nghiên cứu ứng dụng vi khuẩn qxy hóa methane (mob) trong việc giảm phát thải methane từ đất trồng lúa và tăng dinh dưỡng của đất trồng

SỞ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO HÀ NỘI TRƯỜNG THPT NGUYỄN TRÃI – BA ĐÌNH ************** ĐỀ TÀI DỰ THI KHOA HỌC, KỸ THUẬT DÀNH CHO HỌC SINH TRUNG HỌC CẤP THÀNH PHỐ LẦN THỨ TƯ (NĂM HỌC 2014 - 2015). Tên đề tài: NGHIÊN CỨU ỨNG DỤNG VI KHUẨN OXY HÓA METHANE (MOB) TRONG VIỆC GIẢM PHÁT THẢI METHANE TỪ ĐẤT TRỒNG LÚA VÀ TĂNG DINH DƯỠNG CỦA ĐẤT TRỒNG Lĩnh vực: Công nghệ sinh học NGƯỜI HƯỚNG DẪN - TS. Đinh Thúy Hằng - Đơn vị công tác: Viện vi sinh vật và công nghệ sinh học (IMBT) trường Đại học Quốc gia Hà Nội TÁC GIẢ: 1. Huỳnh Vinh Nam Lớp: 11A1 Trường: THPT Nguyễn Trãi – Ba Đình 2. Vũ Minh Đức Lớp: 11A1 Trường: THPT Nguyễn Trãi – Ba Đình Hà Nội, tháng 11 năm 2014 MỤC LỤC Phần I: LÝ DO CHỌN ĐỀ TÀI Methane, với công thức hóa học là CH 4 , là một hydrocacbon nằm trong dãy đồng đẳng ankan. Methane là hydrocacbon đơn giản nhất. Ở điều kiện tiêu chuẩn, methane là chất khí không màu, không vị. Nó hóa lỏng ở −162 °C, hóa rắn ở −183 °C, và rất dễ cháy. Một mét khối methane ở áp suất thường có khối lượng 717 g. Methane là một khí gây hiệu ứng nhà kính, trung bình cứ 100 năm mỗi kg methane (CH 4 ) làm ấm Trái Đất lên gấp 23 lần 1 kg carbon dioxide (CO 2 ). Là thành phần quan trọng thứ hai của khí nhà kính (sau CO 2 ), tỷ lệ methane trong khí quyển hiện đang tăng ở mức 1% mỗi năm, chủ yếu từ các quá trình phân hủy sinh học kỵ khí. Phát thải methane từ các quá trình phân hủy kỵ khí chất hữu cơ diễn ra ở nhiều điều kiện môi trường khác nhau, từ đất canh tác, đất rừng, đất ngập nước đến trầm tích các thủy vực, trầm tích biển… Bên cạnh đó, con người cũng đóng góp vào nguồn phát thải khí methane vào khí quyển, gồm các hoạt động sản xuất công nghiệp (mỏ than đá, khai thác khí đốt), nông nghiệp (chăn thả gia súc, canh tác lúa nước) và các quá trình phân hủy chất thải hữu cơ (đốt sinh khối, bãi chôn lấp rác) trong đó nền nông nghiệp lúa nước là một trong những nguồn phát thải khí methane chính. Bên cạnh đó, con người cũng đóng góp vào nguồn phát thải khí methane vào khí quyển, gồm các hoạt động sản xuất công nghiệp (mỏ than đá, khai thác khí đốt), nông nghiệp (chăn thả gia súc, canh tác lúa nước) và các quá trình phân hủy chất thải hữu cơ (đốt sinh khối, bãi chôn lấp rác) trong đó nền nông nghiệp lúa nước là một trong những nguồn phát thải khí methane chính. Vi khuẩn oxy hóa methane hiếu khí (Aerobic Methane-Oxidizing Bacteria – MOB) có mặt rộng rãi trong môi trường và đóng một vai trò quan trọng trong kiểm soát hàm lượng methane trong khí quyển. Vi khuẩn này sử dụng methane làm nguồn cacbon và năng lượng duy nhất để sinh trưởng, qua đó giảm phát thải methane cũng như tác động của nó trong sự nóng lên ở toàn cầu. Dự án khoa học này được đề xuất nhằm bước đầu tìm hiểu khả năng ứng dụng vi khuẩn MOB vào giảm phát thải khí methane từ đất trồng lúa ở Việt Nam. 3 Phần II: TỔNG QUAN VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU VÀ ĐIỂM MỚI, SÁNG TẠO CỦA ĐỀ TÀI Khác với các nghiên cứu đã được thực hiện từ trước tới nay ở Việt Nam liên quan đến phát thải methane từ đất trồng lúa chủ yếu tập trung vào xác định lượng methane phát thải và đánh giá ảnh hưởng của các kỹ thuật sử dụng trong canh tác lúa (điều kiện tưới nước, bón phân) tới phát thải methane, nghiên cứu này đề cập đến ứng dụng của vi khuẩn MOB cho mục đích giảm phát thải khí methane từ đất trồng lúa, tăng khả năng kiểm soát khí methane phát thải vào môi trường. Vi khuẩn MOB có mặt rộng rãi và phổ biến trong tự nhiên nên rất dễ được tìm thấy trong môi trường như đất, trầm tích, bãi rác, nước ngầm, nước biển, than bùn,… Dựa trên các chủng MOB tiêu biểu đã phân lập, nhiều nghiên cứu đã được tiến hành về các đặc tính sinh lý cũng như di truyền của MOB, trên cơ sở đó định hướng nghiên cứu ứng dụng đối với nhóm vi sinh vật này. Vai trò quan trọng hàng đầu của MOB trong hệ sinh thái là oxy hóa methane được tạo ra từ quá trình phân hủy kỵ khí các hợp chất hữu cơ trước khi khí này thoát vào khí quyển, từ đó giảm thiểu tác động của methane trong sự nóng lên toàn cầu. Một số nghiên cứu về khả năng ứng dụng của MOB đã được tiến hành trên thế giới, chủ yếu trong chuyển hóa methane thành methanol hoặc sinh khối có hàm lượng protein cao và xử lý ô nhiễm môi trường. Dự án khoa học này là bước đầu nghiên cứu khả năng sử dụng vi khuẩn MOB để chủ động kiểm soát lượng methane phát thải vào khí quyển trong quá trình canh tác lúa. Ngoài khả năng oxy hóa methane, MOB là nhóm vi sinh vật có sinh khối giàu protein với một số axit amin hiếm trong thành phần, do vậy khi methane được chuyển thành sinh khối MOB thì vi sinh vật hữu ích trong đất sẽ được cung cấp thêm nguồn dinh dưỡng để sinh trưởng, qua đó tăng độ màu của đất. Những tác động này của MOB cần được kiểm chứng để hướng tới việc bổ sung vi khuẩn MOB vào phân bón vi sinh cho công nghệ canh tác lúa giảm phát thải methane. 4 Phần III: QUÁ TRÌNH NGHIÊN CỨU VÀ KẾT QUẢ 1. Tổng quan tài liệu 1.1. Tình hình phát thải methane Khí nhà kính gồm methane, cacbonic và oxit nitơ phát thải trong quá trình phát triển của cây lúa (Hình 1). Ước tính riêng từ đất canh tác lúa, lượng methane thoát vào khí quyển mỗi năm là 60 – 110 Tg, chiếm khoảng 25% tổng lượng methane giải phóng trên toàn cầu (Prinn, 1994). Theo báo cáo lần thứ 2 của Việt Nam về phát thải khí nhà kính lên khung Liên Hiệp Quốc về biến đổi khí hậu, đến năm 2000, phát thải khí nhà kính trong nông nghiệp chiếm 43,1% trên tổng phát thải khí nhà kính của Việt Nam và trong lĩnh vực nông nghiệp, phát thải từ canh tác lúa chiếm tới 57,5%. Trong khuôn khổ hợp tác với một số nước canh tác lúa trong khu vực như Thái Lan, Philipine, Indonesia, một số báo cáo về phát thải khí nhà kính từ đất trồng lúa ở Việt Nam đã được thực hiện. Hình 1. Vị trí của MOB trong chu trình chuyển hóa methane ở ruộng lúa ngập nước Theo nghiên cứu của Viện Khoa hoc thủy lợi VN (2012), trung bình lượng methane phát thải từ đất trồng lúa nước ở Đồng bằng sông Hồng là 369,1 – 457,2 kg CH 4 /ha/vụ ở các khu vực ngập thường xuyên (nông thường xuyên) và thấp hơn một chút, ở mức 340,3 – 401,5 kg CH 4 /ha/vụ ở các khu vực ngập không thường xuyên (nông lộ phơi). Thời kỳ phát thải mạnh nhất là các giai đoạn lúa đẻ nhánh và làm đòng. Ngoài ra, lượng phát thải cũng giảm tại các thời 5 điểm đất ruộng được bón lót, bón thúc. Các nghiên cứu đã chỉ ra rằng áp dụng tưới Nông lộ phơi có thể tiết kiệm nước tưới và tăng năng xuất lúa so với phương pháp tưới ngập truyền thống. Một số nghiên cứu gần đây của trường Đại học Nông nghiệp Hà Nội cũng cho thấy sự khác biệt về lượng methane phát thải trong thời kỳ lúa để nhánh rộ ở các tỉnh thuộc đồng bằng sông Hồng, trong đó nhỏ nhất ở Thái Bình 39,5 mg CH 4 /h và cao nhất ở Nam Định 61,3 mg CH 4 /h. Mới đây Dự án Trồng lúa ít phát thải khí nhà kính do Viện Nghiên cứu phát triển đồng bằng sông Cửu Long (MDI) chủ trì với trợ giúp kinh phí từ Quỹ Bảo vệ Môi trường Mỹ (EDF) đã được xây dựng thí điểm đầu tiên tại huyện Châu Thành, bắt đầu từ vụ đông xuân 2010 và kết thúc năm 2013. Tính khả thi và thành quả của dự án đang được tổng kết để làm cơ sở nhân rộng trong vùng đồng bằng sông Cửu Long. Tuy nhiên có thể thấy rằng các nghiên cứu mới chỉ tập trung vào xác định lượng methane phát thải từ đất trồng lúa và ảnh hưởng của mức nước cũng như chế độ bón phân tới mức phát thải, chưa có nhiều nghiên cứu nhằm tìm ra biện pháp để giảm thiểu tình trạng phát thải methane này. Vi khuẩn oxy hóa methane (MOB) là mắt xích quan trọng trong quá trình chuyển hóa methane và kiểm soát lượng methane phát thải vào khí quyển cũng chưa được quan tâm nghiên cứu ở Việt Nam. Dự án khoa học này được đề xuất nhằm bước đầu tìm hiểu khả năng ứng dụng vi khuẩn MOB vào giảm phát thải khí methane từ đất trồng lúa ở Việt Nam. 1.2. Vi khuẩn oxy hóa khí methane 1.2.1. Lịch sử phát hiện và nghiên cứu MOB Vi khuẩn oxy hóa methane hiếu khí, như đã nói, có mặt rộng rãi trong môi trường và đóng một vai trò quan trọng trong kiểm soát hàm lượng methane trong khí quyển. Năm 1906, nhà vi sinh vật học người Hà Lan Nicolaas Söhngen lần đầu tiên mô tả một sinh vật phát triển bằng methane được phân lập từ nước ao và vật liệu trồng cây thủy sinh. Ông đặt tên cho vi sinh vật này là Bacillus methaneicus, và đã thực hiện những nghiên cứu tìm hiểu về hệ sinh thái và sinh lý của chúng, làm sáng tỏ phần nào về vai trò của vi sinh vật này trong chu trình chuyển hóa methane trong môi trường. Đến năm 1970, hơn 100 chủng MOB đã được phân lập, mở ra một kỷ nguyên mới của nghiên cứu về đặc tính sinh hóa và những con đường của quá trình oxy hóa hiếu khí methane. 