Nghiên cứu diễn thế sinh thái và đặc điểm sinh học của vi sinh vật tham gia quá trình chuyển hóa rơm rạ thành mùn hữu cơ

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƢỜNG ĐẠI HỌC SƢ PHẠM HÀ NỘI 2



PHẠM THỊ THANH NHÀN




NGHIÊN CỨU DIỄN THẾ SINH THÁI
VÀ ĐẶC ĐIỂM SINH HỌC CỦA VI SINH VẬT
THAM GIA QUÁ TRÌNH CHUYỂN HÓA
RƠM RẠ THÀNH MÙN HỮU CƠ

Chuyên ngành: Sinh thái học
Mã số: 60 42 01 20

LUẬN VĂN THẠC SĨ SINH HỌC

Ngƣời hƣớng dẫn khoa học: TS. Trần Thị Thúy



HÀ NỘI, 2014


LỜI CẢM ƠN

Trong thời gian thực hiện đề tài, em đã nhận đƣợc nhiều sự giúp đỡ, chỉ bảo
và đóng góp ý kiến quý báu từ các thầy cô giáo, gia đình, bạn bè và đồng nghiệp.
Em xin bày tỏ lòng kính trọng và biết ơn sâu sắc tới TS. Trần Thị Thúy,
ngƣời trực tiếp hƣớng dẫn, chỉ bảo tận tình và đồng hành giúp đỡ em trong suốt
quá trình học tập và nghiên cứu đề tài.
Em xin chân thành cảm ơn Ban giám hiệu trƣờng Đại học Sƣ phạm Hà Nội
2, trƣờng Đại học Sƣ phạm Hà Nội. Em xin gửi lời cảm ơn sâu sắc tới các thầy, cô
giáo trong Bộ môn Vi sinh, khoa Sinh học - Kĩ thuật nông nghiệp, trƣờng Đại học
Sƣ phạm Hà Nội 2 và Bộ môn Công nghệ Sinh học - Vi sinh, khoa Sinh học, trƣờng
Đại học Sƣ phạm Hà Nội đã quan tâm, tạo điều kiện và giúp đỡ em trong suốt thời
gian học tập, nghiên cứu và hoàn thành đề tài này.
Em xin cảm ơn tất cả các anh, chị và các bạn đang nghiên cứu, học tập tại
phòng thí nghiệm Bộ môn Vi sinh, khoa Sinh học - Kĩ thuật nông nghiệp, trƣờng
Đại học Sƣ phạm Hà Nội 2 và Bộ môn Công nghệ Sinh học – Vi sinh, trƣờng Đại
học Sƣ phạm Hà Nội đã giúp đỡ và có ý kiến đóng góp cho em trong thời gian qua.
Em xin đƣợc bày tỏ lòng biết ơn và yêu thƣơng tới gia đình, bạn bè và đồng
nghiệp đã luôn động viên, khích lệ và tạo mọi điều kiện cho em trong quá trình thực
hiện đề tài.
Trong quá trình thực hiện không thể tránh khỏi những thiếu sót, em kính
mong thầy cô giáo và các bạn đóng góp ý kiến để đề tài đƣợc hoàn thiện hơn.
Em xin chân thành cảm ơn!
Hà Nội, tháng 11 năm 2014
Học viên


Phạm Thị Thanh Nhàn


LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan rằng số liệu và kết quả nghiên cứu trong luận văn này
là trung thực và không trùng lặp với các đề tài khác. Tôi cũng xin cam đoan
rằng mọi sự giúp đỡ cho việc thực hiện luận văn này đã đƣợc cảm ơn và các
thông tin trích dẫn trong luận văn đã đƣợc chỉ rõ nguồn gốc.
Tác giả


Phạm Thị Thanh Nhàn


MỤC LỤC
LỜI CẢM ƠN
LỜI CAM ĐOAN
MỤC LỤC
DANH CÁC TỪ VIẾT TẮT
DANH MỤC BẢNG
MỞ ĐẦU 1
1. Lí do chọn đề tài 1
2. Đối tƣợng nghiên cứu 2
3. Mục tiêu nghiên cứu 2
4. Nội dung nghiên cứu 3
5. Những đóng góp của đề tài 3
CHƢƠNG 1: TỔNG QUAN TÀI LIỆU 4
1.1. Tổng quan về rơm rạ 4
1.1.1. Phụ phẩm rơm rạ trong sản xuất lúa gạo 4
1.1.2. Hiện trạng sử dụng rơm rạ trên thế giới và ở Việt Nam 10
1.2. Tổng quan về vi sinh vật có khả năng phân giải rơm rạ 13
CHƢƠNG 2: VẬT LIỆU VÀ PHƢƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 18
2.1. Vật liệu 18
2.1.1. Vi sinh vật 18

2.1.2. Môi trƣờng nghiên cứu và hóa chất 18
2.1.3. Thuốc thử 19
2.1.4. Thiết bị 19
2.2. Phƣơng pháp nghiên cứu 19
2.2.1. Lấy mẫu 19
2.2.2. Phƣơng pháp vi sinh vật 19
2.2.3. Phƣơng pháp xác định độ ẩm tuyệt đối của rơm rạ 28


2.2.4. Phƣơng pháp toán học thống kê và xử lý số liệu 28
CHƢƠNG 3: KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 29
3.1. Diễn thế sinh thái của vi sinh vật trong quá trình mùn hóa tự nhiên
của rơm rạ 29
3.1.1. Đặc điểm trạng thái của rơm rạ trong quá trình mùn hóa 29
3.1.2. Sự thay đổi nhiêt độ của các khối ủ mùa hè và mùa đông 34
3.1.3. Sự giảm khối lƣợng của các khối ủ mùa hè và mùa đông 36
3.2. Vi sinh vật đất phân lập đƣợc từ quá trình mùn hóa tự nhiên của
rơm rạ 39
3.3. Tuyển chọn các chủng vi sinh vật đất có hoạt tính enzyme ngoại
bào phân giải lignin, cellulose và hemicelluloses 42
3.4. Mô tả một số đặc điểm sinh học của 05 chủng vi sinh vật có hoạt
tính enzyme ngoại bào điển hình 44
3.4.1. Hình thái khuẩn lạc và hiển vi của ba chủng vi khuẩn điển
hình 45
3.4.2. Hình thái khuẩn lạc và hiển vi của hai chủng xạ khuẩn điển
hình 49
3.4.3. Nghiên cứu tính đối kháng của các chủng VSV tuyển chọn 51
3.5. Đánh giá khả năng phân giải rơm rạ của một số chủng vi sinh vật
tuyển chọn 54
KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ

TÀI LIỆU THAM KHẢO
PHỤ LỤC


DANH CÁC TỪ VIẾT TẮT

1. BG : Bột giấy
2. CMC : Cacboxyl Methyl Cellulose
3. dd : dung dịch
4. g : gram
5. KL : khuẩn lạc
6. NM : Nấm mốc
7. RBBR : Remazol Brilliant Blue R
8. VK : Vi khuẩn
9. VSV : Vi sinh vật
10. XK : xạ khuẩn


DANH MỤC BẢNG
Bảng 2. 1. Môi trƣờng phân lập và nuôi cấy VSV 18
Bảng 2. 2. Thành phần môi trƣờng thử hoạt tính enzyme ngoại bào 18
Bảng 2. 3. Các khối ủ và tỉ lệ thành phần phối trộn trong khối ủ 20
Bảng 2. 4. Vi sinh vật bổ sung vào cơ chất rơm rạ 27

Bảng 3. 1. Sự thay đổi trạng thái rơm rạ trong các khối ủ vào mùa hè 30
Bảng 3. 2. Sự thay đổi trạng thái rơm rạ trong các khối ủ vào mùa đông 32
Bảng 3. 3. Sự thay đổi độ mủn của rơm rạ trong các khối ủ 34
Bảng 3. 4. Vi sinh vật phân lập đƣợc trong 5 đợt phân lập các mẫu của khối ủ
mùa hè (U
1

và U
2
) 40
Bảng 3. 5. Vi sinh vật phân lập đƣợc trong 5 đợt phân lập các mẫu của khối ủ
mùa đông (Đ
1
và Đ
2
) 40
Bảng 3. 6. Hoạt tính enzyme ngoại bào của các chủng vi sinh vật phân lập
đƣợc từ các khối ủ 42
Bảng 3. 7. Hoạt tính của 05 chủng vi sinh vật có hoạt tính enzyme ngoại bào
mạnh nhất 43
Bảng 3. 8. Một số đặc điểm hình thái của 3 chủng vi khuẩn có hoạt tính
enzyme ngoại bào mạnh 45
Bảng 3. 9. Một số đặc điểm hình thái của 2 chủng xạ khuẩn có hoạt tính
enzyme ngoại bào mạnh 49
Bảng 3. 10. Thành phần C và N trong rơm rạ khô (%) 54



DANH MỤC HÌNH
Hình 1. 1. Sản lƣợng và diện tích gieo trồng lúa thế giới 4
Hình 1. 2. Cấu trúc lập thể của cellulose 6
Hình 1. 3. Cấu trúc của hemicelluloses 8
Hình 1. 4. Các đơn vị cơ bản của lignin 9
Hình 1. 5. Cấu trúc lignin 10
Hình 3. 1. Rơm rạ đƣợc ủ trong thùng xốp 29
Hình 3. 2. Biến thiên nhiệt độ của khối ủ U
1

và U
2
35
Hình 3. 3. Biến thiên nhiệt độ của khối ủ Đ
1
và Đ
2
36
Hình 3. 4. Biến thiên khối lƣợng của khối ủ U
1
và U
2
trong 10 tuần 37
Hình 3. 5. Biến thiên khối lƣợng của khối ủ Đ
1
và Đ
2
trong 10 tuần 37
Hình 3. 6. Các khuẩn lạc vi sinh vật trên đĩa Petri phân lập mẫu từ khối ủ U
2

(đợt phân lập IV trên môi trƣờng MPA) 41
Hình 3. 7. Hoạt tính enzyme ngoại bào của một số chủng vi sinh vật phân lập
đƣợc từ các khối ủ rơm rạ 44
Hình 3. 8. Hình thái khuẩn lạc (A, B) và tế bào với độ phóng đại 800x (C, D)
của chủng IUv2.8.1. 47
Hình 3. 9. Hình thái khuẩn lạc (A, B) và tế bào với độ phóng đại 800x(C, D)
của chủng IUv2.23 47
Hình 3. 10. Hình thái khuẩn lạc (A, B) và tế bào với độ phóng đại 800x (C)
của chủng IIUv1.22 48

Hình 3. 11. Hình thái khuẩn lạc (A, B,C) và tế bào với độ phóng đại 800x (D,
E) của chủng xạ khuẩn IIUx1.13.2 51
Hình 3.12. Hình thái khuẩn lạc (A), tế bào với độ phóng đại 400x (B), Làm
đổi màu cơ chất Gause I (C), hệ sợi và bào tử mọc kín hộp thạch (D) của
chủng VUn1.51 52
Hình 3. 13. Kết quả kiểm tra tính đối kháng của các chủng vi sinh vật tuyển
chọn 53
Hình 3. 14. Thử nghiệm khả năng phân giải rơm rạ của các chủng vi sinh vật
tuyển chọn 54
1

