Luận án tiến sĩ Công nghệ sinh học: Nghiên cứu cố định vi khuẩn cố định đạm trong hạt polyter và ứng dụng trên cây dâu tây

phân bón vào bọc đê dự trữ và cung câp cho cây trông theo nhu câu, đông thờihạn chê sự rửa trôi, bôc hơi, lãng phí, giúp cây không bị gián đoạn vê nước vàdinh dưỡng [5].Bên cạnh đó, nhữn

ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP HO CHI MINHTRUONG DAI HOC BACH KHOA

NGUYEN THUY QUY TU

NGHIÊN CỨU CO ĐỊNH VI KHUAN CO ĐỊNH DAM

TRONG HAT POLYTER

VA UNG DUNG TREN CAY DAU TAY

LUAN AN TIEN SI KY THUAT

ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP HCMTRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

NGUYEN THUY QUY TÚNGHIÊN CỨU CÓ ĐỊNH VI KHUAN CO ĐỊNH DAM TRONG

HẠT POLYTER VA UNG DỤNG TREN CAY DAU TAY

Chuyén nganh: Công nghệ sinh hocMã số chuyên ngành: 62420201

Phản biện độc lập 1: GS TS Nguyễn Hồng SơnPhản biện độc lập 2: PGS TS Nguyễn Văn Kết

Phản biện 1: PGS TS Nguyễn Đức Hoàng

Phản biện 2: PGS TS Phạm Văn HiểnPhản biện 3: PGS TS Lê Thị Thủy Tiên

NGƯỜI HUONG DAN KHOA HỌC:1 TS Pham S

2 PGS.TS Nguyén Thuy Huong

LỜI CAM ĐOANTôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của bản thân Các kết quả nghiên

cứu và các kết luận trong luận án này là trung thực, không sao chép từ bat ky

một nguôn nao và dưới bat kỳ hình thức nào Việc tham khảo các nguồn tai liệu(nếu có) đã được thực hiện trích dẫn và ghi nguôn tài liệu tham khảo đúng quy

TÓM TATLuận án nghiên cứu một số tính chất của chất giữ âm nông nghiệp polyter và các

chủng Azotobacter do Bộ môn Công nghệ Sinh học, Trường Đại học Bách khoa

TP.HCM cung cấp từ bộ sưu tập giỗng của Bộ môn nhằm kết hợp tạo chế phẩmBiopolyter-Azotobacter Các chủng Azotobacter đã được sử dụng dé tiến hànhlên men trên môi trường bán răn với giá thể là polyter Kết quả cho thấy hai

chủng A2 (Azotobacter chroococcum ATCC 4412) và A3 (Azotobacter

vinelandii ATCC 12337) trong tong số các chủng đã khảo sát có mật độ tế bàosau lên men khá cao, đạt 3.2 - 3,8x10° CFU/g Hai chủng này có kha năng tổnghợp nito và IAA cao, đạt 7,1 - 7,5 ml nitơ tổng/100ml và 70.08 - 78,15 peg[AA/ml sau 9 ngày nuôi cay Kết quả khảo sát cũng cho thay hai chủng này pháttriển tốt trong khoảng biến thiên khá rộng về nhiệt độ (20 - 40°C), pH của môitrường (4,0 - 8,5) Tuy nhiên, chúng phát triển tối ưu ở nhiệt độ 25 - 30°C và pH

6,5 - 7,5.

Tiếp theo, sử dụng phương pháp đáp ứng bé mặt (RSM), phương án cau trúc cótâm (CCD) dé tiễn hành tối ưu hóa quá trình tạo chế phẩm cố định vi khuẩnAzotobacter bằng lên men bán ran trên giá thé hạt polyter Các yếu tố được chonlựa để khảo sát là hàm lượng sucrose, nhiệt độ, pH, độ âm va tỉ lệ giống Kết quađã chỉ ra giá trị tối ưu của môi trường lên men bán rắn trên giá thể hạt polyter đểnuôi cay Azotobacter thu sinh khối cực dai đạt 4,12x10° CFU/g ở giá trị hàmlượng sucrose 2,9%; nhiệt độ 31,5°C; pH là 6,44; độ âm là 61.04%; tỉ lệ giống là1,05% Các giá trị tối ưu nhận được băng tính toán này đã được kiểm chứng bởi

thực nghiệm với kết quả cho thấy số liệu tối ưu mà chúng tôi nhận được ở trên

hoàn toàn tương thích với dữ liệu thực nghiệm (97%).

Nghiên cứu chế phẩm trong quá trình ứng dụng trên cây dâu tây, mật độ vikhuẩn Azotobacter trong chế phẩm duy trì ở mức 3,20 - 3.92x10” CFU/g trongsuốt 6 tháng theo dõi Khi bố sung chế phẩm Biopolyter - Azotobacter trong giáthé trồng dâu tây thì cây sinh trưởng, phát triển tốt, ra hoa sớm hơn 8 - 9 ngày,

năng suất cao 11 - 17%, độ Brix của trái tăng 3 - 4%, chất lượng trái dâu tươiđược tăng lên thé hiện qua các chỉ tiêu chất khô hoà tan, hàm lượng đường tổng

va vitamin C.

Các khảo sát về đại thé, vi thé, tinh chất co bản và mật số Azotobacter cỗ địnhtrong chế phẩm Biopolyter - Azotobacter cho thấy: chế phẩm tạo thành vẫn giữđược các tính chất cơ bản của polyter - một chất giữ âm trong nông nghiệp, chếphẩm tạo thành bảo tôn số lượng vi khuẩn Azotobacter trong thời gian dài 15tháng với mật độ 0,30x10° CFU/g ở chế độ nhiệt độ phòng (28 - 32°C) và

1,28x10° CFU/g ở chế độ nhiệt độ mát (15 - 20°C)

ABSTRACTThis thesis studies some properties of polyter and some strains of Azotobacterby the Department of Biotechnology, Ho Chi Minh City PolytechnicalUniversity to create preparations of Buiopolyter-Azotobacter to use inmicrobiology fertilizer production Azotobacter strains have been used toconduct fermentation in semi-solid state medium with polyter as polymericsubstrate The results indicate that A2 and A3 strains in 4 strains surveyed to

have high cell density after fermented, reach 3.2 - 3.8x10’ CFU/g These two

strains have high ability to synthesize nitrogen and IAA, reach 7.1 - 7.5 mg oftotal nitrogen per 100ml and 70.08 - 78.15 pg IAA/ml after 9 days offermentation The survey result also show that two products develop well inwide-range changes of temperature, pH and nutrition supplied of media.

Specifically, optimum development temperature is 20 - 40°C, pH 4.0 - 8.5

Target of the study is optimization of some parameters for Biopolyter Azotobacter production to using in biofertilizer production These selectedfactors are sucrose content, temperature, pH, moisture and inoculum’s size.These factors have been subsequently optimized using the Response SurfaceMethodology (RSM) - Central Composite Designs (CCD) Calculations show

-that optimal levels are as follows: sucrose content (2.9%), temperature (31.5 °C),

pH (6.44), moisture content (61.04%), inoculum’s size (1.05%) and the value of

maximum biomass is 4.12x10° CFU/g The optimum values just found by

calculations have been checked by the experiments and we find that calculationsare in good agreement with the experiments (97%).

By applying BioPA on strawberries, density of Azotobacter bacteria in polyter

always maintain at 3.20 - 3.92x10° CFU/g over 6 months monitoring period The

strawberries grow, develop well, flowering earlier 8 - 9 days, productivity higherat 11 - 17%, the Brix ratio the berries increase 3 - 4%, the quality of fresh

berries increase by adding Biopolyter-Azotobacter in cultivation substract due tocritera on soluble dry matter, total sugar content, and vitamin C.

Based on the appearance, structure (SEM _ images), properties, andconcentrations of the immobilized Azotobacter in Biopolyter-Azotobacter, it wasfound that the properties of polyter as a supper absorbent polymer maintained inthis bio product Additionally, the high concentrations of Azotobacter were

preserved in the product such as 030x10° CFU/g at 28 - 32°C (roomtemperature) and 1 ,28x10° CFU/g at 15 - 20°C

LOI CAM ON

Công trình nghiên cứu của tôi được hoàn thành với sự ủng hộ của nhiều tập thé,

cá nhân trong thời gian qua Trước tiên, tôi xin tỏ long biết on sâu sắc tới tap thểthầy cô hướng dẫn khoa học: TS Phạm S, PGS.TS Nguyễn Thuý Huong đãtruyền đạt kiến thức, những định hướng nghiên cứu phương pháp luận, ý tưởng,

nội dung nghiên cứu, chỉnh sửa văn phong, phương pháp trong báo cáo khoa

học và tôi thiết nghĩ nếu không có sự tận tâm hướng dẫn của hai thay cô thìtôi không thé hoàn thành tốt công trình nghiên cứu của mình

Tôi cũng xin chân thành cảm ơn tới Trường Đại học Bách Khoa TP Hồ Chí

Minh và đặc biệt là Bộ môn Công nghệ Sinh học — Khoa Kỹ thuật Hoá học, Sở

Nông nghiệp & PTNT Lâm Dong, Trung tâm phân tích — Viện Nghiên cứu Hat

nhân Đà Lạt, Trung tâm Nghiên cứu Khoai tây, rau và hoa Đà Lạt, Công ty

TNHH Organik Da Lat đã có những giúp đỡ tích cực, tạo điều kiện để tôi có thểthực hiện tốt các thí nghiệm, các nghiên cứu quan trọng trong luận án

Cuỗi cùng xin gửi lời cảm ơn sâu sắc nhất tới bố me, gia đình, tat cả những banbè, đồng nghiệp và người thân đã luôn thương yêu, động viên, khích lệ tôi trongthời gian qua Những tình cảm thân thương này là nguồn động lực lớn lao giúptôi hoàn thành tốt chương trình học tap, nghiên cứu của mình

TÁC GIÁ

NGUYEN THUY QUY TU

MỤC LỤC

DANH MỤC HINH 5 5° << 5% 9 e2 2g cư mg g0 exeseeeoeesore xiiDANH MỤC BẢNG 5 «<3 HH 7A3 RA 7A3 E84 7A3nkeerkserkseresrrkseeteserrsee xiiiDANH MỤC CAC TU VIET TAT uccccscsssssssssssssssssscsssssssscssssssssssesssscsesssscsssessssssssesessssssesees xiv000100077 11 Tinh cAp thiét 6c nh 6 .ố 12 Mục tiêu và nội dung của dé fài << << << E924 9EsEE9 S924 5 5940555 56240505 s2 22.1 Mục tiêu tổng quát -¿- 5% SE e1 S21 1 122121111 11211111 1111111111111 11 E11 Tre 2PIN Muc ti@u na na 2

