Sử dụng chế phẩm enzyme phân giải cellulose từ một số nguồn phế thải trong công, nông nghiệp để nâng cao năng suất trồng nấm và chế biến phân vi sinh từ bã thải

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI
TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC T ự NHIÊN
_______
____________________
BAO CÀO TONG KẼT
NHIỆM y ụ KHOA HỌC CÔNG NGHỆ PHỤC v ụ
QUẢN LÝ NHÀ NƯỚC VÈ BẢO VỆ M ồi TRƯỜNG
SỬ DỤNG CHÉ PHẨM ENZYME PHÂN GIẢI
CELLULỌSE TỪ MỘT SỚ NGUỒN PHÉ THẢI
TRONG CÔNG, NÔNG NGHIỆP ĐÉ NÂNG CAO
NĂNG SUẤT TRỒNG NÁM VÀ CHÉ BIỂN
PHÂN VI SINH TỪ BÃ THẢI
Mã số: QMT-09-01
Chủ trì: ThS. Trần Thị Phương
Cán bộ tham gia chính: PGS. TS Nguyễn Thị Loan, Khoa Môi trường, ĐHKHTN, ĐHQ
PGS. TS Trần Yêm, Khoa Môi trường, ĐHKHTN, ĐHQGHN
ThS.Phạm Thị Mai Khoa Môi trường, ĐHKHTN, ĐHQGHN
TS.Phạm Hương Sơn, Trung tâm ứng dụng Cong nghệ Sinh học
ThS. Trịnh Thị Phương Thảo, Trung tâm Năng suất Việt Nam
CN. Nguyễn Thị Sơn, TT CN Sinh học thực vật - Viện di truyền
CN. Ngô Anh Tuấn, Viện công nghệ thựcphâm
Đô Văn L ý , chủ cơ sở sản xuâí
Hà Nội, 2011
-~M n O 3 U C C ^IA HA
RUỈVKs Af\/| -'ONG ĨHL </ịEf 1 I
0006000009Ị
M ỤC LỤC
* •
Mục lục
Mở đầu 1
Chương I; Tổng quan tài liệu 2

1.1. Tình hình hoạt động sản suất nông nghiệp trong nước 3
1.2. Tình hình sản xuất bông phế thải 3
1.3. Phế phụ phẩm sau thu hoạch và ảnh hưởng của nó đến môi trường 5
1.3.1. Hiện trạng sử dụng phế phẩm rơm rạ ở Việt Nam 5
1.3.2. Các phương pháp xử lý phế thải nông nghiệp 6
1.4. Nguyên liệu Lignocellulose 8
1.4.1. Cellulose và cấu trúc 9
1.4.2. Cơ chế thủy phân Cellulose 11
1.4.3. Đặc điểm của Heemi Cellulose 12
1.4.4. Cơ chế thủy phân HemiCellulose 13
1.4.5. Đặc điểm của Lignin 13
1.4.6. Cơ chế phân giải cùa Lignin 14
1.5. Vi sinh vật phân giải Cellulose 14
1.5.1. Xạ khuẩn 15
1.5.2. Vi’khuẩn 16
1.5.3. Nấm 16
1.6. Enzyme phân giải Cellulose 17
1.6.1. Khái niệm về cellulase 17
1.6.2. Cơ chế thủy phân cellulose 17
1.6.3. Các yếu tố chính ảnh hưởng đến hoạt động của enzyme 18
1.6.3.1. Ảnh hưởng của nhiệt độ 18
1.6.3.2. Ảnh hưởng cùa pH 19
1.7. ứng dụng của enzyme 19
1.7.1. ứng dụng trong chế biến thực phẩm 19
1.7.2. ứng dụng trong công nghiệp vải sợi 20
1.7.3. ứng dụng trong công nghiệp giấy 21
1.7.4. ứ ng dụng trong sản xuất cồn công nghiệp 21
1.7.5. ứng dụng trong xử lý môi trường 21
1.7.6. ứng dụng trong nông nghiệp 2 ỉ
1.8. Tình hình sản xuất nấm ăn trên thế giới và Việt Nam 22

1.8.1. Trên thế giới 22
1.8.2. Ở Việt Nam 23
1.9. Giới thiệu về nấm sò 24
1.9.1. Kỹ thuật trồng nấm sò trước đây 26
1.10. Giới thiệu về nấm rơm 27
1.10.1. Các công nghệ nuôi trồng nấm rơm trước đây 28
1.11. Đặc điểm phân vi sinh 29
1.11.1. Khái niệm phân vi sinh 29
1.11.2. Các dạng phân vi sinh 30
1.11.3. Vai trò phân vi sinh 31
1.11.4. Hiện trạng sản xuất phân bón sinh học và công nghệ sản xuất phân vi sinh 33
Chương II: Nguyên liệu và phương pháp 35
2.1. Nguỵên liệu 35
2.1.1. Đối tượng nghiên cứu 35
2.1.2. Hóa chất 36
2.1.3. Máy móc và thiết bị nghiên cứu 36
2.2. Phương pháp nghiên cứu 37
2.2.1. Môi trường giữ giống nấm cấp 1 có thành phân (g/1) 37
2.2.2. Môi trường phân lập và giữ giống vi sinh vật trên cơ chất rơm rạ và bông phê thải 37
2.2.2.1. Môi trường phân lập và giữ giống vi khuẩn chúng tôi sử dụng môi trường chuân có 38
thành phần (g)
2.22.2. Môi trường phân lập và giữ giống xạ khuẩn 38
2.2.2.3. Môi trường phân lập và giữ giống nấm 38
2.2.3. Cách phân lập mẫu trên ca chất rơm và bông phế thải 39
2.2.4. Tinh sạch giong 39
2.2.5. Nuôi cấy lắc và li tâm 40
2.2.6. Đánh giá khả năng phân giải cellulose bằng phương pháp đục lỗ thạch 40
2.2.7. Phương pháp phân tích enzyme 41
2.2.7.1. Phương pháp tách cellulose trong rơm rạ 41
2.2.7.2. Xác định DE theo phương pháp axit Dinitrosalicylic (DNS) 41

2.2.8. ứ ng dụng enzyme vào xử lý cơ chất trồng nấm 44
2.2.9. Phương pháp phân tích các chỉ tiêu hóa lý của bã thải sau trồng nấm trong phòng thí 45
nghiệm
2.2.9.1. Phân tích các chỉ tiêu hóa lý của bã thải sau trồng nấm: Nts, Pts, K, Cts 45
2.2.9.2. Phân lập và tuyển chọn các chủng vi sinh vật hữu ích có hoạt lực cao 45
2.2.9.3. Xây dựng mô hình ù phân hiếu khí 45
Chương III: Kết quả nghiên cứu 45
3.1. Xử lý rơm rạ và bông phế thải bằng phương pháp lên men tự nhiên 46
3.2. Thuyết minh quy trình công nghệ 49
3.3. Phân lập và tuyển chọn các chủng vi sinh vật có hoạt tính cao từ rơm rạ 50
3.4. Lựa chọn các chủng vi sinh vật có hoạt tính cao để bổ sung vào đống ủ mới trên cơ chất 53
là rơm rạ
3.5. Theo dõi về sự thay đổi về nhiệt độ của các đống ủ trên cơ chất rơm rạ 53
3.6. Khả năng phân hủy rơm rạ của các nhóm vi sinh vật trên cơ chất rơm rạ 54
3.7. Quy trình nuôi trồng nấm sò trên cơ chất rơm rạ 54
3.8. Phân lập và tuyển chọn các chủng vi sinh vật có hoạt tính cao trên bông phế thải 55
3.9. Lựa chọn các chủng vi sinh vật có hoạt tính cao để bổ sung vào đống ủ mới trên bông phế 60
thải
3.10. Theo dõi về sự thay đổi nhiệt độ các đống ủ trên bông phế thải 60
3.11. Khả năng phân hủy rơm rạ của các nhóm vi sinh vật trên bông phế thải 61
3.12. Quy trình trồng nấm sò trên bông phế thải 61
3.13. Sử dụng rơm rạ và bông phế thải đã xử lý để nuôi trồng nấm ăn, khả năng hình thành 62
quả thể của pleauotus osteratus
3.14. Enzyme phân giải cellulose 63
3.14.1. Kết quả tách cellulose có trong rơm 63
3.14.2. Nhiệt độ thích hơpk cho quá trình phân giải cơ chất 63
3.14.3. Ảnh hưởng cùa pH đến sự phân giải cơ chất 64
3.14.4. Xác định nồng độ enzyme và thời gian phân giải cơ chất thích hợp 65
3.15. Enzyme CelicHtec 67
3.16. Xây dựng quy trình nuôi trồng nấm ăn trên cơ chất là rơm sử dụng enzyme Htec và 67

