Nghiên cứu lựa chọn cơ chất hữu cơ để sản xuất phân hữu cơ vi sinh cho cây chè Shan tại tỉnh Yên Bái

Theo phương thức sản xuất nông nghiệp truyền thống, lượng phế phụ phẩm nông nghiệp sau khi thu hoạch được chuyển về nhà và được sử dụng như một nguồn nguyên liệu chính để đun nấu trong c

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn/

VIỆN SINH THÁI VÀ TÀI NGUYÊN SINH VẬT

-* -

NGUYỄN THỊ YÊN

NGHIÊN CỨU LỰA CHỌN CƠ CHẤT HỮU CƠ ĐỂ SẢN XUẤT PHÂN HỮU CƠ VI SINH CHO CÂY

CHÈ SHAN TẠI TỈNH YÊN BÁI

LUẬN VĂN THẠC SĨ SINH HỌC

HÀ NỘI – 2012

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn/

LỜI CẢM ƠN

Để hoàn thành luận văn này cùng với sự cố gắng, nỗ lực của bản thân tôi

xin tỏ lòng biết ơn sâu sắc tới Thầy Lê Như Kiểu, Phó Viện trưởng, Cô Lê Thị Thanh Thủy, Phó Trưởng Bộ môn Vi sinh vật, Viện Thổ nhưỡng Nông hóa đã

tận tình hướng dẫn tôi trong suốt quá trình hoàn thành luận văn

Tôi xin chân thành cảm ơn các Thầy, Cô giáo của Viện Sinh thái và tài nguyên sinh vật, Trường Đại Học Thái Nguyên đã tận tình truyền đạt cho Tôi kiến thức trong suốt 2 năm học tập, là nền tảng cho Tôi trong quá trình nghiên cứu luận văn, là hành trang qúy báu theo tôi trong suốt cuộc đời

Tôi cũng xin chân thành cảm ơn các Cô, Chú, Anh ,Chị công tác tại Bộ môn

Vi sinh vật, Viện Thổ nhưỡng Nông hóa đã giúp đỡ Tôi trong quá trình hoàn thành luận văn

Cuối cùng Tôi xin kính chúc quý Thầy, Cô, Anh, Chị và gia đình dồi dào sức khỏe, thành công trong sự nghiệp!

Tôi xin chân thành cảm ơn!

Hà Nội, ngày 30 tháng 10 năm 2012

Học viên

Nguyễn Thị Yên

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn/

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan rằng số liệu và kết quả nghiên cứu trong luận văn này

là hoàn toàn trung thực, chưa hề sử dụng cho bảo vệ một học vị nào Mọi sự giúp đỡ cho hoàn thành luận văn đều đã được cảm ơn Các thông tin, tài liệu trình bày trong luận văn này đã được ghi rõ nguồn gốc

Tác giả

Nguyễn Thị Yên

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn/

MỤC LỤC

MỞ ĐẦU 9

1 Tính cấp thiết của đề tài 1

2 Mục đích và yêu cầu 3

3 Nội dung nghiên cứu 3

CHƯƠNG I: TỔNG QUAN TÀI LIỆU 4

1 Cở sở khoa học và thực tiễn của đề tài 4

1.1 Cơ sở khoa học 4

1.2 Cơ sở thực tiễn 4

2 Tổng quan về quá trình ủ compost 5

2.1 Khái niệm 5

2.2 Các yếu tố tham gia vào quá trình ủ compost 6

2.3 Cơ sở lý, hóa học của quá trình ủ compost 8

2.4 Điều khiển quá trình ủ compost 10

2.5 Các chỉ tiêu đánh giá chất lượng compost 12

2.6 Những lợi ích và hạn chế của quá trình ủ compost 13

3 Những nghiên cứu nước ngoài về xử lý cơ chất hữu cơ 14

4 Những nghiên cứu trong nước về xử lý cơ chất hữu cơ 18

5 Điều tra nguồn than bùn và phụ phẩm nông nghiệp tại tỉnh Yên Bái 20 5.1 Than bùn 20

5.2 Nguồn phế phụ phẩm nông nghiệp 22

6 Phân hữu cơ vi sinh 24

CHƯƠNG II: VẬT LIỆU VÀ PHƯƠNG PHÁP 27

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn/

1 Đối tượng, vật liệu nghiên cứu 27

2 Thời gian, địa điểm nghiên cứu 27

3 Phương pháp nghiên cứu 27

3.1 Các môi trường dùng trong nghiên cứu: 27

3.2 Các phương pháp nghiên cứu 28

CHƯƠNG III: KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 34

1 Nghiên cứu tuyển chọn bộ chủng giống cho sản xuất chế phẩm vi sinh phân giải cellulose ……….34

1.1 Tuyển chọn các chủng VSV có khả năng phân giải cellulose 34

1.2 Tổ hợp các chủng vi sinh vật phân giải cellulose 36

1.3 Một số đặc điểm sinh học của các chủng vi sinh vật tuyển chọn 38

1.4 Đánh giá độ an toàn sinh học của các chủng vi sinh vật tuyển chọn 39

1.5 Định danh các chủng VSV lựa chọn 40

2 Ảnh hưởng của các yếu tố môi trường đến sinh trưởng, phát triển và khả năng phân giải cellulose của các chủng vi sinh vật tuyển chọn 41

2.1 Ảnh hưởng của oxy 41

2.2 Ảnh hưởng của thời gian nuôi cấy 42

2.3 Ảnh hưởng của pH 44

2.4 Ảnh hưởng của nhiệt độ 45

3 Nghiên cứu xử lý nguyên liệu hữu cơ làm cơ chất hữu cho sản xuất phân hữu cơ vi sinh (HCVS) cho cây chè Shan 46

3.1 Biến động nhiệt độ 46

3.2 Sự thay đổi pH trong thùng ủ 47

3.3 Biến động của quần thể VSV 49

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn/

3.4 Hàm lượng các chất dinh dưỡng trước và sau khi ủ 51

3.5 Đặc điểm cảm quan của sản phẩm sau khi xử lý 54

3.6 Đánh giá độ hoai mục và độ an toàn của sản phẩm sau ủ 54

4 Nghiên cứu bổ sung dinh dưỡng (đa, trung, vi lượng) để nâng cao chất lượng phân HCVS cho cây chè Shan 57

4.1 Xác định tỷ lệ phối trộn các nguyên tố đa, trung, vi lượng 57

4.2 Xác định tỷ lệ phối trộn VSV 59

CHƯƠNG IV: KẾT LUẬN VÀ ĐỀ NGHỊ 62

1 Kết luận 62

2 Đề nghị 63

TÀI LIỆU THAM KHẢO 64

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn/

DANH MỤC CHỮ VIẾT TẮT

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn/

DANH MỤC BẢNG BIỂU

Bảng 1: Động thái nhiệt độ trong quá trình ủ compost với một số phế phụ

phẩm nông nghiệp, chế biến ( o C) 9

Bảng 2: Mức độ phân giải tối đa của một số nguyên liệu compost 10

Bảng 3: Một số chỉ tiêu chất lượng của than bùn Phù Nham, Yên Bái 21

Bảng 4: Phân tích thành phần hóa học của PPP tại tỉnh Yên Bái năm 2011 22

Bảng 5: Thành phần hoá học của một số loại phân gia súc, gia cầm 24

Bảng 6: Các công thức thí nghiệm 32

Bảng 7: Khả năng phân giải cellulose của các chủng VSV tuyển chọn 34

Bảng 8: Tỷ lệ giảm khối lượng rơm trong bình ủ ở 37 0 C sau 7 ngày 36

Bảng 9: Khả năng tác động tương hỗ giữa các chủng VSV tuyển chọn 37

Bảng 10: Mật độ tế bào (CFU/g) và hoạt tính phân giải cellulose của các chủng VSV trong chất mang 37

Bảng 11: Một số đặc điể ủa các chủng VSV tuyển chọn 38

Bảng 12: Tình trạng sức khoẻ của chuột trong thời gian thí nghiệm 39

Bảng 13: Trọng lượng của chuột trong thời gian thí nghiệm 40

41

Bảng 15: Mật độ tế bào của các chủng VSV trong điều kiện nuôi cấy lắc và nuôi tĩnh sau 48 giờ nuôi cấy 42

Bảng 16: Ảnh hưởng của thời gian nuôi cấy tới mật độ của 43

các chủng VSV lựa chọn 43

Bảng 17: Mật độ tế bào (CFU/ml) của các chủng VSV lựa chọn trong các điều kiện pH khác nhau sau thời gian nuôi cấy* 44

Bảng 18: Mật độ tế bào (CFU/ml) của các chủng VSV lựa chọn trong các điều kiện nhiệt độ khác nhau sau thời gian nuôi cấy* 45

