Nghiên cứu vi sinh vật để xử lý chất thải chăn nuôi dạng rắn luận án TS vi sinh vật học62 42 40 01

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI
TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN

PHẠM BÍCH HIÊN

NGHIÊN CỨU VI SINH VẬT
ĐỂ XỬ LÝ CHẤT THẢI CHĂN NUÔI DẠNG RẮN

Chuyên ngành: VI SINH VẬT HỌC
Mã số: 62.42.40.01

TÓM TẮT LUẬN ÁN TIẾN SĨ SINH HỌC

Hà Nội - Năm 2012
1


Công trình được hoàn thành tại:
Trường Đại học Khoa học Tự nhiên- Đại học Quốc gia Hà Nội.

Người hướng dẫn khoa học:
PGS.TS. Phạm Văn Toản
GS.TS. Nguyễn Đình Quyến

Phản biện 1: GS.TS. Nguyễn Thành Đạt
Phản biện 2: PGS.TS. Nghiêm Ngọc Minh
Phản biện 3: PGS.TS. Ngô Tự Thành

Luận án sẽ được bảo vệ trước Hội đồng cấp nhà nước chấm luận án tiến sĩ họp tại Trường Đại
học Khoa học Tự nhiên- Đại học Quốc gia Hà Nội.
vào hồi 9 giờ 00 ngày 26 tháng 4 năm 2012 .

Có thể tìm hiểu luận án tại:
-

Thư viện Quốc gia Việt Nam

-

Trung tâm Thông tin – Thư viện, Đại học Quốc gia Hà Nội

2


MỤC LỤC
Trang
Lời cam đoan
Lời cảm ơn
Danh mục các ký hiệu và chữ viết tắt
Danh mục các bảng
Danh mục các hình vẽ
Danh mục sơ đồ
Mục lục
MỞ ĐẦU................................................................................................................................................. 1
CHƢƠNG 1: TỔNG QUAN TÀI LIỆU................................................................................. 4
1.1. CHẤT THẢI CHĂN NUÔI VÀ BIỆN PHÁP XỬ LÝ...................................................... 4
1.1.1. Chất thải chăn nuôi và nguy cơ ô nhiễm môi trƣờng..................................... 4
1.1.2. Tình hình sử dụng chất thải chăn nuôi ở Việt Nam......................................... 7
1.1.3. Các biện pháp xử lý chất thải chăn nuôi............................................................ 10
1.1.3.1. Phƣơng pháp vật lý phân tách chất rắn - lỏng........................................ 10
1.1.3.2. Các phƣơng pháp hoá học............................................................................. 10

1.1.3.3. Các phƣơng pháp sinh học........................................................................... 11
1.2. VI SINH VẬT THAM GIA QUÁ TRÌNH XỬ LÝ CHẤT THẢI

HỮU

CƠ.............................................................................................................................................................. 17

1.2.1. Vi sinh vật phân giải xenluloza.............................................................................. 17
1.2.1.1. Xenluloza.............................................................................................................. 17
1.2.1.2. Enzym xenlulaza................................................................................................ 18
1.2.1.3. Vi sinh vật tổng hợp xenlulaza..................................................................... 20
1.2.2. Vi sinh vật thủy phân tinh bột................................................................................ 22
1.2.2.1. Cấu trúc của tinh bột......................................................................................... 22

5


1.2.2.2. Enzym thuỷ phân tinh bột 24
1.2.2.3. Vi sinh vật tổng hợp enzim thuỷ phân tinh bột 26
1.2.3. Vi sinh vật phân giải protein................................................................................... 27
1.2.3.1. Enzym proteaza

27

1.2.3.2. Vi sinh vật tổng hợp enzim phân giải protein

29

1.2.4. Vi khuẩn tổng hợp axit lactic và bacterioxin.................................................... 31
1.2.4.1. Bacterioxin 32

1.2.4.2. Ứng dụng của vi khuẩn lactic

37

CHƢƠNG 2: VẬT LIỆU VÀ PHƢƠNG PHÁP............................................................. 41
2.1. VẬT LIỆU................................................................................................................................. 41
2.1.1. Các mẫu thu thập và chủng vi sinh vật............................................................... 41
2.1.1.1. Mẫu thu thập............................................................................................................. 41
2.1.1.2. Vi sinh vật.................................................................................................................. 41
2.1.2. Hóa chất.......................................................................................................................... 41
2.1.3. Các dung dịch và môi trƣờng................................................................................ 42
2.1.3.1. Các dung dịch

42

2.1.3.2. Môi trƣờng 43
2.1.4. Thiết bị, dụng cụ.......................................................................................................... 44
2.2. PHƢƠNG PHÁP.................................................................................................................... 44
2.2.1. Phƣơng pháp phân loại vi sinh vật....................................................................... 44
2.2.1.1. Phân loại theo phƣơng pháp truyền thống

44

2.2.1.2. Phân loại bằng kỹ thuật sinh học phân tử

45

2.2.2. Xác định hoạt tính sinh học của vi sinh vật........................................................ 49
2.2.2.1. Xác định hoạt tính xenlulaza, amylaza, proteaza

49

2.2.2.2. Nghiên cứu đặc tính của proteaza

50

2.2.2.3. Định lƣợng đƣờng khử theo Micro-Bertrand 50
2.2.2.4. Xác định khả năng tổng hợp axit lactic 51
2.2.2.5. Định lƣợng axit lactic theo Therner

51

2.2.2.6. Xác định khả năng kháng khuẩn trên môi trƣờng thạch đĩa 52

6


2.2.2.7. Xác định khả năng kháng khuẩn trong môi trƣờng dịch thể 52
2.2.2.8. Phát hiện bacterioxin
2.2.2.9. Điện di protein trên gel tricine- SDS- PAGE
2.2.2.10. Xác định khả năng kháng khuẩn trực tiếp trên gel acrylamit.

