Nghiên cứu ứng dụng vi sinh vật xử lý phế thải vỏ quả cà phê làm phân hữu cơ

BỘ GIÁO DỤC VÀ ðÀO TẠO
TRƯỜNG ðẠI HỌC NÔNG NGHIỆP HÀ NỘI

––––––––––







TRẦN ðỨC HUY







NGHIÊN CỨU ỨNG DỤNG VI SINH VẬT XỬ LÝ PHẾ THẢI
VỎ QUẢ CÀ PHÊ LÀM PHÂN HỮU CƠ

LUẬN VĂN THẠC SĨ

Hµ Néi – 2013
BỘ GIÁO DỤC VÀ ðÀO TẠO
TRƯỜNG ðẠI HỌC NÔNG NGHIỆP HÀ NỘI

––––––––––







TRẦN ðỨC HUY







NGHIÊN CỨU ỨNG DỤNG VI SINH VẬT XỬ LÝ PHẾ THẢI
VỎ QUẢ CÀ PHÊ LÀM PHÂN HỮU CƠ

CHUYÊN NGÀNH: Khoa học Môi trường
MÃ SỐ: 60440301





NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC
TS. LÊ NHƯ KIỂU




Hµ Néi – 2013
Trường ðại Học Nông Nghiệp Hà Nội – Luận văn thạc sĩ khoa học nông nghiệp i

LỜI CAM ðOAN
Tôi xin cam ñoan ñây là công trình nghiên cứu của bản thân. Các số liệu,
kết quả trình bày trong luận văn là trung thực và chưa ñược ai công bố trong bất
kỳ luận văn nào trước ñây.


Người hướng dẫn Tác giả luận văn



TS. Lê Như Kiểu

Trần ðức Huy






Trường ðại Học Nông Nghiệp Hà Nội – Luận văn thạc sĩ khoa học nông nghiệp ii


LỜI CẢM ƠN
Trong suốt thời gian học tập tại Trường ðại học Nông nghiệp Hà Nội,
ngoài sự nỗ lực của bản thân, tôi ñã nhận ñược sự giúp ñỡ nhiệt tình của Ban chủ
nhiệm Khoa Tài nguyên và Môi trường, các thầy cô giáo, gia ñình cùng bạn bè
ñể hoàn thành tốt luận văn tốt nghiệp. Nhân dịp này, cho phép tôi bày tỏ lòng
biết ơn sâu sắc ñến tất cả những sự giúp ñỡ quý báu ñó.
Lời ñầu tiên tôi trân trọng cảm ơn Ban chủ nhiệm Khoa Tài nguyên và Môi
trường – Trường ðại học Nông nghiệp Hà Nội, các thầy cô giáo giảng dạy và
hướng dẫn thực tập ñã tạo ñiều kiện thuận lợi nhất cho tôi trong thời gian qua. Tôi
bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc tới TS. Lê Như Kiểu, người ñã trực tiếp hướng dẫn và
giúp ñỡ tôi hoàn thành luận văn này.
Tôi xin cảm ơn tập thể cán bộ Bộ môn VSV, Viện Thổ nhưỡng Nông hóa
ñã giúp ñỡ và chỉ bảo tận tình cho tôi trong thời gian thực tập vừa qua.
Cuối cùng tôi muốn dành lời cảm ơn chân thành tới bố mẹ, gia ñình, các
ñồng nghiệp và tập thể lớp MTAK20, những người ñã ñộng viên, giúp ñỡ tôi trong
suốt thời gian học tập và rèn luyện tại Trường ðại học Nông nghiệp Hà Nội.
Hà Nội, ngày tháng 10 năm 2013
Tác giả luận văn
Trần ðức Huy

Trường ðại Học Nông Nghiệp Hà Nội – Luận văn thạc sĩ khoa học nông nghiệp iii

MỤC LỤC
DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT vi
DANH MỤC CÁC BẢNG vii
DANH MỤC HÌNH VẼ, ðỒ THỊ viii
Chương I MỞ ðẦU 1
1.1. ðẶT VẤN ðỀ 1
1.2. MỤC TIÊU 3
1.3. YÊU CẦU 3
Chương II TỔNG QUAN TÀI LIỆU 4
2.1. KHỐI LƯỢNG VÀ THÀNH PHẦN PHẾ PHỤ PHẨM TỪ SẢN XUẤT
CÀ PHÊ 4
2.2. BIỆN PHÁP XỬ LÝ PHẾ PHỤ PHẨM CÀ PHÊ 5
2.2.1. ðốt 5
2.2.2. Ủ làm phân 5
2.2.3. Ủ trực tiếp vào ñất, trên ruộng 9
2.2.4. Tái sử dụng tạo ra các sản phẩm hữu ích khác 10
2.3. CƠ SỞ KHOA HỌC CỦA QUÁ TRÌNH PHÂN GIẢI PHẾ THẢI VỎ
CÀ PHÊ 11
2.3.1. Hệ thống enzym vi sinh vật 11
2.3.2. Cơ sở khoa học của quá trình phân hủy 11
2.3.2.1. Phân giải xenluloza 12
2.4.2.2. Phân giải tinh bột 18
2.3.2.3. Phân giải protein 20
2.3.3. Các yếu tố ảnh hưởng ñến quá trình xử lý phế thải làm phân bón 21
2.3.3.1. Yếu tố phi sinh học 22
2.3.3.2. Yếu tố sinh học 25

2.4. KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU ỨNG DỤNG VI SINH VẬT TRONG XỬ
LÝ PHẾ THẢI LÀM PHÂN BÓN 26
2.4.1. Nghiên cứu trên thế giới 26
2.4.2. Nghiên cứu ở Việt Nam 29
2.4.2.1. Xử lý phế phụ phẩm nông nghiệp 30
2.4.2.2. Xử lý vỏ cà phê làm phân hữu cơ sinh học 33
Chương III VẬT LIỆU, NỘI DUNG VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 35
3.1. VẬT LIỆU NGHIÊN CỨU 35
3.1.1. Vật liệu 35
3.1.2. ðịa ñiểm nghiên cứu 35
3.1.3. Thời gian nghiên cứu 35
3.1.4. Môi trường nghiên cứu 35
3.2. NỘI DUNG NGHIÊN CỨU 37
3.3. PHƯƠNG PHÁP THÍ NGHIỆM 37
3.3.1. Phân lập, tuyển chọn vi sinh vật phân giải xenlulo 37
3.3.2. Xác ñịnh các ñiều kiện lên men nhân sinh khối của các chủng VSV 38
3.3.2.1. Xác ñịnh thời gian nuôi cấy của các chủng vi sinh vật 38

Trường ðại Học Nông Nghiệp Hà Nội – Luận văn thạc sĩ khoa học nông nghiệp iv

3.3.2.2. Xác ñịnh hình thái, kích thước khuẩn lạc của vi sinh vật 38
3.3.2.3. Lựa chọn môi trường thích hợp 39
3.3.2.4. Ảnh hưởng của nguồn cacbon và nitơ 39
3.3.2.5. Ảnh hưởng của pH 40
3.3.2.6. Ảnh hưởng của nhiệt ñộ 40
3.3.2.7. Xác ñịnh hoạt tính enzym bằng phương pháp khuếch tán trên thạch 41
3.3.3. Bảo quản giống 42
3.3.4. Phân loại VSV bằng phương pháp sinh học phân tử 43
3.3.5. Sản xuất chế phẩm vi sinh 43
3.3.5.1. Nguyên liệu chế tạo chất mang 43