Bảng 19: Biến động nhiệt độ trong thùng ủ compost 46

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn/

Bảng 20: Sự thay đổi pH trong thùng ủ compost 48

Bảng 21: Mật độ tế bào và hoạt tính phân giải cellulose của 4 49

chủng VSV trong chế phẩm vi sinh 49

Bảng 22: Biến động quần thể VSV trong thùng ủ compost 50

Bảng 23: Hàm lượng các chất dinh dưỡng trong than bùn trước và sau ủ 51

Bảng 24: Hàm lượng các chất dinh dưỡng trong rơm rạ trước và sau ủ 52

Bảng 25: Hàm lượng các chất dinh dưỡng trong phân chuồng trước và sau ủ52 Bảng 26: Hàm lượng các chất dinh dưỡng trong thân, lá lạc trước và sau ủ 53

Bảng 27: Hàm lượng các chất dinh dưỡng trong thân, lá đậu tương trước và sau ủ 53

Bảng 28: Tính chất cảm quan của sản phẩm sau ủ 54

Bảng 29: Khả năng sinh trưởng của hạt cải trên phân ủ compost sau 5 ngày 55 Bảng 30: Kết quả kiểm tra nhiệt độ trong các túi phân ủ 56

Bảng 31: Một số kết quả tổng hợp từ quá trình ủ compost 57

Bảng 32: Mật độ và hoạt tính sinh học của các chủng VSV hữu ích trước khi nhiễm vào chất mang 58

Bảng 33: Mật độ và hoạt tính sinh học của các chủng VSV hữu ích trong phân HCVS trên các nền chất mang khác nhau 59

Bảng 34: Mật độ tế bào và hoạt tính sinh học của các chủng VSV trong các công thức phối trộn trên nền chất mang than bùn 60

Bảng 35: Mật độ tế bào và hoạt tính sinh học của các chủng VSV trong các công thức phối trộn trên nền chất mang rơm rạ 61

1

MỞ ĐẦU

1 Tính cấp thiết của đề tài

Việt Nam là một quốc gia có tới 80% dân số sống bằng nghề nông nghiệp, lượng phế thải thải ra từ nông nghiệp hàng năm rất lớn gồm (40 triệu tấn rơm rạ,

30 triệu tấn ngọn lá mía, 3,5 triệu tấn thân lá ngô, 3 triệu tấn thân lá lạc, 1 triệu tấn thân lá đậu tương, 0,5 triệu tấn vỏ cà phê và 2 triệu tấn thân lá khoai tây, khoai lang, dưa các loại, ngọn lá dứa ) tương đương với 639.000 tấn N, 212.000 tấn P2O5, 835.000 tấn K2O [11]

Phế phụ phẩm nông nghiệp phần lớn là những hợp chất hữu cơ giàu cacbon Sản phẩm sau quá trình phân hủy của chúng ngoài tác dụng cung cấp dinh dưỡng cần thiết cho cây trồng còn có khả năng làm cho đất tơi xốp, cải thiện các đặc tính của đất, nhất là khả năng giữ nước

Phế phụ phẩm nông nghiệp bao gồm các hợp chất hydratcacbon, protein, lipit và một số các hợp chất hữu cơ khác, ngoài ra chúng còn chứa một số các chất có giá trị dinh dưỡng đối với quá trình sinh trưởng và phát triển cuả cây trồng Theo phương thức sản xuất nông nghiệp truyền thống, lượng phế phụ phẩm nông nghiệp sau khi thu hoạch được chuyển về nhà và được sử dụng như một nguồn nguyên liệu chính để đun nấu trong các nông hộ… ngày nay thay hầu hết các hộ nông dân đã sử dụng các nguồn nguyên liệu khác như than, gas, điện cho việc nấu nướng nên phần lớn lượng phế phụ phẩm nông nghiệp sau khi thu hoạch được người nông dân đốt ngay trên đồng ruộng việc đốt lượng phế phụ phẩm nông nghiẹp trên đồng ruộng đang dần hình thành một thói quen xấu, không những gây ảnh hưởng xấu tới môi trường sinh thái mà còn rất lãng phí nguồn nguyên liệu có nguồn gốc thực vật này

Sản xuất phân bón trong nước chỉ mới đáp ứng được 30% nhu cầu về phân đạm, 65% nhu cầu phân lân của sản xuất nông nghiệp, còn lại phải nhập khẩu phân bón từ nước ngoài, đặc biệt là phân kali phải nhập khẩu 100% Trong giai đoạn 2005-2010 dự tính hàng năm nhu cầu sản xuất cần 1.504.000 tấn N

2

(3.269.000 tấn urê), 813.000 tấn P2O5 (5.081.000 tấn phân lân), 598.000 tấn K2O (997.000 tấn phân kali) [7] Nếu hàng năm ta tận dụng mọi nguồn phụ phẩm để giảm được 10-20% lượng phân khoáng, thì chúng ta đã tiết kiệm được 110.500.000-221.057.000 USD

Trong phế phụ phẩm nông nghiệp, cellulose là thành phần hữu cơ chiếm tỷ

lệ cao và rất khó bị phân hủy bởi cấu trúc phức tạp của nó Trên thế giới hiện nay, người ta đã tiến hành xử lý phế phụ phẩm bằng một số phương pháp thủy phân trong môi trường kiềm hoặc axit [1] Tuy nhiên việc phân hủy cellulose bằng phương pháp vật lý và hóa học rất phức tạp, tốn kém và gây độc hại cho môi trường Trong khi đó, việc xử lý các chất thải hữu cơ chứa cellulose bằng công nghệ sinh học, đặc biệt sử dụng các enzyme cellulase ngoại bào từ vi sinh vật sẽ có nhiều ưu điểm về cả mặt kỹ thuật, kinh tế và môi trường Số lượng các loài vi sinh vật tham gia sinh tổng hợp enzyme cellulase có trong điều kiện tự nhiên rất phong phú Chúng thuộc nấm sợi, xạ khuẩn, vi khuẩn và trong một số trường hợp, các nhà khoa học còn thấy cả nấm men cũng tham gia qúa trình phân giải này

Việc xử lý và tận dụng phế thải trong sản xuất nông nghiệp với mục đích phục vụ sản xuất nông nghiệp đang là một trong những hướng đi đúng đắn và thu hút được sự quan tâm của các nhà khoa học Xử lí phế thải nông nghiệp bằng phương pháp sinh học đang là một trong những giải pháp hữu hiệu đang được nhiều nhà khoa học quan tâm

Tỉnh Yên Bái với lợi thế có nguồn than bùn (xã Phù Nham, huyện Trấn Yên) và nguồn phế phụ phẩm nông nghiệp sau thu hoạch tương đối lớn rất thuận lợi để sản xuất phân HCVS tại chỗ [18] Phân HCVS được tạo ra sẽ làm giảm chi phí đầu tư cho cây chè, bên cạnh đó còn hạn chế được sự ô nhiễm môi trường do việc đốt rơm rạ, phế phụ nông nghiệp gây ra

Với hiện trạng của vùng chè Shan như ở các huyện Văn Chấn, Trấn Yên tỉnh Yên Bái được hình thành từ lâu đời, nhờ sự phát tán hạt tự nhiên, thâm canh theo kiểu chè rừng dẫn đến tình trạng đất ngày càng bị thoái hóa, năng

3

suất và chất lượng chè ngày càng giảm Muốn nâng cao năng suất, chất lượng cây chè Shan thì đòi hỏi trước hết là thay đổi tập quán canh tác và phương thức thâm canh Tuy nhiên, một trong những đặc điểm tạo nên thương hiệu chè Shan là cây chè Shan phải được trồng ở độ cao 1000 m trở lên so với mực nước biển Chính điều này đã gây hạn chế cho việc canh tác cụ thể là việc bón phân cho cây chè Cây chè Shan sinh trưởng và phát triển phụ thuộc chủ yếu vào yếu tố tự nhiên như nước mưa, quá trình mùn hóa tự nhiên của đất Do vậy, muốn phát triển vùng chè Shan có hiệu quả, đồng thời giảm chi phí bón phân cho chè cần giải quyết vấn đề phân bón tại chỗ cho cây chè Shan từ nguồn nguyên liệu sẵn có tại địa phương

Xuất phát từ những vấn đề trên, tôi tiến hành nghiên cứu đề tài: “Nghiên

Shan tại tỉnh Yên Bái”

2 Mục đích và yêu cầu

vi sinh cho cây chè Shan tại tỉnh Yên Bái

- Nguồn cơ chất hữu cơ lựa chọn được phải đảm bảo dễ kiếm, quy trình

xử lý dễ hiểu, dễ làm theo, sản phẩm sau xử lý đảm bảo các yêu cầu làm chất mang cho sản xuất phân hữu cơ vi sinh

