Nghiên cứu ứng dụng đệm sinh học trong phân hủy hóa chất bảo vệ thực vật (2,4d và cartap)

Kết quả nghiên cứu của luận văn này là một phần kết quả nghiên cứu của đề tài “Nghiên cứu đặc tính và khả năng phân hủy Chlopyrifos của hỗn hợp sinh học trong hệ thống đệm sinh học” do P

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI

TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN

-

ĐÀM THỊ TRUNG HIẾU

NGHIÊN CỨU ỨNG DỤNG ĐỆM SINH HỌC TRONG PHÂN HỦY

HÓA CHẤT BẢO VỆ THỰC VẬT (2,4D VÀ CARTAP)

LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC

Hà Nội – 2019

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI

TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN

-

ĐÀM THỊ TRUNG HIẾU

NGHIÊN CỨU ỨNG DỤNG ĐỆM SINH HỌC TRONG PHÂN HỦY

HÓA CHẤT BẢO VỆ THỰC VẬT (2,4D VÀ CARTAP)

Chuyên ngành: Kỹ thuật Môi trường

Mã số: 8520320.01

LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: PGS.TS NGÔ THỊ TƯỜNG CHÂU

PGS.TS LÊ VĂN THIỆN

Hà Nội – 2019

i

LỜI CẢM ƠN

Với lòng kính trọng và biết ơn sâu sắc, em xin được gửi lời cảm ơn đến PGS.TS Ngô Thị Tường Châu cùng PGS.TS Lê Văn Thiện – giảng viên Khoa Môi trường – Trường Đại học Khoa học Tự nhiên đã trực tiếp giao đề tài và dành nhiều thời gian, tâm huyết hướng dẫn em tận tình, luôn động viên em giữ vững tinh thần, tạo điều kiện thuận lợi cho em trong suốt quá trình em thực hiện luận văn này

Qua đây em cũng xin được gửi lời cảm ơn chân thành tới toàn thể các thầy cô giáo trong Khoa Môi trường – Trường Đại học Khoa học Tự nhiên đã luôn tận tâm dạy dỗ, truyền đạt cho chúng em những bài học quý giá, những điều cốt lõi trong khoa học và thực tiễn, luôn nhiệt tình chỉ bảo, giải đáp mọi vướng mắc, giúp đỡ em trong suốt thời gian em học tập tại trường

Kết quả nghiên cứu của luận văn này là một phần kết quả nghiên cứu của đề

tài “Nghiên cứu đặc tính và khả năng phân hủy Chlopyrifos của hỗn hợp sinh học trong hệ thống đệm sinh học” do PGS.TS Ngô Thị Tường Châu chủ trì và đề tài

“Ảnh hưởng của việc bổ sung nấm mốc phân hủy lignin đến đặc tính và khả năng phân hủy Cartap của hỗn hợp sinh học” do PGS.TS Lê Văn Thiện cùng PGS.TS

Ngô Thị Tường Châu chủ trì Chủ trì đề tài đã cho phép tác giả sử dụng một phần kết quả nghiên cứu để viết luận văn này Tác giả xin cảm ơn chị Vũ Thị Thu - học viên cao học Môi trường_K23, bạn Phùng Thị Ngọc Mai, Lê Thị Thắm Hồng sinh viên lớp Khoa học môi trường_K59 - ĐHKHTH, đã cùng cộng tác với tác giả triển khai thực hiện các bước nghiên cứu của luận văn này

Em xin chân thành cảm ơn!

Hà Nội, tháng 4 năm 2019

Học viên

Đàm Thị Trung Hiếu

ii

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan luận văn này là công trình khoa học của tôi được thực hiện theo hướng nghiên cứu của PGS.TS Ngô Thị Tường Châu cùng PGS.TS Lê Văn Thiện trong chương trình đào tạo của trường Đại học Khoa học Tự nhiên – Đại học

Quốc gia Hà Nội Kết quả nghiên cứu là một phần của đề tài nghiên cứu “Ảnh hưởng của việc bổ sung nấm mốc phân hủy lignin đến đặc tính và khả năng phân hủy Cartap của hỗn hợp sinh học” mà tôi tham gia Các số liệu và kết quả trong luận văn là trung

thực và chưa từng được công bố Tôi hoàn toàn chịu trách nhiệm về nội dung luận văn

Hà Nội, tháng 4 năm 2019

Người thực hiện luận văn

Đàm Thị Trung Hiếu

ChE Cholinesterase (Là một loại enzyme)

DMAB 3-(dimethylamino) benzoic acid

HBT 1-hydroxybenzotriazol

(Là một chất trung gian nhân tạo) HCBVTV Hóa chất bảo vệ thực vật

HPLC High Performance Liquid Chromatography)

(Phương pháp sắc khí lỏng hiệu năng cao)

IUPAC International Union of Pure and Applied Chemistry (Liên minh Quốc

tế về Hóa học thuần túy và Hóa học ứng dụng) LC50 Lethal Concentration (Nồng độ gây chết 50% số cá thể thí nghiệm) LD50 Lethal Dose (Liều lượng gây chết 50% số cá thể dùng thử nghiệm) LiP Lignin Peroxidase

MBTH 3-methyl-2-benzothiazolinone hydrazone

MnP Manganese Peroxidase

PCR Thermal Cycler của Bio-Rad

PTN Phòng thí nghiệm

SSP Soil: Straw: Peat (Đất: Rơm: Than bùn)

SSS Soil: Straw: Spent mushroom substrate (Đất: Rơm: Bã thải nấm sò)

SSSM Soil: Straw: Spent mushroom substrate: Selected Mold strain

(Đất: Rơm: Bã thải nấm sò: Chủng nấm mốc được tuyển chọn) VSV Vi sinh vật

iv

DANH MỤC BẢNG

Bảng 1.1: Phân loại HCBVTV theo độ độc 8

Bảng 1.2: Phân loại nhóm độc theo WHO (LD50 mg/kg chuột) 8

Bảng 1.3: Phân loại HCBVTV theo công dụng 9

Bảng 1.4: Phân loại HCBVTV theo thời gian phân hủy 10

Bảng 3.1: Hoạt độ enzyme phân hủy lignin của 6 chủng nấm mốc nghiên cứu 43

Bảng 3.2: Đặc tính lí hóa của Biomix 45

Bảng 3.3: Hoạt độ enzyme phân hủy lignin ở các thời gian ủ ban đầu khác nhau của các Biomix (Đơn vị: đơn vị/kg) 47

Bảng 3.4: Mật độ của các nhóm VSV trong Biomix ở hỗn hợp 15 ngày ủ 48

Bảng 3.5: Mật độ quần thể VSV phân hủy cellulose, hemicellulose và lignin (Đơn vị: CFU/1 g cơ chất tươi) 51

Bảng 3.6: Hô hấp VSV trong Biomix 15 ngày ủ 52

Bảng 3.7: Nồng độ dư lượng 2,4D còn lại trong Biomix sau 15 ngày ủ (Đơn vị: ppm) 54

Bảng 3.8: Hiệu quả phân hủy 2,4D của Biomix sau 15 ngày ủ tại các độ ẩm và nhiệt độ khác nhau 54

Bảng 3.9: Nồng độ dư lượng 2,4D còn lại trong Biomix sau 30 ngày ủ (Đơn vị: ppm) 55

Bảng 3.10: Hiệu quả phân hủy 2,4D của Biomix sau 30 ngày ủ tại các độ ẩm và nhiệt độ khác nhau 55

v

Bảng 3.11: Nồng độ dư lượng Cartap còn lại trong Biomix sau 15 ngày ủ 56

Bảng 3.12: Hiệu quả phân hủy Cartap của Biomix sau 15 ngày ủ tại các độ ẩm và nhiệt độ khác nhau 57

Bảng 3.13: Nồng độ dư lượng Cartap còn lại trong Biomix sau 30 ngày ủ 57

Bảng 3.14: Hiệu quả phân hủy Cartap của Biomix sau 30 ngày ủ tại các độ ẩm và nhiệt độ khác nhau 57

Bảng 3.15: Sự biến động về hiệu quả phân hủy 2,4D và Cartap của Biomix trong Biobed 62

Bảng P1: Sự biến động về nhiệt độ của các Biomix trong Biobed 74

Bảng P2: Sự biến động về pH của các Biomix trong Biobed 75

Bảng P3: Sự biến động về độ ẩm của các Biomix trong Biobed 75

vi

DANH MỤC HÌNH

Hình 1.1: Công thức cấu tạo và phân tử của 2,4D 12

Hình 1.2: Công thức phân tử và cấu tạo của Cartap 13

Hình 1.3: Hệ thống đệm sinh học điển hình 17

Hình 1.4: Đệm sinh học không lót 18

Hình 1.5: Đệm sinh học có lót 18

Hình 1.6: Số lượng Biobed được sử dụng tại các quốc gia EU đến năm 2016 20

Hình 1.7: Tình hình ứng dụng Biobed trên thế giới không kể các nước châu Âu đến năm 2016 21

Hình 1.8: Cấu trúc phân tử của lignin (p-coumaryl alcohol, coniferyl alcohol, và sinapyl alcohol) 27

