Tuyển chọn vi sinh vật có khả năng phân giải phế phụ phẩm sau thu hoạch để tạo chế phẩm dùng trong sản xuất phân bón hữu cơ tại đồng ruộng
Bạn đang xem bản rút gọn của tài liệu. Xem và tải ngay bản đầy đủ của tài liệu tại đây (11.31 MB, 225 trang )
ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI
TRƢỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN
------------------------------------------
ĐINH HỒNG DUYÊN
TUYỂN CHỌN VI SINH VẬT CÓ KHẢ NĂNG
PHÂN GIẢI PHẾ PHỤ PHẨM SAU THU HOẠCH
ĐỂ TẠO CHẾ PHẨM DÙNG TRONG SẢN XUẤT
PHÂN BÓN HỮU CƠ TẠI ĐỒNG RUỘNG
LUẬN ÁN TIẾN SĨ SINH HỌC
Hà Nội - Năm 2011
ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI
TRƢỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN
------------------------------------------
ĐINH HỒNG DUYÊN
TUYỂN CHỌN VI SINH VẬT CÓ KHẢ NĂNG
PHÂN GIẢI PHẾ PHỤ PHẨM SAU THU HOẠCH
ĐỂ TẠO CHẾ PHẨM DÙNG TRONG SẢN XUẤT
PHÂN BÓN HỮU CƠ TẠI ĐỒNG RUỘNG
Chuyên ngành: VI SINH VẬT HỌC
Mã số: 62 42 40 01
LUẬN ÁN TIẾN SĨ SINH HỌC
NGƢỜI HƢỚNG DẪN KHOA HỌC
1. PGS.TS. Nguyễn Xuân Thành
2. PGS.TS. Phạm Văn Toản
Hà Nội - Năm 2011
DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT
Chữ viết đầy đủ
Chữ viết tắt
ADNr
Axit deoxyribonucleic riboxom
ARNr
Axit ribonucleic riboxom
CEC
Cacboxyetyl xenluloza
CFU
Colony forming unit (Đơn vị hình thành khuẩn lạc)
CMC
Carboxy methyl cellulose (Cacboxy metyl xenluloza)
CTĐC
Cơng thức đối chứng
CTTN
Cơng thức thí nghiệm
CV 5%
Sai số thí nghiệm
EDTA
Ethylene diamine tetra acetic acid (Axit etylen diamin tetra axetic)
ETS
Externally Transcribed Spacer (Khoảng sao chép bên ngoài)
G+C
Guanin + Cytozin
IGS
Inter Genic Spacer
ISP
International Streptomyces Project (Chƣơng trình xạ khuẩn quốc tế)
ITS
Internal Transcribed Spacer (Khoảng giữa của hai đoạn gen sao chép)
LSD 5%
Least Significance difference (Sai khác giữa các cơng thức có ý nghĩa)
MMTCE
Million Metric Tons of Carbon Equivalent (triệu tấn cacbon tƣơng đƣơng)
MPN
Most probable number (Số lƣợng chắc chắn nhất có thể)
NSHH
Nốt sần hữu hiệu
NSTT
Năng suất thực thu
NTS
Non - Transcribed Spacer (Khoảng không sao chép)
PCR
Polymerase Chain Reaction (Phản ứng chuỗi trùng hợp)
PDA
Potato- dextrose - agar (Khoai tây - glucoza - thạch)
SD
Standard deviation (Độ lệch chuẩn)
TAE
Tris-axit axetic - axit etylenediaminetetra axetic
TCVN
Tiêu chuẩn Việt Nam
VSV
Vi sinh vật
YS
Yeast extract-soluble starch (Tinh bột tan - cao nấm men)
i
DANH MỤC CÁC BẢNG
Tên bảng
Bảng 1.1.
Ƣớc tính khối lƣợng các nguồn phế phụ phẩm nơng nghiệp chính
ở Việt Nam
Bảng 1.2.
Trang
5
Giá trị dinh dƣỡng của một số phế phụ phẩm nông nghiệp ở
Việt Nam
6
Bảng 1.3.
Hàm lƣợng lipit của một số rau quả
8
Bảng 1.4.
Các chủng vi sinh vật trong đống ủ
40
Bảng 1.5.
Nhiệt độ và thời gian chết của một số loài vi sinh vật
41
Bảng 2.1.
Địa điểm lấy mẫu phân lập vi sinh vật xử lý phế phụ phẩm
nơng nghiệp
61
Bảng 3.1.
Hoạt tính sinh học của 7 chủng vi sinh vật thuộc nhóm an tồn 1
91
Bảng 3.2.
Đặc điểm của chủng XX-7 khi ni cấy trên các môi trƣờng khác
nhau
94
Bảng 3. 3. So sánh đặc điểm phân loại của chủng XX-7 với S.griseoflavus
Waksman và Henrici 1948
Bảng 3.4.
97
Ảnh hƣởng của các môi trƣờng nuôi cấy đến sinh trƣởng và sinh
enzym ngoại bào của các chủng VP-14, XX-7, NT-18
Bảng 3.5.
Ảnh hƣởng của pH đến sinh trƣởng và sinh enzym ngoại bào của
các chủng VP-14, XX-7, NT-18
Bảng 3.6.
106
Ảnh hƣởng của nguồn Nitơ đến sinh trƣởng và sinh enzym ngoại
bào của các chủng VP-14, XX-7, NT-18
Bảng 3.9.
104
Ảnh hƣởng của nguồn cacbon đến sinh trƣởng và sinh enzym
ngoại bào của các chủng VP-14, XX-7, NT-18
Bảng 3.8.
103
Ảnh hƣởng của nhiệt độ đến sinh trƣởng và sinh enzym ngoại
bào của các chủng VP-14, XX-7, NT-18
Bảng 3.7.
