu Các bộ phận cây như lá, hạt, ngọn, thân cây sau khi chiết suất để tạo sợi, đều được sử dụng làm thức ăn cho động vật với mức độ dinh dưỡng có thể chấp nhận được Phụ phẩm từ lá cho thấy lượng protein hay vật chất khô lên tới 20% Năm 2010, G Contò và cộng sự đã đánh giá về mức độ dinh dưỡng và thành phần hóa học của lá và ngọn cây lá Gai xanh, là những phần không được sử dụng cho quá trình sản xuất sợi, phát hiện trong khối lượng khô của mẫu lá Gai xanh có chứa protein thô với hàm lượng 17,00 ± 1,52% ở lá, 15,25 ± 0,77% ở ngọn và 11,79 ± 3,32% tính trên toàn bộ cây Phát hiện này góp phần mở ra những hướng phát triển mới, tránh lãng phí những sản phẩm truyền thống của cây Gai xanh Năm 2011, Xiao Ying Tian và cộng sự sử dụng dịch chiết lá Gai xanh và thử nghiệm trên 05 nhóm chuột mang thai qua đường uống với nồng độ thay đổi từ 2g - 32g/kg/ngày, nhóm đối chứng âm sử dụng nước cất và đối chứng dương sử dụng vitamin A, đồng thời cho tiếp xúc với 2 dòng tế bào là dòng tế bào phôi và dòng tế bào 3T3 (nguyên bào sợi) Kết quả cho thấy các tiêu chí về khối lượng cơ thể bào thai, mức tăng trọng lượng cơ thể chuột mẹ, khối lượng tim, gan, thận, kiểm tra mô học trong các nhóm thí nghiệm không có sự khác biệt Giá trị IC50 (ức chế 50%) giữa dòng tế bào phôi và dòng tế bào 3T3 là tương đương, tuy nhiên khả năng sống sót của phôi sẽ có thể bị ảnh hưởng khi nồng độ dịch chiết Gai xanh tăng cao Phát hiện này bổ sung những thông tin thực nghiệm khoa học cho quá trình đánh giá độ an toàn của cây Gai xanh khi sử dụng cho cơ thể động vật bậc cao, đặc biệt trong những trường hợp sử dụng để điều trị xảy thai (Touming Liu, 2013) Tại Hàn Quốc, lá hoặc rễ cây Gai xanh được sử dụng kết hợp với những thành phần dược liệu khác làm đồ uống cho người và tạo thành sản phẩm được lưu thông trên thị trường Tuy rằng công thức phối trộn không được công bố do vấn đề thương hiệu và bản quyền nhưng trong thành phần phối trộn có chứa lá Gai xanh hoặc dịch chiết lá Gai xanh và có thể được bổ sung nhiều canxi Những sản phẩm này được biết là có ích trong quá trình trao đổi lipid và kiểm soát chức năng tiêu hóa Năm 2012, Heejeong Lee và cộng sự

đã nghiên cứu tối ưu hóa công thức bánh mỳ có sử dụng bột lá Gai xanh và thời gian bảo quản của bánh mỳ với sự phơi nhiễm với tia gamma Sự khác nhau về lượng bột lá Gai xanh tạo ra sự khác biệt về mùi vị, hình thức, màu sắc, độ ẩm và chất lượng nói chung của sản phẩm bánh mỳ Trong quá trình bảo quản, những mẫu bánh mỳ có bột lá Gai xanh sau khi chiếu tia gamma cho thấy sự phát triển của tế bào VSV thấp hơn Những thông tin mới phát hiện về mặt thực phẩm và dược phẩm cho thấy cây Gai xanh có nhiều tiềm năng hơn so với việc khai thác lấy sợi truyền thống (Heejeong Lee et al., 2012; Youn Ri Lee et al., 2009) Năm 2013, Touming Liu và cộng sự đã tiến hành nghiên cứu về marker SSR (simple sequence repeat) nhằm làm sáng tỏ thêm những hiểu biết về di truyền ở cây lá Gai xanh Tổng số 24 giống Gai xanh với 100 marker SSR đã được nghiên cứu Trong đó 98 marker được khuếch đại thành công và xác định được 81 marker ở dạng đa hình, có từ 2 - 6 alleles trong 24 giống Gai xanh này Những hiểu biết về SSR có thể được sử dụng để phát triển bản đồ di truyền và bản đồ vật lý, bản đồ các locus của tính trạng, nghiên cứu về đa dạng di truyền, lập bản đồ liên kết và xác nhận giống cây trồng, từ đó có thể nghiên cứu về các gene có liên quan tới tính trạng có ích trong quá trình tạo sợi ở cây lá Gai xanh (Touming Liu, 2013)