3.3.5.2. Nghiên cứu tính ñối kháng giữa các chủng VSV 43
3.3.5.3. Sản xuất chế phẩm vi sinh vật 44
3.3.6. Các phương pháp phân tích vi sinh vật, sinh vật 45
3.3.6.1. Kiểm tra mật ñộ tế bào vi khuẩn, xạ khuẩn 45
3.3.6.2. Kiểm tra vi sinh vật tạp 46
3.3.6.3. Kiểm tra mật ñộ Colifom 46
3.3.6.4. Kiểm tra mật ñộ Salmonella (TCVN 4829 – 2005) 46
3.3.6.5. Kiểm tra mật ñộ E.coli (TCVN 6846:2007) 47
3.3.6.6. Xác ñịnh trứng giun 47
3.3.7. Phân tích các chỉ tiêu lý tính, hóa tính của các mẫu cà phê sau ủ 47
3.3.7.1. Các chỉ tiêu lý tính 47
3.3.7.2 Các chi tiêu hóa tính 48
3.3.8. Nghiên cứu hiệu quả của chế phẩm vi sinh vật 48
3.3.8.1. Thí nghiệm nhà lưới 48
3.3.8.2. Phương pháp Plant test (Subrao – Indian, 1980) 49
3.3.9. Phương pháp phân tích và xử lý số liệu 49
Chương IV KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 50
4.1. PHÂN LẬP VÀ TUYỂN CHỌN VI SINH VẬT PHÂN GIẢI XENLULO 50
4.1.1. Phân lập các chủng vi sinh vật phân giải xenlulo 50
4.1.2. Tuyển chọn các chủng vi sinh vật có khả năng phân giải xenlulo mạnh 51
4.2. PHÂN LOẠI VÀ ðỊNH TÊN VI SINH VẬT 52
4.2.1. ðặc ñiểm hình thái, kích thước 52
4.2.2. ðặc ñiểm sinh lý, sinh hóa của các chủng VSV tuyển chọn 53
4.2.2. Giải trình tự ADNr16S và phân loại vi sinh vật 54
4.3. ẢNH HƯỞNG CỦA ðIỀU KIỆN MÔI TRƯỜNG ðẾN KHẢ NĂNG
SINH TRƯỞNG, PHÁT TRIỂN VÀ SINH ENZYM NGOẠI BÀO CỦA
CÁC CHỦNG VI SINH VẬT LỰA CHỌN 56
4.3.1. Ảnh hưởng của môi trường nuôi cấy khác nhau 56
4.3.2. Ảnh hưởng của pH và nhiệt ñộ 58
4.3.3. Ảnh hưởng của nguồn cơ chất 60

4.4. SẢN XUẤT CHẾ PHẨM VI SINH VẬT 61
4.4.1. Nghiên cứu tính ñối kháng giữa các chủng VSV ñã tuyển chọn 61
4.4.2. Khả năng tồn tại của các chủng vi sinh vật trong ñiều kiện chất mang dạng bột 62
4.4.3. Sản xuất chế phẩm vi sinh vật 64
4.4.4. ðánh giá chất lượng của chế phẩm vi sinh vật sau khi sản xuất và trong thời gian
bảo quản 65
4.5. XỬ LÝ VỎ CÀ PHÊ BẰNG CHẾ PHẨM VI SINH VẬT 67
4.5.1. Thành phần chủ yếu trong vỏ cà phê 67
4.5.2. Thiết kế thí nghiệm nhà lưới 68

Trường ðại Học Nông Nghiệp Hà Nội – Luận văn thạc sĩ khoa học nông nghiệp v

4.5.3. Kết quả xử lý vỏ quả cà phê bằng chế phẩm vi sinh vật 69
4.5.3.1. Diễn biến nhiệt ñộ trong ñống ủ 71
4.5.3.2. Chất lượng ñống ủ sau xử lý 72
4.5.4. Kiểm tra vi sinh vật gây bệnh trong ñống ủ 75
Chương V KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 77
TÀI LIỆU THAM KHẢO 78
PHỤ LỤC 83


Trường ðại Học Nông Nghiệp Hà Nội – Luận văn thạc sĩ khoa học nông nghiệp vi

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT
Chữ viết tắt Chữ viết ñầy ñủ
ADNr Axit deoxyribonucleic riboxom
ARNr Axit ribonucleic riboxom
CFU Colony forming unit (ðơn vị hình thành khuẩn lạc)

CMC Cacboxyl methyl cellulose

CTðC Công thức ñối chứng
CTTN Công thức thí nghiệm
EDTA Ethylene diamine tetra acetic
ISP International Streptomyces Preject
(Chương trình xạ khuẩn quốc tế)
PCR Polymerase Chain Reaction
(Phản ứng chuỗi trùng hợp)
TCVN Tiêu chuẩn Việt Nam
VSV Vi sinh vật




Trường ðại Học Nông Nghiệp Hà Nội – Luận văn thạc sĩ khoa học nông nghiệp vii

DANH MỤC CÁC BẢNG
Tên bảng Trang

Bảng 4.1. Các chủng VSV phân lập 49
Bảng 4.2. Hoạt tính sinh học các chủng VSV tuyển chọn 50
Bảng 4.3. Một số ñặc ñiểm hình thái của các chủng VSV tuyển chọn 51
Bảng 4.4. ðặc ñiểm sinh lý, sinh hóa của các chủng VSV tuyển chọn 53
Bảng 4.5. Ảnh hưởng của các môi trường nuôi cấy ñến sinh trưởng và
sinh enzym ngoại bào của các chủng P1.1, P5.1, P2.2, P3.2
56
Bảng 4.6. Ảnh hưởng của pH ñến sinh trưởng và phát triển của VSV 57
Bảng 4.7. Ảnh hưởng của nhiệt ñộ ñến sinh trưởng và phát triển của
VSV
58
Bảng 4.8. Ảnh hưởng của các nguồn cacbon ñến sinh trưởng và sinh

enzym ngoài bào của các chủng P1.1, P5.1, P2.2, P3.2
59
Bảng 4.9. Ảnh hưởng của các nguồn nitơ ñến sinh trưởng và sinh
enzym ngoài bào của các chủng P1.1, P5.1, P2.2, P3.2
60
Bảng 4.10. Khả năng tác ñộng tương hỗ giữa các chủng VSV tuyển chọn

61
Bảng 4.11. Mật ñộ và hoạt tính enzym ngoại bào của các chủng P1.1,
P5.1, P2.2, P3.2 khi nuôi cấy riêng lẻ và hỗn hợp trong chất
mang cám gạo khử trùng
62
Bảng 4.12. Chất lượng của chế phẩm VSV dạng bột 66
Bảng 4.13. Các thành phần chủ yếu có trong vỏ cà phê 67
Bảng 4.14. Kết quả phân tích vỏ quả cà phê ở các công thức thí nghiệm
sau 30 ngày
68
Bảng 4.15. Diễn biến nhiệt ñộ trong ñống ủ vỏ quả cà phê 71
Bảng 4.16. Kết quả phân tích vỏ quả cà phê trước và sau khi xử lý 71
Bảng 4.17. Tỉ lệ nảy mầm của hạt cải trên nền các cơ chất 74
Bảng 4.18. Vi sinh vật gây bệnh trong ñống ủ vỏ cà phê 74