101
107
Mật độ và hoạt tính enzym ngoại bào của VP-14, XX-7, NT-18 khi
nuôi cấy riêng lẻ và hỗn hợp trong chất mang cám gạo khử trùng
ii
109
Bảng 3.10. Mật độ và hoạt tính enzym ngoại bào của VP-14, XX-7, NT-18
khi nuôi cấy riêng lẻ và hỗn hợp trong môi trƣờng dịch thể
110
Bảng 3.11. Chất lƣợng của chế phẩm vi sinh vật dạng bột
114
Bảng 3.12. Chất lƣợng của chế phẩm vi sinh vật dạng dịch
114
Bảng 3.13. Kết quả phân tích rơm rạ ở các cơng thức thí nghiệm sau 40 ngày
117
Bảng 3.14. Diễn biến nhiệt độ trong đống ủ của các loại phế phụ phẩm nông
nghiệp khác nhau
121
Bảng 3.15. Kết quả phân tích phế phụ phẩm nơng nghiệp trƣớc và sau khi xử lý
124
Bảng 3.16. Chất lƣợng của phân hữu cơ tái chế từ phế phụ phẩm nông nghiệp
128
Bảng 3.17. Sinh vật gây bệnh trong đống ủ rơm rạ
129
Bảng 3.18. Tính chất nơng hóa học của 3 loại đất thực nghiệm với cây lúa nƣớc
131
Bảng 3.19. Tính chất nơng hóa học của 3 loại đất thực nghiệm với cây
đậu tƣơng
132
Bảng 3.20. Hiệu quả của phân hữu cơ tái chế từ phế phụ phẩm nơng nghiệp
bón cho cây lúa xuân tại huyện Nam Sách, Hải Dƣơng
134
Bảng 3.21. Hiệu quả của phân hữu cơ tái chế từ phế phụ phẩm nơng nghiệp
bón cho cây lúa xn tại huyện Gia Lâm - Hà Nội
135
Bảng 3.22. Hiệu quả của phân hữu cơ tái chế từ phế phụ phẩm nơng nghiệp
bón cho cây lúa xuân tại huyện Hiệp Hòa - Bắc Giang
137
Bảng 3.23. Hiệu quả của phân hữu cơ tái chế từ phế phụ phẩm nơng nghiệp
bón cho cây đậu tƣơng tại huyện Hiệp Hòa - Bắc Giang
140
Bảng 3.24. Hiệu quả của phân hữu cơ tái chế từ phế phụ phẩm nông nghiệp
bón cho cây đậu tƣơng tại huyện Gia Lâm - Hà Nội
141
Bảng 3.25. Hiệu quả của phân hữu cơ tái chế từ phế phụ phẩm nơng nghiệp
bón cho cây đậu tƣơng tại huyện Nam Sách - Hải Dƣơng
iii
143
DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ
Tên hình
Trang
Hình 1.1. Cấu trúc phân tử xenluloza
21
Hình 1.2. Sự biến động của nhiệt độ và pH theo thời gian ủ
35
Hình 1.3. Sự biến động quần thể vi sinh vật trong suốt quá trình ủ phân vỏ cây
41
Hình 1.4. Cấu trúc nhóm gen ARNr
59
Hình 1.5. Sơ đồ biểu diễn cây phả hệ
59
Hình 2.1. Đƣờng chuẩn nồng độ glucoza
69
Hình 2.2. Đƣờng chuẩn tyrosine
71
Hình 2.3. Mơ hình cấy vạch nghiên cứu tính đối kháng
78
Hình 3.1. Tỷ lệ VSV có hoạt tính enzym trong tổng số VSV phân lập đƣợc
89
Hình 3.2. Hình thái tế bào và khuẩn lạc của chủng VP-14
92
Hình 3.3. Hình thái cuống sinh bào tử, bào tử và khuẩn lạc của chủng XX-7
93
Hình 3.4. Hình dạng cơ quan sinh sản của chủng NT-18
95
Hình 3.5. Vị trí phân loại của chủng VP-14 với các lồi có quan hệ họ hàng gần
96
Hình 3.6. Vị trí phân loại của chủng XX-7 với các lồi có quan hệ họ hàng gần
98
Hình 3.7. Vị trí phân loại của chủng NT-18 với các lồi có quan hệ họ hàng gần
99
Hình 3.8. Quy trình sản xuất chế phẩm dạng dịch từ VP-14
112
Hình 3.9. Quy trình sản xuất chế phẩm dạng bột từ XX-7 và NT-18
113
Sơ đồ 3.1. Quy trình xử lý phế phụ phẩm nơng nghiệp trên đồng ruộng
118
Hình 3.10. Diễn biến nhiệt độ trong đống ủ rau quả
122
Hình 3.11. Diễn biến nhiệt độ trong đống ủ rơm rạ
122
Hình 3.12. Diễn biến nhiệt độ trong đống ủ vỏ hành tỏi
123
Hình 3.13. Sự biến động OC% trƣớc và sau khi ủ
125
Hình 3.14. Sự biến động hàm lƣợng photpho trong quá trình ủ
126
Hình 3.15. Sự biến động hàm lƣợng kali trong quá trình ủ
127
iv
MỤC LỤC
Lời cam đoan
i
Lời cảm ơn
Danh mục các ký hiệu và chữ viết tắt
ii
iii
Danh mục các bảng
iv
Danh mục các hình vẽ, đồ thị
Mục lục
vi
vii
MỞ ĐẦU ....................................................................................................................1
CHƢƠNG 1. TỔNG QUAN TÀI LIỆU ..................................................................4
1.1. KHÁI NIỆM THUẬT NGỮ ................................................................................4
1.2. KHỐI LƢỢNG VÀ THÀNH PHẦN PHẾ PHỤ PHẨM NÔNG NGHIỆP ........4
1.2.1. Phụ phẩm từ sản xuất nông nghiệp lƣơng thực và rau màu ..........................4
1.2.2. Phụ phẩm từ sản xuất ngành mía đƣờng .......................................................9
1.2.3. Phụ phẩm từ sản xuất ngành cà phê ............................................................11
1.3. BIỆN PHÁP XỬ LÝ PHẾ PHỤ PHẨM NÔNG NGHIỆP ...............................11
1.3.1 Đốt ................................................................................................................11
1.3.2. Ủ làm phân ..................................................................................................13
1.3.3. Biện pháp vùi trực tiếp vào đất, trên ruộng.................................................16
1.3.4. Biện pháp tái sử dụng tạo ra các sản phẩm hữu ích khác ...........................18
1.4. CƠ SỞ KHOA HỌC CỦA Q TRÌNH PHÂN GIẢI PHẾ PHỤ PHẨM
NƠNG NGHIỆP........................................................................................................19
1.4.1. Hệ thống enzym vi sinh vật .........................................................................19
1.4.2. Cơ sở khoa học của quá trình phân hủy ......................................................20
1.4.2.1. Phân giải xenluloza ..............................................................................20
1.4.2.2. Phân giải tinh bột ................................................................................26
1.4.2.3. Phân giải protein .................................................................................29
1.4.2.4.Phân giải hemixenluloza .......................................................................30
1.4.2.5. Phân giải lignin ....................................................................................32
1.4.3. Các yếu tố ảnh hƣởng đến quá trình xử lý phế thải làm phân bón .............33
1.4.3.1. Yếu tố phi sinh học ..............................................................................34
1.4.3.2. Yếu tố sinh học.....................................................................................38
1.5. KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU VỀ ỨNG DỤNG VI SINH VẬT TRONG XỬ LÝ
PHẾ THẢI LÀM PHÂN BÓN VÀ CÁC SẢN PHẨM TÁI SỬ DỤNG KHÁC ........43
1.5.1. Nghiên cứu trên thế giới..............................................................................43
v
1.5.2. Nghiên cứu ở Việt Nam ..............................................................................46
1.5.3. Vai trò của phân hữu cơ ..............................................................................53
1.6. PHÂN LOẠI VI SINH VẬT XỬ LÝ PHẾ PHỤ PHẨM NÔNG NGHIỆP ......56
1.6.1. Phƣơng pháp phân loại thông thƣờng .........................................................57
1.6.2. Phƣơng pháp phân loại hiện đại ..................................................................57
1.6.2.1. Hoá phân loại .......................................................................................57
1.6.2.2. Sinh học phân tử...................................................................................58
CHƢƠNG 2. NGUYÊN LIỆU VÀ PHƢƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU ..............61
2.1. NGUYÊN LIỆU VÀ HÓA CHẤT ....................................................................61
2.1.1. Mẫu phế thải ................................................................................................61
2.1.2. Giống cây ....................................................................................................61
2.1.3. Dụng cụ, thiết bị và hóa chất .......................................................................61
2.1.4. Mơi trƣờng ..................................................................................................62
2.2. PHƢƠNG PHÁP ................................................................................................65
2.2.1. Phân lập vi sinh vật từ các mẫu phế thải ....................................................65
2.2.2. Đánh giá đặc tính sinh học của các chủng vi sinh vật ................................65
2.2.2.1. Xác định thời gian nuôi cấy của các chủng vi sinh vật ........................65
2.2.2.2. Xác định hình thái, kích thƣớc khuẩn lạc và hình thái vi sinh vật .......65
2.2.2.3. Lựa chọn mơi trƣờng thích hợp ...........................................................66
2.2.2.4. Ảnh hƣởng của nguồn cacbon và nitơ ................................................67
2.2.2.5. Ảnh hƣởng của pH ban đầu ................................................................67
2.2.2.6. Ảnh hƣởng của nhiệt độ ban đầu .........................................................67
