Nghiên cứu sản xuất phân bón vi sinh dạng hạt - Bacillus megaterium VACC 118

Tài liệu nghiên cứu Lu31 a11 mang tính hệ thống, nâng cao năng lực chuyên môn ứng dụng trong giảng dạy hỗ trợ đào tạo hiệu quả cho giáo dục đào tạo

• Tác giả: Nguyễn Thị Thu Thủy
• Người hướng dẫn: TS. Trần Minh Quỳnh
• Trường học: Đại học Quốc gia Hà Nộiiệu Đại học Khoa học Tự nhiên
• Chuyên ngành: Vi sinh vật học
• Đề tài: Nghiên cứu sản xuất phân bón vi sinh dạng hạt có khả năng kích thích sinh trưởng từ vi khuẩn Bacillus megaterium VACC 118 và chất mang được xử lý chiếu xạ
• Loại tài liệu: Luận văn thạc sĩ khoa học
• Năm xuất bản: 2019
• Địa điểm: Hà Nội

Tóm tắt

I. Tổng Quan về Luận Văn Lu31 a11

Lu31 a11 là một tài liệu học thuật quan trọng trong lĩnh vực vi sinh vật học và sản xuất phân bón vi sinh. Luận văn thạc sĩ khoa học này được thực hiện tại Trường Đại học Khoa học Tự nhiên dưới sự hướng dẫn của TS. Trần Minh Quỳnh và PGS. Bùi Thị Việt Hà. Đề tài nghiên cứu sản xuất phân bón vi sinh dạng hạt từ vi khuẩn Bacillus megaterium VACC 118 đã được công bố năm 2019 tại Hà Nội. Tài liệu này cung cấp những kiến thức chuyên sâu về công nghệ xử lý chiếu xạ để tạo ra các sản phẩm phân bón hiệu quả, góp phần nâng cao năng suất nông nghiệp và phát triển bền vững.

1.1. Định Nghĩa và Ý Nghĩa Của Phân Bón Vi Sinh

Phân bón vi sinh là những sản phẩm chứa vi khuẩn có lợi giúp cải thiện độ肥沃của đất và kích thích sinh trưởng của cây trồng. Bacillus megaterium là một chủng vi khuẩn vùng rễ quan trọng, có khả năng sinh tổng hợp các chất kích thích như IAA (axit indole acetic). Sử dụng phân bón vi sinh dạng hạt giúp bảo vệ vi khuẩn, tăng độ bền, và cải thiện hiệu quả bón phân trong nông nghiệp.

1.2. Công Nghệ Xử Lý Chiếu Xạ trong Sản Xuất

Xử lý chiếu xạ là phương pháp biến tính tinh bột từ sắn để tạo chất mang lý tưởng cho vi khuẩn. Công nghệ này được thực hiện tại Trung tâm Chiếu xạ Hà Nội (Viện Năng lượng nguyên tử Việt Nam). Phương pháp này giúp cải thiện tính chất vật lý và hóa học của chất mang, tăng khả năng bảo quản và sức sống của vi khuẩn trong sản phẩm cuối cùng.

II. Phương Pháp Nghiên Cứu và Thiết Bị

Nghiên cứu Lu31 a11 sử dụng nhiều phương pháp hiện đại để đạt được mục tiêu khoa học cao nhất. Các nhà nghiên cứu đã sử dụng thiết bị tạo hạt phân bón tiên tiến, hệ thống lên men sinh khối để nuôi cấy vi khuẩn Bacillus megaterium. Quá trình sản xuất bao gồm các bước: chuẩn bị môi trường nuôi cấy, điều chỉnh pH môi trường, kiểm soát nhiệt độ, và tốc độ khuấy. Thiết bị sấy khô được sử dụng để bảo quản hạt phân bón. Ngoài ra, phương pháp khảo nghiệm đồng ruộng đã được áp dụng để đánh giá hiệu quả trên các cây trồng thực tế.

2.1. Điều Kiện Nuôi Cấy Vi Khuẩn

Điều kiện lên men tối ưu cho B. megaterium bao gồm pH thích hợp, nhiệt độ kiểm soát (khoảng 28-37°C), tỷ lệ tiếp giống phù hợp, và lượng khí cấp đủ. Môi trường nuôi cấy sử dụng nước chiết đậu hoặc rỉ đường mía làm nguồn dinh dưỡng chính. Nồng độ muối khoáng được điều chỉnh để hỗ trợ sự phát triển tối đa của vi khuẩn và sinh tổng hợp chất kích thích.