Trường ðại Học Nông Nghiệp Hà Nội – Luận văn thạc sĩ khoa học nông nghiệp viii

DANH MỤC HÌNH VẼ, ðỒ THỊ
Tên hình Trang

Hình 2.1. Sản lượng và diện tích trồng cà phê ở Việt Nam 5
Hình 2.2. Cấu trúc phân tử xenlulo 12

Hình 2.3. Cơ chế phân hủy xenluloza của Reese 14
Hình 2.4. Cơ chế phân hủy xenluloza của Klyosov 15
Hình 2.5. Sự biến ñổi của pH biểu diễn theo thời gian trong quá trình

sản xuất compost
25
Hình 3.1. Mô hình cấy vạch nghiên cứu tính ñối kháng 43
Hình 4.1. ðường kính vòng phân giải CMC của các chủng VSV

sử dụng sản xuất chế phẩm
50
Hình 4.2. Khuẩn lạc chủng P1.1 51
Hình 4.3. Tế bào chủng P1.1 51
Hình 4.4. Khuẩn lạc chủng P5.1 52
Hình 4.5. Tế bào chủng P5.1 52
Hình 4.6. Khuẩn lạc chủng P2.2 52
Hình 4.7. Tế bào chủng P2.2 52
Hình 4.8. Khuẩn lạc chủng P3.2 52
Hình 4.9. Tế bào chủng P3.2 52
Hình 4.10. Vị trí phân loại chủng P1.1 và P5.1 với các loài có quan hệ
họ hàng gần
54
Hình 4.11. Vị trí phân loại chủng P2.2 và P3.2 với các loài có quan hệ
họ hàng gần
55
Hình 4.12. Hình ảnh minh họa khả năng tác ñộng tương hỗ với nhau
của các chủng VSV tuyển chọn
61
Sơ ñồ 4.1. Quy trình sản xuất chế phẩm VSV dạng bột 63
Sơ ñồ 4.2. Quy trình xử lý vỏ quả cà phê bằng chế phẩm VSV 69

Hình 4.13. Diễn biến nhiệt ñộ trong ñống ủ 71

Trường ðại Học Nông Nghiệp Hà Nội – Luận văn thạc sĩ khoa học nông nghiệp
1

Chương I
MỞ ðẦU
1.1. ðẶT VẤN ðỀ
Mỗi quốc gia ñều có lợi thế riêng, Việt Nam rất thuận lợi về sản xuất nông
nghiệp. Với gần 80% dân số sống bằng nghề nông, cùng với sự phát triển về quy
mô diện tích, sản lượng nông sản, chúng ta cũng tạo ra một nguồn phế liệu khổng
lồ. Nhưng ñến nay chúng vẫn vẫn bị bỏ phí, phần lớn bị ñốt, phần còn lại trở
thành rác thải, cả hai trường hợp ñều gây ô nhiễm môi trường. ðiều ñáng nói ở
ñây, khi ñốt, tất cả chất thải hữu cơ biến thành CO
2
, H
2
O, các ñộc chất SO
2
, SO
3
,
H
2
S, NO, NO
2
, HCl, chỉ ñể lại một ít khoáng chất trả lại cho ñất. Chúng ta ñã
và ñang lãng phí nguồn cacbon bổ dưỡng cho ñất. Còn khi chất hữu cơ này trở
thành rác thải khó phân hủy, lại gây ô nhiễm môi trường cho ñất, nước và không
khí. ðây là môi trường thuận lợi cho VSV gây bệnh phát triển và sự phân hủy

của chúng tạo ra nhiều mùi hôi thối ảnh hưởng ñến môi trường sống của con
người [3].
Mặt khác, hơn 50 năm qua thế giới nói chung và Việt Nam nói riêng sử
dụng rộng rãi ñến mức lạm dụng phân bón hóa học. Giờ ñây, dần dần người ñã
thấy mặt trái của nó như phá hủy hệ sinh thái ñất. Phân bón hóa học tồn dư trong
ñất gây vô cơ hóa ñất và gây ô nhiễm ñất. Người ta cũng tìm ra nhiều ñộc chất
còn ñi vào chuỗi thực phẩm (rau quả, ngũ cốc, ) là nguyên nhân của các bệnh
rối loạn tiêu hóa, nội tiết, thần kinh và cả ung thư. Mặt khác, quá trình sản xuất
phân bón cần một sự chi phí ñầu tư rất lớn. ðể tiến ñến một nền nông nghiệp sinh
thái bền vững ñòi hỏi con người phải tìm ra những giải pháp phù hợp với thiên
nhiên, một trong những giải pháp ñó là sản xuất phân bón hữu cơ có nguồn gốc
từ các hợp chất tự nhiên.
Trong quá trình chế biến nông sản, chế biến cà phê thải ra môi trường một
lượng vỏ rất lớn. Hiện nay ở Việt Nam, diện tích gieo trồng cà phê có xu hướng
tăng và ñã ñạt ñến con số 616.000ha [2]. Sản lượng cà phê trên thế giới cũng như
của Việt Nam ñều tăng qua các năm. Năm 2012 sản lượng cà phê của Việt Nam

Trường ðại Học Nông Nghiệp Hà Nội – Luận văn thạc sĩ khoa học nông nghiệp
2

ñạt 1.450.000 tấn/năm và năng suất cũng tăng lên, ñạt 2,36 tấn/ha [11]. Cùng với
việc gia tăng về sản lượng cà phê, ñồng thời cũng gia tăng về phế liệu vỏ cà phê.
Theo con số ước tính, vỏ cà phê thường chiếm khoảng 40 – 45% trọng lượng của
quả cà phê. Như vậy, số lượng vỏ cà phê bỏ ñi trong nước có thể lên ñến 652.500
tấn/năm, con số không nhỏ này ñòi hỏi phải có biện pháp xử lý thích hợp, ñảm
bảo vệ sinh môi trường, ñem lại lợi ích cho cộng ñồng.
Trên thế giới, người ta ñã biết ñây là một nguồn phế thải rất quan trọng ở
các vùng nhiệt ñới. Họ cũng ñã tiến hành nghiên cứu trên ñối tượng vỏ cà phê
như coffein, lên men pha rắn, ủ xilo, nghiên cứu các hợp chất polyphenol và các
hợp chất kháng sinh. Mục tiêu của họ là xử lý nguồn phế thải ñể sản xuất thức ăn

cho ñộng vật và nghiên cứu tách chất từ vỏ cà phê. Ở trong nước, các nhà khoa
học cũng bắt ñầu quan tâm ñến nguồn phế thải này nhưng cho ñến nay, vỏ cà phê
vẫn chưa ñược xử lý hợp lý. Phần lớn ñược ñổ bỏ hay phơi khô ñể ñốt. Với cách
làm này hàng năm, chúng ta bỏ phí một nguồn phế liệu khổng lồ và có nguy cơ
gây ô nhiễm cho môi trường. Vì thế, việc nghiên cứu xử lý nguồn phế liệu này là
một việc làm cấp thiết hiện nay [11].
Xu thế hiện nay là phát triển nền nông nghiệp sạch, nền nông nghiệp hữu
cơ, nhu cầu về phân hữu cơ ñã thiếu lại càng thiếu vì nguồn phân hữu cơ từ chăn
nuôi gia súc, gia cầm hạn chế. Vì vậy, xử lý phế phụ phẩm nông nghiệp trên
ñồng ruộng bằng chế phẩm VSV là việc làm cần thiết, có ý nghĩa lớn. ðiều này
không chỉ tạo ra nguồn phân hữu cơ tại chỗ trả lại cho ñất, giải quyết sự thiếu hụt
về phân hữu cơ trong thâm canh hiện nay, giảm bớt chi phí phân bón, thuốc trừ
sâu cho người nông dân, mà còn có ý nghĩa rất lớn trong việc tiêu diệt ổ bệnh
trên ñồng ruộng, giảm thiểu ô nhiễm môi trường từ ñồng ruộng.
ðể có chế phẩm VSV tốt xử lý phế phụ phẩm ñồng ruộng thì việc phân
lập, tuyển chọn chủng VSV có khả năng sản sinh ra enzym ngoại bào xenlulaza,
proteaza, amylaza… ñể chuyển hóa các chất xơ sợi thành mùn hữu cơ là việc
làm rất quan trọng cần thiết hiện nay. Xuất phát từ thực tế trên, tôi tiến hành
thực hiện ñề tài “Nghiên cứu ứng dụng VSV xử lý phế thải vỏ quả cà phê làm
phân hữu cơ”.