Theo nghiên cứu của Lan Mu et al (2020), một trong những phế thải chính trong quá trình chế biến sợi gai hiện không được sử dụng đúng cách là lá cây Theo truyền thống, cây gai được trồng để lấy sợi libe, chiếm khoảng 5% khối lượng của cây Những chiếc lá chiếm 40% khối lượng của cây không sử dụng trong chế biến sợi gai có thể được sử dụng làm thức ăn chăn nuôi vì chúng có nhiều protein, chất xơ thô và khoáng chất vi lượng

Thân cây gai đã bóc vỏ là sản phẩm phụ của ngành công nghiệp chế biến sợi gai và chúng vẫn chưa được sử dụng hiệu quả (Cheng và cộng sự, 2011) Thân cây gai đã bóc vỏ chứa 35,5–44,0% cellulose, 21,7–27,7% hemicellulose và 18,1–30,6% lignin (Wulandari và cộng sự, 2020), đây là nguồn nguyên liệu quý để sản xuất phân bón hữu cơ

Những nghiên cứu trên cho thấy, năm 2021 có khoảng 21 quốc gia trên thế giới đã trồng cây gai xanh Cây gai xanh có tiềm năng phát triển theo nhiều hướng, là nguồn nguyên liệu cho công nghiệp dệt may, công nghệ thức ăn chăn nuôi, phục

vụ nghiên cứu cơ bản và phát triển dược liệu, thực phẩm và thực phẩm chức năng Tuy nhiên chưa có nhiều nghiên cứu công bố về việc tái sử dụng bã thải từ quá trình chế biến sợi gai làm phân bón và hiệu quả của phân bón chế biến từ bã thải cây Gai đến cây trồng trong nông nghiệp

1.3 Tình hình sản xuất, chế biến và xử lý bã thải cây Gai xanh ở Việt Nam

Ở Việt Nam, cây Gai xanh được biết đến từ cổ xưa Người ta trồng cây Gai xanh lấy sợi dệt thành vải “bố”, một loại vải thô dùng làm bao tải hoặc sợi để đan lưới bắt cá và làm dây cung, tên, nỏ… Cây Gai xanh phân bố chủ yếu ở các tỉnh phía Bắc Việt Nam, dưới dạng cây trồng hoặc cây bán hoang dã Các tỉnh có cây Gai xanh phân bố là: Lào Cai, Lạng Sơn, Sơn La, Điện Biên, Quảng Ninh, Thái Nguyên, Thanh Hóa… Một số địa phương của tỉnh Nam Định, Hải Dương, trồng cây Gai xanh với mục đích lấy lá làm bánh Gai xanh Ngày nay nhu cầu về bông của các nhà máy dệt ở nước ta là rất lớn, phải nhập khẩu hơn 80% Việc trồng bông gặp rất nhiều trở ngại như cây bông thường bị sâu, bệnh phá hoại, sinh trưởng phát triển lại chậm, do lượng mưa quá cao … Tất cả những trở ngại đó đều ảnh hưởng tới chất lượng và sản phẩm của bông Nhưng với cây Gai xanh thì lượng mưa nhiều trên đất dốc lại rất phù hợp cho sự sinh trưởng, phát triển Bông được chế tạo từ sợi vỏ cây Gai xanh là loại sợi đặc chủng, trắng, dài, óng mượt với độ bền cao, thấm nước và dễ nhuộm mầu Mặc dù vậy, trước đây cây Gai xanh ở Việt Nam chưa bao giờ được trồng theo quy mô công nghiệp Cây chỉ được trồng rải rác ở khắp mọi nơi (Lê Quốc Ân, 2010 ; Báo cáo của Hiệp hội dệt may Việt Nam, 2020).