MỞ ĐẦU
1. Lí do chọn đề tài
Việt Nam là một nƣớc nông nghiệp, trong đó, sản xuất lúa gạo chiếm tỷ
trọng lớn. Cây lúa là cây lƣơng thực chính trong mục tiêu phát triển nông
nghiệp của Việt Nam nhằm đảm bảo vững chắc an ninh lƣơng thực quốc gia
và xuất khẩu. Hiện nay, ở Việt Nam, sản lƣợng lúa trung bình hàng năm
khoảng 38 - 40 triệu tấn trên diện tích gieo trồng khoảng 7,44 triệu hecta. Hai
vùng trồng lúa trọng điểm của cả nƣớc là đồng bằng sông Cửu Long và đồng
bằng sông Hồng. Nông dân Việt Nam có tập quán canh tác lúa nƣớc từ hai
đến ba vụ trong năm. Trung bình một tấn lúa gạo cho ra 1 - 1,2 tấn rơm rạ.
Với sản lƣợng lúa hiện nay, ƣớc tính lƣợng rơm rạ thải ra có thể lên đến 40 -
46 triệu tấn/năm [20].
Việc xử lý rơm rạ - một dạng phế phụ phẩm nông nghiệp sau mỗi vụ thu
hoạch lúa - trên thực tế chƣa đem lại hiệu quả. Trƣớc đây, chất lƣợng đời sống
của nông dân còn thấp, rơm rạ đƣợc dùng làm vật liệu đun nấu trong sinh hoạt,
làm thức ăn cho gia súc. Hiện nay, khi chất lƣợng cuộc sống của ngƣời dân
đƣợc nâng cao, khí đốt (gas) đƣợc dùng để đun nấu, thức ăn tổng hợp đƣợc sử
dụng phổ biến cho chăn nuôi, do đó, việc xử lý rơm rạ sau thu hoạch đã trở
thành vấn đề cấp bách của xã hội. Vấn đề này còn trở nên nghiêm trọng hơn

khi nhận thức của ngƣời nông dân về bảo vệ môi trƣờng sống còn thấp. Nếu
thu hoạch lúa vào mùa khô, ngƣời nông dân sẽ đốt ngoài đồng để tranh thủ
mùa vụ, giảm lƣợng rơm rạ sau thu hoạch nhanh chóng. Còn nếu thu hoạch lúa
vào mùa mƣa ngƣời nông dân thƣờng vun rơm ngay cạnh bờ kênh, rạch hay
bên lề đƣờng. Rơm rạ để tự nhiên ngoài đồng ruộng cần mất nhiều thời gian để
xảy ra quá trình phân hủy giúp tăng độ mùn trong đất. Xử lý rơm rạ theo các
cách thức trên sẽ gây tắc nghẽn giao thông và gây ô nhiễm môi trƣờng khí, ảnh
hƣởng tới sức khỏe của con ngƣời, đồng thời còn làm thất thoát, lãng phí
2

nguồn cacbon trong chu trình chuyển hóa C trong hệ sinh thái nông nghiệp.
Theo ƣớc tính nếu đốt 1 tấn rơm thì sẽ thải ra 36,32 kg khí CO; 4,54 kg
hydrocarbon; 3,18 kg tro bụi và 56,00 kg CO
2
[dẫn theo 4]. Đây là những
thành phần khí đóng góp một phần không nhỏ gây hiệu ứng nhà kính, gây ô
nhiễm môi trƣờng nói chung và không khí nói riêng.
Trên thế giới, nhiều công trình khoa học đã đề cập đến công nghệ xử lý
mùn cƣa, trấu, rơm và một số nguyên liệu khác thành phân bón hữu cơ của
các nhà khoa học nhƣ Kiohyko Nakasaky và công sự (Khoa Kỹ thuật, Đại học
Shizuoka, Nhật Bản). Ở Việt Nam, trong những năm gần đây, vấn đề về xử lý
rơm rạ sau thu hoạch đã nhận đƣợc nhiều sự quan tâm của các nhà khoa học.
Trong đó có nhiều công trình khoa học nghiên cứu và ứng dụng công nghệ xử
lý rơm rạ nhƣ: xử lý rơm rạ bằng chế phẩm Trichoderma với nhiều loại đất
canh tác khác nhau (Viện Lúa đồng bằng sông Cửu Long), xử lý rơm rạ tại
ruộng làm phân bón sinh học (Công ty cổ phần phân bón FITOHOOCMON),
Tuy nhiên chƣa có nhiều công trình nghiên cứu đầy đủ về khu hệ vi sinh vật
(VSV) tự nhiên tham gia chuyển hóa rơm rạ thành mùn hữu cơ ở nƣớc ta. Do
vậy, nghiên cứu khu hệ VSV tham gia vào diễn thế sinh thái tự nhiên của quá
trình chuyển hóa rơm rạ thành mùn hữu cơ là hƣớng nghiên cứu cần thiết.

Từ những lý do trên, chúng tôi tiến hành đề tài: “Nghiên cứu diễn thế
sinh thái và đặc điểm sinh học của vi sinh vật tham gia quá trình chuyển
hóa rơm rạ thành mùn hữu cơ”.
2. Đối tƣợng nghiên cứu
Các chủng VSV đất tham gia quá trình chuyển hóa rơm rạ thành mùn
hữu cơ tại xã Liên Mạc, huyện Mê Linh, Hà Nội.
3. Mục tiêu nghiên cứu
Nghiên cứu diễn thế sinh thái, các đặc điểm sinh học của vi sinh vật
tham gia quá trình chuyển hóa rơm rạ thành mùn hữu cơ làm phân bón cho
cây trồng.
3

4. Nội dung nghiên cứu
- Theo dõi diễn thế sinh thái của vi sinh vật đất trong quá trình mùn hóa
tự nhiên của rơm rạ.
- Phân lập vi sinh vật tham gia quá trình mùn hóa tự nhiên của rơm rạ.
- Đánh giá vai trò của các vi sinh vật phân lập đƣợc thông qua hoạt tính
enzyme ngoại bào và khả năng mùn hóa rơm rạ của chúng.
5. Những đóng góp của đề tài
Đánh giá đƣợc vai trò của các nhóm VSV đất khác nhau tham gia vào
diễn thế sinh thái của quá trình mùn hóa rơm rạ trong tự nhiên. Trên cơ sở các
nghiên cứu cơ bản, đề tài đóng góp những hiểu biết toàn diện nhằm hƣớng tới
xây dựng quy trình công nghệ xử lý phế phụ phẩm rơm rạ trong sản xuất nông
nghiệp, tránh lãng phí các nguồn cacbon và góp phần hạn chế gây ô nhiễm
môi trƣờng.
4

CHƢƠNG 1
TỔNG QUAN TÀI LIỆU

1.1. Tổng quan về rơm rạ
1.1.1. Phụ phẩm rơm rạ trong sản xuất lúa gạo
Lúa gạo (Oryza sativa) là cây trồng thuộc họ Hòa thảo (Poaceae). Đây
là cây lƣơng thực chính của nhiều nƣớc trên thế giới và Việt Nam.

