Nghiên cứu lựa chọn cơ chất hữu cơ để sản xuất phân hữu cơ vi sinh cho cây chè Shan tại tỉnh Yên Bái

Luận văn Thạc sỹ Sinh học

Nguyễn Thị Yên

BỘ GIÁO DỤC VÀO ĐÀO TẠO

TRƯỜNG ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN

VIỆN SINH THÁI VÀ TÀI NGUYÊN SINH VẬT
-----------------*-------------------

NGUYỄN THỊ YÊN

NGHIÊN CỨU LỰA CHỌN CƠ CHẤT HỮU CƠ ĐỂ
SẢN XUẤT PHÂN HỮU CƠ VI SINH CHO CÂY
CHÈ SHAN TẠI TỈNH YÊN BÁI

LUẬN VĂN THẠC SĨ SINH HỌC

HÀ NỘI – 2012


Luận văn Thạc sỹ Sinh học

Nguyễn Thị Yên


Luận văn Thạc sỹ Sinh học

Nguyễn Thị Yên

BỘ GIÁO DỤC VÀO ĐÀO TẠO

TRƯỜNG ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN

VIỆN SINH THÁI VÀ TÀI NGUYÊN SINH VẬT
-----------------*-------------------

NGUYỄN THỊ YÊN

NGHIÊN CỨU LỰA CHỌN CƠ CHẤT HỮU CƠ ĐỂ
SẢN XUẤT PHÂN HỮU CƠ VI SINH CHO CÂY
CHÈ SHAN TẠI TỈNH YÊN BÁI

CHUYÊN NGÀNH: VI SINH VẬT
Mã số: 60 42 40

LUẬN VĂN THẠC SĨ SINH HỌC
NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC:
TS. LÊ NHƯ KIỂU
ThS. LÊ THỊ THANH THỦY


Luận văn Thạc sỹ Sinh học

Nguyễn Thị Yên

Hà Nội, 2012


Luận văn Thạc sỹ Sinh học

Nguyễn Thị Yên

LỜI CẢM ƠN

Để hoàn thành luận văn này cùng với sự cố gắng, nỗ lực của bản thân tôi
xin tỏ lòng biết ơn sâu sắc tới Thầy Lê Như Kiểu, Phó Viện trưởng, Cô Lê Thị
Thanh Thủy, Phó Trưởng Bộ môn Vi sinh vật, Viện Thổ nhưỡng Nông hóa đã
tận tình hướng dẫn tôi trong suốt quá trình hoàn thành luận văn.
Tôi xin chân thành cảm ơn các Thầy, Cô giáo của Viện Sinh thái và tài
nguyên sinh vật, Trường Đại Học Thái Nguyên đã tận tình truyền đạt cho Tôi
kiến thức trong suốt 2 năm học tập, là nền tảng cho Tôi trong quá trình nghiên
cứu luận văn, là hành trang qúy báu theo tôi trong suốt cuộc đời.
Tôi cũng xin chân thành cảm ơn các Cô, Chú, Anh ,Chị công tác tại Bộ môn
Vi sinh vật, Viện Thổ nhưỡng Nông hóa đã giúp đỡ Tôi trong quá trình hoàn
thành luận văn.
Cuối cùng Tôi xin kính chúc quý Thầy, Cô, Anh, Chị và gia đình dồi dào
sức khỏe, thành công trong sự nghiệp!
Tôi xin chân thành cảm ơn!

Hà Nội, ngày 30 tháng 10 năm 2012
Học viên

Nguyễn Thị Yên


Luận văn Thạc sỹ Sinh học

Nguyễn Thị Yên

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan rằng số liệu và kết quả nghiên cứu trong luận văn này
là hoàn toàn trung thực, chưa hề sử dụng cho bảo vệ một học vị nào. Mọi sự
giúp đỡ cho hoàn thành luận văn đều đã được cảm ơn. Các thông tin, tài liệu
trình bày trong luận văn này đã được ghi rõ nguồn gốc.
Tác giả

Nguyễn Thị Yên


Luận văn Thạc sỹ Sinh học

Nguyễn Thị Yên

MỤC LỤC
Bảng 2: Mức độ phân giải tối đa của một số nguyên liệu compost.....................................................11
Bảng 3: Một số chỉ tiêu chất lượng của than bùn Phù Nham, Yên Bái...............................................23
Bảng 4: Phân tích thành phần hóa học của PPP tại tỉnh Yên Bái năm 2011.......................................24
Bảng 8: Tỷ lệ giảm khối lượng rơm trong bình ủ ở 37 0C sau 7 ngày................................................37
Bảng 9: Khả năng tác động tương hỗ giữa các chủng VSV tuyển chọn.............................................38
Bảng 12: Tình trạng sức khoẻ của chuột trong thời gian thí nghiệm..................................................40
Bảng 13: Trọng lượng của chuột trong thời gian thí nghiệm..............................................................41
Bảng 15: Mật độ tế bào của các chủng VSV trong điều kiện nuôi cấy lắc và nuôi tĩnh sau 48 giờ
nuôi cấy................................................................................................................................................43
Bảng 17: Mật độ tế bào (CFU/ml) của các chủng VSV lựa chọn trong các điều kiện pH khác nhau
sau thời gian nuôi cấy*........................................................................................................................45
Bảng 18: Mật độ tế bào (CFU/ml) của các chủng VSV lựa chọn trong các điều kiện nhiệt độ khác
nhau sau thời gian nuôi cấy*...............................................................................................................46
Bảng 19: Biến động nhiệt độ trong thùng ủ compost..........................................................................48