2.2.2.7. Xác định hoạt tính enzym bằng phƣơng pháp khuếch tán trên thạch ....68
2.2.2.8. Định lƣợng enzym ................................................................................68
2.2.3. Bảo quản giống ...........................................................................................72
2.2.4. Phân loại vi sinh vật bằng phƣơng pháp sinh học phân tử..........................72
2.2.4.1. Đọc trình tự ADNr ...............................................................................72
2.2.4.2. Xây dựng cây phát sinh chủng loại ......................................................77
2.2.5. Sản xuất chế phẩm vi sinh vật .....................................................................78
2.2.5.1. Nguyên liệu chế tạo chất mang ............................................................78
2.2.5.2. Nghiên cứu tính đối kháng giữa các chủng vi sinh vật ........................78
2.2.5.3. Sản xuất chế phẩm vi sinh vật ..............................................................79
2.2.6. Các phƣơng pháp phân tích vi sinh vật, sinh vật ........................................80
2.2.6.1. Kiểm tra mật độ tế bào vi khuẩn, xạ khuẩn, nấm ................................80
vi
2.2.6.2.Kiểm tra vi sinh vật tạp .........................................................................80
2.2.6.3. Kiểm tra mật độ Colifom .....................................................................80
2.2.6.4. Kiểm tra mật độ Salmonella.................................................................80
2.2.6.5. Kiểm tra mật độ E.coli .........................................................................81
2.2.6.6. Xác định trứng giun .............................................................................82
2.2.7. Phân tích các chỉ tiêu lý tính, hố tính ........................................................82
2.2.7.1. Các chỉ tiêu lý tính ...............................................................................82
2.2.7.2. Các chỉ tiêu hố tính .............................................................................83
2.2.8. Nghiên cứu hiệu quả của chế phẩm vi sinh vật...........................................83
2.2.8.1. Thí nghiệm chậu vại .............................................................................83
2.2.8.2. Thử nghiệm hiệu quả của chế phẩm vi sinh vật trên đống ủ phế phụ
phẩm nông nghiệp .............................................................................................83
2.2.9. Thực nghiệm hiệu quả của phân hữu cơ tái chế từ phế phụ phẩm nông
nghiệp trên đồng ruộng .........................................................................................84
2.2.9.1. Hiệu quả thực nghiệm bón phân cho cây lúa giống KD18 ..................84
2.2.9.2. Hiệu quả thực nghiệm bón phân cho cây đậu tƣơng giống ĐT84 .......86
2.2.10. Phƣơng pháp phân tích và xử lý số liệu ....................................................87
CHƢƠNG 3. KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN .........................................................88
3.1. PHÂN LẬP VÀ TUYỂN CHỌN VI SINH VẬT ..............................................88
3.1.1. Phân lập vi sinh vật có khả năng phân huỷ xenluloza, tinh bột, protein .....88
3.1.1.1. Phân lập vi sinh vật phân huỷ xenluloza ..............................................88
3.1.1.2. Phân lập vi sinh vật phân huỷ tinh bột .................................................89
3.1.1.3. Phân lập vi sinh vật phân huỷ protein ..................................................90
3.1.2. Tuyển chọn các chủng vi sinh vật có khả năng phân huỷ phế phụ phẩm
nông nghiệp ...........................................................................................................90
3.2. PHÂN LOẠI VÀ ĐỊNH TÊN VI SINH VẬT ...................................................92
3.2.1. Đặc điểm hình thái, kích thƣớc ...................................................................92
3.2.2. Giải trình tự ADNr16S và phân loại vi sinh vật .........................................95
3.2.2.1. Chủng VP-14 ........................................................................................96
3.2.2.2. Chủng XX-7 .........................................................................................97
3.2.2.3. Chủng NT-18 .......................................................................................99
3.3. KHẢ NĂNG SINH TRƢỞNG, PHÁT TRIỂN VÀ SINH ENZYM
NGOẠI BÀO CỦA CÁC CHỦNG VI SINH VẬT ĐÃ LỰA CHỌN ...................100
3.3.1. Ảnh hƣởng của các môi trƣờng nuôi cấy khác nhau .................................100
vii
3.3.2. Ảnh hƣởng của pH ban đầu và nhiệt độ ....................................................102
3.3.3. Ảnh hƣởng của nguồn cơ chất ..................................................................105
3.4. SẢN XUẤT CHẾ PHẨM VI SINH VẬT .......................................................108
3.4.1. Nghiên cứu tính đối kháng giữa các chủng vi sinh vật đã tuyển chọn ....108
3.4.2. Khả năng tồn tại của các chủng vi sinh vật trong môi trƣờng nuôi cấy
hỗn hợp chủng .....................................................................................................108
3.4.2.1. Trong điều kiện chất mang dạng bột ..................................................108
3.4.2.2. Trong điều kiện chất mang dạng lỏng ................................................110
3.4.3. Sản xuất chế phẩm vi sinh vật ...................................................................111
3.4.4. Đánh giá chất lƣợng của chế phẩm vi sinh vật sau khi sản xuất
và
trong thời gian bảo quản......................................................................................114
3.5. XỬ LÝ PHẾ PHỤ PHẨM NÔNG NGHIỆP BẰNG CHẾ PHẨM VI
SINH VẬT...............................................................................................................117
3.5.1. Kết quả thí nghiệm chậu vại......................................................................117
3.5.2. Kết quả xử lý phế phụ phẩm nông nghiệp bằng chế phẩm vi sinh vật .....118
3.5.2.1. Diễn biến nhiệt độ của các đống ủ .....................................................120
3.5.2.2. Chất lƣợng của đống ủ sau xử lý........................................................124
3.5.3. Kiểm tra, đánh giá sinh vật gây bệnh trong đống ủ ..................................129
3.6. HIỆU QUẢ CỦA PHÂN HỮU CƠ TÁI CHẾ TỪ PHẾ PHỤ PHẨM
NÔNG NGHIỆP TRÊN ĐỒNG RUỘNG ..............................................................130
3.6.1. Tính chất nơng hố học của đất thực nghiệm ...........................................130
3.6. 2. Hiệu quả của phân hữu cơ tái chế từ phế phụ phẩm nông nghiệp ...........133
3.6.2.1 Hiệu quả thực nghiệm bón phân cho cây lúa nƣớc .............................133
3.6.2.2 Hiệu quả thực nghiệm bón phân cho cây đậu tƣơng ...........................139
KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ ..............................................................................146
DANH MỤC CƠNG TRÌNH KHOA HỌC CỦA TÁC GIẢ ... Error! Bookmark
not defined.
LIÊN QUAN ĐẾN LUẬN ÁN ................................ Error! Bookmark not defined.
TÀI LIỆU THAM KHẢO ....................................................................................148
PHỤ LỤC ...............................................................................................................162
viii
MỞ ĐẦU
1. TÍNH CẤP THIẾT CỦA LUẬN ÁN
Hiện nay phế thải là một vấn nạn ảnh hƣởng trực tiếp đến đời sống con
ngƣời, các hoạt động xã hội, quá trình sản xuất, chế biến nông công nghiệp. Phế thải
không chỉ làm ô nhiễm môi trƣờng, gây độc hại cho sức khoẻ con ngƣời, vật ni,
cây trồng mà cịn làm mất đi cảnh quan văn hố đơ thị và nơng nghiệp - nơng thơn.
Phế thải có nhiều nguồn khác nhau: rác thải sinh hoạt, rác thải đô thị, phế thải sau
thu hoạch, phế thải từ các nhà máy công nghiệp….
Việt Nam là nƣớc nơng nghiệp, có diện tích đất canh tác khoảng 10,126 triệu
ha, nên hàng năm sau thu hoạch trên đồng ruộng cịn lại hàng triệu tấn phế thải, đó
là: rơm rạ, lõi ngô, cây sắn,…. Những phế thải này phần lớn bị đốt gây ơ nhiễm
khơng khí, và làm mất đi một lƣợng lớn chất dinh dƣỡng mà cây đã lấy đi từ đất,
một phần dùng vào mục đích chăn ni, phần cịn lại trở thành phế thải gây ô nhiễm
môi trƣờng, trong khi đó đất đai lại thiếu trầm trọng nguồn dinh dƣỡng cho cây. Để
bù trả lại nguồn dinh dƣỡng cho đất, hàng năm Việt Nam phải bỏ hàng triệu đơ la
để mua phân bón hố học của nƣớc ngoài [19].
