Đánh giá hiện trạng phế thải đồng ruộng và xử lý rơm rạ bằng chế phẩm sinh học thành phân bón hữu cơ tại xã quỳnh phú, bắc ninh

HỌC VIỆN NÔNG NGHIỆP VIỆT NAM KHOA MÔI TRƯỜNG - š&› - KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP ĐỀ TÀI: ĐÁNH GIÁ HIỆN TRẠNG PHẾ THẢI ĐỒNG RUỘNG VÀ XỬ LÝ RƠM RẠ BẰNG CHẾ PHẨM SINH HỌC THÀNH PHÂN BÓN HỮU CƠ TẠI Xà QUỲNH PHÚ, HUYỆN GIA BÌNH, TỈNH BẮC NINH Người thực : NGUYỄN THỊ VÂN Lớp : MTB Khóa : 57 Chuyên ngành : KHOA HỌC MÔI TRƯỜNG Giáo viên hướng dẫn : TS NGUYỄN THỊ MINH Địa điểm thực tập : Xà QUỲNH PHÚ, HUYỆN GIA BÌNH, TỈNH BẮC NINH Hà Nội - 2016 ii LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan đề tài nghiên cứu thực hiện, thực dựa sở nghiên cứu lý thuyết, kiến thức chuyên ngành, nghiên cứu khảo sát tình hình thực tiễn hưỡng dẫn khoa học TS Nguyễn Thị Minh Các số liệu, kết nêu khóa luận trung thực, khách quan chưa cơng bố cơng trình khác Hà Nội, ngày tháng năm 2016 Sinh viên Nguyễn Thị Vân i LỜI CẢM ƠN Để hồn thành khóa luận này, nỗ lực thân, em nhận nhiều quan tâm giúp đỡ tận tình từ thầy giáo khoa Mơi Trường, cán UBND xã Quỳnh Phú nhân dân xã Lời đầu tiên, em xin gửi lời cảm ơn chân thành đến Ban giám hiệu trường Học viện Nông Nghiệp Việt Nam, khoa Môi Trường, Bộ môn Vi sinh vật, thầy cô tạo điều kiện giúp đỡ em hồn thành khóa luận Đặc biệt, em xin chân thành cảm ơn TS Nguyễn Thị Minh, người dành nhiều thời gian, tạo điều kiện thuận lợi, hướng dẫn tận tình em suốt thời gian em làm khóa luận tốt nghiệp Em xin bày tỏ lòng biết ơn đến tất cán bộ, nhân viên UBND xã Quỳnh Phú, huyện Gia Bình, tỉnh Bắc Ninh người dân nơi giúp đỡ hoàn thành đề tài Cuối em xin gửi lời cảm ơn chân thành tới tập thể lớp MTB – K57 gia đình, người thân, bạn bè động viên, giúp đỡ em trình học tập hoàn thành luận văn Em xin chân thành cảm ơn! Hà Nội, ngày tháng năm 2016 Sinh viên Nguyễn Thị Vân ii MỤC LỤC LỜI CAM ĐOAN .i LỜI CẢM ƠN ii MỤC LỤC iii DANH MỤC BẢNG vi DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ .vii DANH MỤC CHỮ VIẾT TẮT viii MỞ ĐẦU Tính cấp thiết đề tài Mục đích nghiên cứu .2 Chương 1: TỔNG QUAN TÀI LIỆU 1.1 Tổng quan phế thải đồng ruộng 1.1.1 Khái niệm 1.1.2 Nguồn gốc 1.1.3 Thành phần phân loại phế thải đồng ruộng 1.2 Thực trạng phế thải đồng ruộng giới Việt Nam 1.2.1 Thực trạng phế thải đồng ruộng giới .6 1.2.2 Thực trạng phế thải đồng ruộng Việt Nam 1.3 Tác động phế thải đồng ruộng đến môi trường sức khoẻ 1.4 Các biện pháp xử lý phế thải đồng ruộng 1.4.1 Phương pháp đốt 10 1.4.2 Phương pháp bỏ 10 1.4.3 Phương pháp làm nhiên liệu 11 1.4.4 Chế biến phân compost 11 1.4.5 Làm thức ăn cho gia súc 11 1.4.6 Biện pháp trồng nấm 12 1.4.7 Vùi rơm rạ vào đất 13 1.5 Tình hình nghiên cứu xử lý phế thải đồng ruộng giới Việt Nam .13 1.5.1 Tình hình nghiên cứu xử lý phế thải đồng ruộng giới 13 1.5.2 Tình hình nghiên cứu xử lý phế thải Việt Nam 14 1.6 Cơ sở khoa học việc xử lý phế thải đồng ruộng biện pháp sinh học 17 1.6.1 Xenluloza, chế thuỷ phân vi sinh vật phân giải Xenluloza 17 1.6.2 Hemixenluloza, chế thủy phân vi sinh vật phân giải Hemixenluloza 20 1.6.3 Ligin, chế thuỷ phân vi sinh vật phân giải Ligin 21 1.6.4 Pectin, chế thuỷ phân vi sinh vật phân giải Pectin .23 Chương .25 iii ĐỐI TƯỢNG, NỘI DUNG VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU .25 2.1 Đối tượng nghiên cứu .25 2.2 Phạm vi nghiên cứu 25 2.3 Nội dung nghiên cứu 25 2.3.1 Điều kiện tự nhiên kinh