6 Cho đến nay, MOB đã được tìm thấy trong nhiều loại môi trường bao gồm đất (Whittenbury, 1970), trầm tích (Smith, 1997), bãi rác (Wise, 1999), nước ngầm (Fliermans v, 1988), nước biển (Holmes, 1995), than bùn (Dedysh, 2000), v.v…, cho thấy sự có mặt phổ biến của những vi sinh vật này trong tự nhiên. Dựa trên các chủng MOB tiêu biểu đã phân lập, nhiều nghiên cứu đã được tiến hành về các đặc tính sinh lý cũng như di truyền của MOB, trên cơ sở đó định hướng nghiên cứu ứng dụng đối với nhóm vi sinh vật này. Vai trò quan trọng hàng đầu của MOB trong hệ sinh thái là oxy hóa methane được tạo ra từ quá trình phân hủy kỵ khí các hợp chất hữu cơ trước khi khí này thoát vào khí quyển, từ đó giảm thiểu tác động của methane trong sự nóng lên toàn cầu. 1.2.2. Ứng dụng Một số nghiên cứu về khả năng ứng dụng của MOB đã được tiến hành trên thế giới, chủ yếu trong chuyển hóa methane thành methanol hoặc sinh khối có hàm lượng protein cao và xử lý ô nhiễm môi trường. Trong tế bào MOB, methane được chuyển hóa đầu tiên thành methanol nhờ enzyme methane-monooxygenase. Methanol sau đó được oxy hóa tiếp tục đến CO 2 qua các bước với sự tham gia của nhiều enzyme khác nhau (Hình 2). Thông qua sử dụng chất ức chế cyclopropanol đối với bước oxy hóa methanol đầu tiên, hợp chất này có thể được tích lũy với lượng đáng kể trong môi trường nuôi vi khuẩn. Đây là biện pháp sản sinh methanol ở điều kiện nhiệt độ và áp suất thông thường, rất có ý nghĩa trong việc thay thế công nghệ sản xuất methanol hiện nay cần thực hiện ở nhiệt độ 840 – 900°C và áp suất 15 – 30 atm. 7 Hình 2. Chuyển hóa methane thành CO 2 trong tế bào MOB và vị trí tác động của chất ức chế cyclopropanol để tích lũy methanol Sinh khối MOB có tỷ lệ protein rất cao, có thể chiếm tới 70% trọng lượng. Thành phần các axit amin trong sinh khối MOB tương đường với đạm cá hay đạm đậu tương, do vậy có thể dùng để làm nguồn đạm cho thức ăn chăn nuôi. Áp dụng đạm từ sinh khối MOB đối với nhiều loại vật nuôi khác nhau như gà, lợn, dê, cá đều cho kết quả tương đương hoặc cao hơn các loại đạm thông thường là bột cá hay bột đậu tương. Đứng trước tình hình diện tích đất trồng ngày càng thu hẹp và sản lượng đánh bắt thủy hải sản không tăng, việc dùng methane để tạo sinh khối MOB làm nguồn đạm vi sinh cho thức ăn chăn nuôi là hướng đi phù hợp với xu hướng phát triển bền vững ở nhiều quốc gia. Ngoài methane, nhiều loài MOB còn có khả năng oxy hóa các hợp chất khí có tính độc hại như tetrachloro-ethylene (TCE) và thường được sử dụng để xử lý ô nhiễm các chất này trong môi trường, ví dụ như nước ngầm. Là loài vi sinh vật có khả năng oxy hóa methane như nguồn cacbon và năng lượng để sinh trưởng, MOB có vai trò quan trọng trong kiểm soát methane trong khí quyển và được sử dụng để hạn chế phát thải methane từ các bãi chôn lấp rác. 8 Vị trí đặt van Khóa van Tay cầm Nắp thùng Thân thùng Đế thùng 2. Vật liệu, phương pháp 2.1. Vật liệu 2.1.1. Mô hình thí nghiệm trồng lúa và xác định phát thải methane Hình 3. Sơ đồ mô hình thùng mica dùng để trồng lúa và xác định phát thải methane. Với thể tích xác định, lượng methane có trong mô hình tính bằng % có thể chuyển đổi thành mol khí. 9 2.1.2. Chủng MOB Chủng BG3 phân lập từ hệ thống xử lý nước thải sau biogas có khả năng