Xu thế hiện nay là phát triển nền nông nghiệp sạch - nền nông nghiệp hữu
cơ, nhu cầu về phân hữu cơ đã thiếu lại càng thiếu vì nguồn phân hữu cơ từ chăn
ni gia súc, gia cầm rất hạn chế. Vì vậy, xử lý phế phụ phẩm nông nghiệp trên
đồng ruộng bằng chế phẩm vi sinh vật là việc làm cần thiết, có ý nghĩa rất lớn. Điều
này không chỉ tạo ra nguồn phân hữu cơ tại chỗ trả lại cho đất, giải quyết sự thiếu
hụt về phân hữu cơ trong thâm canh hiện nay, giảm bớt chi phí phân bón, thuốc trừ
sâu cho ngƣời nơng dân, mà cịn có ý nghĩa rất lớn trong việc tiêu diệt ổ bệnh trên
đồng ruộng, giảm thiểu ô nhiễm mơi trƣờng từ đồng ruộng.
Để có chế phẩm vi sinh vật tốt xử lý phế phụ phẩm đồng ruộng thì việc phân
lập, tuyển chọn chủng vi sinh vật có khả năng sản sinh ra enzym ngoại bào
xenlulaza, proteaza, amylaza…. để chuyển hoá các chất xơ sợi thành mùn hữu cơ là
1
việc làm rất quan trọng cần thiết hiện nay. Xuất phát từ thực tế trên chúng tôi tiến
hành nghiên cứu đề tài: “Tuyển chọn vi sinh vật có khả năng phân giải phế phụ
phẩm sau thu hoạch để tạo chế phẩm dùng trong sản xuất phân bón hữu cơ tại
đồng ruộng”
2. MỤC TIÊU NGHIÊN CỨU CỦA LUẬN ÁN
- Phân lập, tuyển chọn vi sinh vật có khả năng phân giải mạnh xenluloza, protein,
tinh bột để làm giống sản xuất chế phẩm VSV xử lý phế phụ phẩm nông nghiệp.
- Sản xuất chế phẩm vi sinh vật để xử lý một số phế phụ phẩm nông nghiệp và tái
chế thành phân hữu cơ.
- Bƣớc đầu đánh giá hiệu quả của phân hữu cơ tái chế từ phế phụ phẩm nơng nghiệp
bón cho cây trồng.
3. ĐÓNG GÓP MỚI CỦA LUẬN ÁN
- Đây là cơng trình đầu tiên nghiên cứu có hệ thống từ bƣớc đầu đến hiệu quả trên
cây, đó là: phân lập, tuyển chọn, sản xuất chế phẩm vi sinh vật, xử lý phế phụ phẩm
nông nghiệp, tái chế thành phân hữu cơ bón cho cây trồng.
- Đã phân lập, tuyển chọn đƣợc 3 chủng vi sinh vật đều có bào tử, chịu đƣợc nhiệt
độ cao để làm giống sản xuất chế phẩm. Do đó, chế phẩm vi sinh vật có thể bảo
quản đƣợc trong thời gian dài, và có khả năng tồn lƣu trong đất để tiếp tục phân giải
các chất hữu cơ cung cấp dinh dƣỡng cho cây trồng.
- Đã đƣa ra phƣơng pháp ủ đơn giản, dễ thực hiện và chi phí thấp. Chế phẩm vi sinh
đã rút ngắn thời gian ủ phế phụ phẩm nông nghiệp từ 4- 6 tháng xuống còn 30 đến
40 ngày.
- Phân hữu cơ tái chế từ phế phụ phẩm nông nghiệp giúp tăng năng suất cây lúa lên
0,27 đến 0,34 tấn/ha, tăng năng suất đậu tƣơng lên 0,65 đến 0,90 tạ/ha so với bón
phân chuồng địa phƣơng.
2
4. Ý NGHĨA KHOA HỌC VÀ Ý NGHĨA THỰC TIỄN
Ý nghĩa khoa học
Đề tài góp phần bổ sung cơ sở lý luận trong việc nghiên cứu và sản xuất chế
phẩm vi sinh vật phân giải các chất hữu cơ.
Đề tài đã phân lập tuyển chọn đƣợc 3 chủng vi sinh vật để làm giống sản
xuất chế phẩm xử lý phế phụ phẩm nơng nghiệp, góp phần bổ sung vào nguồn gen
vi sinh vật xử lý chất hữu cơ xơ sợi.
Ý nghĩa thực tiễn
Sản xuất đƣợc chế phẩm vi sinh vật để xử lý phế phụ phẩm nông nghiệp, và
xây dựng đƣợc quy trình ủ phế phụ phẩm đơn giản, dễ làm.
Tạo đƣợc nguồn phân hữu cơ từ phế phụ phẩm nơng nghiệp bón cho cây
trồng, giải quyết một phần sự thiếu hụt về phân hữu cơ trong thâm canh hiện nay,
đồng thời giảm thiểu ô nhiễm môi trƣờng từ phế phụ phẩm nông nghiệp.
3
CHƢƠNG 1. TỔNG QUAN TÀI LIỆU
1.1. KHÁI NIỆM THUẬT NGỮ
* Khái niệm chất thải rắn
Theo Luật Bảo vệ môi trƣờng năm 2005: chất thải rắn là vật thể ở thể rắn
đƣợc thải ra từ sản xuất, kinh doanh, dịch vụ, sinh hoạt hoặc các hoạt động khác [9].
Theo quan điểm chung: chất thải rắn là toàn bộ các loại vật chất đƣợc con
ngƣời loại bỏ trong các hoạt động kinh tế - xã hội của mình (bao gồm các hoạt động
sản xuất, các hoạt động sống và duy trì sự tồn tại của cộng đồng…) trong đó quan
trọng nhất là các loại chất thải sinh ra từ hoạt động sản xuất và hoạt động sống.
Hiện nay trong sinh hoạt chúng ta thƣờng hay sử dụng cụm từ phế thải với ý
nghĩa là chất thải rắn. Nhƣ vậy, có thể nói phế thải là sản phẩm loại bỏ đƣợc thải ra
trong quá trình hoạt động, sản xuất, chế biến của con ngƣời. Phế thải có nhiều
nguồn khác nhau: Rác thải sinh hoạt, rác thải đô thị; tàn dƣ thực vật; phế thải do q
trình sản xuất, chế biến nơng cơng nghiệp; phế thải từ các nhà máy công nghiệp nhƣ
nhà máy giấy, khai thác chế biến than, nhà máy đƣờng, nhà máy thuốc lá, nhà máy
bia, nƣớc giải khát, các lò mổ, các nhà máy xí nghiệp chế biến rau quả đồ hộp….
* Chất thải nông nghiệp: là những chất thải và mẫu thừa thải ra từ các hoạt động
nông nghiệp nhƣ: trồng trọt, thu hoạch các loại cây trồng, chăn nuôi… Hiện tại việc
quản lý và xả các loại chất thải nông nghiệp không thuộc về trách nhiệm của các
công ty môi trƣờng đô thị của các địa phƣơng [9].
1.2. KHỐI LƢỢNG VÀ THÀNH PHẦN PHẾ PHỤ PHẨM NÔNG NGHIỆP
1.2.1. Phụ phẩm từ sản xuất nông nghiệp lƣơng thực và rau màu
Viê ̣t Nam là nƣớc nông nghiê ̣p có nguồ n phế thải sau thu hoa ̣ch rấ t lớn v à đa
dạng, đó là: rơm rạ, thân cây ngô , cây đâ ̣u...Trƣớc đây ông cha ta đề u tâ ̣n du ̣ng triê ̣t
để nguồn phế thải này để ủ làm phân, đun nấu, làm chất độn chuồng hoặc làm thức
ăn cho gia súc. Ngày nay đời sống nông thôn đƣợc cải thiện sức ép đun nấu khơng
cịn gay gắ t, do vâ ̣y phế thải sau thu hoa ̣ch chủ yếu bị đốt ngoài đồng ruộng. Đây là
4
viê ̣c làm gây ô nhiễm môi trƣờng trầm trọng và lãng phí bởi vì trong tro chỉ chứa
chấ t khoáng.