tế - xã hội xã Quỳnh Phú – Gia Bình Bắc Ninh (vị trí địa lý, khí hậu, đất đai, diện tích đất nơng nghiệp, ) .25 2.3.2 Đánh giá trạng phế thải nông nghiệp xã Quỳnh Phú – Gia Bình – Bắc Ninh (thành phần, khối lượng phế thải đồng ruộng, ) 25 2.3.3 Xử lý rơm rạ thành phân hữu chế phẩm sinh học (đánh giá chất lượng chế phấm sinh học, theo dõi thí nghiệm, tính chất phân hữu sau ủ, ) 25 2.3.4 Đề xuất số giải pháp xử lý phế thải đồng ruộng xã Quỳnh Phú – Gia Bình – Bắc Ninh .25 2.4 Phương pháp nghiên cứu 25 2.4.1 Phương pháp thu thập số liệu thứ cấp .25 2.4.2 Phương pháp thu thập số liệu sơ cấp 25 2.4.4 Phương pháp xử lý rơm rạ .26 2.4.5 Phương pháp phân tích chất lượng đống ủ 28 2.4.6 Phương pháp xử lý số liệu 29 Chương KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 30 3.1 Điều kiện tự nhiên kinh tế-xã hội xã Quỳnh Phú, huyện Gia Bình, tỉnh Bắc Ninh .30 3.1.1 Điều kiện tự nhiên 30 3.1.2 Điều kiện kinh tế xã hội 32 3.2 Hiện trạng phế thải nông nghiệp xã Quỳnh Phú, huyện Gia Bình, tỉnh Bắc Ninh 36 3.2.1 Diện tích, suất sản lượng trồng địa bàn xã Quỳnh Phú 36 3.2.2 Thành phần phế thải đồng ruộng 37 3.2.3 Khối lượng phế thải đồng ruộng 37 3.2.3 Hiện trạng công tác xử lý phế thải đồng ruộng 39 3.2.4 Hiện trạng công tác quản lý phế thải đồng ruộng 41 3.2.5 Ý thức người dân xử lý phế phụ phẩm nơng nghiệp .41 3.2.6 Những thuận lợi, khó khăn công tác thu gom xử lý phế thải đồng ruộng xã Quỳnh Phú 42 3.3 Xử lý phế thải đồng ruộng chế phẩm sinh học .43 3.3.1 Giới thiệu chung chế phẩm sinh học EMINA chế phẩm sinh học BIMA 43 3.3.2 Kết phân tích tiêu đống ủ .44 3.4 Đề xuất số giải pháp xử lý phế thải đồng ruộng 47 3.4.1 Giải pháp sách 47 iv 3.4.2 Giải pháp tuyên truyền giáo dục cộng đồng 47 3.4.3.Giải pháp quản lý 48 3.4.4 Giải pháp công nghệ xử lý 48 Hiện địa bàn xã Quỳnh Phú tình hình sử dụng phân hữu bón cho trồng tương đối ít, lượng phân hữu sử dụng chủ yếu phân chuồng Đa phần, người dân lạm dụng phân hóa học gây thối hóa đất đai làm khả sản xuất đất Mặt khác, giá thành vật tư nông nghiệp leo thang, gây bất lợi cho người dân sản xuất Dựa vào kết thử nghiệm, đề tài xin đưa số đề xuất sau: 48 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ .50 Kết luận 50 Kiến nghị .51 TÀI LIỆU THAM KHẢO .52 PHỤ LỤC 54 PHIẾU ĐIỀU TRA .56 v DANH MỤC BẢNG vi DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ Hình 1.1 Các nguồn phát sinh phế thải đồng ruộng Hình 1.2 Mơ hình phân hủy Xenluloza Lutzen 18 Hình 2.1 Quy trình xử lý phế thải đồng ruộng thành phân hữu .27 Hình 3.3 Đồ thị diễn biến nhiệt độ đống ủ đối chứng đống ủ thí nghiệm 45 vii DANH MỤC CHỮ VIẾT TẮT BVTV : Bảo vệ thực vật ĐV : Động vật HCBVTV : Hoá chất bảo vệ thực vật TCVN : Tiêu chuẩn Việt Nam THCS : Trung học sở UBND : Uỷ ban nhân dân VSV : Vi sinh Vật CPSH : Chế phẩm sinh học viii Bảng 1.2 Sử dụng loại chất thải từ hoạt động canh tác (đơn vị: %) Vùng Đốt ruộng Bỏ Làm nhiên liệu Chế biến phân compost Chăn nuôi Đồng sông Hồng 43 12 17 22 Đồng sông Cửu Long 53 39 2 (Nguồn: Cục môi trường, 2008) 1.4.1 Phương pháp đốt Đây biện pháp sử dụng phổ biến xử lý phế thải đồng ruộng lượng phế thải nhiều dễ cháy  Ưu điểm: Đốt rơm rạ đơn giản, dễ làm, giảm giá thành giảm thiểu sâu bệnh hại đồng ruộng  Nhược điểm: gây mát lượng lớn chất dinh dưỡng, gây ô nhiễm môi trường khơng khí nghiêm trọng, gây hiệu ứng nhà kính bệnh hơ hấp, gây tượng khói mù cản trở tầm nhìn người điều khiển