Luận án tiến sĩ sinh học ứng dụng công nghệ sinh học xử lý rác hữu cơ phục vụ sản xuất nông nghiệp, tỉnh sóc trăng

TRƯỜNG ĐẠI HỌC CẦN THƠ
VIỆN NGHIÊN CỨU VÀ PHÁT TRIỂN CÔNG NGHỆ SINH HỌC

MAI THI

ỨNG DỤNG CÔNG NGHỆ SINH HỌC
XỬ LÝ RÁC HỮU CƠ PHỤC VỤ SẢN XUẤT
NÔNG NGHIỆP TỈNH SÓC TRĂNG

LUẬN ÁN TIẾN SĨ
Chuyên ngành: VI SINH VẬT HỌC
Mã số: 62 42 01 07

2018


TRƯỜNG ĐẠI HỌC CẦN THƠ
VIỆN NGHIÊN CỨU VÀ PHÁT TRIỂN CÔNG NGHỆ SINH HỌC

MAI THI

ỨNG DỤNG CÔNG NGHỆ SINH HỌC
XỬ LÝ RÁC HỮU CƠ PHỤC VỤ SẢN XUẤT
NÔNG NGHIỆP TỈNH SÓC TRĂNG

LUẬN ÁN TIẾN SĨ
Chuyên ngành: VI SINH VẬT HỌC
Mã số: 62 42 01 07

CÁN BỘ HƯỚNG DẪN
PGS. TS. Nguyễn Hữu Hiệp

2018


LỜI CÁM ƠN
Với tất cả lòng biết ơn sâu sắc, tôi xin chân thành cám ơn PGS. TS
Nguyễn Hữu Hiệp đã tận tình hướng dẫn và giúp tôi hoàn thành luận án tiến sĩ.
Thầy là người truyền cho tôi lòng nhiệt huyết và thổi lên ngọn lửa đam mê khoa
học; khơi dậy trong tôi sự nỗ lực, tự tin, ý chí kiên cường, cố gắng không ngừng
và không nản lòng trước những khó khăn và thử thách trong suốt tiến trình thực
hiện luận án này.
Tôi xin chân thành cảm ơn Ban Lãnh đạo Trường Đại học Cần Thơ, Khoa
Sau Đại học, thầy PGS. TS. Mai Văn Nam, cô Nguyễn Hữu Giao Tiên, cô Châu
Kim Khuyến đã tạo điều kiện thuận lợi cho tôi học tập và nghiên cứu hoàn
thành luận án.
Trong tiến trình 5 năm nghiên cứu, tôi đã luôn được sự quan tâm, hỗ trợ
của Ban lãnh đạo Viện Nghiên cứu và Phát triển Công nghệ Sinh học - Trường
Đại học Cần Thơ. Tôi xin chân thành cảm ơn thầy PGS. TS. Trần Nhân Dũng,
PGS. TS. Nguyển Văn Thành, PGS. TS. Ngô Thị Phương Dung, PGS. TS.
Nguyễn Minh Chơn, PGS. TS. Trương Trọng Ngôn, TS. Nguyễn Đắc Khoa,
TS. Trương Thị Bích Vân đã hỗ trợ chuyên môn và giúp tôi có thêm nhiều
nghị lực để hoàn thành luận án.
Tôi xin chân thành cảm ơn thầy PGS. TS. Trần Kim Tính và các anh chị
em phòng thí nghiệm chuyên sâu - Trường Đại học Cần Thơ đã hỗ trợ tôi các
phân tích chuyên sâu về sinh hóa, cán bộ phòng thí nghiệm Vi sinh vật
Nguyễn Thị Thúy Duy và cán bộ phòng Sinh học phân tử Trần Văn Bé Năm
thuộc Viện Nghiên cứu và Phát triển Công nghệ Sinh học - Trường đại học
Cần Thơ đã hổ trợ tôi về kỹ thuật vi sinh và sinh học phân tử.
Anh chị Nghiên cứu sinh, Thạc sĩ Cao Mỹ Phượng, Thạc sĩ Chế Minh
Ngữ, Thạc sĩ Nguyễn Diệp Minh Tân và các em sinh viên đã đồng hành cùng

tôi trong suốt quá trình nghiên cứu.
Tôi xin được gởi lời biết ơn đến Lãnh đạo Sở Nội Vụ, Sở Tài nguyên và
Môi trường, Trung tâm Quan Trắc tài nguyên và Môi trường tỉnh Sóc Trăng
đã sắp xếp công việc và tạo điều kiện thuận lợi về thời gian để tôi hoàn thành
kế hoạch học tập toàn khóa trong chương trình đào tạo tiến sĩ.
Xin cảm ơn gia đình yêu thương, Ba Má, Ông xã Nguyễn Đăng Khoa,
hai con Khánh, Khanh và các em đã dành cho tôi tất cả tình yêu và sự khuyến
khích, ủng hộ tôi trong những chặn đường cam go để hoàn thành luận án này.
Chân thành cám ơn./.
Cần Thơ, ngày …… tháng …… năm 2018



TÓM TẮT
Mục tiêu của luận án là phân lập và tuyển chọn các dòng vi khuẩn bản
địa để xử lý sinh học rác hữu cơ và sử dụng thành phẩm sau xử lý trong sản
xuất nông nghiệp. Để hoàn thành các mục tiêu của luận án, các kỹ thuật truyền
thống cũng như kỹ thuật sinh học phân tử hiện đại đã được sử dụng để phân
lập và định danh các dòng vi khuẩn có khả năng phân hủy cellulose, tinh bột
và protein từ rác hữu cơ, ruột con sùng đất và trùn đất. Kết quả có 213 dòng vi
khuẩn đã được phân lập. Khuẩn lạc của các dòng vi khuẩn đa số có dạng tròn
hoặc không đều, độ nổi mô hay lài, bìa nguyên hay răng cưa, màu trắng hay
trắng sữa; tế bào vi khuẩn phần lớn hình que ngắn, chuyển động và Gram
dương. Hai mươi dòng vi khuẩn triển vọng có hoạt tính enzyme cellulase,
amylase và protease mạnh được chọn để giải trình tự gen 16S rRNA bằng kỹ
thuật sinh học phân tử. Tất cả các dòng vi khuẩn đều thuộc chi Bacillus gồm
Bacillus subtilis (6 dòng), Bacillus megaterium (5 dòng), Bacillus cereus (2
dòng), Bacillus flexus (2 dòng), Bacillus aquimaris (2 dòng), Bacillus
aryabhattai (1 dòng), Bacillus licheniformis (1 dòng) và Bacillus sp (1 dòng).
Mối quan hệ di truyền của những dòng vi khuẩn này đã được xác lập. Các

dòng vi khuẩn triển vọng của luận án và 3 chế phẩm sinh học ngoại nhập đã
được sử dụng để xử lý rác thải hữu cơ (ủ phân hữu cơ vi sinh) tại bãi rác xã
Đại Ngãi, huyện Long Phú, tỉnh Sóc Trăng. Sự biến động về mật số vi khuẩn
phân hủy, độ pH, nhiệt độ cho thấy sự hoạt động tích cực của vi khuẩn trong
các mẻ ủ. Thành phần của phân hữu cơ vi sinh thành phẩm đáp ứng được các
yêu cầu về hàm lượng C, N, K và chỉ số C/N khi tham chiếu với tiêu chuẩn
quy định về chất lượng phân hữu cơ vi sinh của Việt Nam TCVN 7185.2002.
Phân hữu cơ vi sinh của luận án được dùng để bón cho dưa leo (Cucumis
sativus L.) và giúp giảm 50% phân hóa học trong khi các chỉ tiêu như chiều
dài trái, đường kính trái, trọng lượng trái, số trái/cây, ngày ra hoa và ngày thu
hoạch khác biệt không có ý nghĩa thống kê so với cách bón phân truyền thống
ở địa phương (100% phân hóa học).
Từ khóa: Bacillus, Cellulose, phân hủy sinh học, protein, tinh bột.