4.2 Pham vi nghién CUU 0 0117 4

5 Những đĩng gĩp mới của dé tai ccscsscssssosesssscssssesesssssssssssescessssssssesssssssssssssessssesessssesessssesees 4CHƯƠNG 1 TONG QUAN TÀI LIEU -5-o° << 5° ° e2 sex sesseseseseeees 5

1.1 Nghiên cứu về chất giữ 4m trong nơng nghiệp và hạt poÌyf€F -°-ss- 5 <scses<esesesse 51.1.1 Chất giữ âm trong nơng nghiỆp - - ¿2 5221 S S212 1 1921212111111 2121111111 cree 5

1.1.2.2 Nguyên lý tao DỌVẨ©T nọ To nọ net 14

1.1.2.3 Cơ chế trương nước của DỌf©f -¿- - 25-52 s+S£+x‡EE‡x#EEEEEEEEEEEEEEEEErErkErkrkerkrkerkrrerkrvee 151.1.2.4 Các loại sản phẩm polyter trên thị tường 2-5 2 + 52+x+E£+x+EE£EeEerxererxererrrrereeree 16

1.1.2.5 Vai trị của polyter trong canh tác nơng nghiỆp - . - 5 1v vn ng 161.2 Nghiên cứu cải tạo vai trị chất giữ ẩm nơng nghiệp bằng phương pháp lên men bán rắnC6 inh Vi Simh 07 777.7 18

1.2.1 Vi sinh vật sử dụng trong san xuất phân bĩn Vi sinh - + 2 5s+s+sscx+xezszxczee 18Ni 7.2 a 201.2.3 Lên men bán rắn và Kỹ thuật cố định vi sinh vật + +55 22s cxexersrrereee 22Thiết bị nuơi cấy vi sinh vật trên mơi trường bán rắn +5 2 2s2E+2*+EE£2EvExvxrxererreree 231.2.4 Phương pháp nhốt tế bào trong cấu trúc gel +2 + 2 ++5£+++x+£++E+E£e+xererxcresees 28

1.2.4.1 KAT MIG 0 7 7 28

"Mãn ha 291.2.4.3 Một số chat mang sử dụng trong phương pháp nhốt tế bảo ¿5 ©5252 s25: 30

1.2.5 Cố định tế bao vi sinh vật và ứng dụng trong nơng nghiệp -5- 525555555: 31

1.2.5.1 Anh hưởng cua polymer siêu hap thụ nước (SAP) lên hẹL vi sinh vạt ]t đất 31

1.4 Nhận xét chung và những vấn để quan tâm ° s5 < s2 < se s se eEseseEsesesessesesse 37CHUONG 2 VAT LIEU VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 5-5<- 392.1 Địa điểm và thời gian nghiên Cwru - -s- << s£ < << se E94 se 9 s£EeEsEseSeEsesessesese 39

2.1.1 Địa điểm ch HH nà Hà nà HH Hàn nàn ng 39

2.1.2 Thời gian G SE SH HH HH 392.2 Vật liệu và thiết bị nghiên €ỨU 2° <€ s£ << S£ E4 E99 E954 359 4 555 5 56225595 s52392.2.1 Vat liệu và thiết bị nghiên cứu trong phịng - ¿22252 x+x+£++E+Evezxererxcrerees 392.2.2 Vat liệu, dụng cụ nghiên cứu ngồi đồng -+-5- 252222 SxxeE2EE xerrrkerereee 4]2.3 Sơ đồ tổng quát nội dung luận AN scccscscsscscscsesesscscsscsesecssscssssesesesssssssssesesesssssssssesesssssesess 422.4 Thuyết minh chỉ tiết sơ đồ nội dung luận án 2 2° ° << se 5£ ssess seseseesesessesese432.4.1 _ Giai đoạn nghiên cứu tiỀn để ¿- ¿+ 52t 2E 22191921 311252121 112111211111 11 1.1111 43

2.4.1.1 Khao sát một số tính chất cơ bản của hạt pỌyfer ¿5-5252 +x+scevxereerereerees 432.4.1.2 Đánh giá và tuyên chọn các chủng ÁzØfOđCf€F -2-5c-52 S252 St Se+EeEvEerekerrrerrrrreerees 45

2.4.2 Nghiên cứu tạo chế phẩm Biopolyter-AzØfOCfeF - - 525552 S++x se +e‡Eszctexerrrerees 45

2.4.2.1 Bước dau tạo chế phâm Biopolyter-AZOtoDacters.sccccccsssssssssessssessssestsssessseesseesseetsseessses 452.4.2.2 Tối ưu hố các thơng số của quá trình tạo chế phẩm Biopolyter-Azofobacfer 462.4.2.3 Đánh giá kết quả tối ưu hố ¿+ ¿5552595 SE+E£EE+EEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEErkrErkrrerkrrereereee 47

2.4.3 Đánh giá chất lượng chế phẩm Biopolyter-Azofob4Cf€F 22-5: 25c ccscscessscscesree 472.4.3.1 Các khảo sát đại thé, vi thé va mật độ Azotobacter của chế pham ở giai đoạn ban đầu 47

2.4.3.2 Một số tinh chất cơ bản của chế phẩm Biopolyter-4zØfObacfer -. cccs©cscscsccsc: 47

2.4.4 _ Đánh giá hiệu quả sử dụng và ảnh hưởng của chế phẩm đến cây dâu tây 47

2.4.4.1 Ứng dụng chế pham Biopolyter-Azotobacter trên cây dâu tây -ccccccccceccec- 482.4.4.2 Nghiên cứu về chế pham Biopolyter-Azotobacter trong thực tế ứng dung trồng dâu tây 50

2.4.5 Nghiên cứu ổn định chất lượng chế phẩm - - +2 2 2229522 2E£EE££EeEvrkrrereee 50

2.4.5.1 Một số tính chất điển hình của chế phẩm theo thời gian bảo quan của phép thử dài hạn 502.4.5.2 Đánh giá chung về hạn sử dụng chế phẩm ¿2-22 2525 E+Se£E+Eezzxerxrxererserees 50

2.5 Các phương pháp phân tich 700G G G55 2 2 5 5 9 56 9999.99.98 9999.09.09 09094 04 009 889094.94 60060688 512.5.1 Phuong pháp vi SITh - - s5 5E 11 19 gọn ng tre 512.5.2 Phương pháp hố sInh s6 + s61 1910 9910 9109 gọn ng ke 51

2.5.2.1 Phương pháp xác định nito tong $6 c.ceccccsscssssessssessssessssessssessssessssesssseessseessscseessseessseeseaees 51

2.5.2.2 Phương pháp xác định LA À - 5 11 ng nọ nh 512.5.3 Phương pháp hố ly 0 eee eesseecessecessseceessecesssecesssecessaecesseecesseecesscecesaeecesaeecesaeeeesaees 52

2.5.3.1 Phương pháp xác định lượng nước hap thu của polyter c.ccccccccssessssesssseesessseeseseeteseeeeee 52

2.5.3.2 Phương pháp xác định mức độ lưu g1ữ nước của pỌV€T esse eeeeseeeeeseeeees 52

2.5.3.3 Phương pháp quang phơ hap thụ nguyên tử (A AS) - ¿55-52 ScSc+cccxvrereerererrereerees 522.5.3.4 0915891111-198 0100698 Ẻn 53

2.5.4 Các phương pháp lay mẫu và theo dõi cây trồng ¿- 525255252 2e2Evzxcxexerererees 532.5.5 Phương pháp tính tốn xử lý $6 liệU ¿5-56 SE SEESE E21 3 121211111 11.2 54

CHUONG 3 KET QUA VA THẢO LUẬNN oe 5-5-5 << sex cseseeeesesesessesee 553.1 Kết quả nghiên cứu tiỀn đỀ - << <5 << S£ E4 E99 sE9EE4 35924 555 5 562425595 s56553.1.1 _ Kết quả khảo sát một số tính chất cơ bản của hat poÌyer - 2 s5 2 s+xesse: 55

3.1.1.1 Anh hưởng của pH lên khả nang hap thụ nước của polyer - ¿5+5 s+secsesee- 553.1.1.2 Kha nang lưu giữ nước ở điều kiện phịng thí nghiệm của polyter -. - 563.1.1.3 Kha năng hap thu dinh đưỡng của polyter c.ccccccsssscssssessssesssessssessssesssseessseessseessscseessaee 583.1.1.4 Kha năng giải hấp dinh dưỡng của pỌyfeT -+- ¿2-52 5++S£St+E£E£EeEtexerxrrerxrrerreerees 59

3.1.2 Kết quả đánh giá và tuyển chon các chủng AzØfOb€fếF -.- 525255252 cccxscscecree 60

3.1.2.1 Kết quả khảo sát các hoạt tính sinh học của các chủng ÁzØfobacfer -. -5c: 603.1.2.2 Kết quả khảo sát điều kiện sinh trưởng, phát triển của các chủng Azofobacfer 62

3.2 Nghiên cứu tạo chế phẩm Biopolyter-Z0f0@Cf€FF s-< 5 o< << EseSsEsEseESESESSEeEseEeEsesessesese 63

3.2.1 Bước dau tạo chế phẩm Biopolyter-AzØfO@Cf€F ¿5-55 S222 Set x22 cekerrrereeo 633.2.2 Kết quả tối ưu hố các thơng số của quá trình tạo chế phẩm Biopolyter-Azotobacterbang lên men bán rắn trên giá thé là hạt poÏy{©T :- ¿2-5 5225 22222 E£EeE2EEEEErkrkerxrrereee 64

3.2.2.1 Thí nghiệm tim tâm của mơ hình CCD dé t6i ưu hĩa mật độ tế bao Azofobacter 643.2.2.2 Tối ưu hĩa giá trị các yếu tơ anh hưởng đến mật độ vi khuân bằng phương pháp RSM -