phương tiện giao thông, vừa chất hữu 1.4.2 Phương pháp bỏ Khi số lượng phế phụ phẩm nông nghiệp khơng lớn có khu vực trống ao, hồ, kênh mương người dân thường vứt bỏ chỗ sau thu hoạch  Ưu điểm: Dễ làm, đơn giản, không cần quy tắc, không tốn công sức kinh phí Nhược điểm: Làm hồn tồn lượng dinh dưỡng cần trả lại cho đất, ảnh hưởng đến mỹ quan Gây ô nhiễm môi trường nước ảnh hưởng đến sức khỏe người dân phế thải đồng ruộng vứt xuống mương máng gây ô nhiễm nguồn nước phế phụ phẩm bị phân hủy gây nhiễm khơng khí mùi thối tạo 10 điều kiện để vi sinh vật gây hại phát sinh dịch bệnh cho người vật nuôi 1.4.3 Phương pháp làm nhiên liệu Nhiều nước chế tạo nhiên liệu sinh học từ sản phẩm nông nghiệp từ ngơ (Mỹ), từ mía đường (Brazil), củ cải đường (các nước Châu Âu) , … để thay nhiên liệu hóa thạch Ở Việt nam, nhà khoa học thuộc Viện Hóa học (Viện Khoa học Công nghệ Việt Nam) nghiên cứu điều chế thành công loại dầu sinh học (Bio-oil) từ rơm rạ cơng nghệ nhiệt phân Theo đó, rơm rạ thu gom làm sạch, hong khô đưa vào lò nhiệt phân Sau phản ứng nhiệt phân thu sản phẩm ba dạng khí, lỏng rắn Sản phẩm lỏng chiếm phần lớn chứa dầu sinh học (bio-oil) sử dụng làm nhiên liệu nhà máy điện (gia nhiệt nồi hơi, lò,…) thay diesel dầu mỏ để chạy động  Ưu điểm: tận dụng nguồn lượng, đem lại hiệu kinh tế cao  Nhược điểm: cần phải có trình độ, máy móc, khơng áp dụng rộng rãi điều kiện nông hộ 1.4.4 Chế biến phân compost Phương pháp ủ có từ lâu đời diễn nhiều nơi giới Từ xa xưa, người biết ủ phân gia súc để bón cho trồng Thực chất phương pháp ủ lên men phế phụ phẩm hay xử lý chúng có tham gia hệ vi sinh vật bao gồm: nấm, xạ khuẩn vi khuẩn Ưu điểm: rẻ tiền, hạn chế ô nhiễm môi trường, trả lại hàm lượng chất hữu cho đất, đem lại hiệu kinh tế tiết kiệm tiền mua phân bón hóa học, tiêu diệt mầm bệnh làm đồng ruộng  Nhược điểm: thời gian ủ tốn công lao động 1.4.5 Làm thức ăn cho gia súc 11 Một số loại phế phụ phẩm nông nghiệp tận dụng làm thức ăn cho gia súc: Rơm rạ sử dụng nguồn thức ăn để ni trâu bị Rơm rạ nguồn xơ tốt để phối hợp với thức ăn nhuyễn, thức ăn bổ sung khác chăn ni bị sữa vỗ béo bị thịt Thân ngơ sau thu hoạch có giá trị dinh dưỡng cao khô cứng, cần cán dập, chặt ngắn phơi khơ trước cho gia súc ăn Bã mía có giá trị lượng protein thấp lại nguồn chất xơ có ích  Ưu điểm: Đơn giản, dễ làm Đem lại hiệu kinh tế, tận dụng nguồn phế phụ phẩm hạn chế ô nhiễm môi trường  Nhược điểm: không trả lại nguyên tố dinh dưỡng cho đất 1.4.6 Biện pháp trồng nấm Trồng nấm coi phương pháp sinh học tận dụng nguồn rơm rạ có hiệu nguồn đầu mẩu rơm rạ dùng quay vịng lại Nấm rơm loại thực phẩm có nhiều chất dinh dưỡng với hàm lượng protein cao (2,66 – 5,05%) 19 acid amin Việc trồng loại nấm ăn phế phụ phẩm nông nghiệp rơm rạ trình có giá trị gia tăng nhằm chuyển hóa loại nguyên liệu từ chỗ coi phế thải thành thức ăn cho người  Ưu điểm: tận dụng nguồn rơm rạ sẵn có, khơng cần nhiều diện tích , chi phí đầu tư thấp đem lại hiệu kinh tế cao Bầu trồng nấm xong chế biến thành phân sinh học  Nhược điểm: phải có kỹ thuật xử lý rơm rạ trước trồng nấm 12 1.4.7 Vùi rơm rạ vào đất Phế phụ phẩm sau thu hoạch vùi trực tiếp vào đất, sau vi sinh vật phân hủy chúng để cung cấp dinh dưỡng cho trồng vụ sau, cải thiện đặc tính lý hóa sinh học đất, nâng cao độ phì nhiêu đất để ổn định sản xuất lâu dài Ưu điểm: Khép kín vịng tuần hồn vật chất, cải thiện đặc tính lý hóa sinh học cho