Nguồn phế phụ phẩm nông nghiệp ở nƣớc ta đƣợc ƣớc tính dựa trên khảo sát
khối lƣợng thực tế của từng loại phế phụ phẩm trên 1 đơn vị diện tích, sau đó dựa
vào số liệu thống kê về diện tích gieo trồng hàng năm để tính ra tổng khối lƣợng
cho toàn quốc. Khối lƣợng này đƣợc quy đổi ra chất khô để tiện cho việc so sánh,
đánh giá (Bảng 1.1) [19].
Bảng 1.1. Ƣớc tính khối lƣợng các nguồn phế phụ phẩm nơng nghiệp chính
ở Việt Nam
Tên phế phụ phẩm
Diện tích gieo trồng
(Triệu ha/năm)
Khối lƣợng phế phụ phẩm
(Triệu tấn chất khô/ năm)
Rơm lúa
7,5
25,0
Cây ngô (đã thu bắp)
0,65
2,0
Dây lạc
0,27
0,48
Dây lang
0,26
0,24
Ngọn, lá sắn
0,23
0,29
Lá mía
0,28
0,42
Tổng cộng
-
28,4
Nguồn: Tổng cục thống kê, 2009
Nhƣ vậy, tổng lƣợng phế phụ phẩm nông nghiệp ở Việt Nam cực kỳ lớn, đạt
đến 28,4 triệu tấn chất khơ/năm, trong đó rơm lúa chiếm đến 88% tƣơng đƣơng với
25 triệu tấn chất khơ/năm.
Theo các tính tốn một cách khiêm tốn của các chuyên gia về chăn nuôi, nếu
nguồn phế phụ phẩm trên đƣợc chế biến và sử dụng có hiệu quả cao hơn, thì khối
lƣợng này đủ ni đàn trâu, bị gấp 1,5 đến 2 lần hiện nay, mà khơng địi hỏi đầu tƣ
gì đáng kể về trồng thêm cây thức ăn gia súc [20].
5
Hạn chế của phế phụ phẩm nông nghiệp là một số loại có hàm lƣợng chất xơ
cao nên rất khó tiêu hóa, ví dụ: hàm lƣợng chất xơ trong rơm lúa là 34%, trong lá
mía là 43%. Mặt khác một số loại phụ phẩm lại khó chế biến và dự trữ khi thu
hoạch đồng loạt nhƣ: cây lạc, dây lang, ngọn lá sắn, lá mía... Đây là một lý do khiến
cho ngƣời nông dân chỉ sử dụng một phần các loại phế phụ phẩm này ở dạng tƣơi
làm thức ăn cho gia súc.
Bảng 1.2. Giá trị dinh dƣỡng của một số phế phụ phẩm nơng nghiệp ở Việt Nam
% tính trong chất khô
Năng lƣợng trao
Chất
Tên phế phụ
đổi - ME
Tổng các chất dinh
khơ (%) Chất xơ Protein
phẩm
dƣỡng tiêu hóa (Kcal/kg chất khơ)
Rơm lúa
90,8
34,3
5,1
45,9
1662
Cây ngơ già
61,6
31,5
7,6
54,1
1958
Lá mía
28,8
42,9
8,2
49,3
1778
Dây lang
20,0
24,5
11,0
59,5
2160
Dây lạc
22,5
27,7
14,1
63,5
2289
Ngọn, lá sắn
25,5
22,7
16,9
67,5
2549
Nguồn: Nguyễn Xuân Bả, Đề tài cấp Bộ B2003-08-10 [1]
Các số liệu ở bảng 1.2 cho thấy hàm lƣợng xơ của rơm lúa, cây ngơ già và lá
mía khá cao, nên rất cần đƣợc chế biến bằng các tác nhân hóa học hay sinh học để
nâng cao tỷ lệ tiêu hóa chất xơ và các chất hữu cơ khác.
Nhìn chung các loại phế phụ phẩm đều chứa một nguồn chất dinh dƣỡng
tiềm tàng khá cao, nhƣng tổng các chất dinh dƣỡng tiêu hóa đƣợc cịn khá thấp. Do
đó, nếu chúng ta tác động và thúc đẩy tỷ lệ tiêu hoá chất hữu cơ thì sẽ nâng cao hiệu
quả sử dụng nguồn chất dinh dƣỡng tiềm tàng trong phế phụ phẩm nông nghiệp.
1.2.1.1. Thành phần rơm rạ
Trong năm 2009, Việt Nam sản xuất đƣợc hơn 38,9 triệu tấn lúa, với tỷ lệ
xấp xỉ 1 lúa: 0,8 rơm rạ thì khối lƣợng rơm rạ vào khoảng 31 triệu tấn/năm [19].
6
Thành phần chính của rơm rạ là xenluloza. Nếu tính theo sản lƣợng khơ thì
trong rơm có: 3- 4,5% chất có đạm; 1,2- 2% chất béo; 30% các dẫn xuất khơng
chứa đạm; 35- 36% xenluloza; 14- 15% chất khống [15].
Nhƣ vậy, rơm rạ là nhóm phế phụ phẩm giàu chất xơ và nghèo chất đạm, do
đó rất khó phân hủy tự nhiên và có giá trị dinh dƣỡng thấp. Vì vậy, việc sử dụng các
chủng vi sinh vật có khả năng phân giải các chất xơ sợi để phân huỷ rơm rạ thành
mùn và tái chế thành phân hữu cơ bón trả lại cho cây trồng sẽ nâng cao hiệu quả sử
dụng rơm rạ.
1.2.1.2. Thành phần rau quả
Hàm lƣợng nƣớc trong rau quả rấ t cao chiế m đế n hơn 80%. Đối với một số
loại nhƣ dƣa chuột , cải bắp , các loại dƣa , lƣơ ̣ng nƣớc chiế m tới 95%. Nƣớc trong
rau quả chủ yế u ở da ̣ng tƣ̣ do . Có tới 80-90% lƣơ ̣ng nƣớ c tƣ̣ do có trong dich
̣ bào ,
phầ n còn la ̣i trong chấ t nguyên sinh và gian bào . Chỉ một phần nhỏ của nƣớc không
quá 5% ở dạng liên kết trong các hệ keo của tế bào .
Các hợp chất hydratcacbon là thành phần chủ yếu của nông sản
80% trọng lƣợng
, chiế m 50-
chấ t khơ . Các loa ̣i nơng sản khác nhau có thành phầ n
hydratcacbon khác nhau. Hydratcacbon chủ yế u trong các loa ̣i rau ăn củ là tinh bô ̣t ,
trong rau ăn lá là xenluloza, trong các loa ̣i quả và rau ăn quả là ti nh bô ̣t và đƣờng .
Trong các loa ̣i rau quả khác nhau , số lƣơ ̣ng và tỉ lê ̣ các loa ̣i đƣờng khác nhau , làm
nông sản có vi ̣ngo ̣t khác nhau . Đƣờng trong rau quả tồn tại chủ yếu dƣới dạng
glucoza, fructoza và saccaro za. Hàm lƣợng đƣờn g thƣờng cao nhấ t ở các loa ̣i c ây
trồng nhiê ̣t đới , thấ p nhấ t ở các loa ̣i rau . Tinh bô ̣t là polysaccarit quan tro ̣ng nhấ t
đóng vai trò dƣ̣ trƣ̃ . Tinh bô ̣t có nhiề u trong mô ̣t số loa ̣i rau ăn củ nhƣ khoai tây (1518%), khoai lang (12-16%). Trong các loa ̣i rau quả hàm lƣơ ̣ng tinh bơ ̣t thấ p , chỉ có
khoảng 1%, ngoại trừ chuối bột –plantain (15-20%) [6]. Xenluloza có nhiều trong
các loại cây lấy sợi
(bông: 95-98%, đay: 85-90%), nhƣng chỉ chiế m khoảng 0,5-
2,7% trong quả (dƣ́a: 0,8%, cam, bƣởi: 1,4%, hồ ng: 2,5%), và chỉ chiếm 0,2-2,8%
trong rau (cải bắp: 1,5%, măng: 3%). Trong các loa ̣i quả ha ̣ch có vỏ cƣ́ng xenluloza
7
có thể chiếm tới 15%. Hemixenluloza là mơ ̣t nhóm polysaccarit không đồ ng nhấ t có
liên kế t chă ̣ t chẽ với xenluloza. Chúng là một trong những thành phần cấu trúc
chính của thành tế bào thực vật . Hàm lƣợng hemi xenluloza trong rau tƣ̀ 0,2-3,1%,
trong quả là 0,3-2,7%.