3 Nội dung nghiên cứu

- Nghiên cứu tuyển chọn các chủng VSV phân giải cellulose để sản xuất chế phẩm vi sinh

- Xác định ảnh hưởng của các yếu tố môi trường (dinh dưỡng, nhiệt độ,

pH, oxy) đến sinh trưởng, phát triển và hoạt tính phân giải cellulose của các chủng vi khuẩn tuyển chọn

hữu cơ vi sinh (HCVS) cho cây chè Shan

- Nghiên cứu bổ sung dinh dưỡng (đa, trung, vi lượng) để nâng cao chất lượng phân HCVS cho cây chè Shan

4

CHƯƠNG I: TỔNG QUAN TÀI LIỆU

1 Cở sở khoa học và thực tiễn của đề tài

1.1 Cơ sở khoa học

Trong quá trình ủ compost, các phụ phẩm nông nghiệp, phế thải chăn nuôi

và than bùn thông qua quá trình phân giải sinh học được chuyển hoá thành các chất hữu cơ tự nhiên đơn giản hơn

Vi sinh vật không thể trực tiếp phân huỷ các hợp chất có cấu trúc đại phân

tử không tan trong nước như cellulose Hợp chất này chỉ có thể chuyển hoá thành chất đơn giản như đường, amino acid, mỡ nhờ các enzyme ngoại bào của vi sinh vật Đây là phức hệ enzyme thủy phân cellulose tạo ra các đường

đủ nhỏ để đi qua tế bào vi sinh vật Ở mỗi loại vi sinh vật, enzyme oxy hóa và enzyme phân giải protein cũng tham gia vào quá trình phân hủy cellulose

Các thành phần chính của rơm rạ là những hydratcacbon gồm: cellulose 37,4%; hemicellulose (44,9%); lignin 4,9% và hàm lượng tro (oxit silic) cao từ

9 đến 14% Đó là điều gây cản trở việc xử dụng rơm rạ một cách kinh tế Thành phần licnocellulose trong rơm rạ khó phân hủy sinh học[7]

Quá trình ủ compost về cơ bản là quá trình phân hủy cellulose Cơ chế phân hủy cellulose có thể tóm tắt qua sơ đồ sau [6]:

Sơ đồ 1: Quá trình phân hủy cellulose tự nhiên

1.2 Cơ sở thực tiễn

Tận dụng nguồn phế phụ phẩm nông nghiệp có sẵn tại địa phương để sản xuất phân HCVS đem lại lợi ích kinh tế tương đối lớn do giải quyết được vấn

đề việc làm cho người dân, tận dụng nguồn phụ phẩm dư thừa sau thu hoạch

mà vẫn mang lại hiệu quả cho người trồng chè

5

Nguồn phụ phẩm nông nghiệp khi được dùng cho sản xuất phân HCVS sẽ làm giảm ô nhiễm môi trường không khí do việc người dân đốt rơm rạ, giảm ô nhiễm môi trường nước do việc vứt rơm rạ vào các nguồn nước, khe suối

2 Tổng quan về quá trình ủ compost

2.1 Khái niệm

Ủ compost là phương pháp xử lý phế thải hoặc các chất dư thừa, mà ở đó các chất hữu cơ thông qua quá trình phân huỷ sinh học được kiểm soát trở thành các hợp chất đơn giản hơn có thể sử dụng như một nguồn hữu cơ cung cấp cho đất và cây trồng

Compost : là sản phẩm của quá trình chế biến Compost, đã được ổn định

như chất mùn, không chứa các mầm bệnh, không lôi kéo các côn trùng, có thể được lưu trữ an toàn và có lợi cho sự phát triển của cây trồng

Quá trình làm Compost có thể phân ra làm các giai đoạn khác nhau dựa theo sự biến thiên nhiệt độ :

- Pha thích nghi : là giai đoạn cần thiết để vi sinh vật thích nghi với môi

trường mới

- Pha tăng trưởng : đặc trưng bởi sự gia tăng nhiệt độ do quá trình phân

hủy sinh học đến ngưỡng nhiệt mesophilic

- Pha ưa nhiệt : là giai đoạn nhiệt độ tăng cao nhất Đây là giai đoạn ổn

định

hóa chất thải và tiêu diệt vi sinh vật gây bệnh hiệu quả nhất

- ành : là giai đoạn giảm nhiệt độ đến mức mesophilic và cuối

cùng bằng nhiệt độ môi trường Quá trình lên men lần thứ hai chậm và thích hợp cho sự hình thành keo mùn (là quá trình chuyển hóa các chất hữu cơ thành mùn và các khoáng chất sắt, canxi, nitơ …) và cuối cùng thành mùn

6

Đã có rất nhiều các công trình nghiên cứu nhằm đẩy nhanh tốc độ phân huỷ, tuy nhiên việc áp dụng các kết quả nghiên cứu chỉ dừng ở mức độ hạn chế

do ủ compost ở ngoài thực tế chủ yếu dựa theo kinh nghiệm

2.2 Các yếu tố tham gia vào quá trình ủ compost

a Nguồn cơ chất hữu cơ

Nguồn cơ chất hữu cơ được xử lý bằng quá trình ủ compost rất đa dạng,

nó có thể là: phế phụ phẩm nông nghiệp (rơm rạ, thân lá ngô, lạc, đậu tương, mía,…), phế thải chăn nuôi (phân gia súc, gia cầm,…), sản phẩm thải của công nghệ chế biến (vỏ cà phê, bã sắn, bã giấy,…), rác thải (rác thải đô thị, bùn,…) Thành phần chính của các phế phụ phẩm nông nghiệp, chất thải chăn nuôi

và chất thải của công nghệ chế biến bao gồm:

Hợp chất cácbon (Kitin, Lignin, Hemicellulose, Cellulose, Đường và Tinh bột)

Hợp chất béo (mỡ, dầu các loại)

Nhóm vi khuẩn: Nhóm vi khuẩn là nhóm vi sinh vật được nghiên cứu

nhiều nhất từ khoảng thế kỷ 19 đến nay Các nhà khoa học đã phân lập được

7

một số chủng vi sinh vật có khả năng phân giải cellulose 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 cellulose Trong môi trường có độ ẩm cao thường làm tăng khả năng phân giải cellulose và hemicellulose 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 cellulose: 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 Ngoài ra, còn có các chi

kị khí phân lập được trong dạ cỏ của động vật nhai lại như Rumicocus

falvefecien, R.albus

Nhóm xạ khuẩn: 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 cellulose thường được phân lập từ các mẫu đất, mùn rác, mẫu mùn, ở những nơi có chứa cellulose Một số nhóm xạ khuẩn phân

Micromonospora, Proactinomyces

Xạ khuẩn được ứng dụng phổ biến hiện nay là Streptomyces Các xạ khuẩn này thuộc nhóm ưa nóng sinh trưởng phát triển tốt ở nhiệt độ 45-50 0

C rất thích hợp cho các quá trình phân huỷ các hợp chất hữu cơ

Nhóm nấm: Có nhiều loài nấm có khả năng phân giải cellulose mạnh

nhưng phần lớn chúng thường phân hủy cellulose khi nhiệt độ ở vào khoảng 20 – 300

C, pH trong khoảng từ 3,5 - 6,6 Vì vậy, chúng thường phân hủy cellulose

ở giai đoạn cuối của bể ủ, khi nhiệt độ bể ủ lạnh đi Một số nhóm nấm có khả

năng phân giải cellulose: Trichoderma viride, Penicillium pinophinum, T

Reesei, Fusarium solani

8

2.3 Cơ sở lý, hóa học của quá trình ủ compost

Vi sinh vật không thể trực tiếp phân huỷ các hợp chất có cấu trúc đại phân

tử không tan trong nước Hợp chất này chỉ có thể chuyển hoá thành chất đơn giản như đường, amino acid, mỡ nhờ các enzym ngoại bào của vi sinh vật Quá trình phân giải có thể được thông qua 3 con đường sau:

- Hợp chất cácbon tự nhiên thành đường đơn thông qua phân huỷ hoàn toàn

- Mỡ thành đường đơn và axit béo

- Protein thành amôn hoặc nitrat

Trong quá trình phân giải hiếu khí sản phẩm tạo ra sẽ là CO2, nước và muối, được vi sinh vật sử dụng chuyển hoá thành sinh khối vi sinh vật và hình thành hợp chất humate Tuy nhiên quá trình ủ compost không bao giờ xảy ra trong điều kiện hiếu khí hoàn toàn mà luôn kèm theo quá trình phân giải trong điều kiện yếm khí Khi đó sản phẩm tạo ra sẽ là các axit hữu cơ mạch ngắn,

