Đánh giá hiệu quả của chế phẩm sinh học SHMT trong xử lý phế thải rau quả tại xã Ngọc Kỳ, huyện Tứ Kỳ, tỉnh Hải Dương

Đánh giá hiệu quả của chế phẩm sinh học SHMT trong xử lý phế thải rau quả tại xã Ngọc Kỳ, huyện Tứ Kỳ, tỉnh Hải Dương

PHẦN I: MỞ ĐẦU 1.1. Tính cấp thiết của đề tài Việt Nam là nước có khí hậu nhiệt đới gió mùa ẩm, điều kiện sinh thái đa dạng, đất đai màu mỡ, nguồn lao động phong phú. Đây chính là điều kiện thuận lợi để phát triển nông nghiệp theo hướng sản xuất hàng hóa với qui mô lớn. Tuy nhiên nguồn phế thải sau thu hoạch là rất lớn và đa dạng. Hàng năm, trên đồng ruộng, nương rẫy để lại hàng chục triệu tấn phế thải đó là rơm rạ, lõi ngô, rau quả, thân lá thực vật…Chương trình 1 triệu tấn đường đã để lại hàng chục vạn tấn bã mía, mùn mía và tàn dư phế thải từ sản xuất. Ngành chế biến cà phê đã thải ra môi trường trên 20 vạn tấn vỏ một năm. Ngoài ra còn hàng chục triệu tấn rác thải sinh hoạt. Tất cả nguồn phế thải này một phần được đốt, một phần được xử lý, phần còn lại gây ô nhiễm môi trường nghiêm trọng [13]. Tập quán đốt tàn dư trên đồng ruộng như rơm rạ, lõi thân cây ngô, rau quả…không những làm mất đi một lượng lớn các chất dinh dưỡng, các chất hữu cơ trả lại cho đất mà còn gây ô nhiễm môi trường do khí độc hại, tro bụi phát tán vào không khí. Mặt khác nước ta đang hướng sản xuất nông nghiệp theo hướng bền vững – nông nghiệp hữu cơ chính vì vậy nhu cầu phân bón hữu cơ ngày càng tăng cao. Trong khi đó nguồn phân hữu cơ từ gia súc như: phân lợn, phân trâu, phân bò…không đủ cung cấp cho cây trồng hoặc gây ra ô nhiễm môi trường, ngộ độc cho con người do chứa nhiều vi sinh vật gây bệnh. Tứ Kỳ là huyện thuộc tỉnh Hải Dương, có truyền thống lâu đời làm nông nghiệp và cho đến nay nông nghiệp vẫn chiếm tỷ trọng lớn trong kinh tế huyện. Cũng chính vì vậy nguồn phế thải trên đồng ruộng của huyện là rất lớn và việc điều tra số lượng, thành phần phế thải sau thu hoạch, xử lý chúng là rất cần thiết. Nó không chỉ làm sạch đồng ruộng mà còn tạo ra phân bón hữu 1 cơ trả lại cho đất, giải quyết sự thiếu hụt phân hữu cơ hiện nay, đồng thời giảm bớt chi phí phân bón cho người dân. Phương pháp sử dụng chế phẩm sinh học để xử lý những loại phế thải đồng ruộng đó có nhiều ưu điểm lớn trong sản xuất và môi trường. Tuy nhiên, hiện nay trên thị trường có rất nhiều loại chế phẩm sinh học. Tùy vào mục đích mà người ta sử dụng các loại chế phẩm khác nhau nhưng câu hỏi được đặt ra là loại chế phẩm nào có nhiều ưu điểm và cho hiệu quả cao để xử lý phế thải đồng ruộng. Chế phẩm sinh học SHMT là chế phẩm được Viện Môi trường Nông nghiệp nghiên cứu và thử nghiệm dựa vào đề tài cấp nhà nước KC 04 – 04, bắt đầu từ năm 2006 và được nghiệm thu năm 2009, với trưởng nhóm nghiên cứu là Ths. Lương Hữu Thành. Đề tài đã tiến hành nghiên