Vùng đất bán sơn địa Phong Vân (Ba Vì, Hà Nội) trước đây người dân thường trồng nhiều loại cây, thế nhưng, hiện nay bà con đã chuyển hướng sang trồng cây Gai xanh Đây là loại cây mới được bà con trong Hợp tác xã Vân Phong đưa về trồng, bước đầu mang lại hiệu quả kinh tế, hứa hẹn mang đến sản phẩm chất lượng phục vụ xuất khẩu Nhận thấy, đây là mô hình mới, phù hợp với đất đai và khí hậu của địa phương, người dân và ban lãnh đạo của Hợp tác xã Vân Phong triển khai trồng thí điểm, cây Gai xanh đã cho thu hoạch 3 vụ, trung bình đạt khoảng 1,8 tấn/ha với giá trị thu nhập trên 200 triệu đồng/ha Đặc biệt, mô hình không chỉ đem lại hiệu quả về kinh tế mà còn góp phần bảo vệ môi trường và giải quyết việc làm cho bà con nông dân vì cây Gai xanh giúp cải thiện độ xói mòn và bảo vệ đất hiệu

quả, cải tạo môi trường Hiện nay, mô hình này đã giải quyết việc làm cho 6 - 10 người lao động có hoàn cảnh khó khăn (vào dịp thu hoạch cây cần tới 15 - 20 lao động với thù lao 200.000/ngày công), giúp tăng thêm thu nhập ngay chính tại mảnh đất canh tác hàng ngày Từ hiệu quả kinh tế mô hình trồng cây Gai xanh của chị em phụ nữ Hợp tác xã nông nghiệp Vân Phong, chính quyền xã đang có hướng chuyển đổi một số diện tích đất sản xuất nông nghiệp kém hiệu quả sang trồng cây Gai xanh để tạo vùng nguyên liệu sản xuất tập trung chuyên canh, nâng cao hiệu quả thu nhập trên trong lĩnh vực sản xuất nông nghiệp Mô hình đang được nhân rộng tại các xã lân cận như xã Yên Bài, Thuần Mỹ, Minh Quang, Khánh Thượng để thí điểm trồng với mong muốn đổi mới trong sản xuất nông nghiệp thay cho mô hình canh tác nông nghiệp truyền thống tại địa phương (http://vwu.vn, 2021)

Ngày 24 tháng 4 năm 2018, Ủy ban nhân dân (UBND) tỉnh Thanh Hóa ban hành Quyết định số 1484/QĐ -UBND về phê duyệt đề án phát triển vùng nguyên liệu cây Gai xanh phục vụ nhà máy sản xuất sợi dệt tại xã Cẩm Tú, huyện Cẩm Thủy đến năm 2020 và định hướng đến năm 2030 Đây được xem là căn cứ quan trọng để các địa phương trên địa bàn tỉnh mở rộng vùng nguyên liệu trồng cây Gai xanh phục vụ chế biến Mục tiêu của đề án phát triển vùng nguyên liệu cây Gai xanh trên địa bàn tỉnh Thanh Hóa đến năm 2025, định hướng đến năm 2030, giai đoạn 2021 - 2025 diện tích trồng cây Gai xanh trong vùng là 3.457 ha, đến năm 2025 diện tích đất trồng Gai xanh nguyên liệu phát triển lên 6.457 ha, với năng suất toàn vùng bình quân 110 tấn Gai xanh tươi/ha/năm, tổng sản lượng 700.000 tấn Gai xanh tươi/năm (bao gồm thân, vỏ, lá) Diện tích và sản lượng nói trên sẽ được giữ ổn định đến năm 2030 Đề án cũng định hướng rõ diện tích trồng cây Gai xanh cho từng địa phương theo từng giai đoạn cụ thể (http://qppl.thanhhoagov.vn, 2018)