Hình 1. 1. Sản lƣợng và diện tích gieo trồng lúa thế giới [dẫn theo 21]
Sản xuất lúa gạo trên thế giới từ năm 2005 đến nay tăng trƣởng cả về
diện tích gieo trồng lẫn sản lƣợng (hình 1.1). Châu Á luôn đứng đầu về sản
xuất lúa gạo chiếm 90,3% (khoảng 651 triệu tấn) sản lƣợng gạo thế giới năm
2012. Kết quả này có đƣợc chủ yếu nhờ sản lƣợng tăng mạnh tại Trung Quốc,
Ấn Độ, Pakistan và Việt Nam. Trong đó, Việt Nam đạt 27,12 triệu tấn, xuất
khẩu 7,72 triệu năm 2012, tấn đứng thứ hai sau Ấn Độ [dẫn theo 21]. Mƣời
quốc gia hàng đầu về xuất khẩu gạo trên thế giới năm 2012 là Ấn Độ, Việt
Nam, Thái Lan, Pakistan, Brazil, Uruguay, Campuchia, Argentina, Myanmar,
Trung Quốc.
5

Cũng theo số liệu năm 2012, với lƣợng phụ phẩm rơm rạ khoảng 40
triệu tấn/năm, Việt Nam có tiềm năng rất dồi dào về sinh khối từ rơm rạ và
trấu [dẫn theo 21]. Lƣợng sinh khối phụ phẩm lúa gạo này đƣợc ƣớc tính
chiếm tới 64% các nguồn sinh khối ở nƣớc ta. Theo báo cáo của Tổ chức
Nông lƣơng thế giới năm 1997, tỷ lệ rơm rạ/thóc dao động từ 0,4 (với rơm có
độ ẩm 27%) đến 1,4 (với rơm có độ ẩm 12 - 22%). Một nghiên cứu thực tế
khác trên đồng ruộng ở Thái Lan đã đƣa ra con số bình quân tỷ lệ rơm rạ/thóc
là 0,75 (với rơm rạ có độ ẩm 10%). Nhiều tài liệu khác cũng chỉ ra số liệu
tƣơng đối nhất quán với tỷ lệ này. Theo tỷ lệ đó thì lƣợng rơm rạ sau thu
hoạch chiếm trên 50% trọng lƣợng của cây lúa [dẫn theo 22].
Trong 40 triệu tấn sinh khối từ phụ phẩm lúa gạo có 32 triệu tấn rơm rạ
và 8 triệu tấn trấu. Tƣơng ứng với sản lƣợng lúa, khối lƣợng phụ phẩm này
tập trung chủ yếu ở vùng Đồng bằng sông Cửu Long (chiếm gần 54%), Đồng

bằng sông Hồng (chiếm 17%) và vùng Bắc trung bộ và duyên hải miền Trung
(chiếm 15,4%) [dẫn theo 22].
1.1.2. Thành phần, cấu trúc của rơm rạ
Theo Nguyễn Lân Dũng, thành phần hóa học của rơm rạ nếu tính theo
nguyên tố thì cacbon (C) chiếm 44%, hyđrô (H) chiếm 5%. oxy (O) chiếm
49% và nitơ (N) chiếm khoảng 0,92% ; một lƣợng rất nhỏ còn lại là phốt pho
(P), lƣu huỳnh (S) và kali (K) [dẫn theo 21].
Thành phần chính của rơm rạ tính theo khối lƣợng khô là: cellulose
(34 - 38%), hemicelluloses (32 - 40%), lignin (12%), và hàm lƣợng tro (oxit
silic) cao (từ 14 - 18%). Tỷ lệ lignocellulose cao (78 - 90%) gây cản trở việc
sử dụng rơm, rạ một cách kinh tế. Thành phần lignocellulose trong rơm rạ,
trong đó có cenllulose, rất khó bị phân hủy bởi hóa chất và VSV nhƣng nếu
sử dụng tập hợp VSV phân giải thích hợp thì sẽ tạo thành nguồn phân hữu cơ
sinh học tốt.
6

1.1.2.1. Cellulose
Cellulose là loại polysaccharide cấu trúc của thực vật, chúng thƣờng
tạo nên thành tế bào, giúp cho các mô thực vật có độ bền cơ học và tính đàn
hồi. Cellulose là thành phần chủ yếu trong thân, lá của thực vật (trong gỗ
chứa khoảng 95% cellulose, sợi bông vải 97 - 98%, sợi đay 75%, thân cây họ
Cói và họ Lúa 30 - 40% [18]).
Cellulose có màu trắng, không mùi, không vị. Cellulose không tan
trong nƣớc (ngay cả khi đun nóng) và các dung môi hữu cơ thông thƣờng
nhƣng tan trong một số dung dịch axit vô cơ mạnh (HCl, HNO
3
) và một số
dung dịch muối (ZnCl
2
, PbCl

2
), [dẫn theo 22].
Cellulose là hợp chất cao phân tử đƣợc cấu tạo bởi hàng nghìn đến
hàng chục nghìn gốc β-D-glucose liên kết với nhau bằng các liên kết β-1,4-
glycoside nên có cấu trúc mạch thẳng, rất bền và khó bị phân hủy. Cellulose
có công thức cấu tạo là (C
6
H
10
O
5
)
n
hay [C
6
H
7
O
2
(OH)
3
]
n
trong đó n có thể nằm
trong khoảng 5000-14000. Trong đó, các nhóm hydroxyl đều nằm trên mặt
phẳng nằm ngang (hình 1.1) [dẫn theo 22].