Nitơ trong nông sản tồ n ta ̣i chủ yế u dƣới da ̣ng protein và
phi protein. Hàm
lƣơ ̣ng protein trong rau quả nhìn chung là thấ p : quả 1%, rau 2%, ngoại trừ các loại
đỗ chƣ́a khoảng 5%. Với các sản phẩ m rau quả , phầ n lớn protein đóng vai trò chƣ́c
năng (cấ u ta ̣o nên các enzym) chƣ́ không dƣ̣ trƣ̃ trong các loa ̣i ha ̣t [6].
Hàm lƣợng lipit trong rau quả rất thấ p thƣờng nh ỏ hơn 1%, trƣ̀ quả bơ và
oliu có đế n 15% chấ t béo dƣới da ̣ng ha ̣t nhỏ trong tế bào thiṭ quả .
Ngồi ra trong rau quả cịn chứa các hợp chất bay hơi
, các sắ c tố , các axit
hƣ̃u cơ và đă ̣c biê ̣t là các loa ̣i vitamin.
Bảng 1.3. Hàm lƣợng lipit của một số rau quả
Loại nông sản
Hàm lƣợng lipit
% Chấ t khô
% Chấ t tƣơi
Quả bơ
63,0
16,4
Quả olive
69,0
13,8
Quả chuối
0,8
0,2
Rau dề n
3,8
0,5
Rau bắ p cải
2,6
0,2
Củ cải
2,4
0,5
Khoai tây
0,4
0,1
Nguồn: Quách Đĩnh, Giáo trình cơng nghệ sau thu hoạch và chế biến rau quả,
NXB Khoa học và Kỹ thuật, 1996
Nhƣ vậy rau quả nói chung có hàm lƣợng nƣớc khá cao (80-95%). Các hợp
chấ t hydratcac bon là thành phầ n chủ yế u của nông sản , chiế m 50-80% trọng lƣợng
8
các chất khơ . Hydratcacbon có thể là xenluloza, tinh bột, đƣờng tùy từng loại cây
loại cây trồng. Nhƣ vậy phụ phẩm rau quả nói chung cũng là nhóm khó phân huỷ và
nghèo dinh dƣỡng.
1.2.2. Phụ phẩm từ sản xuất ngành mía đƣờng
Ngành cơng nghiệp mía đƣờng bên cạnh sản phẩm chính là đƣờng cịn thải ra
một lƣợng lớn các chất thải tồn đọng ở các dạng khác nhau nhƣ: lá mía, bã mía, bùn
lọc, tro mía, rỉ đƣờng.
Hằng năm Việt Nam trồng đƣợc từ 10 đến 12 triệu tấn mía cây với diện tích
canh tác từ 250.000 đến 300.000 ha chủ yếu là đất bạc màu và vùng nhiễm phèn
nặng (không trồng đƣợc các loại cây khác). Khi sử dụng 10 triệu tấn mía để làm
đƣờng sẽ sinh ra một lƣợng phế thải khổng lồ: 2,5 triệu tấn bã mía, 250.000 tấn bã
bùn (sau khi đã lấy nƣớc đƣờng) và 250.000 tấn mật rỉ. Trƣớc đây 80% lƣợng bã
mía đƣợc dùng để đốt lò hơi trong các nhà máy sản xuất đƣờng, sinh ra 50.000 tấn
tro, 20% lƣợng bã mía cịn lại tƣơng đƣơng với 500.000 tấn bã đƣợc dùng làm ván
ép. Mật rỉ đƣợc dùng để sản xuất cồn, mỳ chính hoặc dùng cho các cơng nghệ vi
sinh khác nhƣ chế biến thành thức ăn chăn nuôi. Riêng tro và bã bùn không sử dụng
đƣợc phải đổ ra các bãi đất trống. Tuy là phế thải nhƣng trong bã bùn lại có nhiều
chất hữu cơ "bổ béo" mà cây mía đã hút từ đất nhƣ protein, lipit, các chất khống,
vitamin... và cả những chất bẩn từ cây mía (vì khi đƣa vào máy nghiền, cây mía
khơng đƣợc cọ rửa). Sau một thời gian, vi sinh vật đã lên men các chất này tạo ra
các sản phẩm có mùi thối ngấm xuống đất gây ô nhiễm môi trƣờng và ô nhiễm
nguồn nƣớc rất nặng [11, 21].
1.2.2.1. Lá và ngọn mía
Lá mía và ngọn mía là phế thải chính của các vùng đất trồng mía. Trong thời
kỳ sinh trƣởng phồn thịnh của mía, diện tích lá gấp 6-7 lần diện tích đất trồng. Lá
mía và ngọn mía chiếm một khối lƣợng lớn từ 25-30% tổng sản lƣợng của cây mía,
và đây là một chất thải đầu tiên thu đƣợc từ cây mía. Thành phần của lá mía: hàm
lƣợng C: 46-47%; hàm lƣợng H: 7-7,3%; hàm lƣợng O: 40-41%; hàm lƣợng N: 1-
9
2%. Thành phần hóa học của ngọn mía: Nitơ tổng số: 0,9%; Hemixenluloza: 20%;
Xenluloza: 38%; Lignin: 7,0%; Silic: 1,8% [21].
Trong lá mía, ngọn mía thì xenluloza, hemixenluloza, lignin là 3 thành
phần chính.
1.2.2.2. Bã mía
Bã mía là chất thải của cơng đoạn ép mía lấy nƣớc mía thơ. Bã mía chiếm
25-30% trọng lƣợng mía đem ép. Trong bã mía chứa trung bình 49% là nƣớc, 48%
là xơ (trong đó chứa 45-55% xenluloza), 2,5% là chất hồ tan (đƣờng). Bã mía có
thể dùng làm nguyên liệu đốt lò, hoặc làm bột giấy, ép thành ván dùng trong kiến
trúc, cao hơn là làm ra Furfural là nguyên liệu cho ngành sợi tổng hợp. Trong tƣơng
lai khi mà rừng ngày càng thu hẹp khiến cho nguồn nguyên liệu làm bột giấy, làm
sợi từ cây rừng giảm đi thì mía là ngun liệu quan trọng để thay thế [21].
1.2.2.3. Rỉ đường
Rỉ đƣờng chiếm 3-5% trọng lƣợng đem ép. Thành phần trung bình chứa:
20% nƣớc, đƣờng saccaroza 35%, đƣờng khử 20%, tro 15%, protein 5%, sáp 1%,
bột 4% trọng lƣợng riêng. Từ rỉ đƣờng có thể dùng để lên men chƣng cất rƣợu rum
và sản xuất men các loại. Từ một tấn mía tốt ngƣời ta có thể sản xuất ra 35-50 lít
cồn. Nhƣ vậy với kỹ thuật sản xuất hiện đại của thế kỷ 21 thì trên diện tích canh tác
khoảng 96 ha chúng ta có thể sản xuất 7000 - 8000 lít cồn từ mía để làm nhiên liệu.
