Luận án tiến sĩ sinh học ứng dụng công nghệ sinh học xử lý rác hữu cơ phục vụ sản xuất nông nghiệp tỉnh sóc trăng

Luận án tiến sĩ nghiên cứu sinh học ứng dụng công nghệ sinh học xử lý rác hữu cơ phục vụ sản xuất nông nghiệp tỉnh sóc trăng, phát triển phương pháp mới, đánh giá hiệu quả ứng

• Tác giả: Mai Thi
• Người hướng dẫn: PGS. Nguyễn Hữu Hiệp
• Trường học: Trường Đại học Cần Thơ
• Chuyên ngành: Vi sinh vật học
• Đề tài: Ứng dụng công nghệ sinh học xử lý rác hữu cơ phục vụ sản xuất nông nghiệp tỉnh Sóc Trăng
• Loại tài liệu: Luận án tiến sĩ
• Năm xuất bản: 2018
• Địa điểm: Cần Thơ

Mục lục chi tiết

• LỜI CÁM ƠN
• TÓM TẮT
• ABSTRACT
• DANH SÁCH HÌNH
• DANH SÁCH BẢNG
• DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT
• 1. CHƯƠNG 1: GIỚI THIỆU
• 1.1. Đặt vấn đề
• 1.2. Mục tiêu của đề tài
• 1.3. Nội dung của luận án
• 1.4. Những đóng góp mới, ý nghĩa khoa học và thực tiễn của luận án
• 1.4.1. Những đóng góp mới
• 1.4.2. Ý nghĩa khoa học
• 1.4.3. Ý nghĩa thực tiễn
• 1.5. Cách tiếp cận và giả thuyết khoa học
• 1.6. Kết cấu của luận án
• 2. CHƯƠNG 2: TỔNG QUAN TÀI LIỆU
• 2.1. Tình hình rác thải
• 2.1.1. Tình hình rác thải trên thế giới
• 2.1.2. Tình hình rác thải ở Việt Nam
• 2.1.3. Tình hình rác thải ở Sóc Trăng
• 2.2. Sự phân hủy chất thải hữu cơ
• 2.2.1. Sự phân hủy cellulose
• 2.2.2. Sự phân hủy tinh bột
• 2.2.3. Sự phân hủy protein
• 2.3. Vi sinh vật trong xử lý chất thải hữu cơ
• 2.3.1. Vi khuẩn trong ruột côn trùng
• 2.4. Đặc điểm vi khuẩn Bacillus
• 2.4.1. Đặc điểm hình thái
• 2.4.2. Những chỉ tiêu sinh hóa dùng để định danh vi khuẩn Bacillus
• 2.4.3. Vai trò của vi khuẩn Bacillus
• 2.5. Phân hữu cơ vi sinh
• 2.5.1. Các quá trình sinh hóa trong quá trình ủ phân hữu cơ vi sinh
• 2.5.2. Các yếu tố ảnh hưởng quá trình ủ phân hữu cơ vi sinh
• 2.5.3. Lợi ích của phân hữu cơ vi sinh
• 2.6. Đặc tính sinh học cây dưa leo và kỹ thuật trồng dưa leo
• 2.6.1. Đặc tính sinh học
• 2.6.2. Kỹ thuật trồng cây dưa leo (Cucumis sativus L.)
• 3. CHƯƠNG 3: PHƯƠNG TIỆN VÀ PHƯƠNG PHÁP
• 3.1. Thời gian và địa điểm nghiên cứu
• 3.2. Phương tiện nghiên cứu
• 3.2.1. Hóa chất và môi trường
• 3.3. Phương pháp nghiên cứu
• 3.3.1. Phân lập vi khuẩn
• 3.3.2. Quan sát đặc điểm hình thái và sinh hóa của vi khuẩn
• 3.3.3. Khảo sát khả năng phân hủy cellulose, tinh bột và protein
• 3.3.4. Xác định hoạt tính cellulase
• 3.3.5. Xác định hoạt tính amylase
• 3.3.6. Xác định hoạt tính protease
• 3.3.7. Khuếch đại đoạn gene 16S rRNA
• 3.3.8. Giải trình tự đoạn gen 16S rRNA
• 3.3.9. Ứng dụng vi khuẩn xử lý rác hữu cơ
• 3.3.10. Phương pháp xác định mật số vi khuẩn hiếu khí
• 3.3.11. Phương pháp xác định C, N, P, K trong phân hữu cơ
• 3.3.12. Ứng dụng phân hữu cơ trồng dưa leo
• 3.3.13. Xử lý kết quả thí nghiệm
• 4. CHƯƠNG 4: KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN
• 4.1. Vi khuẩn phân hủy cellulose từ rác và nước rỉ rác
• 4.1.1. Kết quả phân lập
• 4.1.2. Đặc điểm hình thái và sinh hóa
• 4.1.3. Khả năng phân hủy CMC của các dòng vi khuẩn
• 4.1.4. Kết quả định danh
• 4.2. Vi khuẩn phân hủy cellulose từ ruột sùng đất và trùn đất
• 4.2.1. Kết quả phân lập
• 4.2.2. Đặc điểm hình thái và sinh hóa
• 4.2.3. Khả năng phân hủy CMC của các dòng vi khuẩn
• 4.2.4. Kết quả định danh
• 4.3. Vi khuẩn phân hủy tinh bột từ rác và nước rỉ rác
• 4.3.1. Kết quả phân lập
• 4.3.2. Đặc điểm hình thái và sinh hóa
• 4.3.3. Khả năng phân hủy tinh bột của các dòng vi khuẩn
• 4.3.4. Kết quả định danh
• 4.4. Vi khuẩn phân hủy tinh bột từ ruột sùng và trùn đất
• 4.4.1. Kết quả phân lập
• 4.4.2. Đặc điểm hình thái và sinh hóa
• 4.4.3. Khả năng phân hủy tinh bột của các dòng vi khuẩn
• 4.4.4. Kết quả định danh
• 4.5. Vi khuẩn phân hủy protein từ rác và nước rỉ rác
• 4.5.1. Kết quả phân lập
• 4.5.2. Đặc điểm hình thái và sinh hóa
• 4.5.3. Khả năng phân hủy protein của các dòng vi khuẩn
• 4.5.4. Kết quả định danh
• 4.6. Vi khuẩn phân hủy protein từ ruột sùng và trùn đất
• 4.6.1. Kết quả phân lập
• 4.6.2. Đặc điểm hình thái và sinh hóa
• 4.6.3. Khả năng phân hủy protein của các dòng vi khuẩn
• 4.6.4. Kết quả định danh
• 4.7. Thảo luận chung
• 4.8. Đánh giá khả năng phân hủy rác thải của các chế phẩm sinh học
• 4.8.1. Mật số vi khuẩn trong quá trình ủ
• 4.8.2. Nhiệt độ và pH trong quá trình ủ nguyên liệu
• 4.8.3. Hàm lượng (%) C, N, P, K và tỷ lệ C/N của mẻ ủ
• 4.9. Kết quả ứng dụng phân hữu cơ vi sinh trồng dưa leo
• 5. CHƯƠNG 5: KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ
• TÀI LIỆU THAM KHẢO

Tóm tắt

I. Giới thiệu

Luận án tiến sĩ này tập trung vào việc ứng dụng công nghệ sinh học để xử lý rác hữu cơ phục vụ nông nghiệp Sóc Trăng. Mục tiêu chính là phân lập và tuyển chọn các dòng vi khuẩn bản địa có khả năng phân hủy cellulose, tinh bột và protein từ rác hữu cơ, ruột con sùng đất và trùn đất. Kết quả nghiên cứu sẽ được ứng dụng trong sản xuất phân hữu cơ vi sinh, góp phần bảo vệ môi trường và phát triển nông nghiệp bền vững tại Sóc Trăng.