Hình 1. 2. Cấu trúc lập thể của cellulose [8]
Các phân tử cellulose kết hợp với nhau tạo thành micel tức là bó sợi có
chiều dài 50 - 100Å. Các micel lại tạo thành bó microfibril với đƣờng kính

khoảng 250 Å nhờ nhiều liên kết hydro tạo sợi bền chắc. Toàn bộ cấu trúc này
đƣợc bao bọc bởi lignin và hemicelluloses [8].
1.1.2.2. Hemicellulose
Hemicellulose là một trong ba sinh khối tự nhiên chính. Cùng với
cellulose và lignin, hemicellulose tạo nên thành phần lignocellulose, cấu trúc
7

nên thành tế bào thực vật. Hemicellulose là loại polymer phức tạp và phân
nhánh, độ trùng hợp khoảng 70 đến 200 đơn phân (hình 1.3). Thành phần cơ
bản của hemicellulose là β-D xylopyranose, liên kết với nhau bằng liên kết
β-(1,4)=glucoside. Chúng tạo nên chất nền, khảm vào khung cấu trúc của
cellulose [8]. Cấu trúc và thành phần của hemicellulose rất khác biệt trong các
loại tế bào khác nhau và ở các nhóm thực vật khác nhau.
Hemicellulose là polysaccharide dễ tan trong dung dịch kiềm, trong
nƣớc nóng và dễ bị phân hủy bởi axit loãng. Về thành phần hóa học,
hemicellulose đƣợc sắp xếp theo 4 nhóm phổ biến dựa theo sự khác nhau về
thành phần các đơn phân và cấu trúc của chúng: Xylan, mannan, β-glucan đều
là các polymer của xyloglucan. Các nhóm này khác biệt nhau về cấu trúc
chuỗi, vị trí hay loại liên kết glycoside trong mạng lƣới phân tử. Chuỗi chính
của hemicellulose có thể chứa chỉ một nhóm chức (homopolymer) nhƣ xylan,
hoặc hai hay nhiều đơn vị tạo nên một heteropolymer nhƣ glucomannan [9].
Chuỗi chính trong hemicellulose ngắn hơn rất nhiều so với chuỗi phân tử
cellulose. Ngoài ra, chúng có các nhóm phụ đƣợc phân nhánh ở một vài
trƣờng hợp. Xylan là thành phần của hemicellulose ở màng tế bào thứ cấp,
chiếm khoảng 20 - 30% tổng sinh khối của cây hai lá mầm (cây gỗ cứng và
cây thân cỏ). Trong một vài tổ chức mô của cây một lá mầm (cỏ và ngũ cốc),
xylan đƣợc tìm thấy chiếm tỷ lệ tới 50% [5].

8

Hình 1. 3. Cấu trúc của hemicelluloses [18]
Một số hemicellulose đƣợc cấu tạo từ một số phân tử monosaccaride
không cùng loại nhƣ: D-galactose, D-arabinose, D-xylose, D-manose, D-axit
glucononic.
1.1.2.3. Lignin
Lignin là hợp chất hóa học phổ biến đƣợc tìm thấy trong hệ mạch thực
vật, chủ yếu là giữa các tế bào, trong thành tế bào thực vật. Chúng bao bọc
xung quanh sợi cellulose và có hàm lƣợng lớn thứ hai sau cellulose. Hàm
lƣợng lignin trong thực vật khác nhau tùy từng loài cây, độ tuổi và điều kiện tự
nhiên. Trung bình, hàm lƣợng lignin trong thực vật chiếm khoảng 25 - 40%.
Cây lá nhọn chứa 20 - 30% lignin, cây lá rộng chứa 20 - 25%, cây cỏ khoảng 5
- 9%. Chúng là hợp chất có khối lƣợng lớn, có đặc tính thơm và kị nƣớc [3].
Lignin có cấu trúc không gian 3 chiều, phức tạp, vô định hình. Lignin
không phải là carbohydrate nhƣng có liên kết chặt chẽ với nhóm này để tạo
nên màng tế bào giúp thực vật cứng chắc và giòn, có chức năng vận chuyển
nƣớc trong cơ thể thực vật, giúp cây phát triển và chống lại sự tấn công của
9

côn trùng và mầm bệnh. Thực vật càng già, lƣợng lignin tích tụ càng lớn. Hơn
nữa, lignin đóng vai trò quan trọng trong chu trình carbon, tích lũy carbon khí
quyển trong mô của thực vật thân gỗ lâu năm; chúng là một trong các thành
phần bị phân hủy lâu nhất của thực vật sau khi chết, để rồi đóng góp một phần
lớn chất mùn cho đất [dẫn theo 22].
Lignin là polymer, đƣợc cấu thành từ các đơn vị phenylpropene, điển
hình là: guaiacyl (G), trans-coniferyl alcohol; syringyl (S), trans-sinapyl
alcohol; ρ-hydroxylphenyl (H), trans-ρ-courmary alcohol (hình 1.4). Chúng là
một polyphenol có cấu trúc mở, chủ yếu đóng vai trò chất liên kết trong thành
tế bào thực vật, liên kết chặt chẽ với mạng cellulose và hemicellulose. Do
vậy, khó có thể tách lignin ra hoàn toàn.

Hình 1. 4. Các đơn vị cơ bản của lignin [8]
Cấu trúc của lignin đa dạng, tùy thuộc vào loại gỗ và tuổi cây . Ngoài
việc phân loại lignin theo các loại gỗ : gỗ cứng, gỗ mềm và cỏ, lignin có thể
đƣợc phân thành hai loại chính: guaicyl lignin và guaicyl-syringyl lignin.
Những nghiên cứu gần đây chỉ ra rằng lignin hoàn toàn không đồng nhất
trong cấu trúc. Lignin dƣờng nhƣ bao gồm vùng vô định hình và các vùng có
cấu trúc hình thuôn hoặc hình cầu. Thêm vào đó, cấu trúc hóa học và cấu trúc
không gian của lignin đều bị ảnh hƣởng bởi mạng lƣới polysaccharide.
10