Htec2 để đưa vào nuôi trồng nấm sò và nấm rom
3.16.1. Sử dụng enzyme Htec và enzyme Htec2 để trồng nấm sò 70
3.16.2. Sử dụng enzyme Htec và enzyme Htec2 để trồng nấm rơm 71
3.17. Lựa chọn mô hình tối ưu, theo dõi mức độ tăng sản lượng của nấm trồng. 72
Đánh giá hiệu quả kinh tế cùa từng mô hình lựa chọn
3.17.1. Hiệu quả kinh tế sử dụng enzyme Htec2 để trồng nấm rơm 72
3.17.2. Hiệu quả kinh tế trồng nấm rơm bàng phương pháp lên men tự nhiên 73
3.17.3. Hiệu quả kinh tế sử dụng enzyme Htec để trồng nấm sò 73
3.17.4. Hiệu quả kinh tế sử dụng enzyme Htec2 để trồng nấm sò 74
3.17.5. Hiệu quả kinh tế trồng nấm sò bàng phương pháp lên men tự nhiên 75
3.76.6. So sánh lợi ích kinh tế giữa các mô hình trồng nấm sò và nấm rơm 75
3.18. Phân lập và tuyển chọn các chủng giống nấm và nuôi cấy giống cấp 1,2,3 của nấm rơm 76
và nấm sò
3.18.1. Phân lập giống nấm 76
3.18.2. Quy trình nhân giống cấp 1 78
3.18.3. Quy trình nhân giống cấp 2 và 3 79
3.19. Thuyết minh quy trình công nghệ sản xuất các loại giống nấm 80
3.19.1. Giống nấm cấp 1 80
3.19.2. Giống nậm cập 2 81
3.19.3. Giống nấm cấp 3 81
3.20. Kết quả phân lập giống nấm rơm và nấm sò 81
3.21. Kết quả phân tích một số chỉ tiêu hóa lý của bã thải sau trồng nấm 82
3.22. Đánh giá số lượng vi sinh vật có trong mẫu bã thải sau trồng nấm 82
3.23. Quy trình sản xuất phân vi sinh từ bã thải sau trồng nấm 83
3.24. Đánh giá chất lượng sản phẩm - chế phẩm phân vi sinh từ bã thải sau trồng nấm 86
3.24.1 Phân lập và xác định số lượng vi sinh vật có trong phân vi sinh 86
3.24.1.1. Phân lập và xác định số lượng vi khuẩn có trong phân vi sinh 86
3.24.1.2. Phân lập và xác định số lượng nấm mốc có trong phân vi sinh 86
3.24.1.3. Phân lập và xác định số lượng xạ khuẩn có trong phân vi sinh 87
3.25. Các thông số kỹ thuật của phân vi sinh từ bã thải sau trồng nấm 87

3.26. Tính toán chi phí khi sản xuất lkg phân vi sinh 88
Kết luận 90
Phụ lục
Tài liệu tham khảo
DANH MỤC BẢNG BIỂU
STT Nội dung Trai
Bảng 1 Thống kê diện tích và sản lượng lúa năm 2009
Bảng 2 Lượng phế phụ phẩm phát sinh để được 1 tấn nông sản
Bảng 3 Hàm lượng Cellulose trong một số nguyên liệu tự nhiên
Bảng 4 Hiệu lực của phân Nitragin đến năng suất lạc
Bảng 5 Hiệu quả của vi sinh vật phân giải lân với một số loại cây khác
Bảng 6 Độ hấp thụ quang của dung dịch glucose bởi các nồng độ khác nhau
Bảng 7 Xây dựng quy trình lên men tự nhiên
Bảng 8 Kích thước vòng phân giải của các chủng vi sinh vật
Bảng 9 Các chủng vi sinh vật có hoạt tính cao trên rơm rạ
Bảng 10 Sự thay đổi nhiệt độ các đống ủ trên rơm rạ 53,
Bảng 11 Sự thay đổi chiều cao của các đống ủ trên rơm rạ
Bảng 12 Kích thước vòng phân giải các chủng sinh vật trên bông phế thải
Bảng 13 Kích thước các chủng vi khuẩn có hoạt tính cao trên bong phế thải
Bảng 14 Sự thay đổi nhiệt độ của các đống ủ trên bông phế thải
Bảng 15 Sự thay đổi chiều cao của các đống ủ trên bông phế thải
Bảng 16 Năng suất nấm rơm và nấm sò trên rơm rạ và bông phế thải
Bảng 17 Ảnh hưởng của nhiệt độ đến quá trình phân giải cơ chất
Bảng 18 Ảnh hưởng của pH đến quá trình phân giải cơ chất
Bảng 19 Xác định tỉ lệ enzymes và thời gian phân giải cơ chất 66,
Bảng 20 Ảnh hưởng của nồng độ enzymestrong cơ chất đến năng suất nấm sò
Bảng 21 Anh hưởng của nồng độ enzymestrong cơ chất đến năng suất nấm rơm
Bảng 22 Hiệu quả kinh tế của nồng độ enzymes HTec đến năng suất của nấm rơm
Bảng 23 Ảnh hưởng của nồng độ enzymes HTec2đến năng suất của nấm rơm
Bảng 24 Anh hưởng của nồng độ enzymes HTec đến năng suất của nấm sò

Bảng 25 Anh hưởng của nồng độ enzymes HTec2 đến năng suất của nấm sò
Bảng 26 Lợi ích kinh tế giữa các mô hình trồng nấm sò 75,
Bảng 27 Lợi ích kinh tế giữa các mô hình trồng nấm rơm
Bảng 28 Tính chất bã thải sau trồng nấm
Bảng 29 Thành phân và số lượng vi sinh vật có trong bã thải sau trồng nấm
Bảng 30 Số lượng vi khuẩn có ở trong phân vi sinh ở các nồng độ khác nhau
Bảng 31 Số lượng nấm mốc trong phân vi sinh
Bảng 32 Số lượng xạ khuẩn có trong phân vi sinh
Bảng 33 Các thông số kĩ thuật của phân vi sinh từ bã thải sau trồng nấm
DANH MỤC HÌNH
Hình 1. Cấu trúc C ellulose 9
Hình 2. Các sản phẩm lên men từ C ellulose 11
Hình 3. Cơ chế thủy phân C ellulose theo King (1969) và Reese (1952) 12
Hình 4. Đường minh họa ảnh hưởng của nhiệt độ đến vận tốc phản ứng enzym e 19
Hình 5. Đường minh họa ảnh hưởng của pH đến vận tốc phản ứng enzym e 19
Hình 6. ứ n g dụng cellulose trong sản xuất của nước táo ép 20
Hình 7. ứ n g dụng của cellulose trong tạo vết mài trên quần bò 21
Hĩnh 8. Quy trình nuôi trồng nấm sò trước đây 27
Hình 9. Quy trình nuôi trồng nấm rơm trước đây 29
Hình 10. Mặt cắt đứng của đống ủ lên men tự nhiên 48
Hình 11. Quy trình trồng nấm sò bằng phương pháp lên men tự nhiên trên rơm rạ 49
và bông phế thải
Hình 12. Quy trình nấm sò đối chứng 55
Hình 13.Quy trình nấm sò thử nghiệm 55
Hình 14. Quy trình nấm sò đối chứng trên bông phế thải 62
Hình 15. Quy trình trồng nấm sò thử nghiệm trên bông phế thải 62
Hình 16. Quy trình công nghệ dùng enzym e Htec2 xử lý rơm rạ trồng nấm sò và 68
nấm rơm
Hình 17. Quy trình công nghệ dùng enzym e HTech xử lý rơm rạ trồng nấm sò và 68
nấm rơm

