Luận văn Thạc sỹ Sinh học

Nguyễn Thị Yên

BỘ GIÁO DỤC VÀO ĐÀO TẠO

TRƯỜNG ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN

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

NGUYỄN THỊ YÊN

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

LUẬN VĂN THẠC SĨ SINH HỌC

HÀ NỘI – 2012


Luận văn Thạc sỹ Sinh học

Nguyễn Thị Yên


Luận văn Thạc sỹ Sinh học

Nguyễn Thị Yên



Nguyễn Thị Yên

LỜI CẢM ƠN

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

Hà Nội, ngày 30 tháng 10 năm 2012
Học viên

Nguyễn Thị Yên


Luận văn Thạc sỹ Sinh học

Nguyễn Thị Yên


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


Luận văn Thạc sỹ Sinh học

Nguyễn Thị Yên

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


Ký hiệu
HCVS
PPP
PTNT
TCN
TCVN
VPG
VSV

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


Luận văn Thạc sỹ Sinh học

Nguyễn Thị Yên

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

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


Luận văn Thạc sỹ Sinh học

Nguyễn Thị Yên


Luận văn Thạc sỹ Sinh học

Nguyễn Thị Yên

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

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


Luận văn Thạc sỹ Sinh học

Nguyễn Thị Yên

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

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



Luận văn Thạc sỹ Sinh học

Nguyễn Thị Yên

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

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


Luận văn Thạc sỹ Sinh học

Nguyễn Thị Yên

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

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


Luận văn Thạc sỹ Sinh học

Nguyễn Thị Yên

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

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

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

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


Luận văn Thạc sỹ Sinh học

Nguyễn Thị Yên

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


Luận văn Thạc sỹ Sinh học

Nguyễn Thị Yên



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


Luận văn Thạc sỹ Sinh học

Nguyễn Thị Yên

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

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


Luận văn Thạc sỹ Sinh học

Nguyễn Thị Yên

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

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