Vì vậy, khi mà nguồn nhiên liệu lỏng ngày càng cạn kiệt thì ngƣời ta đã nghĩ đến
việc thay thế năng lƣợng của thế kỷ 21 là lấy từ mía.
1.2.2.4. Bùn lọc
Bùn lọc là chất thải rắn của cơng đoạn làm trong nƣớc mía thơ, chiếm 1,53% trọng lƣợng mía đem ép. Đây là sản phẩm cặn bã còn lại sau khi chế biến
đƣờng. Trong bùn lọc chứa 0,5% N, 3% protein thô và một lƣợng lớn chất hữu cơ.
Thành phần chất khô của bùn lọc gồm có: chất béo: 5-14%; chất xơ: 15-30%;
đƣờng: 5-15%; SiO2: 4-10%; CaO: 1-4%; P2O5: 1-3%; MgO: 0,5-1,5%. Từ bùn lọc
10
có thể rút ra sáp mía để sản xuất nhựa xêrin làm sơn, xi đánh giầy, … Ngoài ra sau
khi lấy sáp thì bùn lọc cịn có thể dùng làm phân bón rất tốt [21].
1.2.3. Phụ phẩm từ sản xuất ngành cà phê
Chất thải của ngành công nghiệp cà phê gồm: nƣớc thải, phế thải rắn.
Nghiên cứu của Hajipakkos cho thấy nƣớc thải từ các nhà máy chế biến cà
phê có hàm lƣợng BOD và COD rất cao (tƣơng ứng 3.000kg/ngày và 4.000mg/l,
đơi khi có thể cao hơn 9.000mg/l). Chất rắn lơ lửng là 1.500mg/l, gần gấp 3 lần hàm
lƣợng cho phép, ngồi ra cịn dầu mỡ với nồng độ cao gấp 2 lần bình thƣờng. Sau
nhiều lần thử nghiệm các phƣơng pháp xử lý khác nhau, phƣơng pháp xử lý yếm
khí đã đƣợc chọn để xử lý nƣớc thải ngành công nghiệp cà phê [63, 74].
Thịt quả cà phê thu đƣợc trong quá trình chế biến cà phê chiếm 40% trọng
lƣợng toàn bộ quả cà phê. Thịt quả cà phê có độ ẩm cao (80-85%), giàu
hydratcacbon, protein, vitamin và các nguyên tố khoáng nên rất thuận lợi cho sự
phát triển của vi sinh vật. Chính vì vậy phế phụ phẩm này là nguyên nhân gây ô
nhiễm môi trƣờng ở những nơi khơng có biện pháp xử lý. Hiện nay thịt quả cà phê
có thể đƣợc xử lý chế biến để làm thức ăn chăn nuôi, hoặc tái chế làm phân bón
trong các nơng trƣờng trồng cà phê [47, 74].
Việt Nam là nƣớc xuất khẩu cà phê lớn thứ 2 trên thế giới, sản lƣợng cà phê
Việt Nam trong những năm vừa qua dao động xung quanh mức 850.000 tấn/năm,
trong đó 95% tổng sản lƣợng dành cho xuất khẩu. Với sản lƣợng cà phê tƣơi của
nƣớc ta vào khoảng 850.000 tấn thì lƣợng phế phụ phẩm (chủ yếu là thịt quả cà phê)
vào khoảng 340.000-350.000 tấn.
1.3. BIỆN PHÁP XỬ LÝ PHẾ PHỤ PHẨM NÔNG NGHIỆP
1.3.1 Đốt
Đốt rơm rạ làm mất mát gần nhƣ hoàn toàn N. Lƣợng P mất đi khoảng
25%, K mất đi khoảng 20% và S mất từ 5-60%. Lƣợng dinh dƣỡng mất mát tuỳ
thuộc vào cách thức đốt rơm rạ. Ở những vùng mà thu hoạch đã đƣợc cơ giới
11
hoá, hầu nhƣ tất cả rơm rạ đƣợc để lại trên đồng và đƣợc đốt nhanh chóng tại chỗ
thì sự mất mát S, P và K là nhỏ. Một số nơi khác rơm rạ đƣợc để thành đống ở
chỗ tuốt lúa và đƣợc đốt sau khi thu hoạch, vì thế tro không đƣợc rải đều trên
đồng, nên gây ra sự mất mát khoáng chất rất lớn, các nguyên tố K, Si, Ca, Mg dễ
bị rửa trôi từ đống tro. Hơn nữa, việc làm nhƣ vậy sẽ gây nên sự chuyển dịch
dinh dƣỡng rất lớn từ ngoại vi vào giữa ruộng, và đôi khi là từ những thửa ruộng
xung quanh vào ruộng trung tâm, làm cho hiệu quả sử dụng chúng bị giảm đi rất
nhiều, vì nơi quá thừa, nơi quá thiếu [54, 116].
Nghiên cứu của tổ chức RWC (Rice-wheat consortium for Indo-Gangatic
plains) (2002) cho rằng nếu đốt tất cả rơm rạ của cả vùng đồng bằng sông Hằng Ấn Độ sẽ gây ra ô nhiễm môi trƣờng vô cùng lớn vì diện tích đồng bằng này rất
rộng. Với diện tích canh tác vùng đồng bằng sông Hằng là 12 triệu ha, sản lƣợng
cây trồng chính (lúa và lúa mì) là 10 tấn/ha, thì chỉ cần đốt một nửa lƣợng tàn dƣ
cây trồng này đã giải phóng ra khoảng 0,14 triệu tấn khí Metan (0,8 MMTCE/năm).
Số lƣợng này tƣơng đƣơng 20% của tổng khí CH4 thốt ra từ cánh đồng lúa nƣớc
trong cùng một vùng. Khí CO2 sinh ra do việc dùng dầu diesel để chạy máy nông
nghiệp và do quá trình đốt cháy tàn dƣ cây trồng hoặc rơm rạ. Khí N2O sinh ra do
đốt cháy tàn dƣ cây trồng với ƣớc lƣợng khoảng 40g N2O/tấn rơm rạ. Nếu nhƣ tồn
bộ phế phụ phẩm nơng nghiệp của vùng đồng đồng bằng sơng Hằng bị đốt cháy thì
2.000 tấn khí N2O sẽ phóng thích vào bầu khí quyển [119].
Biện pháp đốt rơm rạ là biện pháp đơn giản, dễ làm, giảm giá thành, và giảm
thiểu sâu bệnh hại nên nông dân vẫn thƣờng xuyên áp dụng. Nhƣng đây cũng là
biện pháp gây mất mát một lƣợng lớn chất dinh dƣỡng, và gây ơ nhiễm mơi trƣờng
khơng khí trầm trọng, ảnh hƣởng đến sức khoẻ của con ngƣời [50, 139]. Vì vậy hiện
nay một số nƣớc đã ban hành luật cấm đốt phế thải nơng nghiệp trên đồng ruộng, ví
dụ ở Mỹ, Ấn Độ…. Việc quản lý phế thải nông nghiệp đƣợc khuyến cáo, phế thải
nông nghiệp đƣợc dùng cho nhiều mục đích khác có ý nghĩa kinh tế - xã hội hơn và
bảo vệ môi trƣờng [116, 130].
12
1.3.2. Ủ làm phân
Ủ phân (composting): Là quá trình phân huỷ hợp chất hữu cơ tự nhiên (chủ
yếu là ligno-xenluloza) bởi quần thể vi sinh vật (vi khuẩn, nấm, xạ khuẩn, động vật
nguyên sinh…) dƣới tác động của độ ẩm, nhiệt độ, khơng khí tạo nên sản phẩm cuối
cùng là chất mùn và chất dinh dƣỡng mà cây trồng có thể hấp thụ đƣợc [121].