COD ẻ “CA 663.2.3 Đánh giá kết quả tối ưu hOá ¿5-5212 2E E323 1921211212111 11 2111211111011 c1cye 653.3 Đánh giá chất lượng chế phẩm Biopolyter-AZOtoDacter e-5-ec5 sc se =sseseeseseseEsesessesese 653.3.1 Cac khảo sát đại thé, vi thé và mật độ Azotobacter của ché phẩm ở giai đoạn ban đầu 653.3.2 Một số tính chất hố lý co ban của chế phẩm Biopolyter-Azofobacfer - G73.3.2.1 Khả năng hap thụ và giải hap nước ¿2-52 S++S St ‡EeEEEEeEEEEerkrkrrrkerrrkrrreereee 67

3.3.2.2 Khả năng hap thụ và giải hấp NO3, PO? , Ko escscescssessessesssessessssessessessssecsessessssecseeseeeens 68

3.4 Kết quả đánh giá hiệu quả sử dụng và ảnh hưởng của chế phẩm đến cây dâu tây 693.4.1 Anh hướng của chế phẩm đến cây dây tay - 5-5-2 St S2 St 2v tre 69

3.4.1.1 Theo dõi tình hình sinh trưởng, năng suất cây dâu tây + 2552 s+cecezeeresreei 703.4.1.2 Đánh giá chất lượng sản phẩm trái dau tươi của mơ hình - ¿2s 2cs+sz=se5+e: 75

3.4.2 Kết quả nghiên cứu chế phẩm Biopolyter-Azotobacter trong quá trình trồng dâu tây 793.5 Kết quả nghiên cứu ồn định chất lượng chế phẩm . 5 5-52 s22 se sesesesssseses2 32KET LUẬN VÀ DE NGHI 2 << << << se e9 ưv exveme eexeeeseeeoseseee 87CONG TRÌNH CĨ LIEN QUAN DEN LUẬN AN ĐÃ CƠNG BĨ -5- 89DANH MỤC TÀI LIEU THAM KHAO 5 < 5 5-5 < se s2 seseseseseesesesese 90

PHỤ LỤC

DANH MỤC HÌNHHình 1.1 Chế phâm polyter trước (a) và sau khi trương nước (b) - -s 13Hình 1.2 Hình anh SEM polyter trạng thái khô (a) và trạng thái trương nước (b) 14Hình 1.3 Sơ đồ biéu diễn các thành phan co bản và cấu trúc ba chiều polyter 15Hình 1.4 Công thức các monomer được sử dụng trong sản xuất polyfer - 16Hình 1.5 Hình thai bên ngoài của Azotobacter Vinelandit cà - << << «<< <<<+++ 20Hình 1.6 Hình mô tả các phương pháp cô định vi sinh vật - 5 55c: 23Hình 1.7 Vi bao gói vi khuân băng calci alginafe -¿ 5-5 55c +ccsceceresree 29Hình 3.1 Độ trương nước của polyter theo pH của môi trường - - - <- 56Hình 3.2 Khả năng lưu giữ nước của polyter tại điều kiện phòng thí nghiệm 57Hình 3.6 Khả năng giải hấp ÌNO” 2c S2 3 1 E1 3 121121111111 1111 1101111111 ke 60Hình 3.7 Khả năng giải hấp PO¿”T - 2c set T1 1 12111101111111 11 11110111111 111g te 60Hình 3.8 Khả năng giải hấp IK” 5-5521 3 1E 1211111515 1111211111511 11 111.1 re 60Hình 3.9 Biến thiên hàm lượng nito tổng số trong dịch nuôi cây Azofobacter 61Hình 3.10 Chung Azotobacter vinelandii ATCC 12837 ĂĂĂ S225 cssss 64Hình 3.11 Chế phâm Biopolyter-AZotoDdcter ccccccccccscssessssessesessesessssssssesesssssssseseesees 66Hình 3.12 Lat cắt chế phẩm va phân bồ vi khuẩn Azotobacter (ảnh chụp SEM) 66Hình 3.13 Khả năng hap thụ nước của Biopolyter-AZotoDacter .-c- s55 cscscs¿ 67Hình 3.14 Kha năng giải hap nước của Biopolyter-Azotobacter tại pH 7 68

Hình 3.15 Kha năng hap thu NO; PO,’’, KTcủa Biopolyter-Azotobacter 68

Hình 3.16 Khả năng giải hap NO; , PO,”, K* của Biopolyter-Azofobacfer 69Hình 3.18 Cay dau nghiệm thức không sử dung (a, b) - Cây dâu sử dụng BioPA (c, d)

Công ty TNHH Organik Đà Lạt Hình a) và c) chụp tháng 9/2015, hình b) và d)Chup tháng 10/20 Ê ng re 72Hình 3.19 Mô hình dâu tây tại Trung tâm Nghiên cứu Khoai tây, rau và hoa Đà Lạt

01101720 73Hình 3.20 Sản phẩm trái dâu tươi của mô hình ¿2+ + 2 2+£+E+E+£z£z£ezezeszee 76Hình 3.21 Phân bố vi khuẩn Azotobacter trong chế phẩm sau 6 tháng sử dụng 30Hình 3.22 Phân bố vi khuẩn Azotobacter trong chế phẩm sau 12 tháng bảo quan 85

Bảng 3.5 Kết quả thực hiện RSM — CCD để tối ưu hóa mật độ Azotobacter trên môi

trường bán rẮn ¿5-56 112121912 1 111111211111 211111211111 111111 0111011111110 .r 66Bảng 3.6 Kết quả sinh trưởng, năng suất mô hình dâu tây, vụ tháng 1/2015 — 6/2015

Bang 3.13 Mật độ Azotobacter chế phẩm trong quá trình bảo quản (10° CFU/g) 83

Bảng 3.14 Âm độ chế phẩm Biopolyter-Azotobacter trong 18 tháng bao quản (%) 84

DK

PGPBNSTRSMSAPSEMTCVN

DANH MUC CAC TU VIET TAT

Atomic Absorption SpectrometricBiopolyter-Azotobacter

Indol Acetic AcidIon ChromatographyDuong kinh

Plant Growth Promoting Bacteria

Ngày sau trồng

Response surface methodsSuper Absorbent PolymerScaning Electron microscopeTiêu chuân Việt Nam

MỞ ĐẦU

1 Tính cấp thiết của đề tàiỞ nước ta, đặc biệt khu vực Tây nguyên và Nam Trung bộ trong những năm ganday, tình hình khí hậu có nhiều thay đổi, han hán thường xuyên xảy ra ở nhiềunơi và có dấu hiệu kéo dài, tình trạng suy giảm nguồn nước dẫn đến hiện tượngthiếu nước trên các lưu vực sông, khan hiếm nước diễn ra ngày càng thườngxuyên hơn, phạm vi rộng và nghiêm trong hơn [1] Do vậy, van dé cung cấpnước cho cây trồng trở thành mối quan tâm hơn bao giờ hết Để canh tác nôngnghiệp bền vững, các biện pháp sử dụng nước tiết kiệm được ưu tiên nghiên cứuvà ứng dụng Tuy nhiên, việc sử dung chất giữ 4m trong nông nghiệp tại Việt

Nam còn hết sức hạn chế Một số thử nghiệm sử dụng chất giữ âm mới chỉ đượcthực hiện trên một số cây công nghiệp như cà phê, chè, bắp [2; 3] Ngoài ra,

các thử nghiệm nay mới chi dừng ở mức độ ứng dụng sản phẩm có san, theo doi

mức độ tiệt kiệm nước tưới và anh hưởng đên năng suât san phâm.

Thành phố Đà Lạt, tỉnh Lâm Đồng nhóm đất xám có diện tích cao nhất, khoảng35.200 ha, chiếm đến 90,05% tong diện tích đất tu nhiên Đất xám có thànhphan cơ giới nhẹ, kết cau rời rac, khả năng giữ nước giữ phân kém, đất chua,hàm lượng hữu cơ và mun thấp, nghèo dinh dưỡng dung tích hap thu và độ nokiềm đất thấp [4]

Chế phẩm polyter là một trong những sản phẩm polymer siêu hấp thụ nước(Super absorbent polymers — SAP) được sử dụng làm chất giữ 4m trong nôngnghiệp đã được thương mại hóa trên thé giới Đây là phát minh của nhà khoahọc người Pháp, có tên là Philippe Di Giorno Ouaki và được đăng ký băng sángchế vào năm 2003 Khi gặp nước, hạt polyter sẽ nở ra thành bọc có màng thắmthấu hút một lượng nước đến 500 lần trọng lượng của hạt ban đầu (kích thướccủa hạt khoảng vài mm) Hạt có đặc tính hút nước kéo theo chất dinh dưỡng,

phân bón vào bọc đê dự trữ và cung câp cho cây trông theo nhu câu, đông thờihạn chê sự rửa trôi, bôc hơi, lãng phí, giúp cây không bị gián đoạn vê nước vàdinh dưỡng [5].

Bên cạnh đó, những ưu điểm của các loại dinh dưỡng do vi sinh vat có ich tonghợp cung cấp cho cây trồng đã được biết đến va ứng dung trong sản xuất nôngnghiệp nhằm tăng độ phì của đất, tăng sức đề kháng của cây trồng, cung cấpdinh dưỡng sạch cho cây tạo ra sản phẩm chất lượng tốt và hạn chế sự ônhiễm môi trường do thường xuyên phải sử dụng một lượng lớn phân bón hoáhọc [6] Hiện nay, chưa có nghiên cứu nao được công bố về việc sử dụng chấtgiữ ấm làm chat mang dé cô định vi sinh vật có lợi nhằm tổng hợp dinh dưỡngtừ tự nhiên như là một tác động kép đảm bảo đáp ứng nhu câu nước và dinhdưỡng đồng thời cung cấp cho cây trồng

Đề làm cơ sở khoa học trong việc cải tiễn và ứng dụng các chất giữ âm trongnông nghiệp ngày một hiệu quả hơn với nhiều chức năng hơn, góp phần ứng phóvới biến đối khí hậu trong sản xuất nông nghiệp nói chung và khu vực Tây

Nguyên nói riêng, dé tài Nghiên cứu có định vi khuẩn có định dam trong

hạt polyter và ứng dụng trên cây dâu tây đã được thực hiện.

2 Mục tiêu và nội dung của đề tài2.1 Mục tiêu tổng quát

Nghiên cứu các giải pháp để nâng cao hiệu quả sử dụng hạt polyter trong sảnxuất nông nghiệp đồng thời làm cơ sở khoa học cho những nghiên cứu chuyênsâu về tác dụng kép của hạt polyter trong việc vừa giữ 4m vừa làm chất mang cỗđịnh vi sinh vật có ích cho cây trồng

2.2 Mục tiêu cụ thểNghiên cứu có định vi khuẩn cô định đạm trong hạt polyter và thử nghiệm ứng

dụng trên cây dâu tây.