Hình 2.1: Ống nghiệm chứa các chủng nấm mốc trong tập hợp giống sẵn có 31

Hình 2.2: Các thành phần nguyên liệu của Biomix 33

Hình 2.3: Các thùng chứa các hỗn hợp Biomix hoàn chỉnh vừa tạo được 35

Hình 3.1: Đặc điểm hình thái của chủng nấm mốc N2 44

Hình 3.2: Trình tự nucleotide mã hóa cho đoạn gen 28S rRNA của chủng N2 44

Hình 3.3: Hoạt độ enzyme phân hủy lignin ở các thời gian ủ ban đầu khác nhau của Biomix SSSM, SSS và SSP 47

Hình 3.4: Mật độ vi khuẩn ở hỗn hợp 15 ngày ủ của các Biomix SSSM, SSS và SSP .49

vii

Hình 3.5: Mật độ xạ khuẩn ở hỗn hợp 15 ngày ủ của các Biomix SSSM, SSS và SSP

49

Hình 3.6: Mật độ nấm mốc ở hỗn hợp 15 ngày ủ của các Biomix SSSM, SSS và SSP .50

Hình 3.7: Mật độ quần thể VSV phân hủy cellulose, hemicellulose 51

Hình 3.8: Hô hấp VSV trong Biomix 15 ngày ủ của Biomix SSSM, SSS và SSP 53

Hình 3.9: Sự biến động về nhiệt độ của Biomix trong Biobed 59

Hình 3.10: Sự biến động về pH của Biomix trong Biobed 60

Hình 3.11: Sự biến động về độ ẩm của Biomix trong Biobed 61

Hình P1: Phiếu kết quả xét nghiệm định danh chủng nấm mốc N2 69

Hình P2: Kết quả giải trình tự và trình tự chi tiết mẫu thử 70

Hình P3: Kết quả tra cứu trên Blast Search (NCBI) 72

Hình P4: Kết quả tra cứu trên Blast Search (NCBI) 73

Hình P5: Các túi zip chứa các mẫu Biomix của 2,4D và Cartap ở các điều kiện nhiệt độ, độ ẩm, thời gian ủ khác nhau để mang đi phân tích 74

1

MỤC LỤC

LỜI CẢM ƠN i

LỜI CAM ĐOAN ii

BẢNG KÝ HIỆU CÁC CHỮ VIẾT TẮT iii

DANH MỤC BẢNG iv

DANH MỤC HÌNH vi

MỤC LỤC 1

MỞ ĐẦU 4

Chương 1 – TỔNG QUAN TÀI LIỆU 7

1.1 Tổng quan về HCBVTV 7

1.1.1 Khái niệm về HCBVTV 7

1.1.2 Phân loại hóa chất bảo vệ thực vật 7

1.1.3 Tình hình sử dụng HCBVTV và thực trạng ô nhiễm HCBVTV ở nước ta… 14

1.2 Tổng quan về Đệm sinh học 17

1.2.1 Đệm sinh học là gì? 17

1.2.2 Phân loại đệm sinh học 18

1.2.3 Cấu trúc của đệm sinh học 19

1.2.4 Tổng quan tình hình nghiên cứu ứng dụng hệ thống đệm sinh học tại các nước trên thế giới và Việt Nam 20

1.3 Tổng quan về VSV phân hủy lignin và khả năng phân hủy HCBVTV 26

Chương 2 – ĐỐI TƯỢNG VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 30

2.1 Đối tượng nghiên cứu 30

2.2 Phương pháp nghiên cứu 30

2.2.1 Phương pháp tổng quan và nghiên cứu tài liệu .30

2.2.2 Phương pháp tuyển chọn chủng nấm có hoạt tính phân huỷ lignin cao 30

2.2.3 Phương pháp chuẩn bị các Biomix 32

2

2.2.4 Phương pháp thu mẫu và xác định các đặc điểm lý hóa của các

Biomix… 35

2.2.5 Phương pháp định danh nấm mốc 37

2.2.6 Phương pháp xác định đặc tính sinh học của Biomix 38

2.2.7 Phương pháp xác định sự phân hủy HCBVTV 2,4D và Cartap 41

2.2.8 Xây dựng mô hình đệm sinh học để đánh giá hiệu quả xử lý 2,4D và Cartap 42

2.2.9 Phương pháp xử lý số liệu .42

Chương 3 – KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU VÀ THẢO LUẬN 43

3.1 Kết quả tuyển chọn và định danh chủng nấm mốc phân hủy lignin cao 43

3.1.1 Kết quả tuyển chọn chủng nấm mốc phân hủy lignin cao 43

3.1.2 Kết quả định danh chủng nấm mốc có khả năng phân hủy lignin cao được tuyển chọn 43

3.2 Đặc tính lí hóa của Biomix 45

3.3 Đặc tính sinh học của Biomix 46

3.3.1 Hoạt tính enzyme phân hủy lignin 46

3.3.2 Mật độ các nhóm VSV 48

3.3.3 Mật độ VSV phân hủy cellulose, hemicelluloses, lignin 50

3.3.4 Hô hấp của VSV 52

3.4 Ảnh hưởng của độ ẩm, nhiệt độ và thời gian phân huỷ đến khả năng phân hủy HCBVTV (2,4D và Cartap) của Biomix 53

3.4.1 Khả năng phân hủy hóa chất bảo vệ thực vật 2,4D 53

3.4.2 Khả năng phân hủy HCBVTV Cartap 56

3.5 Sự biến động các thông số lý hoá và hiệu quả xử lý 2,4D và Cartap của mô hình Biobed trong PTN 58

3.5.1 Sự rò rỉ nước của Biomix trong Biobed 58

3.5.2 Sự biến động về nhiệt độ của Biomix trong Biobed 59

3.5.3 Sự biến động về pH của Biomix trong Biobed 60

3.5.4 Sự biến động về độ ẩm của Biomix trong Biobed 60

3

3.5.5 Sự biến động về hiệu quả phân hủy 2,4D và Cartap của Biomix trong trong Biobed 61

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 63 TÀI LIỆU THAM KHẢO Error! Bookmark not defined PHỤ LỤC 65

Do bản chất dễ sử dụng, dễ tìm mua và khả năng diệt trừ sâu hại hiệu quả chỉ trong một thời gian ngắn, HCBVTV đã được sử dụng phổ biến trong sản xuất nông nghiệp Thực trạng sử dụng HCBVT tràn lan, bừa bãi, không rõ nguồn gốc, hoá chất

cũ, không còn được phép lưu hành, hoá chất rẻ tiền không đảm bảo chất lượng vẫn đang tràn lan trên thị trường và chưa thực sự có biện pháp giải quyết triệt để nào Ngoài ra, người nông dân thiếu kiến thức về việc sử dụng HCBVTV đúng cách, họ thường xuyên sử dụng thuốc không rõ nguồn gốc, không đúng liều lượng, không đủ thời gian cách li Những điều này góp phần làm tăng thêm nguồn gây ô nhiễm điểm

do HCBVTV Bên cạnh đó, một nguyên nhân mà ít người quan tâm đến nhưng lại gây tác hại nghiêm trọng đến môi trường đó là việc tráng rửa dụng cụ sau khi phun HCBVTV Hầu hết nước sau khi tráng rửa dụng cụ thường được đổ trực tiếp vào các lưu vực lân cận như ao, hồ, sông, suối hoặc đổ trực tiếp trên đồng ruộng hoặc bãi đất hoang Việc này dẫn đến các điểm ô nhiễm HCBVTV ngày càng nhiều và mức độ ngày càng cao

Trong khi đó, hệ thống đệm sinh học (Biobed) có nguồn gốc từ Thụy Điển là một trong những giải pháp được khuyến khích sử dụng trong việc quản lý ô nhiễm HCBVTV từ các nguồn điểm nói trên để hạn chế và khắc phục tình trạng ô nhiễm HCBVTV Biobed là một hệ thống đơn giản, chi phí thấp được lắp đặt ngay tại vùng canh tác nông nghiệp nhằm thu gom và phân hủy HCBVTV từ việc tráng rửa dụng

Vì vậy, với mục tiêu tối ưu hóa hệ thống Biobed để có thể triển khai ứng dụng

trong điều kiện nước ta, trong khuôn khổ luận văn này, chúng tôi đặt vấn đề “Nghiên cứu ứng dụng đệm sinh học trong phân hủy hóa chất bảo vệ thực vật (2,4D và Cartap)”

v Mục tiêu nghiên cứu của đề tài:

1 Phát triển mô hình Biobed có khả năng phân hủy 2,4D và Cartap từ các nguyên liệu sẵn có ở nước ta

2 Góp phần giảm thiểu tác động của dư lượng HCBVTV nói chung, hoá chất 2,4D và Cartap nói riêng đến môi trường

v Luận văn bao gồm các nội dung nghiên cứu sau:

1 Tuyển chọn chủng nấm mốc có hoạt tính phân hủy lignin cao và định danh chủng nấm mốc phân hủy lignin được tuyển chọn

2 Chuẩn bị và khảo sát một số đặc tính lý hóa ban đầu của các Biomix

3 Nghiên cứu ảnh hưởng của thời gian ủ ban đầu đến hoạt tính sinh học của các Biomix

7

Chương 1 – TỔNG QUAN TÀI LIỆU 1.1 Tổng quan về HCBVTV

1.1.1 Khái niệm về HCBVTV

Theo Tổ chức Nông nghiệp và Lương thực của Liên hợp Quốc (FAO) đã đưa

ra định nghĩa về HCBVTV như sau: “HCBVTV là bất kỳ hợp chất hay hỗn hợp được dùng với mục đích ngăn ngừa, tiêu diệt hoặc kiểm soát các tác nhân gây hại, bao gồm vật chủ trung gian truyền bệnh của con người hoặc động vật, các bộ phận không mong muốn của thực vật hoặc động vật gây hại hoặc ảnh hưởng đến các quá trình sản xuất, chế biến, bảo quản, vận chuyển, mua bán thực phẩm, nông sản, gỗ và các sản phẩm

từ gỗ, thức ăn chăn nuôi hoặc hợp chất phân tán lên động vật để kiểm soát côn trùng, nhện hay đối tượng khác trong hoặc trên cơ thể chúng HCBVTV còn là tác nhân điều hòa sinh trưởng thực vật, chất làm rụng lá, chất làm khô cày, tác nhân làm thưa quả hoặc ngăn chặn rụng quả sớm Cũng có thể dùng HCBVTV cho cây trồng trước cũng như sau khi thu hoạch để bảo vệ sản phẩm không bị hỏng trong quá trình bảo quản

và vận chuyển” [33]

1.1.2 Phân loại hóa chất bảo vệ thực vật

Có nhiều cách phân loại thuốc bảo vệ thực vật như: phân loại theo công dụng (đối tượng) phòng trừ, theo gốc hoá học (các gốc có nguồn gốc khác nhau thì tính độ khác nhau), phân loại theo thời gian phân hủy hoặc theo con đường xâm nhập, vv…

Có thể phân loại HCBVTV theo các nhóm sau:

1.1.2.1 Phân loại theo nhóm độc

Theo Tổ chức Y tế thế giới, việc phân loại này dựa trên độc tính của hoạt chất (technical grade) và dạng tồn tại tương ứng Các chuyên gia về độc học đã nghiên cứu ảnh hưởng của chất độc lên cơ thể chuột và đã đưa ra 5 nhóm độc theo tác động của độc tố qua đường miệng và qua da Tất cả các loại HCBVTV đều độc với người

và động vật máu nóng Tuy nhiên đối với mỗi loại khác nhau và tùy theo cách xâm nhập vào cơ thể mà có mức độ gây độc Việc phân loại độ độc nhằm phân biệt độc tính giữa các loại HCBVTV

của mỗi loại HCBVTV, sử dụng LD50 (Lethal

dose 50) là liều lượng của hóa chất phơi nhiễm

trong cùng một thời điểm cần thiết gây chết

50% cá thể dùng thí nghiệm và tính bằng đơn

vị mg/kg thể trọng

Độ độc cấp tính dạng hơi của HCBVTV

được biểu thị bằng LC50 (Lethal concentration

50), là nồng độ của hóa chất cho các thí

nghiệm hít phải trong không khí gây chết 50%

cá thể thí nghiệm, đơn vị mg/m3 không khí

LD50 và LC50 càng nhỏ thì độ độc càng cao

Độc mãn tính là khả năng tích lũy

và gây độc của HCBVTV trong

cơ thể người và động vật máu nóng trong thời gian dài Mỗi loại hóa chất trước khi được công nhận là HCBVTV phải được kiểm tra về độ độc mãn tính, bao gồm: khả năng kích thích tế bào khối u ác tính, khả năng gây tích lũy trong cơ thể người và động vật máu nóng, ảnh hưởng của hóa chất đến bào thai và khả năng gây

dị dạng đối với thế hệ sau

(Nguồn: Báo cáo Hiện trạng ô nhiễm môi trường do HCBVTV tồn lưu thuộc nhóm

chất hữu cơ khó phân huỷ tại Việt Nam, 2015) [5]

Bảng 1.2: Phân loại nhóm độc theo WHO (LD50 mg/kg chuột)

nhóm độc

Màu sắc quy ước

trung bình Xanh da trời 50-500 200-200 200-200 400-400

4 III Độc ít Xanh lá cây 500-2000 2000-3000 1000 4000

5 VI Độc rất

(Nguồn: Lê Huy Bá, Lâm Minh Triết, 2000) [1]

9

1.1.2.2 Phân loại theo công dụng

Bảng 1.3: Phân loại HCBVTV theo công dụng

1 Thuốc trừ sâu bệnh

- Hợp chất hữu cơ clo;

- Hợp chất hữu cơ photpho;

-Thuốc diệt nấm vô cơ;

- Thuốc diệt nấm hữu cơ;

- Thuốc diệt nấm qua rễ;

(Nguồn: Lê Huy Bá, Lâm Minh Triết, 2000) [1]

1.1.2.3 Phân loại theo con đường xâm nhập

Phần lớn các HCBVTV đều có vị trí tác động đặc thù Sự khác biệt về cấu tạo

cơ thể, lớp phủ cơ thể và thói quen của dịch hại có thể ảnh hưởng đến sự xâm nhập của thuốc Dạng chế phẩm và điều kiện môi trường cũng ảnh hưởng đến sự hấp thu HCBVTV Sinh vật hấp thu HCBVTV theo nhiều cách:

10

- Tiếp xúc: HCBVTV loại gây độc qua tiếp xúc xâm nhập vào cơ thể sinh vật qua biểu bì da để tiêu diệt Thuốc trừ bệnh tiếp xúc khi phun lên cây chỉ bám dính trên bề mặt lá cây hoặc vỏ thân cây và chỉ diệt những sinh vật có tiếp xúc với thuốc

ở bề mặt cây HCBVTV loại này chỉ gây cháy ở những nơi cây có tiếp xúc với giọt thuốc

- Vị độc: là tác động của thuốc khi xâm nhập vào bộ phận tiêu hoá của động vật (côn trùng, chuột, chim,…) Chất độc khi được ăn qua đường miệng vào trong ruột, hoà tan trong dịch vị ở dạ dày và ruột giữa, thấm qua thành ruột và di chuyển đến các

cơ quan trong cơ thể để gây hại

- Xông hơi: được sinh vật hấp thu vào cơ thể qua sự hô hấp và các bộ phận thở, qua da, lớp biểu bì hoặc trực tiếp tiêu diệt dịch hại Thuốc có thể sinh khí, khói, mù

có tác dụng diệt côn trùng, nấm, vi khuẩn, chuột

- Lưu dẫn, nội hấp: là khả năng của thuốc có thể xâm nhập và di chuyển trong cây để tiêu diệt dịch hại bằng cách tiếp xúc hay vị độc Trong cây, thuốc có thể di chuyển theo 2 chiều là hướng ngọn và hướng rễ

- Thấm sâu: thuốc có khả năng thấm qua các lớp tế bào biểu bì cây để giết dịch hại nằm dưới lớp biểu bì, mà không có khả năng di chuyển trong cây

1.1.2.4 Phân loại theo thời gian phân hủy

Mỗi loại HCBVTV đều có thời gian phân hủy khác nhau trong môi trường

Bảng 1.4: Phân loại HCBVTV theo thời gian phân hủy

1 Hầu như không phân hủy - Các hợp chất hữu cơ chứa kim loại:

Hg, As,…

2 Khó phân hủy hay POP 2-5 năm DDT

3 Phân hủy trung bình 1-18 tháng 2,4D

4 Dễ phân hủy 1-12 tuần Carbamate

(Nguồn: Báo cáo Hiện trạng ô nhiễm môi trường do HCBVTV tồn lưu thuộc nhóm

chất hữu cơ khó phân huỷ tại Việt Nam, 2015) [5]

11

1.1.2.5 Phân loại theo nhóm chất hóa học

- Nhóm Clo hữu cơ: HCBVTV nhóm Clo hữu cơ chủ yếu là dẫn xuất Clo của hydrocarbon đa nhân, xicloparafin, tecpen; là những hợp chất mà trong cấu trúc phân

tử của chúng có chứa một hoặc nhiều nguyên tử Cl liên kết trực tiếp với nguyên tử C Một số chất điển hình như là clorobenzen (DDT), 666, Aldrin, Dieldrin HCBVTV nhóm Clo hữu cơ được xếp vào nhóm HCBVTV có độ độc ở mức độ I hoặc II, có đặc tính phân giải rất chậm, khó phân huỷ sau khi được phun và tồn lưu lâu trong cơ thể người, động vật và môi trường, gây độc mãn tính nên nhiều sản phẩm bị cấm hoặc hạn chế sử dụng

- Nhóm Lân hữu cơ: được đưa vào sử dụng từ những năm 40 và 50, là những dẫn xuất từ axit photphoric, điển hình là Chlorpyrifos, Methyl Parathion, Ethyl Parathion, Mehtamidophos, Malathion…, hầu hết cũng đã bị cấm do độc tính cao