Bảng 20: Sự thay đổi pH trong thùng ủ compost................................................................................49
Bảng 21: Mật độ tế bào và hoạt tính phân giải cellulose của 4...........................................................51
chủng VSV trong chế phẩm vi sinh.....................................................................................................51
Bảng 22: Biến động quần thể VSV trong thùng ủ compost................................................................52
Bảng 23: Hàm lượng các chất dinh dưỡng trong than bùn trước và sau ủ..........................................53
Bảng 24: Hàm lượng các chất dinh dưỡng trong rơm rạ trước và sau ủ.............................................54
Bảng 25: Hàm lượng các chất dinh dưỡng trong phân chuồng trước và sau ủ...................................54
Bảng 26: Hàm lượng các chất dinh dưỡng trong thân, lá lạc trước và sau ủ......................................55
Bảng 27: Hàm lượng các chất dinh dưỡng trong thân, lá đậu tương trước và sau ủ...........................55
Bảng 28: Tính chất cảm quan của sản phẩm sau ủ..............................................................................56


Luận văn Thạc sỹ Sinh học

Nguyễn Thị Yên

Bảng 29: Khả năng sinh trưởng của hạt cải trên phân ủ compost sau 5 ngày.....................................57
Bảng 30: Kết quả kiểm tra nhiệt độ trong các túi phân ủ....................................................................58
Bảng 31: Một số kết quả tổng hợp từ quá trình ủ compost.................................................................59
Sau khi phối trộn N,P,K và các nguyên tố trung, vi lượng vào 5 loại chất mang là than bùn, rơm rạ,
phân chuồng, thân lá lạc, thân lá đậu tương (theo tỷ lệ N: 1,3%, P: 1%, K: 1%, Ca: 1,374%, S:
0,686%, Mg: 0,3%, Acid humic: 3%) đề tài tiến hành kiểm tra mật độ tế bào của các chủng VSV
hữu ích và hoạt tính sinh học của chúng trong các loại phân. Kết quả được thể hiện ở các bảng 32: 60
Bảng 32: Mật độ và hoạt tính sinh học của các chủng VSV hữu ích trước khi nhiễm vào chất mang
.............................................................................................................................................................60
TT.........................................................................................................................................................60
Chỉ tiêu.................................................................................................................................................60
Chủng VSV hữu ích.............................................................................................................................60
1...........................................................................................................................................................61
Mật độ tế bào (x109 CFU/ml).............................................................................................................61

2...........................................................................................................................................................61
Hàm lượng etylen (nmol C2H2/ml/h)..................................................................................................61
3...........................................................................................................................................................61
4...........................................................................................................................................................61
Bảng 33: Mật độ và hoạt tính sinh học của các chủng VSV hữu ích trong phân HCVS trên các nền
chất mang khác nhau............................................................................................................................61
Từ bảng 33 cho thấy, sau 30 ngày phối trộn thì mật độ VSV sống sót trên nền chất mang là than bùn
và rơm rạ là cao hơn so với các nền chất mang còn lại, đồng thời hoạt tính sinh học của các chủng
VSV cũng không bị giảm đi. Từ kết quả này cho thấy, than bùn và rơm rạ sau ủ compost đáp ứng đủ
điều kiện để trở thành cơ chất cho sản xuất phân hữu cơ vi sinh........................................................62
3.6.Xác định tỷ lệ phối trộn VSV........................................................................................................62
Bảng 34: Mật độ tế bào và hoạt tính sinh học của các chủng VSV trong các công thức phối trộn trên
nền chất mang than bùn.......................................................................................................................62
Bảng 35: Mật độ tế bào và hoạt tính sinh học của các chủng VSV trong các công thức phối trộn trên
nền chất mang rơm rạ..........................................................................................................................63


Luận văn Thạc sỹ Sinh học

Nguyễn Thị Yên

DANH MỤC CHỮ VIẾT TẮT
TT
1
2
3
4
5
6
7

Ký hiệu
HCVS
PPP
PTNT
TCN
TCVN
VPG
VSV

Diễn giải
Hữu cơ vi sinh
Phế phụ phẩm
Phát triển nông thôn
Tiêu chuẩn ngành
Tiêu chuẩn Việt Nam
Vòng phân giải
Vi sinh vật


Luận văn Thạc sỹ Sinh học

Nguyễn Thị Yên

DANH MỤC BẢNG BIỂU
Bảng 2: Mức độ phân giải tối đa của một số nguyên liệu compost.....................................................11
Bảng 3: Một số chỉ tiêu chất lượng của than bùn Phù Nham, Yên Bái...............................................23
Bảng 4: Phân tích thành phần hóa học của PPP tại tỉnh Yên Bái năm 2011.......................................24
Bảng 8: Tỷ lệ giảm khối lượng rơm trong bình ủ ở 37 0C sau 7 ngày................................................37
Bảng 9: Khả năng tác động tương hỗ giữa các chủng VSV tuyển chọn.............................................38