Trường ðại Học Nông Nghiệp Hà Nội – Luận văn thạc sĩ khoa học nông nghiệp
3

1.2. MỤC TIÊU
Nghiên cứu ứng dụng ñược vi sinh vật xử lý phế thải vỏ quả cà phê làm
phân hữu cơ bón cho các loại cây trồng.
1.3. YÊU CẦU
– Phân lập, tuyển chọn ñược các chủng VSV (vi khuẩn và xạ khuẩn) có khả
năng phân giải mạnh xenlulo ñể làm giống sản xuất chế phẩm VSV xử lý vỏ cà phê.

– Sản xuất ñược chế phẩm VSV có khả năng phân giải cao và nhanh
xenlulo từ ñó sử dụng chúng ñể phân giải vỏ cà phê làm phân bón.
– ðề xuất ñược quy trình ứng dụng chế phẩm vi sinh phân giải nhanh vỏ cà
phê làm phân bón.


Trường ðại Học Nông Nghiệp Hà Nội – Luận văn thạc sĩ khoa học nông nghiệp
4

Chương II
TỔNG QUAN TÀI LIỆU
2.1. KHỐI LƯỢNG VÀ THÀNH PHẦN PHẾ PHỤ PHẨM TỪ SẢN
XUẤT CÀ PHÊ
Chất thải của ngành công nghiệp sản xuất và chế biến cà phê gồm: nước
thải, phế thải rắn.
Nghiên cứu của Hajipakkos cho thấy, nước thải từ các nhà máy chế biến cà
phê có hàm lượng BOD và COD rất cao (tương ứng 3.000 kg/ngày và 4.000
mg/l). Chất rắn lơ lửng 1.500 mg/l, gần gấp 3 lần hàm lượng cho phép, ngoài ra
còn dầu mỡ với nồng ñộ cao gấp hai lần bình thường. Sau nhiều lần thử nghiệm
các phương pháp xử lý khác nhau, phương pháp xử lý yếm khí ñã ñược chọn ñể
xử lý nước thải cho ngành công nghiệp cà phê [21,25].
Thịt quả cà phê thu ñược trong quá trình chế biến cà phê chiếm khoảng
40% trọng lượng toàn bộ quả cà phê. Vỏ cà phê có ñộ ẩm cao (80–85%), giàu
hydratcacbon, protein, vitamin và các nguyên tố khoáng là nguyên liệu lý tưởng
cho các quá trình lên men VSV. Một số nông dân ñem trộn vỏ cà phê với phân
chuồng ñể làm phân bón cho vụ sau nhưng không có qui trình ủ nên hiệu quả
không cao. Mặc dù vậy, vỏ cà phê chứa nhiều cafein và tanin có khả năng ức chế
VSV, làm chậm quá trình phân hủy trong môi trường tự nhiên (chỉ phân hủy sau
2 năm). Chính vì vậy, ở những nơi không có biện pháp xử lý, phế phụ phẩm này
là nguyên nhân gây ô nhiễm môi trường và là nguồn mang sâu bệnh hại tích lũy

cho vụ sau. Hiện nay thịt quả cà phê có thể ñược xử lý chế biến ñể làm thức ăn
chăn nuôi, hoặc tái chế làm phân bón trong các nông trường cà phê [25].
Việt Nam là nước xuất khẩu cà phê lớn thứ hai trên thế giới, sản lượng cà
phê của Việt Nam trong những năm vừa qua dao ñộng xung quanh mức
1.450.000 tấn/năm, trong ñó 95% tổng sản lượng dành cho xuất khẩu, phế phụ
phẩm của ngành cà phê chủ yếu là vỏ quả cà phê vào khoảng 652.000 tấn/năm.
ðây là nguồn hữu cơ dồi dào ñể sử dụng làm phân hữu cơ.

Trường ðại Học Nông Nghiệp Hà Nội – Luận văn thạc sĩ khoa học nông nghiệp
5


Hình 2.1. Sản lượng và diện tích trồng cà phê ở Việt Nam
2.2. BIỆN PHÁP XỬ LÝ PHẾ PHỤ PHẨM CÀ PHÊ
2.2.1. ðốt
Người nông dân thường ñem ñốt vỏ cà phê thành tro gây ô nhiễm môi
trường. So với các phế phẩm nông nghiệp khác, chất thải này phân hủy lâu hơn
và gây ô nhiễm môi trường. Vỏ cà phê chiếm trọng lượng khoảng 40 - 45% trọng
lượng quả cà phê. Trong khi các nước trên thế giới ñã có những công trình xử lý
vỏ cà phê ñể sản xuất thức ăn cho gia súc gia cầm, ứng dụng lên men tạo phân
bón; sản xuất hương thơm tự nhiên, nghiên cứu ứng dụng nhiệt năng thì ở nước
ta, rất ít công trình nghiên cứu ñến việc ứng dụng chế phẩm này. Vỏ cà phê chậm
phân hủy do nó có hai thành phần khó phân hủy là lignin và xenlulo. Hàm lượng
xenlulo trong vỏ cà phê chiếm khoảng 63,2% và lignin là 17,7%. Các phế phẩm
nông nghiệp khác có thời gian phân hủy nhanh hơn vì hai thành phần chất này ít
hơn [Thông tin KHCN số ra thứ bảy 31/5/2008].
2.2.2. Ủ làm phân
Ủ phân (composting): Là quá trình phân hủy hợp chất hữu cơ tự nhiên (chủ
yếu là ligno–xenlulo) bởi quần thể VSV (vi khuẩn, nấm, xạ khuẩn, ñộng vật
nguyên sinh ) dưới tác ñộng của ñộ ẩm, nhiệt ñộ, không khí tạo nên sản phẩm

cuối cùng là chất mùn và chất dinh dưỡng mà cây trồng có thể hấp thu ñược [51].