- Nhóm Cúc tổng hợp (Pyrethriod và Pyrethrum): được chiết xuất từ cây hoa cúc, công thức hóa học phức tạp, diệt sâu bệnh chủ yếu bằng đường tiếp xúc và vị độc tương đối nhanh, dễ bay hơi, dễ phân hủy trong môi trường và thường không tồn

tại trong nông sản

- Nhóm Phenoxy aliphatic acid: nhóm HCBVTV này bao gồm một dãy hợp chất

có nhân phenoxy nối với axit acetic, axit propionic và axit butyric Độ tan của loại này cao hơn các HCBVTV khác Loại HCBVTV này có tính chọn lọc, hiệu ứng formoon trên cỏ lá rộng, làm rối loạn sự phát triển bình thường Thuốc được hấp phụ qua rễ, chồi non và thuốc vận chuyển dễ dàng trong cây Ví dụ điển hình là 2,4D, 2,4,5-T, MCPA Khoảng những năm 70 thuốc 2,4,5-T bị coi là ô nhiễm bởi dioxin là một tạp chất cực kỳ độc Vì vậy nó không được đăng ký tiếp Tuy nhiên 2,4D và MCPA vẫn được sử dụng cho đến ngày nay Do đó, 2,4D là HCBVTV trong nhóm Phenoxy aliphatic acid được chọn làm đối tượng nghiên cứu của đề tài

2,4D có tên quốc tế là 2,4-Dichlorophenoxyacetic acid và có khối lượng phân

tử là 221,04 g/mol Ở dạng tinh khiết, 2,4D là chất bột màu trắng đến vàng Tan trong các dung môi như ethanol, diethyl ether, toluene và xylen

2,4D có công thức phân tử: C8H6Cl2O3, công thức cấu tạo (Hình 1.1)

12

Hình 1.1: Công thức cấu tạo và phân tử của 2,4D

Nhiệt độ nóng chảy là của 2,4D là 140,5°C và nhiệt độ bay hơi là 160°C Ở nhiệt độ 25°C, 2,4D có thể được hòa tan với hàm lượng 900 mg/l

2,4D là thuốc diệt cỏ được tổng hợp từ các auxin và được sản xuất thương mại vào năm 1946, được nhiều nước trên thế giới cho phép dùng làm chất trừ cỏ dại cho các loại cây trồng như lúa mì, ngô, gạo, cũng như là trong ngũ cốc Trong các sản phẩm của 2,4D thường có một số lượng chất Chlorophenol không được tổng hợp hết (gọi là phenol tự do) tạo nên mùi nặng khó chịu đặc trưng của 2,4D Trong tự nhiên, Chlorophenol tồn tại tương đối lâu và có thể chuyển hóa thành chất Dioxin Chất Dioxin có khả năng kích thích tế bào ung thư phát triển, gây đột biến tế bào và dị dạng cơ thể người và động vật máu nóng Ngoài ra, 2,4D rất độc với mắt (xếp loại độ độc số I đối với mắt), có thể gây ảnh hưởng trực tiếp đến các tế bào máu trắng, do đó làm tăng nguy cơ gây ung thư bạch huyết ở người, sử dụng lâu dài gây ảnh hưởng đến hệ thần kinh, nội tiết và hệ miễn dịch

Hiện nay chủ yếu 2,4D được sử dụng trong những hỗn hợp pha trộn với các loại thuốc diệt cỏ khác, có vai trò như một chất tăng cường tác dụng Nó đang được

sử dụng rộng rãi trên khắp thế giới Chỉ tính riêng tại Mỹ, 2,4D là chất diệt cỏ thông dụng đứng hàng thứ 3

13

Ở Việt Nam, thuốc trừ cỏ chứa 2,4D đã được đăng ký sử dụng từ hơn 25 năm nay Mặc dù đây là một loại thuốc trừ cỏ có hiệu quả, tuy nhiên, với đặc điểm địa hình 3/4 diện tích là đồi núi, tình trạng sử dụng thuốc không đúng hướng dẫn và quy định dẫn đến việc gây ô nhiễm nguồn nước, nguồn đất, để lại dư lượng trong nông sản gây ảnh hưởng nghiêm trọng đến sức khỏe con người và môi trường Bên cạnh

đó, thuốc trừ cỏ chứa 2,4D còn là vấn đề được người dân đặc biệt quan tâm bởi 2,4D

là một trong hai thành phần chính có trong chất độc màu da cam (orange agent) gồm 2,4D và 2,4,5-T (trichlorophenoxyaxetic acid) và chất trắng (white agent) gồm 2,4D

và Picloram mà quân đội Mỹ đã sử dụng làm chất diệt cỏ và rụng lá trong chiến tranh với Việt Nam

- Nhóm Carbamate: là các dẫn xuất của axit cabamic, có tác dụng như lân hữu

cơ ức chế enzyme cholinesterase Thuốc được hấp thụ thông qua rễ, lá và lưu chuyển tốt trong cây Nhóm thuốc carbamate có hiệu lực phòng trừ cỏ hàng năm và cỏ lá rộng Thuốc tác động bằng cách ức chế nảy mầm và ức chế sự phân chia tế bào Carbamate có độc tính thấp với động vật máu nóng, khả năng tiêu diệt côn trùng rộng rãi và tồn lưu trong đất ngắn Trong đó, HCBVTV điển hình đại diện cho nhóm Carbamate là Cartap, là hóa chất được sử dụng rất phố biến từ xưa đến nay và nằm trong danh mục HCBVTV được phép sử dụng tại nước ta (theo Thông tư 03/2016/TT-BNNPTNT) Vì vậy, cùng với 2,4D, Cartap được chọn làm đối tượng nghiên cứu trong đề tài này

• Cartap có công thức phân tử: C7H15N3O2S2 và công thức cấu tạo (Hình 1.2)

Hình 1.2: Công thức phân tử và cấu tạo của Cartap

14

Cartap có khối lượng phân tử là 237,34 g/mol, được sử dụng phòng trừ với đối tượng là sâu cuốn lá, sâu đục thân, rầy nâu, sâu khoang… Cartap thuộc nhóm độc II, mức độ độc với cá độc trung bình, với ong độc nhẹ

Độ hòa tan của Cartap trong nước ở 25°C, khoảng 200 g/l Rất ít tan trong methanol và ethanol Không hòa tan trong axeton, dietyl ete, etyl axetat, chloroform, benzen và n-hexan Ổn định trong điều kiện có tính axit, nhưng được thủy phân trong dung dịch trung tính hoặc kiềm Ăn mòn sắt, đồng và kẽm

Cartap không ức chế enzyme Cholinesterase (ChE) Trong tế bào thần kinh thì Cartap chuyển thành Nereistoxin (một loại thuốc trừ sâu có công thức là 4-N,N-dimethylamino-1,2 dithiolane) có ái lực yếu với enzyme ChE nhưng lại ức chế hoạt tính màng sau xinap của tế bào thần kinh trung ương làm tê liệt sự dẫn truyền kích thích thần kinh (được gọi là quá trình cabamil hóa enzyme ChE) Cơ chế này cũng là

cơ chế gây độc của thuốc Nicotin (thảo mộc) Khi dẫn chuyền kích thích thần kinh, ở đầu mút dây thần kinh sản sinh ra chất acetin cholin để dẫn truyền kích thích Sau khi làm xong nhiệm vụ dẫn truyền qua các đầu mút thần kinh, acetin cholin được thuỷ phân nhờ enzyme ChE Enzyme này lại dễ bị ức chế bởi HCBVTV nhóm lân hữu cơ

và carbamate Khi ChE bị ức chế, acetin cholin không bị thuỷ phân sẽ tích luỹ lại với lượng lớn làm cho dây thần kinh bị tổn thương và đứt đoạn, sự kích thích thần kinh

bị rối loạn và tê liệt Đối với người và động vật khác, carbamate cũng tác động theo

cơ chế này Do đó, Cartap có đặc điểm chung là diệt trứng, sâu non và sâu trưởng thành, sâu miệng nhai, miệng chích hút Ngăn chặn sự dẫn truyền axetylcholin làm

côn trùng bị tê liệt, ngừng ăn và chết

1.1.3 Tình hình sử dụng HCBVTV và thực trạng ô nhiễm HCBVTV ở nước ta

Ở nước ta, HCBVTV đóng một vai trò quan trọng trong sự phát triển của ngành nông nghiệp, giúp bảo vệ mùa màng, tăng năng suất, chất lượng nông phẩm Nhờ có HCBVTV mà nước ta trở thành nước xuất khẩu gạo đứng thứ 3 trên thế giới vào năm

2016, sau Thái Lan và Ấn Độ Ngoài mặt hàng xuất khẩu chủ lực là gạo, nước ta còn

có các nông phẩm xuất khẩu thế mạnh nữa là cà phê, cao su, hồ tiêu, điều

15

Theo số liệu của Cục Bảo vệ Thực vật trong giai đoạn năm 2001 - 2010, lượng HCBVTV được sử dụng ở nước ta là 36 - 75,8 ngàn tấn Lượng hoạt chất tính theo đầu diện tích canh tác (kg/ha) cũng tăng từ 0,3 kg (1981 - 1986) lên 1,24 - 2,54 kg (2001 - 2010) Giá trị nhập khẩu HCBVTV cũng tăng nhanh, năm 2008 là 472 triệu USD, năm 2010 là 537 triệu USD Số loại HCBVTV đăng ký sử dụng cũng tăng nhanh, trước năm 2000 số hoạt chất là 77, tên thương phẩm là 96, năm 2000 là 197,

và 722, đến năm 2011 lên 1202 và 3108 Như vậy trong vòng 10 năm (2000 - 2011)

số lượng HCBVTV sử dụng tăng 2,5 lần, số loại HCBVTV nhập khẩu tăng khoảng 3,5 lần Trong năm 2010, lượng HCBVTV sử dụng bằng 40% mức sử dụng trung bình của 4 nước lớn dùng nhiều HCBVTV trên thế giới (Mỹ, Pháp, Nhật và Brazil), trong khi GDP của nước ta chỉ bằng 3,3% GDP trung bình của họ Số lượng hoạt chất đăng ký sử dụng ở Việt Nam hiện nay xấp xỉ 1.000 loại trong khi của các nước trong khu vực từ 400 - 600 loại, như Trung Quốc 630 loại, Thái Lan, Malasia 400 - 600 loại Sử dụng HCBVTV bình quân đầu người ở Trung Quốc là 1,2 kg, ở Việt Nam là 0,95 kg (2010) [6]