Bảng 12: Tình trạng sức khoẻ của chuột trong thời gian thí nghiệm..................................................40
Bảng 13: Trọng lượng của chuột trong thời gian thí nghiệm..............................................................41
Bảng 15: Mật độ tế bào của các chủng VSV trong điều kiện nuôi cấy lắc và nuôi tĩnh sau 48 giờ
nuôi cấy................................................................................................................................................43
Bảng 17: Mật độ tế bào (CFU/ml) của các chủng VSV lựa chọn trong các điều kiện pH khác nhau
sau thời gian nuôi cấy*........................................................................................................................45
Bảng 18: Mật độ tế bào (CFU/ml) của các chủng VSV lựa chọn trong các điều kiện nhiệt độ khác
nhau sau thời gian nuôi cấy*...............................................................................................................46
Bảng 19: Biến động nhiệt độ trong thùng ủ compost..........................................................................48
Bảng 20: Sự thay đổi pH trong thùng ủ compost................................................................................49
Bảng 21: Mật độ tế bào và hoạt tính phân giải cellulose của 4...........................................................51
chủng VSV trong chế phẩm vi sinh.....................................................................................................51
Bảng 22: Biến động quần thể VSV trong thùng ủ compost................................................................52
Bảng 23: Hàm lượng các chất dinh dưỡng trong than bùn trước và sau ủ..........................................53
Bảng 24: Hàm lượng các chất dinh dưỡng trong rơm rạ trước và sau ủ.............................................54
Bảng 25: Hàm lượng các chất dinh dưỡng trong phân chuồng trước và sau ủ...................................54
Bảng 26: Hàm lượng các chất dinh dưỡng trong thân, lá lạc trước và sau ủ......................................55
Bảng 27: Hàm lượng các chất dinh dưỡng trong thân, lá đậu tương trước và sau ủ...........................55
Bảng 28: Tính chất cảm quan của sản phẩm sau ủ..............................................................................56
Bảng 29: Khả năng sinh trưởng của hạt cải trên phân ủ compost sau 5 ngày.....................................57
Bảng 30: Kết quả kiểm tra nhiệt độ trong các túi phân ủ....................................................................58
Bảng 31: Một số kết quả tổng hợp từ quá trình ủ compost.................................................................59


Luận văn Thạc sỹ Sinh học

Nguyễn Thị Yên

Sau khi phối trộn N,P,K và các nguyên tố trung, vi lượng vào 5 loại chất mang là than bùn, rơm rạ,
phân chuồng, thân lá lạc, thân lá đậu tương (theo tỷ lệ N: 1,3%, P: 1%, K: 1%, Ca: 1,374%, S:

0,686%, Mg: 0,3%, Acid humic: 3%) đề tài tiến hành kiểm tra mật độ tế bào của các chủng VSV
hữu ích và hoạt tính sinh học của chúng trong các loại phân. Kết quả được thể hiện ở các bảng 32: 60
Bảng 32: Mật độ và hoạt tính sinh học của các chủng VSV hữu ích trước khi nhiễm vào chất mang
.............................................................................................................................................................60
TT.........................................................................................................................................................60
Chỉ tiêu.................................................................................................................................................60
Chủng VSV hữu ích.............................................................................................................................60
1...........................................................................................................................................................61
Mật độ tế bào (x109 CFU/ml).............................................................................................................61
2...........................................................................................................................................................61
Hàm lượng etylen (nmol C2H2/ml/h)..................................................................................................61
3...........................................................................................................................................................61
4...........................................................................................................................................................61
Bảng 33: Mật độ và hoạt tính sinh học của các chủng VSV hữu ích trong phân HCVS trên các nền
chất mang khác nhau............................................................................................................................61
Từ bảng 33 cho thấy, sau 30 ngày phối trộn thì mật độ VSV sống sót trên nền chất mang là than bùn
và rơm rạ là cao hơn so với các nền chất mang còn lại, đồng thời hoạt tính sinh học của các chủng
VSV cũng không bị giảm đi. Từ kết quả này cho thấy, than bùn và rơm rạ sau ủ compost đáp ứng đủ
điều kiện để trở thành cơ chất cho sản xuất phân hữu cơ vi sinh........................................................62
3.6.Xác định tỷ lệ phối trộn VSV........................................................................................................62
Bảng 34: Mật độ tế bào và hoạt tính sinh học của các chủng VSV trong các công thức phối trộn trên
nền chất mang than bùn.......................................................................................................................62
Bảng 35: Mật độ tế bào và hoạt tính sinh học của các chủng VSV trong các công thức phối trộn trên
nền chất mang rơm rạ..........................................................................................................................63


Luận văn Thạc sỹ Sinh học

Nguyễn Thị Yên

MỞ ĐẦU
1. Tính cấp thiết của đề tài
Việt Nam là một quốc gia có tới 80% dân số sống bằng nghề nông nghiệp,
lượng phế thải thải ra từ nông nghiệp hàng năm rất lớn gồm (40 triệu tấn rơm rạ,
30 triệu tấn ngọn lá mía, 3,5 triệu tấn thân lá ngô, 3 triệu tấn thân lá lạc, 1 triệu
tấn thân lá đậu tương, 0,5 triệu tấn vỏ cà phê và 2 triệu tấn thân lá khoai tây,
khoai lang, dưa các loại, ngọn lá dứa...) tương đương với 639.000 tấn N,
212.000 tấn P2O5, 835.000 tấn K2O [11].
Phế phụ phẩm nông nghiệp phần lớn là những hợp chất hữu cơ giàu
cacbon. Sản phẩm sau quá trình phân hủy của chúng ngoài tác dụng cung cấp
dinh dưỡng cần thiết cho cây trồng còn có khả năng làm cho đất tơi xốp, cải
thiện các đặc tính của đất, nhất là khả năng giữ nước.
Phế phụ phẩm nông nghiệp bao gồm các hợp chất hydratcacbon, protein,
lipit và một số các hợp chất hữu cơ khác, ngoài ra chúng còn chứa một số các
chất có giá trị dinh dưỡng đối với quá trình sinh trưởng và phát triển cuả cây
trồng. Theo phương thức sản xuất nông nghiệp truyền thống, lượng phế phụ
phẩm nông nghiệp sau khi thu hoạch được chuyển về nhà và được sử dụng như
một nguồn nguyên liệu chính để đun nấu trong các nông hộ… ngày nay thay hầu
hết các hộ nông dân đã sử dụng các nguồn nguyên liệu khác như than, gas,
điện... cho việc nấu nướng nên phần lớn lượng phế phụ phẩm nông nghiệp sau
khi thu hoạch được người nông dân đốt ngay trên đồng ruộng... việc đốt lượng
phế phụ phẩm nông nghiẹp trên đồng ruộng đang dần hình thành một thói quen
xấu, không những gây ảnh hưởng xấu tới môi trường sinh thái mà còn rất lãng
phí nguồn nguyên liệu có nguồn gốc thực vật này.
Sản xuất phân bón trong nước chỉ mới đáp ứng được 30% nhu cầu về phân
đạm, 65% nhu cầu phân lân của sản xuất nông nghiệp, còn lại phải nhập khẩu
phân bón từ nước ngoài, đặc biệt là phân kali phải nhập khẩu 100%. Trong giai
đoạn 2005-2010 dự tính hàng năm nhu cầu sản xuất cần 1.504.000 tấn N