3.1 Y nghĩa khoa học

e Kết quả nghiên cứu sẽ cung cấp những dẫn liệu khoa học nhằm bố sung đặctính cơ bản về hạt polyter và góp thêm cơ sở cho việc sử dụng hiệu quả chấtgiữ âm trong nông nghiệp

e Kết quả nghiên cứu cũng cung cấp các thông số kỹ thuật tối ưu tạo chế phẩmBiopolyter-Azotobacter và nghiên cứu ôn định chất lượng chế phẩm

e Nghiên cứu chế phẩm Biopolyter-Azotobacter và bước đầu đánh giá hiệu quảsử dụng chế phẩm Biopolyter-Azotobacter qua các giai đoạn ứng dụng trên

cây dâu tây.

4 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu

4.1 Đối tượng nghiên cứu:

Chất giữ âm polyter, các chủng Azotobacter

4.2 Pham vi nghiên cứu

e Từ nghiên cứu cơ bản, luận án tập trung đánh giá các điều kiện can thiết détạo chế phẩm Biopolyter-Azotobacter

e Đánh giá chế phẩm Biopolyter-Azotobacter trong điều kiện thực tế thửnghiệm trên cây dâu tây tại Lâm Đồng

e Nghiên cứu 6n định chất lượng chế phẩm.5 Những đóng góp mới của đề tài

Nghiên cứu thành công cố định vi khuẩn Azotobacter trên giá thé hạt polytertruyền thống băng phương pháp lên men bán rắn để tạo chế phẩm Biopolyter-Azotobacter Ché pham Biopolyter-Azotobacter tạo thành có hai chức năng, vừalà chất giữ ấm trong nông nghiệp vừa cung cấp vi sinh vật hữu ích cho cây

trồng

CHƯƠNG 1 TỎNG QUAN TÀI LIỆU1.1 Nghiên cứu về chất giữ âm trong nông nghiệp và hạt polyter1.1.1 Chất giữ am trong nông nghiệp

L111 Khái niệm

Chất giữ âm là loại vật liệu có khả năng hút, giữ nước được dùng trong nhiềulĩnh vực như y tế, chăm sóc sức khỏe, nông nghiệp, công nghiệp thực phẩm, xửlý nước, khai khoáng Trước đây những chất hút nước thường có thành phânchủ yếu là cellulose va sợi như than bun, bã mia, xơ dừa, cao lanh , va chỉ cókhả năng giữ nước khoảng 20 lần trọng lượng của chúng Hiện nay với sự hỗ trợcủa khoa học công nghệ đã sản xuất được nhiều loại polymer siêu hap thụ nước

(SAP - Super Absorbent Polymers), có thê hút và giữ một khối lượng dung dịch

lớn (có thé gap 400 - 500 lần) so với khôi lượng ban dau của nó [7 8].Chat giữ 4m trong nông nghiệp hiện nay có bản chất là polymer siêu hấp thụ

nước (SAP - Super Absorbent Polymers) hay còn được gọi là hydrogel, được Bộ

Nông nghiệp Hoa Kỳ nghiên cứu và sử dụng đầu tiên từ những năm 1960 Ngàynay, SAP được sử dụng nhiều trong nông nghiệp để giữ ấm và cải tạo đất, vậnchuyền cây trông đi xa, kết hợp với phân bón và phụ gia dé canh tác trong chậu.Với khả năng giữ được một lượng nước lớn, hút và nhả nước nhiều lần, SAP cóý nghĩa quan trọng trong việc đây mạnh phát triển sản xuất nông nghiệp, chỗnghạn cho cây trồng giữ ôn định sinh thái đất và đối phó với biến đối khí hậu,ngoài ra SAP còn có vai trò trong xử lý nước thải và đất nhiễm kim loại nặng [7,

9].

Tình hình sản xuất và ứng dụng chat giữ âm dé nâng cao hiệu qua phân bón vàtăng khả năng chống hạn cho cây trồng trên thế giới và Việt Nam nỗi bật ba xuhướng chính: nghiên cứu sản xuất các vật liệu ôn định đất, giữ âm với các thànhphan như hop chat tự nhiên (cellulose, ), polymer, polyacrylate, vinyl

polymer ; ứng dụng chất giữ 4m phục vụ canh tác, trồng trọt và hướng nghiêncứu kết hợp phân bón va chất giữ âm [10, 11, 12, 13].

1.1.1.2 Polymer và phương pháp tong hop

a Định nghĩa

Polymer là hợp chất cao phân tử được cau tạo từ một nhóm nguyên tu, lặp đi lặplại nhiều lần trong đại phân tử Nhóm nguyên tử tham gia cau thành trong dai

phân tử được đặc trưng cho độ trùng hợp cua polymer [13].

Về cau trúc, polymer được phân ra làm 3 loại như sau: polymer mạch thắng,polymer mạch phân nhánh, polymer liên kết ngang hay polymer khâu mạch.Về tính chất, polymer được phân ra làm 2 loại như sau: polymer tan nước và

polymer trương nước (hydrogel).Cac vật liệu hydrogel có phạm vi ứng dụng rộng, chung được dùng trong các

quá trình tách chiết làm màng vi lọc, siêu lọc, thấm khí; trong y học, hydrogelđược dùng làm vật liệu cấy ghép, da nhân tạo, màng lọc máu; trong nông nghiệpđược dùng làm chất giữ nước cho các vùng khô hạn hay sa mạc Ngoài ra, vật

liệu hydrogel còn được sử dụng trong lĩnh vực xử lý nước thai [14].

b Phương pháp tông hợp polymerNguyên liệu ban dau dùng dé tổng hợp polymer là những hợp chất có khối

lượng phân tử thấp monomer hay oligomer Các monomer ban đầu phải có liênkết bội hay phải có ít nhất hai nhóm chức trở lên

Có hai phương pháp cơ bản dùng dé tổng hop polymer là phương pháp trùng

ngưng và phương pháp trùng hợp.

Phương pháp trùng hợp: là phản ứng kết hợp các phân tử nhỏ thành đại phân tửmà không tách ra các sản phẩm phụ Quá trình trùng hợp kéo theo sự giảm độ

không no của các chất tham gia phản ứng, giảm số phân tử chung của hệ và làm

tăng trọng lượng phân tử trung bình của phân tử.

Phương pháp trùng ngưng: là phản ứng kết hợp các phân tử nhỏ thành đại phântử kèm theo sự tách các loại chất đơn giản như H;O, ROH, NH3, HCl Phảnứng trùng ngưng đặc trưng cho các hợp chất chứa các nhóm chức trong phân tử.1.1.1.3 Tình hình nghiên cứu và ứng dung chất giữ dm trong canh tác nông nghiệp

Nghiên cứu ngoài nước:

Việc nghiên cứu chế tạo polymer siêu hấp thụ nước được tiến hành từ lâu và đến

nay vẫn tiếp tục được nghiên cứu nhằm tạo ra vật liệu với giá thành thấp, có khả

năng phân hủy sinh học, có độ trương lớn hơn cũng như đa dạng hóa các ứng

dụng của SAP trong nông nghiệp Bên cạnh đó, việc sử dụng SAP làm giá thétrồng trọt không chỉ thân thiện môi trường mà còn giúp phát triển hiệu quả vì

nhu câu nông nghiệp sạch , bên vững, công nghệ đơn giản.Nhiêu nghiên cứu đã tiên hành dé khảo sát vai trò và kha nang ứng dụng các san

phẩm SAP vào nông nghiệp, một số hướng nghiên cứu được chú ý như:Khả năng hạn chế lượng nước tưới cung cấp cho cây trồng khi sử dung SAP: Turnăm 1985, Tu và cộng sự kết luận rang cây họ cúc (chỉ Ceneraria) và cây đậuđỏ (Phaseolus vulgaris) tăng tong khối lượng cây, tăng sự thoát nước và CO2,

trong khi cây tếch Úc (Tectona grandis) và cây sồi sữa (Baeolophus inornatus)

(loài chịu hạn) không tang đáng kế về khối lượng cây khi sử dung SAP [15].Cây họ cúc và cây đậu đỏ đã tăng tổng khối lượng khô lên khi thêm SAP vào đấttrồng Các tác giả này còn quan sát được t lệ thoát nước tăng đối với các loàicây chịu hạn khi b6 sung SAP trong môi trường trong, sự phát triển về tong thé

có khác biệt so với môi trường không su dung SAP Sau đó, Fry va Butler

khi thêm SAP voit lệ 1% vào đất trước khi gieo hạt, có các phan ứng tăng chỉsố sinh trưởng trong điều kiện nhà kính Các tác giả cũng kết luận rang can tỉ lệSAP lớn hơn để đạt được cùng hiệu ứng trong điều kiện thực hiện ngoài đồngruộng Trong mớt số trường hợp khác, SAP duy trì nước có sẵn khi ngưng tưới,giúp kéo dài thời gian sống của cây trồng [17] Bộ rễ cây có thé xuyên vào SAPdé lay nước có sẵn Trong môi trường có SAP cây bat dau chết sau 19 ngày,trong khi các mẫu cây đối chứng không dùng SAP bắt đầu chết sau 5 ngày khôhạn Trong sản xuất quy mô đồng rudng, các cây thông non Y (Pinus sabiniana)song lâu hon 14 - 2,0 lần khi dùng SAP so với đối chứng không dùng [18] Câybạch đàn (Eucalyptus sideroxylon) trồng ở Sudan sử dung SAP tron vào đất cát,trong điều kiện không tưới nướct_ lệ sống tăng gấp đôi so với cây thử nghiệmkhông dùng SAP Cùng điều kiện nhưng giamt lệ tưới tiêu t lệ sống sót tăng1,4 - 1,6 lần Trong một thử nghiệm khác khi ngưng tưới trong 6 ngày tất cả câycon ở ô đôi chứng đều chết, so với cây có bón SAPt_ lệ sống từ 57 - 71% Câythông Aleppo tăng gấp doit lệ sống khi thêm 0,49% SAP trong đất so với datkhông dùng Nghiên cứu còn cho thấy khi thêm SAP vào môi trường làm tăngbồ rễ của cây thông Aleppo và tăng tông khối lượng cây Các loài cây chịu hạn

như cây tếch Úc, cây sồi sữa cũng tăng khối lượng khô đáng kể [15, 19] Các

loài cây nhiều lá như Fraser photinia (cây trồng cảnh quan) có phan ứng tăng

khối lượng khi thêm SAP vào môi trường Các loại cây cà chua, rau diép, cu cal,

lúa mì cũng tăng khối lượng khô khi ngừng thời gian tưới đến khi cây xuất hiệntriệu chứng héo khi có bổ sung SAP trong dat trồng Cây vòi rồng tăng t lệsống sót và khối lượng khô khi trồng trong môi trường có trên SAP Các loạicây ngăn ngày không chịu hạn như cây Dã Yên (Petunia hybrida) gia tăng sốhoa và khối lượng khô khi trồng trong điều kiện khô có bố sung SAP [20] Năm1999, Trung Quốc công bố chế phẩm Khoa Du 98 là vật liệu polymer có sức hút

nước 1.000 lần, đã được ứng dụng cho cây trồng, tiết kiệm được 50% lượng

nước tưới và tăng sản lượng 15 - 20% Tại Trung Quốc và Mỹ đã có nhiều sảnphẩm SAP đã được đăng ký bang sáng chế [21].