Hình 1. 5. Cấu trúc lignin [8]
Ở nhiệt độ phản ứng cao (trên 200⁰C) lignin bị kết khối thành những
phần riêng biệt và tách ra khỏi cellulose.
1.1.3. Hiện trạng sử dụng rơm rạ trên thế giới và ở Việt Nam
1.1.3.1. Hiện trạng sử dụng rơm rạ trên thế giới
Khu vực châu Âu, Bắc Á và Bắc Mĩ là khu vực có điều kiện tự nhiên
thích hợp với sự sinh trƣởng của lúa mì, không phù hợp trồng lúa gạo. Diện
tích trồng lúa mì ở khu vực này rất lớn còn lúa gạo (lúa nƣớc) đƣợc trồng chủ
yếu ở khu vực Đông Nam Á và châu Phi. Lúa gạo là thức ăn chính. cung cấp
năng lƣợng cho hơn 3 tỉ ngƣời (phân nửa dân số trên thế giới) [21]. Hơn nữa,
lúa gạo còn cung cấp việc làm cho hàng trăm triệu ngƣời ở cả các nƣớc phát
triển và đang phát triển, từ thôn quê đến thành thị.
Đông Nam Á là vựa lúa gạo lớn nhất trên thế giới, Thái Lan và Việt
Nam là hai nƣớc sản xuất và xuất khẩu gạo hàng đầu. Cùng với việc đẩy
11

mạnh sự phát triển của cây lúa, phụ phẩm đi kèm với số lƣợng khổng lồ là
rơm rạ cũng theo đó mà nhiều lên. Mặc dù rơm rạ đã đƣợc xử lí theo những

cách khác nhau nhƣ: làm thức ăn cho vật nuôi, làm nguyên liệu trồng nấm,
nhƣng lƣợng rơm rạ tồn dƣ vẫn còn rất lớn. Vấn đề chuyển hóa rơm rạ thành
phân bón hữu cơ đã đƣợc nghiên cứu và đã có một số công trình nghiên cứu
đƣa vào thực tiễn. Tuy nhiên, phần lớn những công trình nghiên cứu đó đều
nghiên cứu về xử lí rơm rạ của lúa mì, yến mạch của khu vực châu Âu và Bắc
Á, Bắc Mĩ nhƣ: chế biến rơm rạ thành thức ăn vật nuôi, phân hữu cơ từ rơm
rạ lúa mì (Hoa Kỳ), và gần đây là nghiên cứu chế biến rơm rạ các loại lúa
mì, lúa mạch, yến mạch, cải dầu, thành nhiên liệu sinh học (Anh), [20].
Ở khu vực châu Phi, châu Á đặc biệt là khu vực Đông Nam Á, ngƣời ta
xử lí rơm rạ của cây lúa gạo theo nhiều cách khác nhau, tƣơng tự nhƣ cách xử
lí rơm rạ của lúa mì ở trên. Tuy nhiên, hiệu quả kinh tế của các quy trình xử lí
rơm rạ ở khu vực này lại chƣa cao. Do vậy, phần lớn rơm rạ đƣợc xử lí theo
cách truyền thống nhƣ: đun nấu gia đình, làm thức ăn khô dự trữ cho đại gia
súc và đốt rơm ngoài đồng ruộng.
Một số nƣớc Đông Nam Á nhƣ Thái Lan và Indonesia đã xử lí rơm rạ
sau thu hoạch để sản xuất thành nguồn điện năng phục vụ đời sống. Ngoài
việc sản xuất điện từ nguồn phế phụ phẩm nông nghiệp (rơm rạ), các dự án
này cũng đƣa lại những lợi ích khác cho ngƣời nông dân nhƣ: giảm thiểu ô
nhiễm môi trƣờng, tăng thu nhập cho ngƣời nông dân [20].
1.1.3.2. Hiện trạng sử dụng rơm rạ ở Việt Nam
Việt Nam nằm trong khu vực Đông Nam Á, có kiểu khí hậu cận nhiệt
đới gió mùa, lƣợng mƣa hàng năm lớn. Do đó, Việt Nam có điều kiện tự
nhiên rất thuận lợi để phát triển sản xuất lúa gạo, trở thành quốc gia đứng đầu
thế giới về xuất khẩu gạo. Việt Nam sản xuất gần 6,6 triệu tấn gạo năm 2013,
đứng thứ 3 sau Ấn Độ và Thái Lan [20].
12

Cùng với sản lƣợng gạo sản xuất hàng năm cao, sự tồn dƣ phụ phẩm
rơm rạ là rất lớn. Với bề dày lịch sử của nghề trồng lúa nƣớc, cùng với sự tồn
tại của hai nền văn minh lúa nƣớc: đồng bằng sông Hồng và đồng bằng sông

Cửu Long, vấn đề xử lí rơm rạ sau thu hoạch ở nƣớc ta cũng rất phong phú.
Các giải pháp sử dụng rơm rạ truyền thống nhƣ: làm vật liệu lợp mái
nhà, phơi khô làm thức ăn dự trữ cho vật nuôi, đun nấu trong gia đình rất
phổ biến ở nông thôn Việt Nam trong giai đoạn trƣớc đây, từ những năm
1990 trở về trƣớc. Hiện nay, cùng với sự phát triển của kinh tế xã hội, nhiên
liệu đun nấu (gas, biogas) dần thay thế rơm rạ trong gia đình các nông hộ.
Quy trình chăn nuôi gia súc, gia cầm tập trung, sử dụng thức ăn công nghiệp,
cũng dần thay thế việc chăn nuôi nhỏ lẻ sử dụng thức ăn tận dụng và rơm rạ
tại các nông hộ. Do vậy, rơm rạ tồn dƣ ngày càng nhiều, dẫn tới hiện tƣợng
phổ biến sau thu hoạch là đốt rơm rạ tại ruộng . Việc làm đó gây khói bụi, làm
mất an toàn giao thông, gây ô nhiễm môi trƣờng không khí, Đốt rơm rạ tại
ruộng làm cho đồng ruộng bị khô, chai cứng, một lƣợng lớn nƣớc bị bốc hơi
do nhiệt độ hun đốt trong quá trình cháy rơm rạ. Ngoài ra, lƣợng dioxit
cacbon (CO
2
), phát thải vào khí quyển cùng với cacbon monoxit (CO); khí
metan (CH
4
); các oxit nitơ (NOx); và một ít dioxit sunfua (SO
2
) cũng góp
phần gây hiệu ứng nhà kính [10]. Phần rơm, rạ sót thƣờng đƣợc cày lấp vào
trong đất làm phân bón cho mùa vụ sau. Việc phân hủy gốc rạ và rơm phụ
thuộc vào độ ẩm của đất và các VSV trong đất. Tuy biện pháp này cung cấp
cho đồng ruộng một chút dinh dƣỡng cho vụ tiếp theo, nhƣng rất có thể chứa
mầm sâu bệnh cho cây trồng, ảnh hƣởng đến sản lƣợng vụ sau. Nếu tình trạng
đốt rơm rạ ngay trên đồng ruộng vẫn tiếp diễn thì cùng với sự lạm dụng phân
hóa học, đất sẽ càng ngày càng cằn cỗi và chai cứng. Hậu quả lâu dài không
thể lƣờng trƣớc đƣợc. Do đó, việc nghiên cứu xử lí rơm rạ sau thu hoạch ở
nƣớc ta là vấn đề nhận đƣợc sự quan tâm lớn của các nhà khoa học cũng nhƣ

