(Luận án tiến sĩ) 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


Cơng trình được hồn 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 ni 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 mơi 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................................................................

52

2.2.2.9. Điện di protein trên gel tricine- SDS- PAGE...........................

53

2.2.2.10. Xác định khả năng kháng khuẩn trực tiếp trên gel acrylamit.

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 ni dạng rắn..................................................................................

55

2.2.4.2. Đánh giá độ chín và độ an tồn 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 NI.....................

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 ni..........................

59

3.1.1.1. Ơ 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.....................

62

3.2.1.2. Vi khuẩn lactic..........................................................................

64

3.2.2. Định tên và xác định độ an toàn sinh học của các chủng 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.................

73

7

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 ni cấy....................................................................

102

3.3.1.2. Tỷ lệ giống cấy.........................................................................

103

3.3.1.3. Điều kiện cấp khí......................................................................

104

3.3.1.4. Mơi 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 hơi 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
129

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ
DANH MỤC CƠNG TRÌNH KHOA HỌC CỦA TÁC GIẢ LIÊN QUAN
ĐẾN LUẬN ÁN
TÀI LIỆU THAM KHẢO
PHỤ LỤC

9


DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU 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

Tris- Acetate- EDTA

TBE

Tris- Borate- EDTA

TCN

Tiêu chuẩn ngành

TCVN

Tiêu chuẩn Việt Nam

TE

Tris - EDTA

TEMED

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

TFA

Trifluoroacetic acid

v/v

Volume/volume ( Thể tích/ thể tích)

w/v

Weight/volume (Khơi lƣợng/thể tích)

11

DANH MỤC CÁC BẢNG
Bảng

Tên bảng

Trang

1.1

Thành phần hoá học của một số loại phân gia súc, gia cầm

7

1.2

Phân loại bacterioxin của vi khuẩn gram (+)

33

1.3

Một số bacterioxin thuộc phân lớp IIa

35

3.1

Môi trƣờng khơng khí tại các trang trại chăn ni

60

3.2

Mật độ vi sinh vật gây bệnh và ký sinh trùng trong chất thải chăn
nuôi

61

3.3

Số lƣợng chủng vi sinh vật phân lập

62

3.4

Khả năng phân giải chất hữu cơ của các chủng vi sinh vật

63

3.5

Kết quả phân lập vi khuẩn lactic

65

3.6

Hoạt tính sinh học của các chủng vi khuẩn lactic phân lập

66

3.7

Hoạt tính sinh học của các chủng vi sinh vật nghiên cứu

67

3.8

Đặc điểm sinh hóa của các chủng vi sinh vật nghiên cứu

72

3.9

Mức độ an toàn của các chủng vi sinh vật nghiên cứu

79

3.10

Ảnh hƣởng nhiệt độ đến sinh trƣởng và khả năng phân giải
xenluloza của chủng XK112

3.11

80

Ảnh hƣởng pH đến sinh trƣởng và khả năng phân giải xenluloza
của chủng XK112

3.12

81

Ảnh hƣởng ion Ca2+ đến độ bền nhiệt của amylaza do chủng B20
tổng hợp

86

3.13

Ảnh hƣởng của ion kim loại đến hoạt tính proteaza của chủng B15

90

3.14

Khả năng đối kháng vi khuẩn gây bệnh cho ngƣời và vật nuôi
của chủng LH19

91

3.15

Khả năng đối kháng E. carotovora KT03 của chủng LH19

92

3.16

Phổ kháng khuẩn của chủng LH19

94

3.17

Phản ứng của dịch chứa chất kháng khuẩn với các enzym phân
giải protein

95

12


Bảng

Tên bảng

Trang

3.18

Ảnh hƣởng của nhiệt độ và thời gian đến hoạt tính bacterioxin

97

3.19

Hoạt tính của bacterioxin ở các pH khác nhau

98

3.20

Ảnh hƣởng của nhiệt độ đến sinh trƣởng và hoạt tính kháng khuẩn
của chủng LH19

3.21

99

Ảnh hƣởng của pH đến sinh trƣởng và hoạt tính kháng khuẩn của
chủng LH19

3.22

100

Sinh trƣởng và hoạt tính kháng khuẩn chủng LH19 trên các loại
đƣờng khác nhau

3.23

101

Ảnh hƣởng các muối nitơ vô cơ đến sinh trƣởng và hoạt tính của

chủng LH19

102

3.24

Động thái sinh trƣởng của các chủng vi sinh vật nghiên cứu

103

3.25

Ảnh hƣởng của tỷ lệ giống cấy đến sinh khối của 4 chủng vi sinh
vật nghiên cứu

3.26

103

Ảnh hƣởng của lƣợng cấp khí đến sinh khối của các chủng vi
sinh vật nghiên cứu

3.27

104

Khả năng sinh trƣởng của các chủng vi sinh vật nghiên cứu trên
các môi trƣờng sản xuất

3.28

106

Điều kiện thích hợp nhân sinh khối của các chủng vi sinh vật
nghiên cứu

106

3.29

Khả năng tồn tại của 4 chủng vi sinh vật trong chế phẩm

108

3.30

Hoạt tính của 4 chủng vi sinh vật trong chế phẩm

109

3.31

Biến động nhiệt độ trong q trình xử lý chất thải chăn ni

112

3.32

Thành phần chất thải chăn nuôi sau xử lý

114

3.33

Mật độ vi sinh vật gây bệnh và ký sinh trùng trong chất thải chăn
ni

116

3.34

Mơi trƣờng khơng khí tại trang trại chăn ni lợn

117

3.35

Mơi trƣờng khơng khí tại trang trại chăn ni gà

117

3.36

Kiểm tra độ chín của phân ủ qua nhiệt độ của túi sản phẩm

120

13

Bảng

Tên bảng

3.37

Đánh giá độ chín của phân ủ bằng phƣơng pháp thử nghiệm cây

Trang

trồng

120

3.38

Hiệu quả sử dụng phân hữu cơ đến năng suất rau cải mơ

122

3.39

Hiệu quả sử dụng phân hữu cơ đến chất lƣợng rau cải

123

3.40

Chi phí cho phân bón đối với rau cải mơ

124

3.41

Hiệu quả sử dụng phân hữu cơ đến năng suất dƣa chuột

126

3.42

Hiệu quả bón phân hữu cơ đến hình thái, kích thƣớc quả dƣa
chuột

127

14


DANH MỤC CÁC HÌNH
Tên hình
1.1

Trang

Dịng 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

1.2

5

Số liệu khảo sát sử dụng chất thải chăn nuôi lợn của 54 trang trại
tại tỉnh Thái Bình và Bắc Giang

9

1.3

Cấu trúc phân tử xenluloza

17

1.4

Chuỗi các đơn phân hydroxyetyl xenluloza

17

1.5

Cấu trúc của tinh bột

22

1.6

Cấu trúc mạch amyloza

22

1.7

Cấu trúc mạch amylopectin

22

1.8

Mơ hình cấu trúc phân tử bậc II của -amylaza

25

1.9

Mơ hình cấu trúc phân tử bậc II của -amylaza

25

1.10

Mơ hình cấu trúc khơng gian của bacterioxin phân lớp IIa

36

1.11

Mơ hình cấu trúc phân tử của bacterioxin

36

3.1

Tình hình sử dụng chất thải tại 6 cơ sở chăn ni điều tra năm
2009

59

3.2

Hoạt tính phân giải xenluloza của chủng xạ khuẩn XK112

67

3.3

Hoạt tính phân giải tinh bột của chủng vi khuẩn B20

67

3.4

Hoạt tính phân giải protein của chủng vi khuẩn B15

67

3.5

Hoạt tính kháng E. carotovora KT03 của chủng LH19

67

3.6

Hình thái bào tử, cuống sinh bào tử của chủng xạ khuẩn XK112

68

3.7

Hình dạng tế bào của chủng vi khuẩn B20

69

3.8

Hình dạng, kích thƣớc tế bào của chủng vi khuẩn B15

70

3.9

Hình dạng, kích thƣớc tế bào của chủng LH19

70

3.10

Hình thái khuẩn lạc của chủng xạ khuẩn XK112

71

3.11

Hình thái khuẩn lạc của chủng vi khuẩn B20

71

3.12

Hình thái khuẩn lạc của chủng vi khuẩn B15

71

15


Tên hình

Trang

3.13

Hình thái khuẩn lạc của chủng vi khuẩn LH19

3.14

Cây phát sinh dựa trên phân tích trình tự ADNr 16S của chủng
XK112 với các lồi có quan hệ gần

3.15

83

Ảnh hƣởng của pH đến sinh trƣởng và khả năng phân giải tinh
bột của chủng B20

3.20

77

Ảnh hƣởng của nhiệt độ đến sinh trƣởng và khả năng phân giải
tinh bột của chủng B20

3.19

76

Cây phát sinh dựa trên phân tích trình tự ADNr 16S của chủng
LH19 với các lồi có quan hệ gần

3.18

75

Cây phát sinh dựa trên phân tích trình tự ADNr 16S của chủng
B15 với các lồi có quan hệ gần

3.17

74

Cây phát sinh dựa trên phân tích trình tự ADNr 16S của chủng
B20 với các lồi có quan hệ gần

3.16

71

85

Ảnh hƣởng của nhiệt độ đến sinh trƣởng và khả năng phân giải
protein của chủng B15

87

3.21

Ảnh hƣởng của pH đến sinh trƣởng và khả năng phân giải
protein của chủng B15

88

3.22

Khả năng đối kháng E. coli, Salmonella, Shigella của chủng LH19

92

3.23

Hoạt tính kháng của LH19 với các chủng vi khuẩn kiểm định

94

3.24.

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

3.25

Điện di tricine SDS- PAGE xác định kích thƣớc và kiểm tra hoạt
tính bacterioxin của chủng LH19

3.26

95
97

Sơ đồ Quy trình sản xuất chế phẩm vi sinh vật xử lý chất thải
chăn ni

107

3.27

Hoạt tính của 4 chủng XK112, B20, B15 và LH19 trong chế phẩm

109

3.28

Sơ đồ Quy trình sử dụng chế phẩm vi sinh vật xử lý chất thải
chăn nuôi dạng rắn thành phân hữu cơ

16

110


Tên hình

Trang

3.29

Màu sắc và kết cấu của chất thải chăn ni trƣớc và sau ủ

3.30

Đánh giá độ chín của phân ủ bằng phƣơng pháp thử nghiệm cây
trồng

3.31

121

Thí nghiêm đánh giá hiệu quả của phân hữu cơ từ chất thải chăn
nuôi đối với rau cải tại xã Vân Nội- Đông Anh- Hà Nội

3.32

119

125

Thí nghiêm đánh giá hiệu quả của phân hữu cơ từ chất thải chăn
nuôi đối với dƣa chuột Tại tam Hợp- Quỳ Hợp- Nghệ An

17

128


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 ni hàng hố qui mơ 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 cơng tác kiểm sốt, 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 ni, trong đó chỉ có khoảng 50% đƣợc xử lý, số
cịn 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
khơng 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 ni 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 q trình chuyển hố.
Phƣơng pháp ủ phân chuồng truyền thống thƣờng kéo dài 4-6 tháng không thể áp
dụng tại các cơ sở chăn ni tập trung vì khơng có đủ điều kiện về cơ sở hạ tầng.
Đã có nhiều cơng 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 hơi của chất thải chăn ni. Một số chế
phẩm sử dụng vi sinh vật khơng có lý lịch chủng giống rõ ràng, gây nhiều băn

18


khoăn về tính an tồn 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 tồn, 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
Nơng hóa (Viện Khoa học Nơng nghiệp Việt Nam), Phịng Cơng nghệ Vật liệu Sinh
học- Viện Cơng nghệ Sinh học (Viện Khoa học và Công nghệ Việt Nam) và đƣợc
sự hỗ trợ từ các đề tài do Viện Khoa học Nơng 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 Cơng 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 ni 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 tồn 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 ni góp phần giảm ơ
nhiễm môi trƣờng, tạo ra phân hữu cơ cung cấp dinh dƣỡng cho cây trồng thay thế
một phần phân bón vơ cơ, góp phần phát triển nơng nghiệp an tồn và bền vững.

19


Đóng góp mới của luận án
1. Đây là cơng 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 cịn 21- 30 ngày.
2. Là cơng 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 ni.
3. Xây dựng đƣợc qui trình sản xuất và ứng dụng chế phẩm vi sinh vật xử lý chất
thải chăn ni dạng rắn làm phân bón hữu cơ thay thế phân chuồng và có thể tiết
kiệm đƣợc 25% lƣợng phân khống, góp phần phát triển sản xuất nơng nghiệp an
tồn, bền vững.

Ý nghĩa khoa học và thực tiễn
- Đề tài cung cấp bốn chủng vi sinh vật an tồn, 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 hố học nâng cao hiệu quả sản xuất của nông dân.
- Đề xuất giải pháp giảm thiểu ô nhiễm môi trƣờng trong chăn ni qui mơ 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 q trình chăn ni 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 cơng 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 ni có
khoảng 90% đồng (Cu) khơng tiêu hố hết bài tiết ra ngồi; arsen (thạch tín) trong
phân vật ni có thê tích tụ trong nội tạng ngƣời và vật ni 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 q trình thu gom, đánh đống
phần bị rửa trơi 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 mơi
trƣờng sinh thái nƣớc.
- Ơ 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 H2S, NH3, CH4, CO2,, N2O...gây
mùi hơi thối khó chịu, kích thích trung khu hơ hấp của con ngƣời và vật ni. 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 khơng 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 khơng khí,
nguồn nƣớc, đất, nơng 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 mơ hình về mối quan hệ giữa chăn nuôi và
các yếu tố ô nhiễm mơi trƣờng theo hình 1.1.
Mầm bệnh
Khí amoniac
Mùi

Khí gây hiệu ứng nhà kính
Chất thải rắn
Chuồng trại

Bán

Chất thải lỏng

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

Ruộng
Ống dẫn

Mầm bệnh
Khí amoniac
Mùi
Khí gây hiệu ứng nhà kính
Chảy tràn

Rửa trơi nitrate
Tích lũy kim loại nặng
,

Phú dưỡng

,

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 ơ nhiễm mơi 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 Mơi 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 H2S, NH3 và tổng số VSV, bào tử nấm, VK
gây bệnh cho gia súc và con ngƣời trong đất, nƣớc, khơng 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 ơ nhiễm mơi 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

Thành phần ( %)
Nƣớc

N

P2O5

K2 O

CaO

MgO

Lợn

82,0

0,80

0,41

0,26

0,009

0,10

Trâu, bị

83,1

0,29

0,17

1,00

0,35

0,13

Gà

56,0

1,63

0,54

0,85

2,40

0,74

Vịt

56,0

1,00

1,10

0,62

1,70

0,35

(Nguồn: Trích theo [10])