Luận văn Thạc sỹ Sinh học

Nguyễn Thị Yên

(3.269.000 tấn urê), 813.000 tấn P2O5 (5.081.000 tấn phân lân), 598.000 tấn K2O
(997.000 tấn phân kali) [7]. Nếu hàng năm ta tận dụng mọi nguồn phụ phẩm để
giảm được 10-20% lượng phân khoáng, thì chúng ta đã tiết kiệm được
110.500.000-221.057.000 USD.
Trong phế phụ phẩm nông nghiệp, cellulose là thành phần hữu cơ chiếm tỷ
lệ cao và rất khó bị phân hủy bởi cấu trúc phức tạp của nó. Trên thế giới hiện
nay, người ta đã tiến hành xử lý phế phụ phẩm bằng một số phương pháp thủy
phân trong môi trường kiềm hoặc axit [1]. Tuy nhiên việc phân hủy cellulose
bằng phương pháp vật lý và hóa học rất phức tạp, tốn kém và gây độc hại cho
môi trường. Trong khi đó, việc xử lý các chất thải hữu cơ chứa cellulose bằng
công nghệ sinh học, đặc biệt sử dụng các enzyme cellulase ngoại bào từ vi sinh
vật sẽ có nhiều ưu điểm về cả mặt kỹ thuật, kinh tế và môi trường. Số lượng các
loài vi sinh vật tham gia sinh tổng hợp enzyme cellulase có trong điều kiện tự
nhiên rất phong phú. Chúng thuộc nấm sợi, xạ khuẩn, vi khuẩn và trong một số
trường hợp, các nhà khoa học còn thấy cả nấm men cũng tham gia qúa trình
phân giải này.
Việc xử lý và tận dụng phế thải trong sản xuất nông nghiệp với mục đích
phục vụ sản xuất nông nghiệp đang là một trong những hướng đi đúng đắn và
thu hút được sự quan tâm của các nhà khoa học. Xử lí phế thải nông nghiệp
bằng phương pháp sinh học đang là một trong những giải pháp hữu hiệu đang
được nhiều nhà khoa học quan tâm.
Tỉnh Yên Bái với lợi thế có nguồn than bùn (xã Phù Nham, huyện Trấn
Yên) và nguồn phế phụ phẩm nông nghiệp sau thu hoạch tương đối lớn rất
thuận lợi để sản xuất phân HCVS tại chỗ [18]. Phân HCVS được tạo ra sẽ làm
giảm chi phí đầu tư cho cây chè, bên cạnh đó còn hạn chế được sự ô nhiễm môi
trường do việc đốt rơm rạ, phế phụ nông nghiệp gây ra.

Với hiện trạng của vùng chè Shan như ở các huyện Văn Chấn, Trấn Yên
tỉnh Yên Bái được hình thành từ lâu đời, nhờ sự phát tán hạt tự nhiên, thâm


Luận văn Thạc sỹ Sinh học

Nguyễn Thị Yên

canh theo kiểu chè rừng dẫn đến tình trạng đất ngày càng bị thoái hóa, năng
suất và chất lượng chè ngày càng giảm . Muốn nâng cao năng suất, chất lượng
cây chè Shan thì đòi hỏi trước hết là thay đổi tập quán canh tác và phương thức
thâm canh. Tuy nhiên, một trong những đặc điểm tạo nên thương hiệu chè
Shan là cây chè Shan phải được trồng ở độ cao 1000 m trở lên so với mực
nước biển. Chính điều này đã gây hạn chế cho việc canh tác cụ thể là việc bón
phân cho cây chè . Cây chè Shan sinh trưởng và phát triển phụ thuộc chủ yếu
vào yếu tố tự nhiên như nước mưa, quá trình mùn hóa tự nhiên của đất. Do
vậy, muốn phát triển vùng chè Shan có hiệu quả, đồng thời giảm chi phí bón
phân cho chè cần giải quyết vấn đề phân bón tại chỗ cho cây chè Shan từ
nguồn nguyên liệu sẵn có tại địa phương.
Xuất phát từ những vấn đề trên, tôi tiến hành nghiên cứu đề tài: “Nghiên
cứu lựa chọn cơ chất hữu cơ để sản xuất phân hữu cơ vi sinh cho cây chè
Shan tại tỉnh Yên Bái”.
2. Mục đích và yêu cầu
- Lựa chọn được nguồn cơ chất hữu cơ thích hợp để sản xuất phân hữu cơ
vi sinh cho cây chè Shan tại tỉnh Yên Bái
- Nguồn cơ chất hữu cơ lựa chọn được phải đảm bảo dễ kiếm, quy trình
xử lý dễ hiểu, dễ làm theo, sản phẩm sau xử lý đảm bảo các yêu cầu làm chất
mang cho sản xuất phân hữu cơ vi sinh.
3. Nội dung nghiên cứu
- Nghiên cứu tuyển chọn các chủng VSV phân giải cellulose để sản xuất

chế phẩm vi sinh.
- Xác định ảnh hưởng của các yếu tố môi trường (dinh dưỡng, nhiệt độ,
pH, oxy) đến sinh trưởng, phát triển và hoạt tính phân giải cellulose của các
chủng vi khuẩn tuyển chọn.
- Nghiên cứu xử lý nguyên liệu hữu cơ làm cơ chất hữu để sản xuất phân
hữu cơ vi sinh (HCVS) cho cây chè Shan


Luận văn Thạc sỹ Sinh học

Nguyễn Thị Yên

- Nghiên cứu bổ sung dinh dưỡng (đa, trung, vi lượng) để nâng cao chất
lượng phân HCVS cho cây chè Shan.