đất, nâng cao độ phì đất trì khả sản xuất đất Diệt trừ số mầm bệnh Nhược điểm: Việc cày vùi rơm rạ vào đất ướt gây tượng cố định đạm tạm thời làm tăng lượng khí metan phóng thích đất, gây tượng tích lũy khí nhà kính Có thể gây số mầm bệnh cho trồng Tốn cơng lao động cần máy móc thích hợp cho làm đất 1.5 Tình hình nghiên cứu xử lý phế thải đồng ruộng giới Việt Nam 1.5.1 Tình hình nghiên cứu xử lý phế thải đồng ruộng giới Từ lâu người nhận thức tầm quan trọng vi sinh vật người sản xuất nông nghiệp Và người biết ứng dụng vào việc ủ chất thải hữu (lá cây, phân gia súc) làm phân bón, trả lại phần hữu cho đất  Từ năm 1926 đến năm 1941, Warksman cộng tác viên nghiên cứu phân hủy hiếu khí bã thực vật, động vật Ông đưa kết luận nhiệt độ nhóm vi sinh vật có ảnh hưởng đến phân giải chất thải hữu  Vào năm 1942, Mỹ, Rodale J.I kết hợp nghiên cứu Howard với thực nghiệm đưa phương pháp hữu trồng trọt làm vườn Phương pháp áp dụng nhiều nước giới đạt kết khả quan  Lamot Voets (1979) dùng vi sinh vật phân giải Xenluloza (Aspergillus.sp, Penicillium.sp, loài Chaetomium, loài Sclerotium rolfsii 13 loài xạ khuẩn Streptomyces) để phân giải Xenlophan Vì Xenlophan có nhiều thành phần chất bọc ngoài: 10% nitroxenluloza clorua ponivinyliden, 90% Xenlophan (trong có 76% Xenluloza) nên chất khơng tan tất dung môi hữu Sản phẩm cuối 30% protein, 60% đường hòa tan dùng làm phân bón  Haper Lynch (1984) ni hỗn hợp chủng Trichodecma hazianum (phân giải Xenluloza) Clostridium butiricum (cố định nito) nhằm làm tăng khả phân giải Xenluloza, thành phần phế thải hữu  Theo Achim Dobermann and Thomas Fairhurst (2000), thân lúa thời kỳ chín có chứa 40% tổng lượng N, 80-85% tổng lượng K, 3035% tổng lượng P 40-50% tổng lượng S mà lúa hút Rơm rạ nguồn hữu quan trọng cung cấp K Si cho trồng  Ở Trung Quốc có nhiều nghiên cứu việc phân lập vi sinh vật ứng dụng xử lý phế thải hữu Năm 2005, Wen – Jing Lu cộng phân lập chủng vi khuẩn ưa ấm phân giải xenluloza cao từ phế thải rau thân hoa thuộc giống Bacillus, Halobacillus, Aeromicrobium Brebacterium  Theo Chan K.Y., Heenan, D P., So H.B (2003), rơm rạ sau thu hoạch nguồn hữu quan trọng cho trồng cấu luân canh Với bố sung thêm đạm, rơm dùng tất loại đất Chất hữu rơm rạ chiếm khoảng 85% Trong 50 tạ rơm có từ 20-35,8% kg N, 5-7 kg P2O5, 60-90 kg K2O, 10-15 kg CaO, 4-6 kg MgO, 5-6 kg S nguyên tố vi lượng 28g B; 15g Cu; 150g Mn; 2g Mo; 200g Zn; 0,5g Co Lượng nguyên tố hoá học tối quan trọng rơm rạ ( trừ đạm) có khả đảm bảo gần đầy đủ nhu cầu dinh dương để đảm bảo thu 20 tạ hạt/ha 1.5.2 Tình hình nghiên cứu xử lý phế thải Việt Nam Những nghiên cứu sử dụng chế phẩm vi sinh vật để xử lý phế thải Việt Nam năm 60 kỷ XX, đến 14 năm 80 đưa vào chương trình cấp nhà nước với tiêu đề “Công nghệ sinh học phục vụ nông nghiệp” giai đoạn 1985-1990 Đề tài cấp nhà nước KHCN 02 – 06A, giai đoạn 1996 – 1998 “ Nghiên cứu áp dụng công nghệ sinh học sản xuất phân bón hữu vi sinh từ nguồn phế thải hữu rắn” phân lập từ mẫu rác số tỉnh phía Bắc tuyển chọn chủng xạ khuẩn X50 thuộc loài Streptomyces gougero chủng X20 Streptomyces macrosporrus, chủng vi khuẩn V40 thuộc loài Cellulomona.sp V31 thuộc loài Corynebaccoerium.sp chủng nấm N11 thuộc loài A.japonicus N3 thuộc lồi A.unilaterralis Các chủng có khả phân hủy chuyển hóa hợp chất hữu khó phân giải xenluloza hemixenluloza, có khả sinh tổng hợp enzyme ngoại bào như: amylaza, proteiaza, pectinaza…Khi