i


ABSTRACT
The purpose of this thesis is isolation and selection of indigenous
bacterial strains for the bio-degradation of organic waste and application of its
products for agricultural production. The traditional techniques as well as
modern molecular techniques were used for the isolation and identification of
cellulose, starch or protein degrading bacterial strains from organic waste
samples, liquid samples of organic waste, gut of Holotrichia parallela and
Lumbricus terrestris. Two hundred and thirteen bacterial strains were isolated.
Most of bacterial colonies were round or irregular, convex or raised elevation,
entire margin and white color. Bacterial cells were almost short rods, motile
and Gram positive. Twenty promising strains which had good cellulase,
amylase and protease activity were chosen for 16S rRNA gene sequencing
using molecular biology technique. All of them belonged to Bacillus genus

including Bacillus subtilis (6 strains), Bacillus megaterium (5 strains), Bacillus
aquimaris (2 strains), Bacillus cereus (2 strains), Bacillus flexus (2 strains),
Bacillus aryabhattai (1 strain), Bacillus licheniformis (1 strain) and Bacillus
sp. (1 strain). The phylogenetic relationship of these bacterial strains was
analysed. The promising strains and 3 imported bio-products were applied in
organic waste treatment (composting bio-fertilizer) at organic waste collection
station at Dai Ngai commune, Long Phu district, Soc Trang province. The
fluctuation of beneficial bacteria density, pH, temperature of the compost
showed that bacteria effectively worked during composting. The final product
of bio-fertilizer containing carbon, potassium, nitrogen content and C/N met
the requirement of Vietnamese standard of quality of biofertilizer (TCVN
7185.2002). Our bio-fertilizer was then applied in growing cucumber
(Cucumis sativus L.) and helped to reduce 50% of chemical fertilizer while the
parameters such as fruit length, fruit diameter, fruit weight, fruits/tree,
flowering dates and harvesting dates were not significantly different from
traditional local fertilizering (100% of chemical fertilizers).
Key words: Bacillus, bio-fertilizer, cellulose, protein, starch.

ii


MỤC LỤC
TÓM TẮT ........................................................................................................... i
ABSTRACT ...................................................................................................... ii
MỤC LỤC ........................................................................................................ iii
DANH SÁCH HÌNH ........................................................................................ vi
DANH SÁCH BẢNG ...................................................................................... vii
DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT ........................................................................... ix
CHƯƠNG 1: GIỚI THIỆU ............................................................................... 1
1.1 Đặt vấn đề .................................................................................................... 1

1.2 Mục tiêu của đề tài ....................................................................................... 1
1.3 Nội dung của luận án ................................................................................... 1
1.4 Những đóng góp mới, ý nghĩa khoa học và thực tiễn của luận án .............. 2
1.5 Cách tiếp cận và giả thuyết khoa học .......................................................... 2
1.6 Kết cấu của luận án ...................................................................................... 3
CHƯƠNG 2: TỔNG QUAN TÀI LIỆU ........................................................... 4
2.1 Tình hình rác thải ......................................................................................... 4
2.1.1 Tình hình rác thải trên thế giới......................................................... 4
2.1.2 Tình hình rác thải ở Việt Nam ......................................................... 4
2.1.3 Tình hình rác thải ở Sóc Trăng ........................................................ 4
2.2 Sự phân hủy chất thải hữu cơ ...................................................................... 6
2.2.1 Sự phân hủy cellulose ...................................................................... 6
2.2.2 Sự phân hủy tinh bột ........................................................................ 8
2.2.3 Sự phân hủy protein ......................................................................... 9
2.3 Vi sinh vật trong xử lý chất thải hữu cơ .................................................... 11
2.3.1 Nấm ................................................................................................ 11
2.3.2 Xạ khuẩn ........................................................................................ 12
2.3.3 Vi khuẩn ......................................................................................... 12
2.3.4 Vi khuẩn trong ruột côn trùng ........................................................ 14
2.4 Đặc điểm vi khuẩn Bacillus ....................................................................... 15
2.4.1 Đặc điểm hình thái ......................................................................... 15
2.4.2 Những chỉ tiêu sinh hóa dùng để định danh vi khuẩn Bacillus ..... 16
2.4.3 Vai trò của vi khuẩn Bacillus ......................................................... 17
2.5 Phân hữu cơ vi sinh ................................................................................... 17
2.5.1 Các quá trình sinh hóa trong quá trình ủ phân hữu cơ vi sinh ....... 17
2.5.2 Các yếu tố ảnh hưởng quá trình ủ phân hữu cơ vi sinh ................ 18
2.5.3 Lợi ích của phân hữu cơ vi sinh ..................................................... 20
2.6 Đặc tính sinh học cây dưa leo và kỹ thuật trồng dưa leo ........................... 21
2.6.1 Đặc tính sinh học............................................................................ 21

iii


2.6.2 Kỹ thuật trồng cây dưa leo (Cucumis sativus L.)........................... 21
CHƯƠNG 3: PHƯƠNG TIỆN VÀ PHƯƠNG PHÁP .................................... 23
3.1 Thời gian và địa điểm nghiên cứu ............................................................. 23
3.2 Phương tiện nghiên cứu ............................................................................. 23
3.2.1 Vật liệu ........................................................................................... 23
3.2.2 Dụng cụ .......................................................................................... 23
3.2.3 Thiết bị ........................................................................................... 23
3.2.4 Hóa chất và môi trường.................................................................. 24
3.3 Phương pháp nghiên cứu ........................................................................... 26
3.3.1 Phân lập vi khuẩn ........................................................................... 26
3.3.2 Quan sát đặc điểm hình thái và sinh hóa của vi khuẩn .................. 27
3.3.3 Khảo sát khả năng phân hủy cellulose, tinh bột và protein ........... 29
3.3.4 Xác định hoạt tính cellulase ........................................................... 29
3.3.5. Xác định hoạt tính amylase ........................................................... 31
3.3.6 Xác định hoạt tính protease ............................................................ 32
3.3.7 Khuếch đại đoạn gene 16S rRNA .................................................. 33
3.3.8 Giải trình tự đoạn gen 16S rRNA .................................................. 35
3.3.9 Ứng dụng vi khuẩn xử lý rác hữu cơ ............................................. 35
3.3.10 Phương pháp xác định mật số vi khuẩn hiếu khí ......................... 35
3.3.11 Phương pháp xác định C, N, P, K trong phân hữu cơ................. 36
3.2.12 Ứng dụng phân hữu cơ trồng dưa leo .......................................... 36
3.3.13 Xử lý kết quả thí nghiệm.............................................................. 37
CHƯƠNG 4: KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN .................................................. 38
4.1 Vi khuẩn phân hủy cellulose từ rác và nước rỉ rác .................................... 38
4.1.1 Kết quả phân lập ............................................................................ 38
4.1.2 Đặc điểm hình thái và sinh hóa ...................................................... 38
4.1.3 Khả năng phân hủy CMC của các dòng vi khuẩn .......................... 42