UBND tỉnh Thanh Hóa đã ký văn bản chấp thuận chủ trương, địa điểm đầu tư dự án nhà máy sản xuất sợi dệt kết hợp phát triển vùng nguyên liệu cây Gai xanh tại xã Cẩm Tú, huyện Cẩm Thủy Dự án do Công ty An Phước làm chủ đầu tư với quy mô, công suất 10.000 cọc sợi/năm, sản phẩm đầu ra là sợi Gai xanh loại 1 (1.500 tấn/năm), bông Gai xanh loại 1 (1.300 tấn/năm), bông Gai xanh loại 2 (250 tấn/năm), vải mộc 3.600 tấn/năm)… (http://qppl.thanhhoagov.vn, 2018)

Để có nguồn nguyên liệu ổn định, cần có những quy trình kỹ thuật đồng bộ về cây Gai xanh như kỹ thuật gieo ươm, trồng và chăm sóc cây con, kỹ thuật thu hoạch và đánh giá chất lượng sản phẩm Ngoài ra cũng cần có các kỹ thuật về tận dụng các sản phẩm phụ của cây như lá, cành, nhánh để tạo ra những sản phẩm có ích (phân vi sinh từ lá cây, trồng nấm ăn từ cành nhánh, thân cây Gai xanh …).Giống Gai xanh tạo ra từ tổ hợp lai giữa giống Lá tròn xanh và Trúc lau xanh được nhập nội từ năm 2012, đã ổn định về mặt di truyền và có nhiều đặc tính ưu việt, có năng suất cao, chất lượng xơ tốt đáp ứng được yêu cầu sản xuất Gai xanh tại tỉnh Thanh Hóa

Giống Gai xanh sinh trưởng khỏe, đẻ nhánh khỏe, thân thẳng, ít đốt, không phân

cành, có thời gian sinh trưởng giữa 2 lần thu hoạch 55 - 60 ngày, có thể cho thu hoạch 5 lần/năm năng suất bẹ khô thực thu đạt 1,4 - 1,7 tấn/ha/lần thu Giống Gai xanh thích hợp với điều kiện tự nhiên tại Thanh Hóa Giống Gai xanh ít nhiễm sâu bệnh hại và có khả năng chống chịu tốt với các điều kiện bất thuận môi trường Giống Gai xanh đã mang lại hiệu quả kinh tế cao, tổng lãi thuần/ha là 40 - 56 triệu đồng/ha/năm, So với các cây trồng khác tại địa phương, giống Gai xanh cũng cho hiệu quả kinh tế cao vượt trội mía, ngô và sắn từ 25 - 30 triệu đồng/ha/năm (http://baothanhhoa.vn, 2022)

Trong 3 năm trở lại đây, cây Gai xanh đã giúp cho người dân ở xã Hoàng Cương, huyện Thanh Ba, tỉnh Phú Thọ cải thiện đời sống nhờ vào lợi ích của loại cây trồng này đem lại Hợp tác xã tại Phú Thọ được hình thành từ năm 2018 với lúc đầu trồng thí điểm là 2ha, đến nay Hợp tác xã đã trồng được khoảng 30ha và tiếp tục phát triển sang các xã vùng lân cận trong huyện Thanh Ba và các huyện khác trong tỉnh Phú Thọ như: Cẩm Khê, Hạ Hòa, Yên Lập, thành phố Việt Trì…(http://lmhtx.phutho.gov.vn)

Năm 2017, huyện Mộc Châu, tỉnh Sơn La đã cho phép Công ty An Phước trồng thử nghiệm cây Gai xanh tại các xã, thị trấn trên địa bàn huyện bước đầu cho mang lại hiệu quả kinh tế cho người dân Tại huyện Mộc Châu gia đình bà Vì Thị Sấc, bản Nà Sài, xã Hua Păng sau 4 tháng trồng cây Gai xanh đã cho thu lứa đầu tiên Sau 55 ngày kể từ khi thu hoạch lần 1 gia đình có thể thu hoạch lứa Gai xanh tiếp theo Cây Gai xanh cho thu hoạch mỗi năm từ 4 đến 5 lứa, năng suất bình quân ước tính đạt 140 -150 tấn/ha/năm Với kết quả này bà gia đình Vì Thị Sấc sẽ thu 80