Theo quy định mới tại Thông tư số 03/2016/TT-BNNPTNT, từ ngày 06/06/2016, danh mục HCBVTV được phép sử dụng trong nông nghiệp gồm 1.710 hoạt chất, trong đó có 775 hoạt chất thuốc trừ sâu với 1.678 tên thương phẩm, 608 hoạt chất thuốc trừ bệnh với 1.297 tên thương phẩm, 227 hoạt chất thuốc trừ cỏ với

694 tên thương phẩm, 50 hoạt chất thuốc điều hòa sinh trưởng với 142 tên thương phẩm… Bộ Nông nghiệp và Phát triển Nông thôn cũng đưa vào danh mục HCBVTV

29 hoạt chất cấm sử dụng tại Việt Nam [2]

Theo thống kê đầu năm 2015, cả nước hiện vẫn còn 1.562 điểm tồn lưu HCBVTV Trong số đó, khoảng 200 điểm được đánh giá là có mức độ rủi ro cao, gây

ô nhiễm môi trường nghiêm trọng và đặc biệt nghiêm trọng, ảnh hưởng lớn đến môi trường cũng như sức khỏe của cả cộng đồng Do đó, công việc quản lý môi trường tại những điểm này sẽ phải tập trung vào nội dung cải tạo, xử lý triệt để nhằm phục hồi các khu vực bị ô nhiễm để đưa hiện trạng của đất và nguồn nước ngầm trở về được trạng thái ban đầu

16

Bên cạnh đó, những năm gần đây, do tác động của biến đổi khí hậu, thời tiết diễn biến bất thường cộng với vấn đề thâm canh, tăng vụ đã khiến cho tình hình dịch bệnh gây hại trên cây trồng diễn ra khá phức tạp, kéo theo số lượng và chủng loại HCBVTV cũng tăng lên Mặt khác, một số loại HCBVTV kém chất lượng, khi phun không mang lại hiệu quả như mong muốn nên người nông dân phải phun đi, phun lại nhiều lần, dẫn đến thiệt hại về kinh tế Từ đó, dẫn đến tình trạng sử dụng HCBVTV tùy tiện, không đúng loại thuốc, không theo khuyến cáo của cơ quan chức năng Theo kết quả nghiên cứu thì phun thuốc cho cây trồng có tới 50% lượng thuốc rơi xuống đất và một số thuốc rải trực tiếp vào đất

Ngoài ra, trong quá trình sử dụng HCBVTV còn có vấn đề đáng lo ngại là người dân hoàn toàn không có ý thức xử lý lượng HCBVTV còn tồn lại trên vỏ bao

bì HCBVTV Đỗ Kim Vân - Hội Khoa học Kỹ thuật BVTV Việt Nam đã dẫn một nghiên cứu của Viện Môi trường Nông nghiệp Việt Nam cho thấy lượng HCBVTV còn bám lại trên vỏ bao bì bình quân chiếm 1,85% - 2% tỷ trọng bao bì và như vậy căn cứ vào số lượng HCBVTV sử dụng hàng năm thì môi trường nông nghiệp Việt Nam có khoảng từ 150 - 200 tấn thuốc từ bao bì thải loại vào đồng ruộng gây ô nhiễm môi trường [7] Theo thống kê cả nước hiện còn tồn đọng trên 706 tấn thuốc cần tiêu hủy và 19.600 tấn rác bao bì thuốc bảo vệ thực vật chưa được thu gom và xử lý, hàng năm phát sinh mới khoảng 9.000 tấn [6] Hơn nữa, một nguồn phát thải HCBVTV ra môi trường từ nước rửa tại vị trí làm vệ sinh dụng cụ; từ việc thải bỏ không đúng quy định các bình chứa, nước súc rửa bình chứa, và lượng thuốc chưa sử dụng hết; vỏ, bao bì đựng HCBVTV; và lượng thuốc bị đổ ra ngoài khi pha trộn cũng rất đáng được quan tâm

Dư lượng HCBVTV theo nước thấm và tích lũy gây ô nhiễm các tầng đất Trong đó, đất canh tác là nơi tập trung tích lũy dư lượng HCBVTV cao nhất Ngoài

ra, dư lượng HCBVTV gây ô nhiễm nguồn nước một cách trầm trọng Thực tế cho thấy nước ao nuôi tôm và kênh rãnh cấp nước tại 07 điểm ở các tỉnh Kiên Giang, Cà Mau, Sóc Trăng, Bến Tre tất cả các mẫu nước đều tồn tại HCBVTV và có 70% mẫu vượt quá mức quy định Tỉnh Vĩnh Long các sông, rạch vùng trồng lúa xã Trung

17

Chánh (Vũng Liêm), Thuận An, Mỹ Thuận (Bình Minh) và vùng trồng rau xã Tân Quới, Thành Lợi (Bình Minh) trong nước có gốc Clo hữu cơ và một số hóa chất độc hại khác vượt mức cho phép Các vùng sản xuất nông nghiệp tại lưu vực sông Cầu sử dụng rộng rãi các loại phân hóa học khoảng 500.000 tấn/năm, lượng dư thừa đổ vào khoảng 33% [35] Hậu quả của việc sử dụng HCBVTV một cách bừa bãi, không đúng quy định về liều lượng cũng như việc người dân không có ý thức trong việc xử lý bao

bì và nước tráng rửa bình phun đã làm cho lượng HCBVTV tồn dư ngày càng tăng

cả về số lượng và quy mô, làm ô nhiễm nguồn nước trên nhiều sông, rạch diễn ra nhiều nơi rất nguy hại cho môi trường và sức khỏe con người, gây ra nhiều hệ lụy

1.2 Tổng quan về Đệm sinh học

1.2.1 Đệm sinh học là gì? lớp lớp

Biobed đầu tiên có nguồn gốc từ Thụy Điển để đáp ứng nhu cầu về một phương pháp đơn giản, hiệu quả và chi phí thấp nhằm giảm thiểu ô nhiễm môi trường từ HCBVTV, đặc biệt là từ việc trán rửa dụng cụ bơm phun Biobed bao gồm ba hợp phần chứa trong một hố sâu 60 cm: (i) một lớp đất sét ở đáy, (ii) hỗn hợp sinh học (biomix) của rơm, than bùn và đất với tỉ lệ 2:1:1 về khối lượng ở giữa, và (iii) một lớp cỏ phủ trên bề mặt [9, 12]

Hình 1.3: Hệ thống đệm sinh học điển hình

(Nguồn: https://www.hallbarconsulting.com/biobeds-explained/)

18

1.2.2 Phân loại đệm sinh học

Hệ thống đệm sinh học được phân thành hai loại dựa vào việc đệm có hoặc không có lớp lót ở đáy nhằm cách ly với môi trường:

- Đệm sinh học không có lớp lót: không có lớp lót chống thấm ở đáy mà chỉ có

lớp sét tự nhiên hoặc được thêm vào (Hình 1.4)

Hình 1.4: Đệm sinh học không lót

a) Đệm sinh học không lót có một lớp sét được thêm vào; b) Đệm sinh học không

lót có lớp sét tự nhiên

- Đệm sinh học có lót: đáy được lót bởi một lớp tổng hợp chống thấm (nhựa, bê

tông ) có tác dụng thu hồi nước (Hình 1.5)

Hình 1.5: Đệm sinh học có lót

19

1.2.3 Cấu trúc của đệm sinh học

Một đệm sinh học điển hình bao gồm 3 hợp phần chính và mỗi hợp phần có một vai trò khác nhau, thúc đẩy hoạt động VSV và tối đa hóa việc xử lý HCBVTV:

- Lớp sét: lớp chống thấm giúp giảm lượng nước thấm lọc xuống dưới, tăng

thời gian lưu giữ HCBVTV trong đệm sinh học nhờ độ thấm thấp và khả năng hấp phụ cao

- Lớp Biomix: gồm 3 thành phần với chức năng chính của Biomix là lưu giữ

và phân hủy HCBVTV nhờ vào khả năng hấp phụ và hoạt động của VSV phân giải, đặc biệt là VSV phân giải lignin VSV trong quá trình phân giải lignin sẽ tiết ra hệ enzyme phân hủy lignin (bao gồm: laccase, lignin peroxidase và mangan peroxidase)