4.1.4 Kết quả định danh .......................................................................... 43
4.2 Vi khuẩn phân hủy cellulose từ ruột sùng đất và trùn đất ......................... 45
4.2.1 Kết quả phân lập ............................................................................ 45
4.2.2 Đặc điểm hình thái và sinh hóa ...................................................... 45
4.2.3 Khả năng phân hủy CMC của các dòng vi khuẩn .......................... 49
4.2.4 Kết quả định danh .......................................................................... 52
4.3 Vi khuẩn phân hủy tinh bột từ rác và nước rỉ rác ...................................... 53
4.3.1 Kết quả phân lập ............................................................................ 53
4.3.2 Đặc điểm hình thái và sinh hóa ...................................................... 53
4.3.3 Khả năng phân hủy tinh bột của các dòng vi khuẩn ...................... 57
4.3.4 Kế t quả định danh ......................................................................... 58
4.4 Vi khuẩn phân hủy tinh bột từ ruột sùng và trùn đất ................................. 59

iv


4.4.1 Kết quả phân lập ............................................................................ 59
4.4.2 Đặc điểm hình thái và sinh hóa ...................................................... 60
4.4.3 Khả năng phân hủy tinh bột của các dòng vi khuẩn ...................... 63
4.4.4 Kết quả định danh .......................................................................... 64
4.5 Vi khuẩn phân hủy protein từ rác và nước rỉ rác ....................................... 66
4.5.1 Kết quả phân lập ............................................................................ 66
4.5.2 Đặc điểm hình thái và sinh hóa ...................................................... 66
4.5.3 Khả năng phân hủy protein của các dòng vi khuẩn ....................... 69
4.5.4 Kết quả định danh .......................................................................... 70
4.6 Vi khuẩn phân hủy protein từ ruột sùng và trùn đất .................................. 72
4.6.1 Kết quả phân lập ............................................................................ 72
4.6.2 Đặc điểm hình thái và sinh hóa ...................................................... 72
4.6.3 Khả năng phân hủy protein của các dòng vi khuẩn ....................... 77
4.6.4 Kết quả định danh .......................................................................... 78

4.7 Thảo luận chung ........................................................................................ 80
4.8 Đánh giá khả năng phân hủy rác thải của các chế phẩm sinh học............. 82
4.8.1 Mật số vi khuẩn trong quá trình ủ .................................................. 82
4.8.2 Nhiệt độ và pH trong quá trình ủ nguyên liệu ............................... 82
4.8.3 Hàm lượng (%) C, N, P, K và tỷ lệ C/N của mẻ ủ ......................... 83
4.9 Kết quả ứng dụng phân hữu cơ vi sinh trồng dưa leo ............................... 84
CHƯƠNG 5: KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ................................................... 86
5.1 Kết luận ...................................................................................................... 86
5.2 Kiến nghị ................................................................................................... 86
TÀI LIỆU THAM KHẢO ............................................................................... 87
PHỤ LỤC ........................................................................................................ 97

v


DANH SÁCH HÌNH
Hình 2.1: Sự phân cắt cellulose bởi enzyme cellulase ...................................... 7
Hình 2.2: Cấu trúc phân tử amylose và amylopectin ........................................ 8
Hình 2.3: Cơ chế phân hủy tinh bột ................................................................... 9
Hình 2.4: Sự hình thành chuỗi polypeptide ..................................................... 10
Hình 2.5: Cấu trúc của protein......................................................................... 10
Hình 2.6: Cơ chế phân hủy protein .................................................................. 11
Hình 2.7: Tế bào vi khuẩn Bacillus subtilis..................................................... 16
Hình 4.1: Đĩa trải mẫu nước rỉ rác trên môi trường CMC 1% ....................... 38
Hình 4.2: Khuẩn lạc của một số dòng vi khuẩn phân hủy tinh bột ................. 39
Hình 4.3: Vòng sáng phân hủy CMC .............................................................. 42
Hình 4.4: Phổ điện di sản phẩm PCR của hai dòng vi khuẩn triển vọng ........ 44
Hình 4.5: Khuẩn lạc của hai dòng vi khuẩn phân hủy tinh bột ....................... 46
Hình 4.6: Vòng sáng phân hủy CMC .............................................................. 50
Hình 4.7: Phổ điện di sản phẩm PCR của bốn dòng vi khuẩn triển vọng ....... 52

Hình 4.8: Khuẩn lạc của một số dòng vi khuẩn phân hủy tinh bột ................. 54
Hình 4.9: Vòng sáng phân hủy tinh bột ........................................................... 58
Hình 4.10: Phổ điện di sản phẩm PCR của hai dòng vi khuẩn triển vọng ...... 58
Hình 4.11: Khuẩn lạc của hai dòng vi khuẩn phân hủy tinh bột ..................... 60
Hình 4.12: Vòng sáng phân hủy tinh bột ......................................................... 64
Hình 4.13 Phổ điện di sản phẩm PCR của các dòng vi khuẩn triển vọng ....... 64
Hình 4.14: Đĩa trải mẫu nước rỉ rác trên môi trường peptone 1% .................. 66
Hình 4.15: Khuẩn lạc của hai dòng vi khuẩn phân hủy protein ...................... 67
Hình 4.16: Vòng sáng phân hủy skim milk ..................................................... 70
Hình 4.17: Phổ điện di sản phẩm PCR của các dòng vi khuẩn triển vọng ...... 71
Hình 4.18 Đĩa thạch trải ruột sùng đất (A) và ruột trùn đất (B) ...................... 72
Hình 4.19: Khuẩn lạc của dòng vi khuẩn TPs40 ............................................. 73
Hình 4.20: Vòng sáng phân hủy skim milk ..................................................... 78
Hình 4.21 Tỷ lệ các loài vi khuẩn đã được định danh ..................................... 80
Hình 4.22: Mối quan hệ di truyền giữa 20 dòng vi khuẩn triển vọng ............. 81
Hình 4.23: Kết quả phân tích haplotype của 20 dòng vi khuẩn đã định danh . 82

vi


DANH SÁCH BẢNG
Bảng 2.1: Sự phát sinh và thu gom rác thải nông thôn ở tỉnh Sóc Trăng .......... 5
Bảng 2.2: Tổng hợp phân loại rác thải ở chợ trung tâm TP. Sóc Trăng ............ 5
Bảng 2.3: Tổng hợp phân loại rác thải tại chợ thị trấn Mỹ Xuyên .................... 6
Bảng 2.4: Tổng hợp phân loại rác thải tại chợ thị trấn Trần Đề ........................ 6
Bảng 2.5: Thành phần hóa học của xác thực vật nông nghiệp thường gặp ..... 18
Bảng 3.1: Thành phần các chất trong một phản ứng PCR .............................. 34
Bảng 3.2: Các giai đoạn của phản ứng PCR.................................................... 34
Bảng 4.1: Đặc điểm khuẩn lạc vi khuẩn .......................................................... 39
Bảng 4.2: Đặc điểm tế bào của 26 dòng vi khuẩn ........................................... 40