13

chính phủ. Nhiều công trình nghiên cứu xử lí rơm rạ đã đi vào thực tiễn và đạt
đƣợc những kết quả nhất định nhƣ: trồng nấm rơm, chế biến rơm thành thức
ăn vật nuôi, chế biến rơm rạ thành phân bón hƣu cơ, chế biến rơm thành đồ
thủ công, mỹ nghệ
Quy trình xử lý rơm rạ tại ruộng làm phân bón sinh học nhằm bảo vệ
môi trƣờng và phát triển nền nông nghiệp bền vững đã đƣợc phát triển từ các
đề tài: “Xây dựng mô hình xử lý rơm rạ làm phân hữu cơ vi sinh phục vụ cho
sản xuất lúa an toàn và góp phần giảm ô nhiễm môi trƣờng trên địa bàn huyện
Bình Giang - Tỉnh Hải Dƣơng”, do UBND tỉnh Hải Dƣơng quản lí năm 2009 -
2010; “Ứng dụng chế phẩm vi sinh Biomix-RR chế biến rơm rạ thành phân
hữu cơ tại đồng ruộng bón cho cây trồng nhằm phát triển nền nông nghiệp bền
vững tại tỉnh Hòa Bình”, do UBND tỉnh Hòa Bình quản lí năm 2010 - 2011, đã
đƣợc Thủ tƣớng Chính Phủ tặng Bằng khen về sáng tạo trong khoa hoc công
nghệ năm 2008, cúp vàng - Giải nhất giải thƣởng sáng tạo KHCN-VIFOTECH
năm 2006, huy chƣơng bạc - triển lãm sáng tạo Quốc tế lần thứ 4 tại Seoul -
Hàn Quốc, cúp vàng hội chợ công nghệ Techmart năm 2003, 2005 [dẫn theo
22].
1.2. Tổng quan về vi sinh vật có khả năng phân giải rơm rạ
Nhóm VSV phân hủy chất hữu cơ, rơm rạ trong tự nhiên rất phong phú
và đƣợc các nhà khoa học đặc biệt quan tâm. Theo nhiều nghiên cứu trên thế
giới và trong nƣớc, rơm rạ đƣợc phân hủy bởi nhiều nhóm VSV. Các VSV điển
hình có khả năng phân giải rơm rạ là Bacillus sp, Streptomyces sp, Actinomyces
sp, Pseudomonas sp, Azospirillum sp, Azotobacter sp, Trichoderma sp,
Aspergillus sp [6]. Một số chế phẩm sinh học phân hủy chất hữu cơ, đặc biệt là
những chế phẩm phân hủy rơm rạ đƣợc lƣu hành trên thị trƣờng (chế phẩm
Compost maker, nấm Trichoderma, chế phẩm Viura, chế phẩm EM, ) thƣờng
bao gồm tập hợp một vài hoặc hàng chục loại VSV khác nhau.
14

Chế phẩm Compost maker đƣợc ứng dụng để xử lý nhiều loại cơ chất
hữu cơ nhƣ: than bùn, phân gia súc, gia cầm, phế phụ phẩm nông nghiệp
(rơm, thân lá cây, vỏ cà phê ) làm phân bón hữu cơ sinh học hoặc làm
nguyên liệu sản xuất phân hữu cơ vi sinh vật. Chế phẩm bao gồm 3 chủng vi
sinh vật: Chủng xạ khuẩn (Streptomyces sp.), chủng vi khuẩn phân giải lân
(Bacillus subtilis) và chủng nấm men (Saccharomyces cerevisiae).
Chế phẩm Vixura: là chế phẩm dạng bột chứa 12 - 15 loại vi sinh vật
đƣợc phân lập, tuyển chọn tại Viện Công nghệ Sinh học, trong đó có các
chủng Bacillus và xạ khuẩn có khả năng sinh ra các enzyme khác nhau để
phân huỷ chất hữu cơ trong rác và rơm rạ. Ngoài ra, còn có một số VSV chức
năng nhƣ các VSV đối kháng với một số bệnh của cây trồng (Bacillus sp.),
VSV cố định đạm (Azotobacter sp.) và VSV phân huỷ phốt phát khó tan
(Bacillus sp.) giúp cho cây trồng dễ dàng hấp thụ dinh dƣỡng.
Chế phẩm E.M (Effective Microorganisms - vi sinh vật hữu hiệu) đƣợc
sản xuất từ Nhật Bản do Giáo sƣ Tiến sĩ Teuro Higa - Trƣờng Đại học tổng
hợp Ryukyus, Okinawa sáng chế và đƣợc áp dụng vào thực tiễn năm 1980.
Chế phẩm E.M đƣợc tạo ra từ việc phân lập và lựa chọn các chủng VSV khác
nhau có sự tƣơng hợp về sinh lý. Chúng sống cộng sinh và phát triển có ích
nhằm phân giải triệt để các hợp chất hữu cơ. Các nhóm VSV chính trong chế
phẩm EM là: vi khuẩn quang hợp, vi khuẩn lactic, nấm men, xạ khuẩn, nấm
mốc. Dùng E.M để ủ phân compost với nguyên liệu là lá cây, vỏ trái ca cao,
rơm rạ… rất hữu hiệu.
Các chế phẩm phân hủy rơm rạ kể trên có thể bao gồm hỗn hợp VSV với
nhiều nhóm VSV khác nhau (nhƣ Compost maker, Vixura, E.M) nhƣng cũng
có những chế phẩm chỉ có một chủng VSV (chế phẩm nấm Trichoderma).
Phần lớn các công trình nghiên cứu phân hủy rơm rạ đều nghiên cứu
chuyên sâu về quy trình xử lí rơm rạ và công nghệ tạo chế phẩm. Diễn thế
sinh thái tự nhiên trong quá trình phân hủy rơm rạ vẫn còn ít đƣợc đề cập đến.
15