CHƯƠNG I: TỔNG QUAN TÀI LIỆU
1. Cở sở khoa học và thực tiễn của đề tài
1.1. Cơ sở khoa học
Trong quá trình ủ compost, các phụ phẩm nông nghiệp, phế thải chăn nuôi
và than bùn thông qua quá trình phân giải sinh học được chuyển hoá thành các
chất hữu cơ tự nhiên đơn giản hơn.
Vi sinh vật không thể trực tiếp phân huỷ các hợp chất có cấu trúc đại phân
tử không tan trong nước như cellulose. Hợp chất này chỉ có thể chuyển hoá
thành chất đơn giản như đường, amino acid, mỡ... nhờ các enzyme ngoại bào
của vi sinh vật. Đây là phức hệ enzyme thủy phân cellulose tạo ra các đường
đủ nhỏ để đi qua tế bào vi sinh vật. Ở mỗi loại vi sinh vật, enzyme oxy hóa và
enzyme phân giải protein cũng tham gia vào quá trình phân hủy cellulose.
Các thành phần chính của rơm rạ là những hydratcacbon gồm: cellulose
37,4%; hemicellulose (44,9%); lignin 4,9% và hàm lượng tro (oxit silic) cao từ
9 đến 14%. Đó là điều gây cản trở việc xử dụng rơm rạ một cách kinh tế.

Thành phần licnocellulose trong rơm rạ khó phân hủy sinh học[7].
Quá trình ủ compost về cơ bản là quá trình phân hủy cellulose. Cơ chế
phân hủy cellulose có thể tóm tắt qua sơ đồ sau [6]:
Cellulose
tự nhiên

C

1

C : Cellobiohydrolase
1

C

Cellulose
vô định hình

x

Cellobiose

β-Glucosidase
Glucose

C : Endoglucanase và Exo-glucanase
x

Sơ đồ 1: Quá trình phân hủy cellulose tự nhiên
1.2. Cơ sở thực tiễn

Luận văn Thạc sỹ Sinh học

Nguyễn Thị Yên

Tận dụng nguồn phế phụ phẩm nông nghiệp có sẵn tại địa phương để sản
xuất phân HCVS đem lại lợi ích kinh tế tương đối lớn do giải quyết được vấn
đề việc làm cho người dân, tận dụng nguồn phụ phẩm dư thừa sau thu hoạch
mà vẫn mang lại hiệu quả cho người trồng chè.
Nguồn phụ phẩm nông nghiệp khi được dùng cho sản xuất phân HCVS sẽ
làm giảm ô nhiễm môi trường không khí do việc người dân đốt rơm rạ, giảm ô
nhiễm môi trường nước do việc vứt rơm rạ vào các nguồn nước, khe suối.
2. Tổng quan về quá trình ủ compost
2.1. Khái niệm
Ủ compost là phương pháp xử lý phế thải hoặc các chất dư thừa, mà ở đó
các chất hữu cơ thông qua quá trình phân huỷ sinh học được kiểm soát trở
thành các hợp chất đơn giản hơn có thể sử dụng như một nguồn hữu cơ cung
cấp cho đất và cây trồng.
Compost : là sản phẩm của quá trình chế biến Compost, đã được ổn định
như chất mùn, không chứa các mầm bệnh, không lôi kéo các côn trùng, có thể
được lưu trữ an toàn và có lợi cho sự phát triển của cây trồng.
Quá trình làm Compost có thể phân ra làm các giai đoạn khác nhau dựa
theo sự biến thiên nhiệt độ :
- Pha thích nghi : là giai đoạn cần thiết để vi sinh vật thích nghi với môi
trường mới.
- Pha tăng trưởng : đặc trưng bởi sự gia tăng nhiệt độ do quá trình phân
hủy sinh học đến ngưỡng nhiệt mesophilic.
- Pha ưa nhiệt : là giai đoạn nhiệt độ tăng cao nhất. Đây là giai đoạn ổn
định

hóa chất thải và tiêu diệt vi sinh vật gây bệnh hiệu quả nhất.


Luận văn Thạc sỹ Sinh học

Nguyễn Thị Yên

- Pha hoàn thành : là giai đoạn giảm nhiệt độ đến mức mesophilic và cuối
cùng bằng nhiệt độ môi trường. Quá trình lên men lần thứ hai chậm và thích
hợp cho sự hình thành keo mùn (là quá trình chuyển hóa các chất hữu cơ thành
mùn và các khoáng chất sắt, canxi, nitơ …) và cuối cùng thành mùn.
Đã có rất nhiều các công trình nghiên cứu nhằm đẩy nhanh tốc độ phân
huỷ, tuy nhiên việc áp dụng các kết quả nghiên cứu chỉ dừng ở mức độ hạn chế
do ủ compost ở ngoài thực tế chủ yếu dựa theo kinh nghiệm.
2.2. Các yếu tố tham gia vào quá trình ủ compost
a. Nguồn cơ chất hữu cơ
Nguồn cơ chất hữu cơ được xử lý bằng quá trình ủ compost rất đa dạng,
nó có thể là: phế phụ phẩm nông nghiệp (rơm rạ, thân lá ngô, lạc, đậu tương,
mía,…), phế thải chăn nuôi (phân gia súc, gia cầm,…), sản phẩm thải của công
nghệ chế biến (vỏ cà phê, bã sắn, bã giấy,…), rác thải (rác thải đô thị, bùn,…).
Thành phần chính của các phế phụ phẩm nông nghiệp, chất thải chăn nuôi
và chất thải của công nghệ chế biến bao gồm:
Hợp chất cácbon (Kitin, Lignin, Hemicellulose, Cellulose, Đường và Tinh
bột)
Hợp chất béo (mỡ, dầu các loại)
Hợp chất đạm (Protein)
b. Hệ vi sinh vật
Cơ chất hữu cơ thường được sử dụng làm chất mang trong sản xuất phân
bón vi sinh thường là các nguồn phế phụ phẩm nông nghiệp như rơm rạ, thân
lá ngô, lạc đậu tương…Các nguồn phế phụ phẩm này đều có thành phần chính