triệu đồng/ha/năm, hiệu quả kinh tế gấp 3 đến 4 lần so với trồng ngô, trồng sắn Năm 2018, huyện Mộc Châu triển khai mở rộng diện tích cây Gai xanh ra địa bàn các xã Hua Păng, Tân Lập, Tân Hợp, Lóng Sập, thị trấn Nông Trường, Tà Lại, Quy Hướng Cùng với thực hiện các mô hình điểm huyện cũng tổ chức rà soát chuyển đổi một số diện tích trồng cây kém hiệu quả sang trồng cây Gai xanh, trong đó chú trọng chuyển đổi diện tích đất dốc trồng ngô, lúa sang trồng cây Gai xanh vừa mang lại hiệu quả kinh tế vừa gióp phần bảo vệ đất, chống xói mòn (http://dpi.sonla.gov.vn)

Việc phát triển cây Gai xanh đã khai thác triệt để tiềm năng lợi thế của địa phương, nâng cao đời sống của nhân dân, mở ra nhiều cơ hội để huyện Mộc Châu nâng cao hiệu quả công tác giảm nghèo bền vững và đẩy nhanh tiến độ hoàn thành các tiêu chí xây dựng nông thôn mới Điều này cũng khẳng định việc tái cơ cấu ngành nông nghiệp theo hướng cải thiện năng suất, nâng cao chất lượng, đẩy mạnh ứng dụng khoa học kỹ thuật, sản xuất quy mô lớn có hiệu quả kinh tế cao tăng sức cạnh tranh là hướng đi đúng, nhằm giải quyết việc làm, nâng cao đời sống cho người lao động nhất là vùng nông thôn miền núi

Đầu năm 2020, Hội Nông dân huyện Yên Bình, tỉnh Yên Bái đưa vào trồng thử nghiệm 2ha cây Gai xanh tại xã Xuân Lai, xã Mỹ Gia Đến nay, loại cây này đang mang lại tín hiệu tích cực về hướng phát triển kinh tế Tháng 3 năm 2020, Hội Nông dân huyện đã phối hợp với Công ty An Phước trồng thử nghiệm 2 ha cây Gai xanh với sự tham gia của 5 hộ Tham gia Dự án này, người dân được Công ty hỗ trợ về cây giống và tư vấn, hướng dẫn kỹ thuật trồng, chăm sóc, thu hoạch; đồng thời, ký hợp đồng bao tiêu sản phẩm Qua thử nghiệm cho thấy, cây Gai xanh dễ trồng, năng suất bình quân 1 tấn/ha/lứa, giá bán hiện là 40.000 đồng/kg vỏ khô và trừ chi phí có thể cho thu nhập từ 70 - 80 triệu đồng/ha/năm, cao hơn rất nhiều so với các cây trồng truyền thống khác Ngoài ra, phần lá Gai xanh được sử dụng làm thức ăn gia súc, làm bánh Gai xanh, phần sinh khối còn lại như lá, thân sau khi tuốt sẽ được rải theo luống, giúp cải tạo độ phì của đất, giảm được chi phí đầu tư phân hữu cơ (http://baoyenbai.com.vn)

Cây Gai xanh, còn được trồng khá lâu đời tại tỉnh Quảng Ngãi, nhưng chủ yếu là được người dân thu hái để làm bánh (bánh ít lá Gai) Cây Gai xanh có nguồn gốc