2.2. Quy Trình Tạo Hạt và Bảo Quản

Quy trình sản xuất hạt gồm: nhân sinh khối vi khuẩn từ môi trường lỏng, trộn với chất mang được xử lý bởi chiếu xạ, sau đó tạo hạt bằng thiết bị chuyên dụng. Sấy khô giúp giữ độ ẩm phù hợp và ổn định chất lượng. Bảo quản trong điều kiện lạnh giúp tỉ lệ sống sót cao của vi khuẩn trong suốt thời gian lưu trữ.

III. Kết Quả Thí Nghiệm và Ứng Dụng Thực Tiễn

Kết quả nghiên cứu Lu31 a11 chứng minh hiệu quả của phân bón vi sinh dạng hạt trong kích thích sinh trưởng cây trồng. Thí nghiệm đồng ruộng được tiến hành trên cây cải bắp, cà chua, và cải củ cho thấy ảnh hưởng tích cực đến đặc điểm nông học như chiều cao cây, số lượng lá, năng suất quả. Chất lượng phân bón vi sinh được đánh giá qua mật độ tế bào và tỉ lệ sống sót vi khuẩn. Bảo quản trong thời gian dài vẫn duy trì khả năng kích thích sinh trưởng ổn định. Ứng dụng thực tiễn cho thấy phân bón này có tiềm năng lớn trong nông nghiệp hiện đại và canh tác bền vững.

3.1. Hiệu Quả Trên Các Cây Trồng Chính

Khảo nghiệm trên cà chua cho thấy tăng trưởng đáng kể về chiều cao, số quả, và năng suất. Cải bắp có phát triển tốt với lá xanh tươi và kích thước trái lớn hơn. Cải củ cũng cho thấy sự cải thiện trong kích cỡ và sức khỏe cây. Chất lượng sản phẩm nông sản được cải thiện rõ rệt với hàm lượng dinh dưỡng cao hơn.

3.2. Tiềm Năng Phát Triển và Mở Rộng Ứng Dụng

Phân bón vi sinh Lu31 a11 có tiềm năng lớn để phát triển thương mại và mở rộng ứng dụng sang nhiều loại cây trồng khác. Công nghệ sản xuất có thể mở rộng quy mô trong các cơ sở sản xuất phân bón. Giảm chi phí sản xuất và nâng cao chất lượng là những mục tiêu tiếp theo để đạt được tính cạnh tranh cao trên thị trường nông nghiệp.

IV. Tài Liệu Tham Khảo và Nguồn Hỗ Trợ

Luận văn Lu31 a11 được hỗ trợ kinh phí từ đề tài Khoa học và Công nghệ cấp Nhà nước, mã số ĐTĐLCN 19/16 dưới sự chủ trì của TS. Trần Minh Quỳnh. Tài liệu tham khảo trong luận văn bao gồm nhiều công bố khoa học về vi sinh vật học, công nghệ chiếu xạ, và ứng dụng phân bón vi sinh. Danh mục hình và danh mục bảng chi tiết cung cấp dữ liệu thực nghiệm đầy đủ. Lời cảm ơn ghi nhận đóng góp từ Trung tâm Chiếu xạ Hà Nội, Trường Đại học Khoa học Tự nhiên Hà Nội, và các cộng sự khoa học. Tài liệu này trở thành nguồn tham khảo quý báu cho các nghiên cứu tiếp theo trong lĩnh vực vi sinh vật học ứng dụng.

4.1. Cơ Sở Hỗ Trợ và Đầu Tư Nghiên Cứu

Trung tâm Chiếu xạ Hà Nội (thuộc Viện Năng lượng nguyên tử Việt Nam) cung cấp cơ sở vật chất và thiết bị hiện đại cho nghiên cứu. Hỗ trợ kinh phí từ Nhà nước đảm bảo tiến độ nghiên cứu ổn định. Sự hợp tác giữa các cơ sở nghiên cứu và trường đại học tạo điều kiện thuận lợi cho hoàn thành đề tài khoa học.

4.2. Giá Trị và Ứng Dụng Của Tài Liệu

Luận văn Lu31 a11 là tài liệu học thuật quan trọng, cung cấp kiến thức chuyên sâu về sản xuất phân bón vi sinh. Kết quả nghiên cứu có giá trị thực tiễn cao cho nông nghiệp hiện đại. Tài liệu này hữu ích cho sinh viên, nghiên cứu viên, và nhà sản xuất quan tâm đến công nghệ nông nghiệp xanh.