Để phân hủy rơm rạ, VSV phải có enzyme phân hủy cả 03 thành phần
chính của rơm rạ: cellulose, hemicellulose và lignin.
 Enzyme phân giải cellulose
Liên kết chủ yếu trong cấu trúc của cellulose là β-(1,4) glucoside. Để
thủy phân hoàn toàn cấu trúc của polysaccharide này cần có một hệ enzyme
cellulase với những tác động đặc trƣng riêng biệt. Dựa theo nghiên cứu về hệ
enzyme cellulase của nấm Trichoderma reesei, hệ enzyme thủy phân
cellulose gồm 3 loại enzyme:
(1) Endoglucanase hoặc 1,4-β-D-glucan glucanohydrolase là enzyme
thủy phân các liên kết 1,4-β-D-glucoside trong phân tử cellulose ở các điểm
ngẫu nhiên bên trong chuỗi polymer hình thành các đầu chuỗi khử tự do và
các chuỗi oligosaccharide ngắn. Các endoglucanase không thể thủy phân
cellulose tinh thể hiệu quả nhƣng nó sẽ phá vỡ các liên kết tại khu vực vô
định hình tƣơng đối dễ tiếp cận.
(2) Exoglucanase bao gồm các 1,4- β -D-glucan glucanohydrolase (EC
3.2.1.74), giải phóng D-glucose từ β-glucan và cellodextrin; và các 1,4- β -D-
glucan cellobiohydrolase (EC 3.2.1.91), thủy phân D-cellobiose. Tỷ lệ thủy
phân của enzyme cellobiohydrolase bị hạn chế bởi sự sẵn có các đầu khử của
mạch cellulose.
(3) β-glucosidase hay β-D-glucoside glucohydrolase (EC 3.2.1.21) giải
phóng phân tử D-glucose từ cellodextrin hòa tan và một loạt các glucoside
khác.
Rất ít sinh vật có khả năng phân giải cellulose để làm nguồn cung cấp
thức ăn. Vì vậy cellulose không có giá trị dinh dƣỡng cao; chúng chỉ có tác
dụng điều hòa hệ thống tiêu hóa, làm giảm lƣợng mỡ, cholesterol trong máu
và tăng cƣờng đào thải chất cặn bã. Vi khuẩn trong dạ cỏ của các động vật
nhai lại và các động vật nguyên sinh trong ruột mối là những VSV có khả
16

năng sinh enzyme phân giải cellulose. Ngoài ra, một số VSV đất cũng có khả
năng này [19].
 Enzyme phân giải hemicellulose
Xylan là cơ chất điển hình trong nhóm hemicellulose của thực vật.
Enzyme xylanase, thủy phân xylan, đƣợc sản xuất chủ yếu từ VSV. Các VSV
có khả năng sinh enzyme xylanase ngoại bào bao gồm chủ yếu là vi khuẩn và
nấm mốc [8; 11; 17].
Do tính không đồng nhất của xylan, sự thủy phân đòi hỏi một hệ thống
enzyme phức tạp. Enzyme này thƣờng bao gồm hai loại: enzyme cắt mạch
chính không phân nhánh (β-1,4-endoxylanse và β-xylosidase) và enzyme cắt
mạch nhánh (α-arabinofuranosidase, α-glucuronidase, esterase xylan acetyl và
esterase axit phenolic). Tất cả các enzyme này tác động tƣơng hỗ để chuyển
đổi xylan thành các cấu tử đƣờng của nó. Hệ thống các enzyme thủy phân
xylan đa chức năng nhƣ vậy khá phổ biến ở vi khuẩn và nấm.
 Enzyme phân giải lignin
Lignin cấu trúc từ nhiều đơn phân có vòng thơm, có đặc tính không ƣa
nƣớc. Do đó rất khó phân huỷ.
Về cấu tạo, lignin gồm các mạch phenylpropanoid phức tạp, cấu trúc
không đồng nhất. Chính vì tính chất đó nên việc phân huỷ sinh học lignin đòi
hỏi hệ enzyme oxy hóa khử mạnh. Trong các enzyme oxy hóa khử phân hủy
lignin, enzyme có hoạt tính mạnh là ligninase (lignin peroxidase, với phản
ứng đặc hiệu phân huỷ H
2
O
2
) và manganese peroxidase (EC 1.11.1.13).
Manganese peroxidase (MnP) xúc tác phản ứng đặc hiệu phân huỷ H
2
O
2

.
MnP xúc tác phản ứng oxy hoá khử một vài loại phenol đơn vòng và sắc
tố vòng, nhƣng những phản ứng này phụ thuộc vào sự có mặt của Mg
2+

và dung dịch đệm. Trên thực tế, MnP xúc tác phản ứng oxy hoá khử Mn(II)
thành Mn(III) khi có mặt chất nhận làm bền vững Mn(III). Kết quả là
17

tạo thành phức hợp Mn(III) sau khi xảy ra phản ứng oxi hoá khử các chất
hữu cơ. Ligninase (EC 1.11.1.14, LiP) là một phần của hệ thống enzyme
ngoại bào của nấm mục trắng Phanerochaete chrysosporium. LiP có đặc
tính gây khoáng hoá nhiều loại hợp chất thơm khó xử lý và oxy hoá
một số lƣợng lớn các hợp chất phenol và hợp chất thơm đa vòng. LiP
thƣờng đƣợc cố định trên chất mang xốp ceramic hoặc trên màng silicon,
sử dụng để xử lý các rác thải khó phân hủy [12].