gồm có các hydratcacbon có cấu tạo phức tạp và khó phân huỷ là cellulose,
hemicellulose và lignin. Trong đó, cellulose là thành phần chính, hàm lượng


Luận văn Thạc sỹ Sinh học

Nguyễn Thị Yên

của nó thường dao động từ 30-80% (hàm lượng chất khô). Do đó, để xử lý các
nguồn phế phụ phẩm này người ta thường sử dụng các loài vi sinh vật có khả
năng phân giải cellulose, trong tự nhiên các loài vi sinh vật có khả năng phân
giải vi sinh vật gồm:
Nhóm vi khuẩn: Nhóm vi khuẩn là nhóm vi sinh vật được nghiên cứu
nhiều nhất từ khoảng thế kỷ 19 đến nay. Các nhà khoa học đã phân lập được
một số chủng vi sinh vật có khả năng phân giải cellulose từ phân và dạ cỏ của
động vật nhai lại. Đầu thế kỷ 20, người ta phân lập được các nhóm vi khuẩn
hiếu khí phân giải cellulose. Trong môi trường có độ ẩm cao thường làm tăng
khả năng phân giải cellulose và hemicellulose của các nhóm vi khuẩn, nhưng
chủ yếu là các nhóm vi khuẩn hiếu khí. Một số nhóm vi khuẩn có khả năng
phân giải cellulose: Pseudomonas, Bacillus, Cellulomonas, Vibrio, Cellvibro,
Rumicocus falvefeciens, R. albus,…
Trong thực tế, người ta thấy chi Pseudomonas và Bacillus thuộc nhóm
hiếu khí là các chi có tần suất phân lập được cao nhất. Ngoài ra, còn có các chi
kị khí phân lập được trong dạ cỏ của động vật nhai lại như Rumicocus
falvefecien, R.albus.
Nhóm xạ khuẩn: Xạ khuẩn là một nhóm vi khuẩn đặc biệt, Gram dương,
hiếu khí, tế bào đặc trưng bởi sự phân nhánh, hệ sợi chia thành khuẩn ty cơ
chất và khuẩn ty khí sinh, bào tử bắn, thường có mặt quanh năm trong các loại
đất. Xạ khuẩn phân giải cellulose thường được phân lập từ các mẫu đất, mùn
rác, mẫu mùn,...ở những nơi có chứa cellulose. Một số nhóm xạ khuẩn phân

giải

cellulose:

Actinomyces,

Micromonospora, Proactinomyces.

Streptomyces,

Thermoactinomyces,


Luận văn Thạc sỹ Sinh học

Nguyễn Thị Yên

Xạ khuẩn được ứng dụng phổ biến hiện nay là Streptomyces. Các xạ
khuẩn này thuộc nhóm ưa nóng sinh trưởng phát triển tốt ở nhiệt độ 45-50 0C
rất thích hợp cho các quá trình phân huỷ các hợp chất hữu cơ.
Nhóm nấm: Có nhiều loài nấm có khả năng phân giải cellulose mạnh
nhưng phần lớn chúng thường phân hủy cellulose khi nhiệt độ ở vào khoảng 20
– 300C, pH trong khoảng từ 3,5 - 6,6. Vì vậy, chúng thường phân hủy cellulose
ở giai đoạn cuối của bể ủ, khi nhiệt độ bể ủ lạnh đi. Một số nhóm nấm có khả
năng phân giải cellulose: Trichoderma viride, Penicillium pinophinum, T.
Reesei, Fusarium solani

2.3. Cơ sở lý, hóa học của quá trình ủ compost
Vi sinh vật không thể trực tiếp phân huỷ các hợp chất có cấu trúc đại phân
tử không tan trong nước. Hợp chất này chỉ có thể chuyển hoá thành chất đơn

giản như đường, amino acid, mỡ... nhờ các enzym ngoại bào của vi sinh vật.
Quá trình phân giải có thể được thông qua 3 con đường sau:
- Hợp chất cácbon tự nhiên thành đường đơn thông qua phân huỷ hoàn toàn
- Mỡ thành đường đơn và axit béo
- Protein thành amôn hoặc nitrat
Trong quá trình phân giải hiếu khí sản phẩm tạo ra sẽ là CO 2, nước và
muối, được vi sinh vật sử dụng chuyển hoá thành sinh khối vi sinh vật và hình
thành hợp chất humate. Tuy nhiên quá trình ủ compost không bao giờ xảy ra
trong điều kiện hiếu khí hoàn toàn mà luôn kèm theo quá trình phân giải trong
điều kiện yếm khí. Khi đó sản phẩm tạo ra sẽ là các axit hữu cơ mạch ngắn,
H2S và rượu. Đây chính là các tác nhân gây mùi khó chịu trong quá trình ủ
compost.