Hệ enzyme này có khả năng phân hủy được xenobiotic (hợp chất dị sinh ngoại lai),

từ đó phân hủy được HCBVTV Tuy nhiên, khả năng hấp phụ và hoạt động của hệ VSV trong Biomix phụ thuộc trực tiếp vào thành phần, tính đồng nhất, tuổi, độ ẩm

và nhiệt độ của hỗn hợp

+ Rơm: cung cấp nguồn cơ chất chính cho sự sinh trưởng và phát triển của

VSV phân hủy HCBVTV Đặc biệt là rơm kích thích sản xuất các enzyme phân hủy lignin như mangan peroxidase (MnP) Chúng tiết ra các enzyme phân hủy lignin và nhờ tính đặc hiệu rộng của các enzyme này khiến chúng có thể phân huỷ một lượng lớn các HCBVTV [13] Hàm lượng rơm càng nhiều thì lượng enzyme này tiết ra càng lớn, tương ứng với tăng quá trình hô hấp trong hỗn hợp làm cho HCBVTV càng bị phân tán nhanh Vì vậy, rơm là hợp phần không thể thiếu trong Biomix tuy nhiên hàm lượng chỉ nên dừng ở mức 50% để giúp cho hỗn hợp được đồng nhất

+ Đất: giàu mùn, cung cấp nguồn thức ăn dồi dào giúp tăng cường hoạt động

của hệ VSV, tăng khả năng hấp phụ HCBVTV

+ Than bùn giúp giữ độ ẩm, pH và tham gia vào sự phân hủy HCBVTV

- Lớp cỏ: giúp điều chỉnh độ ẩm, ngoài ra chất tiết vùng rễ cũng có thể chứa

các enzyme có khả năng phân hủy HCBVTV Bên cạnh đó, sự hút thu chất dinh dưỡng của cỏ cũng góp phần giảm lượng HCBVTV

20

1.2.4 Tổng quan tình hình nghiên cứu ứng dụng hệ thống đệm sinh học tại các

nước trên thế giới và Việt Nam

1.2.4.1 Tình hình ứng dụng Biobed trên thế giới

Từ khi ra đời lần đầu tiên tại Thụy Điển vào năm 1993 đến nay, Biobed đã thu hút sự chú ý của rất nhiều quốc gia và được nghiên cứu rộng khắp thế giới Hiện Biobed được tìm thấy trên khắp châu Âu và nhiều vùng của Trung và Nam Mỹ Tính đến năm 2016, tổng số quốc gia ứng dụng hệ thống Biobed vào trong thực tiễn đã lên tới 36 nước, trong đó có 20 nước thuộc châu Âu (chiếm đến 57%), châu Mỹ có 10 nước, châu Phi có 3 nước, châu Á có 2 nước (Trung Quốc và Nhật Bản), châu Úc có

1 nước (New Zealand) Cho đến nay, Canada có 6 địa điểm nghiên cứu Biobed ở phía Tây và 17 địa điểm khác ở Quebec Các hệ thống đã được nghiên cứu bởi Bộ Nông nghiệp & Thực phẩm Canada (AAFC) trong những năm gần đây, với kết quả rất khả quan [33]

Hình 1.6: Số lượng Biobed được sử dụng tại các quốc gia EU đến năm 2016

(Nguồn: Jens Husby, 2016)

21

Hình 1.7: Tình hình ứng dụng Biobed trên thế giới không kể các nước châu Âu

đến năm 2016

(Nguồn: Jens Husby, 2016)

Việc đưa hệ thống Biobed vào áp dụng tại từng nước liên quan điều kiện khí hậu, điều kiện canh tác đặc trưng, các yêu cầu cụ thể (chi phí) và đặc biệt là sự sẵn

có về nguồn nguyên liệu cho Biomix Kết quả là, hệ thống Biobed đã được sửa đổi ít nhiều so với thiết kế ban đầu và đôi khi được đổi tên, ví dụ như: sinh khối ở Ý, bộ lọc sinh học ở Bỉ, hay Phytobac và Biobac ở Pháp Vì vậy, các nghiên cứu ứng dụng hệ Biobed nhằm đáp ứng điều kiện cụ thể của mỗi nước được tập trung theo các hướng chính sau: (i) thay đổi thiết kế, (ii) thay đổi thành phần Biomix, và (iii) tối ưu hóa một

số yếu tố ảnh hưởng đến hiệu quả phân hủy HCBVTV của hệ thống Biobed

a) Thay đổi thiết kế so với hệ thống Biobed đầu tiên

Ở Anh, một vài nghiên cứu được tiến hành bởi Castillo và cs (2008) để hệ thống Biobed thích nghi với điều kiện canh tác nông nghiệp và khí hậu ở Anh Việc thích nghi của đệm sinh học đưa đến hai thay đổi chính sau: (i) cách ly hệ thống Biobed ra khỏi đất bằng việc sử dụng một tấm lót tổng hợp chống thấm (hệ thống Biobed có lót) và (ii) thay đổi độ sâu của hệ thống Biobed từ 0,6 m ở thiết kế của Thụy Điển lên 1 - 1,5 m Kết quả cho thấy trong vòng 12 tháng, có đến hơn 99,9% lượng HCBVTV đưa vào trong Biobed được hấp phụ và phân hủy [9] Bên cạnh đó,

22

Castillo và cs (2008) đã khảo sát tiềm năng của Biobed trong việc xử lý những thể tích và lượng HCBVTV lớn hơn nhiều không chỉ phát sinh từ sự rò rỉ mà còn từ quá trình súc rửa dụng cụ bơm phun Hai hệ thống Biobed có lót và không lót đã được đánh giá bằng cách sử dụng một loạt các HCBVTV ở quy mô bán đồng ruộng (semi-field scale) Kết quả nghiên cho thấy việc quản lý nước là yếu tố giới hạn cho cả hai

hệ thống Trong khi Biobed có lót lưu giữ hiệu quả các HCBVTV thì hệ thống này nhanh chóng trở nên ngập nước và sự phân hủy xảy ra chậm Các nghiên cứu sử dụng Biobed không lót cho thấy rằng hơn 99% các loại HCBVTV khảo sát bị loại khỏi hệ thống với một tỷ lệ đáng kể bị phân hủy trong vòng 9 tháng [9] Sự thấm lọc chỉ xảy

ra ở một số HCBVTV linh động nhất Tuy nhiên các nồng độ cực đại của chúng là vượt quy định Tiếp theo, Castillo và cs (2008) đã tiến hành tối ưu hóa thiết kế và quản lý Biobed không lót Các thí nghiệm khảo sát mối quan hệ giữa độ sâu của Biobed và sự tải nước cho thấy rằng Biobed cần có một độ sâu tối thiểu là 1 - 1,5 m Diện tích bề mặt của Biobed không chỉ phụ thuộc vào sự tải nước mà được kiểm soát bởi bản chất và tần suất của các hoạt động thao tác với HCBVTV Sự mất đi do thấm lọc của tất cả HCBVTV ngoại trừ HCBVTV linh động nhất là < 0,32% so với liều lượng sử dụng tại Biobed có độ sâu 1,5 m với sự tải nước là 1.175 L/m2 Sự mất đi

do thấm lọc này được giảm còn < 0,06% khi sự tải nước là 688 L/m2 được áp dụng

và xuống còn < 0,0001% đối với sự tải nước là 202 L/m2 Dựa vào các dữ liệu này một Biobed có độ sâu 1,5 m, tải nước tối đa 1.121 L/m2 và với một diện tích bề mặt

40 m2 có thể xử lý lớn hơn hoặc bằng 44.000 L chất thải và nước súc rửa bình chứa HCBVTV, như thế nồng độ trung bình của tất cả HCBVTV (không kể các loại HCBVTV được xem là linh động) không vượt quá 5 µg/L [9]

Ở Đan Mạch, mối quan tâm chính là đảm bảo rằng không một HCBVTV nào thấm lọc vào đất từ Biobed Vì vậy để đánh giá tiềm năng thấm lọc HCBVTV, hệ thống Biobed có lót với sự thu gom chất thải đã được sử dụng làm mô hình trong các nghiên cứu quy mô pilot và đồng ruộng [9]

23

Ở Mỹ La Tinh, với diện tích đồng ruộng nhỏ hơn so với ở các nước châu Âu,

hệ thống Biobed kích cỡ nhỏ cho một người đứng và đổ đầy một bình phun đeo sau lưng thường được xem là phù hợp [9]

Trong khi đó, ở Hà Lan, hệ thống Biobed được thiết kế phù hợp với điều kiện của đất nước, đó là được xây dựng một phần trên mặt đất bởi một phần lớn diện tích của Hà Lan ở dưới mực nước biển [9]

b) Thay thế thành phần Biomix so với hệ thống Biobed đầu tiên

Ở Bỉ, mối quan tâm chính là sửa đổi khái niệm Biobed thành một hệ thống nhỏ linh hoạt hơn được gọi là Biofilter (bộ lọc sinh học) có thể xử lý lượng nước thải lớn, tái chế chúng bằng máy bơm và sử dụng các loại chất nền khác nhau Các nghiên cứu tập trung vào việc sử dụng các vật liệu hữu cơ khác nhau sẵn có của địa phương như phân hữu cơ (compost) thay thế cho than bùn trong thành phần của Biomix Mỗi năm, một lượng rơm hoặc các vật liệu tươi khác được bổ sung vào Biomix để tăng khả năng phân hủy cũng như tăng dung tích hấp phụ HCBVTV của Biomix [9]