Vai trò cải thiện khả năng nảy mâm của hạt và tỉ lệ sống của cây con: Tốc độnảy mam có thé gia tăng khi các SAP được sử dung, đặc biệt trong môi trườngkhô hạn va bán khô hạn Lượng nước có sẵn ở vùng bẻ mặt giữa dat và hạt giốngrất quan trọng cho sự nảy mam của hạt Sự nảy mam của hạt giảm nếu sự tiếpxúc nước giữa đất và hạt giảm trong điều kiện môi trường khô hạn và bán khôhan [22] Woodhouse va Johnson (1991) đã quan sát thấy khi thêm SAP vào cautrúc của đất đã tạo nhiều yếu tô thuận lợi cho sự nảy mam của lúa mach (Avenasativa), cỏ ba lá trang (Trifolium repens) và rau diễp (Lactuca sativa); tuy nhiênkhi thêm lượng SAP cao ở mức 0,5% trong môi trường sẽ làm giảm sự nảy mamcủa rau diép [23] Bên cạnh đó, các SAP được dùng dé 6n định cây trồng ở quymô đồng ruộng trong các dự án tái sinh thực vật, ôn định và phát triển sản xuấtcác cây ngắn ngày và lâu năm Ngoài ra, các cây có các phản ứng khác nhau ởcác giai đoạn phát triển khác nhau vì vậy lượng SAP có thé thay đối khi cây pháttriển SAP giúp ôn định các cây con nuôi cấy mô ở các vùng khô hạn như ChâuPhi và Châu Úc, giúp tăng khả năng sống của cây Rubio (1989) đã nghiên cứukhi thêm SAP trong đất giúp giảm hiệu ứng dán kín của đất khô và tạo ra cáclớp thâm thấu, do đó, sự nay mam sé thuận lợi hon cho cỏ grama, co alkali và co

boer [24] Dexter va Miyamoto (1959) cũng chứng minh khi bón thêm SAP hạt

cu cải đường (Beta vulgaris) sẽ xúc tiến sự nảy mam và sự phát triển rễ trongmôi trường cát [25] Các nghiên cứu của Sabota (1987) cho thấy khi ngâm trướchạt bắp ngọt (Zea mays convar saccharata var rugosa) trong SAP sẽ giảm thờigian nảy mam, thúc day sự phát triển, cải thiện tốc độ nảy mam của hạt bắp ngọttrong đất lạnh (<10°C) [26] Khi bổ sung thêm SAP vào dat trồng, tuy khônglàm tăng tốc độ nay mam của cây trồng ở Sudan, nhưng tăngt lệ sống của các

[28] Baxter (1986) quan sát thấy tốc dé hap thụ nước của bắp ngọt và đậu bò(Vigna unguiculat) có liên quan mật thiết đến quá trình tạo hạt [27] Bap ngọt docó nói nhũ dựa trên tinh bớt mà hap thụ nước chậm hơn và giữ nước ít hơn đậubò Đậu bò có nói nhũ dựa trên protein nên có xu hướng giữ nước nhiều hơn vàhấp thụ nước đến mớtt lệ mà hạt có thé trương lên nhưng không nảy mam dolượng nước hap thụ quá nhiều trong hạt phá hỏng hạt do mot lớp vô sinh đượctạo ra từ các gel ưa nước Tốc độ trương của hạt có thé gia tăng tỉ lệ thuận vớithời gian hạt tiếp xúc với nước Ngoài ra, các tác giả cũng có lưu ý khi sử dụngSAP không phù hợp có nguy cơ làm giảm hô hap hạt khi oxy chuyên giao giữađất và hạt bị ức chế [28].

Vai trò tăng hiệu quả phân bón, các chất kích thích sinh trưởng trong trồng trọtcủa SAP được dé cập tại nghiên cứu của Van Cotthem năm 1999 [29] Khi kếthợp các chất dinh dưỡng với SAP giúp tăng hiệu quả của canh tác nông nghiệp.Theo AI - Mana và Beatte (1996), cây sôi (Quercus rubra) và cây bạch đàn nhựađen (Nyssa sylvatica) gia tang sự tái sinh rễ khi hormone tạo rễ thêm vàopolymer để hỗ trợ cho cây ghép [30]

Vai trò làm giá th trong cây: SAP đã được dùng trong các điều kiện trồngcây thu canh (hydroponics) và trồng cây không dat (soilless) SAP giúp tiếtkiệm không gian khi vận chuyên va bảo quản cây xanh Ngoài ra người ta còndùng SAP để duy trì nước cho cỏ ở sân golf và các sân vận động [31]

Vai trò cai thiện kha năng phat trì n cây trong tại các vùng at ô nhiễm kim loạinặng: Prasad và Strzalka (2002) đã phát hiện SAP hỗ trợ tăng khả năng pháttriển cây trồng ở những vùng đất có nhiều kim loại nặng và giúp cho cây khônghấp thụ chì [32] Ngoài ra, các SAP có tác động làm giảm lượng muối trên cácnên đất Khi có thêm SAP vào mẫu đất cát trồng rau diếp, cà chua và dưa leo ởnông độ mudi cao đến 32.000 ppm thì cây vẫn sống tốt hon trong nên cát tinh

không có mudi Mac dù các cây này sông căn côi, nhưng van tang sac tô, hoạt

10

tính quang hợp, amino acid, proline và hàm lượng protein Trong môi trường

không có SAP, các cây này chết ở nồng dé 4.000 - 8.000 ppm [33].Vai trò của SAP đối với nông nghiệp không nhỏ và ngày càng được nghiên cứuứng dụng nhiều hon trong thực tế Do đó, các đăng ký bản quyền sáng chế vềSAP ngày càng nhiều Trên thé giới có hơn 300 sáng chế đăng ký về lĩnh vựcnghiên cứu, ứng dụng SAP Hiện nay, các sáng chế về chất giữ 4m phục vu sảnxuất nông nghiệp được đăng ký nhiều ở các quốc gia (Trung Quốc, Nhật, Hàn

Quốc, Mỹ, Nam Phi, New Zealand, Mexico, Israel, Úc ) và hai tô chức: WO (Tổchức Sở hữu Trí tuệ Thế giới), EP (Cơ quan Sáng chế châu Âu) Những nghiên

cứu về chất giữ âm thiên về vật liệu ôn định đất, chất giữ âm với các thành phântừ hợp chất tự nhiên (cellulose ); tiền polymer, polyacrylate, polymethacrylate,vinyl polymer và đặc biệt là những nghiên cứu sản xuất phân bón kết hợp vớichất giữ âm dé tăng hiệu quả sử dụng [10, 11, 12]

Nghiên cứu trong nước:

Việt Nam bước dau đã có nhiều nghiên cứu chế tao chất giữ 4m va được ứngdụng hiệu quả trong sản xuất nông nghiệp Tuy nhiên, việc nghiên cứu chất giữâm nông nghiệp của Việt Nam hiện nay chỉ dừng lại ở giai đoạn chế tạo chếphẩm, nâng cao khả năng trương nở của chế phẩm, một số sản phẩm bước đầu

đã nghiên cứu thành công như PA, AA, Copolymer PVA-PA, AMS-I,

GAM-sort, CH các sản phẩm này có khả năng hap thụ nước cao, từ 400 - 750 lần,tương đương với khả năng hap thụ nước các sản phẩm ngoại nhập được công bô.Tuy nhiên, thời gian phân hu sinh học của đa số các sản phẩm này khá ngắn,chỉ từ 120 - 140 ngày Chỉ riêng sản phẩm AMS-1 có khả năng giữ nước trong 2

năm và tự phân hủy sinh học sau 3 - 4 năm nên không gây hại môi trường.

AMS-1 được tạo thành từ quá trình đồng trùng hợp ghép acid acrylic với tinhbột đã được biến tính, do Viện Hóa học thuộc Trung tâm Khoa học Tự nhiên vàCông nghệ Quốc gia nghiên cứu và chế biến được Bộ Khoa học Công nghệ ViệtNam công nhận là một tiến bộ kỹ thuật và được Bộ Nông nghiệp và Phát triển

nông thôn lựa chọn ứng dụng vào trồng trọt AMS-1 có khả năng hút nước từ400 — 420 lần nên có tác dụng cải tạo đất thịt, đất sét, giúp cho việc thoát, lưuthông và giữ nước hợp lý AMS-1 phát huy hiệu quả tốt nhất trên những vùngcanh tác phải dùng nhiều nước tưới như đất trông cà phê, bông, đất cát, đôi núithiếu thảm thực vật.

Các chế phẩm được sản xuất trong nước sẽ giúp phan làm giảm giá thành đối sovới các mặt hàng cùng chức năng ngoại nhập So sánh giá thành sản phẩmGAM-Sorb và các sản phẩm ngoại nhập cùng loại giá thành rẻ hơn khoảng 2 - 3

`ˆ^

lân.

Ngoài ra, viện Nghiên cứu Hạt nhân Đà Lạt đã hoàn tất chương trình nghiên cứuchế tạo vật liệu SAP bằng kỹ thuật biến tính bức xạ gamma và ứng dụng trênmột số cây trồng vùng khô hạn tại Lâm Đồng được thực hiện trong hai năm2003 - 2005 Vật liệu có sự hút nước 200 lần, giữ nước tương đối ôn định Sảnphẩm đã được ứng dụng và thu được kết quả tốt trên một số cây trồng như cà

phê, tiêu, hoa, cây cảnh [11].