1.1. Mục tiêu

Mục tiêu của luận án tiến sĩ là phân lập và chọn lọc các dòng vi khuẩn bản địa để xử lý rác hữu cơ và ứng dụng sản phẩm sau xử lý trong nông nghiệp Sóc Trăng. Các kỹ thuật truyền thống và hiện đại được sử dụng để phân lập và định danh vi khuẩn có khả năng phân hủy cellulose, tinh bột và protein.

1.2. Ý nghĩa

Nghiên cứu này có ý nghĩa khoa học và thực tiễn lớn. Về khoa học, nó bổ sung kiến thức về vi khuẩn phân hủy chất hữu cơ. Về thực tiễn, nó cung cấp giải pháp xử lý rác thải hiệu quả, góp phần bảo vệ môi trường và phát triển nông nghiệp hữu cơ tại Sóc Trăng.

II. Tổng quan tài liệu

Chương này trình bày tổng quan về tình hình rác thải trên thế giới, Việt Nam và đặc biệt là tại Sóc Trăng. Nghiên cứu cũng đề cập đến quá trình phân hủy rác hữu cơ, vai trò của vi sinh vật trong xử lý chất thải, và đặc điểm của vi khuẩn Bacillus. Các quá trình sinh hóa trong ủ phân hữu cơ và lợi ích của phân hữu cơ vi sinh cũng được phân tích chi tiết.

2.1. Tình hình rác thải

Tình hình rác thải tại Sóc Trăng đang ở mức báo động, với hơn 248 tấn rác thải sinh hoạt mỗi ngày. Phần lớn rác thải được xử lý thô sơ bằng cách chôn lấp, gây ô nhiễm môi trường nghiêm trọng. Nghiên cứu này đề xuất giải pháp xử lý rác hữu cơ bằng công nghệ sinh học để giảm thiểu tác động tiêu cực.

2.2. Phân hủy rác hữu cơ

Quá trình phân hủy rác hữu cơ được thực hiện bởi các vi sinh vật có khả năng phân hủy cellulose, tinh bột và protein. Vi khuẩn Bacillus đóng vai trò quan trọng trong quá trình này, giúp chuyển hóa chất thải thành phân hữu cơ vi sinh có giá trị trong nông nghiệp.

III. Phương pháp nghiên cứu

Nghiên cứu sử dụng các phương pháp truyền thống và hiện đại để phân lập và định danh vi khuẩn. Các kỹ thuật sinh học phân tử như PCR và giải trình tự gen 16S rRNA được áp dụng để xác định mối quan hệ di truyền giữa các dòng vi khuẩn. Quá trình ủ phân hữu cơ vi sinh được theo dõi và đánh giá dựa trên các chỉ tiêu như mật số vi khuẩn, pH, nhiệt độ và hàm lượng dinh dưỡng.

3.1. Phân lập vi khuẩn

Hai trăm mười ba dòng vi khuẩn được phân lập từ các nguồn rác hữu cơ, ruột con sùng đất và trùn đất. Các dòng vi khuẩn này được đánh giá về khả năng phân hủy cellulose, tinh bột và protein thông qua các phương pháp sinh hóa và sinh học phân tử.

3.2. Ứng dụng thực tiễn

Các dòng vi khuẩn triển vọng được sử dụng để xử lý rác thải hữu cơ tại bãi rác Đại Ngãi, Sóc Trăng. Phân hữu cơ vi sinh sau xử lý được bón thử nghiệm trên cây dưa leo, cho thấy hiệu quả trong việc giảm lượng phân hóa học mà không ảnh hưởng đến năng suất cây trồng.

IV. Kết quả và thảo luận

Kết quả nghiên cứu cho thấy 20 dòng vi khuẩn triển vọng thuộc chi Bacillus có khả năng phân hủy cellulose, tinh bột và protein mạnh. Phân hữu cơ vi sinh được tạo ra từ quá trình ủ rác thải đáp ứng các tiêu chuẩn chất lượng của Việt Nam. Ứng dụng phân hữu cơ vi sinh trên cây dưa leo giúp giảm 50% lượng phân hóa học mà không ảnh hưởng đến năng suất và chất lượng trái.

4.1. Đánh giá hiệu quả

Phân hữu cơ vi sinh từ luận án tiến sĩ được đánh giá cao về hiệu quả trong xử lý rác thải và ứng dụng trong nông nghiệp hữu cơ. Kết quả thử nghiệm trên cây dưa leo cho thấy sự khác biệt không đáng kể so với phương pháp bón phân truyền thống, đồng thời giảm thiểu tác động tiêu cực đến môi trường.

4.2. Giải pháp bền vững

Nghiên cứu này đề xuất giải pháp tái chế rác thải hiệu quả, góp phần bảo vệ môi trường và phát triển nông nghiệp bền vững tại Sóc Trăng. Phân hữu cơ vi sinh không chỉ giúp xử lý rác thải mà còn cung cấp nguồn dinh dưỡng tự nhiên cho cây trồng.

V. Kết luận

Luận án tiến sĩ đã thành công trong việc phân lập và tuyển chọn các dòng vi khuẩn bản địa có khả năng phân hủy rác hữu cơ. Phân hữu cơ vi sinh được tạo ra từ quá trình ủ rác thải đáp ứng các tiêu chuẩn chất lượng và có hiệu quả trong nông nghiệp hữu cơ. Nghiên cứu này góp phần quan trọng vào việc bảo vệ môi trường và phát triển nông nghiệp bền vững tại Sóc Trăng.

Nội dung chính

Tổng quan về luận án

Bối cảnh suy thoái tài nguyên đất cùng áp lực ô nhiễm môi trường do chất thải rắn sinh hoạt đô thị và nông thôn đang là thách thức nghiêm trọng đối với phát triển bền vững tại Đồng bằng sông Cửu Long. Tại tỉnh Sóc Trăng, lượng rác thải sinh hoạt phát sinh hàng ngày vượt mức 248,2 tấn/ngày, trong đó hơn 80% là rác hữu cơ dễ phân hủy sinh học (Báo cáo hiện trạng môi trường tỉnh Sóc Trăng, 2016). Tuy nhiên, hầu hết chất thải chỉ được xử lý thô sơ bằng phương pháp chôn lấp hở tại các bãi rác tập trung như bãi rác Sóc Vồ hay bãi rác Đại Ngãi, gây ô nhiễm thứ cấp nguồn nước ngầm, phát thải khí nhà kính và lãng phí nguồn sinh khối hữu cơ giàu dinh dưỡng.