52
53
53

2.2.3. Xác định hiện trạng chất thải chăn nuôi............................................................. 54
2.2.3.1. Điều tra thực trạng chất thải chăn nuôi 54
2.2.3.2. Xác định khí thải H2S và NH3

54

2.2.3.3. Xác định mật độ vi sinh vật gây bệnh, ký sinh trùng 54
2.2.3.4. Xác định hàm lƣợng các nguyên tố khoáng

55

2.2.4. Thử nghiệm và đánh giá hiệu quả của chế phẩm............................................ 55
2.2.4.1. Thử nghiệm sử dụng chế phẩm vi sinh vật xử lý chất thải
chăn nuôi dạng rắn................................................................................................................ 55
2.2.4.2. Đánh giá độ chín và độ an toàn của phân ủ

55

2.2.4.3. Thí nghiệm đồng ruộng đánh giá hiệu quả phân bón hữu cơ 56
CHƢƠNG 3: KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN....................................................................... 58
3.1. THỰC TRẠNG CHẤT THẢI TẠI MỘT SỐ CƠ SỞ CHĂN NUÔI...................58
3.1.1. Tình hình quản lý, sử dụng chất thải chăn nuôi............................................... 58
3.1.2. Thực trạng môi trƣờng tại một số cơ sở chăn nuôi........................................ 59
3.1.1.1. Ô nhiễm do khí thải độc hại

59

3.1.1.2. Ô nhiễm do vi sinh vật gây bệnh và ký sinh trùng

61

3.2. NGHIÊN CỨU VI SINH VẬT ĐỂ XỬ LÝ CHẤT THẢI CHĂN
NUÔI......................................................................................................................................................... 61

3.2.1. Phân lập, tuyển chọn bộ chủng giống vi sinh vật........................................... 61
3.2.1.1. Vi sinh vật phân giải xenluloza, tinh bột, protein
3.2.1.2. Vi khuẩn lactic
3.2.2. Định tên và xác định độ an toàn sinh học của các chủng

62
64

nghiên

cứu.............................................................................................................................................. 67
3.2.2.1. Định tên vi sinh vật bằng phƣơng pháp truyền thống 68
3.2.2.2. Định tên vi sinh vật bằng kỹ thuật sinh học phân tử

7

73


3.2.2.3. Độ an toàn sinh học của các chủng vi sinh vật nghiên cứu...............77
3.2.3. Một số yếu tố môi trƣờng ảnh hƣởng đến khả năng phân giải chất
hữu cơ của các chủng vi sinh vật nghiên cứu............................................................. 79
3.2.3.1. Ảnh hƣởng đến khả năng phân giải xenluloza của chủng
XK112....................................................................................................................................... 79
3.2.3.2. Ảnh hƣởng đến khả năng phân giải tinh bột của chủng B20............82
3.2.3.3. Ảnh hƣởng đến khả năng phân giải protein của chủng
B15.............................................................................................................................................. 87
3.2.4. Hoạt tính đối kháng của chủng LH19................................................................. 91
3.2.4.1. Khả năng đối kháng vi khuẩn gây bệnh và vi khuẩn gây thối
rữa............................................................................................................................................... 90

3.2.4.2. Khả năng sinh tổng hợp bacterioxin của vi khuẩn lactic LH19

93

3.2.4.3. Một số yếu tố môi trƣờng ảnh hƣởng đến hoạt tính kháng
khuẩn của chủng LH19....................................................................................................... 98
3.3. NGHIÊN CỨU SẢN XUẤT CHẾ PHẨM VI SINH VẬT ĐỂ XỬ LÝ
CHẤT THẢI CHĂN NUÔI........................................................................................................... 102
3.3.1. Điều kiện nhân sinh khối vi sinh vật.................................................................. 102
3.3.1.1. Thời gian nuôi cấy 102
3.3.1.2. Tỷ lệ giống cấy

103

3.3.1.3. Điều kiện cấp khí 104
3.3.1.4. Môi trƣờng nhân sinh khối

105

3.3.2. Quy trình sản xuất chế phẩm................................................................................. 106
3.3.3. Chất lƣợng chế phẩm............................................................................................... 108
3.4. ỨNG DỤNG CHẾ PHẨM VI SINH VẬT XỬ LÝ CHẤT THẢI CHĂN
NUÔI...................................................................................................................................................... 110
3.4.1. Hiệu quả xử lý chất thải chăn nuôi...................................................................... 110
3.4.1.1. Động thái nhiệt độ đống ủ 111
3.4.1.2. Hiệu quả chuyển hóa các thành phần dinh dƣỡng

113

3.4.1.3. Hiệu quả xử lý vi sinh vật gây bệnh và ký sinh trùng 115

8


3.4.1.4. Hiệu quả xử lý mùi hôi do khí phát thải 116
3.4.2. Khả năng sử dụng chất thải chăn nuôi sau xử lý làm phân bón...............118
3.5. HIỆU QUẢ SƢ DỤNG PHÂN HỮU CƠ TỪ CHẤT THẢI CHĂN
NUÔI ĐỐI VỚI CÂY TRỒNG.................................................................................................... 121
3.5.1. Hiệu quả của phân hữu cơ đối với rau cải........................................................ 121
3.5.2. Hiệu quả của phân hữu cơ đối với cây dƣa chuột......................................... 125
KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ

129

DANH MỤC CÔNG TRÌNH KHOA HỌC CỦA TÁC GIẢ LIÊN QUAN
ĐẾN LUẬN ÁN
TÀI LIỆU THAM KHẢO
PHỤ LỤC

9


DANH MUCC̣ CÁC KÝHIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT
APS

Ammonium persulfate

Bp

Base pair (cặp bazơ)

CFU

Colony forming unit (V)

CMC

Cacboxymethyl xenluloza

CV

Coefficient of variation (Sai số thí nghiệm)

ADN

Axit deoxyribonucleic

DNS

3,5 axit dinitrosalicylic

dNTP

2’- deoxyribonucleocide - 5’triphosphate

DTT

1,4-Dithiothreitol

EDTA

Ethylene diamine tetra acetic acid

EM

Effective microorganisms (V)

EtBr

Ethidium bromide

Kb

Kilobase

KST

Ký sinh trùng

kDa

Kilodalton

LAB

Lactic acid bacteria (V)

LB

Luria – Betani

LSD

Least Significant Difference (Sai khác giữa các công

thức có ý nghĩa)
OC

Organic cacbon (Các bon hữu cơ)

OD

Optical density (Mật độ quang)

OM

Organic matter (Chất hữu cơ)

PCR

Polymerase Chain Reaction (Phản ứng chuỗi trùng
hợp)

ARN

Axit ribonucleic

SDS-PAGE

Sodium dodecyl sulfate polyacrylamide gel

electrophoresis

10
TAE


TBE
TCN

Tris- Acetate- EDTA

TCVN

Tris- Borate- EDTA

TE

Tiêu chuẩn ngành

TEMED

Tiêu chuẩn Việt Nam

TFA

Tris - EDTA

v/v

N, N, N’,N’- tetramethyl ethylendiamine

w/v

Trifluoroacetic acid
Volume/volume ( Thể tích/ thể tích)
Weight/volume (Khôi lƣợng/thể tích)

11


DANH MỤC CÁC BẢ
Bảng

Tên bảng
1.1

Thành phần hoá học của một số loại phân

1.2

Phân loại bacterioxin của vi khuẩn gram (

1.3

Một số bacterioxin thuộc phân lớp IIa

3.1

Môi trƣờng không khí tại các trang trại ch

3.2

Mật độ vi sinh vật gây bệnh và ký sinh trù
nuôi

3.3

Số lƣợng chủng vi sinh vật phân lập

3.4

Khả năng phân giải chất hữu cơ của các ch

3.5

Kết quả phân lập vi khuẩn lactic

3.6

Hoạt tính sinh học của các chủng vi khuẩn

3.7

Hoạt tính sinh học của các chủng vi sinh v

3.8

Đặc điểm sinh hóa của các chủng vi sinh v

3.9

Mức độ an toàn của các chủng vi sinh vật

3.10

Ảnh hƣởng nhiệt độ đến sinh trƣởng
xenluloza của chủng XK112

3.11

Ảnh hƣởng pH đến sinh trƣởng và khả nă
của chủng XK112
Ảnh hƣởng ion Ca

3.12

2+

đến độ bền nhiệt của

tổng hợp
3.13

Ảnh hƣởng của ion kim loại đến hoạt tính

3.14

Khả năng đối kháng vi khuẩn gây bệnh ch
của chủng LH19

3.15

Khả năng đối kháng E. carotovora KT03 c

3.16

Phổ kháng khuẩn của chủng LH19

3.17

Phản ứng của dịch chứa chất kháng khuẩn
giải protein

12


Bảng

Tên bảng

Trang

3.18 Ảnh hƣởng của nhiệt độ và thời gian đến hoạt
3.19 Hoạt tính của bacterioxin ở các pH khác nhau

3.20 Ảnh hƣởng của nhiệt độ đến sinh trƣởng và h
của chủng LH19

3.21 Ảnh hƣởng của pH đến sinh trƣởng và hoạt tí
chủng LH19

3.22 Sinh trƣởng và hoạt tính kháng khuẩn chủng L
đƣờng khác nhau

3.23 Ảnh hƣởng các muối nitơ vô cơ đến sinh trƣở
chủng LH19

3.24 Động thái sinh trƣởng của các chủng vi sinh v
3.25 Ảnh hƣởng của tỷ lệ giống cấy đến sinh khối
vật nghiên cứu