Hình 18. Quy trình công nghệ sản xuất giống nấm 78
Hình 19. Quy trình nhân giống cấp 1 79
Hình 20. Quy trình nhân giống cấp 2 và cấp 3 80
Hình 21. Quy trình sản xuất phân vi sinh từ bã thải sau trồng nấm 84
Ảnh 1. Hình ảnh về bông của nước ta 4
Ảnh 2. Một số hình ảnh vi sinh vật phân lập trên rom rạ 51
Ảnh 3. Vòng phân giải của một số chủng sinh vật có hoạt tính cao trên 52
rơm rạ
Anh 4. Một số hình ảnh vi sinh vật phân lập trên bông phế thải 57
Anh 5. Một số hình ảnh nuôi cấy vi sinh vật 58
Anh 6. Vòng phân giải của các chủng vi sinh vật có hoạt tính cao 59
trên bông phế thải
Ảnh 7. Cellulose được tách từ rơm rạ 63
DANH MỤC ẢNH
MỞ ĐẦU
Vấn đề giải quyết phế thải sau thu hoạch nói chung và rơm rạ nói riêng
theo hướng hữu ích về mặt kinh tế và bảo vệ môi trường là một hướng nghiên
cứu cần được quan tâm. Hiện nay, khoa học công nghệ thế giới đã và đang có
những bước tiến vượt bậc, nhất là công nghệ sinh học. Enzyme là một trong
những đối tượng được nghiên cứu và áp dụng nhiều nhất. Cho đến nay, việc sản
xuất chế phẩm enzyme các loại đa dạng và đang phát triển mạnh mẽ trên quy
mô công nghiệp. Thực tế đã có hàng ngàn chế phẩm được bán trên thị trường
thế giới, các chế phẩm này đã được khai thác và tinh ché có độ tinh khiết theo
tiêu chuẩn công nghiệp. Chế phẩm enzyme k h ôn g chỉ được ứng dụng tro n g y
học mà còn được ứng dụng trog nhiều lĩnh vực khác nhau như trong công
nghiệp, nông nghiệp, hóa học, công nghiệp dược phẩm, chế biến dược phẩm và
xử lý môi trường. Với các đặc tính ưu việt là làm tăng hiệu suất và rút ngắn
được thời gian của quá trình chế biến, xử lý, nâng cao chất lượng, giảm giá
thành sản phẩm. Trong thời điểm hiện tại, các loại phế thải công, nông nghiệp
cũng đang được các nhà khoa học trong nước quan tâm theo khía cạnh an toàn

và thân thiện với môi trường.
Việt Nam là quốc gia có trên 70% dân số sống bằng nghề nông. Ngày
nay, với giống lúa mới và quy trình sản xuất tiến bộ, chúng ta đã thu hoạch hàng
năm tới 2-3 vụ lúa, số rơm rạ thu được lên đến hàng chục triệu tấn. Trong những
năm gần đây, đời sống người dân được nâng cao, ở các thôn quê người dân đã
sử dụng các nguồn nhiên liệu khác tiện lợi hơn thay thế trong đun nấu như than,
gas, điện vì vậy sau khi gặt lúa nông dân đã tuốt lúa ngay tại đồng ruộng, số
rơm rạ này thường bị đốt thành tro, việc làm này gây bất lợi cho đồng ruộng lớn
hơn nhiều lần so với việc làm phân bón như ta tưởng. Các chất hữu cơ trong
rơm rạ và trong đất do nhiệt độ cao đã biến thành các chất vô cơ làm cho đồng
ruộng bị khô, chai cứng do một lượng nước khá lớn bị bốc hơi do nhiệt độ hun
đốt trong quá trình cháy rơm rạ. Đồng thòi, quá trình đốt rơm rạ ngoài trời
không kiểm soát được lượng C02 phát thải vào khí quyển cùng với c o , CH4,
các NOx và một ít S02.
Vào những ngày cao điểm mùa gặt thậm chí một số địa phương còn vứt
rơm rạ ra đường quốc lộ gây ách tắc giao thông, số rơm rạ còn lại bị vứt bỏ trên
đường ngõ, xóm rất lãng phí đồng thời gây ô nhiễm môi trường sinh thái mà còn
làm mất đi cảnh quan văn hóa đô thị, nông thôn. Song, phế thải nông nghiệp
1
thực sự là một nguồn tài nguyên có giá trị kinh tế vô cùng lớn. Trong khi đó
chính nguồn nguyên liệu này lại rất cần thiết cho nghề trồng nấm với tổng lượng
khoảng 20-30 triệu tấn mồi năm. Chỉ cần sử dựng 10% số nguyên liệu này để
trồng nấm thì sản lượng nấm đã đạt vài trăm ngàn tấn/năm.
Lượng xuất khẩu đạt 40.000 tấn trị giá 40 triệu ƯSD/năm. số còn lại
60.000 ngàn tấn tiêu thụ nội địa. Như vậy, doanh thu về nấm/năm đạt 100 triệu
USD tương đương với trên 1,7 ngàn tỉ đồng Việt Nam. Điều này chứng tỏ nghề
trồng nấm đang mang lại hiệu quả kinh tế cao, vì vậy mà hầu hết các tỉnh trong
cả nước đều có nghề trồng nấm. Chỉ trong vòng 15 năm trở lại đây với sự
chuyển giao công nghệ và áp dụng khoa học kỹ thuật nên nghề trồng nấm ngày
càng phát triển mạnh mẽ. Nghề trồng nấm đối với một số hộ gia đình giờ đây

không đon thuần chỉ là nghề phụ mà đã trở thành nguồn thu nhập chính. Quy
mô sản xuất nấm rải rác khắp 40 tỉnh, thành trong cả nước nhưng tập trung lớn ở
hai khu vực: Đồng bằng sông Cửu Long và Đồng bằng sông Hồng.
Tuy vậy, công nghệ nuối trồng nấm hiện nay theo hai phương pháp xử lý
nguyên liệu bằng nhiệt (hấp thanh trùng ) và ủ đống cho nên năng suất nấm thu
hoạch chưa cao. Vì ngoài yếu tố như giống nấm, nguyên liệu, kinh nghiệm nuôi
trồng, thời tiết thì quy trình công nghệ đóng vai trò vô cùng quan trọng, nó
quyết định đến sự thành công hay thật bại trong việc nuôi trồng nấm. Vì vậy,
việc đưa ra công nghệ mới sử dụng ché phẩm enzyme có hoạt tính cao, có khả
năng phân giải Cellulose nhằm rút ngắn được thời gian xử lý cơ chất và nâng
cao năng suất nấm trồng là một hướng đi mới với rất nhiều triển vọng , sử dụng
enzym công nghiệp sẽ đảm bảo phát triển kinh tế phải đi đôi với bảo vệ môi
trường là việc làm vô cùng có ý nghĩa để nghề trồng nấm được phát triển bền
vững.
2
CHƯƠNG I: TỎNG QUAN
1.1. TÌNH HÌNH HOẠT ĐỘNG SẢN XUẤT NÔNG NGHIỆP TRONG
NƯỚC
Theo báo cáo của Cục Trồng Trọt, sản lượng lúa cả năm 2010 của nước ta
đạt 39,8 triệu tấn (cao nhất từ trước đến nay và cao hơn 900 ngàn tấn so với năm
2009); trong đó các tỉnh phía Bắc đạt 13,2 triệu tấn và các tỉnh phía Nam đạt
26,6 triệu tấn.
Tính đến ngày 15/11/2010, theo Tổng cục Thống kê, cả nước đã thu
hoạch được 1453,4 nghìn ha lúa mùa, bàng 98,6% cùng kỳ năm trước. Trong đó
các địa phương phía Bắc thu hoạch 1137,5 nghìn ha; các địa phương phía Nam
thu hoạch 315,9 nghìn ha. Năng suất lúa Việt Nam cũng vào loại cao nhất vùng
Đông Nam Á, bình quân 5,3 tấn/ha/vụ
Cùng với đó, Hiệp hội Lương thực cũng cho biết kết quả xuất khẩu gạo
của cả nước đén 31/12/2010 đạt 6.754 triệu tấn, kim ngạch xuất khẩu đạt 2.912
tỷ USD. Những con số thống kê trên đã cho thấy phần nào sức ảnh hưởng mạnh