H2S và rượu Đây chính là các tác nhân gây mùi khó chịu trong quá trình ủ compost

Quá trình ủ compost là quá trình chuyển hoá của các chất có nhiệt năng cao thành các chất có nhiệt năng thấp, và như vậy luôn luôn gắn liền với việc thải năng lượng ra môi trường Do ủ compost là quá trình oxy hoá không hoàn toàn nên nhiệt năng sinh ra trong quá trình này thấp hơn nhiều so với nhiệt năng được tạo thành do đốt nguyên liệu Nhiệt năng sinh ra trong quá trình ủ compost có tác dụng làm bay hơi nước của khối ủ và làm tăng nhiệt độ môi trường

Kết quả nghiên cứu sự biến động nhịêt độ trong quá trình ủ compost từ một số nguồn nguyên liệu được tập hợp trong bảng 1

9

Bảng 1: Động thái nhiệt độ trong quá trình ủ compost với một số phế phụ

phẩm nông nghiệp, chế biến ( o C)

độ cao (thermophil phase) đối với các nguyên liệu khó phân giải Nấm mốc tồn

tại trong điều kiện độ ẩm nguyên liệu thấp và phân giải các nguyên liệu có cấu trúc phức tạp

Chế biến compost là quá trình đồng bộ phụ thuộc vào rất nhiều các yếu tố khác nhau, bao gồm: Thành phần và hàm lượng các chất hữu cơ; Độ ẩm, cấu trúc nguyên liệu; Hàm lượng các chất dinh dưỡng và khoáng chất; Độ pH; Nồng độ oxy; Tiềm năng phân giải của vi sinh vật;…

Khả năng có thể phân giải được của một số nguồn nguyên liệu compost được tổng hợp trong bảng 2

10

Bảng 2: Mức độ phân giải tối đa của một số nguyên liệu compost

Nguyên liệu tự nhiên:

- Xenlulo sau khi xử lý hoá chất

- Xenlulo sau khi xử lý cơ học

50 Cây trồng

- Cỏ

- Cây thân gỗ lá nhọn

- Cây thân gỗ lá to

60,7 37,5 43,0 Rau, quả

- Táo

- Khoai tây

65,3 63,4

2.4 Điều khiển quá trình ủ compost

a Độ ẩm:

Vi sinh vật chỉ có thể phát triển trong đống ủ ở điều kiện có có nước, vì vậy đơn vị nguyên liệu ủ phải được bao bọc bởi nước Lượng nước tối thiểu trong nguyên liệu phụ thuộc vào nhu cầu của vi sinh vật, trong khi đó nếu quá nhiều nước sẽ dẫn đến tình trạng cạnh tranh giữa nước và không khí trong các

kẽ hở của đống ủ Lượng nước tối thiểu cần thiết cho quá trình ủ khoảng 20% Đối với vi sinh vật yếu tố độ hoạt động của nước (giá trị Aw ) có vai trò quyết định Trị giá Aw tối thiểu được xác định là 0,94 tương đương với 27% độ ẩm của giấy báo xé nhỏ Lượng nước phù hợp nhất của khối ủ khi bắt đầu khoảng 40-60%

b Cấu trúc nguyên liệu, nồng độ oxy và quá trình sục khí

Oxy rất cần thiết cho các vi sinh vật hiếu khí Để đảm bảo oxy cung cấp cho vi sinh vật thể tích khí trong đống ủ phải đạt khoảng 20-30% Điều này phụ thuộc vào tính chất vật lý của nguồn nguyên liệu, khoảng cách giữa các đơn vị nguyên liêụ với nhau và áp suất khí trao đổi Nguyên liệu được nghiền nhỏ có tác dụng làm tăng khả năng phân giải của vi sinh vật song lại làm hạn

c Nhiệt độ

Quá trình ủ compost luôn gắn với việc giải phóng năng lượng Nhiệt độ đống ủ tăng nhanh hay chậm phụ thuộc vào số lượng và chủng loại nguyên liệu Nhiệt độ phù hợp nhất cho quá trình ủ được nhiều nghiên cứu xác định khoảng 55oC Nhiệt độ tăng lên quá 60oC quần thể vi sinh vật trong đống ủ sẽ giảm mạnh Với nhiệt độ trên 70oC độ hoạt động của vi sinh vật sẽ giảm 10-15% so với nhiệt độ 60oC Ở nhiệt độ 75-82 oC người ta không còn xác định được hoạt động nào của vi sinh vật Đối với nguyên liệu chứa nhiều xenlulo nhiệt độ tối ưu được xác định là dưới 55 o

C

d Thành phần dinh dưỡng của nguyên liệu

Số liệu trong bảng 1 cho thấy hàm lượng đạm trong các nguồn nguyên liệu rất khác nhau Đảm bảo cho quá trình ủ xảy ra tốt nhất cần điều chỉnh tỉ lệ C/N phù hợp cho nguồn nguyên liệu ủ Tỷ lệ này được xác định khoảng 20:1 đến 30:1 Đối với nguyên liệu nguồn gốc từ gỗ tỷ lệ C/N có thể cao hơn khoảng 35:1 đến 40:1 Thông thường người ta bổ sung vào nguyên liệu ủ các chất hữu

cơ tự nhiên giàu nitơ như thân cây họ đậu, bột máu Cùng với nitơ photpho cũng là yếu tố cần thiết cho hoạt động của vi sinh vật Tỷ lệ C/P phù hợp trong quá trình phân giải được xác định là 200:1 Photpho được bổ sung vào đống ủ tốt nhất dưới dạng photphat hữu cơ, ngoài ra cũng có thể sử dụng bột quặng hoặc phân lân hoá học

12

e Vi sinh vật khởi động và vi sinh vật làm giàu dinh dưỡng

Nguyên liệu chế biến compost luôn chứa sẵn quần thể vi sinh vật có khả năng chuyển hoá hợp chất hữu cơ Đã có nhiều ý kiến cho rằng không cần thiết phải bổ sung vi sinh vật phân giải chất hữu cơ vào khối ủ, song thực tế nghiên cứu và triển khai gần đây cho thấy, quá trình ủ compost sẽ xảy ra nhanh hơn khi được bổ sung vi sinh vật Người ta thường bổ sung hỗn hợp vi khuẩn, xạ

-107VSV/g cơ chất Ngoài ra để làm tăng giá trị dinh dưỡng của sản phẩm tạo ra người ta cũng bổ sung vào khối ủ sinh khối vi sinh vật cố định nitơ tự do và vi sinh vật chuyển hoá photphat khó tan Việc bổ sung các loại vi sinh vật có khả năng phân huỷ xenlulo cao cùng các nguyên tố dinh dưỡng như đạm dạng hữu

cơ, lân dạng quặng photphorit và một số điều kiện môi t

Các vi sinh vật bổ sung trong quá trình sản xuất nhanh phân hữu cơ từ nguồn

phế thải giàu xenlulo là Aspergillus, Trichoderma, Penicillium., Pseudomonas,

Bacillus và Azotobacter

2.5 Các chỉ tiêu đánh giá chất lượng compost

Chất lượng Compost được đánh giá dựa trên 4 yếu tố sau:

- Mức độ lẫn tạp chất (thủy tinh, plastic, đá, kim loại nặng, chất thải hóa học, thuốc trừ sâu …)

- Nồng độ các chất dinh dưỡng (dinh dưỡng đa lượng N, P, K; dinh dưỡng trung lượng Ca, Mg, S; dinh dưỡng vi lượng Fe, Zn, Cu, Mn, Mo, Co,

bỏ an toàn trên đất hoặc sử dụng làm chất bổ sung dinh dưỡng cho đất

Thu hồi dinh dưỡng và cải tạo đất: Các chất dinh dưỡng (N, P, K) có trong chất thải thường ở dạng hữu cơ phức tạp, cây trồng khó hấp thụ Sau quá trình làm phân Compost, các chất này được chuyển hóa thành các chất vô cơ như

NO3 thích hợp cho cây trồng Sử dụng sản phẩm của quá trình chế biến Compost bổ sung dinh dưỡng cho đất có khả năng làm giảm thất thoát dinh dưỡng do rò rỉ vì các chất dinh dưỡng vô cơ tồn tại chủ yếu dưới dạng không

so với các loại phân hóa học khác

b Hạn chế

Hàm lượng chất dinh dưỡng trong Compost không thoả mãn yêu cầu

Do đặc tính của chất thải hữu cơ có thể thay đổi rất nhiều tùy thuộc vào thờigian, khí hậu và phương pháp chế biến phân, dẫn đến tính chất của sản