3.26 Ảnh hƣởng của lƣợng cấp khí đến sinh khối c
sinh vật nghiên cứu

3.27 Khả năng sinh trƣởng của các chủng vi sinh v
các môi trƣờng sản xuất

3.28 Điều kiện thích hợp nhân sinh khối của các ch
nghiên cứu

3.29 Khả năng tồn tại của 4 chủng vi sinh vật trong

3.30 Hoạt tính của 4 chủng vi sinh vật trong chế ph

3.31 Biến động nhiệt độ trong quá trình xử lý chất t
3.32 Thành phần chất thải chăn nuôi sau xử lý

3.33 Mật độ vi sinh vật gây bệnh và ký sinh trùng t
nuôi
3.34 Môi trƣờng không khí tại trang trại chăn nuôi

3.35 Môi trƣờng không khí tại trang trại chăn nuôi
3.36 Kiểm tra độ chín của phân ủ qua nhiệt độ của

13


Bảng

Tên bảng

Trang

3.37 Đánh giá độ chín của phân ủ bằng phƣơng ph
trồng

3.38 Hiệu quả sử dụng phân hữu cơ đến năng suất r

3.39 Hiệu quả sử dụng phân hữu cơ đến chất lƣợng
3.40 Chi phí cho phân bón đối với rau cải mơ

3.41 Hiệu quả sử dụng phân hữu cơ đến năng suất d
3.42 Hiệu quả bón phân hữu cơ đến hình thái, kích
chuột

14


DANH MỤC CÁC HÌ
Tên hình
1.1

Dòng chảy dinh dƣỡng và sự phát tán các

môi trƣờng từ một số trang trại chăn nuô
1.2

Số liệu khảo sát sử dụng chất thải chăn nu
tại tỉnh Thái Bình và Bắc Giang

1.3

Cấu trúc phân tử xenluloza

1.4

Chuỗi các đơn phân hydroxyetyl xenluloz

1.5

Cấu trúc của tinh bột

1.6

Cấu trúc mạch amyloza

1.7

Cấu trúc mạch amylopectin

1.8

Mô hình cấu trúc phân tử bậc II của -am

1.9

Mô hình cấu trúc phân tử bậc II của -am

1.10

Mô hình cấu trúc không gian của bacterio

1.11

Mô hình cấu trúc phân tử của bacterioxin

3.1

Tình hình sử dụng chất thải tại 6 cơ sở ch
2009

3.2

Hoạt tính phân giải xenluloza của chủng

3.3

Hoạt tính phân giải tinh bột của chủng vi

3.4

Hoạt tính phân giải protein của chủng vi

3.5

Hoạt tính kháng E. carotovora KT03 của

3.6

Hình thái bào tử, cuống sinh bào tử của c

3.7

Hình dạng tế bào của chủng vi khuẩn B20

3.8

Hình dạng, kích thƣớc tế bào của chủng v

3.9

Hình dạng, kích thƣớc tế bào của chủng L

3.10

Hình thái khuẩn lạc của chủng xạ khuẩn X

3.11

Hình thái khuẩn lạc của chủng vi khuẩn B

3.12

Hình thái khuẩn lạc của chủng vi khuẩn

15


Tên hình
3.13

Hình thái khuẩn lạc của chủng vi khuẩ

3.14

Cây phát sinh dựa trên phân tích trình t
XK112 với các loài có quan hệ gần

3.15

Cây phát sinh dựa trên phân tích trình t
B20 với các loài có quan hệ gần

3.16

Cây phát sinh dựa trên phân tích trình t
B15 với các loài có quan hệ gần

3.17

Cây phát sinh dựa trên phân tích trình t

LH19 với các loài có quan hệ gần

3.18

Ảnh hƣởng của nhiệt độ đến sinh trƣở
tinh bột của chủng B20

3.19

Ảnh hƣởng của pH đến sinh trƣởng và
bột của chủng B20

3.20

Ảnh hƣởng của nhiệt độ đến sinh trƣở
protein của chủng B15

3.21

Ảnh hƣởng của pH đến sinh trƣởng
protein của chủng B15

3.22

Khả năng đối kháng E. coli, Salmonella

3.23

Hoạt tính kháng của LH19 với các chủ

3.24.

Phản ứng của dịch bacterioxin với các
(chủng kiểm định là S. aureus)

3.25

Điện di tricine SDS- PAGE xác định kí
tính bacterioxin của chủng LH19

3.26

Sơ đồ Quy trình sản xuất chế phẩm vi
chăn nuôi

3.27

Hoạt tính của 4 chủng XK112, B20, B1

3.28

Sơ đồ Quy trình sử dụng chế phẩm vi s
chăn nuôi dạng rắn thành phân hữu cơ

16


Tên hình
3.29

Màu sắc và kết cấu của chất thải chăn nuô

3.30

Đánh giá độ chín của phân ủ bằng phƣơn
trồng

3.31

Thí nghiêm đánh giá hiệu quả của phân h

nuôi đối với rau cải tại xã Vân Nội- Đông
3.32

Thí nghiêm đánh giá hiệu quả của phân h

nuôi đối với dƣa chuột Tại tam Hợp- Quỳ

17


MỞ ĐẦU
Những năm gần đây, ngành chăn nuôi Việt Nam đã có bƣớc phát triển nhanh
chóng, góp phần quan trọng vào sự phát triển chung của ngành nông nghiệp. Giá trị
sản xuất chăn nuôi năm 2009 đạt mức tăng trƣởng 5,3% nhƣng theo kế hoạch, giai
đoạn 2010-2015 phải đạt trung bình 6-7%/ năm [3, 10, 27]. Trong thời kỳ đổi mới,
nhờ các chính sách khuyến khích, các doanh nghiệp, hộ cá thể đã mạnh dạn đầu tƣ
để phát triển chăn nuôi hàng hoá qui mô trang trại tập trung. Tuy nhiên, do chỉ tập
trung đầu tƣ để nâng cao năng suất, chất lƣợng vật nuôi, nhiều trang trại chƣa chú
trọng đến công tác kiểm soát, quản lý chất thải nên đã làm phát sinh dịch bệnh, tác