cứu sản xuất chế phẩm vi sinh vật phân giải hợp chất hữu cơ theo phương pháp nhiễm tổ hợp các chủng vi sinh vậy được lựa chọn vào chất mang than bùn. Từ năm 2006 đến nay chế phẩm SHMT liên tục được các cán bộ Viện Môi trường Nông nghiệp thử nghiệm nhiều lần trên qui mô phòng thí nghiệm và tới nửa cuối năm 2009 chế phẩm đã được tiến hành thử nghiệm trên đồng ruộng tại xã Ngọc Kỳ, huyện Tứ Kỳ, tỉnh Hải Dương. Xuất phát từ cơ sở lí luận và thực tế trên tôi tiến hành nghiên cứu đề tài: “ Đánh giá hiệu quả của chế phẩm sinh học SHMT trong xử lý phế thải rau quả tại xã Ngọc Kỳ, huyện Tứ Kỳ, tỉnh Hải Dương ” 1.2. Mục đích, yêu cầu nghiên cứu 1.2.1. Mục đích nghiên cứu của đề tài - Xác định lượng phế thải rau quả tại xã Ngọc Kỳ, huyện Tứ Kỳ, tỉnh Hải Dương. 2 - Đánh giá hiệu quả của chế phẩm sinh học SHMT trong xử lý phế thải rau quả trên đồng ruộng. - Làm sạch đồng ruộng góp phần giảm thiểu ô nhiễm môi trường. 1.2.2. Yêu cầu nghiên cứu của đề tài - Tìm hiểu về phương pháp sử dụng chế phẩm trong xử lý phế thải đồng ruộng. - Thu thập được các tài liệu về khu vực nghiên cứu. - Thu thập được số liệu về khối lượng, thành phần của phế thải. - Nắm bắt được các giai đoạn trong đánh giá hiệu quả của chế phẩm SHMT. - Làm rõ hiệu quả của chế phẩm sinh học SHMT thông qua thực tế và so sánh đối chứng. 3 PHẦN II: TỔNG QUAN TÀI LIỆU 2.1. Cơ sở khoa học của quá trình phân hủy các hợp chất hữu cơ 2.1.1. Thành phần hóa học của rau quả a. Nước Trong rau quả, hàm lượng nước rất cao chiếm đến hơn 80%. Đối với một số loại như dưa chuột, cải bắp, các loại dưa lượng nước chiếm đến 95%. Nước trong rau quả chủ yếu ở dạng tự do. Có tới 80 – 90% lượng nước tự do trong dịch bào, phần còn lại trong chất nguyên sinh và gian bào. Chỉ một phần nhỏ của nước (không quá 5%) là ở dạng liên kết trong các hệ keo của tế bào. Ở màng tế bào, nước liên kết với protopectin, cellulose và hemicelluloses [2]. b. Các hợp chất hydratcarbon ( gluxit) Các hydratcarbon là thành phần chủ yếu của nông sản, chiếm 50 - 80% trọng lượng chất khô. Chúng vừa là vật liệu cấu trúc tế bào (cellulose và hemicelluloses, pectin), vừa là nguyên liệu của quá trình hô hấp (đường) đồng thời là nguồn năng lượng dự trữ (tinh bột) cho các quá trình sống của nông sản [2]. Các loại nông sản khác nhau có thành phần hydratcarbon rất khác nhau. Hydratcarbon chủ yếu trong các loại rau ăn củ là tinh bột, trong rau ăn lá là cellulose, trong các loại quả và một số loại rau ăn quả là tinh bột và đường. - Đường: Đường là thành phần dinh dưỡng quan trọng.Trong các loại rau quả khác nhau, số lượng và tỷ lệ các loại đường khác nhau, làm cho nông sản có vị ngọt khác nhau. Đường trong rau quả chủ yếu tồn tại dưới dạng glucose, 4 fructose và saccrose. Hàm lượng đường thường cao nhất ở các loại quả nhiệt đới, thấp