Trường ðại Học Nông Nghiệp Hà Nội – Luận văn thạc sĩ khoa học nông nghiệp
6

Từ xa xưa, con người ñã biết ủ lá cây, phân gia súc thành phân hữu cơ ñể
bón cho cây trồng mang lại hiệu quả kinh tế cao, ghi nhận tại Ai Cập từ 3.000
năm trước công nguyên như là một quá trình xử lý chất thải nông nghiệp ñầu tiên
trên thế giới. Người Trung Quốc ñã ủ chất thải cách ñây 4.000 năm, người Nhật
ñã sử dụng compost làm phân bón từ nhiều thế kỷ trước. Nhưng việc sản xuất và
sử dụng phân ủ chỉ theo những kinh nghiệm dân gian, chưa có những nghiên cứu
ñầy ñủ về phương pháp này.
Hutchison và Richards (1921) là những người ñầu tiên nghiên cứu quá trình
ủ phân. Tuy nhiên ñến năm 1943, quá trình ủ compost mới ñược nghiên cứu một
cách khoa học và báo cáo bởi giáo sư người Anh – Howard thực hiện tại Ấn ðộ.
Howard ñã ñưa ra “phương pháp hữu cơ” tức là trộn xác hữu cơ với phân gia súc
theo tỉ lệ 3:1 có ñảo trộn thường xuyên. Ông ñã phát triển phương pháp ủ trên
những loại nguyên liệu khác nhau theo từng lớp và có ñảo trộn ñể tạo ñiều kiện
hiếu khí. ðây là phương pháp mang tên nơi ông ñang làm việc.
Từ năm 1926 ñến 1941, Warksman và các cộng tác viên nghiên cứu sự
phân hủy hiếu khí bã thực vật, ñộng vật. Ông ñã kết luận, nhiệt ñộ và VSV có
ảnh hưởng ñến sự phân hủy chất thải hữu cơ.
Ở Mỹ vào những năm 1940, Rodale ñã kết hợp các nghiên cứu của Howard
với thực nghiệm của mình và ñã ñưa ra phương pháp hữu cơ trong trồng trọt, làm
vườn. Phương pháp này cũng ñã ñược rất nhiều nước trên thế giới áp dụng và thu
ñược kết quả khả quan. Khi áp dụng phương pháp này ở trang trại của mình,
người dân Nhật, Trung Quốc, Ấn ðộ ñều nhận thấy rằng, ban ñầu năng suất có
giảm ñi nhưng ñã ổn ñịnh qua vài năm và lợi nhuận tăng lên rõ rệt bởi giảm ñược
chi phí ñáng kể khi không phải sử dụng hóa chất trong nông nghiệp.
Golass và cộng sự (1950–1952) ñã nghiên cứu các nguyên tắc cơ bản của

phân ủ hỗn hợp rác thải và bùn cống. Kết quả cho thấy các tác nhân môi trường
như: nhiệt ñộ, ñộ thoáng khí, kích thước cơ chất, tần số ñảo trộn, ñặc biệt là tỉ lệ
C/N của nguyên liệu thô có liên quan ñến hiệu quả của việc ủ phân.
ðến năm 1980, Haug ñã ñưa ra kết luận về việc làm phân ủ như sau: ủ chất
thải là quá trình phân giải sinh học các chất hữu cơ dẫn tới sự ổn ñịnh khối ủ
trong tồn trữ và sử dụng như một dạng phân hữu cơ.

Trường ðại Học Nông Nghiệp Hà Nội – Luận văn thạc sĩ khoa học nông nghiệp
7

Nhìn về tổng thể, quá trình ủ là quá trình phân hủy sinh học các hợp chất hữu
cơ xảy ra do nhóm VSV dị dưỡng như: vi khuẩn, nấm, xạ khuẩn và ñộng vật nguyên
sinh, trong ñó vai trò của hệ sinh vật phân giải xenlulo và lignin là rất quan trọng.
 Các phương pháp làm phân ủ
Theo Mathur, có hai phương pháp hay ñược sử dụng sản xuất phân ủ là:
phương pháp Indore (ủ hiếu khí) và phương pháp Banglore (nửa hiếu khí) [31].
Phương pháp Indore
Người ñầu tiên ñưa ra nguyên lý phân giải các hợp chất hữu cơ trong ñiều
kiện hiếu khí thành công là Albert Howard ở Ấn ðộ. Phương pháp này ñảm bảo
oxy cung cấp cho hoạt ñộng của VSV trong ñống ủ bằng cách hàng tuần phải
trộn hoặc dùng phương pháp thổi khí, ñồng thời làm giảm nhiệt ñộ ñống ủ. Một
yêu cầu nữa là ñộ ẩm của ñống ủ phải thích hợp, kích thước của ñống ủ không
quá lớn. Phương pháp Indore có ưu ñiểm là hoạt ñộng của VSV xảy ra nhanh,
chất mùn tổng hợp nhiều, thời gian hoàn thành ñống ủ ngắn (3–4 tháng). Tuy
nhiên, do trao ñổi khí thường xuyên nên một lượng lớn nitơ cùng với nước bị thất
thoát ra ngoài (tỉ lệ nitơ bị mất là 31,4%).
Nguyên liệu ñể ủ là hỗn hợp phế thải nông nghiệp, phân chuồng, lá cây
Mỗi ñống sâu 1m, rộng 1,5–2m, mỗi lớp nguyên liệu dày 15cm, thêm vào 4,5kg
phân, 3,5kg nước tiểu và 4,5kg phân ñã ủ ñược 15 ngày. ðống ủ phải ñược tưới
nước ñủ ẩm và ñược ñảo trộn 3 lần trong suốt thời gian ủ. Lần thứ nhất sau 15

ngày ủ, lần thứ hai cách lần ñầu 15 ngày, lần thứ ba cách 1 tháng.
Trên nguyên lý của phương pháp Indore, phương pháp ủ ñống ra ñời (heap
method). Mỗi ñống ủ theo phương pháp này có kích thước 1,5m chiều cao, 2m
chiều rộng hoặc hơn. Trong ñống ủ, mỗi lớp phế thải có nguồn gốc cacbon (lá,
cỏ, rơm, rạ, cành cây, lá cây ngô, cây bông) dày 20cm, 10cm nguyên liệu giàu
nitơ (phân chuồng, bùn, than bùn).
Phương pháp Banglore
Phương pháp này chia làm hai giai ñoạn:
(1) Giai ñoạn ủ hiếu khí: khoảng 8–10 ngày ñể nhiệt ñộ tăng cao nhằm tiêu
diệt các VSV gây bệnh và cỏ dại.

Trường ðại Học Nông Nghiệp Hà Nội – Luận văn thạc sĩ khoa học nông nghiệp
8

(2) Giai ñoạn ủ yếm khí: sau thời gian ủ hiếu khí, dùng bùn ñắp chẹn bên
ngoài ñống ủ ñể không khí không lọt vào ñược. Trong giai ñoạn này, hoạt ñộng
của VSV diễn ra trong ñiều kiện yếm khí.
Phương pháp này ñòi hỏi thời gian dài ñể hoàn thành ñống ủ, thường từ 6–8
tháng. Ưu ñiểm của phương pháp này là giữ ñược ñộ ẩm và không hao tổn nitơ.
So với phương pháp Indore, phương pháp Banglore kém hiệu quả kinh tế
hơn, ñiều này thể hiện thời gian ủ lâu hơn và mức ñộ phân hủy chậm hơn.
Trên nền của hai phương pháp trên, Gaur ñã ñưa ra phương pháp phân ủ
nhanh [24].
Phương pháp phân ủ nhanh
Thời gian ủ ảnh hưởng ñến hiệu quả quay vòng của các chất hữu cơ thông
qua việc hình thành CO
2
và sinh khối của VSV. Thời gian ủ kéo dài từ 6–8 tháng
sẽ làm giảm tỉ lệ C/N, thường, tỉ lệ C/N khi kết thúc ủ là 20/1, nhưng với phương
pháp phân ủ nhanh thì tỉ lệ C/N ñạt ñược là 15/1 hoặc 10/1.