Ở Ý, Biobed được gọi là Biomassbed (đệm sinh khối) Các nghiên cứu ở Ý chủ yếu tập trung vào việc xử lý một lượng lớn nước bị nhiễm thuốc trừ sâu từ việc trán rửa thiết bị phun và sử dụng vật liệu hữu cơ địa phương Vì than bùn không dễ tìm thấy ở Ý và đắt tiền, các vật liệu hữu cơ khác đang được thử nghiệm thay thế Các vật liệu như phân hữu cơ, hạch của quả đào, cành nho và vỏ cam quýt đã được thử nghiệm vì tính sẵn có và giá rẻ của chúng Các nghiên cứu ở quy mô phòng thí nghiệm sử dụng hỗn hợp này đã cho thấy sự giảm mạnh nồng độ của một số HCBVTV như chlorpyrifos, metalaxyl, và imazamox Ngoài ra, 90% ô nhiễm HCBVTV đã được loại bỏ khỏi nước được xử lý trong nguyên mẫu của Biomassbed được lắp đặt trong vườn nho và sử dụng hỗn hợp sinh học của cành nho, phân xanh và lớp đất mặt (40:40:20 về khối lượng) Gần đây, tầm quan trọng của rơm trong Biomassbed của Ý

và sự hiện diện của hệ thống phân hủy lignin đã được chứng minh Các nghiên cứu

sơ bộ đã cho thấy khả năng lưu giữ và hiệu quả phân hủy HCBVTV của Biomassbed

là khá cao [9] Kết quả đem lại có đến trên 90% lượng HCBVTV bị phân hủy và loại

bỏ khỏi Biomassbed [9]

24

Ở Trung Quốc, với việc tập trung nghiên cứu sử dụng các nguồn tài nguyên địa phương để thay thế cho các nguyên liệu truyền thống, các Biomix khác nhau đã được thử nghiệm Các Biomix gồm rơm lúa mì/ngô, than bùn/bã thải trồng nấm và đất mặt đã được sử dụng trong nghiên cứu sự phân hủy Chlorothalonil và Imidacloprid - hai loại HCBVTV được sử dụng rộng rãi trong trồng rau ở Trung Quốc Kết quả là hiệu quả phân hủy HCBVTV của các Biomix là khác nhau Điều đó cho thấy các thành phần Biomix khác nhau có ảnh hưởng khác nhau đến sự phân hủy hai loại HCBVTV Đối với sự phân hủy Chlorothalonil, Biomix chứa rơm lúa mì tốt hơn chứa rơm ngô, trong khi Biomix chứa bã thải trồng nấm hoặc than bùn thì không

có sự khác biệt Đối với sự phân hủy Imidacloprid, than bùn đã có hiệu quả cao hơn

Sự thay thế than bùn bằng bã thải trồng nấm có sẵn tại địa phương sẽ được áp dụng cho hệ thống Biobed bố trí tại miền bắc Trung Quốc [12] Ngoài ra, Wenxuan Gao

và cs (2014) đã đánh giá tiềm năng thay thế than bùn bằng bã thải trồng nấm Ba

Biomix chứa bã thải trồng nấm khác nhau: nấm sò vua (Pleurotus pulmonarius), nấm kim châm (Flammulina velutipes) và nấm hương (Lentinus edodes) được so sánh với

một Biomix chứa than bùn và một đối chứng chỉ chứa đất Sự phân tán HCBVTV và hoạt tính của VSV có thể so sánh được trong tất cả các Bomix, nhưng sự khác biệt đáng kể đã được tìm thấy giữa các Biomix và đối chứng Các hoạt động của VSV (phenoloxidase, hô hấp và diacetate huỳnh quang) quan sát thấy trong các Biomix chứa bã thải trồng nấm sò, nấm kim châm và nấm hương cao hơn so với Biomix chứa than bùn và đối chứng, do có sẵn carbon và sợi nấm hoạt động và bào tử từ nấm nuôi cấy Các tác giả này kết luận rằng bã thải trồng nấm là sự thay thế phù hợp cho than bùn trong thiết kế Biobed ban đầu để phân hủy HCBVTV Trong đó Biomix chứa bã

thải trồng nấm hương (L edodes) có hoạt tính sinh học cao nhất [12]

Ở Địa Trung Hải, Karanasios và cs (2010) khảo sát tiềm năng sử dụng bã thải trồng nấm với các tỷ lệ khác nhau về thể tích (5, 15 và 50%) để thay thế cho rơm trong Biomix trong các nghiên cứu phân hủy HCBVTV với nồng độ 10 và 100% liều lượng tiêu chuẩn Tất cả các loại HCBVTV đã bị phân hủy nhanh hơn trong Biomix chứa 50% bã thải trồng nấm Tỷ lệ phân hủy HCBVTV trong Biomix tỷ lệ thuận với

25

lượng bã thải trồng nấm Nguồn dinh dưỡng từ bã thải trồng nấm và khả năng xúc tác của hệ enzyme được sản sinh bởi nấm có thể góp phần làm phân hủy nhanh chóng HCBVTV [20]

Ở miền Nam Châu Âu, Karanasios và cs (2010) đã khảo sát khả năng thay thế than bùn bằng phân hữu cơ nông nghiệp trong Biomix Năm loại phân hữu cơ từ các nguyên liệu sẵn có ở địa phương bao gồm lá ô liu, xác cây bông, hạt bông, chất nền nấm đã qua sử dụng và xác tàu biển thương mại được trộn với lớp đất mặt và rơm theo tỉ lệ (1:1:2) Sự phân hủy hỗn hợp các HCBVTV ở hai mức liều lượng trong các Biomix chứa phân hữu cơ, chứa than bùn và trong đất đã được đánh giá Các HCBVTV được phân hủy trong Biomix chứa phân hữu cơ ở cả hai mức liều lượng là cao hơn nhiều so với trong đất và Biomix chứa than bùn Các thí nghiệm hấp phụ cho thấy các Biomix chứa phân hữu cơ và than bùn có ái lực hấp phụ cao hơn so với đất, đồng thời các thí nghiệm giải hấp cho thấy sự hấp phụ HCBVTV trong các Biomix

là không hoàn toàn thuận nghịch Sự thay thế than bùn bởi phân hữu cơ từ các nguyên liệu địa phương sẽ mang lại sự tối ưu hóa cho Biobed khi áp dụng vào thực tiễn [19]

c) Tối ưu hóa một số điều kiện phân hủy HCBVTV của Biobed

Fogg và cs (2003) đã nghiên cứu rằng Biobed có thể phân hủy nồng độ cao của hỗn hợp HCBVTV tương đối phức tạp Do đó, ảnh hưởng của nồng độ và tương tác HCBVTV đến tốc độ phân hủy đã được nghiên cứu Ở nồng độ lên tới 20 lần so với tỷ lệ sử dụng HCBVTV được khuyến cáo cho isoproturon và chlorothalonil, tốc

độ phân hủy của lớp đất mặt và sinh khối VSV giảm khi tăng nồng độ Các nghiên cứu với hỗn hợp isoproturon và chlorothalonil cho thấy có thể tương tác giữa các loại thuốc trừ sâu Trong Biomix, sự phân hủy của isoproturon hoặc chlorothalonil không

bị ảnh hưởng bởi sự hiện diện của thuốc trừ sâu khác Những nghiên cứu này cho thấy rằng Biobbed có khả năng phân hủy nồng độ cao của hỗn hợp nhiều loại HCBVTV [25, 19]

Castillo và Torstensson (2007) đã nghiên cứu ở điều kiện phòng thí nghiệm (PTN) về ảnh hưởng của thành phần, độ ẩm và nhiệt độ của Biobed đến sự phân hủy HCBVTV Kết quả cho thấy rơm tạo ra hoạt động chủ đạo của VSV trong Biomix

26

khi mối tương quan dương mạnh mẽ được quan sát giữa rơm, hô hấp VSV và phenoloxidase Hầu hết các loại HCBVTV được điều tra đã bị phân hủy bởi các quá trình chuyển hóa và sự phân hủy của chúng có liên quan đến hô hấp và (hoặc) phenoloxidase Khả năng phân hủy hầu hết các HCBVTV được nghiên cứu ở độ ẩm 60% là cao hơn so với 30% và 90%, trong khi ở nhiệt độ 20°C cho tỷ lệ phân hủy cao hơn so với 2°C và 10°C Biomix bao gồm rơm : than bùn : đất với tỷ lệ tương ứng là 50% : 25% : 25% về khối lượng được khuyến cáo trong môi trường sinh học đồng ruộng vì điều này tạo ra hoạt động của VSV cao và pH thấp, thuận lợi cho hoạt động của nấm và phenoloxidase phân hủy lignin [10]