Mặc dù vai trò của chất giữ 4m trong canh tác nông nghiệp không thé phủ nhận,nhưng không nên khuyến cáo áp dụng chất giữ 4m cho tất cả các cây trồng, cầncó các nghiên cứu cụ thé để xác định phương pháp canh tác phù hợp và mang lạihiệu quả kinh tế cao nhất

Thời gian gan đây, nhiều loại chế phẩm giữ âm cho đất được nhập khẩu từ nướcngoài về Việt Nam được đưa vào thử nghiệm và thương mại trên một số loại câytrồng, trong đó có sản phẩm polyter Việc sử dụng bố sung sản phẩm polyter déhạn chế lượng nước tưới, tăng năng suất, chất lượng sản phẩm cây trồng đã bắtdau được ghi nhận tại tinh Lâm Dong [2]

Như vậy, việc ứng dụng các loại polymer siêu hấp thụ nước trong nông nghiệptrên thé giới phát tri n từ những năm 1960, nghiên cứu thử nghiệm thành công

trong nhiêu lãnh vực như hạn chê lượng nước tưới, tang kha năng nay mdm,

12

giảm lượng phân bón, thuốc bảo vệ thực vật, chất kích thích hay cải thiện khảnăng phát trì n của cây trồng ở những vùng ô nhiễm kim loại nặng Ở ViệtNam, việc nghiên cứu và sử dụng các loại chất giữ dm nông nghiệp bắt du chúý trong giai oạn gân dy, bước du thu tược một số kết quả khích lệ và mở

ra nhiễu hướng nghiên cứu trong tương lai

1.1.2 Polyter

1.1.2.1 Khái niệm về polyterPolyter là một trong những sản phẩm SAP được sử dụng làm chất giữ âm trongnông nghiệp đã được thương mại hóa trên thé giới, nhập khẩu vào Việt Nam qua

con đường thương mại Đây là phát minh của nhà khoa học người Pháp, có tên

là Philippe Di Giorno Ouaki vào năm 2003, là dạng vật chất gồm các hạtpolymer (acrylic) kết hợp với cellulose hay tỉnh bột bién tính và chất hữu co,được xử lý qua phản ứng công nghệ cao để polyter định hình Polyter sau khi

định hình tùy từng loại có hình dạng khác nhau: dạng hạt, bột hoặc gel Các hạtpolyter có kích thước 1- 3 mm tùy loại Khi hạt polyter gặp nước hạt sẽ trương

Hình 1.1 Chế phẩm polyter trước (a) và sau khi trương nước (b) [2|Polyter có màu trang ngà, có khả năng hấp thụ 400 g/g nước cất trong thời gian30 phút và 62 g/g nước muối sinh lý trong thời gian 35 phút ở nhiệt độ 25°C Ttrọng của polyter là 0,6 g/cm”

Hình 1.2 Hình anh SEM polyter trạng thái khô (a) và trạng thái trương nước (b) [35]Polyter tôn tại trong khoảng từ 3 - 5 năm trong dat và sau đó bị tiêu hủy bởi visinh vật trong đất và tia UV, không gây ô nhiễm đất và môi trường Trong điềukiện yếm khí polyter có thé bị phá hu bởi các ion sắt sinh ra trong quá trìnhhoạt động của vi khuẩn khử sunfat.

1.1.2.2 Nguyên lý tao polyterPolyter là một loại polymer trương nước (hydrogel), được tạo thành từ quá trình

ghép acrylic vào tinh bột biến tính [36].Acid acrylie được điều chế từ propylene, là chất khí có được chủ yếu trong quátrình chưng cat, cracking dầu mỏ Khả năng polymer hoá của acid acrylic rất caodưới môi trường bức xạ do cấu trúc gồm một nhóm vinyl và một nhóm

carboxyl Công thức phan tử của acid acrylic: CH2=CH-COOH.

Các monomer khi bị tương tác bức xạ sẽ tạo thành polymer, polymer dưới tác

dụng của bức xa sẽ bị ion hóa tạo các sốc tự do hay còn gọi là các nút mạng, cácsốc tự do này sẽ phản ứng với nhau tạo liên kết ngang quá trình tạo liên kết

ngang giữa các nút mạng được gọi là quá trình khâu mạch tạo lưới không gian 3

chiều Kỹ thuật bức xạ thực hiện các quá trình polymer hóa và biến tính chép,khâu mạch đã tạo ra nhiều vật liệu mới có tính năng đặc biệt và có giá tri sửdụng cao, đây cũng là phương pháp Trung tâm Nghiên cứu và Triển khai Côngnghệ bức xạ TP Hồ Chí Minh đã tổng hợp sản phẩm Gamma-sorb và ViệnNghiên cứu hạt nhân Đà Lạt tong hop vật liệu trương nước khoảng 200 lần từtỉnh bột ghép kali acrylat và hàng ngàn lần từ bentonit [11]

1.1.2.3 Cơ chế trương nước của polyterPolyter trương và co lại khi bị hydrat và dehydrat hoá Nước được giữ 6n địnhbởi polyter và không thê bị tách ra bởi áp lực dưới 5 bar Mỗi phân tử polytergdm các hang song song của những nhóm gốc a-glucose liên kết với nhau bởiliên kết a-1,6-glucozit với nhiều cầu nối và mạch nhánh acrylic Khi có sự tiếpxúc của nước với hàng phân tử, một lực tính điện yếu giữa các hàng được tạothành dé day 2 cực từ tích điện đồng nhất tách rời nhau và kéo các hàng xa nhaudẫn đến sự trương phông lớn của hạt polyter

Nước có thể tách khỏi hạt polyter bởi sự bay hơi hoặc hấp phụ trực tiếp từ rễ,chu trình hydrate hoá và dehydrate hoá có thể diễn ra liên tục nhiều lần Bộ rễcủa cây có thé hút 95% lượng nước được chứa trong các tinh thé của hạt polytervà giảm thất thoát nước do bốc hơi và thấm thấu, với hơn 85% [5, 36]

Phân loại dựa trên loại đơn vị monomer được sử dụng trong quá trình tong hopcấu trúc hóa hoc, polyter thuộc nhóm liên kết chéo polyacrylate va

polyacrylamide.

(a) O (b) O (c) O (đ) 9

Na” Ằ% KỲ SS

Hình 1.4 Công thức các monomer được sử dụng trong sản xuất polyter: (a) acid acrylic, (b)

natri acrylate, (c) kali acrylate và (d) acrylamide [40]1.1.2.4 Các loại san phẩm polyter trên thi trường

- Polyter GR: dạng hạt su dụng chung, kích thước hạt từ 1 - 2mm.

- Polyter GRP: dạng hạt nhỏ như bột sử dụng cho nhân giống, cây non.- Polyter Gomme: dạng keo, sử dụng tại nông trường có hệ thống tưới lớn đểtiết kiệm polyter

- Polyter salt: có hàm lượng chất hữu cơ cao, sử dụng cho đất nhiễm mặn.- Polyturba: có thêm NPK giúp cây bắt rễ nhanh, sử dụng cho đất khó trồng, bãi

cát, đôi trọc, lân dân sa mạc [5].

Hiện nay, tại Việt Nam đang nhập khẩu và sử dụng 2 dạng là polyter GR vaPolyter GRP, hai loại này phù hợp với nhiều đối tượng sử dụng khác nhau

1.1.2.5 Vai tro của polyter trong canh tác nông nghiệp

Polyter được sử dụng cho mọi loại cây, mọi loại đất, phối hợp với một số loại

phân bón hóa học dé tăng hiệu qua của việc bón phân, polyter chỉ bón mớt lầnvà sẽ tái bón từ 3 đến 5 năm sau Đến năm 2012, trên thế giới đã có hơn một

trăm nước ứng dụng hạt polyter vào nông, lâm nghiệp, tuy nhiên tại Việt Nam,

hạt polyter còn it được biết đến, chưa được sử dụng trong thực tế sản xuất nông

Các nghiên cứu chỉ ra, sử dụng hạt polyter giúp bộ rễ cây lớn gấp 3 - 5 lần, rễ sẽtiếp cận với dinh dưỡng tốt hơn và giữ âm cho đất, cung cấp liên tục lượng nướcvừa đủ cho cây, cây sẽ lớn nhanh hơn, rút ngắn thời gian canh tác, tiết kiệmnước, phân bón, thuốc bảo vệ thực vật đến 30 - 50%, giảm công tưới và chỉphí sản xuất, tăng năng suất lao động, tăng sản lượng và chất lượng giảm giáthành sản phẩm [36].

Liều lượng sử dụng polyter khác nhau đối với các loại cây trồng khác nhau, vatuân theo khuyến cáo của nhà sản xuất, thông thường từ 10 - 30 kg/ha đối vớicác loại cây công nghiệp Với liều lượng theo thí nghiệm 2g/Ikg đất chưa thấycó bất ky mot thiệt hại nào của sản phẩm đến sinh trưởng và phát triển của cácloại cây trồng [5, 36, 37] Năm 2012, Nguyễn Văn Hùng đã nghiên cứu bónthêm 40kg polyter /ha đối với chè TB14 và 60kg polyter/ha đối với chè KimTuyên đã giúp tăng chất lượng năng suất và hiệu quả sản xuất chè tại vùng BảoLộc, Lâm Đồng, lợi nhuận tăng từ 12,7 - 52,30 triệu đồng/ha/năm so với đối

chứng [2].

Quy trình sử dụng polyter linh hoạt cho các đối tượng cây trồng và giai đoạntrồng nhưng phải luôn tưới đẫm nước sau khi b6 sung polyter vào đất, dé khaithác vai trò giữ và cung cấp nước thông minh cho cây trồng của chế phẩm

polyter.

Như vậy, nghiên cứu và sử dụng chất giữ dm trong nông nghiệp không phải làvấn mới trong canh tác hiện nay trên thé giới Sản phẩm poljter uoc biết énvà sử dụng như một dạng chất giữ dm nông nghiệp cung cấp nước cho cây trồng,

G ược sử dụng ở nhiêu nước trên thé giới và mới du nhập vào Việt Nam trongthời gian gan dy Chưa có tài liệu nào é cập về việc ứng dụng polyter làm

chất mang, có inh các loại vi sinh vật có lợi trong sản xuất nông nghiệp Việc

bao gói các vi sinh vật có lợi bằng polyter và cung cấp bồ sung cho at nhằmmục ích cải tiễn chức năng của hạt polyter, vừa là chất giữ dm, vừa cung cấp bồsung cho Gt dinh dưỡng, thúc dy sinh trưởng, phat trì n của cây trồng và i

khang bệnh tùy thuộc vào loại vi sinh uoc bao gói, có th hướng én mot tonglai san xuất ra những loại polyter bao gói cho từng 6i tượng cây trong.