14

phẩm cũng khác nhau Bản chất của vật liệu làm Compost thường làm cho sự phân bố nhiệt độ trong khối phân không đồng đều, do đó đôi khi khả năng làm mất hoạt tính của vi sinh vật gây bệnh trong sản phẩm Compost cũng không hoàn toàn

tiền,dễ sử dụng và tăng năng suất cây trồng một cách rõ ràng

3 Những nghiên cứu nước ngoài về xử lý cơ chất hữu cơ

Đã có nhiều biện pháp xử lý rác thải nông nghiệp như đốt, chôn lấp, ủ phân compost Ở Australia, Pháp, Indonesia, Malaysia, Miến Điện, Philippine, Tây Ban Nha và Thái Lan, rơm rạ và vỏ trấu thường được đem đốt Các nước

Mỹ, Đức, Italia đã xử lý bằng cách chôn vùi chiếm 60-80% rác thải nông nghiệp [1] Nhiều nghiên cứu cho thấy vùi rơm rạ vào đất trồng lúa đã làm năng suất lúa tăng 5-7% so với công thức đốt rơm rạ thành tro bón [11] Thái Lan và Indonesia là những quốc gia ở khu vực Đông Nam Á sớm nghiên cứu đưa rơm rạ vào sản xuất điện (theo Báo điện tử thông tin thương mại Việt Nam ngày 18/6/2008)

Bên cạnh việc sử dụng nguồn rác thải nông nghiệp để làm nhiên liệu (bao gồm cả việc đốt trực tiếp lấy nhiệt, đốt lấy nhiệt để chạy các tuôcbin phát điện hay để nuôi nấm mốc sản sinh etanol, sản xuất nhựa sinh học), để nuôi trồng thủy sản (trộn vào cùng thức ăn nuôi cá), để làm các vật liệu của công nghiệp sản xuất đồ gốm, sản xuất các vật liệu hấp phụ dùng trong xử lý nước thải, sản xuất silic công nghiệp, đa số lượng rác thải còn lại bị đốt bỏ không sử dụng

Xử lý các phế phụ phẩm nông nghiệp bằng biện pháp hóa học, sử dụng ammonia (urê) đã được quan tâm nghiên cứu từ lâu, ở Bangladesh (1981) và các nước Đông Nam Á trong những năm gần đây Phương pháp này có thể áp dụng cho các nông trại nhỏ Tuy nhiên sự ủng hộ từ nông dân đã không được như mong đợi Gần đây công nghệ này cũng đã được áp dụng ở Trung Quốc [27]

15

Trung Quốc là nước sản xuất gạo lớn và tạo ra 230 triệu tấn rơm/rạ mỗi năm, gồm thân, lá sau khi thu hoạch Rơm thường được sử dụng làm nguồn thức ăn cho gia súc, sưởi ấm nhà ở, sản xuất giấy Tuy nhiên, phần lớn trong số rơm rạ lại bị tiêu hủy, gây ô nhiễm nghiêm trọng đến môi trường sinh thái Các chuyên gia nghiên cứu thuộc trường Đại học Công nghệ Hóa học Bắc Kinh đang thử nghiệm phương pháp xử lý rơm bằng NaOH, mội loại dung dịch phổ biến giống như một loại kiềm ăn da Tác động của NaOH sẽ phá hủy một số mắt xích trong hợp chất sinh học khó phá vỡ của rơm/rạ, cho phép hợp chất trên dễ dàng bị tiêu hủy bởi vi khuẩn Toàn bộ quá trình sản xuất gas sinh học sau xử lý bằng NaOH sẽ tăng từ 27-64,5%, nhờ phương pháp này người nông dân có thêm thu nhập từ sản xuất khí sinh học và điều này đã khuyến khích họ không đốt rơm/rạ ngoài cánh đồng nữa Đặc biệt Trung Quốc vừa xây dựng 3 trạm xử lý rơm thí nghiệm và bắt đầu xây dựng nhà máy điện chạy bằng rơm đầu tiên tại hạt Shanxian, phía đông tỉnh Sơn Đông Nhiều công nghệ đã được

áp dụng thành công trong xử lý rơm rạ bao gồm xử lý vật lý, hóa học và vi sinh [27, 30]

Vì vậy nghiên cứu xử lý rơm rạ thành nguồn thức ăn cho gia súc, nuôi trồng nấm đã được đầu tư từ lâu, và bởi vì sử dụng phụ phẩm nông nghiệp để cung cấp thức ăn cho gia súc, phân gia súc sau đó lại được sử dụng làm phân hữu cơ bón ruộng, đất đai được cải thiện dinh dưỡng, do đó mà năng suất cây trồng cũng tăng lên, đem lại lợi nhuận cho người nông dân, cũng như trong việc bảo vệ môi trường

Ở nhiều nước như Nhật, Pháp, Hà Lan, Trung Quốc nuôi trồng nấm từ phế thải của ngành nông nghiệp như rơm rạ, mùn cưa, bông phế thải, bã mía, thân

lá ngô đã được chú trọng từ lâu bởi hiệu quả kinh tế từ nghề nuôi trồng nấm đem lại, nguồn nguyên liệu ít bị cạnh tranh với các ngành sản xuất khác, đồng thời giảm thiểu ô nhiễm môi trường Nguồn bã thải nuôi trồng nấm sau đó lại được sử dụng để sản xuất phân bón hữu cơ Hà Lan và Đài Loan là hai nước đã chế biến và xuất khẩu phân hữu cơ từ bã nấm Trồng nấm đã trở thành một

16

ngành công nghiệp thực phẩm lớn được cơ giới hóa toàn bộ từ khâu xử lý nguyên liệu đến thu hái nên năng suất và sản lượng rất cao [28] Ở Mỹ đã có các dự án xây nhà, trường học, thậm chí công sở với các bức tường bằng rơm

rạ vừa không bị thấm nước, chống cháy, bảo toàn được năng lượng bên trong, vừa có thể chống giông bão, hữu ích cho môi trường

Theo Chaisit [26] đất ở các khu vực nhiệt đới chứa ít vật chất hữu cơ hơn đất ở các khu vực ôn đới bởi vì nhiệt độ và ẩm độ cao ở khu vực nhiệt đới sẽ làm gia tăng quá trình phân hủy các hợp chất hữu cơ Để giải quyết vấn đề này, nông dân ở các khu vực nhiệt đới được khuyến cáo nên sử dụng bón phân hữu

cơ hoặc vùi các phụ phẩm nông nghiệp vào đất Điều này không chỉ làm tăng lượng hữu cơ trong đất mà còn đảm bảo ổn định năng suất và duy trì dinh dưỡng đất trong một thời gian dài

Qua 3 năm các tác giả nghiên cứu trên vùng trồng lúa ở Califonia (Mỹ) đã cho thấy rằng hạt lúa lấy đi khoảng 45 kg K2O/ ha/ năm (1 vụ/ năm), trong khi rơm rạ lấy đi khoảng gần 160 kg Khi cả rơm rạ và hạt lúa được lấy đi khỏi ruộng thì lượng kali mất đi khoảng 210kg K2O/ ha/ vụ Với lượng lớn kali bị lấy đi như thế này thì dù có bón liều lượng kali thật cao (ví dụ 150kg K2O/ ha) thì cũng chưa bù đắp được cho cây lúa có một nền dinh dưỡng kali bền vững

để có thể đạt được năng suất cao ở các vụ sau Vì vậy, nếu trả lại rơm rạ cho ruộng lúa thì lượng bón kali hàng vụ có thể đủ để cân bằng dinh dưỡng kali cho cây lúa Ngoài ra nhiều nguyên tố dinh dưỡng khác cũng được trả lại đất cùng rơm rạ, góp phần làm bền vững và cân bằng dinh dưỡng trong đất lúa [13]

Hiện nay nguồn rác thải trong nông nghiệp thường được xử lý bằng phương pháp sinh học, sử dụng công nghệ vi sinh có điều khiển, giảm đáng kể

sự ô nhiễm môi trường do nguồn rác thải này gây ra và đáp ứng nhu cầu về phân bón hữu cơ vi sinh Xử lý rác thải nông nghiệp bằng công nghệ lên men

vi sinh vật là nhờ vi sinh vật có sẵn trong rác thải và vi sinh vật thuần chủng bổ sung trong quá trình xử lý mà rác thải phân hủy thành những phần nhỏ hơn,

17

hình thành sinh khối vi sinh vật và các chất khí như CH4, CO2. Quá trình ủ chất thải hữu cơ là quá trình sinh học phân hủy chất hữu cơ và ổn định các thành phần cuối cùng của chúng dưới tác động của vi sinh vật [27]

Trong các biện pháp xử lý và tái sử dụng rác thải thì biện pháp ủ hiếu khí

(aerobic composting) được quan tâm nhiều nhất, biện pháp này không những

rút ngắn quá trình ủ mà còn nâng cao chất lượng mùn rác và các vi sinh vật gây bệnh cũng như vi sinh vật sinh các chất độc không thể phát triển được [25] Bản chất của quá trình là chất thải hữu cơ được vi sinh vật có sẵn trong rác thải và vi sinh vật thuần chủng bổ sung trong quá trình xử lý phân giải tạo thành các chất nhỏ hơn, sinh nhiệt cao, sản phẩm lên men chính là mùn