mẽ của ngành trồng lúa với nền kinh tế nước nhà.
Bảng 1: Thống kê diện tích và sản lượng lúa năm 2009
Vùng
Diện tích lúa
( nghìn ha)
Sản lượng lúa
( nghìn tấn)
Cả nước
7440,1
38895,5
Đông băng sông Hông 1155,4
6796,3
Trung du và
miền núi phía Bắc
669,9 3047,1
Băc Trung Bộ và
duyên hải miền Trung
1221,6 6252
Tây Nguyên 213,6
994,3
Đông Nam Bộ 306,7
1322,4
Đông Băng sông Cửu Long
3872,9
20483,4
'
7

y
ịNguôn: Tông cục thông kê)

3
1.2. TỈNH HÌNH SẢN XUẤT BỒNG PHÉ THẢI (39)
Việt nam là một quốc gia mà ngành công nghiệp ngày càng phát triển cao
nói chung và ngành công nghiệp dệt may nói riêng ,Năm 2010, dệt may Việt Nam
đạt kim ngạch xuất khẩu 11,2 tỉ USD và hiện đứng trong nhóm 5 quốc gia có quy
mô xuất khẩu dệt may lớn nhất thế giới. Hiện Việt Nam là nhà xuất khẩu dệt may
đứng thứ hai vào thị trường Mỹ, đứng thứ ba ở thị trường Nhật Bản và thị trường
Châu Âu [37] chính vì thế mà chất thải trong quá trình sản xuất như bông phế
thải, nước thải cũng chiếm một lượng rất lớn.
Bông ở Việt Nam được trồng ở hai vụ:
- Bông vụ mưa gieo tháng 7 thu hoạch vào cuối tháng 11. Bông trồng theo
vụ mưa chiếm đa phần nhưng có nhiều kiểu trồng khác nhau. Bông có thể trồng
riêng trong 1 vụ (ở Bình Thuận) hoặc trồng ở vụ 2 sau vụ cây trồng ngắn ngày
như đậu xanh, đậu tương, ngô và có thể trồng thuần hoặc xen canh với cây
ừồng khác.
- Bông có tưới gieo vào tháng 11 và 12, thu hoạch tháng 3 và 4. Có hai
loại: Bông trồng trên các thửa ruộng nhỏ với hệ thống tưới bằng giếng như ở Phú
Yên, Quảng Nam, Quảng Ngãi; Và bông trồng trên diện tích được tưới bằng các
công trình thủy lợi như ở Bình Thuận.
Ảnh 1: Hình ảnh về bông của nước ta
về diện tích: Nhờ có các tiến bộ kỹ thuật và đổi mới về phương thức quản
lý sản xuất nên sản xuất bông tăng mạnh, cao nhất là niên vụ 2002/03 đạt 32267
ha, vụ 2003/04 diện tích bắt đầu giảm sút, vụ 2006/07 diện tích giảm còn 17300
ha bằng hơn 50% vụ 2002/03 và vụ 2007/08 chỉ còn 7324 ha.
4
v ề năng suất đối với bông nhờ nước mưa do phụ thuộc quá lớn vào thời
tiết nên năng suất bông không ổn định. Trong 7 năm qua suất bông dao động
khoảng 1 0 -1 1 tạ/ha. Trong khi đó suất ngô (cây trồng cạnh tranh chính với
bông) tăng đều đặn mỗi năm 140kg/ha. Theo báo cáo của SOFRECO để cạnh
tranh được, với hai giá ngô và bông trong nông dân tương ứng là 2.700 đồng/kg

và 6000 đồng/kg, năng suất ngô là 4 tấn /ha thì năng suất bông bình quân phải đạt
2.147 kg/ha, một con số khó đạt cho bông vụ mưa.
Đối với bông có tưới: Năng suất bông có tưới trong 7 năm qua tăng liên tục
từ 9,9 tạ trong niên vụ 2001/02 lên 15,01 tạ trong niên vụ 2003/04 và hiện nay đạt
bình quân 20 tạ/ha, nhiều hộ gia đình đạt 3 0 -3 5 tạ/ha.
c- Giá thành bông xơ trong nước
Giá thành lkg xơ trong 3 vụ bông vừa qua của Công ty CP Bông Việt Nam
duy trì ở mức 20.000 đồng/kg xơ, tương đương 1,25 ƯSD/kg, giá này gần với giá
CIF thế giới. So với các vùng khác như Cộng đồng Châu Âu, nhất là Châu Phi thì
đó là giá cạnh tranh. Nhưng giá bông hạt mà các công ty mua cho người trồng
bông không đủ hấp dẫn so với các cây trồng khác, mặc dù giá thành bông hạt của
nông dân chỉ bằng 70% giá mua này.
1.3. PHẾ PHỤ PHẨM SAU THU HOẠCH VÀ ẢNH HƯỞNG CỦA NÓ
ĐÉN MÔI TRƯỜNG
1.3.1. Hiện trạng sử dụng phế phẩm rơm rạ ở Việt Nam
Việt Nam với sản lượng 34-38,9 triệu tấn lúa (2007-2009), thì hằng năm
sẽ có tơi 34-58,4 triệu tấn rơm rạ từ lúa sinh ra. Theo nghiên cứu của tác giả
Nguyễn Đình Hương, thì để có 1 tấn nông sản thì sẽ phát sinh ra lượng phế phụ
phẩm như sau:
j r

-7
? f
Bảng 2: Lượng phê phụ phàm phát sinh đê được 1 tăn nông sản [5]
Tên nông sản
Loại phế phụ phẩm
Khối lượng (kg)
Rơm rạ
4000-6000
Lúa

Cám
150
Trấu
200
Ngô
Thân, lá
2100-2350
Vỏ, lõi, râu băp
500
*

30
— ~ — —
ịNguôn: Nguyên Đình Hương, 2006)
5
Như vậy, theo tác giả Nguyễn Đình Hương thì hàng năm, rơm rạ sinh ra
từ sản xuất lúa ờ nước ta có thể lên tới 136-233,4 triệu tấn.
Bảng 3: Hàm lượng cellulose trong một số nguyên liệu tự nhiên [9]
Nguyên liệu % Cellulose
Bông
- Vỏ hạt
60
- Sợi
91
Gô thông 41
Giây báo
40-Ỉ-80
Rơm
- Lúa mì
30,5