Bảng 4.3: Khả năng sinh catalase và đổi màu Methyl red .............................. 41
Bảng 4.4: Khả năng phân hủy CMC của 22 dòng vi khuẩn ............................ 43
Bảng 4.5: Hoạt tính enzyme endoglucanase và exoglucanase ........................ 43
Bảng 4.6: Kết quả so sánh trình tự với dữ liệu NCBI ..................................... 45
Bảng 4.7: Đặc điểm khuẩn lạc của 50 dòng vi khuẩn ..................................... 46
Bảng 4.8: Đặc điểm tế bào của 50 dòng vi khuẩn ........................................... 47
Bảng 4.9: Đặc tính sinh hóa của 50 dòng vi khuẩn ......................................... 49
Bảng 4.10: Khả năng phân hủy CMC của các dòng vi khuẩn ......................... 50
Bảng 4.11: Khả năng phân hủy bột giấy của 10 dòng triển vọng ................... 51
Bảng 4.12: Hoạt tính endoglucanase và exoglucanase .................................... 51
Bảng 4.13: Kết quả so sánh trình tự với dữ liệu NCBI ................................... 53
Bảng 4.14: Đặc điểm khuẩn lạc của 30 dòng vi khuẩn ................................... 54
Bảng 4.15: Đặc điểm tế bào của 30 dòng vi khuẩn ......................................... 55
Bảng 4.16: Đặc điểm sinh hóa 30 dòng vi khuẩn ............................................ 56
Bảng 4.17: Khả năng phân hủy tinh bột của 30 dòng vi khuẩn....................... 57
Bảng 4.18: Hoạt tính enzyme amylase của hai dòng triển vọng ..................... 58
Bảng 4.19: Kết quả so sánh trình tự với dữ liệu NCBI ................................... 59
Bảng 4.20: Đặc điểm khuẩn lạc của 28 dòng vi khuẩn ................................... 60
Bảng 4.21: Đặc điểm tế bào của 28 các dòng vi khuẩn ................................... 61
Bảng 4.22: Đặc tính sinh hóa 30 dòng vi khuẩn.............................................. 62
Bảng 4.23 Khả năng phân hủy tinh bột của 27 dòng vi khuẩn ........................ 63
Bảng 4.24: Hoạt tính enzyme amylase các dòng vi khuẩn .............................. 64
Bảng 4.25: Kết quả so sánh trình tự với dữ liệu NCBI ................................... 65
Bảng 4.26: Đặc điểm khuẩn lạc của 29 dòng vi khuẩn ................................... 67
Bảng 4.27: Đặc điểm tế bào của 29 dòng vi khuẩn ......................................... 68
Bảng 4.28: Đặc điểm sinh hóa của 29 dòng vi khuẩn ..................................... 69
Bảng 4.29: Khả năng phân hủy protein của 29 dòng vi khuẩn........................ 70
Bảng 4.30: Hoạt tính enzyme protease các dòng RPp9, RPs19 và RPg15 ..... 70
Bảng 4.31: Kết quả so sánh trình tự với dữ liệu NCBI ................................... 72

vii


Bảng 4.32: Đặc điểm khuẩn lạc của các dòng vi khuẩn .................................. 73
Bảng 4.33: Đặc điểm tế bào của 35 dòng vi khuẩn ......................................... 75
Bảng 4.34: Đặc điểm sinh hóa của 50 dòng vi khuẩn ..................................... 76
Bảng 4.35: Khả năng phân hủy skim milk của 35 dòng vi khuẩn ................... 77
Bảng 4.36: Hoạt tính protease của 3 dòng triển vọng ..................................... 78
Bảng 4.37 Kết quả so sánh trình tự với dữ liệu NCBI .................................... 79
Bảng 4.38 Tỷ lệ vi khuẩn phân lập theo cơ chất hữu cơ ................................. 80
Bảng 4.39 Mật số vi khuẩn phân hủy rác (CFU/g) .......................................... 82
Bảng 4.40 Sự biến động nhiệt độ (oC) trong quá trình ủ phân ........................ 83
Bảng 4.41 Sự biến động pH trong quá trình ủ ................................................. 83
Bảng 4.42 Sự biến động thành phần (%) C,N , P, K và tỷ lệ C/N của mẻ ủ ... 84
Bảng 4.43 Ảnh hưởng của phân hữu cơ vi sinh lên cây dưa leo ..................... 85

viii


DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT
ANOVA
ARN
BOD
CMC
COD
CTR
CV
DNA
EDTA
LB

LSD
NCBI
OD
PCA
PCR
TCA
TCVN
USA
UV

Analysis of variance
Acid ribonucleic
Biochemical oxygen demand
Carboxymethyl cellulose
Chemical oxygen demand
Chất thải rắn
Coefficient of variation
Deoxyribonucleic acid
Ethylenediaminetetraacetic acid
Luria broth
Least significant difference
National Center for Biotechnology Information
Optical density
Plate count agar
Polymerase chain reaction
Trichloroacetic acid
Tiêu chuẩn Việt Nam
United States of America
Ultraviolet

ix


CHƯƠNG 1: GIỚI THIỆU
1.1 Đặt vấn đề
Cùng với sự gia tăng số lượng và quy mô các ngành nghề sản xuất, sự hình
thành các khu dân cư tập trung, nhu cầu tiêu dùng hàng hoá, nguyên vật liệu và
năng lượng ngày càng tăng. Những sự gia tăng đó đã tạo điều kiện kích thích các
ngành sản xuất, kinh doanh và dịch vụ mở rộng và phát triển nhanh chóng, đóng
góp tích cực cho sự phát triển kinh tế - xã hội của đất nước. Tuy nhiên, song song
với sự phát triển mạnh mẽ là sự phóng thích một lượng lớn chất thải vào môi
trường, đặc biệt là chất thải rắn như chất thải sinh hoạt, chất thải công nghiệp,
chất thải y tế, chất thải nông nghiệp, chất thải xây dựng, chất thải nguy hại…
Hiện nay, ô nhiễm môi trường đang là vấn đề cấp bách trên mỗi quốc gia và có
rất nhiều phương án để khắc phục, giảm thiểu hậu quả của ô nhiễm môi trường.
Rác thải sinh hoạt tại Việt Nam, nhất là tại các thành phố lớn chủ yếu được xử lý
thô sơ bằng cách vùi tại các bãi chôn lấp, có nguy cơ gây ô nhiễm không khí và
nguồn nước ngầm. Tỉnh Sóc Trăng hàng ngày có hơn 248,2 tấn rác thải; hiện nay
tỉnh chưa có quy trình công nghệ xử lý rác đạt yêu cầu mà chủ yếu chỉ đổ vào bãi
rác hở chờ phân hủy tự nhiên, vừa chiếm diện tích lớn vừa mất vệ sinh tạo nên
những điểm nóng ô nhiễm môi trường nghiêm trọng. Chính điều này tác động lớn
đến môi trường xung quanh, là nguy cơ tiềm ẩn những dịch bệnh cho con người
và làm cho môi trường ngày càng ô nhiễm. Từ những lý do trên, đề tài nghiên
cứu “Ứng dụng công nghệ sinh học xử lý rác hữu cơ phục vụ sản xuất nông
nghiệp, tỉnh Sóc Trăng” góp phần bảo vệ môi trường hướng đến phát triển bền
vững kinh tế - xã hội đi đôi với bảo vệ môi trường đã được thực hiện.
1.2 Mục tiêu của đề tài
Phân lập và chọn lọc được các dòng vi khuẩn bản địa để xử lý rác hữu cơ
và ứng dụng phân hữu cơ vi sinh trong sản xuất nông nghiệp tỉnh Sóc Trăng.
1.3 Nội dung của luận án