nhất ở các loại rau. - Tinh bột: Tinh bột là polysaccharide quan trọng nhất, đóng vai trò dự trữ. Tinh bột có nhiều trong một số loại rau ăn củ như khoai tây (15 - 18%), khoai lang (12 - 26%). Trong các loại rau quả, hàm lượng tinh bột thấp, chỉ có khoảng 1%, ngoại trừ quả chuối bột – plantain (15 - 20%). Tinh bột gồm có 2 loại là amylase và amylopectin khác nhau về cấu tạo phân tử, về tính chất lý học và hóa học [15]. - Cellulose và Hemicellulose: Cellulose có nhiều trong các loại cây lấy sợi (bông 95 - 98%, đay 85 - 90%) nhưng chỉ chiếm khoảng 0,5 - 2,7% trong quả (dứa 0,8%, cam, bưởi 1,4%, hồng 2,5%); 0,2 - 2,8 trong rau (cải bắp 1,5%, măng 3%). Trong các loại quả hạch có vỏ cứng, cellulose có thể chiếm tới 15% [15]. Hemicellulose là một nhóm polysaccharide không đồng nhất có liên kết chặt chẽ với cellulose. Chúng cũng là một trong những thành phần cấu trúc chính của thành tế bào thực vật. Các thành phần cấu tạo của phân tử hemicelluloses gồm glucose, galactose, mannose, xylose và arabinose. Hàm lượng hemicelluloses trong rau từ 0,2 - 3,1%; trong quả là 0,3 - 2,7% [2]. - Pectin: Phần chính của thành tế bào thực vật được cấu tạo từ các polysaccharide giống như keo (gel), không thuộc nhóm cellulose và được gọi là pectin. Các chất pectin có phân tử lượng thấp hơn cellulose và hemicelluloses. Chúng thường tập trung ở thành tế bào, làm nhiệm vụ gắn kết 5 các tế bào lại với nhau. Trong nông sản pectin tồn tại chủ yếu ở 2 dạng: pectin hòa tan (acid pectic, pectin) và pectin không hòa tan (protopectin) [ 15]. c. Các hợp chất chứa nitơ Nitơ trong nông sản tồn tại chủ yếu dưới dạng protein và phi protein. Protein có giá trị dinh dưỡng cao, đóng vai trò quan trọng trong việc phát triển mầm của củ giống. Hàm lượng protein trong rau quả nhìn chung là thấp: quả 1%, rau 2%, ngoại trừ các loại rau họ đậu đỗ chứa khoảng 5%. Với các sản phẩm rau quả, phần lớn protein đóng vai trò chức năng (cấu tạo nên các enzyme) chứ không dự trữ như trong các loại hạt [2]. d. Lipid Bảng 2.1. Hàm lượng lipid của một số rau quả Loại nông sản Hàm lượng lipid (%) Chất khô Chất tươi Quả bơ 63,0 16,4 Quả olive 69,0 13,8 Quả chuối 0,8 0,2 Rau dền 3,8 0,5 Rau bắp cải 2,6 0,2 Củ cải 2,4 0,5 Khoai tây 0,4 0,1 Nguồn: Giáo trình công nghệ sau thu hoạch và chế biến ra quả, NXB Khoa học và Kỹ thuật, 1996 6 Lipid thực vật là một nhóm hợp chất lớn đóng nhiều vai trò trong hoạt động sinh lý và trao đổi chất của nông sản sau thu hoạch. Ở các nông sản như rau quả lipid chủ yếu là dạng cấu tử tham gia vào thành phần cấu trúc màng, hay lớp vỏ sáp bảo vệ. Hàm lượng lipid trong rau quả thấp, thường < 1% trừ quả bơ và ôliu có tới 15% chất béo dưới dạng hạt nhỏ trong tế bào thịt quả [15]. Ngoài ra trong rau quả còn chứa các hợp chất bay hơi, các sắc tố, các axid hữu cơ và đặc biệt là các loại vitamin. 