Nghiên cứu của NCS. Mai Thi dưới sự hướng dẫn khoa học của PGS. TS. Nguyễn Hữu Hiệp tại Trường Đại học Cần Thơ đã giải quyết chính xác "khoảng trống nghiên cứu" (research gap) then chốt: Thiếu hụt các tập đoàn vi sinh vật bản địa đa năng có khả năng thích nghi cao với điều kiện khí hậu nhiệt đới gió mùa và hệ cơ chất rác thải phức tạp để thay thế hoàn toàn các chế phẩm ngoại nhập đắt đỏ (như EcoClean từ Hoa Kỳ hay EM thương mại). Luận án xác lập 3 câu hỏi nghiên cứu và giả thuyết khoa học cụ thể:

1. Câu hỏi nghiên cứu 1 (RQ1): Các hệ vi sinh vật nội sinh trong ruột sinh vật đất bản địa (Holotrichia parallela và Lumbricus terrestris) cùng bãi rác thải chứa những chủng vi khuẩn nào sở hữu hoạt tính enzyme phân giải cellulose, tinh bột và protein vượt trội? Giả thuyết 1 (H1): Ruột côn trùng và trùn đất bản địa là kho dự trữ các chủng vi khuẩn sinh enzyme ngoại bào cao hơn quần thể vi sinh vật tự do trong đất.
2. Câu hỏi nghiên cứu 2 (RQ2): Quần hợp vi khuẩn bản địa tuyển chọn có thể tối ưu hóa động học ủ phân compost (nhiệt độ, pH, mật số CFU, chỉ số C/N) đạt chuẩn TCVN 7185:2002 tương đương hoặc vượt trội chế phẩm ngoại nhập không? Giả thuyết 2 (H2): Khả năng cộng sinh chuyển hóa của chủng vi sinh bản địa thích nghi nội vùng giúp rút ngắn chu kỳ phân hủy sinh học rác thải hữu cơ xuống 35 ngày.
3. Câu hỏi nghiên cứu 3 (RQ3): Phân hữu cơ vi sinh thành phẩm có thể cắt giảm bao nhiêu phần trăm phân bón vô cơ mà vẫn duy trì năng suất và phẩm chất cây trồng chỉ thị? Giả thuyết 3 (H3): Bón kết hợp 50% phân hữu cơ vi sinh với 50% phân hóa học duy trì các chỉ tiêu sinh trưởng và năng suất dưa leo (Cucumis sativus L.) tương đương công thức bón 100% phân vô cơ truyền thống.

Khung lý thuyết của luận án tích hợp Lý thuyết Thủy phân Đa enzyme Xúc tác Phức hệ (Complex Enzymatic Hydrolysis Theory - Teeri, 1997; Saha et al., 2005), Động học Chuyển hóa Compost Hiếu khí (Aerobic Composting Bio-kinetics - Brito et al., 2008) và Lý thuyết Cân bằng Sinh thái Dinh dưỡng Đất - Cây trồng (Soil-Plant Ecosystem Equilibrium - Lavelle et al., 2006). Với quy mô thực nghiệm phân lập 213 dòng vi khuẩn, giải trình tự định danh 20 chủng triển vọng, ủ thực địa 2.000 kg rác thải hữu cơ tại bãi rác xã Đại Ngãi (huyện Long Phú) và thử nghiệm đồng ruộng tại trang trại xã Thạnh Thới Thuận (huyện Trần Đề) trong giai đoạn 2013-2016, nghiên cứu đã mang lại đóng góp đột phá: giảm 50% lượng phân bón hóa học trong canh tác nông nghiệp, mở ra hướng đi kiểu mẫu cho kinh tế tuần hoàn nông nghiệp nhiệt đới.

Literature Review và Positioning

Tổng quan y văn quốc tế và trong nước về xử lý sinh học chất thải hữu cơ phản ánh hai dòng tư tưởng nghiên cứu lớn: Dòng nghiên cứu 1 - Thủy phân sinh học bằng enzyme vi sinh vật: Phân hủy các đại phân tử sinh học cellulose, tinh bột và protein đòi hỏi sự hiệp đồng của các hệ enzyme chuyên biệt. Teeri (1997) và Lynd et al. (2002) chứng minh chuỗi polymer cellulose gồm các liên kết β-1,4-glycoside với cấu trúc tinh thể bền vững cần sự phối hợp của endoglucanase (EC 3.2.1.4), exoglucanase (EC 3.2.1.91) và cellobiase (EC 3.2.1.21). Đối với tinh bột, Marc et al. (2002) và French (1973) phân tích cơ chế phân cắt liên kết α-1,4 và α-1,6-glycoside bởi phức hệ α-amylase, β-amylase và glucoamylase. Trong phân giải protein, Cupp-Enyard (2008) hệ thống hóa cơ chế một bước của protease acid và hai bước của protease trung tính nhằm cắt đứt liên kết peptide giải phóng acid amin và ion amoni. Dòng nghiên cứu 2 - Vi sinh thái đường ruột động vật không xương sống: Các công trình tiên phong của Parle (1963), Brown & Doube (2004) và Fujii et al. (2012) chỉ ra mật số vi khuẩn trong ruột trùn đất (Lumbricus terrestris) cao gấp 2,5 lần môi trường đất xung quanh nhờ điều kiện vi môi trường tối ưu. Tương tự, Shengwei et al. (2012) lần đầu phát hiện 21 dòng vi khuẩn phân giải cellulose trong ruột ấu trùng sùng đất (Holotrichia parallela).

Tuy nhiên, y văn tồn tại mâu thuẫn học thuật gay gắt giữa hai quan điểm: Trường phái thứ nhất (Hassen et al., 2001; Misra et al., 2003) cho rằng quần thể vi sinh vật bản địa tự nhiên có sẵn trong khối ủ là đủ để tự phân hủy qua các pha nhiệt mà không cần cấy bổ sung vi sinh ngoại lai. Ngược lại, trường phái thứ hai (Silva et al., 2009; Taiwo & Oso, 2004) khẳng định việc bổ sung các chủng tuyển chọn có hoạt tính cao là điều kiện bắt buộc để rút ngắn chu kỳ ủ và nâng cao hàm lượng dinh dưỡng khoáng (N-P-K).

Luận án định vị chính xác khoảng trống bằng cách khai thác nguồn vi sinh vật nội sinh đặc hữu từ ruột Holotrichia parallela và Lumbricus terrestris kết hợp bãi rác bản địa tại Sóc Trăng. So sánh với các nghiên cứu quốc tế:

• So với nghiên cứu của Shankar et al. (2011) tại Ấn Độ (chỉ phân lập được 9 dòng vi khuẩn ruột trùn đất với hoạt tính cellulase thấp 0,035 - 0,127 UI/mL), luận án đã sàng lọc được tập đoàn vi khuẩn Bacillus bản địa có hoạt tính enzyme endoglucanase và protease cao vượt bậc.
• So với nghiên cứu của Ajay et al. (2016) sử dụng đơn chủng Bacillus subtilis AMS6 để xử lý phế phụ phẩm ngô tại Ấn Độ, luận án xây dựng được tổ hợp đa chủng (Bacillus subtilis, Bacillus megaterium, Bacillus licheniformis, Bacillus flexus, Bacillus aquimaris, Bacillus aryabhattai) có khả năng đồng chuyển hóa đồng thời cả 3 cơ chất phức tạp: cellulose, tinh bột và protein trong điều kiện đống ủ thực địa quy mô lớn.

Đóng góp lý thuyết và khung phân tích

Đóng góp cho lý thuyết

Luận án mở rộng Lý thuyết Thủy phân Đa enzyme của Teeri (1997) và Sinh thái Vi sinh vật học Đất của Lavelle et al. (2006) thông qua các luận điểm khoa học có bằng chứng:

1. Mệnh đề lý thuyết 1 (P1): Quần thể vi khuẩn chi Bacillus cư trú trong ống tiêu hóa của Holotrichia parallela và Lumbricus terrestris tiến hóa theo cơ chế cộng sinh thích nghi cao độ, hình thành hệ thống gen mã hóa enzyme ngoại bào có khả năng chịu nhiệt và ổn định hoạt tính ở dải pH biến động (pH 5,0 - 8,0).
2. Mệnh đề lý thuyết 2 (P2): Động học chuyển hóa compost không phụ thuộc vào một cá thể vi sinh đơn lẻ mà vận hành theo mô hình kế thừa sinh thái vi sinh vật (microbial ecological succession model): Bacillus spp. khởi động pha phân giải nhanh cơ chất dễ tiêu ở nhiệt độ thường (20-40°C), duy trì mật số vượt trội trong pha nhiệt cao (40-60°C) nhờ khả năng sinh nội bào tử chịu nhiệt, và hoàn tất quá trình mùn hóa ở pha làm nguội.
3. Mệnh đề lý thuyết 3 (P3): Bù trừ sinh học đất - cây trồng: Sự tương tác giữa mùn hữu cơ đã hoạt hóa sinh học và hệ vi sinh Bacillus nội sinh kích thích sự khoáng hóa dinh dưỡng chậm, gia tăng dung tích hấp phụ Cation Exchange Capacity (CEC) của đất, cho phép thay thế 50% phân bón khoáng vô cơ mà không gây suy giảm năng suất quang hợp và tích lũy sinh khối của Cucumis sativus L.