Phân lập và tuyển chọn các dòng vi khuẩn có khả năng phân hủy
cellulose, tinh bột và protein triển vọng từ ruột con sùng đất, trùn đất và các
bãi rác trên địa bàn tỉnh Sóc Trăng để chế tạo chế phẩm sinh học xử lý rác.
Thử nghiệm xử lý rác thải hữu cơ bằng vi khuẩn của luận án và so sánh
đối chiếu với một số chế phẩm ngoại nhập tại bãi rác Đại Ngãi thuộc bàn tỉnh
Sóc Trăng. Rác thải hữu cơ sau xử lý được dùng làm phân hữu cơ vi sinh và
bón thử nghiệm trên cây dưa leo ở Sóc Trăng.

1


1.4 Những đóng góp mới, ý nghĩa khoa học và thực tiễn của luận án
1.4.1 Những đóng góp mới
Hai trăm mười ba dòng vi khuẩn bản địa đã được phân lập có khả năng
phân hủy cellulose, tinh bột và protein. Trong đó, hai mươi dòng có khả năng
phân hủy cellulose, tinh bột và protein triển vọng nhất được định danh dựa vào
đặc điểm hình thái, sinh hóa và kỹ thuật sinh học phân tử và đều thuộc chi
Bacillus.
Việc sử dụng những dòng vi khuẩn triển vọng của luận án thử nghiệm xử
lý rác thải hữu cơ tại bãi rác Đại Ngãi cho kết quả khả quan và hiệu quả xử lý
không thua kém những chế phẩm ngoại nhập. Việc thử nghiệm bón phân hữu
cơ vi sinh trên cây dưa leo cho thấy phân hữu cơ vi sinh sau khi ủ với các
dòng vi khuẩn triển vọng của luận án có hiệu quả ứng dụng nhất định.
1.4.2 Ý nghĩa khoa học
Tuyển chọn được các dòng vi khuẩn bản địa có khả năng phân hủy
cellulose, tinh bột, protein triển vọng từ các bãi rác, ruột con sùng đất và trùn
đất thuộc tỉnh Sóc Trăng. Xây dựng được cây phả hệ, mô tả mối quan hệ di
truyền giữa các dòng vi khuẩn đã giải trình tự.
Các kết quả khoa học của luận án có thể sử dụng bổ sung tài liệu tham
khảo về nhóm vi khuẩn phân hủy cellulose, tinh bột và protein và có thể bổ

sung giáo trình giảng dạy vi sinh vật môi trường cho Đại học, Cao học và
Nghiên cứu sinh.
1.4.3 Ý nghĩa thực tiễn
Luận án đã phân lập được nhiều dòng vi khuẩn phân hủy cellulose, tinh
bột và protein triển vọng có thể dùng để xử lý rác hữu cơ.
Bón phân hữu cơ vi sinh của luận án cho cây dưa leo giúp giảm lượng
phân hóa học so với cách trồng cũ ở địa phương. Phân hữu cơ vi sinh từ luận
án có thể được sử dụng trong thực tiễn vì có hiệu quả nhất định và thân thiện
với môi trường.
1.5 Cách tiếp cận và giả thuyết khoa học
Vi khuẩn phân hủy cellulose, tinh bột và protein được phân lập trên môi
trường của Shengwei et al. (2012) và được kiểm tra các đặc điểm hình thái và
sinh hoá theo mô tả của Cao Ngọc Điệp và Nguyễn Hữu Hiệp (2002).
Hoạt tính enzyme endoglucanase, exoglucanase và amylase được xác
định bằng phương pháp Nelson-Somogyi (Nelson, 1944). Hoạt tính protease
được xác định bằng phương pháp của Cupp-Enyard (2008).

2


Các kỹ thuật sinh học phân tử dùng trong định danh loài vi khuẩn gồm ly
trích DNA (Carr and Kaguni, 2001), phản ứng PCR khuếch đại đoạn gen 16S
rRNA (Lane, 1991), điện di và giải trình tự. Cây phả hệ được xây dựng dựa
trên khoảng cách tiến hóa bằng phần mềm phân tích MEGA.5 (Tamura et al.,
2011).
Hàm lượng C, N, P, K trong phân hữu cơ vi sinh được đánh giá dựa theo
tiêu chuẩn của TCVN 7185:2002 về chất lượng phân hữu cơ vi sinh thành
phẩm. Sử dụng phân hữu cơ vi sinh trồng dưa leo, so sánh năng suất và chất
lượng trái dưa leo với cách trồng ở địa phương (Trần Thi Lệ và Nguyễn Hồng
Phương, 2009).

Số liệu được xử lý thống kê với phần mềm Minitap 17 với phương pháp
phân tích phương sai (ANOVA) và kiểm định Fisher (LSD).
1.6 Kết cấu của luận án
Luận án có 3 phần:
- Phần đầu (Tóm tắt, abstract, mục lục, ...): 10 trang.
- Phần chính luận án gồm 5 chương:
+ Chương 1: Giới thiệu: 3 trang;
+ Chương 2: Tổng quan tài liệu: 19 trang;
+ Chương 3: Phương tiện và phương pháp nghiên cứu: 15 trang;
+ Chương 4: Kết quả và thảo luận: 48 trang;
+ Chương 5: Kết luận : 1 trang.
- Phần cuối:
+ Tài liệu tham khảo: 11 trang;
+ Phụ lục: 40 trang.