động xấu đến sức khỏe cộng đồng và ảnh hƣởng trực tiếp đến việc phát triển bền
vững của ngành chăn nuôi. Tại nhiều địa phƣơng ngƣời dân chƣa quan tâm đúng
mức đến việc xử lý chất thải chăn nuôi trƣớc khi sử dụng. Mỗi năm cả nƣớc có
khoảng 60 triệu tấn chất thải vật nuôi, trong đó chỉ có khoảng 50% đƣợc xử lý, số
còn lại sử dụng trực tiếp bón cho cây trồng hoặc làm thức ăn cho cá. Tại nhiều địa
phƣơng, ngƣời dân vẫn sử dụng trực tiếp chất thải chăn nuôi làm phân bón mà
không quan tâm đến việc xử lý hoặc cũng chỉ ủ đống để chờ bón cho cây trồng theo
mùa vụ. Đây là một trong các nguyên nhân gây ô nhiễm môi trƣờng và lây truyền
các dịch bệnh cho ngƣời, vật nuôi và cây trồng [30, 31].
Chất thải chăn nuôi gia súc, gia cầm có chứa các hợp chất các bon, nitơ, phốt
pho và các nguyên tố khoáng khác là nguồn dinh dƣỡng quan trọng của cây trồng,
song cây trồng không thể sử dụng trực tiếp mà phải qua quá trình chuyển hoá.
Phƣơng pháp ủ phân chuồng truyền thống thƣờng kéo dài 4-6 tháng không thể áp
dụng tại các cơ sở chăn nuôi tập trung vì không có đủ điều kiện về cơ sở hạ tầng.
Đã có nhiều công trình nghiên cứu sử dụng vi sinh vật khởi động để rút ngắn
thời gian phân hủy chất thải hữu cơ. Tuy nhiên, đến nay ở Việt Nam chế phẩm vi
sinh vật đƣợc sử dụng chủ yếu để xử lý rác thải sinh hoạt và phế phụ phẩm nông
nghiệp, công nghiệp chế biến, chƣa có chế phẩm đặc thù cho xử lý chất thải chăn
nuôi, nhất là chƣa xử lý có hiệu quả mùi hôi của chất thải chăn nuôi. Một số chế
phẩm sử dụng vi sinh vật không có lý lịch chủng giống rõ ràng, gây nhiều băn

18


khoăn về tính an toàn đối với sức khỏe ngƣời, vật nuôi và môi trƣờng sinh thái. Đề
tài luận án “Nghiên cứu vi sinh vật để xử lý chất thải chăn nuôi dạng rắn” đƣợc
triển khai nhằm tạo đƣợc chế phẩm từ các chủng vi sinh vật an toàn, có khả năng xử
lý hiệu quả mùi hôi thối phát sinh từ chất thải chăn nuôi, phân huỷ nhanh chất hữu
cơ tạo ra phân bón có chất lƣợng, đáp ứng nhu cầu dinh dƣỡng của cây trồng.
Các nội dung chính của luận án đƣợc thực hiện tại Bộ môn Sinh học Môi

trƣờng- Viện Môi trƣờng Nông nghiệp; Bộ môn Vi sinh vật- Viện Thổ nhƣỡng
Nông hóa (Viện Khoa học Nông nghiệp Việt Nam), Phòng Công nghệ Vật liệu Sinh
học- Viện Công nghệ Sinh học (Viện Khoa học và Công nghệ Việt Nam) và đƣợc
sự hỗ trợ từ các đề tài do Viện Khoa học Nông nghiệp Việt Nam chủ trì mà tôi trực
tiếp tham gia thực hiện gồm: “Nghiên cứu chế phẩm vi sinh vật xử lý nhanh phế
thải chăn nuôi” (Đề tài cấp Nhà nƣớc thuộc chƣơng trình Công nghệ Sinh học
Nông nghiệp và Thủy sản năm 2008-2010); “Nghiên cứu và ứng dụng chế phẩm vi
sinh để chế biến phế thải chăn nuôi làm phân bón hữu cơ sinh học tại nông hộ
huyện Quỳ Hợp, Nghệ An” (Đề tài cấp Bộ Nông nghiệp và Phát triển nông thôn
năm 2009-2011) và “Tuyển chọn bộ chủng vi sinh vật sử dụng trong sản xuất chế
phẩm vi sinh xử lý nhanh phế thải chăn nuôi gà, lợn ở qui mô tập trung” (Đề tài cấp
cơ sở, Viện Khoa học Nông nghiệp Việt Nam năm 2010- 2012).
Mục tiêu của đề tài luận án:
- Tuyển chọn đƣợc bộ chủng vi sinh vật thuộc nhóm an toàn sinh học, có khả năng
sinh trƣởng mạnh, cạnh tranh đƣợc với các vi sinh vật trong chất thải, ức chế tiêu
diệt có hiệu quả các vi khuẩn gây bệnh và chuyển hóa nhanh chất hữu cơ có trong
chất thải chăn nuôi.
- Tạo đƣợc chế phẩm vi sinh vật để xử lý chất thải chăn nuôi góp phần giảm ô
nhiễm môi trƣờng, tạo ra phân hữu cơ cung cấp dinh dƣỡng cho cây trồng thay thế
một phần phân bón vô cơ, góp phần phát triển nông nghiệp an toàn và bền vững.

19


Đóng góp mới của luận án
1.

Đây là công trình đầu tiên ở Việt Nam nghiên cứu một cách có hệ thống, từ

hiện trạng chất thải dạng rắn ở trang trại chăn nuôi tập trung, đến sản xuất và ứng

dụng thành công chế phẩm vi sinh vật xử lý chất thải chăn nuôi, giảm ô nhiễm
môi trƣờng và rút ngắn thời gian chuyển hóa các hợp chất hữu cơ từ 3- 4 tháng
xuống còn 21- 30 ngày.
2.

Là công trình đầu tiên nghiên cứu một cách tổng hợp và chứng minh đƣợc

hiệu quả sử dụng vi khuẩn lactic sinh các chất kháng khuẩn (axit lactic và
bacterioxin) để xử lý mùi hôi thối và đối kháng vi khuẩn gây bệnh trong chất thải
chăn nuôi.
3.