Trích đoạn nội dung tài liệu

MỞ ĐẦU Phân bón là nguồn cung cấp các chất dinh dưỡng bổ sung cho cây, giúp tăng sản lượng cây trồng. Song theo các nhà khoa học đất đai và dinh dưỡng thực vật, cây trồng chỉ có thể sử dụng chưa tới 50% lượng đạm (nitrogen) từ phân khoáng hóa học cho sự phát triển, khoảng 50% còn lại được cung cấp từ phân chuồng, phân hữu cơ, và một phần khá lớn do hoạt động của vi sinh vật (VSV) hữu ích trong đất trồng như các chủng VSV cố định đạm (Azotobacter, Azospirilium, Rhizobium…), VSV phân giải hợp chất phosphat thành dạng dễ tiêu (Bacillus, Pseudomonas…) hay VSV sinh tổng hợp các hormon sinh trưởng thực vật (Azotobacter, Bacillus). Theo định nghĩa, phân vi sinh là chế phẩm “inoculant” gồm các VSV sống được bổ sung vào đất với khả năng cung cấp hoặc chuyển hóa chất dinh dưỡng giúp cây trồng sinh trưởng tốt hơn, với năng suất và chất lượng cao hơn. Phân bón vi sinh có thể được dùng ở dạng lỏng để phun trực tiếp vào đất hoặc ngâm với hạt giống trước khi gieo.

Tuy nhiên, ở dạng này, khả năng sống của các tế bào VSV và mật độ của chúng trong quần thể nhanh chóng bị giảm xuống trong quá trình vận chuyển và bảo quản. Trong những năm qua, các chế phẩm vi sinh dạng rắn trên nền chất mang (carrier) đã được phát triển với các nguyên liệu sẵn có trong tự nhiên như than bùn, đất sét, bentonite và các phế thải nông nghiệp… song các chất mang này đòi hỏi điều kiện đặc biệt để khử trùng do có mức độ tạp nhiễm ban đầu cao, và dễ bị nhiễm tạp nên chỉ giữ được hiệu quả trong thời gian 3-6 tháng. Vì vậy, các nhà khoa học đã quan tâm hơn đến việc làm thế nào để cải thiện tính ổn định của sản phẩm và tăng thời gian bảo quản chúng. Gần đây, các chất mang nguồn gốc polymer đã được các nhà khoa học quan tâm nhờ khả năng hình thành cấu trúc mạng lưới không gian cho phép cố định các tế bào sống để bảo vệ chúng chống lại các kích thích ngoại lai, giúp các tế bào vi khuẩn ở trạng thái tiềm sinh dễ dàng nảy mầm khi được bón vào đất.

Các tế bào có thể được bọc vào trong gel polymer bằng cách phối trộn trước với chất mang hoặc được hấp phụ vào trong chất mang dạng gel. Việc bọc “encapsulation” các tế bào 1 VSV trong lớp vỏ polymer như các polyacrylamide, alginate… có thể ngăn chặn nhiễm tạp một cách hiệu quả, và kéo dài hoạt lực của các VSV. Nhiều loại chất mang polymer đã được nghiên cứu và sử dụng như giá thể cố định enzyme, tế bào VSV. Đáng chú ý nhất trong số đó là sodium alginate, một polysaccharide tích điện âm có khả năng tạo gel khâu mạch với các ion tích điện dương.

Vì vậy, các hạt (bead) khâu mạch hình thành giữa alginate và ion calcium (Ca2+) đã được sử dụng phổ biến như chất mang để vận chuyển các chất có hoạt tính sinh học, các enzym và tế bào. Kết quả là, một số sản phẩm phân bón trên nền chất mang dạng gel alginate- calcium đã được phát triển [7, 29]. Tuy nhiên, do alginate là polysaccharide có kích thước phân tử lớn và độ nhớt cao, dung dịch alginate thường chỉ có nồng độ thấp, làm cho gel tạo được không đồng nhất và có tính bền cơ học kém. Hơn nữa, polymer này rất ưa nước, nên sản phẩm dễ bị nhiễm tạp.