Khung phân tích độc đáo

Khung phân tích của nghiên cứu là sự hợp nhất 3 lý thuyết nền tảng: Lý thuyết Thủy phân Hóa sinh Enzyme, Động học Phân giải Hiếu khí Mẻ ủ và Lý thuyết Dinh dưỡng Khoáng Cây trồng. Khung phân tích vận hành qua chuỗi giá trị sinh học 4 giai đoạn khép kín: $$\text{Sinh khối rác thải/Côn trùng} \xrightarrow{\text{Sàng lọc Bio-assay}} \text{Tuyển chọn chủng thuần } \textit{Bacillus} \xrightarrow{\text{Ủ hiếu khí Bio-composting}} \text{Phân hữu cơ vi sinh} \xrightarrow{\text{Nông nghiệp bền vững}} \text{Năng suất sinh thái}$$ Điều kiện biên (boundary conditions) được xác lập nghiêm ngặt: Ứng dụng tối ưu trong điều kiện đống ủ hiếu khí có độ ẩm 50-60%, tỷ lệ C/N ban đầu của nguyên liệu từ 25:1 đến 30:1, nhiệt độ môi trường nhiệt đới gió mùa và áp dụng trên đất thịt pha cát canh tác rau màu.

Phương pháp nghiên cứu tiên tiến

Thiết kế nghiên cứu

Luận án theo đuổi thế giới quan Thực chứng luận (Positivism) kết hợp Thực nghiệm Phân tử nghiêm ngặt. Thiết kế nghiên cứu đa tầng (multi-level experimental design) tích hợp phân lập in vitro, định lượng hóa sinh động học enzyme, sinh học phân tử in silico và thực nghiệm đồng ruộng in vivo:

• Cấp độ vi mô (Molecular & Cellular Level): Thu thập 12 cá thể sùng đất (Holotrichia parallela, trọng lượng 2,5 - 15 g), 12 cá thể trùn đất (Lumbricus terrestris, trọng lượng 3 - 11 g) tại huyện Ngã Năm cùng các mẫu rác hữu cơ, nước rỉ rác tại các bãi rác Trần Đề, Kế Sách, Ngã Năm. Phân lập ròng 213 dòng vi khuẩn trên các môi trường chọn lọc: CMC 1%, Tinh bột 1%, Peptone 1% và Skim milk 1% bổ sung chất kháng nấm Cycloheximide 0,1 g/L.
• Cấp độ bán quy mô (Pilot Bio-composting Level): Thí nghiệm khối ngẫu nhiên hoàn toàn (RCBD) gồm 5 nghiệm thức $\times$ 4 lần lặp lại trên 2.000 kg rác thải hữu cơ (20 bồn gốm, 100 kg rác/bồn) tại bãi rác Đại Ngãi: NT1 (Đối chứng không bổ sung vi sinh); NT2 (Bổ sung chế phẩm SEM 09); NT3 (Bổ sung chế phẩm EM); NT4 (Bổ sung chế phẩm EcoClean 1XF HC nhập khẩu từ Mỹ); NT5 (Bổ sung tổ hợp vi khuẩn bản địa triển vọng của luận án ở mật số $10^9\text{ CFU/mL}$).
• Cấp độ ứng dụng nông học (Field Agronomic Level): Thí nghiệm RCBD 4 nghiệm thức $\times$ 4 lần lặp lại trên cây dưa leo (Cucumis sativus L.) tại huyện Trần Đề: NT1 (Đối chứng 0% phân); NT2 (100% phân hóa học NPK 16-16-8); NT3 (100% phân hữu cơ vi sinh của luận án); NT4 (50% phân hữu cơ vi sinh + 50% phân hóa học).

Quy trình nghiên cứu rigorous

Quy trình thực nghiệm được chuẩn hóa toàn diện:

1. Định lượng hoạt tính enzyme: Hoạt tính endoglucanase, exoglucanase và amylase xác định theo phương pháp so màu khử Nelson-Somogyi (Nelson, 1944) đo quang phổ OD ở bước sóng 520 nm bằng máy Cary 50 UV-Vis (Varian, USA). Hoạt tính protease đo theo phương pháp Cupp-Enyard (2008) sử dụng thuốc thử Folin-Ciocalteu và cơ chất casein 0,65% ở bước sóng 660 nm.
2. Sinh học phân tử & Định danh di truyền: Ly trích DNA bộ gen theo Carr & Kaguni (2001), khuếch đại gen 16S rRNA bằng máy Perkin Elmer 9700 (USA) với cặp mồi phổ biến $27\text{F}$ ($5'\text{-AGAGTTTAGTCCTTGGCTCAG-}3'$) và $1492\text{R}$ ($5'\text{-GGCTACCTTGTTACGACTT-}3'$) (Lane, 1991). Điện di sản phẩm PCR trên gel agarose 2% nhuộm Safeview. Giải trình tự chuỗi nucleotide bằng công nghệ Sanger trên hệ thống tự động ABI PRISM 3130.
3. Phân tích hóa lý phân bón: Định lượng Carbon hữu cơ tổng số bằng phương pháp Walkley-Black oxy hóa với $K_2Cr_2O_7 - H_2SO_4$; Nitơ tổng số theo phương pháp Kjeldahl vô cơ hóa; Phospho tổng số bằng phương pháp so màu phosphomolybdenum trên Cary 50 UV-Vis; Kali tổng số bằng phương pháp quang phổ hấp thu nguyên tử ngọn lửa trên máy AAS Shimadzu AA-7000 (Nhật Bản) đối chiếu chuẩn TCVN 7185:2002.

+-----------------------------------------------------------------------------------+
|                            QUY TRÌNH THỰC NGHIỆM ĐA TẦNG                          |
+-----------------------------------------------------------------------------------+
|  [213 Dòng Vi khuẩn Bản địa] (Ruột sùng, trùn đất, rác Sóc Trăng)                 |
|  [20 Chủng Triển vọng] (Endoglucanase, Exoglucanase, Amylase, Protease vượt trội) |
|  [Định danh Chi Bacillus] (B. subtilis, B. megaterium, B. flexus, v.v.)           |
|  [Compost Thành Phẩm TCVN 7185] (C, N, P, K tối ưu, C/N: 10-15)                   |
|  [Cắt giảm 50% Phân Hóa Học] (Năng suất, phẩm chất tương đương đối chứng 100% NPK)|
+-----------------------------------------------------------------------------------+

Data và phân tích

Trình tự gen 16S rRNA được so sánh độ đồng nhất với cơ sở dữ liệu GenBank qua thuật toán BLASTN (NCBI). Cây phát sinh chủng loại (Phylogenetic tree) và khoảng cách di truyền được xây dựng bằng phần mềm MEGA 5.0 (Tamura et al., 2011) theo phương pháp Neighbor-Joining kết hợp phân tích Haplotype. Số liệu nông học và hóa sinh được xử lý phân tích phương sai (One-way ANOVA) và kiểm định sự khác biệt có ý nghĩa bằng phép thử LSD Fisher ở độ tin cậy 95% ($p < 0,05$) trên phần mềm Minitab 17 và MS Excel 2010.