Từ rất xa xƣa, con ngƣời đã biết ủ lá cây, phân gia súc thành phân hữu cơ để
bón cho cây trồng, mang lại hiệu quả kinh tế cao, ghi nhận tại Ai Cập từ 3.000 năm
trƣớc Cơng ngun nhƣ là một q trình xử lý chất thải nông nghiệp đầu tiên trên
thế giới. Ngƣời Trung Quốc đã ủ chất thải từ cách đây 4.000 năm, ngƣời Nhật đã sử
dụng compost làm phân bón từ nhiều thế kỷ. Nhƣng việc sản xuất và sử dụng phân
ủ chỉ theo những kinh nghiệm dân gian, chƣa có những nghiên cứu đầy đủ về
phƣơng pháp này.
Hutchisnon và Richards (1921) là những ngƣời đầu tiên nghiên cứu quá
trình ủ phân. Tuy nhiên đến năm 1943, quá trình ủ compost mới đƣợc nghiên cứu
một cách khoa học và báo cáo bởi giáo sƣ ngƣời Anh, Howard thực hiện tại Ấn
Độ. Howard đã đƣa ra “phƣơng pháp hữu cơ” tức là trộn xác hữu cơ với phân gia
súc theo tỷ lệ 3:1 có đảo trộn thƣờng xun. Ơng đã phát triển phƣơng pháp ủ trên
những loại nguyên liệu khác nhau theo từng lớp và có đảo trộn để tạo điều kiện
hiếu khí. Đây là phƣơng pháp Indore, phƣơng pháp mang tên nơi mà Howard đang
làm việc.
Từ năm 1926 đến năm 1941, Warksman và các cộng tác viên nghiên cứu sự
phân huỷ hiếu khí bã thực vật, động vật. Ơng đã kết luận nhiệt độ và vi sinh vật có
ảnh hƣởng đến sự phân huỷ chất thải hữu cơ.
Ở Mỹ vào những năm 1942, Rodale đã kết hợp các nghiên cứu của Horward
với thực nghiệm của mình và đã đƣa ra phƣơng pháp hữu cơ trong trồng trọt, làm
vƣờn. Phƣơng pháp này cũng đã đƣợc rất nhiều nƣớc trên thế giới áp dụng và thu
đƣợc kết quả khá khả quan. Khi áp dụng phƣơng pháp này ở trang trại của mình
ngƣời dân Nhật, Trung Quốc, Ấn Độ đều nhận thấy rằng ban đầu năng suất có giảm
13
đi nhƣng đã ổn định qua vài năm và lợi nhuận tăng lên rõ rệt bởi đã giảm đƣợc chi
phí đáng kể khi khơng phải sử dụng hố chất trong nông nghiệp.
Golass và cộng sự (1950- 1952) đã nghiên cứu các nguyên tắc cơ bản của
phân ủ hỗn hợp rác thải và bùn cống. Kết quả cho thấy các tác nhân mơi trƣờng
nhƣ: nhiệt độ, độ thống khí, kích thƣớc cơ chất, tần số đảo trộn đặc biệt là tỷ lệ
C/N của ngun liệu thơ có liên quan đến hiệu quả của việc ủ phân.
Đến năm 1980, Haug đã đƣa ra kết luận về việc làm phân ủ nhƣ sau: ủ chất
thải là quá trình phân giải sinh học các chất hữu cơ dẫn tới sự ổn định khối ủ trong
tồn trữ và sử dụng nhƣ một dạng phân hữu cơ.
Nhìn về tổng thể, quá trình ủ là quá trình phân huỷ sinh học các hợp chất hữu
cơ xảy ra do nhóm vi sinh vật dị dƣỡng nhƣ: vi khuẩn, nấm, xạ khuẩn và động vật
nguyên sinh, trong đó vai trò của hệ sinh vật phân giải xenluloza và lignin là rất
quan trọng.
Các phƣơng pháp làm phân ủ
Theo Mathur có hai phƣơng pháp hay đƣợc sử dụng sản xuất phân ủ là:
phƣơng pháp Indore (ủ hiếu khí) và phƣơng pháp Banglore (nửa hiếu khí) [89, 109].
Phương pháp Indore
Ngƣời đầu tiên đƣa ra nguyên lý phân giải các hợp chất hữu cơ trong điều
kiện hiếu khí thành cơng là Albert Howard ở Ấn Độ. Phƣơng pháp này đảm bảo oxy
cung cấp cho hoạt động của vi sinh vật trong đống ủ, bằng cách hàng tuần phải trộn
hoặc dùng phƣơng pháp thổi khí, đồng thời làm giảm nhiệt độ đống ủ. Một yêu cầu
nữa là độ ẩm của đống ủ phải thích hợp, kích thƣớc của đống ủ khơng q lớn.
Phƣơng pháp Indore có ƣu điểm là hoạt động của vi sinh vật xảy ra nhanh, chất mùn
tổng hợp nhiều, thời gian hoàn thành đống ủ ngắn (3 – 4 tháng). Tuy nhiên do trao
đổi khí thƣờng xuyên nên một lƣợng lớn nitơ cùng với nƣớc bị thất thoát ra ngoài
(nitơ bị mất là 31,4%).
Nguyên liệu để ủ là hỗn hợp phế thải nông nghiệp, phân chuồng, lá cây…
Mỗi đống sâu 1m, rộng 1,5 -2m, mỗi lớp nguyên liệu dày 15 cm, thêm vào 4,5 kg
14
phân, 3,5 kg nƣớc tiểu và 4,5 kg phân đã ủ đƣợc 15 ngày. Đống ủ phải đƣợc tƣới
nƣớc đủ ẩm và đƣợc đảo trộn 3 lần trong suốt thời gian ủ. Lần thứ nhất là sau 15
ngày ủ, lần thứ hai cách lần đầu 15 ngày, lần thứ ba cách một tháng.
Trên nguyên lý của phƣơng pháp Indore, phƣơng pháp ủ đống ra đời (Heap
method). Mỗi đống ủ theo phƣơng pháp này có kích thƣớc 1,5m chiều cao, 2m
chiều rộng hoặc rộng hơn. Trong đống ủ, mỗi lớp phế thải có nguồn gốc cacbon (lá,
cỏ, rơm rạ, cành cây, lá cây ngô, cây bông) dày 20cm, 10cm nguyên liệu giàu nitơ
(phân chuồng, bùn, than bùn).
Phương pháp Banglore
Phƣơng pháp này chia làm hai giai đoạn:
- Giai đoạn ủ hiếu khí: khoảng 8- 10 ngày để nhiệt độ tăng cao nhằm tiêu diệt
các vi sinh vật gây bệnh và cỏ dại.
- Giai đoạn ủ yếm khí: Sau thời gian ủ hiếu khí, dùng bùn đắp chẹn bên
ngồi đống ủ để khơng khí khơng lọt vào đƣợc. Trong giai đoạn này hoạt động của
vi sinh vật diễn ra trong điều kiện yếm khí.
Phƣơng pháp địi hỏi thời gian dài để hồn thành đống ủ, thƣờng từ 6 tháng
đến 8 tháng. Ƣu điểm của phƣơng pháp này là giữ đƣợc độ ẩm và không hao tổn nitơ.
So với phƣơng pháp Indore phƣơng pháp Banglore kém hiệu qủa kinh tế
hơn, điều này thể hiện thời gian ủ lâu hơn và mức độ phân huỷ chậm hơn.
Trên nền tảng của hai phƣơng pháp trên Gaur đã đƣa ra phƣơng pháp phân
ủ nhanh [71].
Phƣơng pháp phân ủ nhanh
Thời gian ủ ảnh hƣởng đến hiệu qủa quay vịng của các chất hữu cơ thơng qua
việc hình thành CO2 và sinh khối của vi sinh vật. Thời gian ủ kéo dài từ 6-8 tháng sẽ
làm giảm tỉ lệ C/N, thƣờng tỉ lệ C/N khi kết thúc ủ là 20/1, nhƣng với phƣơng pháp
phân ủ nhanh thì tỉ lệ C/N đạt đƣợc là 15/1 hoặc 10/1.
15