sinh trưởng tốt với methane đã có sẵn tại phòng thí nghiệm Sinh thái Vi sinh vật, Viện Vi sinh vật và Công nghệ sinh học, Đại học Quốc gia Hà Nội. Thông tin cụ thể về chủng này như sau: Mục Thông tin cụ thể Ghi chú Tên khoa học Methylomonas sp. BG3 loài gần gũi nhất là Methylomonas methaneica, 95% tương đồng trong trình tự gen 16S rDNA Mã các gen tại GenBank 16S rDNA: KJ081955 pmoA: KJ081956 Gen 16S rDNA Gen pmoA mã hóa cho tiểu đơn vị α của enzyme methane-monooxygenase Điều kiện sinh trưởng tối ưu pH 6-8, nhiệt độ 25-40 o C, nồng độ muối 1-15g L⋅ -1 NaCl 2.2. Phương pháp 2.2.1. Phương pháp nuôi cấy MOB Thao tác nuôi cấy vi khuẩn được thực hiện ở điều kiện vô trùng trong tủ cấy vi sinh an toàn sinh học (Loại Class II A2 Biological Safety Cabinets) (Hình 4). Vi khuẩn MOB chủng BG3 được nuôi trong lọ thủy tinh nhỏ thể tích 150 ml, có nắp cao su và kẹp nhôm, chứa 30 ml môi trường khoáng dành cho MOB. Đậy kín nắp lọ và bơm khí methane vào để có tỷ lệ 30 – 40% khoảng không khí trong lọ. Bình được đặt nuôi trên máy lắc 120 vòng/phút để khí methane hòa vào trong dung dịch. Sau 3 ngày, lấy lọ thủy tinh nuôi MOB đã được lắc để kiểm tra. Sinh trưởng của vi khuẩn được xác định thông qua mức tăng độ đục của dịch nuôi. 10 [...]... được chuyển thành sinh khối MOB thì vi sinh vật hữu ích trong đất sẽ được cung cấp thêm nguồn dinh dưỡng để sinh trưởng, qua đó tăng độ màu của đất Tác động này cần được kiểm chứng để hướng tới vi c bổ sung vi khuẩn MOB vào phân bón vi sinh cho công nghệ canh tác lúa giảm phát Ngày thí nghiệm thải methane 14 3.3 Kết quả đo đạc và tính toán lượng khí methane phát thải trên các mô hình Kết quả đo được... tài, nhóm nghiên cứu đã thu được các kết quả sau - Làm quen với vi c tìm hiểu vấn đề, cách giải quyết vấn đề trong nghiên cứu khoa học thực nghiệm - Tìm hiểu về hiệu ứng khí nhà kính gây ra bởi khí methane dẫn đến sự nóng lên của khí hậu toàn cầu Liệt kê các nguồn phát sinh khí methane trong tự nhiên, đặc biệt tại Vi t Nam là do vi c trồng lúa nước - Để hạn chế ảnh hưởng của vi c phát thải khí methane, ... lượng khí methane ở mô hình thí nghiệm thấp hơn lượng khí methane ở mô hình đối chừng ~ 6,79 mg CH 4/h (tương đương khoảng 11% về khối lượng CH4 phát thải trong một giờ được giảm xuống) Các kết quả thí nghiệm đã chứng tỏ - Vi c bổ sung vi khuẩn MOB vào đất trồng lúa có tác động rõ rệt đến vi c giảm phát thải khí methane, cụ thể đo được là từ 11 – 20% - Kết quả bước đầu cho thấy tiềm năng ứng dụng MOB... hưởng của điều kiện khí nhà kính tới quá trình canh tác lúa trong thực tế Hình 9 So sánh phát thải methane giữa mô hình thí nghiệm và đối chứng Như vậy, sự có mặt của vi khuẩn MOB chủng BG3 có tác động tích cực tới C H4 vi c giảm phát thải methane từ đất trồng lúa Bên cạnh tác động này, MOB còn (p được biết đến là có sinh khối giàu protein với một số axit amin hiếm trong thành p m) phần, do vậy khi methane. .. là tìm cách hấp thụ khí methane sinh ra trên ruộng lúa nước, nhóm nghiên cứu đã tìm hiểu