Phần 2 Tổng quan các vấn đề nghiên cứu
2.4. Tình hình nghiên cứu xử lý chất thải chăn nuôi trên thế giới và Việt
THẾ GIỚI VÀ VIỆT NAM.
2.4.1. Cơ sở khoa học của việc xử lý chất thải chăn nuôi bằng chế phẩm vi sinh. Trong chất thải chăn nuôi có chứa các hợp chất tồn tại trong thức ăn, việc sử dụng chế phẩm vi sinh giúp thúc đẩy quá trình phân giải các hợp chất trên được nhanh hơn.
2.4.1.1. Phân giải xenlulo
Xenlulo (glucan): là hợp chất cao phân tử được trùng hợp (polymer hóa)
từ các gốc β-D–glucozo bằng liên kết β–1,4 – glucozơ nhờ khả năng tự dưỡng
dưới ánh sang mặt trời của giới thực vật. Xenlulo là thành phần chính trong rơm rạ và rất khó phân hủy, quá trình phân hủy xenlulo được thực hiện bằng một hệ enzyme có sự phối hợp chặt chẽ với nhau để bẻ gãy mạch xenlulo cuối cùng tạo ra đường glucose.
Hệ sinh vật phân hủy xenlulo khá phong phú gồm có vi khuẩn, xạ khuẩn
và nấm mốc. Chúng có khả năng tiết vào môi trường enzyme thủy phân xenlulo.
Hệ enzyme này gồm 3 enzym là endoglucanaza, exoglucanaza và β –
XenlulozơendogluanazaXenlulozơexoglucanazaXenlobiozơxenlobiazaGlucozơ tự nhiên hoạt động.
Enzymendogluanaza là “tiền nhân tố thủy phân” hay là enzyme không đặc hiệu, nó làm trương xenlulozo tự nhiên thành chuỗi xenlulozo hoạt động có mạch
ngắn hơn và bị enzyme exoglucanaza tiếp tục phân cắt tạo thành các đường tan
xenlobiozo và cuối cùng thành glucozo.
Nấm là nhóm vi sinh vật chủ yếu phân hủy polysaccarit, trong đó cơ bản là
glucan (xenlulozơ) tạo ra mùn. Trong số các loại nấm được nghiên cứu nhiều nhất là Tricoderma viside (reesei). Các loại thuộc nấm này tiết ra một lượng lớn các enzym khác nhau, trong đó xenlulaza là chính có khả năng phối hợp phân hủy xenlulo. Ngoài ra, xenlulo còn được thủy phân bởi các chủng vi sinh vật khác như: Vi khuẩn: Cytophaga, Sporocytophaga, sorangium, clostridium, Bacillus,
Bacteroides, Cellulomonas, Pseudomonas... Nấm sợi: Penicillium, Aspergilus,
Mucor,Tricoderma, rhizopus... Xạ khuẩn: Actinomyces, Stretomyces, Actinopolysprora, Pseudonocardia... (Nguyễn Trọng Nam, 2014).
2.4.1.2. Phân giải hemixenlulo
Hemixenlulo (xylan): là một phức hệ gồm Endo-1,4-β-D-mannaza và 1,4 - β - D- xylozidaza. Enzym mannaza thủy phân xylan thành các oligosaccarit hòa
tan trong nước và enzym xylozidaza sẽ tiếp tục thủy phân. Sản phẩm cuối cùng là
xyloza và mannozo.
Các enzym hemixenlulo (xylanama) rất phổ biến trong tự nhiên, chúng được vi sinh vật sinh ra từ đất, nước, trong dạ cỏ động vật nhai lại... Enzym này được sản sinh từ các chủng vi sinh vật như: Vi nấm (nấm sợi, nấm mốc): các
enzym phân hủy hemixenlulo có nguồn gốc từ nấm như Tricoderma, Aspergillus,
Fusarium... Các loài nấm Tricoderma khi phát hiện trên xác thực vật sinh ra một
lượng lớn xylanaza, có khả năng phân hủy không những xylan mà còn phân hủy
cả glucan, cacbonxy- metyl- xenlulozo, P- nitrophenyl- β- glucozit, xylosligome.
Vi khuẩn cũng có khả năng sinh xylanaza tổ hợp. Trong số vi khuẩn được nghiên
cứu nhiều nhất là Bacillus. Vi khuẩn này sinh enzym thủy phân rơm rạ (cơ chất là
arabinoxylan) và sản phẩm chủ yếu là xylobiozo và một lượng nhỏ
xylooligosaccarit có độ trùng hợp cao. Enzym này phân hủy xylan của rơm rạ và
gỗ thông rụng lá theo phương thức endoxylanaza và giải phóng ra xylobiozo và
thành ở giai đoạn đầu của quá trình thủy phân. Tiếp theo tiến trình phản ứng thủy phân xylooligosaccarit có độ trùng hợp thấp sẽ phân hủy tiếp thành xylobiozo và xylozo (Nguyễn Trọng Nam, 2014).
2.4.1.3. Phân giải pectin
Pectin là một loại polygalacturonic, một hợp chất cao phân tử có nhiều trong quả, củ, hạt và trong thân thực vật. Pectin được phân giải tạo ra sản phẩm cuối cùng là axit D galacturonic.
Pectin không tan → pectin hòa tan → axit pectin + rượu metylic → acid D galacturonic
Pectin bị phân giải bởi enzym pecticnaza. Enzym này được sản sinh nhờ một số loài vi khuẩn và nhiều loài nấm mốc. Trong xử lý xác thực vật thì nấm đóng vai trò chủ yếu trong việc phân hủy các chất pectin, còn ở điều kiện kị khí thì vi khuẩn lại đảm nhiệm vai trò này. Một số vi sinh vật (Botrytis cinnerea,
Fusarium oxysporum, F. Lycopersici) có khả năng gây bệnh thực vật là do chúng tiết enzym hòa tan pectin. Erwvinia caratovora làm tan mô ở xà lách, cà rốt... Số lượng các cơ thể phân hủy pectin trong đất là cực kỳ lớn (105 tế bào/gam đất).
Các vi khuẩn sinh bào tử như Bacillus macerans và Bacillus polimisa nằm trong
số vi sinh vật phân hủy pectin mạnh mẽ nhất (Nguyễn Trọng Nam, 2014).
2.4.1.4. Phân giải lipid
Quá trình thủy phân lipit gây ra do vi sinh vật sản sinh enzym lipaza nội
tại. Bước đầu tiên của phản ứng là sự thủy phân. Dưới tác dụng của enzym lipaza
thủy phân thành glyxerin và axit béo. Sau khi photphorin hóa, glyxerin tiếp tục
được chuyển hóa theo đường Embden-Meyerhof-Panas và tích lũy tại năng lượng
ATP. Các axit béo được đồng hóa nhờ quá trình β-oxy hóa giải phóng nhiệt làm
ấm môi trường cho vi sinh vật ưa nhiệt, giải phóng CO2 cung cấp cho quang hợp
(Nguyễn Xuân Thành và cs., 2015).
2.4.1.5. Phân giải protein
Protein là hợp chất cao phân tử chứa nito, thành phần cơ bản của chất nguyên sinh, trong protein chứa khoảng 15-17% nito. Cũng như những cao phân tử khác, protein bị phân hủy bên ngoài tế bào bởi các enzym ngoại bào thành những mẩu nhỏ hơn có thể xâm nhập vào tế bào. Protein phân hủy tạo thành các oligopeptit và các axit amin. Các oligopeptit được vi sinh vật hấp thụ nhờ những
thành các axit amin. Những axit amin này được thu nhận vào protein của tế bào, hoặc được tách amin trên những con đường trao đổi chất đặc biệt, được lôi cuốn vào các con đường trao đổi chất trung gian và bị oxi hóa tận cùng.
Protein → Polypeptit → Oligopepetit → Axit amin → NH3
Các nhóm vi sinh vật có khả năng phân hủy protein bao gồm vi khuẩn:
bacillus mycoides, B.mesentercus, B. subtilis, Ptoteus vulgaris,
Chromobacterium prodigiosum... Xạ khuẩn: Streptomyces griseus, S.rimesus. Nấm: Aspergillus oryzae, A.terircoda, A.niger, Penicillium camomberli, Mucor
(Nguyễn Xuân Thành và cs. 2015).
2.4.1.6. Phân giải tinh bột
Tinh bột là hợp chất hydratcacbon cao phân tử có trong hạt ngũ cốc và
còn nhiều trong rơm rạ. Tinh bột được cấu tạo bởi hai thành phần chính là
Amylose (khoảng 25%) và Amylopectin (khoảng 75%). Tinh bột được phân giải
nhờ các vi sinh vật có khả năng sinh sản enzyme amylaza ngoại bào giúp phân
giải tinh bột thành các phần đơn giản hơn. Tinh bột dưới tác dụng của enzym amylaza sẽ bị thủy phân thành dextrin, đường maltozo và gluco. Các enzym amylaza thường có trong các hạt củ mầm, đặc biệt ở các môi trường nuôi cấy vi sinh vật có tinh bột. Các vi sinh vật có khả năng sinh amylaza là nấm, vi khuẩn và xạ khuẩn.
Các enzym amylaza gồm có α – amylaza, β – amylaza và γ – amylaza (gluco – amylaza).
α – amylaza thủy phân tinh bột cho các chất dextrin là sản phẩm chính và một ít đường maltozơ hoặc gluco, chủ yếu làm loãng hồ tinh bột.
β – amylaza thủy phân tinh bột cho các sản phẩm chính là maltozơ
(đường mạch nha).
γ – amylaza thủy phân tinh bột thành gluco.
Amylaza ở thực vật thường chỉ có α và β – amylaza, ở nấm mốc có cả 3