nghiên cứu tác động VSV vào trình phân hủy rác, tác giả nhận thấy chúng tác động đồng thời theo tỉ lệ phối trộn vi khuẩn, xạ khuẩn, nấm 1:1:1 cho hiệu cao chúng có tác động riêng rẽ (Lê Văn Nhương cộng sự, 1998) Năm 1999, đề tài cấp B99 – 32 – 46 tác giả Nguyễn Xuân Thành cộng nghiên cứu thành công đề tài: “Xử lý rác thải sinh hoạt phế thải bùn mía vsv tái chế phế thải thành phân hữu bón cho trồng” Kết cho thấy xử lý chế phẩm VSV vào đống ủ phế thải có tác dụng làm tăng vi khuẩn tổng số hiếu khí, vi khuẩn phân giải xenluloza nấm tổng số so với đối chứng Hàm lượng chất dinh dưỡng dễ tiêu độ xốp tăng so với đống ủ không xử lý Phân hữu tái chế từ phế thải đạt TCVN – 123B – 1996, chất lượng phân sau tháng đạt TCVN Khi thử nghiệm đậu tương cho kết quả: phân hữu vi sinh tái chế từ phế thải rác thải hữu có tác dụng làm tăng chiều cao trọng lượng cây, tăng cường độ cố định N phân tử tăng suất hạt đậu tương từ 15 – 20% so với đối chứng Lý Kim Bảng cộng (2003) nghiên cứu thành công chế phẩm VIXURA công nghệ xử lý rơm rạ đem lại hiệu kinh tế xã hội cao 15 Trong đó, chế phẩm VIXURA chứa 12-15 loại vi sinh vật có khả sinh enzym khác để phân hủy chất rác rơm rạ, đồng thời tăng khả đồng hóa chất dinh dưỡng khả chống chịu sâu bệnh trồng Nguyễn Thành Hối cộng (2014) nghiên cứu ảnh hưởng phân ủ từ rơm xử lý Trichoderma đến sinh trưởng suất giống lúa cao sản MTL392, OM4900 JASMINE85 Bón 10 tấn/ha phân ủ từ rơm xử lý Trichoderma lần thứ cho đất lúa Thu Đơng 2009 có tác dụng làm gia tăng suất lúa với giống Jasmine85 (8,08 tấn/ha) vụ lúa thứ hai Đông Xuân Phạm Văn Tỵ cộng (1987) phân lập hàng trăm chủng vi sinh vật có khả phân giải Xenluloza, Ligin Hemixenluloza Tác giả xây dựng quy trình sản xuất chế phẩm phân giải chất hữu đạt huy chương vàng hội chợ triển lãm kinh tế toàn quốc năm 1987 Kết thử nghiệm xử lý chế phẩm rút ngắn thời gian ủ xuống cịn 45-60 ngày thay tháng đến năm, chí năm với điều kiện tự nhiên Năm 2004, Nguyễn Xuân Thành cộng nghiên cứu thành công đề tài khoa học cấp Bộ B2004 – 32 – 66 : “ Xây dựng quy trình sản xuất chế phẩm vi sinh vật xử lí tàn dư thực vật đồng ruộng thành phân hữu chỗ bón cho trồng” Quy trình sản xuất chế phẩm vi sinh vật xử lí tàn dư thực vật đồng ruộng đạt TCVN Chế phẩm thử nghiệm đem lại hiệu cao, rút ngắn thời gian xử lý so với đối chứng xuống 46-60 ngày, có hàm lượng dinh dưỡng tăng… làm phân bón hữu chỗ cho nhiều loại trồng, giảm bớt chi phí đầu vào cho sản xuất nông nghiệp 16 1.6 Cơ sở khoa học việc xử lý phế thải đồng ruộng biện pháp sinh học Sau tìm hiểu thành phần phế thải đồng ruộng, ta thấy thành phần phế thải đồng ruộng xenluloza Nếu để phế thải đồng ruộng phân hủy tự nhiên thời gian dài Vì vậy, thực tế người ứng dụng nguyên lý trình phân hủy chuyển hóa phế thải chất thải rắn Nhờ hoạt động vi sinh vật mà chất khó tan ( xenluloza, hemixenluloza chất cao phân tử khác) chuyển hóa thành chất dễ tan 1.6.1 Xenluloza, chế thuỷ phân vi sinh vật phân giải Xenluloza ♦ Xenluloza Xenluloza thành phần chủ yếu tế bào thực vật, chiếm tới 50% tổng số hydratcacbon trái đất Trong vách tế bào thực vật, xenluloza tồn mối liên kết chặt chẽ với polisaccarit khác với hemi-xeluloza, pectin lignin tạo thành liên kết bền vững Xenluloza hợp chất cao phân tử cấu tạo từ gốc β - D – Glucose liên kết β – 1,4 glucozit tạo thành chuỗi, có cơng thức cấu tạo ( C6H10O5)n hay [C6H7O2(OH)3]n n nằm khoảng 5000 – 