Trong phương pháp ủ nhanh, các nguyên liệu nghèo nitơ như rơm, rạ, lõi
ngô, mùn cưa, cỏ khô ñược trộn thêm với các nguyên liệu giàu nitơ như phân
chuồng, bèo hoa dâu, cây ñiền thanh, do ñó, chất lượng phân ñược cải thiện. Hàm
lượng nitơ, photpho và kali trung bình trong ñống ủ là: 0,5–1%N; 0,5% P
2
O
5
;
0,5% K
2
O. Nghiên cứu của Gaur và cộng sự cho thấy các VSV phân giải xenlulo
ñã làm tăng hàm lượng photpho trong phân hữu cơ, ñồng thời làm giảm giá thành
công nghệ.
Năm 1987, Gaur ñã ñưa các chủng nấm ưa ẩm vào các ñống ủ (rơm, lá khô)
thì thấy hàm lượng cacbon hữu cơ giảm từ 48% xuống 25% trong tháng ñầu tiên
của quá trình ủ. Aspergilus sp. làm tỉ lệ C/N giảm từ 45% xuống 20,6%
Penicillium sp. làm giảm xuống còn 19,6% [24].
Như vậy, trong phương pháp phân ủ nhanh, VSV ñã ñược quan tâm nghiên
cứu nhiều hơn so với hai phương pháp trên. Có thể khẳng ñịnh rằng việc có mặt
các VSV phân giải xenlulo là một trong các yếu tố quan trọng ñể rút ngắn thời
gian phân hủy các hợp chất hữu cơ và nâng cao chất lượng phân ủ.

Trường ðại Học Nông Nghiệp Hà Nội – Luận văn thạc sĩ khoa học nông nghiệp
9

Hiện nay ở các nước trên thế giới cũng như ở Việt Nam ñều áp dụng
phương pháp phân ủ nhanh ñể rút ngắn thời gian ủ, nâng cao chất lượng phân ủ,
nhanh chóng cung cấp phân bón cho cây trồng. Một loạt phương pháp và cách
kết hợp giữa chúng ñã ñược sử dụng trong quá trình ủ phân compost, ví dụ như:
băm nhỏ và thường xuyên quay vòng; sử dụng các chất hoạt hóa nitơ; sử dụng

chế phẩm VSV hữu ích; sử dụng sâu (Philipine, Cuba, Ấn ðộ); sử dụng thông
khí cưỡng bức
2.2.3. Ủ trực tiếp vào ñất, trên ruộng
Phế phụ phẩm sau thu hoạch ñược vùi trực tiếp vào ñất, sau ñó các VSV sẽ phân
hủy chúng ñể cung cấp dinh dưỡng cho cây trồng vụ sau, cải thiện các ñặc tính lý hóa,
sinh học của ñất, nâng cao ñộ phì nhiêu của ñất ñể sản xuất ổn ñịnh lâu dài. ðây là
việc làm không những trả lại cho ñất hầu hết các chất dinh dưỡng mà các cây trồng ñã
lấy ñi từ ñất mà còn kiểm soát ñược sâu bệnh còn sót trên những phế thải này [17].
Gangwar và cộng sự (1999) ñã tiến hành nghiên cứu ảnh hưởng của rơm rạ
ñến năng suất lúa mì tại cao nguyên Indo – Gangetic – Ấn ðộ từ năm 1998 –
2001 với 12 công thức thí nghiệm trên hai mức ñạm 120 và 150kg N/ha; 26kg
P
2
O
5
và 16kg K
2
O kết hợp với (1) không vùi rơm rạ; (2) ñốt rơm rạ tại chỗ; (3)
vùi rơm rạ vào ñất với lượng 5 tấn/ha. Kết quả sau 3 năm nghiên cứu cho thấy:
năng suất lúa mì tại vụ thứ nhất ở mức ñạm 120kg N/ha; ở công thức (1) là 4,07
tấn/ha; ở công thức (2) là 4,20; công thức (3) là 4,59 tấn/ha. Ở mức ñạm 150kg
N/ha, năng suất lúa mì ở công thức (1) là 4,14 tấn/ha; ở công thức (2) là 4,33
tấn/ha; ở công thức (3) là 4,88 tấn/ha [23].
ðề tài KN 01–10–08, “Sử dụng hợp lý sản phẩm phụ nông nghiệp nhằm
tăng năng suất cây trồng và ổn ñịnh ñộ phì nhiêu của ñất bạc màu” do ðỗ Thị
Xô, Nguyễn Văn ðại thực hiện ñã chứng minh: Vùi phế phụ phẩm nông nghiệp
nông nghiệp ñã làm tăng năng suất cây trồng từ 4–21% so với ñối chứng. Các
công thức vùi phế phụ phẩm cả 3 vụ cho năng suất cao hơn các công thức ñược
vùi phế phụ phẩm một vụ; vùi phế phụ phẩm có thể tiết kiệm ñược phân khoáng.
Việc vùi rơm rạ vào ñất mặc dù tác dụng lên năng suất lúa vụ kế tiếp là

không lớn so với việc lấy rơm rạ ra khỏi ñồng ruộng nhưng về lâu dài thì ảnh

Trường ðại Học Nông Nghiệp Hà Nội – Luận văn thạc sĩ khoa học nông nghiệp
10

hưởng này là thấy rõ. Nếu kết hợp song song việc bón phân hàng vụ cho lúa cùng
với việc vùi rơm rạ vào ñất sẽ bảo toàn ñược dinh dưỡng N, P, K và S cho lúa,
nhiều khi còn làm tăng dự trữ dinh dưỡng cho ñồng ruộng. Việc vùi rơm rạ vào
ñất ướt sẽ gây ra tình trạng cố ñịnh tạm thời của ñạm (N) và làm tăng lượng
metan (CH
4
) phóng thích trong ñất, gây ra tình trạng tích lũy khí nhà kính. Khi
vùi một lượng lớn rơm rạ tươi sẽ rất tốn lao ñộng và cần có những máy móc thích
hợp cho việc làm ñất cũng như có thể gây ra những vấn ñề về bệnh cây. Việc
trồng trọt chỉ nên bắt ñầu sau 2 ñến 3 tuần vùi rơm rạ.
Tiến hành cày khô, nông 5–10cm ñể vùi rơm rạ và tăng cường sự thoáng
khí cho ñất trong thời kỳ bỏ hóa có tác dụng tốt ñến ñộ phì ñất trong hệ thống
thâm canh lúa – lúa. Việc cày khô, nông nên tiến hành sau 2–3 tuần sau khi thu
hoạch ở những cánh ñồng mà thời kỳ bỏ hóa khô – ướt giữa hai vụ lúa tối thiểu là
30 ngày. Các lợi ích gồm có: (1) Số lượng cacbon (C) quay vòng hoàn toàn sẽ ñạt
ñược nhiều hơn nhờ vào sự phân giải hiếu khí (khoảng 50% C trong vòng 30–40
ngày), do ñó hạn chế ñến mức tối thiểu ảnh hưởng xấu của các sản phẩm phân
giải yếm khí tổng giai ñoạn sinh trưởng ñầu của cây lúa; (2) tăng cường sự
thoáng khí cho ñất, nghĩa là oxy hóa Fe
2+
và những chất khử khác tích lũy trong
suốt quá trình ngập nước; (3) tăng cường ñược sự khoáng hóa N và sự giải phóng
P cho cây trồng sau, cho ñến giai ñoạn phân hóa ñòng; (4) làm giảm ñược sự phát
sinh cỏ dại trong suốt thời kỳ bỏ hóa; (5) làm cho quá trình làm ñất ñược dễ dàng
hơn (thường không cần cày ñất lần hai); (6) sự phóng thích CH