2.1.2. Cơ sở khoa học của việc phân giải sinh học Ligno - xenluloza a. Xenluloza Xenluloza là thành phần chủ yếu trong tế bào thực vật, chiếm tới 50% tổng số hydratcarbon trên trái đất. Trong vách tế bào thực vật, xenluloza tồn tại trong mối liên kết chặt với các polysaccarit khác: hemixeluloza, pectin và lignin tạo thành liên kết bền vững. Hàm lượng xenluloza trong các chất khác nhau rất khác nhau, trong giấy là 61%, trong trấu là 31%. Trong phế liệu nông nghiệp xenluloza thường có mặt ở dạng sau: rơm rạ, lá cây, vỏ lạc, vỏ trấu, lõi than cây ngô .[13]. Cơ chế phân hủy xenluloza: Năm 1950, Reese và Ctv lần đầu tiên đã đưa ra cơ chế phân giải xenluloza: Cl Cx xenlobioza Xenluloza tự nhiên xenluloza hoạt động đường hòa tan Glucoza Trong đó: Cx tương ứng với exoglucanza Cl tương ứng với endogluanaza Theo Reese thì Cl là “ tiền nhân tố thủy phân” hay enzyme không đặc hiệu, nó làm trương xenluloza tự nhiên thành các chuỗi xenluloza hoạt động có mạch ngắn hơn và bị enzym Cx tiếp tục phân cắt tạo thành các đường tan và 7 cuối cùng thành glucoza. Những vi sinh vật phát triển trên hợp chất chứa xenluloza đã tiết ra các loại enzyme này để phân hủy chuyển hóa xenluloza [13]. b. Vi sinh vật phân giải xenluloza Vi sinh vật có khả năng phân giải xenluloza là những vi sinh vật có khả năng tổng hợp được hệ enzyme xenlulaza. Hệ enzyme xenlulaza gồm bốn enzyme khác nhau [21,23]. - Xellobiohydrolaza: tác dụng cắt đứt liên kết hydro làm biến dạng xenluloza tự nhiên, phân giải vùng kết tinh tạo dạng cấu trúc vô định hình. - Endoglucanaza: có khả năng cắt đứt các liên kết β 1 - 4 glucozit bên trong phân tử tạo thành những chuỗi dài. - Exo - gluconaza: tiến hành phân giải các chuỗi dài trên thành các disacarit gọi là xellobioza. - β - gluconaza: tiến hành thủy phân xellobioza thành glucoza. Trong tự nhiên vi sinh vật phân giải xenluloza vô cùng phong phú nhờ hệ enzym xenlulaza ngoại bào [20,24] bao gồm: Vi khuẩn, nấm, xạ khuẩn, nguyên sinh động vật . + Vi khuẩn: Là nhóm vi sinh vật lớn nhất và cũng được nghiên cứu nhiều nhất. Từ thế kỷ 19, các nhà khoa học đã phát hiện thấy một số loại vi khuẩn kỵ khí có khả năng phân giải xenluloza. Những năm đầu thế kỷ 20 người ta lại phân lập được các vi khuẩn hiếu khí cũng có khả năng này. Trong các vi khuẩn hiếu khí phân giải xenluloza, thì niêm vi khuẩn có vai trò lớn nhất chủ yếu là các giống: Cytophaga, Sporocytophaga và Sorangium. Niêm vi khuẩn nhận năng lượng khi oxy hóa các sản phẩm của sự phân giải xenluloza thành CO 2 và H 2 O. 8 Ngoài ra còn thấy giống Cellvibrio cũng có khả năng phân giải xenluloza. Trong điều kiện kỵ khí, các vi sinh vật ưa ẩm, ưa nhiệt thuộc giống Clostridium và Bacillus tiến hành phân giải xenluloza thành glucoza và xenlobioza, chúng sử dụng năng