(humus) Quá trình diễn ra càng nhanh, thì lượng nhiệt sinh ra càng lớn Do

vậy, người ta đã đưa ra khái niệm cho quá trình ủ rác là “càng nóng, càng tốt” [32, 34] Do vậy, việc tuyển chọn các vi sinh vật sử dụng trong ủ rác không những phải có hoạt tính phân giải cao, mà còn phải chịu được nhiệt độ cao của đống ủ

Việc sử dụng vi sinh vật có hoạt tính phân giải hợp chất ligno-xenluloza

để xử lý phế thải nông nghiệp không những giúp chúng ta giải quyết được vấn

đề ô nhiễm môi trường mà còn tận dụng được nguồn cacbon dồi dào này

Về công nghệ ủ rác, người ta cũng đưa ra nhiều loại mô hình khác nhau, có loại cho rác vườn, có loại cho rác sinh hoạt, có loại cho rác thải nông nghiệp, cũng như các qui mô xử lý khác nhau [15] Dựa vào phương thức cung cấp oxy vào bể ủ rác thải có thể chia thành hai phương pháp ủ hiếu khí: lên men tự nhiên

có đảo trộn và lên men có thổi khí cưỡng bức [27,2]

Từ chỗ compost chỉ sản xuất bằng phương pháp thủ công truyền thống phục vụ cho sản xuất nông lâm nghiệp, chưa thành sản phẩm bán trên thị trường như phân hoá học, cho đến nay ở nhiều nước trên thế giới như Nhật Bản, Hàn Quốc, Đài Loan compost đã trở thành sản phẩm bán rộng trên thị trường, với quy mô sản xuất công nghiệp Sản xuất và sử dụng compost đã phổ biến rộng rãi

18

trên thế giới Tuy vậy ở một số nước vẫn nổi lên một số vấn đề như: Chất lượng thấp, lượng phân sử dụng lớn trên một đơn vị diện tích từ đó dẫn đến mức đầu tư cao

4 Những nghiên cứu trong nước về xử lý cơ chất hữu cơ

Trong những năm gần đây việc tái sử dụng phế phụ phẩm như rơm rạ đã được nhiều nhà khoa học quan tâm Theo GS Nguyễn Vi (1993), rơm rạ lấy đi

từ đất một lượng lớn kali, bình quân khoảng 150 kg kali nguyên chất mỗi năm, nếu trả lại rơm rạ cho đất thì kho báu kali vẫn còn nguyên, nếu ta đem làm việc khác thì lượng kali mất mát quả là không nhỏ

Rơm rạ là nguồn hữu cơ quan trọng cung cấp kali, silic, kẽm cho cây trồng Hàm lượng silic ở rơm thay đổi từ 1,7 - 9,3% và bị ảnh hưởng của các nhân tố khác, như: chất lượng đất, chất lượng nước tưới, lượng nước sử dụng, loại lúa và mùa vụ [2] Kali có nhiều trong các mô và cơ quan hoạt động trao đổi chất Kali liên quan đến hoạt động của hơn 60 loại enzym thực vật Hàm lượng silic trong rơm và vỏ trấu cao hơn so với các bộ phận khác của cây lúa Cung cấp hợp lý silic sẽ tạo cho cây khả năng phòng ngừa các loài sâu hại, các bệnh về nấm - héo lá, đốm nâu, táp nắng, tàn rụi và hạt bị bạc màu [26]

Phế thải nông nghiệp (rơm rạ) là nguồn nguyên liệu sạch rất thích hợp cho việc làm phân ủ hữu cơ sinh học, cũng như làm cơ chất cho nuôi trồng nấm ăn

và nấm dược liệu và sau đó lấy bã thải nuôi trồng nấm làm nguyên liệu cho sản xuất phân bón hữu cơ sinh học Từ một tấn nguyên liệu đem nuôi trồng nấm, sau khi trừ hết chi phí còn lãi từ 1-3 triệu đồng tùy thuộc vào mỗi loại nấm và thị trường tiêu thụ, ngoài ra còn thu được 500 kg bã nấm để sản xuất phân bón hữu cơ [3,8]

Việc sử dụng phân hữu cơ sinh học có tầm quan trọng đặc biệt đối với một nước nông nghiệp như Việt Nam, không những làm cho môi trường trở nên sạch, đất tơi xốp, dễ canh tác, giữ nước nên tránh được xói mòn, mà còn trả lại cho đất những phần dinh dưỡng mà cây đã lấy đi, giảm thiểu được việc lạm

19

dụng phân bón hóa học, góp phần xây dựng một nền nông nghiệp hữu cơ sạch,

an toàn Các nghiên cứu gần đây cho thấy nhờ sử dụng cân đối phân khoáng và phân ủ mà năng suất lúa tăng tới 30% Ngoài ra phân ủ còn là nguồn cung cấp chất hữu cơ quan trọng cho đất, đồng thời cải tạo tính chất lý hoá của đất Nông nghiệp bền vững không thể không nói đến phân hữu cơ Đây là yếu tố quan trọng phục vụ thâm canh bảo đảm năng suất cao ổn định và nâng cao độ phì nhiêu của đất (Đỗ Ánh, 1999) [28]

Từ những năm 60, các nhà khoa học Việt Nam đã bắt tay vào nghiên cứu phân bón sinh học sử dụng cho cây trồng Các phương pháp truyền thống trong sản xuất phân ủ được áp dụng rộng rãi ở nhiều nơi và có ý nghĩa quan trọng trong việc nâng cao độ phì nhiêu của đất trồng Đến đầu những năm 80 của thế

kỷ trước, phân bón sinh học chính thức được đưa vào chương trình nghiên cứu cấp nhà nước và kéo dài cho đến nay [21]

Trong những năm gần đây, có nhiều đề tài nghiên cứu xử lý rác thải bằng biện pháp sinh học Nhiều đề tài đi sâu nghiên cứu phương pháp tuyển chọn các chủng vi sinh vật có hoạt tính phân giải các chất khó phân giải và phù hợp với môi trường của bể ủ rác, tạo chế phẩm phù hợp và thử nghiệm trong thực tế cho thấy vừa rút ngắn thời gian xử lý, vừa tăng mùn rác và chất lượng mùn rác thu được [19]

Trong quá trình triển khai các đề tài KHCN cấp Nhà nước giai đoạn

1996-2000 và 2001-2005 về phân bón vi sinh vật các cán bộ khoa học, Viện Khoa học Kỹ thuật Nông nghiệp Việt Nam (cũ) đã tiến hành nghiên cứu xử lý một số nguyên liệu và phế thải giàu hợp chất cacbon thành các chất hữu cơ đơn giản

sử dụng làm cơ chất cho sản xuất phân bón hữu cơ sinh học trên nền chất mang không khử trùng [16]

PGS.TS Đào Châu Thu, TS Nguyễn Ích Tân cùng cộng sự thuộc Trung tâm Nghiên cứu và Phát triển Nông nghiệp bền vững thuộc trường Đại học Nông nghiêp Hà Nội đã hợp tác với khoa Sinh học và Kinh tế nông nghiệp, Đại học Udine, Italia (2003-2005) tiến hành đề tài “Sản xuất phân hữu cơ từ

Hiện nay, ở nước ta có 2 nhà máy xử lý hiếu khí thành phần hữu cơ của rác thải sinh hoạt làm phân bón (Cầu Diễn - Hà Nội và Việt Trì -Phú Thọ) Trong nước cũng đã có nhiều dây chuyền sản xuất phân hữu cơ vi sinh đồng

bộ Các dây chuyền này thường sản xuất phân vi sinh từ mùn mía, than bùn…

5 Điều tra nguồn than bùn và phụ phẩm nông nghiệp tại tỉnh Yên Bái

5.1 Than bùn

Than bùn được hình thành do sự tích tụ và phân huỷ không hoàn toàn tàn

dư thực vật trong điều kiện yếm khí xảy ra liên tục

Quá trình này diễn ra tại các vùng trũng ngập nước Các vùng đất ngập nước là những vùng có năng suất sinh học cao, điều kiện phát triển của thực vật rất thuận lợi Tuy nhiên, lớp thổ nhưỡng tại các vùng này luôn trong điều kiện yếm khí; do đó, mặc dù sinh khối các loài cỏ sống trên mặt nước tăng nhanh, nhưng quá trình phân giải xác thực vật lại xảy ra chậm và không đạt tới giai đoạn vô cơ hoá dẫn đến tích luỹ hữu cơ Tiếp theo cỏ là lau, lách, cây bụi, cây thân gỗ thay thế, kết hợp với quá trình kiến tạo địa chất, quá trình bồi tụ, lắng đọng phù sa đã chôn vùi kể cả cây thân gỗ, làm cho hữu cơ tích tụ thành các lớp và tạo thành than bùn