Xây dựng đƣợc qui trình sản xuất và ứng dụng chế phẩm vi sinh vật xử lý

chất thải chăn nuôi dạng rắn làm phân bón hữu cơ thay thế phân chuồng và có thể
tiết kiệm đƣợc 25% lƣợng phân khoáng, góp phần phát triển sản xuất nông
nghiệp an toàn, bền vững.
Ý nghĩa khoa học và thực tiễn
-

Đề tài cung cấp bốn chủng vi sinh vật an toàn, có hoạt tính sinh học cao

trong sản xuất chế phẩm vi sinh xử lý chất thải chăn nuôi, tạo phân bón hữu cơ
góp phần giảm lƣợng phân hoá học nâng cao hiệu quả sản xuất của nông dân.
-

Đề xuất giải pháp giảm thiểu ô nhiễm môi trƣờng trong chăn nuôi qui mô

trang trại góp phần phát triển bền vững ngành chăn nuôi.

20


Chƣơng 1.
TỔNG QUAN TÀI LIỆU
1.1. CHẤT THẢI CHĂN NUÔI VÀ BIỆN PHÁP XỬ LÝ
1.1.1. Chất thải chăn nuôi và nguy cơ ô nhiễm môi trƣờng
Chất thải chăn nuôi tạo ra trong quá trình chăn nuôi gia súc gia cầm, gồm ba
dạng chủ yếu: Chất thải rắn (bao gồm chủ yếu là phân, chất độn chuồng, thức ăn
thừa và đôi khi là xác gia súc, gia cầm chết hàng ngày), chất thải lỏng (bao gồm
nƣớc rửa chuồng, nƣớc tắm cho vật nuôi, nƣớc tiểu, một phần phân), chất thải bán
lỏng (gồm cả chất thải rắn và chất thải lỏng).
Các công trình nghiên cứu về ô nhiễm do chất thải chăn nuôi [3, 10, 22, 27,
31, 57, 111] đã xác định tác nhân ô nhiễm môi trƣờng của chất thải chăn nuôi gồm:
- Ô nhiễm do kim loại nặng: Thức ăn chăn nuôi công nghiệp thƣờng chứa các
nguyên tố vi lƣợng, kim loại nặng. Trong quá trình trao đổi chất của vật nuôi có
khoảng 90% đồng (Cu) không tiêu hoá hết bài tiết ra ngoài; arsen (thạch tín) trong
phân vật nuôi có thê tích tụ trong nội tạng ngƣời và vật nuôi gây biến đổi quá trình
trao đổi chất, là nguyên nhân gây các bệnh ung thƣ. Khoảng 50% lƣợng phốt pho,
nitơ từ thức ăn đƣợc động vật bài tiết ra phân; trong quá trình thu gom, đánh đống
phần bị rửa trôi có thể tích luỹ phủ lên bề mặt đất, một lƣợng nhỏ phối hợp với Ca,
Cu, Al thành phức hợp không dung giải làm cho đất cằn cỗi, ảnh hƣởng đến sinh
trƣởng của thực vật, một phần chảy vào nguồn nƣớc làm cho các phù du sinh vật,
rong tảo phát triển dẫn đến giảm dinh dƣỡng và oxy trong nƣớc, phá huỷ môi
trƣờng sinh thái nƣớc.
- Ô nhiễm do khí thải độc hại: Trong phân, nƣớc thải của lợn có khoảng 40 loại khí
độc khác nhau sinh ra từ quá trình thối rữa thức ăn thừa và xác động vật, thực vật do
hoạt động sống của vi khuẩn yếm khí. Các khí thải H 2S, NH3, CH4, CO2,, N2O...gây
mùi hôi thối khó chịu, kích thích trung khu hô hấp của con ngƣời và vật nuôi. Các khí
độc này tuỳ theo nồng độ mà gây cho ngƣời mệt nhọc, đau đầu, khó thở, co giật và có

thể tử vong. Với gia súc có thể làm giảm lƣợng thức ăn tiêu thụ, có hiện tƣợng

21


thần kinh không bình thƣờng, làm lợn sơ sinh yếu ớt, gây sẩy thai cho lợn chửa,
tăng số lợn chết thai và giảm tốc độ sinh trƣởng của lợn con.
- Ô nhiễm do vi sinh vật và ký sinh trùng gây bệnh: Theo tài liệu của FAO có
khoảng 90 loại bệnh liên quan giữa ngƣời và gia súc mà phần lớn do các vi sinh vật
và ký sinh trùng lan truyền từ chất bài tiết của vật nuôi bị bệnh vào không khí,
nguồn nƣớc, đất, nông phẩm...gồm: các loại mầm bệnh nhƣ ký sinh trùng (trứng, ấu
trùng giun sán), các vi sinh vật gây hại (E. coli, Salmonella, Shigella, Vibrio
cholerae, Enterococcus faecalis, Streptococcus ...) và một số loài vi rút gây bệnh.
Nhiều động vật nhiễm các loại bệnh có thể lây truyền sang ngƣời, nhƣ lợn là ổ
chứa của vi rút gây bệnh viêm não Nhật Bản, gia cầm là ổ chứa của vi rút cúm A,
H5N1, H1N1. Nhiều loại bệnh nhƣ tả, lỵ, thƣơng hàn...từ động vật bị bệnh lây
truyền sang ngƣời qua thực phẩm, qua con đƣờng "phân- miệng" hoặc qua việc giết
mổ gia súc bị nhiễm bệnh.
Sommer & Jensen [111] đã đƣa ra mô hình về mối quan hệ giữa chăn nuôi
và các yếu tố ô nhiễm môi trƣờng theo hình 1.1.
Mầm bệnh