Vì vậy, một số polymer khác đã được sử dụng như chất độn (filler) để cải thiện tính bền cơ lý của hạt, đồng thời giảm chi phí làm khô, bảo quản. Gần đây, người ta thấy rằng tinh bột biến tính có thể được sử dụng như chất độn bổ sung vào công thức để tạo thành chất mang có tính bền cải thiện mà vẫn phân hủy sinh học. Bên cạnh đó, polysaccharide này cũng có thể được các VSV tận dụng như nguồn cacbon để duy trì khả năng sống trong quá trình bảo quản. Trong những năm qua, kỹ thuật khử trùng sử dụng công nghệ bức xạ đã được nghiên cứu và ứng dụng tại Trung tâm Chiếu xạ Hà Nội để diệt côn trùng, nấm mốc, đảm bảo chất lượng hàng hóa và kéo dài thời gian bảo quản.

Xử lý chiếu xạ cũng có thể tạo các hiệu ứng khâu mạch, cắt mạch và ghép mạch polymer tạo cho chúng những đặc tính mới phù hợp với ứng dụng. Phương pháp này đã được áp dụng để biến tính tinh bột sắn tạo sản phẩm tinh bột biến tính có khả năng tan trong nước tốt hơn, dễ phân hủy sinh học hơn, với các đặc tính hóa lý phù hợp cho nhiều ứng dụng khác nhau thay vì chỉ sử dụng như thành phần thực phẩm hoặc thức ăn gia súc như hiện nay. Quá trình chiếu xạ với liều phù hợp cũng có tác dụng thanh trùng, giúp tận dụng tinh bột biến tính bức xạ như thành phần chất mang chất lượng cao trong sản xuất phân bón vi sinh trên nền chất mang khử trùng. 2 Nhằm cung cấp lựa chọn mới cho người dân, giảm thiểu sử dụng phân bón hóa học, cũng như thúc đẩy ứng dụng năng lượng nguyên tử vì hòa bình, cụ thể là xử lý chiếu xạ biến tính tinh bột sắn, chúng tôi tiến hành đề tài: “Nghiên cứu sản xuất phân bón vi sinh dạng hạt có khả năng kích thích sinh trưởng từ vi khuẩn Bacillus megaterium VACC 118 và chất mang được xử lý chiếu xạ”.

3 CHƢƠNG I: TỔNG QUAN TÀI LIỆU 1. Tổng quan về phân bón vi sinh vật 1. Định nghĩa phân bón vi sinh vật Phân bón vi sinh hay phân vi sinh là chế phẩm có chứa các loài vi sinh vật (VSV) sống, mà khi được bón vào đất hay tiếp xúc với bề mặt rễ sẽ kích thích sự phát triển của cây trồng bằng cách tăng lượng dinh dưỡng hữu ích cho cây trồng [58]. Phân bón sinh học nói cách khác là một dạng phân bón hữu cơ hiện đại kết hợp với sự có mặt của lợi khuẩn [55].

Theo Mohammadi và Sohrabi công bố năm 2012, phạm trù phân bón vi sinh có thể được sử dụng để chỉ tất cả các loại phân bón hữu cơ giúp kích thích sinh trưởng thực vật thông qua sự tương tác giữa vi sinh vật có trong phân bón đó với đất hoặc với cây trồng [44] 1. Phân loại phân bón vi sinh Phân bón vi sinh được phân loại thành nhiều loại tùy thuộc vào chức năng của các nhóm VSV chứa trong đó. trình bày một số loại phân bón vi sinh được sử dụng phổ biến trong canh tác nông nghiệp hiện nay. Phân bón vi sinh cố định nitơ (Nitrogen fixing bio-fertilizers - NFB): Ví dụ Rhizobium spp.

và bèo hoa dâu; chúng cố định nitơ trong khí quyển chuyển thành dạng nitơ hữu cơ (cây có thể sử dụng) trữ trong đất hoặc trong nốt sần của rễ như ở cây họ đậu [18]. Phân bón vi sinh hòa tan phosphate (Phosphate solubilizing bio-fertilizer – PSB): Một số VSV được sử dụng phổ biến để sản xuất phân bón loại này gồm Bacillus spp. và Aspergillus spp. Các VSV này hòa tan phosphate không tan trong đất chuyển thành dạng hòa tan, giúp cây trồng dễ dàng hấp thu.

Trong thực tế, phốt pho trong đất hầu hết tồn tại ở dạng không tan và cây trồng không thể sử dụng [15]. Tuy vậy, một vài nhóm vi khuẩn và nấm trong đất có tham gia vào quá trình chuyển hóa phốt phát bằng cách tiết ra axit hữu cơ làm giảm pH đất, giúp hòa tan các hợp chất phosphate không tan [15]. Phân bón vi sinh chuyển hóa phosphate (Phosphate mobilizing bio-fertilizer – PMB): Ví dụ nấm rễ Mycorrhiza sẽ biến đổi các hợp chất phosphat thông qua quá 4 trình khoáng hóa và hòa tan phốt pho cung cấp cho cây. Hiện nay, cơ chế và chứng năng của PMB vẫn chưa được hiểu rõ [17].