Than bùn đã qua sàng và nghiền phân loại, đáp ứng cho tiêu chuẩn sản xuất phân bón hữu cơ vi sinh với các tiêu chuẩn như sau:

Than bùn loại 1: hữu cơ: 30-35%, màu sắc: đen than, độ mịn: qua sàng 3,5mm, độ ẩm: 20-30%

Bảng 3: Một số chỉ tiêu chất lượng của than bùn Phù Nham, Yên Bái

22

5.2 Nguồn phế phụ phẩm nông nghiệp

a Nguồn phụ phẩm trồng trọt

Đề tài “Nghiên cứu các giải pháp công nghệ nhẵm nâng cao năng suất,

chất lượng chè an toàn tại tỉnh Yên Bái” đã tiến hành khảo sát, đánh giá về số

lượng và chất lượng nguồn phế phụ phẩm nông nghiệp tại các huyện Văn Chấn, Trấn Yên, tỉnh Yên Bái năm 2011 Kết quả rthu được là lượng phế phụ phẩm hàng năm: tại Văn Chấn khoảng 65.151 tấn phụ phẩm nông nghiệp (rơm

rạ, thân lá ngô, lạc, đậu tương) và tại Trấn Yên là khoảng 34.290 tấn phế phụ phẩm nông nghiệp Kết quả này cho thấy đây là nguồn một nguyên liệu hữu cơ tại chỗ có giá trị cho sản xuất các loại phân hữu cơ phục vụ cho sản xuất nông nghiệp, làm giảm chi phí sản xuất, hạn chế được ô nhiễm môi trường, mang lại hiệu quả kinh tế cao cho nông dân, đồng thời hướng nông nghiệp phát triển theo hướng bền vững và an toàn

Bảng 4: Phân tích thành phần hóa học của PPP tại tỉnh Yên Bái năm 2011

Qua kết quả phân tích thành phần hóa học của phế phụ phẩm cho thấy, hàm lượng mùn ở các loại phế phụ phẩm đều cao Hàm lượng đạm tổng số khá cao, cao nhất là lạc 1,75%, của lúa đạt mức trung bình 0,48 % Trung bình lân trong cây trồng dao động trong khoảng 0,2% (rơm, rạ) đến 0,6% (Cây họ đậu), kết quả phân tích các mẫu PPP tại tỉnh Yên Bái cho thấy, lân tổng số trong các cây nghiên cứu đều đạt ở mức từ trung bình đến khá Hàm lượng kali trong

b Nguồn phụ phẩm chăn nuôi

Phế thải chăn nuôi là chất bài tiết của vật nuôi cùng thức ăn thừa và nước

vệ sinh, tồn tại dưới dạng rắn, lỏng hoặc hỗn hợp Thành phần chủ yếu của phế thải chăn nuôi là các hợp chất hữu cơ và nước, trong đó các hợp chất hữu cơ khi phân hủy tạo thành các loại khí gây ô nhiễm như CO2, H2S, NH3, N2O,

CH4….Phế thải chăn nuôi đồng thời chứa nhiều vi sinh vật có khả năng gây bệnh dịch cho người, động và thực vật Đã từ lâu phế thải chăn nuôi được sử dụng như một nguồn phân bón có vai trò tích cực trong sản xuất nông nghiệp

do hàm lượng cao của hữu cơ và các chất dinh dưỡng cần thiết cho cây và đất trồng

Song song với việc khảo sát nguồn phế phẩm trồng trọt thì đề tài “Nghiên

cứu các giải pháp công nghệ nhẵm nâng cao năng suất, chất lượng chè an toàn tại tỉnh Yên Bái” cũng tiến hành điều tra, khảo sát và đánh giá tình hình

sử dụng nguồn chất thải chăn nuôi Kết quả thu được là: huyện Văn Chấncó khoảng 610.800 tấn chất thải chăn nuôi dạng rắn/ngày, huyện Trấn Yên có khoảng 360.685 tấn chất thải chăn nuôi dạng rắn/ngày Kết quả này cũng cho thấy, nguồn chất thải rắn trong chăn nuôi cũng có thể là một nguồn cơ chất cho sản xuất phân bón

24

Thành phần hoá học của các loại phân phụ thuộc vào rất nhiều yếu tố như: Loại gia súc, thức ăn gia súc, độ tuổi gia súc, tình trạng sức khoẻ… Kết quả phân tích các mẫu phân của các loại gia súc, gia cầm trên địa bàn tỉnh Yên Bái được thể hiện trong bảng 5

Bảng 5: Thành phần hoá học của một số loại phân gia súc, gia cầm

K2O) và trung lượng (CaO và MgO) đều cao Điều này cho thấy, trong sản xuất phân bón hữu cơ chúng ta nên chú ý các loại phân gia cầm tuy lượng ít nhưng lại giàu dinh dưỡng

6 Phân hữu cơ vi sinh

Phân hữu cơ vi sinh (Microbial organic fertilizer) là phân trộn cơ học giữa phân vi sinh và phân hữu cơ Do hàm lượng dinh dưỡng của phân hữu cơ không cao, nên phân hữu cơ vi sinh chủ yếu là dùng để bón lót hoặc dùng làm nguyên liệu để sản xuất phân phức hợp hữu cơ vi sinh

25

Phân phức hợp hữu cơ vi sinh là loại phân có đầy đủ thành phần phân vi sinh, phân hữu cơ, phân vi lượng và phân vô cơ (NPK) Tùy thuộc vào nhu cầu của sản xuất mà có thể cân đối phối trộn các loại phân nguyên liệu sao cho cây trồng phát triển tốt nhất mà không cần phải bón bất kỳ loại phân đơn nào Phân phức hợp hữu cơ vi sinh có thể dùng để bón lót hoặc bón thúc Loại phân này

có hàm lượng dinh dưỡng cao nên khi bón cần trộn với đất bột, hoặc bón xa gốc để tránh hiện tượng xót cây Nếu sản xuất đúng công thức thì đây là loại phân tốt nhất

Để có phân HCVS trước hết cần phải có chủng vi sinh vật hữu ích có hoạt tính cao (khả năng phân giải lân, cố định đạm, khả năng phân giải xelluloza ),

có khả năng cạnh tranh cao với các vi sinh vật khác, chịu đựng những điều kiện khó khăn của môi trường và phát huy hoạt tính đó trong đất

Cơ chất hữu cơ dùng để sản xuất phân HCVS là phân ủ (compost) từ các

nguồn nguyên liệu hữu cơ Ba loại phân compost tồn tại phổ biến hiện nay là :

- Phân ủ chưa hoai mục (fresh compost): trong loại phân này các chất hữu

cơ đã qua giai đoạn ủ nhiệt độ, hết mùi, nhưng chưa hoai mục hoàn toàn Nó đã phân huỷ một phần, khi bón vào đất tiếp tục bị phân huỷ Loại phân này không bón trực tiếp vào rễ cây được

- Phân ủ hoai (compost): loại phân này đã hoai mục và mất mùi hoàn toàn,

song vẫn chưa hoàn toàn qua giai đoạn mùn hoá và khoáng hoá Không bón trực tiếp vào rễ cây được

- Phân ủ hoai hoàn toàn (cured compost): Đã hoàn toàn hoai mục và qua

giai đoạn mùn hoá và khoáng hoá, bền vững và ổn định Có thể bón trực tiếp vào rễ cây

Kỹ thuật chủ yếu để sản xuất ba loại phân compost này là: Kỹ thuật truyền

thống (phân động vật với các chất thải hữu cơ như rơm rạ, thân lá ngô cộng

với một lượng phân hoá học trộn đều ủ kín) và kỹ thuật nhanh chóng (phân

26

động vật với các chất thải hữu cơ cộng với một lượng phân hoá học cộng với

một số chủng vi sinh phân giải chất hữu cơ trộn đều ủ kín)

Các nguyên tố khoáng đa, trung, vi lượng được phối trộn vào phân hữu cơ giúp làm tăng hàm lượng dinh dưỡng trong phân bón Tỷ lệ bổ sung các nguyên tố khoáng này phụ thuộc vào nhu cầu sản xuất phân bón cho từng loại cây trồng, trong từng giai đoạn sinh trưởng của cây, và cho từng vùng sản xuất khác nhau là khác nhau Hiện nay, có những loại phân HCVS đặc chủng cho

một số cây trồng: như phân bón cho lúa, ngô, đậu tương,

27

CHƯƠNG II: VẬT LIỆU VÀ PHƯƠNG PHÁP

1 Đối tượng, vật liệu nghiên cứu

- Các chủng vi sinh vật có hoạt tính phân giải cellulose, cố định nitơ, phân giải lân, kích thích sinh trưởng nhận từ nguồn gen của đề tài cấp Nhà nước