14000 Mỗi phân tử xeluloza thường chứa 1.400 – 10.000 gốc gluco Xenluloza thành phần thành tế bào thực vật, kết hợp với hemixenlulo lignin tạo nên độ cứng cho thành tế bào Trong tự nhiên, xenluloza hợp chất bền vững, chúng không tan nước mà bị phồng lên nhóm hydroxyl đơn vị gluco có xu hướng hồn thành liên kết hydrogen nhạy với phân tử nước (Lê Xuân Phương, 2003) ♦ Cơ chế phân giải Xenluloza Để phân giải xenluloza tự nhiên cần phải có có mặt enzym phức hệ xenlulaza Phức hệ xenlulaza gồm có loại enzym: 17  Endogluconaza (1,4 - β - D – glucanohydrolaza, CX, EC 3.2.1.4) thủy phân liên kết 1,4 glucozit bên phân tử xenlulo cách tùy tiện, khơng cơng xenlobioza thủy phân xenlodextrin Enzim phân giải mạnh xenlulo hòa tan dạng xenlulo vơ định hình hoạt động yếu vùng kết tinh  Exoglucanaza (1,4 - β - D – glucanxenlobiohydrolaza, C1, EC 3.2.1.91) tác dụng lên xelulo, cắt đơn vị xenlobioza khỏi đầu chuỗi xenlulo, khơng cơng xenlulo thay thế, thủy phân xenlodextrin không thủy phân xenlobioza  β - glucozidaza (β - D – glucozit glucohydrolaza) hay xenlobioza EC 3.2.1.21 cắt xenlobioza tạo thành C Cx thành gluco, không công xenlulo hay xenlodextrin bậc cao (Lê Văn Nhương, 2001) Tác giả Lutzen cho thủy phân xenlulo tự nhiên phải có hiệp đồng loại enzym Chúng tạo thành phức hệ enzym nhiều thành phần bề mặt phân tử xenluloza Nhờ Lutzen đưa mơ hình phân giải xenluloza theo sơ đồ sau: Exogucanaza (3) Xenluloza Endoglucanaza (2) Gn Xenlobiohydrolaza G1 Xenlobiazo G Endoglucanaza + Xenlobiohydrolaza (1) Exogucanaza Hình 1.2 Mơ hình phân hủy Xenluloza Lutzen G : Glucozo G1 : Xenlubiozo Gn : đoạn chuỗi Xenlulozo (1) Thủy phân trực tiếp tác dụng Exoglucanaza (2) Thủy phân tác dụng phối hợp Xenlobiohydrolaza 18 Endoglucanaza (3) Thủy phân trước tiên tác động Endoglucanaza sau Exoglucanaza Để thủy phân xenluloza vơ định hình cần có tác động C x C1 để thủy phân xenluloza tinh thể thiết phải có mặt loại enzym Ở phức hệ enzym xelulaza có tác động hiệp đồng chặt chẽ, Cx công cách tự nhiên lên chuỗi xenluloza, phân liên kết glucozit số chỗ tùy ý tạo đầu có khả bị cơng C Kết tạo xenlobioza - chất kìm hãm cho C Cx Các liên kết glucozit tách có khả nhanh chóng bị nối lại chất có trật tự cao chất, cịn vắng mặt Cx thủy phân khơng xảy xảy chậm chạp không tạo đầu tự (Coughlan cộng sự, 1979) ♦ Vi sinh vật phân giải Xenluloza Trong tự nhiên có nhiều loại vi sinh vật có khả tiết loại enzym tác nhân trình phân giải chuyển hóa loại hợp chất hữu cơ, biến chúng từ dạng thô sơ thành dạng mùn nhuyễn chất dinh dưỡng dễ hấp thu đất, từ làm tăng độ phì nhiêu đất cải thiện môi trường sống xung quanh Nấm sợi nhóm có khả tiết mơi trường lượng lớn enzym với đầy đủ thành phần nên khả phân giải xenluloza mạnh Nấm có hoạt tính phân giải xenluloza đáng ý Trichoderma bao gồm hầu hết loại sống đất, đại diện tiêu biểu Trichoderma ressei, Trichoderma viride, chúng phân hủy tàn dư thực vật lớp đất góp phần chuyển hóa lượng hữu khổng lồ Một số nấm khác có khả phân giải xenluloza cao Aspergillus niger, Fussarium solani, Penicillium pinophinum (Phan Bá Học, 2007) Vi khuẩn có khả phân giải xenluloza, cường độ không mạnh nấm sợi lượng enzym tiết mơi trường 19 thành phần enzym không đầy đủ Các vi khuẩn hiếu khí có khả phân giải xenluloza mạnh như: Cellulomonas, Vibrio, Archomobacter (Phan Bá Học, 2007) Trong điều kiện yếm khí vi khuẩn ưa ẩm ưa nhiệt thuộc giống Bacillus Clostridium có khả phân giải xeluloza Xạ khuẩn: Bên cạnh nấm vi khuẩn, xạ khuẩn có khả phân giải xenluloza cao, đáng ý Streptomyces, Actinomyces, Nocardia Mycromonospora Xạ khuẩn phân giải xenluloza phân lập từ mẫu đất, mùn rác bùn, nơi có chứa xenluloza Người ta thường sử dụng xạ khuẩn đặc biệt Streptomyces việc phân hủy rác thải sinh hoạt Những xạ khuẩn thường thuộc nhóm ưa nhiệt, sinh trưởng phát triển tốt nhiệt độ 4550oC, thích hợp với q trình ủ rác thải ( Phan Bá Học, 2007) Như thấy vi sinh vật phân hủy xenluloza đa dạng phong phú 1.6.2 Hemixenluloza, chế thủy phân vi sinh vật phân giải Hemixenluloza ♦ Hemixenluloza Hemixenluloza có khối lượng khơng nhỏ, đứng sau xenluloza tế bào thực vật, chúng phân bố vách tế bào Hemixenluloza có chất polysaccarit bao gồm khoảng 150 gốc đường, liên kết với cầu β-1,4 glucozit, β-1,6 glucozit thường tạo thành mạch ngắn có phân nhánh Do thành phần có nhiều loại gốc đường khác nên tên chúng gọi theo tên loại đường chủ yếu – hợp phần quan trọng hemixenluloza Các polysaccarit như: galactan, araban, coxylan, hợp chất thường gặp thực vật, tham gia cấu tạo nên thành tế bào 20 quan khác gỗ, rơm rạ, … Trong tự nhiên, coxylan loại thường gặp nhiều Về cấu trúc, so với xenluloza hemixenluloza không chặt chẽ Hemixenluloza dễ bị phân giải dung dịch kiềm hay axit lỗng, đơi chúng cịn bị phân giải nước nóng đặc biệt hemixenluloza dễ dàng bị enzim hemixenlulaza phân giải ♦ Cơ chế phân giải Hemixenluloza Hemixenlulaza dễ bị thuỷ phân, có phân tử lượng nhỏ hơn, cấu trúc đơn giản bền vững xenlulaza Các đơn vị cấu thành thành phần chủ yếu hemixenluloza xyloza mantoza Để phân hủy hoàn toàn hemixenluloza phân nhánh cần phải có mặt loạt enzyme khác endoxylanaza, β – xylozidaza, α – glucaromidaza, α – arabinozadaza axetylxylanestenaza (Lương Đức Phẩm cộng sự, 2009) ♦ Vi sinh vật phân giải Hemixenluloza (Xylan) Các vi sinh vật phân giải hemixenluloza ý đến nhiều tác giả cho thấy đa số vi sinh vật có khả sinh tổng hợp xylanaza để phân giải xylan Khả thường thấy vi khuẩn có như: Ruminococcus, Bascillus, Bacteriodes, Butyvubrio loại thuộc Clostridium Nhiều lồi nấm sợi có khả tạo xylanaza như: Aspergillus niger, Penicillium janthinnellum, Trichoderma ressei, Aspergillus Tải FULL (67 trang): https://bit.ly/3qIU0ha oryzae… Dự phòng: fb.com/TaiHo123doc.net Tuy nhiên, nhiều vi sinh vật hiếu khí yếm khí đất có khả tổng hợp enzim hemixenluloza với hoạt tính cao xenluloza 1.6.3 Ligin, chế thuỷ phân vi sinh vật phân giải Ligin ♦ Ligin Ligin hợp chất cao phân tử đặc biệt thực vật Thường tập trung mơ hố gỗ, chất kết dính tế bào, làm tăng độ bền học, chống thấm nước qua vách tế bào mô xylem ngăn cản xâm nhập vi 21 sinh vật gây bênh Ngoài ra, Ligin có cấu trúc phức tạp tạo thành phản ứng ngưng tụ từ loại rượu chủ yếu trans-P-cumarynic; transconnyferynic trans-cynapylic Ligin khác với xenluloza hemixenluloza chỗ hàm lượng cac bon tương đối nhiều, cấu trúc ligin cịn có nhóm methoxyl (-OCH3) liên kết với liên kết (C-C) hay (C-O) phổ biến liên kết aryl-glyxerin; aryl-aryl diaryl ete Lignin bền chịu tác dụng enzyme vi sinh vật ♦ Cơ chế thuỷ phân Ligin Có nhiều quan điểm trái ngược chế phân giải lignin Một số tác giả cho rằng, lignin có tác dụng nguồn cảm hứng để tổng hợp ligninaza Nhưng số tác giả khác lại cho trình phân giải lignin trình trao đổi chất thứ cấp Chúng xảy môi trường thiếu nguồn dinh dưỡng cacbon dễ đồng hóa thiếu nguồn nitơ Nếu thêm nito vào làm giảm nhanh trình phân giải lignin Nhiều cơng trình nghiên cứu cho thấy có khoảng 15 loại enzyme tham gia vào trình thủy phân lignin Ligninaza không thủy phân lignin thành tiểu phần hòa tan phân giải xenluloza hầu hết polime khác, lignin chứa số lượng liên kết bị phân hủy nhỏ Mặt khác, ligninaza lại khó hịa tan, chúng liên kết theo kiểu cho phép tiếp xúc với lignin Q trình thủy phân diễn theo điều kiện phản ứng hóa học sau: Cắt oxy hóa mạch bên đơn vị phenylpropan Hình thành nhóm cacboxyl thơm Tách nhóm methoxyl Hydroxyl hóa vịng thơm ♦ Vi sinh vật phân giải lignin 22 Đối với lignin loại có chất khó chuyển hóa nhất, thời gian phân hủy chậm kéo dài hàng tháng đến hàng năm Các vi sinh vật phân giải lignin thường loại nấm Về nấm mốc, người ta chia thành loại hình chính: Phân giải lignin cho bột nát mềm: Do nấm Ascomycetes (chaetomium, xylaria, hypoxylon) nhiều nấm bất toàn Conythyrium, Stysanus, Alternaria,… Phân giải lignin cho bột nát màu nâu: Gyrophana lacrymans, Armillariella mella, Laccaria lacata,… chúng thuộc Basidiomycetes Phân giải lignin cho bột nát màu trắng: Do nấm Ascomycetes, Hypoxylon, Xylaria,… Ngồi nấm Ascomycetes cịn có Basidiomycetes, Agaricales (Pholliota) hay Aphyllophorales (stereum, coriolus, fomes,…) (Nguyễn Xuân Thành cộng sự, 2011) 1.6.4 Pectin, chế thuỷ phân vi sinh vật phân giải Pectin ♦ Pectin Tải FULL (67 trang): https://bit.ly/3qIU0ha Dự phòng: fb.com/TaiHo123doc.net Các chất pectin hợp chất polymer dạng keo, thuộc loại polysaccarit dị hình, cấu tạo từ gốc axit galacturonic gắn với liên kết α – 1,4 – glucozit số gốc khác metyl hóa vị trí C Pectin có mặt tất mô thực vật bậc cao thành phần thực vật Cùng với lignin xenluloza, pectin tham gia vào hình thành khung thực vật, điều chỉnh độ ẩm trạng thái tế bào thực vật Pectin có thành phần tan thành phần không tan nước Protopectin thành phần khơng tan Pectin hịa tan trùng hợp polysacarit chủ yếu từ gốc axit galacturonic, có số gốc axit có chưa nhóm metoxyl ♦ Cơ chế thuỷ phân Pectin Các enzyme phân giải chất pectin gồm loại sau: Pectinesteraza tác động vào vị trí số 5, số số có nhóm metyl tạo thành axit galacturonic methanol 23 Polygalacturonaza cắt liên kết α – 1,4 – glucozit Tác động lên axit pectinic axit pectin polygalacturonaza Tác động lên liên kết α – 1,4 – glucozit protopectinaza Dưới tác dụng enzyme pectinaza, tính chất pectin thay đổi nhiều ♦ Vi sinh vật phân giải pectin Pectinaza sản sinh nhờ số loài vi khuẩn nhiều loài nấm mốc Nhiệt độ thích hợp cho hoạt động enzyme pectinaza 37 – 55oC, pH thích hợp – 4,5 Vi sinh vật phân giải pectin gồm số loại nấm sợi như: Botrytis cinerea, Fuarium oxysporum, Erwinia carotorava,… số loại vi khuẩn như: Clostridium, Pectinnovorum, Bacillus macerans,… ( Lương Đức Phẩm cộng sự, 2009) 4217562 24 ... ? ?Đánh giá trạng phế thải đồng ruộng xử lý rơm rạ chế phẩm sinh học thành phân bón hữu xã Quỳnh Phú, huyện Gia Bình, tỉnh Bắc Ninh? ?? Mục đích nghiên cứu Đánh giá trạng phế thải đồng ruộng xã Quỳnh. .. công tác thu gom xử lý phế thải đồng ruộng xã Quỳnh Phú 42 3.3 Xử lý phế thải đồng ruộng chế phẩm sinh học .43 3.3.1 Giới thiệu chung chế phẩm sinh học EMINA chế phẩm sinh học BIMA ... Phú, huyện Gia Bình, Tỉnh Bắc Ninh Xử lý rơm rạ thành phân bón hữu chế phẩm sinh học Yêu cầu nghiên cứu Xác định khối lượng thành phần phê thải đồng ruộng xã Quỳnh Phú, huyện Gia Bình, tỉnh Bắc