Chuồng trại
Chất thải lỏng

Ao cá
Bể chứa hiếm khí
Hồ, sông, kênh mương

Hình 1.1. Dòng chảy dinh dƣỡng và sự phát tán các yếu tố gây ô nhiễm môi trƣờng

từ một số trang trại chăn nuôi lợn ở Việt Nam [111]


22


Các chuồng trại chăn nuôi, các nguồn chất thải chăn nuôi là nguồn phát sinh
tác nhân gây bệnh trực tiếp hoặc gián tiếp đến sức khỏe con ngƣời và môi trƣờng.
Nếu các trang trại chăn nuôi chỉ tập trung đầu tƣ vào năng suất và chất lƣợng vật
nuôi, không thực hiện tốt quá trình vệ sinh chuồng trại và các giải pháp quản lý
nguồn chất thải thì ô nhiễm môi trƣờng ảnh hƣởng trầm trọng đến sức khoẻ cộng
đồng đồng thời là nguyên nhân gây ra các rủi ro của sản xuất chăn nuôi, tác động
xấu tới sự phát triển bền vững của ngành chăn nuôi cũng nhƣ sản xuất nông nghiệp.
Các nghiên cứu của Viện Chăn nuôi, Viện Công nghệ Môi trƣờng, Viện Thú
y và chƣơng trình Asia ProEco của Liên minh châu Âu tại Việt Nam đã đánh giá
mức độ ô nhiễm trong chăn nuôi và xác định rằng hầu hết các cơ sở chăn nuôi lợn
và gà ở Việt Nam đƣợc điều tra đều chú ý đến khâu vệ sinh khử trùng tiêu độc định
kỳ. Các loại hoá chất khử trùng đƣợc sử dụng phổ biến gồm: Han Iodil, Ben cocid,
BKA, cloramin, Allside dƣới dạng phun sƣơng hoặc pha loãng theo nồng độ quy
định [10, 27]. Mặc dù vậy, nồng độ khí H 2S, NH3 và tổng số VSV, bào tử nấm, VK
gây bệnh cho gia súc và con ngƣời trong đất, nƣớc, không khí tại các khu vực chăn
nuôi và vùng phụ cận đều cao hơn mức cho phép vài lần đến hàng chục lần.
Theo Trịnh Quang Tuyên và cs [27]: Trong 160 trang trại nuôi lợn nái ở Hà
Nội, Hà Tây cũ, Thái Bình, Ninh Bình, có 37,7% trang trại có khoảng cách ly so với
khu dân cƣ trên 100 m; 55,6% cách khu dân cƣ từ 10 đến 100 m và 6,8% chỉ cách
dƣới 10 m, các trang trại này thƣờng nằm ngay trong khu gia đình. Cùng với lƣợng
khí phát thải, khoảng 50% chất thải chăn nuôi của các trang trại không đƣợc xử lý
bằng bất kỳ biện pháp nào trƣớc khi sử dụng làm thức ăn cho cá hay bón cho cây
trồng; điều đó dẫn đến nguy cơ ô nhiễm môi trƣờng rất cao, đây là một trong những
nguyên nhân gây bùng phát các loại dịch bệnh cho gia súc, gia cầm trong những

năm qua [6, 22, 31, 90].
Xử lý chất thải chăn nuôi chỉ đƣợc quan tâm trong thời gian gần đây, khi số
lƣợng trang trại chăn nuôi tập trung cũng nhƣ qui mô đầu vật nuôi tăng nhanh khiến

mức độ ô nhiễm do chất thải chăn nuôi lên đến mức báo động.

23


Phân tích một đơn vị khối lƣợng chất thải chăn nuôi cho thấy thành phần
dinh dƣỡng trong từng loại nhƣ sau (bảng 1.1):
Bảng 1.1. Thành phần hoá học của một số loại phân gia súc, gia cầm
Vật nuôi

Lợn
Trâu, bò
Gà
Vịt
(Nguồn: Trích theo [10])

Ngoài ra trong phân gia súc, gia cầm còn chứa các nguyên tố vi lƣợng gồm:
Bo: 50-200 g/10 tấn, Cu: 50-150 g/10 tấn, Mn: 500-1000 g/10 tấn, Co: 2-10 g/10
tấn, Mo: 5-25 g/10 tấn [10, 17, 111]. Chất thải chăn nuôi gia súc chứa hàm lƣợng
dinh dƣỡng tƣơng đối cao, tuy nhiên dinh dƣỡng trong phân chuồng tƣơi chủ yếu
nằm dƣới dạng các hợp chất hữu cơ cây trồng khó có thể hấp thụ đƣợc. Vì vậy xử
lý chất thải chăn nuôi thành phân bón hữu cơ là cách tiết kiệm nhất, hiệu quả nhất
để trả lại cho đất chất hữu cơ và các chất dinh dƣỡng nhƣ đạm, lân, kali và các chất
khoáng khác mà cây trồng đã lấy đi để sinh trƣởng, phát triển.
Phân hữu cơ là nguồn cung cấp dinh dƣỡng chủ yếu cho cây trồng và cải tạo
độ màu mỡ, giữ ẩm cho đất, chống xói mòn, bạc màu; cải thiện môi trƣờng sống tốt

hơn cho hệ vi sinh vật đất, ngoài ra còn làm tăng hiệu lực của phân bón vô cơ lên 810%. Khi bón phân hóa học, cây sử dụng khoảng 40%, phần còn lại bị rửa trôi
nhƣng nếu trộn 20-30% phân hóa học với phân hữu cơ thì cây có thể sử dụng 80%
lƣợng phân hóa học [7, 10, 17, 25].
1.1.2. Tình hình sử dụng chất thải chăn nuôi ở Việt Nam
Trong những năm gần đây, nhu cầu thịt, trứng, sữa ngày càng tăng, tất yếu
thúc đẩy ngành chăn nuôi phát triển. Tính đến 01/4/2010 tổng đàn lợn hiện có 27,3