3


CHƯƠNG 2: TỔNG QUAN TÀI LIỆU
2.1 Tình hình rác thải
2.1.1 Tình hình rác thải trên thế giới
Trên thế giới, việc xử lý rác thải được các nước rất quan tâm và thực hiện
một cách nghiêm ngặt phải đáp ứng các tiêu chuẩn đối với môi trường. Một số
nước tiên tiến đã đưa ra các biện pháp tối ưu, áp dụng nhiều kỹ thuật khoa học
tiên tiến để tái chế, tái sử dụng các loại rác thải thành sản phẩm có giá trị sử
dụng thực tế. Thêm vào đó, với sự phát triển của Công nghệ sinh học, đặc biệt
là vi sinh vật học, các nhà nghiên cứu đã ứng dụng thành công nhiều vi sinh
vật trong việc xử lý môi trường. Các loại vi sinh vật có khả năng tạo ra các hệ
enzyme giúp chúng lên men phân hủy rác thải.
2.1.2 Tình hình rác thải ở Việt Nam

Theo báo cáo hiện trạng môi trường tỉnh Sóc Trăng (2016), ở Việt Nam,
rác thải được xử lý bằng biện pháp đơn giản phổ biến là tái chế, đốt, chôn lấp
hoặc ủ phân tùy loại rác. Các loại rác như nylon, bìa giấy, chai nhựa, …là các
loại rác khó phân hủy được tái chế để dùng làm nguyên liệu cho quá trình sản
xuất các sản phẩm giấy và nhựa thứ cấp, còn các loại rác vô cơ được tái chế
thành vật liệu xây dựng nhẹ cấp thấp được dùng cho các công trình cảnh quan
đô thị. Đối với những loại rác hữu cơ dễ phân hủy và đồng nhất thì thường
được ủ phân làm phân bón hữu cơ dùng cho cây trồng.
2.1.3 Tình hình rác thải ở Sóc Trăng
Rác thải sinh hoạt tập trung chủ yếu tại thành phố Sóc Trăng, thị trấn và
thị tứ thuộc các huyện trên địa bàn tỉnh và chiếm tỷ lệ khoảng 22% với khoảng
248,2 tấn/ngày. Do còn nhiều khó khăn như thiếu kinh phí đầu tư, thiếu trang
thiết bị thu gom và thiếu công nghệ xử lý nên vấn đề ô nhiễm môi trường từ
rác thải diễn ra thường xuyên, tạo áp lực cho quá trình phát triển kinh tế - xã
hội, ảnh hưởng xấu tới sức khỏe dân cư và mỹ quan đô thị.
Rác thải thải sinh hoạt phát sinh từ nhiều nguồn khác nhau như đời sống
của dân cư, các khu dịch vụ, các khu vực chợ, trung tâm thương mại, các địa
điểm du lịch, các cơ sở tiểu thủ công nghiệp, hoạt động sản xuất nông nghiệp
và các làng nghề. Tổng lượng rác thải sinh hoạt phát sinh trên địa bàn tỉnh
khoảng hơn 6.169.258,3 tấn/năm và hơn 80% là rác hữu cơ dễ bị phân hủy
(Bảng 2.1, Bảng 2.2, Bảng 2.3 và Bảng 2.4).

4


Bảng 2.1: Sự phát sinh và thu gom rác thải nông thôn ở tỉnh Sóc Trăng
Huyện, thị xã
Vĩnh Châu
Ngã Năm
Kế Sách

Long Phú
Mỹ Xuyên
Thạnh Trị
Trần Đề
Châu Thành
Mỹ Tú
Cù Lao Dung
Tổng cộng

Dân số
nông
thôn1
78.105
31.670
128.785
79.690
122.288
56.522
99.398
83.377
92.375
55.584

Chỉ số phát sinh
rác thải2
(kg/người/ngày)
0,3
0,3
0,3
0,3

0,3
0,3
0,3
0,3
0,3
0,3

Khối lượng
phát sinh3
(tấn/ngày)
23,4
9,5
38,6
23,9
36,7
16,9
29,8
25,0
27,7
16,7

Khối lượng Tỷ lệ thu
thu gom4
gom5
(tấn/ngày)
(%)
(3)
15,2
64,9
1,7 (4)

17,9
2,7
7,0
1,0
4,2
10,3
28,1
2,4
14,2
7,6
25,5
9,7
38,8
1,0
3,6
0,6
3,6
52,2
21,0

Ghi chú:
(1) Số liệu của Cục thống kê tỉnh Sóc Trăng, năm 2015;
(2) Chỉ số phát sinh rác thải sinh hoạt nông thôn: Tính theo Báo cáo môi trường quốc gia
Chất thải rắn, 2011;
(3) Số liệu của Xí nghiệp quản lý công trình đô thị thị xã Vĩnh Châu;
(4) Số liệu của Xí nghiệp quản lý công trình đô thị Thị xã Ngã Năm.

Bảng 2.2: Tổng hợp phân loại rác thải ở chợ trung tâm TP. Sóc Trăng
Thành phần rác

Mẫu phân loại
Mẫu 1

Mẫu 2

Mẫu 3

Tỷ lệ tính trên
giá trị trung bình (%)

Giấy
15,0
20,0
23,0
Chai nhựa
12,0
18,0
12,0
Xương
10,0
22,0
20,0
Bọc nilon
280,6
439,4
432,4
Thủy tinh
10,0
16,0
15,0

Bao bì
15,0
18,0
22,0
CTNH
0,4
0,8
0,8
Rác hữu cơ (rau củ, trái cây hư,…) 3.659,6 4.390,4 4.493,8
Lông (heo, gà, vịt), đầu tép
1,0
1,5
1,8

0,42
0,30
0,37
8,26
0,29
0,39
0,01
89,92
0,03

Tổng rác (kg)

100,00

4.003,6 4.926,1 5.020,8

Nguồn: Báo cáo hiện trạng môi trường chợ tỉnh Sóc Trăng 2016.

5


Bảng 2.3: Tổng hợp phân loại rác thải tại chợ thị trấn Mỹ Xuyên
Mẫu phân loại
Thành phần rác
Giấy
Chai nhựa
Xương
Bọc nilon
Thủy tinh
Bao bì
CTNH
Rác hữu cơ (rau củ, trái cây
hư,…)
Lông (heo, gà, vịt), đầu tép
Tổng rác (kg)

Mẫu 1

Mẫu 2

Mẫu 3

Tỷ lệ tính trên
gía trị trung bình (%)

16,6

15,5
18,0
6,0
7,5
10,0
2,4
3,2
3,6
101,2
115,8
110,0
5,5
4,5
5,0
15,0
14,8
13,0
0,6
0,8
0,6
1.100,8 1.032,4 1.109,5

1,33
0,62
0,24
8,68
0,40
1,14
0,05
86,08

18,2
20,0
16,5
1.266,3 1.214,5 1.286,2

1,45
100,00

Nguồn: Báo cáo hiện trạng môi trường chợ tỉnh Sóc Trăng 2016.