1.2 Nghiên cứu cải tạo vai trò chất giữ ấm nông nghiệp bằng phương

pháp lên men bán ran cô định vi sinh vật

1.2.1 Vi sinh vật siz dụng trong sản xuất phân bón vi sinh

Phân bón vi sinh vật là chế phẩm có chứa một hoặc nhiễu chung vi sinh vật cóích cho cây trồng đã được tuyến chọn, có sức hoạt động cao, dùng bón vào đất

hoặc xử lý cho cây Chỉ tiêu chất lượng chính có Ít nhất một loại vi sinh vật có

ích 10” tế bào/gam) hoặc Azotobacter/ Lipomyces (107 té bào/gam) [38] Lợidụng một số đặc tính trong hoạt động sống của các nhóm vi sinh vật có ich, conngười ứng dụng chúng trong công nghiệp sản xuất phân bón vi sinh, hiện naytám nhóm vi sinh chủ yêu đang được sử dụng làm phân bón là:

VỊ sinh vật cỗ định đạm (N): Hiện nay có nhiều loại phân bón chứa các chủng

vi sinh khác nhau, phù hợp đối với các loại cây khác nhau Sử dụng trên cây họđậu, thường dùng vi sinh vật cô định nito cộng sinh bao gdm Rhizobium,Bradyrhizobium, Frankia; cây lúa, sử dung vi sinh vat cô định nito hội sinh nhưSpirillum, Azospirillum Các loại cây trồng khác, sử dụng vi sinh vật cô định

nito tự do như Azotobacter, Clostridium [39, 40].

Vi sinh vật phân giải lân: các nhóm vi sinh vật có khả năng tiết ra các hợp chấtcó khả năng hòa tan các hợp chất phospho vô cơ khó tan trong đất (lân khó tiêu)thành dạng hòa tan (lân dễ tiêu) mà cây trồng, vi sinh vật có thé sử dụng được.Các chủng vi sinh được dùng bao gồm: Bacillus megaterium, Bacillus circulans,

Bacillus subtilis, Bacillus polymyxa, Bacillus sircalmous, Pseudomonas siria1q;

Nam: Penicillium sp., Aspergillus awamori [41, 42, 44].Vi sinh vật phân giải silicat: các nhóm vi sinh vật tiết ra các hợp chất có khanăng hòa tan các khoáng vật chứa silicat trong dat, đá dé giải phóng ion kali,

lon silic vào môi trường Các chung vi sinh được dùng bao gôm Bacillus

18

megaterium var phosphaticum, Bacillus subtilis, Bacillus circulans, Bacillusmucilaginous, Pseudomonas striata [41, 43].

Vi sinh vật tăng cường hấp thu phốt pho, kali, sắt, mangan cho thực vật: các

nhóm vi sinh vật (chủ yêu là nhóm nam rễ, vi khuẩn, xạ khuẩn ) trong quátrình sinh trưởng, phát triển, thông qua hệ sợi cũng như những thé dự trữ, có khảnăng tăng cường hấp thụ các ion khoáng của cây Các chủng vi sinh được dùngbao gdm Arbuscular mycorrhiza, Ectomycorrhiza, Ericoid mycorrhizae,

Rhizoctonia solani, Bacillus sp., Pseudomonas putida, Pseudomonas fluorescensChao va Pseudomonas fluorescens Tabriz [41, 45].

Vi sinh vật ức chế vi sinh vật gây bệnh: các nhóm vi sinh vật tiết ra các hợp

chất kháng sinh hoặc phức chất siderophore có tác dụng kìm hãm, ức chế nhómvi sinh vật gây bệnh khác Các chủng vi sinh được dùng bao gồm Bacillus sp.,

Enterobacter agglomerans, Pseudomonas sp., Lactobacillus sp [41|

Vi sinh vật sinh chất giữ am polysaccharide: các nhóm vi sinh vat tiết ra các

polysaccharide có tác dụng tăng cường liên kết các hạt khoáng, sét, limon trongđất Loại này có ích trong thời điểm khô hạn Các chủng vi sinh được dùng baogôm Lipomyces sp [41]

Vi sinh vật phân giải hop chất hữu co (phân giải cellulose): các nhóm vi sinh

vật tiết ra các enzym có khả năng phân giải các hợp chất hữu cơ như: cellulose,hemicellulose, lighin, kitin Các chủng vi sinh được dùng bao gồm Pseudomonas,

Bacillus, Streptomyces, Trichoderma, Penicillium, Aspergillus [41].

Vi sinh vật sinh chất kích thích sinh trưởng thực vật: có chứa vi sinh vật tiết ra

các hormone sinh trưởng thực vật thuộc nhóm: Auxin, Giberrillin vào môi

trường Các chủng vi sinh được dùng bao gồm Azotobacter chroococcum,

Azotobacter vinelandii, Azotobacter bejerinckii, Pseudomonas fluorescens,Gibberella fujikuroi [41, 46, 47].

Trong nghiên cứu nay, chúng tôi quan tâm đến nhóm vi khuẩn Azotobacter, làmột chi của nhóm vi khuẩn có khả năng cô định đạm, có kha năng tiết các chất

kích thích sinh trưởng thực vật được sử dụng rộng rãi trong công nghiệp sản

xuất phân bón vi sinh.12.2 ¡ khuẩn Azotobacter

Năm 1901, nha bác hoc Martinus Beijerinck (1851 - 1931) đã phân lập được từ

dat mot loài vi sinh có khả năng cô định nitơ phân tử cao, ông đặt tên cho loài visinh vật này là Azotobacter Vi khuan Azotobacter cô định nito tự do trongkhông khí và trong đất (cây trồng không hấp thu được) tạo thành đạm dễ tiêucung cấp cho dat và cho cây trồng

Hình 1.5 Hình thái bên ngoài cua Azotobacter vinelandii [48]

Bản chat của quá trình cô định nitơ phân tử được Hellrigel và Uynfac tìm ra năm1886, đây chính là quá trình dong hóa nito của không khí thành đạm amon dưới

tác dung của một sô nhóm vi sinh vật có hoạt tính nitrogenase.

Azotobacter thường được tìm thay trong môi trường đất kiểm, môi trường nướcva một it trong thực vật Chúng thực hiện một số chu trình trao đối chất đặc biệt,bao gôm cố định nito khí quyến bằng cách chuyển hóa thành ammonia Dochúng có khả năng sản sinh ra hệ thống enzyme nitrogenase (gdm 3 loạienzyme) nên được quan tâm đặc biệt để ứng dụng trong nông nghiệp

20

Azotobacter song trong đất là một trong những yếu tố đặc biệt hữu ích dé đánhgiá chất lượng đất Azotobacter được tim thấy trên toàn thé giới, ở những vùng

khí hậu khác nhau.

Vi khuẩn Azotobacter khi nuôi cấy ở môi trường nhân tạo thường biểu hiện tính

đa hình, khi còn non có tiêm mao, có khả nang di động được nhờ tiêm mao

(flagellum) Vi khuẩn Azotobacter là vi khuẩn hình cau (song cầu khuẩn), Gramâm không sinh nha bào, hiéu khí, có kích thước tế bào dao động 1,5 - 5,5 m,khuẩn lac dạng S màu trang trong, lỗi, nhày Khi già, khuẩn lạc của vi khuẩnAzotobacter có màu vàng lục hoặc màu nâu tham, tế bào được bao bọc lớp vỏdày và tạo thành nang xác, còn gọi là giai đoạn kết bào xác (cyst) Khi gặp điều

kiện lợi, nang xác nay sẽ nut ra và tạo thành các tê bào mới.Thuộc về giông Azotobacter có rat nhiêu loài khác nhau: Azotobacterchrococcum; Azotobacter acidum; Azotobacter araxii; Azotobacte nigricans;Azotobacter galophilum; Azotobacter unicapsulare

Vi khuẩn Azotobacter có thé phat triển được trên các môi trường có pH trongkhoảng 4,5 - 9,0 Tuy nhiên quá trình cô định nitơ chỉ được thực hiện trong mộtphạm vi pH khá hep, khoảng 5,5 - 7,2 (đôi khi đến 7,7) Các chủng Azotobactermẫn cảm khác nhau với pH môi trường: pH thấp nhất của môi trường đối vớiAzotobacter chroococum va Azotobacter beijerinck khoảng 5,5; đối với A.marocytoges là khoảng 4,6 Azotobacter thuộc loại vi khuẩn có kha năng chịuđược những nông độ muối khá cao Người ta nhận thay Azotobacter có thê pháttriển được ngay cả trong các môi trường có chứa tới 2,5 - 3% NaCl Có tài liệucho biết Azotobacter có thé phát triển được cả ở những môi trường chứa đến

10,27% MgSO, [49, 51].

Azotobacter đồng hóa tốt các loại đường don và đường kép, Azotobacter có mứcđộ chuyên hóa cao, cứ tiêu tốn 1 gam đường glucose có khả năng đồng hóa được8 - 18 mg N [61] Ngoài ra, Azotobacter còn có khả năng tiết ra một số vitamin

thuộc nhóm B như BI, Bó một số acid hữu cơ như: acid nicotinic, acidpentotenic, biotin, auxin, các loại chat kháng sinh thuộc nhóm anixomycin [48].