(2011- 2014): “Nghiên cứu các giải pháp công nghệ nhằm nâng cao năng suất

chất lượng chè an toàn tại tỉnh Yên Bái”

- Nguồn nguyên liệu thô thu thập tại các huyện Văn Chấn, Trấn Yên, tỉnh Yên Bái như: rơm rạ sau thu hoạch, than bùn, thân lá lạc, thân lá đậu tương, phân chuồng, phân gia súc,…

- Hóa chất và dụng cụ thí nghiệm: Do Bộ môn Vi sinh vật – Viện Thổ nhưỡng Nông hóa cung cấp

2 Thời gian, địa điểm nghiên cứu

- Thời gian nghiên cứu: Từ tháng 3 năm 2012 đến tháng 12 năm 2012

- Địa điểm nghiên cứu: Phòng thí nghiệm và Khu thí nghiệm nhà lưới của

Bộ môn Vi sinh vật, Viện Thổ nhưỡng Nông hóa

3 Phương pháp nghiên cứu

3.1 Các môi trường dùng trong nghiên cứu:

Môi trường Hans: K2HPO4: 0,5g; KH2PO4: 0,5g; (NH4)2SO4: 1g; MgSO4.7H2O: 0,1g; CaCl2: 0,1g; NaCl: 6g; Cao men: 0,1g; CMC: 0,1g; Thạch: 12g; H2O: 1.000ml; pH=7.

Môi trường Gauze I: K2HPO4: 0,5g; KH2PO4: 0,5g; MgSO4.7H2O; NaCl: 0,5g; KNO3: 1g; FeSO4.7H2O: 0,01g; Tinh bột tan: 20g; thạch: 12g; CMC: 1g; H2O: 1.000ml; pH=7

Môi trường Czapeck: Glucose 30,0g; NaNO3 3,0g; MgSO4.7H2O 0,5g; KCl 0,5g; FeSO4 7H2O 0,01g; K2HPO4 1,0g; Thạch 12g; Nước cất 1000 ml Môi trường thạch thịt – peptone: đề tài sử dụng môi trường thạch thịt – peptone đã được pha chế sẵn

Môi trường Ashby: Môi trường đặc hiệu sử dụng để nhân sinh khối chủng

Azotobacter – Cố định nitơ tự do: Glucose 20g ; K2HPO4 0,2g ; MgSO4.7H2O

KH2PO4 0,2g; FeCl3.6H2O 0,1g; Na2MoO4.2H2O 0,05g; nước cất 1000ml

Môi trường Pikovskaia: Môi trường đặc hiệu sử dụng để nhân sinh khối

chủng phân giải lân : Glucose 10g; yeast extract 0,5g; K2HPO4 o,5g; MgSO40,3g; Ca3(PO4)2 5g; dung dịch vi lượng 2ml; nước cất 1000ml

3.2 Các phương pháp nghiên cứu

- Kiểm tra mật độ vi sinh vật theo phương pháp Koch

- Xác định các điều kiện sinh trưởng, phát triển của VSV theo phương

pháp VSV thông dụng

- Xác định định tính hoạt tính CMC- aza (Williams, 1983): Sinh khối các

chủng vi sinh vật sau khi nuôi cấy 48h được li tâm lắng gạn bỏ phần cặn lắng

và nhỏ 1ml vào các lỗ thạch đã được chuẩn bị sẵn trên các đĩa Petri chứa môi trường CMC đặc (CMC: 1g; Thạch: 12g; H2O: 1.000 ml) Lưu giữ đĩa thạch trong tủ ấm 24 h, sau đó lấy ra và tráng bề mặt thạch bằng dung dịch lugol Hoạt tính sinh học được xác định bằng kích thước vòng phân giải, vòng tròn trong suốt bao quanh lỗ thạch ((hiệu số giữa đường kính vòng tròn trong suốt (D) và đường kính lỗ thạch (d)

- Xác định khả năng phân giải lignocellulose: bằng tỷ lệ giảm trọng lượng

của mẫu thí nghiệm so với mẫu đối chứng

Phương pháp tiến hành:

Bước 1: Cân chính xác 40 g rơm đã được cắt nhỏ, sấy khô cho vào bình tam giác 1000 ml

Bước 2: Bổ sung vào mỗi bình 100ml dịch nuôi cấy lắc vi sinh vật

Bước 3: Đặt bình rơm trong tủ ấm 37oC trong 7 ngày Sau đó rửa sạch, loại bỏ tạp chất hòa tan và sấy khô phần còn lại chưa phân huỷ được Tỷ lệ giảm trọng lượng của mẫu thí nghiệm so với mẫu đối chứng được tính theo công thức:

29

X(%)= (mo-mt)/mo.100

Trong đó:

X: % độ giảm trọng lượng của mẫu thí nghiệm

mt: Trọng lượng khô còn lại của mẫu thí nghiệm

mo: Trọng lượng khô còn lại của mẫu đối chứng

- Phương pháp cấy vạch: dùng để

- Phương pháp đánh giá khả năng sống sót của các chủng VSV lựa chọn

trên nền chất mang dạng bột là cám gạo: Các chủng VSV lựa chọn được

nhiễm vào chất mang được khử trùng với tỷ lệ là 1:4 Các dụng cụ sử dụng, đóng gói chất mang và thao tác nhiễm VSV vào chất mang diễn ra trong điều kiện vô trùng Sau khi nhiễm VSV vào chất mang, để chế phẩm ở điều kiện phòng trong 7 ngày thì kiểm tra hoạt tính phân giải cellulose của các chủng VSV

Phương pháp xác định khả năng ức chế vi sinh vật gây bệnh thực vật:

10TCN - 714-2006

khả năng sinh tổng hợp IAA thô: Các chủng vi sinh vật được nuôi cấy trong môi trường có bổ sung 0,1% Triptophan Sau thời gian nuôi cấy, ly tâm, thu được dịch trong Cho 2 ml dịch trong vào ống nghiệm chứa 8 ml thuốc thử Salkowsky cải tiến Lắc đều, để yên trong 20 phút, sau đó so màu trên máy với bước sóng 530nm Hàm lượng IAA tạo ra trong môi trường được tính toán trên cơ sở đồ thị IAA chuẩn

Thuốc thử Salkowsky cải tiến: FeCl3 0,5M 15ml; H2SO4 98% 300 ml; Nước cất 500 ml

- Phương pháp xác định khả năng phân giải phốt phát khó tan được xác định

bằng đo vòng phân giải Ca3(P04)2 trên môi trường đặc; đó là vòng tròn trong suốt bao quanh khuẩn lạc (đối với trường hợp cấy điểm) hoặc lỗ thạch (đối với trường hợp khoan lỗ thạch), nơi mà vi sinh vật phân giải Ca3(P04)2

30

- Đánh giá khả năng cố định Nitơ: bằng phương pháp đo khả năng khử

axetylen (hàm lượng etylen hình thành) trên máy sắc ký khí

- Phương pháp ủ compost

Chuẩn bị nguyên liệu:

+ Nguyên liệu hữu cơ: 10 kg/loại/lần ủ

+ Chế phẩm vi sinh vật phân huỷ cellulose

+ Chất phụ gia (vôi bột, đạm, lân super, kali clorua)

Xử lý thô:

Nguyên liệu sau khi thu gom được xử lý thô như sau:

+ Than bùn: nghiền nhỏ, loại bỏ tạp chất (thủy tinh, mảnh vụn kim loại, ); dùng vôi bột điều chỉnh pH đạt 6 - 7; điều chỉnh độ ẩm đạt 40 – 45% + Rơm rạ: cắt ngắn khoảng 10 – 12 cm; ngâm qua nước vôi trong để pH đạt 6 – 7, độ ẩm 40 – 45%

+ Phân chuồng: loại bỏ tạp chất (nilon, mạnh vụn, ); điều chỉnh để nguyên liệu có độ ẩm 50 – 60% bằng cách: nếu phân ướt quá thì trộn thêm chất độn chuồng, nếu khô thì tưới nước

+ Thân lá lạc: cắt ngắn khoảng 10 – 12 cm; ngâm qua nước vôi trong để

Mỗi thùng ủ được đặt 1 nhiệt kế, và ghi nhiệt độ đống ủ hàng ngày trong khoảng thời gian từ 9 – 10 giờ sáng

Trong quá trình ủ theo dõi độ ẩm của đống ủ Nếu đống ủ khô quá thì có thể bổ sung nước bằng cách tưới lên bề mặt đống ủ

Các chỉ tiêu theo dõi: