Nghiên cứu sử dụng bùn thải sinh học từ nước thải sản xuất bia để nuôi cấy vi khuẩn Bacillus Thuringiensis sinh độc tố diệt sâu

1

Số hóa bởi trung tâm học liệu


ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN
TRƢỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC


Trần Thị Kim Hạnh


NGHIÊN CỨU SỬ DỤNG BÙN THẢI SINH HỌC TỪ NƢỚC
THẢI SẢN XUẤT BIA ĐỂ NUÔI CẤY VI KHUẨN BACILLUS
THURINGIENSIS SINH ĐỘC TỐ DIỆT SÂU

Chuyên ngành: Công nghệ sinh học
Mã số: 60420201


LUẬN VĂN THẠC SĨ CÔNG NGHỆ SINH HỌC

NGƢỜI HƢỚNG DẪN KHOA HỌC
PGS. TS TĂNG THỊ CHÍNH



Thái Nguyên - 2013

2

Số hóa bởi trung tâm học liệu

MỞ ĐẦU
1. Đặt vấn đề
Ngày nay, cùng với sự phát triển mạnh mẽ của các ngành công nghiệp, bùn
thải đang trở thành một gánh nặng cho các doanh nghiệp và các cơ quan chức năng
không chỉ ở Việt Nam mà ngay cả ở các nƣớc có nền kinh tế, khoa học kỹ thuật tiên
tiến trên thế giới. Bên cạnh lƣợng bùn thải từ các khu công nghiệp nặng và nhẹ, bùn
thải bệnh viện…. còn có một lƣợng lớn bùn thải đƣợc thải ra từ các khu công
nghiệp chế biến lƣơng thực thực phẩm.Tại Việt Nam, hầu hết bùn thải chủ yếu đƣợc
xử lý bằng cách ép loại nƣớc, phơi khô, sấy khô, đổ bỏ hay chôn lấp, chỉ một phần
rất nhỏ đƣợc sử dụng làm phân bón.Quá trình chôn lấp, đổ bỏ bùn thải đã và đang gây
ra ô nhiễm môi trƣờng nghiêm trọng ảnh hƣởng đến sức khỏe con ngƣời.Bên
cạnh đó chi phí xử lý bùn thải đòi hỏi một lƣợng kinh phí lớn. Do đó việc tận dụng
bùn thải làm nguyên liệu cho một ngành công nghiệp sản xuất khác có ý nghĩa to
lớn về môi trƣờng và kinh tế.
Bùn thải sinh học từ các trạm xử lý nƣớc thải của các khu công nghiệp chế
biến lƣơng thực thực phẩm có thành phần chủ yếu là các vi sinh vật hình thành
trong quá trình xử lý arotanh và các hợp chất hữu cơ cao phân tử kết lắng cùng quá
trình tạo lắng của hệ thống xử lý nƣớc thải do đó bùn thải sinh học có hàm lƣợng
chất hữu cơ có tiềm năng để tái sử dụng cho các mục đích khác nhau. Đặc biệt, bùn
thải từ các cơ sở, nhà máy sản xuất bia có chứa hàm lƣợng dinh dƣỡng cao có thể
tận dụng làm môi trƣờng thay thế môi trƣờng nhân tạo để nuôi cấy vi sinh vật [8].
Việc tận dụng thành phần dinh dƣỡng trong bùn thải để thay thế môi trƣờng nhân
tạo đắt tiền thƣờng đƣợc sử dụng trong quá trình nuôi cấy vi sinh vật để tạo ra các sản
phẩm sinh học có ích nhƣ chế phẩm sinh học cải tạo đất, chế phẩm thuốc trừ sâu sinh
học, chế phẩm diệt muỗi sinh học,… Đồng thời việc tận dụng bùn thải vừa giúp làm
giảm giá thành sản phẩm vừa thân thiện với môi trƣờng. Xuất phát từ những lý do
trên, chúng tôi tiến hành thực hiện đề tài “Nghiên cứu sử dụng bùn sinh học từ
nƣớc thải sản xuất bia để nuôi cấy vi khuẩn Bacillus thuringiensis sinh độc tố

diệt sâu”.
3

Số hóa bởi trung tâm học liệu


2. Mục tiêu nghiên cứu:
Tái sử dụng chất thải của ngành công nghiệp chế biến thực phẩm (bùn thải sinh
học của nhà máy sản xuất bia) tạo ra sản phẩm hữu ích phục vụ cho hoạt động sản
xuất kinh doanh của con ngƣời.
3. Nội dung nghiên cứu:
- Nghiên cứu kỹ thuật xử lý bùn sinh học từ trạm xử lý nƣớc thải của nhà máy
sản xuất bia làm môi trƣờng nuôi cấy vi khuẩn Bacillus thuringiensis.
- Nghiên cứu các yếu tố ảnh hƣởng đến khả năng sinh trƣởng và sinh tổng hợp
protein tinh thể của Bacillus thuringiensis khi sử dụng bùn thải sinh học từ trạm
xử lý nƣớc thải của nhà máy sản xuất bia làm môi trƣờng nuôi cấy ở quy mô
phòng thí nghiệm.
- Đánh giá hiệu lực diệt sâu của dịch nuôi cấy vi khuẩn Bacillus thuringiensis
bằng phƣơng pháp sinh học (bioassays) trong phòng thí nghiệm.

4

Số hóa bởi trung tâm học liệu

NỘI DUNG
CHƢƠNG I: TỔNG QUAN TÀI LIỆU
1.1. Khái quát về bùn thải
1.1.1. Định nghĩa
Bùn có thể định nghĩa nhƣ sau: Bùn là dạng chất rắn tách ra từ chất lỏng, bùn
thƣờng chứa một lƣợng nƣớc lớn, đặc tính của bùn phụ thuộc vào đặc tính của chất

lỏng mà nó đƣợc tách ra[40].
Dựa vào đặc tính của bùn có thể chia thành các loại bùn nhƣ sau: bùn thải dễ
phân hủy sinh học và bùn thải khó phân hủy sinh học.
Bùn thải dễ phân hủy sinh học đƣợc tạo ra từ quá trình xử lý sinh học (còn
gọi là bùn sinh học) hay từ nƣớc thải có hàm lƣợng hữu cơ cao. Bùn dễ phân hủy
sinh học cũng đƣợc chia thành 2 loại: không nguy hại và nguy hại.Bùn thải không
nguy hại đƣợc tạo ra từ quá trình xử lý nƣớc ở các nhà máy chế biến lƣơng thực
thực phẩm, nƣớc thải sinh hoạt. Bùn này có hàm lƣợng chất hữu cơ cao, ít chất độc
và thuận lợi cho sự phát triển của vi sinh vật. Vì vậy có thể sử dụng làm phân
bón cho cây trồng hoặc sử dụng làm nguyên liệu cho quá trình nuôi cấy vi sinh
vật, tạo ra nguồn năng lƣợng, nhiên liệu có giá trị…[15], [17],[24],[26],
[30],[33].Bùn thải nguy hại đƣợc tạo ra từ hệ thống nƣớc thải bệnh viện, các khu
nghiên cứu…đối với loại bùn thải này phải đƣợc xử lý nghiêm ngặt bằng phƣơng
pháp thiêu đốt trƣớc khi chôn, tuyệt đối không đƣợc tận dụng cho mục đích nông
nghiệp.
Bùn thải khó phân hủy sinh học là bùn thải chứa nhiều hợp chất khó phân
hủy hay các chất độc. Bùn thải khó phân hủy sinh học đƣợc chia thành 2 nhóm:
nhóm có khả năng xử lý thƣờng và nhóm không thể xử lý đƣợc.Bùn thải có khả
năng xử lý thƣờng áp dụng phƣơng pháp thu hồi một số chất sau đó thiêu đốt, đóng
rắn để tạo ra sản phẩm mới phục vụ con ngƣời[34].Bùn thải không thể xử lý đƣợc là
các loại bùn chứa chất phóng xạ và các chất độc dễ phát tán trong môi trƣờng và
phải xử lý bằng phƣơng pháp đóng rắn và chôn lấp theo quy định.
5

Số hóa bởi trung tâm học liệu


1.1.2.Đặc điểm của bùn thải
Thành phần của bùn:
- Hàm lƣợng hợp chất vô cơ và hữu cơ cao.

- Mật độ vi sinh vật cao.
- Kim loại nặng: As, Cd, Zn, Pb, Cu, Ni, Cr…
- Hóa chất hữu cơ tổng hợp.
- Các chất lơ lửng.
- Các thành phần khác: tùy từng ngành công nghiệp nhƣ chứa các chất
phóng xạ, chất độc,…
Trong bùn thải có chứa một hàm lƣợng chất dinh dƣỡng đƣợc sử dụng nhƣ
nguồn nguyên liệu để sinh tổng hợp các hợp chất có hoạt tính sinh học và tổng hợp
nguồn năng lƣợng mới.Hiện nay, bùn thải đƣợc ứng dụng nhiều không chỉ ở các
nƣớc phát triển mà cả những nƣớc đang phát triển nhằm giảm thiểu lƣợng bùn thải
đƣợc thải ra hàng triệu tấn/năm, góp phần bảo vệ môi trƣờng[16],[18].
1.1.3.Khái quát bùn thải trên thế giới
Trong những năm gần đây, các quá trình xử lý nƣớc thải với những công
nghệ tiến bộ đã đƣợc áp dụng ở nhiều nƣớc để hạn chế sự ô nhiễm môi trƣờng từ
nƣớc thải sinh hoạt, nƣớc thải công nghiệp.Những chỉ dừng lại ở việc xử lý nƣớc
thải thì chƣa triệt để vì sau quá trình xử lý nƣớc thải sản phẩm chủ yếu là bùn thải,
đây là một trong những nguyên nhân gây ô nhiễm môi trƣờng.Quá trình xử lý nƣớc
thải tạo ra một lƣợng lớn bùn, ƣớc tính chiếm từ 5% đến 25% tổng thể tích nƣớc xử
lý. Trong quá trình xử lý bằng công nghệ bùn hoạt tính, khoảng 30 - 40% các chất
hữu cơ có trong nƣớc thải sẽ chuyển sang dạng bùn hay lƣợng bùn sinh ra khi xử lý
1kg COD trong nƣớc thải là khoảng 0,3kg đến 0,5kg bùn. Do đó, bùn thải sau quá
trình xử lý nƣớc thải cần đƣợc xử lý và sử dụng hiệu quả.
6

Số hóa bởi trung tâm học liệu

Đối các nƣớc Châu Âu, lƣợng bùn thải khô trên một đầu ngƣời đƣợc thống
kê từ quá trình xử lý nƣớc sơ cấp và thứ cấp là khoảng 90g/ngày/ngƣời. Ở Anh, có
khoảng 30 triệu tấn bùn thải mỗi năm, tƣơng đƣơng với 1,2 triệu tấn bùn khô mỗi
năm. Chi phí cho loại bỏ và xử lý bùn khoảng 250 triệu bảng Anh ứng với 5 bảng

Anh/đầu ngƣời. Sau khi thực hiện xử lý toàn bộ nƣớc thải trong thành phố của 15
nƣớc cộng đồng Châu Âu vào năm 2005, việc xử lý này có thể làm phát sinh thêm
khoảng 10,7 triệu tấn bùn khô mỗi năm và tăng khoảng 38% lƣợng bùn. Việc tích
lũy này đã tạo ra một lƣợng lớn bùn thải[33].

Hình 1.1.Biểu đồ về sự gia tăng bùn thải khi áp dụng biện pháp xử lý nƣớc
thải ở các nƣớc cộng đồng Châu Âu [33]
Các thông tin về các phƣơng pháp và các cách tiếp cận sử dụng bùn thải sau
khi đƣợc loại bỏ vẫn chƣa đƣợc cung cấp một cách rõ ràng. Ở một vài nƣớc Châu
Âu, phƣơng pháp loại bỏ bùn chủ yếu là chôn lấp tỷ lệ chiếm khoảng 50-75%.Trong
khi đó, bùn thải sử dụng cho nông nghiệp nhƣ nguồn phân bón chỉ chiếm khoảng
25-35% hoặc một phần nhỏ đƣợc tái sinh[39]. Tại Anh, hàng năm có khoảng 18
triệu tấn bùn thải đƣợc bón cho nông nghiệp nhƣ nguồn phân hữu cơ, cũng nhƣ có
khoảng 60% lƣợng bùn thải của Hoa Kỳ đƣợc sử dụng cho mùa màng. Theo tài liệu
7

Số hóa bởi trung tâm học liệu

của Hội đồng liên minh Châu Âu (1999 - 2001) có 40% lƣợng bùn thải của các
nƣớc Châu Âu đƣợc tái sử dụng lại cho nông nghiệp.
Trung Quốc, các trạm xử lý nƣớc thải tạo ra khoảng 5,5 triệu tấn bùn tính
theo trọng lƣợng khô vào năm 2006. Một phần đáng kể lƣợng bùn này đƣợc sử
dụng trong nông nghiệp và phần còn lại đƣợc chôn lấp hoặc thải bỏ theo các hình
thức khác. Trong quá khứ, việc thải bỏ bùn từ hệ thống xử lý nƣớc thải đƣợc xem
nhƣ không tạo ra bất kỳ vấn đề môi trƣờng nào vì lƣợng bùn thải không nhiều và
việc thải bùn không đƣợc quy định cụ thể. Việc chôn lấp trong các bãi chôn lấp
không đúng kỹ thuật cũng đƣợc chấp nhận. Nhƣng hiện nay, việc xử lý bùn thải
đƣợc kiểm tra khắt khe hơn. Trong khi đó việc chôn lấp bùn thải tại nƣớc này vẫn
đƣợc xem là lựa chọn có chi phí thấp nhất thì các nỗ lực về sử dụng bùn thải một
cách an toàn và ích lợi nhƣ dùng cho nông nghiệp hoặc thu hồi năng lƣợng vẫn là

một hƣớng đi mới[32].
Tại Nhật Bản, bùn thải từ các trạm xử lý nƣớc thải sinh hoạt sẽ đƣợc sử dụng
để lên men kị khí thu hồi khí metan dùng cho phát điện, cặn bùn đƣợc dùng để sản
xuất gạch Block dùng cho lát đƣờng…[34].Ở Tokyo có 13 cơ sở xử lý nƣớc thải
sinh hoạt, đƣợc đặt ở nhiều vị trí trong thành phố để xử lý nƣớc thải sinh hoạt.
Nhƣng chỉ có 3 cơ sở xử lý lắp đặt hệ thống xử lý bùn thải, còn ở các cơ sở còn lại
chỉ lắp đặt hệ thống xử lý nƣớc thải, bùn thải sẽ đƣợc chuyển theo đƣờng ống để
đƣa về các trạm có hệ thống xử lý triệt để bùn thải.
1.1.4.Khái quát bùn thải tại Việt Nam
Ngày nay cùng với sự phát triển của các ngành công nghiệp đặc biệt là công
nghiệp chế biến thực phẩm thì vấn đề chất thải từ các ngành này đang là một mối
quan tâm lớn.Tại Việt Nam,đối với ngành chế biến nông sản, lƣơng thực thực phẩm
đã có rất nhiều các công trình nghiên cứu về công nghệ xử lý nƣớc thải, nhiều trạm
xử lý nƣớc thải đã đƣợc xây dựng và đi vào hoạt động để xử lý nƣớc cấp, nƣớc thải
cho các nhà máy sản xuất bia, mỳ chính, chế biến tinh bột, chế biến nông sản, chế
biến thủy sản. Tuy nhiên, chúng ta mới chỉ tập trung quan tâm đến vấn đề xử lý
nƣớc mà vẫn chƣa có nhiều nghiên cứu về xử lý bùn thải cho các trạm xử lý trên.
8

Số hóa bởi trung tâm học liệu

Bùn thải sau khi xử lý phần lớn đƣợc thu gom và chuyển đến các bãi chôn lấp hoặc
dùng làm phân bón cho nông nghiệp. Bên cạnh đó trong quá trình xử lý nƣớc bằng
bùn hoạt tính có khoảng 30 - 40% các chất hữu cơ đƣợc chuyển thành dạng bùn,
nếu không có biện pháp xử lý thích hợp sẽ gây ra tái ô nhiễm môi trƣờng.
Tại Tp Hồ Chí Minh, tổng khối khối lƣợng bùn thải ƣớc tính từ 3.000 –
4.000 m
3
/ngày đêm (tƣơng đƣơng từ 5.000 - 6.000 tấn/ngày đêm). Bùn thải các loại
trên thƣờng đổ xả để có chi phí thấp nhất.Ƣớc tính chi phí xử lý các loại bùn trên

khoảng 300.000đồng/tấn và trên dƣới 1.000 tỉ đồng/năm, thậm chí còn cao hơn. Dự
báo đến năm 2015 số lƣợng bùn thải sẽ tăng lên khoảng 3 triệu tấn/tháng, năm 2020
sẽ không dƣới 4 triệu tấn/tháng. Trong đó, bùn thải nguy hại hiện nay có khoảng
250 - 300 tấn/ngày, chƣa kể đến bùn thải từ các tỉnh lân cận đƣa về thành phố để xử
lý từ 150 - 200 tấn/ngày[43].Tp Hồ Chí Minh đã từng thực hiện dự án xây dựng
nhà máy xử lý bùn Bình Hƣng Hòa và Bình Hƣng nhằm mục đích xử lý bùn thải
từ nhà máy xử lý nƣớc thải sinh hoạt/đô thị để tái chế thành phân hữu cơ. Tuy
nhiên, công nghệ áp dụng tại nhà máy này vẫn chƣa thực sự tối ƣu, bùn sau khi
xử lý vẫn còn rất nặng mùi và ảnh hƣởng đến môi trƣờng.
Tại Hà Nội, bên cạnh việc xả thẳng bùn thải ra các bãi đất trống, tình trạng
xả chất thải xuống các dòng sông cũng diễn ra nghiêm trọng khôngkém. Do lƣợng
nƣớc thải sinh hoạt và nƣớc thải công nghiệp xả trực tiếp không đủ làm lƣu thông
dòng chảy, nên chất thải hữu cơ đổ xuống sông đều lắng tại chỗ, gây ô nhiễm, khiến
cho cả bốn con sông Tô Lịch, Kim Ngƣu, Lừ, Sét trở nên ô nhiễm nghiêm trọng.
Bên cạnh đó, khi tiến hành nạo vét sông, khối lƣợng bùn thải khổng lồ này lại đƣợc
đổ trực tiếp tại các bãi đổ ở ngoại thành mà chƣa qua quá trình loại bỏ chất độc hại,
tiềm ẩn nguy cơ ô nhiễm không khí, nguồn nƣớc… Hiện nay, bùn thải sau khi thu
gom đƣợc vận chuyển đến đổ bỏ tại các khu đất trống cách xa khu dân cƣ hoặc tại
các ao nuôi thủy sản cần đƣợc san lấp, thậm chí đổ vào bất cứ khu vực nào có thể.
Chính việc đổ bùn thải tràn lan và hoàn toàn không đƣợc xử lý nhƣ hiện nay sẽ gây
ảnh hƣởng đến môi trƣờng, đặc biệt là tích tụ các kim loại gây tình trạng mất vệ
sinh, mùi hôi thối. Nghiêm trọng hơn, bùn thải đang gây ra những ảnh hƣởng nặng
nề do đƣợc đổ bỏ, chôn lấp không có lớp lót chống thấm nên các chất ô nhiễm thấm
9

Số hóa bởi trung tâm học liệu

xuống các mạch nƣớc ngầm và nƣớc mặt. Vấn đề thiếu bãi đổ bùn thải tại Hà Nội cũng
rất nan giải, hiện tại chỉ có bãi rác thải Nam Sơn - Sóc Sơn mới có khả năng xử lý bùn
thải công nghiệp. Nếu cứ giải quyết bùn thải bằng cách tận dụng các bãi đất trống để đổ

bùn tạm thì nguy cơ gây ô nhiễm môi trƣờng rất cao và cũng không có diện tích mặt
bằng đủ lớn để chứa bùn thải[42].
Ở Việt Nam, vấn đề quản lý và sử dụng bùn thải sinh học từ các trạm xử lý
nƣớc thải vẫn chƣa có các quy định cụ thể. Phần lớn bùn thải từ các trạm xử lý nƣớc
thải đƣợc xử lý bằng phƣơng pháp đơn giản là sân phơi bùn.Sau khi bùn đƣợc làm
khô, giảm về trọng lƣợng và thể tích thì sẽ đƣợc đóng bao và đem đi chôn lấp tại
những nơi quy định.Một số ít các công trình xử lý nƣớc thải có công đoạn xử lý ép
bùn bánh.Với công nghệ này, bùn sẽ đƣợc tách nƣớc và ép ở dạng bánh.Ở một số
nhà máy sản xuất thực phẩm (nhƣ nhà máy sản xuất bia) một phần bùn thải đƣợc tái
sử dụng làm phân bón cho cây trồng. Hiện tại, việc tiếp cận với các công nghệ xử lý
bùn hiện tại nhƣ đốt hay phân hủy yếm khí để thu hồi khí sinh học còn rất hạn chế ở
nƣớc ta.Ngoài ra còn có một số công trình nghiên cứu xử lý bùn thải thành vật liệu
xây dựng, sản xuất gốm sứ, gạch lát[4],[6],[12].Đặc biệt, đã có những nghiên cứu
đánh giá triển vọng xử lý, tái chế và ứng dụng bùn thải sinh học của các nhà máy
sản xuất thực phẩm và các trạm xử lý nƣớc thải làm nguyên liệu nuôi cấy vi sinh vật
hữu ích để sản xuất các sản phẩm thƣơng mại thân thiện môi trƣờng (phân bón vi
sinh, thuốc trừ sâu vi sinh…) phục vụ sản xuất nông lâm nghiệp. Cho đến nay đã có
nghiên cứu của PGS.TS. Nguyễn Thị Hồng Khánh và các cộng sự nghiên cứu xử lý
bùn thải sinh học làm nguyên liệu nuôi cấy các vi sinh vật hữu ích. Tuy nhiên kết
quả nghiên cứu mới chỉ dừng lại ở việc đánh giá tiềm năng sử dụng bùn thải sinh
học làm nguyên liệu nuôi cây một số vi sinh vật có ích nhƣ Bacillus thuringiensis,
Rhirobium,…[8], [10]. Những kết quả nghiên cứu trên đã mở ra hƣớng đi mới đầy
triển vọng trong công tác xử lý bùn thải một cách hiệu quả, thân thiện với con ngƣời
và môi trƣờng.
1.2.Phƣơng pháp xử lý và sử dụng bùn thải
10

Số hóa bởi trung tâm học liệu

Ngày nay, trên thế giới đã có nhiều nghiên cứu xử lý và tận dụng bùn thải để

sự dụng vào các mục đích khác nhau nhƣ: phân bón vi sinh, tạo ra năng lƣợng
(biogas, điện, nhiệt…) hay vật liệu xây dựng…

Hình1.2. Các phƣơng pháp xử lý bùn thải[41]
1.2.1. Phƣơng pháp chôn lấp
Trong các phƣơng pháp xử lý chất thải rắn, chôn lấp là phƣơng pháp phổ
biến và đơn giản nhất. Phƣơng pháp này áp dụng rộng rãi ở hầu hết các nƣớc trên
thế giới. Thực chất, chôn lấp là phƣơng pháp lƣu giữ chất thải trong một bãi và có
phủ đất lên trên. Trƣớc kia bùn thải sinh học thƣờng đƣợc xử lý bằng phƣơng pháp
chôn lấp, tuy nhiên biện pháp xử lý này vừa lãng phí nguồn nguyên liệu (hàm lƣợng
chất hữu cơ trong bùn cao), tốn diện tích đồng thời vẫn là nguồn gây ô nhiễm môi
trƣờng, ô nhiễm tầng nƣớc ngầm. Ngày nay, các nhà khoa học đang nỗ lực để
nghiên cứu xử lý bùn thải sinh học theo hƣớng tái chế BTSH tạo ra các sản phẩm
hữu ích, thân thiện môi trƣờng phục vụ cho các mục đích khác nhau của con ngƣời.
Tuy nhiên với bùn thải nguy hại thì phƣơng pháp chôn lấp vẫn là một lựa chọn hữu
11

Số hóa bởi trung tâm học liệu

hiệu.Cho đến thời điểm hiện tại bùn thải sinh học ở Việt Nam vẫn đƣợc xử lý theo
phƣơng pháp chôn lấp là chủ yếu.

1.2.2. Phƣơng pháp yếm khí
Quá trình phân hủy yếm khí chất hữu cơ rất phức tạp liên hệ đến hàng trăm
phản ứng và sản phẩm trung gian. Tuy nhiên ngƣời ta thƣờng đơn giản hóa chúng
bằng phƣơng trình sau đây:
Chất hữu cơ lên men yếm khí −−−−−−> CH
4
+ CO
2

+ H
2
+ NH
3
+ H
2
S
Hỗn hợp khí sinh ra thƣờng đƣợc gọi là khí sinh học hay biogas.
Đây là phƣơng pháp đƣợc áp dụng phổ biến trên thế giới trong cả xử lý nƣớc
thải và BTSH.Phƣơng pháp này có ƣu điểm rất lớn là không tốn chi phí năng lƣợng
đồng thời quá trình kỵ khí sản sinh ra khí metan, là nguồn năng lƣợng dùng để đốt
hoặc cung cấp nhiệt.Tuy nhiên, phƣơng pháp này không xử lý triệt để đƣợc chất
thải. Vì vậy, quá trình xử lý vẫn còn tạo ra một lƣợng lớn bùn thải cần xử lý tiếp.
1.2.3. Phƣơng pháp thiêu đốt
Phƣơng pháp thiêu đốt thực chất là phƣơng pháp oxy hóa chất thải nhiệt độ
cao với sự có mặt của oxy trong không khí, trong đó chất thải độc hại đƣợc chuyển
hóa thành khí và các chất thải rắn khác không cháy đƣợc.Các chất khí đƣợc làm
sạch hoặc không đƣợc làm sạch thoát ra ngoài không khí.Lƣợng chất thải rắn còn
lại đƣợc mang đi chôn lấp.
Việc xử lý chất thải rắn bằng phƣơng pháp đốt có ý nghĩa quan trọng, làm
giảm tới mức nhỏ nhất chất thải cho khâu xử lý cuối cùng, nếu sử dụng công nghệ
tiên tiến còn có ý nghĩa cao trong bảo vệ môi trƣờng. Tuy nhiên, phƣơng pháp này
chỉ đƣợc lựa chọn để xử lý các chất thải độc hại không thể áp dụng phƣơng pháp xử
lý khác do chi phí cao và còn có thể tạo ra một số chất khí độc hại cho môi trƣờng
và con ngƣời.
12

Số hóa bởi trung tâm học liệu

1.2.4. Phƣơng pháp tái sử dụng bùn thải sinh học làm nguyên liệu cho các quá

trình sản xuất khác
a. Sản xuất thuốc trừ sâu sinh học
Thuốc trừ sâu sinh học dựa trên chủng Bacillus thuringiensis là tác nhân
sinh học nổi bật cho việc kiểm soát côn trùng. Hoạt tính trừ sâu của Bt đƣợc biết
đến là không những phụ thuộc vào hoạt tính của chủng giống mà còn phụ thuộcvào
các thông số vô sinh nhƣ thành phần môi trƣờng. Bacillus thuringiensis đƣợc
thƣơng mại hóa để kiểm soát các côn trùng hại cây rừng và cây nông nghiệp[11].
Chi phí cho môi trƣờng nuôi cấy sản xuất thuốc trừ sâu sinh học Bacillus
thuringiensis chiếm 35-59% nên để thƣơng mại hóa đƣợc sản phẩm này cần tìm ra
những nguồn nguyên liệu sản xuất có chi phí thấp và sẵn có để sản xuất Bt. Một
trong những loại nguyên liệu thay thế là bùn thải sinh học. Các nghiên cứu này đã
đƣợc thử nghiệm thành công tại phòng thí nghiệm của GS.Tyagi từ quy mô
bình tam giác lắc đến thiết bị sinh học để bàn (Bench scale) và trên qui mô
pilot[14], [35], [36], [37] [29]. Kết quả nghiên cứu trên qui mô pilot với các
loại bùn thải sinh học của các trạm XLNT khác nhau ở Canada cho thấy mật độ
tế bào của chủng Bacillus thuringiensis thu đƣợc cao hơn khi nuôi cấy trên môi
trƣờng tổng hợp. Kết quả thử nghiệm thực tế với ấu trùng sâu trên cây đã cho
hiệu quả cao hơn so với sản phẩm thƣơng mại tƣơng tự bán ở trên thị trƣờng
khoảng 20-25%[15] [38].
Tạo tác nhân kiểm soát sinh học từ chủng nấm Trichoderma nuôi cấy trên
bùn thải cũng là một hƣớng nghiên cứu nhằm nâng cao giá trị của bùn thải sinh học.
Kết quả nuôi cấy chủng nấm Trichoderma trên môi trƣờng bùn thải sinh học đã qua
tiền xử lý bằng kiềm và kiềm nóng cho thấy mật độ bào tử của nấm đạt
1,9x10
4
CFU/ml trên bùn và cao hơn đối với bùn không đƣợc xử lý. Kết quả thử
nghiệm với ấu trùng cây vân sam, độc tính của chủng nấm Trichoderma tƣơng
đƣơng với độc tính của vi khuẩn B.thuringiensis nuôi cấy trên bùn và có hiệu quả so
với sản phẩm thƣơng mại tƣơng tự bán trên thị trƣờng khoảng 20-25%[27].
b. Sản xuất phân bón hữu cơ vi sinh

13

Số hóa bởi trung tâm học liệu

Phân bón hữu cơ vi sinh là sản phẩm chứa một hay nhiều chủng vi sinh vật
sống đã đƣợc tuyển chọn với mật độ đạt tiêu chuẩn hiện hành, với khả năng cố định
nitơ, cung cấp các hợp chất chứa nitơ cho đất và cây trồng, tạo điều kiện nâng cao
năng suất cây trồng, chất lƣợng nông sản, tăng độ màu mỡ của đất. Phân bón vi sinh
cố định nitơ không gây ảnh hƣởng xấu đến ngƣời, động thực vật, môi trƣờng sinh
thái và chất lƣợng nông sản.
Chế phẩm vi khuẩn nốt sần (có tên gọi là nitragin) sử dụng môi trƣờng tổng
hợp YMB (Yeast Mannitol Broth) đƣợc sản xuất ở qui mô phòng thí nghiệm.
Tuy nhiên, việc sản xuất qui mô công nghiệp, môi trƣờng này bị giới hạn bởi chi
phí cao. Một vài phế liệu nông nghiệp, nhƣ là bã ngũ cốc từ sản xuất rƣợu,
proteaza từ vỏ cây họ đậu, mầm malt, công nghiệp sản xuất cao nấm men và chất
lỏng đƣợc tạo ra bởi công nghiệp phomat đã đƣợc sử dụng cho sản xuất chủng
giống thƣơng mại. Bùn nƣớc thải chứa nitơ, photpho, cacbon dễ phân hủy sinh
học, các chất dinh dƣỡng và nhiều chất vi lƣợng khác cũng đƣợc cho là một
nguồn nguyên liệu hứa hẹn cho nôi cấy vi khuẩn nốt sần. Nhận định này đã đƣợc
khẳng định qua các nghiên cứu của GS.Tyagi trên đối tƣợng bùn thải của các
trạm XLNT sinh hoạt. Khi nuôi cấy trên các thành phần bùn khác nhau ảnh
hƣởng đến việc sinh trƣởng và hình thành bào tử của vi khuẩn Rhizobium. Thông
thƣờng mật độ tế bào nuôi cấy trên bùn thải sinh học chƣa qua xử lý đạt khoảng
10
9
CFU/ml sau 72 giờ nuôi cấy, nhƣng khi nuôi cấy trên bùn đã đƣợc xử lý bằng
kiềm, axit và oxy hóa thì mật độ tế bào có thể đạt 10
10
CFU/ml. Khi nuôi cấy trên
nƣớc thải nhà máy sản xuất tinh bột với các tỷ lệ khác nhau thì mật độ vi khuẩn

Rhizobium thì mật độ vi khuẩn và chỉ số hình thành nốt sần là tƣơng đƣơng với
môi trƣờng chuẩn[17].
c. Sản xuất vật liệu xây dựng
Hiện nay, bùn thải đang đƣợc nghiên cứu và ứng dụng trong quá trình sản
xuất vật liệu xây dựng làm giảm khả năng gây ô nhiễm, đặc biệt là bùn nguy hại.
Một số phƣơng pháp tận dụng bùn thải nhƣ: trộn bùn thải, đá, xi măng, các chất phụ
gia để tạo thành vữa bê tông có tính chất hoàn toàn giống với bê tông truyền thống;
14

Số hóa bởi trung tâm học liệu

sử dụng bùn thải để sản xuất gạch xây dựng v.v…. Năm 1999, nghiên cứu của
Nguyễn Quốc Bình, Nguyễn Văn Phƣớc và cs cho thấy bùn thải của các nhà máy cơ
khí có chứa nhiều oxit sắt, sau khi làm khô hoặc sấy sơ bộ có thể tái sử dụng cho
các mục đích làm gạch men, gốm sứ[4]. Năm 2000, Nguyễn Văn Phƣớc và cs đã
nghiên cứu tái sinh bùn đỏ của nhà máy hóa chất Tân Bình để làm bột
màu[12].Năm 2005, Th.s Nguyễn Thị Phƣơng Loan, PGĐ Trung tâm Công nghệ và
Quản lý môi trƣờng cùng cs đã dùng phƣơng pháp thủy lực để tách các thành phần
hữu cơ và vô cơ và sử dụng các chất vô cơ để sản xuất vật liệu xây dựng nhƣ gạch
xây tƣờng, gạch lát vỉa hè hoặc san nền.Năm 2007, Lê Thanh Hải đã nghiên cứu xử
lý và tái sử dụng bùn thải chứa kim loại nặng tạo gạch bock đƣợc phối trộn từ xi
măng, bùn, cát[6]. Mới đây, nhóm nghiên cứu và phát triển Công nghệ mới (thuộc
Hội Khoa học và Kỹ thuật Xây dựng tp Hồ Chí Minh) do TS. Nguyễn Hồng Bỉnh
chủ trì đã thành công trong việc xử lý bùn thải nguy hại thành vật liệu xây dựng:
tấm đan, cột tiêu, gạch lát đƣờng nông thôn, tƣờng ràov.v…Tại Nhật Bản, cặn bùn
cũng đƣợc dùng để sản xuất gạch Block dùng cho lát đƣờng[34].
1.3.Vấn đề môi trƣờng trong các nhà máy bia tại Việt Nam
Bia đƣợc đƣa vào Việt Nam từ năm 1890 cùng với sự có mặt của nhà máy
Bia Sài Gòn và nhà máy Bia Hà Nội. Mƣời năm trở lại đây, do tác động của nhiều
yếu tố nhƣ tốc độ tăng trƣởng GDP, tốc độ tăng dân số, tốc độ đô thị hóa, tốc độ

đầu tƣ… mà ngành công nghiệp bia đã phát triển với tốc độ tăng trƣởng cao. Năm
2003 công suất bia cả nƣớc đạt 1,29 tỷ lít; tăng 20,7% so với năm 2002, đạt 79% so
với công suất thiết kế, tiêu thụ bình quân đầu ngƣời đạt 16 lít/năm, nộp ngân sách
nhà nƣớc khoảng 3650 tỷ đồng; đến năm 2004 con số này vƣợt lên mức 1,37 tỷ
lít[7]. Theo Hiệp hội Bia, rƣợu và giải khát Việt Nam thì một ngƣời Việt Nam tiêu
thụ trung bình 21 lít bia trong năm 2008[13], và chỉ đứng sau Thái Lan về mức độ
tiêu thụ bia ở Đông Nam Á. BMI (Công ty Theo dõi Doanh nghiệp Quốc tế), một
công ty tƣ vấn kinh doanh toàn cầu đánh giá ở Việt Nam bia sẽ là loại đồ uống chủ
lực trong ngành công nghiệp thức uống vì doanh số bán bia trong năm 2008 ở Việt
Nam chiếm 97,9% trong tổng doanh thu trong lĩnh vực đồ uống.
15

Số hóa bởi trung tâm học liệu

Theo thống kê của Bộ Công nghiệp, năm 1998 Việt Nam có khoảng 469 cơ
sở sản xuất bia, đến năm 2005 số doanh nghiệp sản xuất chỉ còn 329. Do quá trình
đổi mới doanh nghiệp, mô hình của các doanh nghiệp đã thay đổi, số lƣợng doanh
nghiệp sản xuất bia năm 2007 là 151 doanh nghiệp trực thuộc 52 tỉnh, thành phố
trong cả nƣớc. Về quy mô của các doanh nghiệp, ngành sản xuất bia có 3 doanh
nghiệp lớn là Sabeco, Nhà máy bia Việt Nam (nay đã đổi tên thành Công ty TNHH
bia Châu Á Thái Bình Dƣơng) và Habeco, chiếm hơn 51% năng lực sản xuất bia
của toàn ngành. Năm 2007 Sabeco đạt sản lƣợng 774 triệu lít bia, Habeco sản xuất
415 triệu lít và Nhà máy bia Việt Nam đạt sản lƣợng 335 triệu lít. Bên cạnh các
doanh nghiệp lớn, còn rất nhiều doanh nghiệp nhỏ quy mô dƣới 1 triệu lít/năm[13].

Hình 1.3. Mức tiêu thụ bia bình quân đầu ngƣời qua các năm [13]
Sự tăng trƣởng của ngành bia đã kéo theo các vấn đề về chất thải rắn bao
gồm bã men, các mảnh thủy tinh, bột trợ lọc, khí phát sinh,… và nƣớc thải sản xuất.
Trong đó, vấn đề môi trƣờng lớn nhất trong nhà máy sản xuất bia là lƣợng nƣớc
thải. Với đặc tính sản xuất bia là cần nhiều nƣớc, nƣớc đƣợc sử dụng chủ yếu trong

các công đoạn chế biến pha chế sản phẩm bia, rửa nguyên liệu, súc rửa chai lọ và vệ
sinh máy móc thiết bị, nên công nghệ sản xuất bia vốn đã tạo nên một lƣợng lớn
nƣớc xả thải vào môi trƣờng. Tùy thuộc vào công nghệ và các loại bia sản xuất mà
lƣợng nƣớc thải tạo thành dao động trong khoảng 2- 8 lít nƣớc thải/1lít bia. Trong
đó, hoạt động làm sạch malt, làm nguội máy, lọc, vệ sinh xƣởng sản xuất và khử
trùng tạo ra tới 70% tổng lƣợng nƣớc thải. Đồng thời, tỉ lệ thuận với sự xuất hiện
16

Số hóa bởi trung tâm học liệu

của nhiều nhà máy bia, nƣớc thải ra từ ngành sản xuất bia cũng không ngừng tăng
lên.Bên cạnh đó lƣợng nƣớc thải sản xuất bia biến đổi khác nhau theo mùa, theo
vùng miền.
Đối với cơ sở sản xuất bia, có thể phân ra các nguồn nƣớc thải chính nhƣ
sau[9]:
- Nƣớc làm lạnh, nƣớc ngƣng, đây là nguồn nƣớc thải ít hoặc gần nhƣ không
gây ô nhiễm nên có khả năng tuần hoàn sử dụng lại.
- Nƣớc thải từ công đoạn nấu- đƣờng hóa: bao gồm nƣớc thải trong quá trình
rửa bã sau nấu, nƣớc thải do vệ sinh nồi nấu gạo, malt, hoa, vệ sinh thiết bị lọc dịch
đƣờng và thiết bị tách bã. Đặc tính của nƣớc thải này là có mức độ ô nhiễm rất cao,
có chứa bã malt, bã hoa, tinh bột, các chất hữu cơ, một ít tanin, chất đắng, chất
màu…
- Nƣớc thải từ công nghệ lên men: nƣớc vệ sinh các tank lên men, thùng chứa,
đƣờng ống, sàn nhà… có chứa bã men, bia cặn và các chất hữu cơ.
- Nƣớc thải từ công đoạn hoàn tất sản phẩm: lọc, bão hòa CO
2
, chiết chai,
đóng nắp, thanh trùng. Nƣớc thải chủ yếu từ công đoạn này là nƣớc vệ sinh thiết bị
lọc, nƣớc rửa chai và téc chứa. Đây cũng là một trong những dòng thải có ô nhiễm
lớn nhất trong sản xuất bia. Nƣớc thải từ công đoạn này có chứa bột trợ lọc, một ít

bã men, bia còn lại từ bao bì tái sử dụng, bia rơi vãi trong quá trình chiết, pH cao…
- Nƣớc rửa sàn các phân xƣởng, nƣớc thải từ nồi hơi, nƣớc từ hệ thống làm
lạnh có chứa hàm lƣợng chlorit cao.
- Xút và axit thải ra từ hệ thống CIP (là quá trình vệ sinh, tẩy rửa, sát trùng tại
chỗ các thiết bị không cần tháo lắp), xút từ thiết bị rửa chai. Dòng thải này có lƣu
lƣợng nhỏ và cần thu hồi riêng để xử lý cục bộ, tuần hoàn sử dụng cho các mục đích
khác.
- Nƣớc thải từ nhà lên men: định kỳ vệ sinh nhà xƣởng mỗi ca một lần. Sau
mỗi chu kỳ lên men vệ sinh CIP một lần. Lƣợng nƣớc này khá lớn và có thành phần
ô nhiễm: COD, BOD, SS… do bia, bã men, hóa chất rơi vãi.
17

Số hóa bởi trung tâm học liệu

- Nhà chiết bia: theo lịch trình sản xuất của nhà máy, bia chai và bia lon
thƣờng đƣợc sản xuất chủ yếu vào mùa đông do mức độ tiêu thụ bia hơi thấp. Vào
mùa hè, bia thƣờng đƣợc chiết bom 30 lít, 50 lít. Nƣớc thải từ khâu này ô nhiễm do
chứa một lƣợng bia rơi vãi ở công đoạn chiết và chứa hóa chất ở khâu rửa chai.
Nhƣ vậy, bùn thải phát sinh trong các công đoạn sản xuất đều có thể sử dụng
làm nguyên liệu cho nuôi cấy vi sinh vật. Vì bùn thải tạo ra từ nƣớc thải của nhà
máy bia có hàm lƣợng chất dinh dƣỡng cao, hàm lƣợng NaOH và H
2
SO
4
không
đáng kể.
1.4.Khái quát về chủng vi khuẩn Bacillus thuringiensis
1.4.1. Đặc điểm sinh học của Bacillus thuringiensis
a. Đặc điểm hình thái
Bacillus thuringiensis là vi khuẩn đất hình que, nhuộm màu gram dƣơng,

phân bố rộng rãi trong tự nhiên[2],[22]. Sự sinh trƣởng, phát triển của vi khuẩn
Bacillus thuringiensis cũng tuân theo chu kỳ 4 giai đoạn nhƣ các vi khuẩn Bacillus
sinh bào tử khác. Thể sinh dƣỡng phát triển thêm một bƣớc sẽ bƣớc vào thời kỳ bào
tử nang.Sau khi chất nguyên sinh của thể sinh dƣỡng ngƣng tụ lại một cách rõ rệt,
một đầu của thể sinh dƣỡng bắt đầu hình thành một khe hẹp không bắt màu, khe
này dần dần rộng ra rồi hình thành bào tử dạng quả trám.Khi các bào tử chín, nang
bào tử không tiếp tục phình to ra, bào tử chuyển về một đầu của tế bào. Trong quá
trình hình thành bào tử, đầu kia của tế bào hình thành một tinh thể nội bào (hay tinh
thể) dễ bắt màu. Tinh thể nội bào có thể có một,hai hoặc nhiều cái, hình dạng tinh
thể rất khác nhau. Trừ loài phụ finitimus (H
2
) và một vài loài phụ cá biệt, có bào tử
và tinh thể bị màng ngoài của bào tử bọc vào cùng một chỗ, còn tinh thể của các
loài phụ khác đều nằm phía ngoài màng ngoài của bào tử.Sau khi bảo tử chín, nang
bào tử vỡ, các bào tử tự do và tinh thể sẽ phóng ra ngoài. Hình thái và kích thƣớc
bào tử của B. thuringiensiskhác nhau phụ thuộc vào đặc tính của từng chủng, môi
trƣờng dinh dƣỡng và điều kiện nuôi cấy[2] [31].
Bào tử là trạng thái ngủ, là quá trình sống đặc biệt của vi khuẩn. Bào tử có
thể chịu đƣợc các điều kiện bất lợi của môi trƣờng, kháng với ảnh hƣởng của các
18

Số hóa bởi trung tâm học liệu

yếu tố nhƣ nhiệt độ cao, sự khô hạn, hóa chất…[2], [28].Bào tử có dạng hình trứng,
kích thƣớc 1,5x2µm và có thể nảy mầm thành tế bào sinh dƣỡng khi gặp điều kiện
thuận lợi.

Hình 1.4. Tế bào vi khuẩn Bt với tinh thể (crystal) và bào tử (spore)
Tinh thể là một loại protein do một loại hoặc nhiều loại mạch peptit tạo
thành, có kích thƣớc khoảng 0,6 x 0,02 µm. Tinh thể có hình dạng đa dạng: hình

tháp đôi, tháp đôi dài (hình thoi), hình lập phƣơng, hình cầu, hình bầu dục, hình
nạm khảm, hình tam giác và hình dạng bất định v.v… Tinh thể của đa số chủng B.
thuringiensis đều có tác dụng độc và đặc hiệu với các loại côn trùng nhạy cảm. Tinh
thể độc của Bt rất bền vững ở nhiệt độ cao, có trọng lƣợng phân tử là 5000 đơn vị
và không phải bào tử nào cũng có tinh thể độc. Trong quá trình bảo quản nếu để lâu
Bt sẽ mất hoạt tính do tinh thể độc bị biến dạng hoặc phân hủy. Tinh thể của loài
phụ finitimus có hoạt lực thấp nhất đối với côn trùng. Một số chủng Bt phân lập
đƣợc sinh tinh thể nhƣng chƣa phát hiện ra có độc tính với côn trùng. Tinh thể và
bào tử có thể quan sát dƣới kính hiển vi đối pha ở vật kính dầu. Tinh thể bắt màu
sẫm còn bào tử không bắt màu nhƣng có mép sáng [5].B.thuringiensiscó đặc điểm
hình thái sinh lý, sinh hóa rất giống với các nhóm trực khuẩn sinh bào tử B.cereus,
B.mycoides và B.anthracis, tuy nhiên B.thuringiensis có khả năng sinh tinh thể còn
loài khác thì không [1].
19

Số hóa bởi trung tâm học liệu


Hình 1.5. Chu trình sinh trƣởng và phát triển của Bacillus thuringiensis[2]
* Quá trình sinh trƣởng của B. thuringiensis thƣờng đƣợc chia thành 6 giai
đoạn:
- Giai đoạn 1: không khác biệt với hình thái tế bào sinh dƣỡng.
- Giai đoạn 2: màng ngăn cách bào tử bắt đầu hình thành, màng ngăn cách
chia tế bào sinh dƣỡng thành 2 phần không bằng nhau, phần nhỏ là tiền bào tử, phần
lớn là tế bào mẹ.
- Giai đoạn 3: tế bào mẹ bắt đầu cuộn tiền bào tử vào trong làm cho tiền bào tử
nằm tự do trong tế bào chất của tế bào mẹ. Lúc này tiền bào tử có 2 lớp màng có
tính tƣơng phản, nhƣng các vật chất mà bào tử cần có thể qua màng để vào trong
tiền bào tử.
- Giai đoạn 4:ở giữa màng ngoài và màng trong của tiền bào tử bắt đầu hình

thành tầng bì bào tử, bào tử trở nên có độ chiết quang mạnh. Sự hình thành tầng bì
bào tử cho phép phát triển sang 1 giai đoạn khác.
- Giai đoạn 5: vỏ trong của bào tử đƣợc tích tụ và hình thành ở trên màng
ngoài của tiền bào tử một loại cấu trúc dạng phiến, nhiều lớp.
- Giai đoạn 6: hình thành vỏ ngoài bào tử. Sau khi hình thành vỏ ngoài, bào tử
và tinh thể protein đƣợc phóng ra từ tế bào mẹ.
20

Số hóa bởi trung tâm học liệu

b. Các yếu tố ảnh hưởng đến sự sinh trưởng, hình thành bào tửvà sinh tổng hợp
độc tố của Bacillus thuringiensis [2]
- Nhiệt độ: nhiệt độ môi trƣờng có ảnh hƣởng rất lớn đến vi sinh vật. Mỗi vi
sinh vật có một khoảng nhiệt độ khác nhau. Tốc độ sinh trƣởng của B.
thuringiensistùy thuộc vào nhiệt độ và các chủng giống khác nhau. Đối với Bt có
thể phát triển ở nhiệt độ từ 15-45
o
C, nhƣng nhiệt độ tối ƣu là 29-30
o
C[28]. Nhiệt độ
quá cao hay quá thấp đều ảnh hƣởng đến sự phát triển và hình thành bào tử của Bt,
khi nhiệt độ nuôi cấy từ 20
o
C nâng lên 35
o
C chu kỳ phát triển sẽ từ 64 giờ thu ngắn
lại còn 27 giờ, số bào tử tăng lên. Nhiệt độ tăng đến 40
o
C sẽ trở ngại cho sự hình
thành bào tử, thậm chí nuôi 7 ngày đêm, sự hình thành bào tử vẫn bị ức chế, thể

dinh dƣỡng dần bị tan ra. Khi nuôi ở 42
o
C trên môi trƣờng thạch, Bt hình thành
khuẩn lạc dạng núm vú và mãi không hình thành bào tử. Nhiệt độ cũng ảnh hƣởng
rõ rệt đến sự hình thành tinh thể. Ở nhiệt độ dƣới 14
o
C, sau 360 giờ, không quá 10%
tinh thể đƣợc hình thành. Ở nhiệt độ 28
o
C, hoàn thành 1 chu kỳ phát triển bình
thƣờng chỉ cần 48-72 giờ.
- Độ pH:độ pH có ảnh hƣởng rất lớn đến sự sinh trƣởng của vi sinh vật, đối
với Bacillus thuringiensis có pH tối ƣu 6,8-7,2. Với pH dao động từ 5,0-8,5 không
gây ảnh hƣởng gì cho việc hình thành tinh thể độc nhƣng độc tố của Bt tan trong
môi trƣờng kiềm có pH lớn hơn 10.
- Oxy: B.thuringiensis là trực khuẩn hình thành bào tử, hô hấp hiếu khí nên
oxy là yếu tố không thể thiếu trong quá trình sinh trƣởng của Bt. Khi lƣợng không
khí tăng, sinh khối tăng nhiều, sự hình thành bào tử cũng tăng lên, do đó nồng độ
độc tố tăng lên. Tuy nhiên quá nhiều dƣỡng khí sẽ tác động đến năng lực sống của
tế bào.
- Độ ẩm: mọi hoạt động sống của vi sinh vật đều liên quan đến nƣớc, tế bào vi
sinh vật có tỷ lệ nƣớc khá cao trong đó nƣớc trong vi khuẩn chiếm từ 75% - 85%.
Vì vậy môi trƣờng dùng để nuôi cấy vi khuẩn B. thuringiensis cũng cần phải đảm
bảo độ ẩm tƣơng đƣơng.
21

Số hóa bởi trung tâm học liệu

- Ánh sáng và tia xạ: ánh sáng và tia xạ là một dạng năng lƣợng truyền qua
không gian dƣới dạng sóng điện từ, nó có tác dụng điện ly và phá hoại protein và

axit nucleic của tế bào, nên có tác dụng kích thích, ức chế hoặc giết chết Bt. Tia
phóng xạ gamma ở liều chiếu 228280 - 456560 rad gây ra ức chế ở các mức độ
khác nhau. Tia tử ngoại trong tia sáng mặt trời cũng có tác dụng gây chết với Bt.
Tuy khi qua tầng khí quyển nó đã yếu đi nhƣng nếu chiếu một thời gian dài cũng có
tác dụng gây chết. Bào tử Bt bị chiếu trực tiếp dƣới ánh nắng mặt trời, 3200 Lux
trong 1 giờ sẽ mất hoạt tính 80%. Bào tử hấp thu khác nhau với các bƣớc sóng khác
nhau. Trong phạm vi 290 - 400 nm tỷ lệ tử vong cao nhất. Vì vậy, trong các chế
phẩm có thể thêm vào một số chất phụ gia khác để giảm tác dụng của ánh sáng mặt
trời đối với Bt.
- Chất kháng sinh và các thuốc hóa học: chất kháng sinh có thể làm cho hoạt
tính enzyme yếu đi, ngăn cản một số quá trình trao đổi chất của vi sinh vật, từ đó tác
dụng lên vi sinh vật có tính chọn lọc. Nếu giữa pha logarit mà thêm kháng sinh vào
thì sinh trƣởng đột ngột dừng lại. Vào cuối thời kỳ logarit mà thêm kháng sinh
chloramphenicol thì không ảnh hƣởng đến sự hình thành bào tử và tinh thể.
Erythromycin cũng có thể ảnh hƣởng đến sự hình thành bào tử của vi khuẩn
Btnhƣng không ảnh hƣởng sự sản sinh tinh thể[2], [25].
1.4.2. Độc tố của Bacillus thuringiensis
Bacillus thuringiensis có khả năng tạo 4 loại độc tố:
- Ngọai độc tố α (α - exotoxin)
- Ngoại độc tố β (β - exotoxin)
- Ngoại độc tố γ (γ - exotoxin)
- Nội độc tố δ (δ - exotoxin)
 Ngoại độc tố α: Ngoại độc tố α có bản chất là một enzyme gọi là
photpholipase hoặc leucithinase có hoạt tính với một vài loài ong cắn lá. Độc tố này
có khối lƣợng phân tử thấp 30 - 50 kDa, không bền với nhiệt[23]. Tác dụng độc của
22

Số hóa bởi trung tâm học liệu

ngoại độc tố có liên quan tới sự phân hủy photpholipit ở mô của côn trùng. Nghiên

cứu này đƣợc phát hiện bởi Toumanoff năm 1953.
 Ngoại độc tố β: có trọng lƣợng phân tử thấp 707-850 kDa, là độc tố
bền nhiệt, tan trong nƣớc. Ngoại độc tố β có tác dụng kìm hãm nucleaza và ARN-
polymeaza dẫn tới cản trở việc tổng hợp tARN. Ngoại độc tố β có phổ hoạt tính
rộng, có hoạt tính với côn trùng thuộc bộ cánh vảy, côn trùng thuộc bộ cánh cứng
và côn trùng thuộc bộ hai cánh. Qua nghiên cứu Brian Federici và Dongwu cũng
nhận thấy rằng chế phẩm Btnếu chỉ sử dụng ngoại độc tố β thì hiệu quả diệt côn
trùng chỉ đạt 20% trong khi đó nếu bổ sung độc tố γ thì hiệu quả diệt côn trùng sẽ
tăng lên tới 75%. Độc tố này ở nhiệt độ 70
o
C trở nên bị vô hoạt trong vòng 15
phút[21].
 Ngoại độc tố γ: có trọng lƣợng phân tử thấp, mẫn cảm với nhiệt độ,
ánh sáng và không khí, có khả năng tan trong nƣớc. Độc tố này thuộc nhóm
photpholipase, có tác dụng lên photpholipit và giải phóng ra axit béo, rất mẫn cảm
với nhiệt độ, ở nhiệt độ từ 60
o
C trở nên trong vòng từ 10-15 phút đã bị vô hoạt.
 Nội độc tố δ: có tác dụng diệt côn trùng mạnh nhất. Nó có bản chất là
một protein gồm 1180 axit amin, các axit amin chủ yếu là glutamic, asparaginic,
chiếm trên 20% tổng số axit amin trong phân tử protein, đây cũng là một nguyên
nhân gây ra điểm đẳng điện thấp. Lƣợng xistin nhỏ hơn 20% tổng số axit amin quy
định sự không hòa tan của tinh thể, ngoài ra còn có các axit amin: acginic, treonin,
lơxin, izolơxin.Nội độc tố δ có đặc điểm không hòa tan trong các dung môi hữu cơ,
chỉ tan trong môi trƣờng có pH kiềm, không tan trong nƣớc, rất bền nhiệt. Khi đun
nóng ở 65
o
C trong một giờ không bị mất hoạt tính, chỉ khi đun ở 100
o
C trong 30-40

phút thì tinh thể bị mất tính độc.
1.4.3. Cơ chế tác động của protein tinh thể độc lên côn trùng
Cơ chế hoạt động của protein tinh thể của Bacillus thuringiensis liên quan
đến sự hòa tan của tinh thể trong ruột giữa của côn trùng.Khi sâu ăn phải tinh thể
độc của Bacillus thuringiensis, dƣới tác động của men proteaza có tính kiềm
(pH>10) trong ruột sâu, tinh thể độc bị hòa tan và một nhân độc tố có khối lƣợng
23

Số hóa bởi trung tâm học liệu

phân tử 60 - 65 kDa đƣợc hình thành và hoạt hóa.Độc tố đã đƣợc hoạt hóa bám vào
các phân tử cảm thụ đặc biệt nằm trên màng vi thể của tế bào thành ruột sâu. Sự gắn
kết này ở ruột sâu làm thay đổi gradien điện hóa tạo thành các lỗ rò (hay tạo thành
kênh ion). Do đó phá hủy cân bằng áp suất thẩm thấu của màng tế bào, làm cho tế
bào phồng lên và bị phân hủy dẫn đến sâu chết[2],[20].Đặc điểm quan trọng nhất
trong cơ chế tác động của độc tố lên côn trùng là sự gắn kết của độc tố với thụ thể
và sự hình thành lỗ rò (kênh ion).

Hình1.6. Cơ chế diệt sâu của tinh thể độc tố của Bascillus thuringiensis[2]
1.5. Khái quát về thuốc trừ sâu Bt tại Việt Nam
Ở Việt Nam thuốc trừ sâu sinh học Bt đƣợc ứng dụng đầu tiên tại Viện Bảo
vệ thực vật năm 1971. Nguyễn Văn Cảm và cs, đã khảo nghiệm 5 loại thuốc trừ sâu
sinh học Bt nhập nội từ Liên Xô, Trung Quốc… đã cho kết quả rất khả quan. Tuy
nhiên những nghiên cứu, sản xuất và ứng dụng Bt đầu tiên đƣợc Nguyễn Công Bình
và cs thực hiện lần đầu tiên năm 1973 tại Viện Sinh vật, Viện Khoa học Việt Nam
(nay là Viện Hàn lâm Khoa Học và Công nghệ Việt Nam). Có thể chia lịch sử phát
triển Bt của Việt Nam thành 3 thời kì nhƣ sau[2], [3]:
a. Thời kì mở đầu nghiên cứu (1973 - 1983):
24

Số hóa bởi trung tâm học liệu

Nguyễn Công Bình, Phạm Bá Nhạ, Ngô Đình Bính là những ngƣời đầu tiên
mở đầu nghiên cứu Bt tại Việt Nam. Năm 1973, Viện Sinh vật đã tiến hành sản xuất
Bt bằng phƣơng pháp thủ công và bán công nghiệp trong phòng thí nghiệm. Trong
thời kì 1973 - 1976, Btchủ yếu sản xuất trên môi trƣờng đặc với giá thể là agar tự
chế tạo từ rong câu và các nguyên liệu khác nhƣ: bã khô lạc, bột đậu tƣơng, bột
cá… các chủng Bt đƣợc sử dụng để sản xuất ở thời kỳ này do Nguyễn Công Bình
mang từ Trung Quốc về. Các chế phẩm này đã đƣợc sử dụng cho vùng rau ngoại
thành Hà Nội và đã thu đƣợc các kết quả tốt. Sau năm 1975, đề tài sản xuất Bt đƣợc
lựa chọn là một trong những kết quả khoa học thực nghiệm đầu tiên của miền Bắc
đƣa vào phát triển ở miền Nam. Tại phòng Sinh Học thực nghiệm thuộc Phân viện
Viện Khoa Học Việt Nam đóng tại thành phố Hồ Chí Minh, công nghệ sản xuất
Btđã đƣợc tiến thêm một bƣớc mới, chế phẩm Bt đƣợc sản xuất bằng phƣơng pháp
lên men chìm trong nồi lên men tự chế tạo.Năm 1982, Viện Công nghệ Thực phẩm
cũng sản xuất Bt theo phƣơng pháp lên men chìm với dung tích nồi lên men là 5m
3
.
Do nhiều hạn chế về kĩ thuật lúc đó, hiệu suất thu hồi thấp, bào tử bị chết nhiều và
hoạt tính bị giảm đáng kể. Nhìn chung, trong thời kì này đã bƣớc đầu sản xuất và
áp dụng thành công chế phẩm Bt đã khiến cho các nghiên cứu Bt của nƣớc ta đã
mở đầu khá thuận lợi và tốt đẹp.
b. Thời kì sản xuất và áp dụng (1984 - 1994):
Đề tài triển khai của nhóm Nguyễn Công Bính tuy đã kết thúc, nhƣng các
chế phẩm Bt sản xuất theo phƣơng pháp dịch thể đƣợc áp dụng rộng rãi, có hiệu quả
phòng trừ rất rõ rệt, hơn nữa giá thành sản phẩm không cao (khoảng 6000 đồng/lít)
nên hợp với thu nhập của nông dân. Chế phẩm Bt có hiệu quả diệt sâu tơ mạnh
trong khi đó nó lại kháng với thuốc trừ sâu hóa học. Điều đó khiến nông dân thích dùng
thuốc trừ sâu Bt hơn. Một số đơn vị thuộc các trƣờng đại học đề xuất và phát triển
phƣơng pháp lên men hở không cần vô trùng phục vụ trực tiếp cho các vùng trồng

rau. Nhƣng do số lƣợng bào tử trong các mẻ lên men không tƣơng quan tỷ lệ với
hiệu quả diệt sâu, hơn nữa kĩ thuật sản xuất thủ công, thô sơ nên hiện tƣợng nhiễm
khuẩn và đặc biệt là nhiễm thực khuẩn thể không thể khắc phục đƣợc là hiệu quả
diệt sâu kém thậm chí không diệt đƣợc sâu.
25

Số hóa bởi trung tâm học liệu

c. Thời kì nghiên cứu cơ bản, ứng dụng và phát triển (1994- đến nay):
Cuối thời kì sản xuất và ứng dụng 1984 - 1993, chế phẩm Bt kém chất lƣợng,
không tiêu thụ đƣợc, một số cơ sở đóng cửa và chuyển sang sản xuất các loại hàng
hóa khác. Sản xuất và ứng dụng Bt bƣớc vào thời kì thoái trào, các nhà nghiên cứu
lại quay lại nghiên cứu cơ bản để phục vụ cho xây dựng công nghệ sản xuất và cho
cơ sở ứng dụng. Các tƣ liệu đã công bố về nghiên cứu, sản xuất và ứng dụng Bt rất
phong phú đƣợc rải đều trong suốt thời kì này, đặc biệt là trong 10 năm gần đây.
Các công trình tập trung vào các nội dung chính nhƣ sự phân bố và đa dạng sinh
học của các chủng Bt phân lập tại Việt Nam, các đặc tính phân tử của Bt, nghiên
cứu tạo các vector mang gen cry chuyển vào cây trồng, và các nghiên cứu sản xuất
chế phẩm Bt ứng dụng trong bảo vệ cây trồng và phòng chống các vector truyền
bệnh trong bảo vệ sức khỏe cộng đồng. Hiện nay, bộ sƣu tập Bacillus thuringiensis
của Việt Nam là một trong những bộ sƣu tập lớn nhất trên thế giới với hơn 3500
chủng phân lập tại Việt Nam, trong đó có 114 chủng kháng nguyên chuẩn quốc tế
dùng cho sản xuất 78 kit huyết thanh cho phân loại. Qua so sánh với các chủng
Bacillus thuringiensis trên thế giới, các chủng Bacillusthuringiensis của Việt Nam
rất đa dạng về cấu trúc tinh thể độc tố (hình tháp 63,1%; hình cầu 11,2%; hình khối
lập phƣơng 4,8%; …), đa dạng về typ huyết thanh và đặc biệt đa dạng về gen mã
hóa protein diệt côn trùng cánh vẩy (Lepidoptera), cánh cứng (Coleoptera), hai cánh
(Diptera), diệt tuyến trùng hại cây nông nghiệp… Các dạng chế phẩm Bt đƣợc sản
xuất trên thị tƣờng bao gồm: chế phẩm Bt dạng bột thấm ƣớt, chế phẩm Bt thế hệ
mới[2] [3].

1.6.Ƣu điểm, nhƣợc điểm của thuốc trừ sâu sinh học Bt
+ Ƣu điểm:
- An toàn đối với ngƣời và gia súc, không làm ô nhiễm môi trƣờng.
- Không giết chết thiên địch sâu hại và vi sinh vật có ích, có thể duy trì cân
bằng sinh thái.
- Không ảnh hƣởng đến chất lƣợng nông sản (màu sắc, mùi vị, hƣơng thơm
của rau xanh, hoa quả, thuốc lá, chè…)