Chính vì các đặc diém trên, Azotobacter là loài vi sinh vat ưu tiên khai thác, sử

dụng sản xuất phân bón vi sinh vật cho canh tác nông nghiệp

1.2.3 Lên men bán ran và Kỹ thuật cô định vi sinh vật

1.2.3.1 Lên men bán rắn

Phương pháp nuôi cay bề mặt là phương pháp tạo điều kiện cho vi sinhvật phát triển trên bề mặt môi trường lỏng hoặc ran Có thé dùng vi sinh vật hiểukhí hoặc yém khí tùy tiện, nhưng phân lớn là dùng vi sinh vật hiếu khí Các môitrường bán rắn trước khi nuôi cay vi sinh vật cần được làm âm Vi sinh vật pháttriển sẽ lẫy những chất dinh dưỡng trong môi trường và sử dụng oxygen phân tửcủa không khí để hô hap Dé đảm bảo cho vi sinh vật mọc đều trên bề mặt môitrường và sử dụng được nhiều chất dinh dưỡng sinh ra enzyme, những lớp môitrường ran cần phải mỏng (chi dày khoảng 2 — 5cm)

Phần lớn các quá trình lên men bán rắn liên quan đến nắm sợi, một số ítliên quan đến vi khuẩn và nam men Nuôi cay nắm mốc và một số vi khuẩn theophương pháp bê mặt dé sản xuất enzyme thường dùng môi trường bán ran, mộtsố trường hợp có thể dùng môi trường lỏng Nguyên liệu của các quá trình lênmen bán ran thường là các chất thải hay phụ phế phẩm nông nghiệp và chế biếnthực phẩm, lựa chọn cho phù hợp để có lợi cho sự phát triển của vi sinh vật vàsản phẩm mong muốn Các chat thải và phụ phế phẩm bao gồm cám lúa mì, cámlúa gạo, bánh dau, bã táo, bã bia, bã củ cải đường, bã khoai mì hoặc hỗn hợpnhững nguyên liệu này Các nguyên liệu này cần phải bổ sung chất dinh dưỡngvào môi trường dé đảm bảo cho dinh dưỡng của vi sinh vật sử dụng trong quátrình nhân sinh khối Đối với các vi sinh vật hiếu khí cần phải có quạt thối khívô trùng Trong lên men bán rắn, ngoài yêu cau về nguyên liệu thì độ âm rất cầnthiết cho quá trình lên men

22

Phương pháp lên men bán ran được sử dụng rộng rãi trên thế giới trongcác lĩnh vực như sản suất kháng sinh dùng trong chăn nuôi, sản xuất enzyme từnam mốc, làm tương và đường hóa tinh bột dé sản xuất tượu ethanol từ nam

men.

Phương pháp nuôi cấy bé mặt có nhiều ưu việt hơn so với nuôi cấy trêncác môi trường dinh dưỡng lỏng như tốc độ tổng hợp của các enzyme cao hơn 5- 6 lần, ngoài ra canh trường nhận được có độ âm 40 - 50%, cho phép tiết kiệmđáng kê nguôn năng lượng sấy Tuy nhiên đến nay phương pháp nuôi cấy vi sinhvật trên các môi trường bán răn chưa được ứng dụng rộng rãi trong công nghiệpdo chưa có những thiết bị tiệt trùng được cơ khí hoá đáng tin cậy

Hiệu suất và độ hoạt hóa của các chất hoạt hóa sinh học, thời gian quátrình nuôi cay chủ yếu phụ thuộc vào những yếu tô sau: loại vi sinh vật, thànhphan cấu tử của môi trường dinh dưỡng lượng va chất lượng của nguyên liệucấy, nhiệt độ nuôi cấy, mức độ thôi khí của canh trường phát triển, cường độ đảotrộn, trao đôi khối và trao đối nhiệt

Quá trình lên men bé mặt đơn giản, dễ thực hiện, không liên quan đến cácthiết bị đắt tiền Do đó nó thích hợp để tiễn hành ở địa phương, nông thôn vàphù hợp với cơ chất rẻ tiền như chất thải nông nghiệp, khả thi về mặt kinh tế

[4,44].Thiết bị nuôi cay vi sinh vật trên môi trường ban ran

Thiết bị nuôi cấy vi sinh vật trên môi trường rắn dạng phòng có các khayđục lỗ năm ngang

Trong điều kiện sản xuất để nuôi cay các giống nắm mốc trên bề mặttrong các khay, người ta thường sử dụng các phòng tiệt trùng, số lượng cácphòng phụ thuộc vào năng suất tính theo canh trường nắm mốc khô hàng ngày.Đề định hướng thường khi năng suất 1 tan/ngay cần 3 hoặc 4 phòng tiệt trùng cókích thước 10000 x 2800 x 2100mm và các bộ điều hòa độc lập được phân bổ

trên các phòng tiệt trùng nhăm dé đây không khí sạch với nhiệt độ 22 - 32°C, am

độ 96 - 98%.

Việc nuôi cấy giống trong các phòng tiệt trùng đã duoc sử dụng trong cácgiai đoạn dau của sư phát triển sản xuất ra các chế phẩm enzyme Những ýtưởng để tạo ra các thiết bi dạng cơ khí hoá có các khay năm ngang không manglại kết quả tốt vì tốn nhiều kim loại và năng suất thấp

Nhược điểm của các thiết bị nuôi cây vi sinh vật trên môi trường rắn dạngphòng có các khay năm ngang đục lỗ là khối lượng lao động cho các công đoạnquá lớn, mức độ cơ khí hoá cho các công đoạn công nghệ thấp và không tránhkhỏi sự tạp nhiễm vi sinh vật lạ do công nhân tiếp xúc với canh trường của vi

sinh vật Error! Reference source not found

Thiết bi có khay phan bo đứng

Phòng của thiết bị này là bộ phân chứa hình hộp bằng kim loại được cốđịnh trên các trụ nhờ hệ giằng đàn hồi Bên trong phòng cứ khoảng 50mm bồ tríhộp đứng tường kép đục lỗ, không khí được đây qua các hộp này Các hốc củarãnh đứng (được tạo ra giữa các hộp) là những khay chứa Các khay có đáy mắtcáo nhằm ngăn cản sự vung vãi môi trường khi nạp Phòng được trang bị cáckhớp nối để nạp hơi, nước và thải nước ngưng Máy rung được bắt chặt vàophòng dé tháo dỡ canh trường nam mốc

Kiểm tra và ghi nhiệt độ được thực hiện nhờ nhiệt kế tiếp xúc đặt tại mộttrong những rãnh nuôi cay và nối với bộ dan động quạt, role sẽ tự động tắt và

mở quạt.

Nhược điểm của loại này là năng suất nhỏ, biến dạng các phòng và thảicanh trường nuôi cấy nắm mốc ra khỏi khay là rất khó khăn, độ kín khi thảikhông đảm bảo và tiêu hao không khí dé thải nhiệt sinh lý lớn

Thiết bị nuôi cấy vi sinh vật trên môi trường bán ran dang rung

Các thiết bị được sử dụng trong công nghiệp đều được dựa trên phươngpháp động lực học để nuôi cấy canh trường nắm mốc trong lớp rung động liên

24

tục Xung lượng dao động sẽ truyền cho lớp môi trường đang vận chuyên và môitrường chuyên sang trạng thái lơ lửng.

Chế độ vận chuyển bang phương pháp rung được đặc trưng bởi sự đổimới liên tục lớp bề mặt như môi trường tiếp xúc với bề mặt của bộ phận tải vật,sau đó rời khỏi bề mặt, qua một khoảng thời gian nó lại rơi xuống, cuối cùng bịchuyển dịch mạnh

Ứng dụng phương pháp rung cho phép tăng cường các quá trình trao đổi

nhiệt, trao đối khối và tong hop vi sinh, cho phép cơ khí hóa tat cả các côngđoạn, cho phép tăng độ hoạt hóa của giống và tổ chức quá trình có kết quả cao

Thiết bị rung có thể ở dạng đứng hay nằm ngang.Thiết bị nuôi cấy vi sinh vật dạng tháp

Thiết bi dạng tháp dé nuôi cấy vi sinh vật gồm 1 tháp đứng được chia ranhiều khoang với các cánh hướng tâm có vòi phun không khí vô trùng, các khayđục lỗ được đặt trên các trục quay Thiết bị có ống xoắn làm lạnh để điều tiếtnhiệt độ và có ống dé thải khí Ở phan trên tháp có cửa dé nạp nguyên liệu, phandưới có cửa để tháo sản phẩm

Khi nuôi cấy giống trong thiết bị kín và không khí qua các khay đục lễ,dòng khí trong môi trường sẽ gây ra sự giảm áp suất và kết cấu rỗng của môitrường dinh dưỡng Sự chuyên động của không khí trong trường hop này khôngphải xảy ra dọc bề mặt của lớp môi trường mà lan rộng trong khắp thẻ tích, kếtquả là tạo nên chế độ thôi khối có khả năng trao đối khối và trao đối nhiệt bangđối lưu và khuếch tán theo khắp chiều cao của canh trường phát triển

Ứng dụng phương pháp thối khối môi trường dinh dưỡng cho phép tăngchiều cao của lớp canh trường khoảng 10 lần hay lớn hơn và tạo ra những điềukiện dé ứng dụng thiết bị nuôi cay sâu Tăng chiều cao của lớp môi trường từ 20- 40 đến 300 — 500mm là một trong những hướng chính để tăng năng suất thiếtbị công nghệ Các công đoạn được cơ khí hóa Trong quá trình nuôi cấy, nhiệtđộ, độ âm môi trường và không khí, số vòng quay của máy khuấy, hàm lượngCO, và O; trong pha khí là những thông số can điều chỉnh

Thiết bị nuôi cấy vi sinh vật trên môi trường rắn dạng thùng quay.

Đề khắc phục các nhược điểm trên thiết bị được cải tiễn phục vụ nuôi cayở quy mô công nghiệp Thiết bi nuôi cấy bằng co khí hóa của hãng Valerschein(Mỹ) Loại này là thiết bị nam ngang dang thùng quay

Hệ thống thiết bị dạng thùng quay bao gồm:

Độ dài và đường kính thùng quay.T lệ hình học giữa chiều dài vàđường kính có thể thay đối trong một phạm vi khá rộng

Thiết kế đầu vào và dau ra của hệ thống cung cấp không khí sạch,sẽ ảnh hưởng đến mô hình dòng chảy của không khí vào trong

thùng quay.

Thiết kế hệ thống thêm nước và dinh dưỡng để cung cấp cho suốt

quá trình lên men.

Ngoài ra, hệ thống thùng quay được phân bố các dai tựa, bánh răngbi động, các cửa dé nạp và tháo nguyên liệu [44]

1.2.3.2 Cố định vi sinh vậtCố định vi sinh vật là quá trình gan tế bao vi sinh vật vào phase riéng biét, tachkhỏi phase tự do của dung dịch nhưng van có khả năng trao đôi chất với cácphân tử cơ chất có mặt trong phase tự do nói trên Phase chứa tế bao thôngthường không tan trong nước Tế bào sau khi cỗ định có thé sử dụng nhiều lần,không lẫn vào sản phẩm và có thể chủ động ngừng phản ứng mong muốn [52,

53].

Có nhiều phương pháp có định vi sinh vật khác nhau, hình 1.6 mô tả các phươngpháp cố định vi sinh vật (VSV) hiện nay

26