Luận văn Thạc sỹ Sinh học

Nguyễn Thị Yên

Quá trình ủ compost là quá trình chuyển hoá của các chất có nhiệt năng
cao thành các chất có nhiệt năng thấp, và như vậy luôn luôn gắn liền với việc
thải năng lượng ra môi trường. Do ủ compost là quá trình oxy hoá không hoàn
toàn nên nhiệt năng sinh ra trong quá trình này thấp hơn nhiều so với nhiệt
năng được tạo thành do đốt nguyên liệu. Nhiệt năng sinh ra trong quá trình ủ
compost có tác dụng làm bay hơi nước của khối ủ và làm tăng nhiệt độ môi
trường.
Kết quả nghiên cứu sự biến động nhịêt độ trong quá trình ủ compost từ
một số nguồn nguyên liệu được tập hợp trong bảng 1.

Bảng 1: Động thái nhiệt độ trong quá trình ủ compost với một số phế phụ
phẩm nông nghiệp, chế biến (oC)

Thời gian
0 giờ
1 tuần
2 tuần
3 tuần
4 tuần

Bã bùn mía
32,5
65,0
55,7
47,5
32,5

Nguồn cơ chất
Bã dong riềng
Phân gà
26,5
32,7
64,7
75,3
56,2
35,2
46,1
32,0
26,0
32,0

Phân trâu, bò
29,8

69,5
34,7
29,0
29,0

Trong qúa trình ủ compost vi khuẩn đóng vai trò chủ đạo bên cạnh xạ
khuẩn và nấm mốc. Vi khuẩn có mặt ở hầu hết các giai đoạn phân giải và tham
gia phân giải tới 90% nguyên liệu. Xạ khuẩn xâm nhiễm vào nguyên liệu
compost chậm hơn vi khuẩn và phát huy tác dụng chủ yếu trong phạm vi nhiệt
độ cao (thermophil phase) đối với các nguyên liệu khó phân giải. Nấm mốc tồn
tại trong điều kiện độ ẩm nguyên liệu thấp và phân giải các nguyên liệu có cấu
trúc phức tạp.


Luận văn Thạc sỹ Sinh học

Nguyễn Thị Yên

Chế biến compost là quá trình đồng bộ phụ thuộc vào rất nhiều các yếu tố
khác nhau, bao gồm: Thành phần và hàm lượng các chất hữu cơ; Độ ẩm, cấu
trúc nguyên liệu; Hàm lượng các chất dinh dưỡng và khoáng chất; Độ pH;
Nồng độ oxy; Tiềm năng phân giải của vi sinh vật;…
Khả năng có thể phân giải được của một số nguồn nguyên liệu compost
được tổng hợp trong bảng 2


Luận văn Thạc sỹ Sinh học

Nguyễn Thị Yên

Bảng 2: Mức độ phân giải tối đa của một số nguyên liệu compost
Nguyên liệu
Nguyên liệu tự nhiên:
- Xenlulo sau khi xử lý hoá chất
- Xenlulo sau khi xử lý cơ học
- Hemixenlulo
- Lignin
- Mỡ
- Protein
Cây trồng
- Cỏ
- Cây thân gỗ lá nhọn
- Cây thân gỗ lá to
Rau, quả
- Táo
- Khoai tây
2.4. Điều khiển quá trình ủ compost

Độ phân giải tối đa (%)
90
50
70
0
40-50
50
60,7
37,5
43,0
65,3
63,4

a. Độ ẩm:
Vi sinh vật chỉ có thể phát triển trong đống ủ ở điều kiện có có nước, vì
vậy đơn vị nguyên liệu ủ phải được bao bọc bởi nước. Lượng nước tối thiểu
trong nguyên liệu phụ thuộc vào nhu cầu của vi sinh vật, trong khi đó nếu quá
nhiều nước sẽ dẫn đến tình trạng cạnh tranh giữa nước và không khí trong các
kẽ hở của đống ủ. Lượng nước tối thiểu cần thiết cho quá trình ủ khoảng 20%.
Đối với vi sinh vật yếu tố độ hoạt động của nước (giá trị Aw ) có vai trò quyết
định. Trị giá Aw tối thiểu được xác định là 0,94 tương đương với 27% độ ẩm
của giấy báo xé nhỏ. Lượng nước phù hợp nhất của khối ủ khi bắt đầu khoảng
40-60%.
b. Cấu trúc nguyên liệu, nồng độ oxy và quá trình sục khí
Oxy rất cần thiết cho các vi sinh vật hiếu khí. Để đảm bảo oxy cung cấp
cho vi sinh vật thể tích khí trong đống ủ phải đạt khoảng 20-30%. Điều này


Luận văn Thạc sỹ Sinh học

Nguyễn Thị Yên

phụ thuộc vào tính chất vật lý của nguồn nguyên liệu, khoảng cách giữa các
đơn vị nguyên liêụ với nhau và áp suất khí trao đổi. Nguyên liệu được nghiền
nhỏ có tác dụng làm tăng khả năng phân giải của vi sinh vật song lại làm hạn
chế lưu lượng khí trao đổi, vì vậy phải cân đối sao cho hai yếu tố này không
đối nghịch nhau. Thổi khí (sục khí) trong quá trình ủ có tác dụng ổn định nhiệt
độ khối ủ và làm khô nguyên liệu đồng thời tăng cường oxy cho vi sinh vật
hoạt động. Lượng khí cần thiết được xác định khoảng 2,50 lít không khí cho 1
gam nguyên liệu khô.
c. Nhiệt độ
Quá trình ủ compost luôn gắn với việc giải phóng năng lượng. Nhiệt độ