lượng từ các loại đường đơn và nguồn cacbon cũng thường kèm theo việc tạo nên các acid hữu cơ, CO 2 và H 2 [13]. + Nấm sợi: Nấm sợi phân giải xenluloza mạnh hơn vi khuẩn vì chúng tiết vào môi trường lượng enzyme ngoại bào nhiều hơn vi khuẩn. Vi khuẩn thường tiết vào môi trường phức hệ xenluloza không hoàn chỉnh, chỉ thủy phân được cơ chất đã cải tiến như giấy lọc và CMC, còn nấm tiết vào môi trường hệ thống xenluloza hoàn chỉnh nên có thể thủy phân xenluloza hoàn toàn. Các loại nấm phân hủy mạnh xenluloza là: Trichoderma, Penicillium, Phanerochate, Sporotrichum, Sclerotium [13]. Nấm ưa nhiệt, chúng có thể tổng hợp các enzyme bền nhiệt hơn, chúng sinh trưởng và phân giải nhanh xenluloza. Nấm có thể phát triển ở pH = 3,5 - 6,6. Nguồn cacbon giúp cho nấm phân giải mạnh xenluloza. Trong phế thải chứa nhiều nitơrat cũng kích thích nấm phân giải xenluloza, nguồn nitơ hữu cơ cũng giúp cho nấm phân giải xenluloza mạnh hơn [13]. Người ta tìm thấy trong đống ủ phế thải có nhiều loại nấm như: Aspergillus, Alternaria, Chaetomium, Coprinus, Fomes, Fusarium, Myrothecium, Penicillium, Polypones, Rhizoctonia, Rhizopus, Tricoderma . + Xạ khuẩn: Xạ khuẩn có tác dụng phân giải phế thải khá mạnh. Người ta chia xạ khuẩn thành 2 nhóm: Xạ khuẩn ưa ấm, chúng phát triển mạnh ở nhiệt độ 28 - 30 0 C, và xạ khuẩn ưa nhiệt, chúng có thể phát triển mạnh ở nhiệt độ 60 - 70 0 C. 9 Trong đống ủ phế thải người ta tìm thấy nhiều loại xạ khuẩn đó là: Actinomyces, Streptomyces, Frankia, Nocardia, Actinopolyspora, Actinosynoem, Dermatophilus, Pseudonocardia, Cellulomonas. c. Hemixenluloza Hemixenluloza có khối lượng không nhỏ, chỉ đứng sau xenluloza trong tế bào thực vật, chúng được phân bố ở vách tế bào. Hemixenluloza có bản chất là polysaccarid bao gồm khoảng 150 gốc đường liên kết với nhau bằng cầu nối β - 1,4 glucozit; β - 1,6 glucozit và thường tạo thành mạch nhánh ngắn có phân nhánh. Cơ chế phân giải hemixenluloza: Khi nghiên cứu hemixenluloza, người ta thấy chúng giống với xenluloza về cấu tạo, liên kết hóa học và cấu trúc đại phân tử. Nhiều tác giả cho rằng, hemixenluloza có tính chất tương đồng với xenluloza về cơ chế tác động, tính chất, cảm ứng tổng hợp. Tuy nhiên giữa hemixenluloza và xenluloza cũng có nhiều khác biệt. Hemixenluloza có khố lượng phân tử nhỏ hơn, cấu trúc đơn giản và kém bền vững hơn [17]. d. Vi sinh vật phân giải hemixenluloza Vi sinh vật phân giải hemixenluloza thường có trong dạ dày của động vật nhai lại như trâu bò. Chủ yếu là các giống sau: Ruminococcus, Bacillus, Bacteroides, Butyvibrio, Clostridium. Nhiều loại nấm sợi như: Aspegillus, penicillium, Trichoderma [1]. e. Lignin Lignin là hợp chất có thành phần cấu trúc phức tạp, là chất cao phân tử được tạo thành do phản ứng ngưng tụ từ 3 loại rượu chủ yếu là trans - P - 10