Bảng 2.4: Tổng hợp phân loại rác thải tại chợ thị trấn Trần Đề
Mẫu phân loại
Thành phần rác
Giấy
Chai nhựa
Xương
Bọc nilon
Thủy tinh
Bao bì
CTNH
Rác hữu cơ (rau củ, trái cây hư,…)
Lông (heo, gà, vịt), đầu tép
Tổng rác (kg)

Mẫu 1 Mẫu 2 Mẫu 3
12.0
3,8
2,0
74,5

2,0
7,0
0,4
711,5
12,4
825,6

14,0
4,5
1,6
86,6
4,4
12,5
0,5
740,4
15,0
879,5

13,5
3,5
1,8
80,8
3,0
10,0
0,4
725,3
11,5
849,8

Tỷ lệ tính trên

giá trị trung bình (%)
1,55
0,46
0,21
9,47
0,37
1,15
0,05
85,22
1,52
100,00

Nguồn: Báo cáo hiện trạng môi trường chợ tỉnh Sóc Trăng 2016

Rác thải sinh hoạt từ nơi phát thải được thu gom và vận chuyển đến bãi
rác Sóc Vồ, phường 7, thành phố Sóc Trăng, tỉnh Sóc Trăng để phân loại và
xử lý. Rác hữu cơ dễ phân hủy được xử lý bằng phương thức phun trực tiếp
chế phẩm sinh học được các phòng Tài nguyên và Môi trường các huyện trong
tỉnh Sóc Trăng cung cấp. Tuy nhiên công suất và hiệu quả xử lý từ các chế
phẩm đó chưa đáp ứng được nhu cầu xử lý.
2.2 Sự phân hủy chất thải hữu cơ
2.2.1 Sự phân hủy cellulose
Cellulose là đơn vị cấu thành của sinh khối thực vật, được tìm thấy trong
tự nhiên, nhiều nhất là vách tế bào thực vật. Cellulose trong sinh khối thực vật
có thể chiếm 35-50% khối lượng khô (Lynd et al., 1999). Cellulose là một
chất đa phân tử có thể có đến 10.000 đơn phân β-D-glucose, nối với nhau bằng

6

cầu nối β-1,4-glycoside tạo thành chuỗi thẳng, nhóm hydroxyl của chuỗi thứ
nhất tạo liên kết hydro với phân tử oxy của chuỗi bên cạnh, sự liên kết chặt
chẽ giữa những chuỗi bên cạnh nhau hình thành cấu trúc tinh thể (crystalline)
chắc chắn, rất khó phân hủy. Vì cấu trúc mạng lưới vững chắc nên không có
một enzyme đơn lẻ nào có thể phân hủy hoàn toàn mà phải có sự phối hợp của
một hệ thống enzyme (Nguyễn Lân Dũng và ctv., 2007).
Theo Nguyễn Đức Lượng và ctv. (2004), một phân tử cellulose có cấu
trúc không đồng đều gồm vùng kết tinh và vùng vô định hình. Đối với vùng
kết tinh, cellulose có cấu trúc trật tự rất cao và rất bền vững. Endoglucanase
chỉ có tác dụng trên bề mặt hệ sợi này. Còn đối với vùng vô định hình,
cellulose có cấu trúc không bền và dễ bị tác động bởi các yếu tố bên ngoài.
Exoglucanase có thể phân hủy vùng này dễ dàng và làm thay đổi toàn bộ cấu
trúc phân tử cellulose (Hình 2.1).
Cellulose được phân hủy hoàn toàn nhờ sự phối hợp của các loại
cellulase khác nhau gồm endoglucanase (1,4-β-D-glucan-4 glucanohydrolase),
exoglucanase (1,4-β-D-glucan glucohydrolase) và cellobiase (β-glucosidase)
(Teeri, 1997). Trong đó, endoglucanase chứa 418 acid amine, có trọng lượng
phân tử 42-49 kDa, chúng tham gia phân hủy một cách ngẫu nhiên các liên kết
β-1,4-glycoside trong phân tử cellulose để tạo ra các đoạn oligosaccharide có
chiều dài khác nhau. Exoglucanase cắt đầu không khử của chuỗi cellulose để
tạo thành cellobiose và giải phóng từng đơn vị glucose hoặc cellobiose. Trọng
lượng phân tử của enzyme này từ 53-75 kDa. Enzyme cellobiase có trọng
lượng phân tử khoảng 50-98 kDa, họat động ở pH 4,4-4,8, phân cắt cellobiose
thành glucose (Saha et al., 2006) (Hình 2.1).

Hình 2.1: Sự phân cắt cellulose bởi enzyme cellulase
Nguồn: Saha et al. (2006)

7

2.2.2 Sự phân hủy tinh bột
Tinh bột là chất rắn vô định hình, màu trắng, không tan trong nước
nguội; trong nước nóng từ 65oC trở lên tinh bột chuyển thành hồ tinh bột. Tinh
bột có nhiều trong các loại hạt (gạo, mì, bắp…), củ (khoai, sắn, …) và quả
(táo, chuối,…). Tinh bột gồm hai đại phân tử là amylose và amylopectin. Cả
hai đều có công thức phân tử là (C6H10O5)n trong đó C6H10O5 là gốc α-Dglucose và n nằm trong khoảng 1000-4000 đối với amylose và 2000-20.000
đối với amylopectin. Phân tử amylose gồm các gốc α-D-glucose nối với nhau
bởi liên kết α-1,4-glicosidic tạo thành một chuỗi dài không phân nhánh và
xoắn thành hình lò xo trong khi amylopectin có cấu trúc phân nhánh do sự liên
kết giữa C1 của chuỗi này với C6 của chuỗi kia qua nguyên tử O (gọi là liên
kết α-1,6-glycoside) (French, 1973).

Hình 2.2: Cấu trúc phân tử amylose và amylopectin
Nguồn: French (1973)

Theo Marc et al. (2002), quá trình phân hủy một phân tử tinh bột có sự
tham gia của 4 nhóm enzyme gồm enzyme phân cắt nhánh (isoamylase và
pullulanase), endoamylase (α-amylase), exoamylase (β-amylase, γ-amylase và
α-glucosidase) và các transferase (enzyme tạo nhánh, α-1,4-transferase và α1,6-transferase). Enzyme phân cắt nhánh cắt những liên kết α-1,6-glycoside
tạo thành các chuỗi dextrin mạch thẳng. Endoamylase hay α-amylase phân cắt
ngẫu các liên kết α-1,4-glycoside bên trong phân tử amylose và amylopectin
giải phóng hỗn hợp các sản phẩm gồm các oligosaccharides, maltose và α-Dglucose. Các sản phẩm từ quá trình phân cắt của α-amylase tiếp tục được phân
cắt bởi exoamylase, là enzyme cũng hoạt động trên liên kết α-1,4-glycoside.
Trong quá trình phân cắt của các exoenzyme, β-amylase chỉ phân cắt liên kết
α-1,4-glycoside để tạo thành các sản phẩm như maltose và β-dextrin. Enzyme

8

γ-amylase và α-glucosidase phân cắt cả hai liên kết α-1,4-glycoside và α-1,6glycoside giải phòng ß-D-glucose. Sự hoạt động của transferase gồm có tạo
liên kết α-1,6-glycoside giữa các dextrin bởi enzyme tạo nhánh (α-1,6transferase), tạo cyclodextrin hoặc dextrin bởi α-1,4-transferase (cyclodextrin
glycosyltransferase và amylomaltase). Sự hoạt động của transferase thực chất
là phá vỡ liên kết α-1,4-glycoside và thiết lập lại liên kết khác để tạo thành
những sản phẩm chuyển hóa (Hình 2.3).