đống ủ tăng nhanh hay chậm phụ thuộc vào số lượng và chủng loại nguyên
liệu. Nhiệt độ phù hợp nhất cho quá trình ủ được nhiều nghiên cứu xác định
khoảng 55oC. Nhiệt độ tăng lên quá 60oC quần thể vi sinh vật trong đống ủ sẽ
giảm mạnh. Với nhiệt độ trên 70 oC độ hoạt động của vi sinh vật sẽ giảm 1015% so với nhiệt độ 60 oC. Ở nhiệt độ 75-82 oC người ta không còn xác định
được hoạt động nào của vi sinh vật. Đối với nguyên liệu chứa nhiều xenlulo
nhiệt độ tối ưu được xác định là dưới 55 oC.
d. Thành phần dinh dưỡng của nguyên liệu
Số liệu trong bảng 1 cho thấy hàm lượng đạm trong các nguồn nguyên liệu
rất khác nhau. Đảm bảo cho quá trình ủ xảy ra tốt nhất cần điều chỉnh tỉ lệ C/N
phù hợp cho nguồn nguyên liệu ủ. Tỷ lệ này được xác định khoảng 20:1 đến
30:1. Đối với nguyên liệu nguồn gốc từ gỗ tỷ lệ C/N có thể cao hơn khoảng
35:1 đến 40:1. Thông thường người ta bổ sung vào nguyên liệu ủ các chất hữu
cơ tự nhiên giàu nitơ như thân cây họ đậu, bột máu... Cùng với nitơ photpho
cũng là yếu tố cần thiết cho hoạt động của vi sinh vật. Tỷ lệ C/P phù hợp trong
quá trình phân giải được xác định là 200:1. Photpho được bổ sung vào đống ủ


Luận văn Thạc sỹ Sinh học

Nguyễn Thị Yên

tốt nhất dưới dạng photphat hữu cơ, ngoài ra cũng có thể sử dụng bột quặng
hoặc phân lân hoá học.

e. Vi sinh vật khởi động và vi sinh vật làm giàu dinh dưỡng
Nguyên liệu chế biến compost luôn chứa sẵn quần thể vi sinh vật có khả
năng chuyển hoá hợp chất hữu cơ. Đã có nhiều ý kiến cho rằng không cần thiết
phải bổ sung vi sinh vật phân giải chất hữu cơ vào khối ủ, song thực tế nghiên
cứu và triển khai gần đây cho thấy, quá trình ủ compost sẽ xảy ra nhanh hơn
khi được bổ sung vi sinh vật. Người ta thường bổ sung hỗn hợp vi khuẩn, xạ

khuẩn và nấm mốc vào khối ủ sao cho mật độ vi sinh vật đạt khoảng 10 6-107
VSV/g cơ chất. Ngoài ra để làm tăng giá trị dinh dưỡng của sản phẩm tạo ra
người ta cũng bổ sung vào khối ủ sinh khối vi sinh vật cố định nitơ tự do và vi
sinh vật chuyển hoá photphat khó tan. Việc bổ sung các loại vi sinh vật có khả
năng phân huỷ xenlulo cao cùng các nguyên tố dinh dưỡng như đạm dạng hữu
cơ, lân dạng quặng photphorit và một số điều kiện môi trường khác đã giúp rút
ngắn thời gian sản xuất phân hữu cơ từ 4-6 tháng xuống còn khoảng vài tuần.
Các vi sinh vật bổ sung trong quá trình sản xuất nhanh phân hữu cơ từ nguồn
phế thải giàu xenlulo là Aspergillus, Trichoderma, Penicillium., Pseudomonas,
Bacillus và Azotobacter
2.5. Các chỉ tiêu đánh giá chất lượng compost
Chất lượng Compost được đánh giá dựa trên 4 yếu tố sau:
- Mức độ lẫn tạp chất (thủy tinh, plastic, đá, kim loại nặng, chất thải hóa
học, thuốc trừ sâu …)


Luận văn Thạc sỹ Sinh học

Nguyễn Thị Yên

- Nồng độ các chất dinh dưỡng (dinh dưỡng đa lượng N, P, K; dinh
dưỡng trung lượng Ca, Mg, S; dinh dưỡng vi lượng Fe, Zn, Cu, Mn, Mo, Co,
Bo …)
- Mật độ vi sinh vật gây bệnh (thấp ở mức không ảnh hưởng có hại tới cây
trồng).
- Độ ổn định (độ chín, hoai) và hàm lượng chất hữu cơ.

2.6. Những lợi ích và hạn chế của quá trình ủ compost
a. Lợi ích
Làm mất hoạt tính của vi sinh vật gây bệnh: Nhiệt của chất thải sinh ra từ

quá trình phân hủy sinh học có thể đạt khoảng 60 0C, đủ để làm mất hoạt tính
của vi khuẩn gây bệnh, virus và trứng giun sán nếu như nhiệt độ này được duy
trì ít nhất một ngày. Các sản phẩm của quá trình chế biến Compost có thể thải
bỏ an toàn trên đất hoặc sử dụng làm chất bổ sung dinh dưỡng cho đất.
Thu hồi dinh dưỡng và cải tạo đất: Các chất dinh dưỡng (N, P, K) có trong
chất thải thường ở dạng hữu cơ phức tạp, cây trồng khó hấp thụ. Sau quá trình
làm phân Compost, các chất này được chuyển hóa thành các chất vô cơ như
NO3 thích hợp cho cây trồng. Sử dụng sản phẩm của quá trình chế biến
Compost bổ sung dinh dưỡng cho đất có khả năng làm giảm thất thoát dinh
dưỡng do rò rỉ vì các chất dinh dưỡng vô cơ tồn tại chủ yếu dưới dạng không
tan. Thêm vào đó, lớp đất trồng cũng được cải thiện nên giúp rễ cây phát triển
tốt hơn.
Làm khô nguyên liệu: Phân người, phân động vật và bùn chứa khoảng 80
– 95% nước, do đó chi phí thu gom vận chuyển và thải bỏ cao. Làm khô