nhiệt đới, là loài ưa nóng, ẩm, không chịu ngập úng, phù hợp với đất phù sa ven sông Trong khi đó, khí hậu Quảng Ngãi là khí hậu nhiệt đới gió mùa Đất ở Quảng Ngãi có thành phần cơ giới nhẹ, hơi chặt, thích hợp trồng mía và các cây công nghiệp ngắn ngày Xét về điều kiện tự nhiên, đặc tính sinh lý của cây Gai xanh cho thấy, tiềm năng phát triển cây Gai xanh trên địa bàn tỉnh Quảng Ngãi là hoàn toàn khả thi Ông Nguyễn Văn Thành - Giám đốc Sở Khoa học và Công nghệ cho biết, đã tiến hành khảo sát đặc tính về điều kiện sinh thái, thổ nhưỡng của cây lá Gai xanh với kết quả phân tích một số chỉ tiêu mẫu đất, qua đó có thể khẳng định, tại Quảng Ngãi, cây Gai xanh tạo sợi có thể phát triển tốt ở các vùng đất bãi ven sông, đất sườn đồi độ dốc dưới 10%… tổng diện tích có thể hình thành vùng nguyên liệu khoảng 3.000 - 4.000 ha (http://quangngai.vn)

Việc nghiên cứu về cây Gai xanh tại Việt Nam rất ít Năm 2003, khi có chương trình liên doanh sản xuất sợi Ramie của Công ty chế biến Nông Lâm sản xuất khẩu Hữu nghị (FAF) giữa Việt Nam (Trung tâm nghiên cứu sản xuất các chế phẩm Sinh học) và Trung Quốc (Công ty Uy sỹ Phương Đông, Trùng Khánh), sản phẩm của nó mới được chú trọng Tuy nhiên việc trồng cây Gai xanh để cung cấp nguyên liệu (sợi vỏ cây) cho 7 nhà máy cũng chỉ ở mức trồng thăm dò Năm 2004, nhóm nghiên cứu của Trung tâm nghiên cứu sản xuất các chế phẩm sinh học kết hợp với Công ty FAF đã tiến hành khảo sát, thăm dò những địa hình đất để cây Gai xanh có thể phát triển được và có khả năng che phủ đất của loại cây này (xã Hang đồi I, huyện Lương Sơn, tỉnh Hoà Bình) Từ năm 2006 - 2008, Trung tâm Nghiên cứu sản xuất các chế phẩm sinh học thuộc Liên hiệp Các hội Khoa học và Kỹ thuật Việt Nam đã thực hiện đề tài: “Nghiên cứu phát triển cây Gai xanh (Boehmeria nivea (L.) Gaud) trên đất dốc rừng đầu nguồn sông Đà, góp phần bảo vệ môi trường và xoá đói giảm nghèo cho vùng di dân lòng hồ ở Sơn La” Đề tài đã tổng kết nghiệm thu và được Hội đồng Khoa học cũng như Ban Khoa học công nghệ và Kinh tế giám sát, đánh giá kết quả (Nhiều tác giả, 2012 Kỹ thuật trồng, chăm sóc, thu hái và bảo quản sản phẩm từ cây Gai xanh (rami) Nhà xuất bản nông nghiệp Hà Nội (Tạ Kim Chỉnh và cộng sự (2008)

Các công trình nghiên cứu liên quan đến cây Gai xanh phải kể đến:

Nghiên cứu của Tạ Kim Chỉnh và cộng sự (2008), nghiên cứu phát triển cây Gai xanh (Boehmeria nivea L.Gaud) trên đất dốc rừng đầu nguồn sông Đà, góp phần bảo vệ môi trường và xoá đói giảm nghèo cho vùng di dân lòng hồ ở Sơn La đã đem đến những ý nghĩa lớn trong phát triển kinh tế

Năm 2016, ThS Trần Đức Hảo, Viện nghiên cứu bông và phát triển nông nghiệp Nha Hố đã chủ trì thực hiện nhiệm vụ quỹ gen “Khai thác và phát triển nguồn gen các giống Gai xanh (Boehmeria nivea L Gaudich) Phú Yên và Thanh Hóa”, nhằm phát triển 2 giống Gai xanh có nguồn gốc từ những nơi này, chất lượng tốt, cùng với các quy trình kỹ thuật trồng và chăm sóc để phục vụ sản xuất

Năm 2016, Công ty An Phước đã phối hợp cùng Viện Di truyền nông nghiệp, Sở Nông nghiệp và Phát triển nông thôn tỉnh Thanh Hóa triển khai mô hình khảo nghiệm, đánh giá chất lượng giống Gai xanh các huyện Thọ Xuân (48,72ha) Ngọc Lặc (41,98ha), Cẩm Thủy (19,51ha) Kết quả bước đầu cho thấy, sinh trưởng nhanh, năng suất ổn định và đặc biệt là thích hợp triển khai trên nhiều loại đất