1.2.4.2 Tình hình ứng dụng Biobed ở Việt Nam

Đến thời điểm hiện tại, việc ứng dụng và phổ biến mô hình Biobed vào thực

tế ở Việt Nam vẫn chưa được ghi nhận trên thế giới Đặc biệt là vẫn chưa có bất cứ một nghiên cứu nào được tiến hành nhằm áp dụng mô hình Biobed truyền thống vào mục đích xử lý tại chỗ dư lượng HCBVTV, cũng như đánh giá mức độ cải thiện hiệu quả xử lý HCBVTV của mô hình đệm sinh học khi thay thế và sử dụng các nguyên liệu sẵn có và hệ VSV phân hủy lignin bản địa Từ đó, đề xuất mô hình Biobed có hiệu quả xử lý cao, tận dụng được nguồn nguyên liệu sẵn có tại địa phương, phù hợp với tình hình sử dụng HCBVTV và điều kiện khí hậu tại Việt Nam

Khả năng ứng dụng của Biobed vào Việt Nam là rất lớn vì nước ta có nguồn nguyên liệu dồi dào, đặc biệt là rơm rạ Việc lạm dụng HCBVTV quá mức dẫn đến nhiều điểm có dư lượng HCBVTV tồn lưu lớn trên cả nước khiến việc nghiên cứu

và ứng dụng một hoặc nhiều biện pháp có thể giải quyết hiệu quả dư lượng các hoá chất này là rất cần thiết và cấp bách

1.3 Tổng quan về VSV phân hủy lignin và khả năng phân hủy HCBVTV

Lignocelluloses là phần chính của sinh khối bởi nó là thành phần cấu trúc nổi bật của thành tế bào thực vật Lignocellulose thường bao gồm cellulose (35% - 50%), hemicellulose (20% - 35%), và lignin (15% đến 20%) [22] Lignin khác với cellulose

và hemicellulose ở chỗ hàm lượng carbon tương đối nhiều Khoảng trống giữa

27

cellulose và hemicellulose được lấp đầy bởi chất keo dính lignin Lignin trong thành phần tế bào thực vật có chức năng như hàng rào bảo vệ giúp thực vật chống lại các tác động vật lí, hóa học và sâu bệnh ở môi trường bên ngoài Tuy nhiên thành phần này ngăn cản sự tiếp xúc của cellulose và hemicellulose với các tác nhân đặc hiệu làm giảm hiệu quả phân huỷ lignocellulose

Lignin là loại hợp chất được tạo thành do phản ứng trùng ngưng từ 3 loại rượu

chủ yếu là trans-p-cumarynic, trans-conniferynic và trans-cyperynic [23, 26] Cấu trúc phân tử của lignin được thể hiện ở Hình 1.8

Hình 1.8: Cấu trúc phân tử của lignin (p-coumaryl alcohol, coniferyl alcohol, và

sinapyl alcohol)

Cũng như HCBVTV 2,4D và Cartap, Lignin là những hợp chất cao phân tử có thành phần cấu tạo phức tạp, khó chuyển hoá, thời gian phân huỷ rất chậm kéo dài hàng tháng đến hàng năm Đến nay, nhiều nghiên cứu đã chứng minh nấm (đặc biệt

là nấm mục trắng) là nhóm VSV có khả năng sản xuất các enzyme phân hủy lignin cao nhất trong giai đoạn tiền xử lý lignocellulose Cơ chế phân huỷ HCBVTV của nấm dựa trên khả năng phân huỷ các hợp chất hữu cơ khó phân hủy trong tự nhiên có thành phần phức tạp như lignin

28

Nấm phân huỷ lignin tiếp cận nguồn C chính của chúng là ligninocellulose bằng cách phá huỷ cấu trúc khó phân huỷ và rất phức tạp của lignin mà bảo vệ ligninocellulose thông qua việc sinh tổng hợp các enzyme [21] Đây là các enzyme ngoại bào và không đặc hiệu, vì vậy chúng có khả năng phân huỷ một loạt các chất hữu cơ mà có cùng đặc điểm với lignin Các enzyme phân huỷ lignin có nhiều ứng dụng trong các ngành công nghiệp khác nhau như chuyển hoá sợi bằng enzyme, tẩy màu thuốc nhuộm, nhưng đáng chú ý nhất là ứng dụng trong xử lý đất bị ô nhiễm và nước thải công nghiệp [30] Trong số nhiều chất ô nhiễm khác nhau, các enzyme phân huỷ lignin đã phá huỷ thành công cấu trúc phức tạp của nhiều loại HCBVTV [25] Các enzyme này bao gồm các phenol oxidase như là laccase và các peroxidase như

là lignin peroxidase (LiP) và manganese peroxidase (MnP) Trong đó laccase là một enzyme chứa Cu mà chịu ảnh hưởng bởi các điều kiện như là pH và các tác nhân ức chế enzyme Laccase hoạt động bằng cách oxy hoá một loạt các hợp chất thơm và không thơm mà được sử dụng làm chất nhận hydro Con đường chuyển hoá thông thường là oxy hoá các hợp chất phenol để tạo ra các gốc tự do và quinone phenoxy Một loạt các chất khác cũng có thể được oxy hoá khi có mặt các chất xúc tiến (mediator) Ví dụ việc phân huỷ HCBVTV sử dụng laccase có thể được thúc đẩy khi

có mặt của các chất xúc tiến oxy hoá khử (redox mediator) như là veratryl alcohol, ABTS và HBT Lignin peroxidase có khả năng phân hủy lignin không vòng phenol MnP có khả năng phân hủy lignin có vòng và không vòng phenol thông qua phản ứng peroxit hóa Nó oxy hóa Mn2+ thành Mn3+ từ đó oxy hóa các vòng phenol thành các gốc phenoxy dẫn đến phân hủy các hợp chất Laccases cũng là enzyme tham gia vào quá trình phân hủy lignin [11]

Chlorophenols là các chất ô nhiễm có độc tính cao và khó phân huỷ Những hợp chất này được sử dụng làm HCBVTV Laccase, LiP và MnP tiến hành quá trình oxy hoá ban đầu chlorophenols và các chất chuyển hoá được hình thành trong suốt quá trình phân huỷ chlorophenol như là hydroquinone và các dẫn xuất chứa nhóm methyl MnP khoáng hoá trực tiếp nhưng chỉ một phần 2,4-dichlorophenol (2,4-DCP)

trong hệ thống vô bào 2,4-DCP cũng được biết là bị oxy hoá bởi LiP [29] P

29

chrysosporium khoáng hoá hiệu quả 2,4-DCP và 2,4,6-trichlorophenol dưới điều kiện

phân huỷ lignin (Joshi and Gold 1993; Valli and Gold 1991) Sự sẵn có của nguồn dinh dưỡng C và oxy, sự có mặt của các enzyme phân huỷ lignin ngoại bào và sự sẵn

có sinh khả dụng của các hợp chất chlorophenol là các yếu tố quan trọng ảnh hưởng đến quá trình phân huỷ

30

Chương 2 – ĐỐI TƯỢNG VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU

2.1 Đối tượng nghiên cứu

• Đối tượng nghiên cứu: Hóa chất 2,4D và Cartap tinh khiết

• Các loại Biomix: Có ba loại Biomix với các hợp phần khác nhau như sau:

Biomix 1: Đất : Rơm : Bã thải trồng nấm sò (Pleurotus pulmonarius): chủng nấm mốc phân hủy lignin được tuyển chọn (Penicillium chrysogenum) theo tỷ lệ

1:2:1:0,2 về khối lượng và ký hiệu là SSSM

Biomix 2: Đất : Rơm : Bã thải trồng nấm sò (Pleurotus pulmonarius) theo tỷ

lệ 1:2:1 về khối lượng và ký hiệu là SSS

Biomix 3: Đất : Rơm : Than bùn theo tỷ lệ 1:2:1 về khối lượng và được ký hiệu

là SSP

2.2 Phương pháp nghiên cứu

2.2.1 Phương pháp tổng quan và nghiên cứu tài liệu

Các tài liệu nghiên cứu liên quan đến đề tài đã được thu thập từ nhiều nguồn khác nhau như các tạp chí khoa học chuyên ngành, sách chuyên khảo và các báo cáo khoa học trong nước và quốc tế đã được đăng trên các tạp chí và các cơ sở dữ liệu đáng tin cậy Các tài liệu tham khảo được sử dụng trong luận văn đã được trích sẩn

rõ ràng

2.2.2 Phương pháp tuyển chọn chủng nấm có hoạt tính phân huỷ lignin cao

Từ 06 chủng nấm mốc (Hình 2.1) mà bước đầu sơ tuyển có hoạt tính phân hủy lignin trong tập hợp giống sẵn có được phân lập từ rơm rạ, tiến hành tuyển chọn chủng

có hoạt tính phân hủy lignin cao nhất

Tuyển chọn chủng nấm mốc phân huỷ lignin dựa vào hoạt tính enzyme phân hủy lignin của chúng Hoạt tính enzyme phân hủy lignin được xác định dựa vào phương pháp thử nghiệm 3-methyl-2-benzothiazolinone hydrazone (MBTH) và 3-dimethylamino benzoic acid (DMAB) được mô tả chi tiết ở Castillo và cs (1994) Nguyên tắc của phương pháp là dựa trên sự oxy hóa cặp đôi MBTH và DMAB, hệ enzyme phân hủy lignin xúc tác hình thành một hợp chất có màu tím đậm với một độ

N6