- Lúa m ạch 34
- Kiều mạch
42,8
Vỏ đậu tương
51
Mía
- Cây trưởng thành
42
- Bã
56,6
r p i A A
Thân ngô
36
Rơm rạ chiếm một khối lượng rất lớn trong tổng sinh khối từ phế thải
nông nghiệp ở nước ta. Trước đây, sau khi thu hoạch vụ mùa, rơm rạ được các
hộ nông dân mang về phơi khô sau đó được dùng để đun nấu và sử dụng trong
một số mục đích khác.
Trong chăn nuôi như nuôi lợn, gà, trâu bò, thỏ phế phẩm nông nghiệp
là rơm rạ, trấu, cỏ được dùng làm vật liệu lót chuồng trại, hay làm thức ăn cho
trâu bò, gia súc. Ngoài ra, chúng còn được ủ để tạo thành phân bón cho đồng
ruộng. Một số phế phẩm như trấu có thể dùng để sử dụng trong sản xuất ván ép,
rơm rạ có thể dùng làm chổi quét, dùng để trồng nấm nhằm phát triển kinh tế.
1.3.2.Các phương pháp xử lý phế thải nông nghiệp
Thành phần hữu cơ trong phế thải rơm rạ bao gồm các thành phần chủ
yếu như cellulose, hemicellulose, và lignin. Chúng liên kết chặt chẽ với nhau
bảo vệ thực vật khi chúng còn sống. Tuy nhiên, khi thực vật chết đi, chúng lại
không dễ phân hủy. Cellulose chiếm một tỷ l;ệ lớn trong thành phần
lignocellulose, và là nhóm hợp chất cao phân tử bền vững chỉ bị phân giải dưới
6
tác dụng axit và kiềm đặc hoặc dưới tác dụng của một hệ thống enzyme

cellulase do vi sinh vật sinh ra.
Nhiệm vụ đặt ra cho công nghệ xử lý rơm rạ mà điển hình là phương
pháp ủ rác để sản xuất phân bón hữu cơ là chuyển hóa toàn bộ các thành phần
có trong rác thành các sản phẩm đảm bảo an toàn cho con người và môi trường.
Đẻ làm được điều này cần có sự hỗ trợ đắc lực của vi sinh vật, đặc biệt là tập
đoàn vi sinh vật chịu nhiệt và ưa nhiệt.
Bản chất của phương pháp xử lý rác, rơm rạ bằng phân hủy sinh học là
nhờ hoạt động sổng của vi sinh vật (vi sinh vật có trong rác, vi sinh vật thuần
khiết được bổ sung trong quá trình xử lý). Rác, rơm rạ được phân hủy thành axit
hữu cơ, mùn, tạo nên sinh khối mới của vi sinh vật, các sản phẩm trao đổi chất
và một số khí như CO2, CH4
Có nhiều phương pháp xử lý các chất thải hữu cơ chứa ỉignocellulose
bằng phương pháp vi sinh vật được thực hiện trên thế giới [10,20]. Chúng có thể
xếp vào ba nhóm sau:
- Phương pháp sản xuất khí sinh học từ rác (Biogas)
- Phương pháp chôn rác (Landíill)
- Phương pháp ủ rác (Composting)
Bản chất của phương pháp ủ rác là một quá trình chuyển hóa phức tạp
hydratcacbon, các hợp chất hữu cơ đa nhân chứa clo, kim loại nặng do hàng loạt
các vi sinh vật hiếu khí, kỵ khí không bắt buộc và kỵ khí đảm nhận [19]. Có 2
dạng ủ rác đó là: ủ rác hiếu khí (aerobic composting) và ủ rác kị khí (anaerobic
composting).
Công nghệ ủ rác kỵ khi sinh ra các khí có mùi khó chịu (H2S, NH3,
CH4 ) và nước rác, thường gây ô nhiễm môi trường. Mặt khác tốc độ phân hủy
chậm, vốn đầu tư lớn và sản phẩm tạo thành có chất lượng chưa cao.
Trong phương pháp ủ rác hiếu khí, các chất thải hữu cơ như cellulose,
hemicellulose, lignin, protein, tinh bột, lipit đêu được cuyên hóa tạo thành các
sản phẩm chính là mùn, axit hữu cơ, sinh khối vi sinh vật, nhiệt lượng và khí
C 02, H20 [28].
Đe có được sản phẩm như trên rác thải hữu cơ phải trải qua hàng loạt các

quá trình chuyển hóa do nhiều chủng vi sinh vật chịu nhiệt và ưa nhiệt đảm nhận
7
Trong quá trình phân hủy rác, hoạt động sống của các vi sinh vật làm
nhiệt độ trong các đống ủ tăng dần lên trong một thời gian dài nên các vi sinh
vật gây bệnh bị triệt tiêu. Ngoài ra, các thành phần kim loại nặng có thể được
chuyển hóa từ dạng độc thành dạng không độc bởi một số vi sinh vật. So với
công nghệ xử lý kị khí, quá trình hiếu khí không làm xuất hiện các khi có mùi
và nước rác tích tụ. Do đó công nghệ xử lý hiếu khí có nhiều ưu điểm hơn so
với công nghệ xử lý kị khí.
Các phương pháp xử lý rác ở Việt Nam hiện nay rất đơn giản, chủ yếu
dựa trên hoạt động của các vi sinh vật có sẵn trong rác thải nên thời gian phân
hủy thường kéo dài trên 6 tháng. Thời gian lên men dài như vậy gây nên tình
trạng ô nhiễm hơn, tốn nhiều diện tích và công sức trong xử lý rác. Mặt khác, ở
quy mô công nghiệp trong các đống ủ sinh học, nhiệt độ thường tăng cao nên đa
số các loài vi sinh vật bản địa không thể tồn tại và phát triển.
Đã có nhiều nghiên cứu ở Việt Nam sử dụng vi sinh vật, đặc biệt là các vi
sinh vật chịu nhiệt và ưa nhiệt để phân hủy rác. Ket quả đạt được là khá tốt, đã
rút ngắn được thời gian phân hủy xuống còn 50 ngày.
Một hướng đi tiện lợi, hiệu quả trong việc xử lý phế thải nông nghiệp hữu
cơ đó là việc sản xuất các chế phẩm vi sinh.
• Một số chế phẩm vi sinh trong xử lý phế thải nông nghiệp
- Các chế phẩm vi khuẩn:
+ Chế phẩm nhân nuôi trên môi trường thạch bàng hoặc trên cơ chất
gelatin
+ Chế phẩm vi khuẩn dạng dịch thể
+ Chế phẩm vi khuẩn dạng khô
+ Chế phẩm vi khuản dạng đông khô
+ Chế phẩm dạng bột chất mang
- Chế phẩm nấm
+ Chế phẩm sợi nấm

+ Chế phẩm bào tử
Đe xử lý phế thải nông nghiệp nói chung và rơm rạ nói riêng, việc lựa
chọn phương pháp xử lý với các chủng vi sinh vật là một hướng đi đúng đắn và
cần thiết. Việc tìm ra các chủng vi sinh vật để tạo các chế phẩm vi sinh nhàm
nâng cao hiệu quả và tính tiện lợi hơn trong xử lý phế thải nông nghiệp, rơm rạ.
8
1.4. NGUYÊN LIỆU LIGNOCELLULOSE
Rơm rạ là một dạng vật liệu lignocellulose, vật liệu biomass phổ biến nhất
ữên Trái Đất. Lignocellulose có trong phế phụ phẩm nông nghiệp, chủ yếu ở
dạng phế phẩm của các vụ mùa; trong sản phẩm phụ của công nghiệp sản xuất
bột giất và giấy; có trong các rác thải rắn của thành phố
Thành phần chính của vật liệu lignocellulose là cellulose, hemicellulose,
lignin, các chất trích ly và tro.
1.4.1. Cellulose và cấu trúc
Cellulose là thành phần cơ bản của vách tế bào thực vật và có lẽ là hợp
chất sinh học phong phú nhất trên trái đất, hàng năm được tạo thành với khối
lượng lớn đến mức vượt tất cả các sản phẩm tự nhiên khác.
Trong vách tế bào thực vật, cellulose tồn tại trong mối liên kết chặt chẽ
với các polysaccarit khác. Hàm lượng cellulose trong xác thực vật thường thay
đổi trong khoảng 50-80%, trong giấy là 61%, trong trấu là 31%, trong bã mía là
46% (tính theo trọng lượng khô). Trong sợi bông hàm lượng này vượt trên 90%.
về cấu trúc hóa học, cellulose là một polymer mạch thẳng (polyalcohol)
gồm các phân tử anhydroglucose nối với nhau bàng liên kết p - 1,4 glucozit.
Tuy nhiên trong chuỗi glucan đơn vị lặp lại không phải glucose mà là
cellobiose. Mỗi phân tử glucose có dạng ghế bành, phân tử này quay 180° so với
phân tử kia, vị trí của các nhóm hydroxyl đều ở mặt phẳng ngang của phân tử
(hình 1).
■ H
lì H
Hình 1. Cấu trúc Cellulose