Ngồi 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 ni 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 mịn, bạc màu; cải thiện môi trƣờng sống tốt
hơn cho hệ vi sinh vật đất, ngồi ra cịn làm tăng hiệu lực của phân bón vơ cơ lên 810%. Khi bón phân hóa học, cây sử dụng khoảng 40%, phần cịn lại bị rửa trơi
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 ni 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 ni 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 ni đƣợc thƣơng mại hố [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 ni hàng hố 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 ni, đã xuất hiện mơ hình trang trại tƣ nhân với quy
mơ 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 ni 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, cịn 57% (chủ yếu là chất thải rắn khơng 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
ni 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 ni lợn có 20% hộ cho
rằng chăn ni 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


100%

57%

43%

Phân lợn

Bón cho cây trồng
6%

12%
Khơng xử lý
hoặc ủ

13%

Ni cá

20%

Biogas

13%
Bán
17%

19%
Thải ra mơi 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 mơ trên 200 lợn nái có
thiết kế nhà chứa phân, trong khi đó ở qui mơ 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 khơng có nhà chứa phân ,chất
thải thƣờng đƣợc đựng vào bao tải, để tập trung ngồi trời. Cả hai hình thức thu
gom này đều khơng 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

26


nái và thấp nhất ở qui mô từ 30 đến 100 (8,2%). Chất thải từ các trang trại qui mô
trên 200 lợn nái thƣờng để bán và sử dụng cho các ao đầm nuôi cá. Đa số các trang
trại qui mô nhỏ, sử dụng chất thải cho trồng trọt. Việc sử dụng chất thải chăn ni
khác nhau, có mối liên quan đến số lƣợng phân đƣợc thu gom hàng ngày lớn so với
diện tích nơi chứa. Bán hoặc sử dụng chất thải để ni cá có thể chuyển và giải
phóng nhanh chất thải, trong khi để phục vụ trồng trọt thì lại liên quan đến thời vụ
và thời điểm bón phân.
1.1.3. Các biện pháp xử lý chất thải chăn ni
Có rất nhiều cơng trình nghiên cứu đã có kết quả và đƣợc đề xuất, dùng riêng
rẽ hoặc kết hợp để tăng hiệu quả xử lý cũng nhƣ hiệu quả kinh tế của cơng nghệ.
Các giải pháp chính gồm:
1.1.3.1. Phƣơng pháp vật lý phân tách chất rắn - lỏng
Bao gồm phƣơng pháp lắng cặn, phƣơng pháp sử dụng máy tách chất rắn,
phƣơng pháp lọc. Các phƣơng pháp này giúp giảm đáng kể hàm lƣợng nƣớc trong
chất thải, giảm diện tích hồ chứa phân, tăng giá trị dinh dƣỡng trong phân rắn. Phần
rắn sau khi phân tách có thể tiếp tục đƣợc xử lý bằng phƣơng pháp sinh học (60%),
bằng phƣơng pháp hoá lý (25%) và phƣơng pháp nhiệt (10%) [27, 111] để làm phân
bón cho cây trồng hoặc để sản sinh năng lƣợng. Phƣơng pháp này đƣợc áp dụng ở
nhiều nƣớc trên thế giới, trong đó Hà Lan có khoảng 80 nhà máy, Pháp có khoảng
600 trang trại lợn áp dụng phƣơng pháp phân tách và xử lý chất thải chăn ni.
1.1.3.2. Các phƣơng pháp hố học
+ Bơm và trộn các chất điện ly đơn giản hoặc các chất điện ly polyme cùng với hỗn
hợp chất thải trƣớc khi tách cơ học làm tăng 82% hiệu quả tách chất rắn. Hoá chất
thƣờng đƣợc dùng để keo tụ và kết bông các phân tử rắn là các chất polyme nhƣ
polyacrylamit và các muối kim loại (clorua sắt, muối nhôm và vôi). Các chất này

làm tăng đáng kể tính kỵ nƣớc của phân, làm cho các chất rắn liên kết tạo phân tử
có kích thƣớc lớn hơn, kết lắng nhanh hơn; 90% phốt pho dạng hồ tan và khơng
hồ tan đƣợc kết tủa và tách ra khỏi chất lỏng [27, 111].

27