Tuy nhiên các nghiên cứu chuyên sâu về tác dụng dược lý của cây Gai xanh chủ yếu được công bố bởi các báo cáo khoa học nước ngoài Trong nước, cây Gai xanh chủ yếu được ghi chép trong các bản ghi chép của y học cổ truyền và sử dụng theo kinh nghiệm dân gian Cây được khai thác lấy lá và củ, có vị ngọt, tính hàn, không độc, có tác dụng tả nhiệt, tán ứ, chữa đơn độc, thông tiểu, chữa sang lở Trong tác phẩm “Những cây thuốc và vị thuốc Việt Nam” của Giáo sư Đỗ Tất Lợi do Nhà xuất bản Y học phát hành, được Hội đồng chứng chỉ (khoa học) tối cao Liên Xô công nhận, cây Gai xanh được giới thiệu như một vị thuốc an thai, lợi tiểu Thực tế, từ xa xưa nhân dân ta đã biết sử dụng và truyền bá kinh nghiệm trong dân gian việc dùng cây Gai xanh để làm thuốc an thai và chữa sa dạ con Vị thuốc cây Gai xanh hiện được bán nhiều nơi tại các hiệu thuốc đông y trên toàn quốc ở dạng phơi khô, có thể đã sơ chế hoặc ở dạng thô Trên thị trường cũng xuất hiện những sản phẩm đóng gói nhỏ, lẻ có chứa thành phần là lá hoặc củ Gai xanh kết hợp với nhiều loại dược liệu khác, dễ dàng trong quá trình sử dụng, bảo quản và vận chuyển Giá thành lá Gai xanh khô hiện nay khoảng 20.000 đồng/kg, thay đổi tùy địa phương và thị trường

Nghiên cứu chiết suất hoạt chất từ cây Gai xanh (Boehmeria nivea L Gaud) và ứng dụng trong sản xuất thực phẩm bảo vệ sức khỏe của Nguyễn Thị Hồng Ngọc (2019) cho thấy, trong dược liệu cây Gai xanh Cao Bằng, phần lá Gai xanh và củ Gai xanh có nhiều hoạt chất sinh học quý, cụ thể Axit clorogenic trong lá khô và rễ (củ Gai xanh) lần lượt là 0,11mg và 16,5mg; Flavonoid rhoifolin 3,61mg và 35,12mg; Apogenin 7,4mg và 54,23mg trên 100g nguyên liệu Dịch chiết lá Gai xanh tại nồng độ 592,644 µg/ml có khả năng làm giảm 50% gốc tự do 0,5 mm DPPH Như vậy dịch chiết lá Gai xanh có tiềm năng sử dụng làm chất chống oxy hóa tự nhiên Dịch chiết lá Gai xanh còn có khả năng kháng một số loại vi khuẩn

như trực khuẩn gram (-): Escherichia coli, trực khuẩn gram (+) Bacillus subtilis, tụ cầu khuẩn gram (+) Staphylococcus aureus, với đường kính vòng kháng khuẩn của

dịch chiết tác động lên mỗi loại VSV là khác nhau Khả năng kháng khuẩn của dịch

chiết lá Gai xanh đối với chủng Bacillus subtilis là cao nhất với kết quả vòng kháng khuẩn là 9mm và thấp nhất là chủng Escherichia coli với 4mm Đối với chủng