Cellulose có cấu trúc sợi song song, các chuỗi cellulose gắn với nhau nhờ
mạng lưới liên kết hydro, còn các lớp gắn với nhau bằng lực Vandervan.
Trong tự nhiên, các chuỗi glucan của cellulose có cấu trúc dạng sợi, đơn
vị sợi nhỏ nhất cỏ đường kính khoảng 3nm. Các sợi sơ cấp hợp lại thành vi sợi
có đường kính từ 10-40nm, những vi sợi này hợp thành bó sợi to có thể quan sát
9
dưới kính hiển vi quang học. Toàn bộ vỏ sợi có một lớp vỏ hemicellulose và
lignin rắn chắc bao bọc bên ngoài {25}
Cellulose là hợp chất phức tạp và bền vững, không tan trong nước và
trong nhiều dung môi hữu cơ, các dung dịch kiềm loãng cũng không tác dụng,
chỉ bị thủy phân khi đun nóng với axit và kiềm.
Liên kết glucozit không bền với axit, dưới tác dụng của axit cellulose tạo
thành các sản phẩm thủy phân không hòa tan, có độ bền cơ học kém hơn,
cellulose khi thủy phân hoàn toàn sẽ thu được sản phẩm cuối cùng là đường hòa
tan D-glucose.
Dung dịch kiềm làm trương phồng mạch cellulose và hòa tan một phần
các cellulose phân tử nhỏ. Trong khi đó ở điều kiện bình thường một số vi sinh
vật có thể thủy phân cellulose thành đường đơn. {1 }
Theo Heicheln {20} sinh khối thực vật của trái đất là 1x8.1012 tấn, trong
đó cellulose chiếm 40%. Do vậy, tổng lượng cellulose của toàn thế giới là
7,2.1010 tấn, còn lượng cellulose tạo thành hàng năm là 4.1010 tấn.
Khối lượng cellulose khổng lồ rất giàu năng lượng này nằm ở dạng thô,
chủ yếu trong các nguồn sau:
- Các phế liệu nông nghiệp: rơm rạ, lá cây, cuống lá, vỏ lạc, trấu, cám, bã
mía, lõi và thân ngô
- Các phế liệu công nghiệp thực phẩm: vỏ và xơ quả, bã cà phê, bã rau, bã
khoai sắn
- Các phế liệu công nghiệp gỗ: rễ cây, gỗ vụn mùn cưa
- Các chất thải của gia đình và đô thị: giấy loại, rác
Việc thủy phân cellulose bằng phương pháp hóa học hay sinh học vừa có

ý nghĩa về mặt tuần hoàn vật chất, vừa có ý nghĩa về mặt kinh tế. Phương pháp
hóa học đòi hỏi những trang thiết bị rất tốn kém mà lại khó thu được sản phẩm
tinh khiết, vì vậy hiệu quả kinh thế thấp.
Trong khi đó vi sinh vật tăng trưởng nhanh, nuôi cấy dễ, quá trình chiết
rút enzyme đơn giản, enzyme có đặc tính hiệu cao nên có thể thu được sản phẩm
tinh khiết, dưới điều kiện nhiệt độ và áp suất thường.
Khai thác năng lượng mặt trời tích lũy tiềm năng trong cellulose là hướng
quyết định để giải quyết cơ bản cuộc khủng hoảng năng lượng hiện nay trên thế
giới, cả năng lượng cho con người là protein cũng như năng lượng cho công
nghiệp là nhiên liệu.
10
Theo hướng này, trước hết cellulose phải được thủy phân thành glucose,
rồi từ glucose tào thành nguồn thức ăn cho người và gia súc (protein đơn bào)
hoặc lên men tạo thành các dung môi, chất dẻo và ethanol. [9,16,25 ]
Việc sử dụng các cơ chất cellulose tự nhiên sẽ trở nên đơn giản và thuận
lợi hơn rất nhiều nếu chúng được xử lý trước khi lên men. Để làm trương
cellulose có thể dùng cách xử lý cơ học, hóa học hay xử lý học hợp lý, ví dụ xử
lý siêu âm (bức xạ) cũng như dùng axit và nồng độ kiềm ở nhiệt độ cao. Việc
tìm ra biện pháp thích hợp và rẻ tiền là rất quan trọng, sự loại bỏ hoặc biến đổi
lignin cũng phụ thuộc vào đó.
Hình 2. Các sản phẩm lên men từ Cellulose
Hiện nay, tính chât phức tạp và chi phí cao cho các cách xử lý này đang là
một trong những yếu tổ cơ bản đối với vấn đề khai thác cellulose cũng như sử
dụng cellulose ờ quy mô công nghiệp.
1.4.2. Cơ chế thủy phân Cellulose
Trong tự nhiên, nhiều loài vi sinh vật, đặc biệt là nấm mốc phân giải
Cellulose rất mạnh nhờ tiết ra xenlulaza ngoại bào. Nấm Trichodermareesei có
thể phân giải 48% Cellulose trong 10 ngày lên men nguyên liệu lingo -
Cellulose. Nấm Phnerochaete chrysosporium phân giải 69% Cellulose tự nhiên
trong 28 ngày (13). Khả năng thủy phân Cellulose bởi vi sinh vật cũng khác

nhau. Nhiều loại vi sinh vật khác có khả năng thủy phân hoàn toàn Cellulose
11
thành các xenlo - saccarit. Để thủy phân hoàn toàn Cellulose, vi sinh vật phải có
3 enzyme sau:
- Exo — p — 1 — 4D glucanaza ( hay 1,4 - |3 - D - glucan4 - glucanohydrolaza)
(EC 3.2.1.4). Enzyme này thủy phân các Cellulose vô định hình hoặc Cellulose
đã biến tính như Cacboxylmethylcelluloza (CMC).
- Exo - p - 1 - 4 glucanaza ( hay exocellobbiohydrolaza) (EC 3.2.1.91) tấn công
lên Cellulose kết tinh vô định hình các xenlo - saccarit từ các đầu không thử của
chuỗi Cellulose. Exo-glucanaza tác động rất yếu lên các Cellulose biến tính như
CMC.HEC ( hydroxyl etyl celluloza).
- p — 1 — 4 glucanaza ( hay xenlobiaza) (EC 3.2.1.21), thủy phân các xenlobiaza
và xenlo - saccarit mạch ngắn. Glucoza là sản phẩm thủy phân duy nhất của
enzyme này.
Cơ chế thủy phân Cellulose:
Theo King (2 3 )và Reese, ( 28) ngoài 3 enzyme trên, còn có C[ là “tiền
nhân tố thủy phân” có tác dụng làm trương nở Cellulose tự nhiên làm cho phân
từ trở nên hoạt động. Cơ chế tác động của Ci chưa rõ ràng. Một số tác giả cho là
Ci không phải enzyme thủy phân, mà chỉ cắt các liên kết hydro giữa các chuỗi
Cellulose và làm thay đổi cấu trúc vật lý. Chuỗi Cellulose hoạt động sẽ bị phân
cắt bởi endo- và exo-glucanaza thành các xenlo-oligosacarit tạo cơ chất cho
xenlobiaza thủy phân tiếp thành đường glucoza. (hình 3)
Hình 3: Cơ chế thủy phân Cellulose theo King (1969) và Reese (1952)
1.4.3. Đặc điểm của hemỉCelluỉose
HemiCellulose cũng là một polysaccarit thường gặp ở vách tế bào thực
vật với khối lượng lớn. HemiCellulose có mức độ trùng hợp nhỏ hom nhiều so
12
với Cellulose, thường gồm 150 gốc đường. HemiCellulose có nhiều loại khác
nhau và được gọi tên theo loại đường chiếm ưu thế. Ví dụ xylan là
hemiCellulose mà thành phần chủ yếu là đường xyloza, mannan la