4
sẽ ít hơn so với
việc vùi rơm rạ lúc làm ñất ngay trước khi gieo trồng [23].
Bên cạnh những lợi ích trên thì việc vùi rơm rạ vào ñất có một số nhược
ñiểm như: tốn thêm chi phí, có thể gây ra một số bệnh cho lúa, có thể làm chậm
sự sinh trưởng và làm giảm năng suất lúa.
2.2.4. Tái sử dụng tạo ra các sản phẩm hữu ích khác
Ngoài các biện pháp trên, còn có rất nhiều biện pháp khác tái sử dụng phế
phụ phẩm nông nghiệp ñể tạo ra các sản phẩm hữu ích khác: dùng làm thức ăn
gia súc [10], sản suất etanol từ rơm rạ [59], sản xuất giấy từ rơm rạ [60]

Trường ðại Học Nông Nghiệp Hà Nội – Luận văn thạc sĩ khoa học nông nghiệp
11

2.3. CƠ SỞ KHOA HỌC CỦA QUÁ TRÌNH PHÂN GIẢI PHẾ THẢI
VỎ CÀ PHÊ
2.3.1. Hệ thống enzym vi sinh vật
Tất cả các chuyển hóa hóa sinh trong cơ thể VSV ñều có sự tham gia của
enzym, dưới tác dụng của các enzym, các phản ứng xảy ra cực kỳ nhanh chóng
mà không ñòi hỏi những ñiều kiện về nhiệt ñộ, áp suất cao, môi trường axit hay
bazơ, cũng như các chất xúc tác hóa học khác. Enzym không những hoạt ñộng
lúc còn ñang trong tế bào VSV mà khi thoát ra ngoài tế bào trong ñiều kiện thích
hợp nó vẫn hoạt ñộng mạnh. ðiều này có một ý nghĩa quan trọng ñối với hoạt
ñộng của con người [8,37].
Tế bào VSV chứa nhiều loại enzym khác nhau, enzym có thể ñược sản xuất
từ ñộng vật và thực vật như amylaza từ hạt ñại mạch nảy mầm, dứa hoặc từ dạ
dày, tụy tạng Nhưng quá trình sản xuất này còn gặp nhiều khó khăn và giá
thành rất cao. Cách ñây 30 năm, người ta tìm thấy nguồn enzym mới vô cùng
phong phú, ñó là enzym VSV.
Tế bào VSV có khả năng tạo ra cho mình một tập hợp enzym xúc tác các

phản ứng sinh học xảy ra trong và ngoài tế bào nhằm thỏa mãn các ñặc ñiểm sinh
hóa, nhu cầu sinh lý của tế bào. Tế bào sản xuất ra hai loại enzym: enzym nội
bào và enzym ngoại bào [37].
(1) Enzym nội bào có tác dụng hoạt hóa các enzym ở dạng chưa hoạt ñộng
thành các enzym hoạt ñộng, phân giải các hợp chất bị sai hỏng trong tế bào như
một phân tử protein bị tổng hợp sai cần phải ñược phân hủy, ñồng thời có khả
năng ñồng hóa, sử dụng những cái cũ ñể tổng hợp nên cái mới.
(2) Enzym ngoại bào là enzym sau khi ñã tổng hợp thì ñược tiết ra bên
ngoài qua màng tế bào, chủ yếu thuộc họ hydrolaza. Khi lên men trên một môi
trường xác ñịnh, enzym ngoại bào ñược tiết ra mạnh mẽ khi quá trình sinh trưởng
giảm xuống.
2.3.2. Cơ sở khoa học của quá trình phân hủy
Vỏ cà phê chiếm trọng lượng khoảng 40 - 50% trọng lượng quả cà phê.
Thành phần chính của vỏ cà phê là xenluloza, protein, tinh bột và pectine.

Trường ðại Học Nông Nghiệp Hà Nội – Luận văn thạc sĩ khoa học nông nghiệp
12

2.3.2.1. Phân giải xenluloza
 Khái quát về xenluloza
Hàng năm, có khoảng 30 tỷ tấn chất hữu cơ ñược cây xanh tổng hợp trên
trái ñất, 30% trong số ñó là xenlulo. Xenlulo chiếm 90% trong cây bông, 40 – 50%
trong gỗ. Xenlulo là thành phần chính của tế bào thực vật, kết hợp với hemixenlulo
và lignin tạo nên ñộ cứng cho thành tế bào. Xenlulo là polysaccarit mạch thẳng
gồm 1.400 ñến 12.000 gốc β– D glucopyranoza liên kết với nhau bằng liên kết β –
D glucoza thường có cấu hình dạng ghế và quay một góc 180
0
với nhau, do ñó các
nhóm hydroxyl (–OH) ñều nằm trên ñường thẳng xích ñạo [8]. Nhờ phân tích
Rơnghen, người ta ñã biết rằng xenlulo có cấu tạo sợi. Các sợi liên kết với nhau

bằng các liên kết hydro và các liên kết Vanñervan tạo thành các bó nhỏ gọi là
micro fibrin có cấu trúc không ñồng nhất và tạo nên cấu trúc mixen của xenluloza.
Các sợi micro fibrin có chiều rộng từ 100–300A
0
và có chiều dài 40–100A
0

(Conovalov– 1972).
Cấu trúc mixen của xenluloza bao gồm hai vùng chính:
- vùng kết tinh có cấu trúc trật tự rất cao, cấu trúc sợi ñậm ñặc và chặt chẽ
như tinh thể và chiếm khoảng ¾ cấu trúc xenluloza. Do có mạng lưới liên kết
hydrogen dày ñặc ngăn cản sự hấp thụ nước và trương lên nên vùng kết tinh rất
khó bị tác dụng ngay cả với enzym xenlulaza (enzym xenlulaza chỉ có thể tác
dụng lên bề mặt các sợi). Vùng vô ñịnh hình có cấu trúc kém chặt chẽ hơn vùng
kết tinh nên dễ bị tác ñộng hơn. Vùng này có thể hấp thụ nước và trương lên tạo
ñiều kiện thuận lợi giúp cho enzym xenlulaza tấn công dễ dàng.

Hình 2.2. Cấu trúc phân tử xenluloza

Trường ðại Học Nông Nghiệp Hà Nội – Luận văn thạc sĩ khoa học nông nghiệp
13

Trong tự nhiên, xenluloza là một trong những hợp chất khá bền vững,
chúng không tan trong nước mà chỉ bị trương lên do hấp thụ nước (phần vô ñịnh
hình). Xenluloza bị thủy phân khi ñun nóng với axit hoặc kiềm ở nồng ñộ cao, bị
thủy phân ở nhiệt ñộ 40 – 50
0
C bởi enzym xenlulaza [16].
 Xenlulaza
Enzym xenlulaza do hoạt ñộng sống của VSV tiết ra ñể phân hủy chuyển hóa