về một phương pháp vi sinh là sử dụng chủng vi khuẩn MOB có khả năng hấp thụ khí methane Nhóm đã tiến hành thí nghiệm tại Vi n vi sinh vật và công nghệ sinh học, sau đó tính toán ra khối lượng khí CH4 phát thải trong một giờ như sau: - Mô hình thí nghiệm: 56,01329 mg CH4/h - Mô hình đối chứng: 62,80376 mg CH4/h... hại hoặc diệt MOB và các vi sinh khác) Duy trì điều kiện ổn định này trong thời gian 1 tuần để lúa thích nghi đồng đều trước khi tiến hành thí nghiệm bổ sung MOB và đo phát thải methane Sau thời gian ổn định, MOB sẽ được bổ sung vào 1 mô hình (MH thí nghiệm) và mô hình còn lại được sử dụng làm đối chứng (MH đối chứng) Nắp của mô hình sẽ được đậy vào; sau 1, 2, 3, 4 ngày bổ sung MOB và lấy mẫu khí qua... dụng MOB như một thành phần của phân vi sinh cho công nghệ canh tác lúa có mức phát thải methane thấp, bổ sung thêm độ màu cho đất, giảm bớt lượng phân đạm cần bón, giúp tiết kiệm chi phí chăm sóc lúa Hướng nghiên cứu tiếp theo của đề tài Tiếp tục làm các thí nghiệm trên mẫu có kích thước lớn, gần với điều kiện sinh trưởng của cây lúa trong tự nhiên, thời gian theo dõi và đo đạc lâu hơn để đánh giá... vòng/phút trong thời gian 3 ngày Tại thời điểm dừng, mật độ quang của dịch nuôi đạt OD600 = 0,4, màu hồng nhạt, xuất hiện sinh khối bám trên thành lọ Lấy 0,1 ml dịch nuôi bằng xilanh vô trùng, đưa lên phiến kính và tiến hành kiểm tra tế bào vi khuẩn trên kính hiển vi (Hình 6) Hình 6 Sinh trưởng của chủng vi khuẩn BG3 và dịch nuôi trong bình nuôi và hình thái tế bào 12 3.2 Thí nghiệm xác định phát thải methane. .. 3 ở MHB) và đỉnh (van 2 ở MHA, van 4 ở MHB) Tại mỗi vị trí quá trình đo được lặp lại 3 lần để xác định mức sai số đối với mỗi phép đo Quá trình theo dõi được duy trì trong 4 ngày kể từ khi bổ sung vi khuẩn MOB vào mô hình A (Hình 8) Ngày 1 C H4 (p p m) Ngày 2 C H4 (p p m) Ngày Hình 8. 3Methane phát thải từ đất trồng lúa trong các mô hình thí nghiệm Ngày 4 C H4 (p p m) C H4 13 (p p m) Kết quả từ hình... các dụng cụ để nuôi cấy MOB trong tủ cấy an toàn sinh học 2.2.2 Thiết lập mô hình trồng lúa trong trong phòng thí nghiệm Làm sạch phần đáy hai mô hình mica có kích thước 40 × 40 × 30 cm, cho vào mỗi thùng đất ruộng tới chiều cao 10 cm Đặt vào mỗi thùng 9 khóm lúa đang làm đòng, vị trí cách đều theo diện tích đất Bổ sung nước ruộng vào thùng cho ngập trên bề mặt đất 0,5 – 1 cm (không dùng nước máy vì trong . HỌC 2014 - 2015). Tên đề tài: NGHIÊN CỨU ỨNG DỤNG VI KHUẨN OXY HÓA METHANE (MOB) TRONG VI C GIẢM PHÁT THẢI METHANE TỪ ĐẤT TRỒNG LÚA VÀ TĂNG DINH DƯỠNG CỦA ĐẤT TRỒNG Lĩnh vực: Công nghệ sinh. nghiên cứu ở Vi t Nam. Dự án khoa học này được đề xuất nhằm bước đầu tìm hiểu khả năng ứng dụng vi khuẩn MOB vào giảm phát thải khí methane từ đất trồng lúa ở Vi t Nam. 1.2. Vi khuẩn oxy hóa khí methane 1.2.1 đích giảm phát thải khí methane từ đất trồng lúa, tăng khả năng kiểm soát khí methane phát thải vào môi trường. Vi khuẩn MOB có mặt rộng rãi và phổ biến trong tự nhiên nên rất dễ được tìm thấy trong