hemiCellulose mà đương manoza chiếm nhiều nhất. Khác với Cellulose, khác
như metylglucoza, axit uronic, các nhóm axetyl. (29) Trong các số
hemiCellulose xylan là phổ biến ở thực vật hơn cả
Trong phân tử xylan , các đon phân xyloza lien kết với nhau nhờ lien kết
- Ị3-D 1-4 xylo pyranosyl tạo thành mạch nhánh. Ngoài ra còn các phân tử
nhánh bên như Arabinoza, glucoza, axit uronic, Ở thực vật gồ cứng , xylan
thường chiếm 15-30% trọng lượng thô.
Các hemiCellulose nói chung có cấu trúc không chặt, chúng dễ bị tan
trong các dung dịch kiềm hoặc axit loãng, nhiều vi sinh vật có thể dễ dàng phân
hủy xylan.
1.4.4. Cơ chế thủy phân hemiCellulose
Xylan rất phổ biến trong tự nhiên, So với Cellulose xylan dễ bị vi sinh vật
đồng hóa hom. Nhiều loại vi sinh vật có thể phân giải đồng thời Cellulose và
xylan. Hệ enzymes phân giải xylan gọi là xylanaza, các enzymes này bao gồm:
+ Endo 1-4- |3-D xylanaza (EC3,2,1,8)
+ Ị3-D zylanosidaza (EC3.2.1.37)
Ngoài ra còn các enzymes khác tham gia thủy phân mạch nhánh xylan
như lazabinosidaza,- D-glucuronidaza,'Dglactosidaza. (29)
Endo 1-4- P-D xylanaza thủy phân xylan thành các đoạn ngắn chủ yếu là
xylosidaza sẽ tiếp tục thủy phân các đoạn ngắn này thành đường đơn xyloza.
1.4.5. Đặc điểm của lignỉn
Lignin là một thành phần đặc biệt của thực vật thường tập trung ở các mô
hóa gỗ. Lignin có vai trò như chất liên kết tế bào, tăng độ bền cơ học, chống
thấm nước qua vách tế bào của cây. Lignin được trùng họp bởi 3 loại rượu đơn
chủ yếu có gốc phenilpropan đó là: trans-para coumaryl, trans-coniphenil và
trans-synapyl. (19) Tùy theo loại cây mà tỷ lệ 3 thành phần cacboxyl, cacbonyl,
mthoxil .có khác nhau. Ba loại rượu trên được trùng hợp với nhau nhờ mối liên
kết C-C (bao gồm liên kết biphenyl, alkylaryl), các liên kết ete (24), trong đó
liên kết ete B-0-4 lignol(arylglycerol-B ether) là rất bền vững và chiếm 50-60%
các liên kết giữa gốc phenylpropan(19).

13
Lignin là chất rất bền, không tan trong nước và chất hữu cơ thông thường,
tan trong các dung dịch kiềm nóng, etanol, butanol, axit gormic
Một số tác nhân oxy hóa như nitrobenzene, các ion kim loại nặng Ag20,
CuO trong dung dich kiềm ôxy hóa lignin thành các phân tử nhỏ hơn như
vanillin, syring andehit, p-hydroxylbenzaldehit
Trong tự nhiên, lignin cũng bị một số vi sinh vật đặc biệt là các nấm mục
trắng phân giải. Nấm phanerochaete chrysosprorium phân giải được 60%
lignin.
1.4.6. Cơ chế phân giải lỉgnỉn
Theo christman và oglesby), enzymes phenoloxylaza rất phô biến ở các
nấm mục trắng, có vai trò quan trọng trong phân giải lignin. v ề sau các enzymes
này đã được nghiên cứu sâu và người ta đã tách được enzymes thành các thành
phần riêng rẽ, xác định được vai trò của chúng trong quá trinh phân giải lignin.
Có 3 enzymes chính và phổ biến sau:
-Lignin peroxidaza (EC 1.11.1.14)
- Mangan peroxidaza (EC 1.11.1.13)
- Laccaza ( EC 1.10.3.2)
Trong 3 enzyme trên, lignin perosidaza có chứa năng quan trọng và được
nghiên cứu nhiều vì chúng có khả năng phân giải mạnh cấu trúc p-D-4 lignol, là
liên kết rất bền vững giữa các phân tử, và chiếm 50-60% trong phân tử lignin
(22). Sản phẩm phân giải của lignin là các dẫn xuất phenol như vanillin, syring
andehit, axit varatric
Hai enzyme sau là mangan perosidaza và laccaza ít được chú ý, có lẽ là
không có vai ưò lớn trong phân giải lignin, Jensen và ctv (21) cho là 2 enzymes
này chỉ ôxy hóa các liên kết còn lại và không bền trong phân tử lignin, hoặc
chúng tham gia ôxy hóa các mạch bến của các gốc phenol, chuyển hóa giữa các
dẫn xuất. Tuy nhiên, ở nấm có enzyme mangan peroxidaza cũng ôxy hóa được
các liên kết giữa các cấu trúc. (3-D-4 -lignol, nhưng cần phải có một enzyme
khác phụ trợ

1.5. VI SINH VẶT PHÂN GIẢI CELLULOSE (3,11)
Trong tự nhiên có nhiều nhóm vi sinh vật có khả năng phân hủy Cellulose
nhờ có hệ enzyme xenlulaza, bao gồm: xạ khuẩn, vi khuẩn và nấm. Có khả năng
14
này, chính là do chúng có khả năng tổng họp phức hệ enzymes cellulase. Sự
phân giải cellulose xảy ra theo hai hướng là sự phân giải kị khí (không có sự
góp mặt của oxi) và sự phân giải cellulose hiểu khí (có mặt của oxi).
Tuy nhiên trong tự nhiên không có một vi sinh vật nào có khả năng cùng
một lúc sinh tổng hợp tất cả các loại enzyme trong phức hệ enzymes cellulase
mà chúng thay phiên nhau phân hủy cellulose đến sản phẩm cuối cùng là
glucose.
1.5.1. Xạ khuẩn
Là một nhóm vi khuẩn đặc biệt, tế bào có kích thước nhỏ như vi khuẩn
nhưng đặc trưng bởi sự phân nhánh, đa số sống trong đất, gram (+) và hiếu khí.
Dựa vào đặc điểm về nhiệt độ sinh trưởng, người ta chia xạ khuẩn thành 2 dạng
+ Xạ khuẩn ưa ấm, phát triển tốt ở nhiệt độ 25 - 37°c
+ Xạ khuẩn ưa nhiệt, phát triển tốt ở nhiệt độ 45 - 70°c
Xạ khuẩn có mặt quanh năm trong tất cả các loại đất. số lượng xạ khuẩn
phụ thuộc vào loại đất và tính chất đất, Cellulose của xạ khuẩn là enzyme ngoại
bào , Xạ khuẩn có một vai trò quan trọng trong quá trình phân hủy Cellulose nói
riêng và rác thải nói chung bởi các chủng này đa số là các chủng chịu nhiệt, có
khả năng sinh bào tử khi gặp điều kiện môi trường khắc nhiệt.
Mặt khác, đa số các chủng xạ khuẩn đều có hoạt tính kháng sinh. Vì vậy,
khi tham gia vào quá trình ủ rác sẽ tạo ra một sản phẩm phân bón sinh học có
khả năng ức chế sự phát triển của các vi sinh vật gây bện khác.
Trong các loại vi sinh vật phân giải Cellulose kể trên thì xạ khuẩn đang là
mối quan tâm rất lớn vì đặc điểm phân bố rộng rãi trong tự nhiên (đất, nước,
trong các hợp chất hữu cơ ). Xạ khuẩn có nhiều nét giống vi khuẩn và nấm
mốc nên người ta coi nó là dạng trung gian giữa hai loài vi sinh vật này.
Dựa vào điểm đặc trưng của xạ khuẩn và một số yéu tố khác mà người ta