Một số nhóm VSV sử dụng trong sản xuất phân bón vi sinh Loại phân bón Nhóm VSV Phân bón vi sinh cố định nitơ (Nitrogen fixing bio- fertilizers) Azotobacter, Bejerinkia, Clostridium, Klebsiella, Sống tự do Anabaena, Nostoc Sống cộng sinh Rhizobium, Frankia, Anabaena, Azollae Hoại sinh Azospirillum Phân bón vi sinh hòa tan phốt phát (Phosphate solubilizing bio-fertilizer) Bacillus megaterium var, Phosphaticum, Bacillus Vi khuẩn subtilis, Bacillus circulans Nấm Penicillum spp. , Aspergillus awamori Phân bón vi sinh chuyển hóa photphat thành dạng dễ tiêu (Phosphate mobilizing bio-fertilizers) Nấm cộng sinh Glomus spp. and Sclerocystis spp Nấm rễ ngoài Laccaria spp. and Amanita (Ectomycorrhiza) spp Ericoid Mycorrhiza Pezizella ericae Orchid Mycorrhiza Rhizoctonia solani Phân bón vi sinh cung cấp dinh dƣỡng vi lƣợng (Bio-fertilizers for micronutrients) VSV hòa tan silicat và kẽm (Silicate and zinc Bacillus sp.

solubilizers) VSV rễ kích thích sinh trưởng thực vật 5 Pseudomonas Pseudomonas fluorescens Nguồn tham khảo: "Biofertilizer, a way towards organic agriculture: A review", in trên tạp chí African Journal of Microbiology Research năm 2014 [10] Phân bón vi sinh kích thích sinh trƣởng thực vật (Plant growth promoting bio-fertilizer – PGPB). Nhóm này gồm các VSV vùng rễ như Pseudomonas spp…. Nhiệm vụ của nhóm VSV này là sản xuất ra các hocmon và chất kháng chuyển hóa (anti- metabolites) giúp kích thích rễ phát triển, phân hủy chất hữu cơ, thúc đẩy quá trình khoáng hóa trong đất, làm tăng năng suất cây trồng [11, 44] Phân bón vi sinh hòa tan kali (Potassium solubilizing bio-fertilizer – KSB). Thuộc nhóm này gồm Bacillus spp.

và Aspergillus niger. Kali trong đất chủ yếu tồn tại dạng khoáng silicat và cây trồng không sử dụng được kali dạng này. Một số VSV tổng hợp ra các axit hữu cơ gây phân giải silicat, chuyển kali từ dạng khó tan thành dạng dễ tan giúp cây dễ dàng hấp thụ. Phân bón vi sinh làm di động kali (Potassium mobilizing bio-fertilizer – KMB).

Đại diện được sử dụng trong nhóm này bao gồm Bacillus spp. Các VSV này sẽ thu hút kali dạng khó tan về khu vực chúng hoạt động và phân giải kali. Một số phân bón vi sinh hòa tan phosphate có chứa Bacillus spp. và Aspergillus spp., đồng thời cũng có khả năng di động kali [31].

Phân bón vi sinh oxi hóa sulfur (Sulfur oxidizing bio-fertilizer – SOB): Thiobacillus spp. là một trong số các VSV có khả năng này. Chúng oxi hóa sulfur thành sulfate giúp cây dễ dàng hấp thụ [31] 1. Vai trò của phân bón vi sinh với cây trồng Phân bón vi sinh đóng vai trò quan trọng trong cải thiện độ màu mỡ của đất.

Bên cạnh đó, chúng cải thiện cấu trúc đất và giảm việc lạm dụng phân bón hóa học. Tại các vùng đất ngập nước, việc sử dụng tảo xanh (blue green algae – BGA) cùng với Azospirillum giúp cải thiện đáng kể năng suất của các cây họ lúa. Phân bón vi sinh kết hợp Azotobacter, Rhizobium và Vesicular Arbuscular Mycorrhiza bón kèm phosphate vô cơ giúp các cây họ lúa đạt năng suất tối đa [10]. Bèo hoa dâu (Azolla) 6 vừa không tốn kém, kinh tế lại thân thiện môi trường góp phần quan trọng trong việc làm giàu carbon và nitơ cho đất.