24


triệu con, đàn gia cầm có 277,4 triệu con, tăng lần lƣợt là 3,1 % và 8,1 % so với
năm 2008. Giá trị sản xuất chăn nuôi năm 2009 đạt mức tăng trƣởng 5,3 %, so với
cùng kỳ năm 2008. Uớc tính Việt Nam với tốc độ tăng trƣởng kinh tế 8 %/ năm, tốc
độ phát triển dân số 1,3 %/ năm thì chăn nuôi phải tăng từ 9-10 %/ năm mới đáp
ứng đƣợc nhu cầu của xã hội [6, 10].
Theo số liệu điều tra năm 2008 có 75- 80 % số lƣợng lợn ở Việt Nam đƣợc
sản xuất theo phƣơng pháp truyền thống bởi các hộ gia đình nhỏ lẻ, 10% bởi các
trang trại trung bình, 10-15% là các trang trại chăn nuôi đƣợc thƣơng mại hoá [3, 6,
27]. Mặc dù đứng trƣớc nhiều khó khăn nhƣng với những chính sách và sự hỗ trợ
kịp thời của Nhà nƣớc, ngành chăn nuôi ở Việt Nam đang dần khôi phục. Phƣơng
thức tổ chức sản xuất chăn nuôi hàng hoá quy mô trang trại trong những năm gần
đây ngày càng đƣợc nhân rộng và phát triển, tính đến đầu năm 2010, cả nƣớc có
khoảng 20.800 trang trại chăn nuôi, đã xuất hiện mô hình trang trại tƣ nhân với quy
mô lớn, ứng dụng khoa học kỹ thuật tốt, đạt hiệu quả kinh tế cao [3, 27].
Cùng với khoảng 25-30 triệu khối chất thải lỏng, mỗi ngày đàn gia súc, gia
cầm của Việt Nam thải ra khoảng 539.733,15 tấn chất thải rắn, ƣớc tính mỗi năm có
trên 60 triệu tấn phân vật nuôi các loại. Trong số đó chỉ có khoảng 50% đƣợc xử lý
bằng phƣơng pháp ủ trƣớc khi sử dụng [3, 10].
Kết quả khảo sát của Phùng Thị Vân và cs tại 54 trang trại chăn nuôi lợn ở
tỉnh Thái Bình, Bắc Giang (Hình 1.2) cho biết: Trong tổng số lƣợng chất thải, có

khoảng 43% đƣợc sử dụng cho biogas, còn 57% (chủ yếu là chất thải rắn không qua
xử lý hoặc chỉ ủ thông thƣờng khoảng 7-10 ngày) sử dụng cho các mục đích khác
nhau (12% bón cho cây trồng, 13% làm thức ăn cho cá, 13% để bán cho các chủ
nuôi cá hoặc bón cho cây trồng và 19% thải ra các hệ thống thải công cộng nhƣ
kênh, rạch, sông, hồ). Tiến hành phỏng vấn 54 hộ chăn nuôi lợn có 20% hộ cho rằng
chăn nuôi lợn để cung cấp chất thải cho các ao đầm nuôi cá vì cá tăng trọng nhanh
và giảm chi phí vận chuyển ra đồng ruộng để bón cho cây trồng [30, 115].

25


Không xử lý
hoặc ủ

Thải ra môi trường

Hình 1.2. Số liệu khảo sát sử dụng chất thải chăn nuôi lợn của 54 trang trại tại tỉnh
Thái Bình và Bắc Giang [30]
Một kết quả điều tra khác tại 40 trang trại chăn nuôi lợn ở Hà Nội, Hà Tây
cũ, Thái Bình, Ninh Bình [27] cho thấy: 91,7% trang trại qui mô trên 200 lợn nái có
thiết kế nhà chứa phân, trong khi đó ở qui mô từ 30 đến 100 lợn nái chỉ 7,6% trang
trại có sử dụng nhà chứa phân và 6,1% trang trại có hố chứa phân. Nhƣ vậy, các
trang trại qui mô chăn nuôi tƣơng đối lớn mới đầu tƣ và quan tâm đến quản lý chất
thải chăn nuôi. Tuy nhiên, nhà chứa phân ở các trang trại đƣợc điều tra là nơi chứa
phân lợn đƣợc thu gom hàng ngày. Với các trang trại không có nhà chứa phân ,chất
thải thƣờng đƣợc đựng vào bao tải, để tập trung ngoài trời. Cả hai hình thức thu
gom này đều không có các biện pháp xử lý ô nhiễm trƣớc khi vận chuyển đi sử
dụng hoặc bán.
Kết quả nghiên cứu cho thấy, việc sử dụng nguồn chất thải chăn nuôi ở các
qui mô chăn nuôi rất khác nhau: sử dụng chất thải cho trồng trọt đạt cao nhất với qui

mô từ 30 đến 100 lợn nái (64,0%), thấp nhất là 12,5% ở qui mô trên 200. Nếu để
bán cao nhất là 58,6% ở qui mô trên 200 lợn nái và thấp nhất ở qui mô từ 30 đến
100 (14,1%); Để sử dụng cho ao nuôi cá: Cao nhất là 17,4% ở qui mô trên 200 lợn