Phát hiện đột phá và implications

Những phát hiện then chốt

1. Đa dạng sinh học và ưu thế tuyệt đối của chi Bacillus: Trong 213 dòng vi khuẩn phân lập được, 20 dòng triển vọng nhất đều thuộc chi Bacillus với tỷ lệ: Bacillus subtilis (6 dòng, chiếm 30%), Bacillus megaterium (5 dòng, 25%), Bacillus aquimaris (2 dòng, 10%), Bacillus cereus (2 dòng, 10%), Bacillus flexus (2 dòng, 10%), Bacillus aryabhattai (1 dòng, 5%), Bacillus licheniformis (1 dòng, 5%) và Bacillus sp. (1 dòng, 5%). Toàn bộ là trực khuẩn Gram dương, chuyển động, sinh catalase mạnh và có khả năng sinh nội bào tử bền vững.
2. Hiệu lực chuyển hóa phân hủy rác tương đương chế phẩm nhập khẩu: Tại đống ủ bãi rác Đại Ngãi, nghiệm thức NT5 (sử dụng tổ hợp chủng bản địa của luận án) thúc đẩy mật số vi khuẩn hiếu khí đạt đỉnh $> 10^8\text{ CFU/g}$ sau 7 ngày, nhiệt độ đống ủ đạt đỉnh $55-60^\circ\text{C}$ giúp tiêu diệt mầm bệnh, pH ổn định trong ngưỡng 6,8 - 7,4. Sau 35 ngày, sản phẩm compost ở NT5 đạt các chỉ tiêu chất lượng C, N, P, K và chỉ số C/N hoàn toàn thỏa mãn tiêu chuẩn Việt Nam TCVN 7185:2002, không có sự khác biệt mang ý nghĩa thống kê ($p > 0,05$) so với nghiệm thức đối chứng sử dụng chế phẩm cao cấp EcoClean nhập khẩu từ Mỹ (NT4).
3. Đột phá cắt giảm phân bón hóa học trong nông nghiệp: Khi ứng dụng phân compost bón cho dưa leo (Cucumis sativus L.) tại huyện Trần Đề, công thức kết hợp 50% phân hữu cơ vi sinh + 50% phân hóa học (NT4) cho kết quả vượt trội: Chiều dài trái, đường kính trái, trọng lượng quả trung bình, số trái/cây, thời gian ra hoa và ngày thu hoạch khác biệt không có ý nghĩa thống kê ($p > 0,05$, kiểm định LSD Fisher) so với công thức bón 100% phân hóa học (NT2).

So sánh các chỉ tiêu nông học trên cây dưa leo giữa các nghiệm thức:
+-------------------+-----------------+-----------------+-----------------+-----------------+
| Chỉ tiêu nông học | NT1 (0% Phân)   | NT2 (100% Hóa)  | NT3 (100% HCVS) | NT4 (50% HC+50%HH)|
+-------------------+-----------------+-----------------+-----------------+-----------------+
| Năng suất & Trái  | Thấp, còi cọc   | Cao (Quy chuẩn) | Trung bình-Khá  | Tương đương NT2 |
| Khác biệt ($p$)   | $p < 0,05$      | Chuẩn đối chứng | $p < 0,05$      | $p > 0,05$ (ns) |
| Chi phí phân khoáng| 0%              | 100%            | 0%              | Giảm 50%        |
| Cải tạo độ phì đất| Không đổi       | Gây chai hóa    | Tăng mùn, CEC   | Tối ưu sinh thái|
+-------------------+-----------------+-----------------+-----------------+-----------------+
*(Ghi chú: ns = khác biệt không có ý nghĩa thống kê so với NT2 ở mức tin cậy 95%)*

Implications đa chiều

• Về mặt lý thuyết: Chứng minh tính khả thi của mô hình cộng sinh sinh thái vi khuẩn nội sinh ruột động vật không xương sống trong việc chuyển hóa sinh khối ngoại cảnh, cung cấp dữ liệu di truyền học 16S rRNA và bản đồ haplotype mới cho ngân hàng dữ liệu gen quốc tế NCBI.
• Về mặt phương pháp: Thiết lập quy trình chuẩn hóa từ khâu phân lập nhanh bằng kỹ thuật giếng thạch, định lượng enzyme Nelson-Somogyi/Cupp-Enyard đến giải trình tự gen và quy trình ủ rác quy mô 100 kg/mẻ có thể chuyển giao cho các trung tâm quan trắc môi trường.
• Về mặt thực tiễn và chính sách: Đề xuất lộ trình công nghệ cho Sở Tài nguyên và Môi trường tỉnh Sóc Trăng cùng các tỉnh miền Tây thay thế phương thức chôn lấp rác hở lạc hậu bằng các trạm ủ compost vi sinh tập trung, giảm thiểu 50% chi phí phân bón hóa học đầu vào cho nông dân trồng trọt.

Limitations và Future Research

Nghiên cứu thẳng thắn thừa nhận các giới hạn khoa học nội tại:

1. Giới hạn định danh phân tử: Nghiên cứu chủ yếu dựa trên đoạn gen bảo tồn 16S rRNA; một số loài có độ tương đồng trình tự rất cao trong chi Bacillus (như B. subtilis, B. amyloliquefaciens, B. licheniformis) đòi hỏi phải giải mã toàn bộ hệ gen (Whole Genome Sequencing) hoặc phân tích gen giữ nhà đa locus (MLST) để phân loại dưới loài chính xác tuyệt đối.
2. Rủi ro an toàn sinh học của chủng vi sinh: Sự hiện diện của 2 dòng Bacillus cereus trong tập hợp 20 dòng vi khuẩn tuyển chọn đòi hỏi các nghiên cứu độc tính chuyên sâu nhằm kiểm soát sự vắng mặt của các gen sinh độc tố đường ruột (như enterotoxin hbl, nhe) trước khi thương mại hóa rộng rãi.
3. Quy mô thực địa và đối tượng cây trồng: Thử nghiệm nông học mới dừng lại trên đối tượng dưa leo (Cucumis sativus L.) trên nền đất thịt pha cát tại huyện Trần Đề trong một vụ mùa, chưa đánh giá tác động tích lũy dinh dưỡng đa mùa vụ trên đất phèn, đất mặn hoặc trên cây ăn trái lâu năm.

Chương trình nghiên cứu tiếp nối trong 5-10 năm tới bao gồm:

• Ứng dụng kỹ thuật Metagenomics để giải mã toàn bộ hệ vi sinh vật chưa nuôi cấy được trong ruột sùng đất và trùn đất.
• Thiết kế lò phản ứng sinh học lên men chìm (Submerged Fermentation Bioreactor) quy mô công nghiệp để sản xuất chế phẩm vi sinh bản địa dạng bột đông khô mật độ cao ($> 10^{10}\text{ CFU/g}$).
• Mở rộng khảo nghiệm phân hữu cơ vi sinh trên các cây trồng chủ lực của Đồng bằng sông Cửu Long như lúa nước, bưởi da xanh và hành tím Vĩnh Châu.

Tác động và ảnh hưởng

• Học thuật: Cung cấp 20 trình tự gen 16S rRNA chuẩn của các chủng Bacillus bản địa lên cơ sở dữ liệu NCBI, đóng góp tư liệu giảng dạy thực nghiệm chuyên sâu cho các chương trình đào tạo Thạc sĩ và Tiến sĩ ngành Vi sinh vật học và Công nghệ Sinh học Môi trường tại Đại học Cần Thơ.
• Chuyển đổi kinh tế - công nghiệp: Cung cấp giải pháp công nghệ giá rẻ giúp các doanh nghiệp xử lý môi trường tại địa phương tự chủ nguồn men vi sinh xử lý rác, tiết kiệm hàng tỷ đồng ngoại tệ mỗi năm so với việc nhập khẩu chế phẩm từ nước ngoài.
• Chính sách môi trường: Cung cấp luận cứ khoa học thực chứng để Sở Khoa học và Công nghệ cùng Sở Tài nguyên và Môi trường tỉnh Sóc Trăng quy hoạch mạng lưới phân loại rác tại nguồn và nhân rộng các mô hình xử lý rác thải hữu cơ nông thôn tại các bãi rác Kế Sách, Tân Long, Mỹ Xuyên.
• Xã hội và môi trường: Giảm thiểu ô nhiễm mùi hôi, nước rỉ rác và khí mê-tan ($CH_4$) tại các bãi chôn lấp lộ thiên; đồng thời tạo ra nguồn phân bón sạch giàu dinh dưỡng phục vụ chiến lược sản xuất nông nghiệp hữu cơ an toàn.

Đối tượng hưởng lợi

• Nghiên cứu sinh & Nhà khoa học trẻ: Tiếp cận quy trình thực nghiệm chuẩn từ phân lập, định lượng động học enzyme đến phân tích phả hệ phân tử bằng phần mềm MEGA 5.0 và thiết kế thí nghiệm nông học chuẩn mực.
• Giảng viên & Nhà nghiên cứu cao cấp: Bổ sung nguồn tài liệu tham khảo có giá trị về nhóm vi khuẩn chuyển hóa sinh khối bản địa và cơ sở dữ liệu vi sinh vật đường ruột côn trùng nhiệt đới.
• Doanh nghiệp R&D Công nghệ Sinh học: Ứng dụng ngay tổ hợp các chủng Bacillus tuyển chọn để sản xuất chế phẩm sinh học thương phẩm phục vụ xử lý rác thải và xử lý phụ phẩm nông nghiệp sau thu hoạch (rơm rạ, bã mía, vỏ trấu).
• Cơ quan Quản lý Nhà nước & Nhà hoạch định Chính sách: Căn cứ dữ liệu thực chứng để ban hành các quy chuẩn kỹ thuật địa phương về ủ phân compost từ rác thải sinh hoạt nông thôn.
• Nông dân & Hợp tác xã: Giảm trực tiếp 50% chi phí mua phân bón vô cơ, cải tạo đất bạc màu, nâng cao năng suất và giá trị kinh tế của nông sản.

Câu hỏi chuyên sâu

1. Đóng góp lý thuyết độc đáo nhất của luận án là gì? Trả lời: Luận án đã mở rộng Lý thuyết Thủy phân Đa enzyme của Teeri (1997) bằng việc chứng minh hệ vi sinh vật nội sinh trong ruột ấu trùng sùng đất (Holotrichia parallela) và trùn đất (Lumbricus terrestris) sở hữu hệ enzyme cellulase, amylase và protease đồng thời có khả năng thích nghi cao và hoạt tính mạnh mẽ trong môi trường rác thải hữu cơ nhiệt đới, bác bỏ giả định cho rằng chỉ có vi sinh vật đất tự do mới quyết định tốc độ ủ compost.

2. Cải tiến phương pháp luận so với các nghiên cứu trước đây? Trả lời: So với nghiên cứu của Shankar et al. (2011) chỉ dừng ở khảo sát định tính vi khuẩn ruột trùn và Ajay et al. (2016) chỉ khảo sát đơn chủng in vitro, luận án tích hợp phương pháp tiếp cận 4 tầng: Phân lập định lượng hoạt tính enzyme thô $\rightarrow$ Định danh di truyền 16S rRNA / BLASTN NCBI / MEGA 5.0 $\rightarrow$ Thí nghiệm bán quy mô 2.000 kg rác thực địa $\rightarrow$ Thí nghiệm nông học đồng ruộng kiểm định bằng thống kê LSD Fisher trên Minitab 17.

3. Phát hiện gây bất ngờ nhất có số liệu thực chứng là gì? Trả lời: Điểm bất ngờ nhất là tổ hợp vi khuẩn bản địa (NT5) đạt hiệu quả sinh nhiệt ($55-60^\circ\text{C}$), chuyển hóa C, N, P, K và chỉ số C/N đạt chuẩn TCVN 7185:2002 hoàn toàn tương đương ($p > 0,05$) với chế phẩm thương mại EcoClean 1XF HC nhập khẩu từ Hoa Kỳ (NT4), chứng minh tiềm năng vượt bậc của nguồn gen vi sinh vật bản địa địa phương.

4. Giao thức nhân bản thực nghiệm (Replication Protocol) có được cung cấp đầy đủ không? Trả lời: Luận án cung cấp chi tiết toàn bộ thông số kỹ thuật: thành phần môi trường nuôi cấy (CMC 1%, Peptone 1%, LB, PCA), nồng độ hóa chất thuốc thử Nelson-Somogyi, thuốc thử Folin, chu trình nhiệt PCR 35 chu kỳ trên máy Perkin Elmer 9700, trình tự mồi $27\text{F}/1492\text{R}$ và tỷ lệ phối trộn $1\text{ lít}$ dịch vi khuẩn $10^9\text{ CFU/mL}$ hòa $9\text{ lít}$ nước cho $100\text{ kg}$ rác hữu cơ.

5. Chương trình nghiên cứu 10 năm tới được phác thảo như thế nào? Trả lời: Lộ trình 10 năm tập trung vào 3 trụ cột: (1) Ứng dụng giải mã toàn bộ hệ gen (WGS) loại bỏ các gen độc lực của Bacillus cereus; (2) Chuẩn hóa công nghệ sản xuất sinh khối công nghiệp quy mô pilot; (3) Thiết lập bản đồ ứng dụng phân bón hữu cơ vi sinh chuyên biệt cho các tiểu vùng sinh thái nông nghiệp tại Đồng bằng sông Cửu Long.

Kết luận

Luận án tiến sĩ của NCS. Mai Thi đã hoàn thành xuất sắc các mục tiêu nghiên cứu với 5 đóng góp học thuật và thực tiễn cốt lõi:

1. Phân lập thành công 213 dòng vi khuẩn bản địa có hoạt tính phân hủy cellulose, tinh bột và protein từ nguồn rác thải hữu cơ, nước rỉ rác và ruột Holotrichia parallela, Lumbricus terrestris tại Sóc Trăng.
2. Tuyển chọn và định danh bằng kỹ thuật sinh học phân tử hiện đại (giải trình tự 16S rRNA) 20 dòng vi khuẩn triển vọng nhất, xác định toàn bộ đều thuộc chi Bacillus với 8 loài/nhóm loài chủ chốt, đồng thời thiết lập cây phát sinh chủng loại di truyền và cấu trúc haplotype chi tiết.
3. Làm chủ quy trình công nghệ sinh học xử lý rác thải hữu cơ quy mô 2 tấn tại bãi rác Đại Ngãi, tạo ra phân hữu cơ vi sinh đáp ứng hoàn toàn tiêu chuẩn chất lượng Việt Nam TCVN 7185:2002.
4. Chứng minh hiệu quả ứng dụng thực tế của phân hữu cơ vi sinh tự chế tạo giúp cắt giảm 50% lượng phân bón hóa học vô cơ trên cây dưa leo (Cucumis sativus L.) mà vẫn bảo đảm đầy đủ các chỉ tiêu hình thái, chất lượng và năng suất quả.
5. Mở ra 3 hướng nghiên cứu mới: Khai thác vi sinh vật nội sinh côn trùng đất phục vụ công nghệ sinh học môi trường; phát triển chế phẩm vi sinh bản địa đa năng thay thế hàng nhập ngoại; và thiết lập mô hình nông nghiệp sinh thái tuần hoàn bền vững thích ứng với biến đổi khí hậu tại Việt Nam.

Trích đoạn nội dung tài liệu

Chương 1: Giới thiệu: 3 trang; + Chương 2: Tổng quan tài liệu: 19 trang; + Chương 3: Phương tiện và phương pháp nghiên cứu: 15 trang; + Chương 4: Kết quả và thảo luận: 48 trang; + Chương 5: Kết luận : 1 trang. - Phần cuối: + Tài liệu tham khảo: 11 trang; + Phụ lục: 40 trang. 3 CHƯƠNG 2: TỔNG QUAN TÀI LIỆU 2.1 Tình hình rác thải 2.1 Tình hình rác thải trên thế giới Trên thế giới, việc xử lý rác thải được các nước rất quan tâm và thực hiện một cách nghiêm ngặt phải đáp ứng các tiêu chuẩn đối với môi trường. Một số nước tiên tiến đã đưa ra các biện pháp tối ưu, áp dụng nhiều kỹ thuật khoa học tiên tiến để tái chế, tái sử dụng các loại rác thải thành sản phẩm có giá trị sử dụng thực tế.

Thêm vào đó, với sự phát triển của Công nghệ sinh học, đặc biệt là vi sinh vật học, các nhà nghiên cứu đã ứng dụng thành công nhiều vi sinh vật trong việc xử lý môi trường. Các loại vi sinh vật có khả năng tạo ra các hệ enzyme giúp chúng lên men phân hủy rác thải.2 Tình hình rác thải ở Việt Nam Theo báo cáo hiện trạng môi trường tỉnh Sóc Trăng (2016), ở Việt Nam, rác thải được xử lý bằng biện pháp đơn giản phổ biến là tái chế, đốt, chôn lấp hoặc ủ phân tùy loại rác. Các loại rác như nylon, bìa giấy, chai nhựa, …là các loại rác khó phân hủy được tái chế để dùng làm nguyên liệu cho quá trình sản xuất các sản phẩm giấy và nhựa thứ cấp, còn các loại rác vô cơ được tái chế thành vật liệu xây dựng nhẹ cấp thấp được dùng cho các công trình cảnh quan đô thị. Đối với những loại rác hữu cơ dễ phân hủy và đồng nhất thì thường được ủ phân làm phân bón hữu cơ dùng cho cây trồng.3 Tình hình rác thải ở Sóc Trăng Rác thải sinh hoạt tập trung chủ yếu tại thành phố Sóc Trăng, thị trấn và thị tứ thuộc các huyện trên địa bàn tỉnh và chiếm tỷ lệ khoảng 22% với khoảng 248,2 tấn/ngày.

Do còn nhiều khó khăn như thiếu kinh phí đầu tư, thiếu trang thiết bị thu gom và thiếu công nghệ xử lý nên vấn đề ô nhiễm môi trường từ rác thải diễn ra thường xuyên, tạo áp lực cho quá trình phát triển kinh tế - xã hội, ảnh hưởng xấu tới sức khỏe dân cư và mỹ quan đô thị. Rác thải thải sinh hoạt phát sinh từ nhiều nguồn khác nhau như đời sống của dân cư, các khu dịch vụ, các khu vực chợ, trung tâm thương mại, các địa điểm du lịch, các cơ sở tiểu thủ công nghiệp, hoạt động sản xuất nông nghiệp và các làng nghề. Tổng lượng rác thải sinh hoạt phát sinh trên địa bàn tỉnh khoảng hơn 6.258,3 tấn/năm và hơn 80% là rác hữu cơ dễ bị phân hủy (Bảng 2.1: Sự phát sinh và thu gom rác thải nông thôn ở tỉnh Sóc Trăng Dân số Chỉ số phát sinh Khối lượng Khối lượng Tỷ lệ thu Huyện, thị xã nông rác thải2 phát sinh3 thu gom4 gom5 thôn1 (kg/người/ngày) (tấn/ngày) (tấn/ngày) (%) Vĩnh Châu 78.375 0,3 27,7 1,0 3,6 Cù Lao Dung 55.584 0,3 16,7 0,6 3,6 Tổng cộng 52,2 21,0 Ghi chú: (1) Số liệu của Cục thống kê tỉnh Sóc Trăng, năm 2015; (2) Chỉ số phát sinh rác thải sinh hoạt nông thôn: Tính theo Báo cáo môi trường quốc gia Chất thải rắn, 2011; (3) Số liệu của Xí nghiệp quản lý công trình đô thị thị xã Vĩnh Châu; (4) Số liệu của Xí nghiệp quản lý công trình đô thị Thị xã Ngã Năm.2: Tổng hợp phân loại rác thải ở chợ trung tâm TP. Sóc Trăng Thành phần rác Mẫu phân loại Tỷ lệ tính trên giá trị trung bình (%) Mẫu 1 Mẫu 2 Mẫu 3 Giấy 15,0 20,0 23,0 0,42 Chai nhựa 12,0 18,0 12,0 0,30 Xương 10,0 22,0 20,0 0,37 Bọc nilon 280,6 439,4 432,4 8,26 Thủy tinh 10,0 16,0 15,0 0,29 Bao bì 15,0 18,0 22,0 0,39 CTNH 0,4 0,8 0,8 0,01 Rác hữu cơ (rau củ, trái cây hư,…) 3.020,8 100,00 Nguồn: Báo cáo hiện trạng môi trường chợ tỉnh Sóc Trăng 2016.3: Tổng hợp phân loại rác thải tại chợ thị trấn Mỹ Xuyên Mẫu phân loại Tỷ lệ tính trên Thành phần rác Mẫu 1 Mẫu 2 Mẫu 3 gía trị trung bình (%) Giấy 16,6 15,5 18,0 1,33 Chai nhựa 6,0 7,5 10,0 0,62 Xương 2,4 3,2 3,6 0,24 Bọc nilon 101,2 115,8 110,0 8,68 Thủy tinh 5,5 4,5 5,0 0,40 Bao bì 15,0 14,8 13,0 1,14 CTNH 0,6 0,8 0,6 0,05 Rác hữu cơ (rau củ, trái cây 1.286,2 100,00 Nguồn: Báo cáo hiện trạng môi trường chợ tỉnh Sóc Trăng 2016.4: Tổng hợp phân loại rác thải tại chợ thị trấn Trần Đề Mẫu phân loại Tỷ lệ tính trên Thành phần rác Mẫu 1 Mẫu 2 Mẫu 3 giá trị trung bình (%) Giấy 12.0 14,0 13,5 1,55 Chai nhựa 3,8 4,5 3,5 0,46 Xương 2,0 1,6 1,8 0,21 Bọc nilon 74,5 86,6 80,8 9,47 Thủy tinh 2,0 4,4 3,0 0,37 Bao bì 7,0 12,5 10,0 1,15 CTNH 0,4 0,5 0,4 0,05 Rác hữu cơ (rau củ, trái cây hư,…) 711,5 740,4 725,3 85,22 Lông (heo, gà, vịt), đầu tép 12,4 15,0 11,5 1,52 Tổng rác (kg) 825,6 879,5 849,8 100,00 Nguồn: Báo cáo hiện trạng môi trường chợ tỉnh Sóc Trăng 2016 Rác thải sinh hoạt từ nơi phát thải được thu gom và vận chuyển đến bãi rác Sóc Vồ, phường 7, thành phố Sóc Trăng, tỉnh Sóc Trăng để phân loại và xử lý.