Staphylococcus aureus vòng kháng khuẩn là 7mm Xác định được thành phần

flavonoid trong cao củ Gai xanh là 115,6 mg/100 ml, khả năng kháng khuẩn trên 2

đối tượng VSV là Bacillus subtilis và Escherichia coli

Cây Gai xanh là cây nguyên liệu hàng đầu để làm sợi dệt cho ngành may mặc Vỏ cây Gai xanh dùng để sản xuất thành sợi dệt vải chất lượng tốt; lá có thể được sử dụng làm bánh Gai xanh, tách chiết lấy tinh dầu, sản xuất chất màu tự nhiên phục vụ cho ngành công nghiệp thực phẩm và sử dụng làm thức ăn cho gia súc; lõi cây Gai xanh có thể được sử dụng làm nguyên liệu sản xuất giấy, làm chất đốt và làm nguyên liệu để sản xuất phân bón hữu cơ, phân vi sinh Tuy nhiên, hiện nay người dân thu hoạch Gai xanh lấy vỏ xong thì thường bỏ các bã thải, lá khô ngoài đồng ruộng và tự hoai mục Chính vì vậy, cần có biện pháp xử lý bã Gai xanh dễ thực hiện, hiệu quả, tốt cho đất và cây trồng để người nông dân có thể áp dụng vào trồng cây Gai xanh Trong bã thải cây Gai xanh lại có nhiều chất hữu cơ "bổ béo" mà cây Gai xanh đã hút từ đất như protein, lipít, các chất khoáng, vitamin Bã thải này có thể tận dụng có thể chế biến thành phân hữu cơ, phân bón

hữu cơ vi sinh, hoặc phân xanh bón trực tiếp tại ruộng Gai xanh Tuy nhiên, hiện nay bã thải chủ yếu được ủ theo phương pháp truyền thống, thời gian lâu và chất lượng phân không cao Vì vậy, cần có nhiều giải pháp phù hợp để xử lý các chất thải tạo ra trong quá trình sản xuất và đảm bảo môi trường sống sạch, an toàn Đặc biệt việc tái sử dụng bã thải nông nghiệp làm phân bón đang là giải pháp được quan tâm, thân thiện với môi trường

1.4 Sử dụng VSV trong xử lý các hợp chất giàu xenlulo

1.4.1 VSV phân giải xenlulo

Nhiều loại VSV phân giải xenlulo đã được nghiên cứu, xác định trong nhiều

năm (Milala M.A et al., 2005; Schwarz W.H., 2001; Rubén López et al., 2016.;

Gaurab Karki 2019 )

- Vi khuẩn là nhóm được nghiên cứu nhiều nhất từ khoảng thế kỷ 19 đến nay Các nhà khoa học đã phân lập được một số chủng VSV có khả năng phân giải xenlulo từ phân và dạ cỏ của động vật nhai lại Đầu thế kỷ 20, người ta phân lập được các nhóm vi khuẩn hiếu khí phân giải xenlulo Trong môi trường có độ ẩm cao thường làm tăng khả năng phân giải xenlulo và hemixenlulo của các nhóm vi khuẩn, nhưng chủ yếu là các nhóm vi khuẩn hiếu khí Một số nhóm vi khuẩn có khả

năng phân giải xenlulo: Pseudomonas, Bacillus, Cellulomonas, Vibrio, Cellvibro,

Rumicocus falvefeciens, R Albus Trong thực tế, người ta thấy chi Pseudomonas và Bacillus thuộc nhóm hiếu khí là các chi có tần suất phân lập được cao nhất (Ha

Danh Duc, 2017; A Kurniawan et al., 2017) Ngoài ra còn có các chi kị khí phân lập

được trong dạ cỏ của động vật nhai lại như Rumicocus falvefecien, R albus

- Xạ khuẩn là một nhóm vi khuẩn đặc biệt, Gram dương, hiếu khí, tế bào đặc trưng bởi sự phân nhánh, hệ sợi chia thành khuẩn ty cơ chất và khuẩn ty khí sinh, bào tử bắn, thường có mặt quanh năm trong các loại đất Xạ khuẩn phân giải xenlulo thường được phân lập từ các mẫu đất, mùn rác, mẫu mùn ở những nơi có

chứa xenlulo Một số nhóm xạ khuẩn phân giải xenlulo: Actinomyces, Streptomyces,

Thermoactinomyces, Micromonospora, Proactinomyces

- Nhóm nấm: có nhiều loài nấm phân giải xenlulo mạnh nhưng phần lớn

chúng thường phân hủy xenlulo khi nhiệt độ cao và ở nhiệt độ 20 - 30oC, pH trong