xenluloza. ðây là phức hệ enzym thủy phân xenluloza tạo ra các ñường ñủ nhỏ ñể ñi
qua vách tế bào VSV. Ở một số VSV, enzym oxy hóa khử và enzym phân giải protein
cũng tham gia vào quá trình trên. Phức hệ xenlulaza bao gồm 3 enzym chủ yếu sau
[16, 37]:
- Endoglucanaza hay CMC–aza (endo–1,4,–β–D–glucan–glucanohydrolaza)
tấn công chuỗi xenluloza một cách tùy tiện và phân hủy liên kết β–1,4–glucozit giải
phóng xenlobioza và glucoza, thủy phân CMC hoặc xenluloza phồng theo kiểu tùy
tiện, làm giảm nhanh chiều dài chuỗi và tăng chậm các nhóm khử, emzym này cũng
tác dụng lên xenlodextrin. Ở vùng vô ñịnh hình enzym này hoạt ñộng mạnh nhưng
lại yếu ở vùng kết tinh và không phân giải ñược xenlobioza.
- Exoglucanaza hay xenlobiohydrolaza (exo–1,4–D–glucaza–4–xenlobiohydrolaza)
giải phóng xenlobioza hoặc glucoza từ ñầu không khử của xenluloza, tác dụng yếu lên
CMC nhưng tác dụng rất mạnh lên xenluloza vô ñịnh hình hoặc xenluloza ñã bị phân giải
một phần. Tác dụng lên xenluloza kết tinh không rõ nhưng khi có mặt endoglucanaza thì có
tác dụng hiệp ñồng rõ rệt.
- β–glucozidaza hay xenlobiaza thủy phân xenlobioza và các xenlodextrin
khác hòa tan trong nước cho glucoza, nó có hoạt tính cực ñại trên xenlobioza,
còn ở xenlodextrin thì hoạt tính giảm khi chiều dài của chuỗi tăng lên. Tùy theo
vị trí mà β–glucozidaza ñược coi là nội bào, ngoại bào hoặc liên kết màng tế bào.
Chức năng của β–glucozidaza có lẽ là ñiều chỉnh sự tích lũy các chất cảm ứng
của xenlulaza. Mỗi enzym thành phần lại có thể gồm một hay vài izozim khác
nhau về trọng lượng phân tử, ñiểm ñẳng ñiện và hàm lượng polisaccarit liên kết.
Người ta cho rằng tính ña hình của xenluloza là nhằm phù hợp với cấu trúc
phức tạp của mạch phân tử xenluloza, gồm nhiều vùng có ñặc tính thủy phân

Trường ðại Học Nông Nghiệp Hà Nội – Luận văn thạc sĩ khoa học nông nghiệp
14

khác nhau. Tùy thuộc vào loài VSV và ñiều kiện nuôi cấy, tỉ lệ các enzym thành
phần trong phức hệ xenlulaza và hiệu lực phân giải xenluloza của xenlulaza là

khác nhau. Nhưng ñể phân giải hoàn toàn xenluloza tự nhiên cần có sự tác dụng
hiệp ñồng của cả 3 thành phần trong phức hệ xenlulaza [16].
 Cơ chế tác dụng
Các thành phần riêng rẽ trong phức hệ xenlulaza không có khả năng thủy
phân xenluloza kết tinh mà phải có sự hiệp ñồng của cả 3 thành phần. Cơ chế tác
dụng của các enzym này như sau [16, 33]:

Trong ñó:
C
1
– tương ứng với exoglucanaza; C
x
– tương ứng với endoglucanaza.
Hình 2.3. Cơ chế phân hủy xenluloza của Reese
Theo Reese, C
1
là "tiền nhân tố thủy phân" hay là enzym không ñặc hiệu,
nó làm trương xenluloza tự nhiên biến thành các chuỗi xenluloza hoạt ñộng có
mạch ngắn hơn và bị enzym C
x
tiếp phân cắt tạo thành các ñường tan và cuối
cùng thành glucoza. Tác giả cho rằng VSV phát triển trên xenluloza hòa tan:
Cacboxymetyl xenluloza (CMC), cacboxyetyl xenluloza (CEC) chỉ tạo ra C
x
,
trong khi ñó VSV phát triển trên xenluloza có trật tự cao thì có cả C
1
và C
x
.

Khi
hoạt ñộng trên xenluloza, C
1
làm biến ñổi xenluloza nhưng khi tách riêng thì tác
dụng này không còn biểu hiện nữa. Trên thực tế C
1
có khả năng hạn chế việc
sản sinh ñường khử từ CMC và không có khả năng tấn công các xenluloza có
trật tự [48].
Tiếp ñó, nghiên cứu của Erikkson và cộng sự. cho ta hiểu rõ hơn về quá
trình thủy phân xenluloza của phức hệ xenlulaza. Các vùng vô ñịnh hình trên bề
mặt xenluloza bị endoglucana cắt các liên kết β–1,4–glucozit tạo ra các ñầu mạch
tự do và exoglucanaza tấn công cắt thành từng ñoạn hai ñơn vị glucoza
(xenlobioza) từ các ñầu mạch tự do ñó. Kết quả tác ñộng của endo và
exoglucanaza là làm xuất hiện các xenlo–oligosaccarit mạch ngắn, xenlobioza và
Xenluloza
tự nhiên

Xenluloza
hoạt ñộng

ðường hòa tan
Xenlobioza
Glucoza
Xenlobiaza
C
1
C
x

Trường ðại Học Nông Nghiệp Hà Nội – Luận văn thạc sĩ khoa học nông nghiệp
15

glucoza. Từ ñây enzym β–glucozidaza mới bắt ñầu hoạt ñộng, chúng thủy phân
tiếp các mạch xenlo–oligosaccarit và xenlobioza thành glucoza. Như vậy, cơ chế
này nêu rõ ñược vai trò của từng loại enzym thành phần và giải thích ñược tác
ñộng hợp ñồng giữa chúng trong quá trình thủy phân xenluloza [19].
Tuy nhiên, Klyosov và các cộng sự. lại cho rằng quá trình chuyển hóa
xenluloza có thể xảy ra do nhiều phức hệ enzym xenlulaza, các enzym xenlulaza
thành phần hoạt ñộng ở vùng nào của xenluloza, ở giai ñoạn nào của quá trình là
tùy thuộc vào cấu trúc phân tử của cơ chất, mức ñộ polyme hóa, ñiều kiện thủy
phân, thành phần phức hợp xenlulaza và các yếu tố khác. Theo tác giả, quá trình
thủy phân xenluloza diễn ra theo sơ ñồ hình 2.4.

E
1
– Endoglucanaza E
3
– Xenlobiaza
E
2
– Xenlobiohydrolaza E
4
– Exoglucozidaza
Hình 2.4. Cơ chế phân hủy xenluloza của Klyosov
Trong ñó ở con ñường (4) E
4
là enzym xúc tác nhưng trong một số trường
hợp còn có cả E

1
hay E
2
có khi cả hai enzym này cùng xúc tác với E
4
; con ñường
(5) ngoài E
1
còn có E
2
cùng xúc tác [36].
 VSV phân hủy xenluloza [53]
Việc tích lũy trong môi trường ngày càng nhiều các chất ô nhiễm, ñòi hỏi
phải tăng cường quá trình phân giải chuyển hóa các chất ô nhiễm này nhờ VSV,
ñặc biệt là các hợp chất khó phân hủy như: xenluloza, hemixenluloza, lignin
Trong tự nhiên, khu hệ VSV phân giải xenluloza rất phong phú và ña dạng
bao gồm cả vi khuẩn, xạ khuẩn, nấm và cả các nguyên sinh ñộng vật. Tuy nhiên,
E
1

(5)

E
1

Xenluoza

ban ñ
ầu

Xenlo
oligosaccari
Xenlobioza


(1)

(2)

(3)

E
2

E
3

E
4

(4)

Glucoza