Hình 2.3: Cơ chế phân hủy tinh bột
Nguồn: Marc et al. (2002)

2.2.3 Sự phân hủy protein
Protein là những polypeptide có trọng lượng phân tử lớn, đóng vai trò
quan trọng về chức năng và cấu trúc của tế bào sinh vật. Protein có thể cấu tạo
từ một hay nhiều chuỗi amino acid gọi là polypeptide. Các acid amin trong
chuỗi polypeptide liên kết bền vững với nhau thông qua liên kết peptide.
Trong tự nhiên có khoảng 20 acid amin tham gia phản ứng ngẫu nhiên tạo
thành các chuỗi polypeptide nên polypeptide rất đa dạng kéo theo sự đa dạng
của protein (Hình 2.4). Các acid amin của cùng hoặc khác chuỗi polypeptide
cũng có thể liên kết với nhau qua các liên kết như liên kết hydro, liên kết ion
và liên kết disulfide làm cho phân tử protein có cấu trúc đa dạng (Hình 2.5).
Một số loại protein như myoglobin và hemoglobin có nhóm heme trong cấu
trúc bậc 3 hoặc bậc 4 cho phép các phân tử oxy bám vào (Hình 2.5).

9


Hình 2.4: Sự hình thành chuỗi polypeptide
Nguồn: www.accessexcellence.org

Hình 2.5: Cấu trúc của protein
Nguồn:

Các protease phân hủy protein thông qua quá trình phân cắt liên kết
peptide của các chuỗi polypeptide trong phân tử protein. Hai cơ chế phân hủy
protein phổ biến là cơ chế “1 bước” đối với các protease acid (pH 2-4) và “2
bước” đối với protease trung tính (pH 7-8). Trong cơ chế “1 bước”, nhóm acid
của protease hoạt hóa phân tử phản ứng phân cắt liên kết peptide chia chuỗi
polypeptide thành hai sản phẩm (hai chuỗi polypeptide mới). Đối với cơ chế
“2 bước”, nhóm trung tính của protease tấn công vào liên kết peptide và cắt
chuỗi peptide tạo thành một chuỗi polypeptide mới và một chất trung gian

10


không bền tạo bởi protease và chuỗi poly peptide còn lại. Chất trung gian này
dễ dàng phản ứng với nước hoàn trả lại protease và tạo thêm một chuỗi
polypeptide. Đến đây quá trình phân hủy protein theo cơ chế “2 bước” kết thúc
(Hình 2.6).

Hình 2.6: Cơ chế phân hủy protein
Nguồn: wikipedia

2.3 Vi sinh vật trong xử lý chất thải hữu cơ
2.3.1 Nấm
Trong tự nhiên, nấm tham gia phân hủy nhiều nhóm chất hữu cơ bao
gồm cellulose, tinh bột và protein. Các loài nấm phân hủy cellulose rất đa
dạng gồm nhóm nấm kỵ khí thuộc lớp Chytridomycetes phân hủy cellulose
trong dạ dày của động vật nhai lại và các nhóm nấm hiếu khí như các lớp
Zygomycete, Ascomycetes, Basidiomycetes và Deuteromycetes. Các nghiên
cứu cho thấy có nhiều chi nấm có khả năng sinh ra hệ thống enzyme cellulase
hoặc có khả năng phân hủy, làm hoai mục gỗ như: Bulgaria, Chaetomium và

Helotium (lớp Ascomycetes), Coriolus, Phanerochaete, Poria, Schizophyllum,
Serpula, Aspergillus, Cladosporium, Fusarium, Geotrichum, Myrothecium,
Paecilomyces, Penicillium và Trichoderma. Một số loại nấm như Penicillium
sp., Sordaria humana, Alternaria alternata, Apiosordaria otanii, ….đã được
ứng dụng trong phân hủy bả mía của các nhà máy sản xuất đường mía (Saim
et al., 2013). Nấm phân hủy tinh bột đa phần đều tiết ra α-amylase có thể phân
hủy tinh bột thô tạo điều kiện để các sinh vật khác tham gia thúc đẩy quá trình
phân hủy nhanh hơn. Nhiều loài nấm phân hủy tinh bột đã được ứng dụng
trong thực tế như Aspergillus niger, Aspergillus flavus và Rhizopus stolonifer
(thuộc nhóm nấm mốc) được sử dụng phân hủy các phế phẩm của nhà máy

11


chế biến khoai mì (Pothiraj et al., 2006) hoặc nấm Rhizopus oligosporus dùng
trong xứ lý nước thải của nhà máy bột lúa mì (Leeuwen et al., 2012). Nấm còn
được dùng trong xử lý chất thải protein như nấm Aspergillus niger dùng để xử
lý nước thải của quá trình chế biến đậu nành (Zhang et al., 2016).
2.3.2 Xạ khuẩn
Xạ khuẩn là sinh vật có kích thước hiển vi, thuộc giới Bacteria và ngành
Actinobacteria. Xạ khuẩn tồn tại dạng đơn bào hay đa bào tùy giai đoạn sinh
trưởng. Cũng như vi khuẩn, chúng không có màng nhân và tiểu hạch, vách tế
bào không có cellulose hoặc chitin, không giới tính, sinh sản bằng cách phân
chia tế bào và sống ký sinh hoặc hoại sinh. Xạ khuẩn phân bố rộng rãi trong tự
nhiên và tham gia chuyển hóa nhiều hợp chất hữu cơ (cellulose, tinh bột và
protein, …) trong môi trường sống của chúng (wikipedia).
Có nhiều loài Actinomycetes như Cellulomonas fimi, Cellulomonas
bioazotea, Cellulomonas duda,… có khả năng tiết ra enzyme cellulase phân
hủy cellulose (Ramesh et al., 2011) và nhiệt độ tối ưu để chúng tham gia phân
hủy cellulose là 44ºC (Limaye et al., 2017). Nghiên cứu của Hesham (2007)

cho thấy ba loài Micromonospore, Streptomyces và Nocardiodes có khả năng
phân hủy rơm rạ sau thu hoạch làm giàu dinh dưỡng hữu cơ cho đất trồng.
Ngoài ra, một số Actinomycetes như Streptomyces drozdowiczii, Streptomyces
lividans có khả năng phân hủy được lignin và hemicellulose là những chất có
cấu trúc phân tử tương tự tương tự như cellulose (Roshan et al., 2013).
Đã có những nghiên cứu cho thấy khả năng phân hủy tinh bột và protein
triển vọng của xạ khuẩn. Chẳng hạn như nghiên cứu của Muhammad et al.
(2014) cho thấy dòng Streptomyces erumpens MTCC 7317 tiết ra enzyme αamylase chịu nhiệt và cũng theo tác giả này có khoảng sáu mươi giống
Actinomycete phân lập ở vùng Azad Jammu và Kashmir thuộc Pakistan có
khả năng tiết amylase ngoại bào được sử dụng thủy phân tinh bột ở quy mô
công nghiệp. Đối với khả năng phân hủy protein, Veloorvalappil et al. (2013)
đã phân lập được các dòng Streptomyces isolate EGS-5, Streptomyces
microflavus, Streptomyces moderatus, Streptomyces rectus, Streptomyces
rectus var. proteolythicus, Streptomyces rimosus, Streptomyces sp. YSA-130,
tiết ra protease có hoạt tính mạnh và đã được dùng để sản xuất protease
thương mại.
2.3.3 Vi khuẩn
Ở vi khuẩn có sự khác nhau trong con đường phân hủy cellulose giữa
nhóm hiếu khí và kỵ khí. Vi khuẩn kỵ khí phân hủy cellulose nhờ phức hệ
enzyme trên bề mặt tế bào bao phủ bên ngoài cơ chất và lên men cho sản

12