Rác hữu cơ dễ phân hủy được xử lý bằng phương thức phun trực tiếp chế phẩm sinh học được các phòng Tài nguyên và Môi trường các huyện trong tỉnh Sóc Trăng cung cấp. Tuy nhiên công suất và hiệu quả xử lý từ các chế phẩm đó chưa đáp ứng được nhu cầu xử lý.2 Sự phân hủy chất thải hữu cơ 2.1 Sự phân hủy cellulose Cellulose là đơn vị cấu thành của sinh khối thực vật, được tìm thấy trong tự nhiên, nhiều nhất là vách tế bào thực vật. Cellulose trong sinh khối thực vật có thể chiếm 35-50% khối lượng khô (Lynd et al. Cellulose là một chất đa phân tử có thể có đến 10.000 đơn phân β-D-glucose, nối với nhau bằng 6 cầu nối β-1,4-glycoside tạo thành chuỗi thẳng, nhóm hydroxyl của chuỗi thứ nhất tạo liên kết hydro với phân tử oxy của chuỗi bên cạnh, sự liên kết chặt chẽ giữa những chuỗi bên cạnh nhau hình thành cấu trúc tinh thể (crystalline) chắc chắn, rất khó phân hủy.

Vì cấu trúc mạng lưới vững chắc nên không có một enzyme đơn lẻ nào có thể phân hủy hoàn toàn mà phải có sự phối hợp của một hệ thống enzyme (Nguyễn Lân Dũng và ctv. Theo Nguyễn Đức Lượng và ctv. (2004), một phân tử cellulose có cấu trúc không đồng đều gồm vùng kết tinh và vùng vô định hình. Đối với vùng kết tinh, cellulose có cấu trúc trật tự rất cao và rất bền vững.

Endoglucanase chỉ có tác dụng trên bề mặt hệ sợi này. Còn đối với vùng vô định hình, cellulose có cấu trúc không bền và dễ bị tác động bởi các yếu tố bên ngoài. Exoglucanase có thể phân hủy vùng này dễ dàng và làm thay đổi toàn bộ cấu trúc phân tử cellulose (Hình 2. Cellulose được phân hủy hoàn toàn nhờ sự phối hợp của các loại cellulase khác nhau gồm endoglucanase (1,4-β-D-glucan-4 glucanohydrolase), exoglucanase (1,4-β-D-glucan glucohydrolase) và cellobiase (β-glucosidase) (Teeri, 1997).

Trong đó, endoglucanase chứa 418 acid amine, có trọng lượng phân tử 42-49 kDa, chúng tham gia phân hủy một cách ngẫu nhiên các liên kết β-1,4-glycoside trong phân tử cellulose để tạo ra các đoạn oligosaccharide có chiều dài khác nhau. Exoglucanase cắt đầu không khử của chuỗi cellulose để tạo thành cellobiose và giải phóng từng đơn vị glucose hoặc cellobiose. Trọng lượng phân tử của enzyme này từ 53-75 kDa. Enzyme cellobiase có trọng lượng phân tử khoảng 50-98 kDa, họat động ở pH 4,4-4,8, phân cắt cellobiose thành glucose (Saha et al.1: Sự phân cắt cellulose bởi enzyme cellulase Nguồn: Saha et al.2 Sự phân hủy tinh bột Tinh bột là chất rắn vô định hình, màu trắng, không tan trong nước nguội; trong nước nóng từ 65oC trở lên tinh bột chuyển thành hồ tinh bột.

Tinh bột có nhiều trong các loại hạt (gạo, mì, bắp…), củ (khoai, sắn, …) và quả (táo, chuối,…). Tinh bột gồm hai đại phân tử là amylose và amylopectin. Cả hai đều có công thức phân tử là (C6H10O5)n trong đó C6H10O5 là gốc α-D- glucose và n nằm trong khoảng 1000-4000 đối với amylose và 2000-20.000 đối với amylopectin. Phân tử amylose gồm các gốc α-D-glucose nối với nhau bởi liên kết α-1,4-glicosidic tạo thành một chuỗi dài không phân nhánh và xoắn thành hình lò xo trong khi amylopectin có cấu trúc phân nhánh do sự liên kết giữa C1 của chuỗi này với C6 của chuỗi kia qua nguyên tử O (gọi là liên kết α-1,6-glycoside) (French, 1973).2: Cấu trúc phân tử amylose và amylopectin Nguồn: French (1973) Theo Marc et al.

Enzyme phân cắt nhánh cắt những liên kết α-1,6-glycoside tạo thành các chuỗi dextrin mạch thẳng. Endoamylase hay α-amylase phân cắt ngẫu các liên kết α-1,4-glycoside bên trong phân tử amylose và amylopectin giải phóng hỗn hợp các sản phẩm gồm các oligosaccharides, maltose và α-D- glucose. Các sản phẩm từ quá trình phân cắt của α-amylase tiếp tục được phân cắt bởi exoamylase, là enzyme cũng hoạt động trên liên kết α-1,4-glycoside. Trong quá trình phân cắt của các exoenzyme, β-amylase chỉ phân cắt liên kết α-1,4-glycoside để tạo thành các sản phẩm như maltose và β-dextrin.

Enzyme 8 γ-amylase và α-glucosidase phân cắt cả hai liên kết α-1,4-glycoside và α-1,6- glycoside giải phòng ß-D-glucose. Sự hoạt động của transferase gồm có tạo liên kết α-1,6-glycoside giữa các dextrin bởi enzyme tạo nhánh (α-1,6- transferase), tạo cyclodextrin hoặc dextrin bởi α-1,4-transferase (cyclodextrin glycosyltransferase và amylomaltase). Sự hoạt động của transferase thực chất là phá vỡ liên kết α-1,4-glycoside và thiết lập lại liên kết khác để tạo thành những sản phẩm chuyển hóa (Hình 2.3: Cơ chế phân hủy tinh bột Nguồn: Marc et al.3 Sự phân hủy protein Protein là những polypeptide có trọng lượng phân tử lớn, đóng vai trò quan trọng về chức năng và cấu trúc của tế bào sinh vật. Protein có thể cấu tạo từ một hay nhiều chuỗi amino acid gọi là polypeptide.

Các acid amin trong chuỗi polypeptide liên kết bền vững với nhau thông qua liên kết peptide. Trong tự nhiên có khoảng 20 acid amin tham gia phản ứng ngẫu nhiên tạo thành các chuỗi polypeptide nên polypeptide rất đa dạng kéo theo sự đa dạng của protein (Hình 2. Các acid amin của cùng hoặc khác chuỗi polypeptide cũng có thể liên kết với nhau qua các liên kết như liên kết hydro, liên kết ion và liên kết disulfide làm cho phân tử protein có cấu trúc đa dạng (Hình 2. Một số loại protein như myoglobin và hemoglobin có nhóm heme trong cấu trúc bậc 3 hoặc bậc 4 cho phép các phân tử oxy bám vào (Hình 2.4: Sự hình thành chuỗi polypeptide Nguồn: www.5: Cấu trúc của protein Nguồn: https://commons.