có thể nhận biết được xạ khuẩn; hình thái xạ khuẩn. Đặc điểm hình thái là
những dấu hiệu quan trọng để xác định loài xạ khuẩn có dạng sợi. Trong quá
trình ủ rác bằng biện pháp lên men hiếu khí, cần phải tuyển chọn và nghiên cứu
những chủng xạ khuẩn ưa nhiệt vì nhiệt độ đống ủ thường tăng cao.
Theo Luginova, 1973 đã nghiên cứu các chủng xạ khuẩn ưa nhiệt như:
Streptomyces fradiac sống ở 40°c, Actinomyces buccalis ở 45°c. Bên cạnh đó ở
15
nhiệt độ cao hơn một số loài xạ khuẩn cũng sinh trưởng phát triển được như:
Micromonospora thermlntea tới 55 - 60°c, Thermonospora tới 75°c.
1.5.2. Vi khuẩn
Từ thế kỷ 19 các nhà khoa học đã nghiên cứu và nhận thấy một sổ vi sinh
vật kỵ khí có khả năng phân giải Cellulose. Những năm đâu thê kỷ 20 người ta
phân lập được các vi khuẩn hiếu khí cũng có khả năng này.
Trong các vi khuẩn hiếu khí phân giải Cellulose, niêm vi khuấn là quan
trọng nhất, chúng thường có hình que nhỏ, hơi uốn cong, có thành tế bào mỏng,
bắt màu thuốc nhuộm kém. Niêm vi khuẩn nhận được năng lượng khi oxy hóa
các sản phẩm của quá trình phân giải Cellulose thành C 0 2 và H20.
Trong điều kiện kỵ khí, các loài vi khuẩn ưa ấm hay ưa nhiệt thuộc giống
Clostridium tiến hành phân giải Cellulose, chúng phát triển yếu trên môi
trường chứa đường.
1.5.3. Nấm
Nấm sợi phân giải Cellulose mạnh hơn vi khuẩn vì chúng tiết vào môi
trường lượng enzyme ngoại bào nhiều hơn vi khuẩn. Vi khuẩn tiết vào môi
trường phức hệ Cellulose không hoàn chỉnh chỉ thủy phân được cơ chất đã cải
thiện như giấy lọc và CMC. Còn nấm tiết hệ Cellulose hoàn chỉnh nên có thể
thủy phân Cellulose hoàn toàn. Thông thường enzyme cellulase được tổng hợp
mạnh khi đã bắt đầu tạo bào tử và chúng thường xuất hiện ở những khuẩn ty.
Nấm có thể phát triển ở pH = 3,5 đến 6,6, Các loại nấm phân hủy mạnh
cellulose: Trichoderma, Aspergillus, Altemamia, Chaetomium, Coprinus,
Fomes, Fusarium, Mỷothecium, Penicillium, Polypones, Rhzoctonia, Rhizopus,

Tricoderma
Tóm lại, những nhóm vi sinh vật tham gia quá trình chuyển hóa các hợp
chất cacbon đã góp phần khép kín vòng tuần hoàn vật chất, đảm bảo cân bằng
vật chất trong tự nhiên. Sự phân bố rộng rãi của nhóm vi sinh vật chuyển hóa
các hợp chất cacbon còn góp phần làm sạch môi trường, tái sử dụng chất thải
hữu cơ thành nguồn thực phẩm có giá trị, từ đó giữ được sự cân bàng sinh thái
trong các môi trường tự nhiên
16
1.6. ENZYME PHÂN GIẢI CELLULOSE
1.6.1.Khái niệm về cellulase
Sự phân giải cellulose trong tự nhiên là một quá trình phức tạp đòi hỏi sự
tham gia phối hợp của nhiều enzyme khác nhau.
Cellulase là nhóm enzyme thủy phân có khả năng cắt mối liên kết [3-1,4-
O-glucoside trong phân tử cellulose và một số cơ chất tương tự khác. Đó là một
phức hệ gồm nhiều loại enzyme khác nhau và đũợc xép thành 3 nhóm cơ bản:
- endo-(3-l,4-glucanase hay carboxymethyl cellulase (CMCase) (EC
3.2.1.4) còn gọi là cellulase (Cx). Enzyme này tác động thuỷ phân lên
các liên kết phía trong mạch cellulose một cách tuỳ tiện làm trương
phồng cellulose, dẫn đến làm giảm nhanh chiều dài mạch và tăng chậm
các nhóm khử. Enzyme này hoạt động mạnh ở vùng vô định hình nhưng
lại hoạt động yéu ở vùng két tinh của cellulose.
- exo-ị3-l,4-glucanase hay cellobiohydrolase (EC 3.2.1.91) (Cl). Enzyme
này giải phóng cellobiose hoặc glucose từ đầu không khử của cellulose.
Enzyme này tác động yếu lên vùng vô định hình ở phía bên trong của
mạch, nhưng tác động mạnh lên mạch bên ngoài của cellulose kết tinh
hoặc cellulose đã bị phân giải một phần. Hai enzyme Exo và Endo-
glucanase có tác dụng hiệp đồng cho hiệu quả rõ rệt
- p-glucosidase hay p-D-glucoside glucohydrolase (EC 3.2.1.21). Enzyme
này thuỷ phân cellobiose và các cellodextrin hoà tan, chúng có hoạt tính
thấp và giảm khi chiều dài của mạch cellulose tăng lên. Tuỳ theo vị trí

mà p - glucosidase được coi là nội bào, ngoại bào hoặc liên kết với thành
tể bào. Chức năng của Ị3 - glucosidase có lẽ là điều chỉnh sự tích luỹ các
chất cảm ứng của cellulase [13], [16]
- Mỗi loại enzyme tham gia thủy phân cơ chất theo một cơ chế nhất định và
- nhờ có sự phối họp hoạt động của các enzyme đó mà phân tử cơ chất
được thủy phân hoàn toàn tạo thành các sản phẩm đơn giản nhất.
- Trong tự nhiên cellulase có mặt trong hầu hết các vi sinh vật bao gồm cả
vi khuẩn, xạ khuẩn và nấm
! OAI HỌC QUỐC GIA HA NOl
TRỤNG TÁM THÔNG TIN THU VIỆN
0 0 0 6 0 0 0 0 0 $ % .
1.6.2.CƠ chế thủy phân ceỉlulose
Mỗi dạng enzyme trong phức hệ cellulase tham gia thủy phân phân tử cơ
chất theo một cơ chế riêng. Tuy nhiên, những enzyme này thường phối hợp hoạt
động để thủy phân hoàn toàn phân tử cơ chất thành sản phẩm đơn giản nhất là
glucose.
Endo-[3-l,4-glucanase tham gia thuỷ phân các liên kết (3-1,4 glucoside ở
bên trong các phân tử cellulose và một số loại polysaccharide tương tự khác.
Sản phẩm phân cắt là các oligosaccharide. Exoglucanase thủy phân các liên kết
ở đầu khử và đầu không khử của phân tử cơ chất, giải phóng các
oligosaccharide, cellobiose và glucose. P-Glucosidase thủy phân các phân tử
cellodextrin và cellobiose tạo thành các phân tử glucose
[20
1.6.3.Các yếu tố chính ảnh hưởng đến hoạt động của enzyme
1.6.3.1. Ảnh hưởng của nhiệt độ
Ở các nhiệt độ khác nhau, hoạt độ enzyme cũng khác nhau. Nhiệt độ ứng
với hoạt độ enzyme cao nhất gọi là nhiệt độ tối ưu của enzyme (tọ t). Môi
enzyme có nhiệt độ tối ưu khác nhau. Tuy nhiên top, của mỗi enzyme không cố
định mà có thể thay đổi tuỳ cơ chất, pH môi trường, thời gian phản ứng. Nhiệt
độ mà enzyme mất hoàn toàn hoạt tính xúc tác gọi là nhiệt độ tới hạn, thường

vào khoảng trên 70°c. ở nhiệt độ tới hạn enzyme bị biến tính, ít có khả năng hồi
phục được hoạt độ. Ngược lại ở nhiệt độ dưới 0°c, hoạt độ enzyme tuy bị giảm
nhưng lại có thể tăng lên khi đưa về nhiệt độ bình thường. (7)
18