Nghiên Cứu Màng Bao Kết Hợp Vi Khuẩn Phân Giải Lân Tạo Phân Bón Vô Cơ Tan Chậm

Phân bón vô cơ là nguồn cung cấp dinh dưỡng thiết yếu cho cây trồng, đặc biệt là lân dễ tiêu. 167 trang · Trường Đại Học Nông Lâm Thành Phố Hồ Chí Minh · 2023.

• Tác giả: Bùi Đoàn Phượng Linh
• Người hướng dẫn: PGS. Huỳnh Thanh Hùng
• Trường học: Trường Đại Học Nông Lâm Thành Phố Hồ Chí Minh
• Chuyên ngành: Công Nghệ Sinh Học
• Đề tài: Nghiên Cứu Phân Bón Vô Cơ Tan Chậm Kết Hợp Vi Khuẩn Phân Giải Lân Cho Cây Trồng
• Loại tài liệu: Luận Án Tiến Sĩ
• Năm xuất bản: 2023
• Địa điểm: Thành Phố Hồ Chí Minh

Mục lục chi tiết

• Lời cảm ơn
• Lời cam đoan
• Danh sách chữ viết tắt
• Danh sách các bảng
• Danh sách các hình
• Tính cấp thiết của đề tài
• Mục tiêu nghiên cứu của đề tài
• Thời gian và địa điểm nghiên cứu
• Đối tượng nghiên cứu của đề tài
• Giới hạn phạm vi nghiên cứu của đề tài
• Nội dung nghiên cứu của đề tài
• Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài
• Tính mới của luận án
• 1. CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN TÀI LIỆU
• 1.1. Khái niệm và đặc điểm của phân bón vô cơ
• 1.1.1. Tính tan và yêu cầu của phân bón vô cơ
• 1.1.2. Phân loại phân bón vô cơ
• 1.1.3. Tác động của việc sử dụng phân bón vô cơ đến môi trường và sức khỏe
• 1.2. Polymer phân hủy sinh học sử dụng làm màng bao phân bón
• 1.2.1. Phân hủy sinh học và polymer phân hủy sinh học
• 1.2.2. Phân loại polymer phân hủy sinh học sử dụng làm màng bao phân tan chậm
• 1.2.2.1. Polymer tự nhiên hoặc polymer tự nhiên đã được cải biến
• 1.2.2.2. Phức hợp các polymer tự nhiên
• 1.2.2.3. Polymer tổng hợp có nguồn gốc sinh học hoặc tự nhiên
• 1.2.2.4. Phức hợp của polymer tổng hợp và polymer tự nhiên
• 1.2.2.5. Hỗn hợp các hydrocarbon tự nhiên
• 1.2.2.6. Polymer tổng hợp từ phức hợp các hydrocarbon tự nhiên
• 1.3. Lân trong đất và vi sinh vật phân giải lân
• 1.3.1. Các dạng lân trong đất và vai trò của lân đối với cây trồng
• 1.3.2. Vai trò của vi sinh vật phân giải lân
• 1.3.3. Sự chuyển hóa lân hữu cơ nhờ vi sinh vật
• 1.3.4. Sự chuyển hóa lân vô cơ nhờ vi sinh vật
• 1.4. Tổng quan về cố định tế bào vi sinh vật
• 1.4.1. Các phương pháp cố định tế bào
• 1.4.1.1. Phương pháp cố định tế bào trên bề mặt chất mang rắn
• 1.4.1.2. Phương pháp cố định tế bào bằng cách nhốt tế bào trong gel
• 1.4.1.3. Phương pháp cố định tế bào bằng cách keo tụ tế bào
• 1.4.1.4. Phương pháp cố định tế bào bằng cách nhốt tế bào trong hệ sợi
• 1.4.1.5. Phương pháp cố định tế bào bằng cách tạo vi nang
• 1.4.2. Ưu, nhược điểm của tế bào cố định
• 1.5. Phân bón tan chậm
• 1.5.1. Ưu điểm và nhược điểm của phân bón tan chậm
• 1.5.2. Phân biệt một số loại phân bón tan chậm
• 1.5.3. Phân bọc tan chậm (CRFs)
• 1.5.3.1. Cấu tạo phân bọc tan chậm và cơ chế phóng thích chất dinh dưỡng của phân bọc tan chậm
• 1.5.3.2. Tiêu chí đánh giá phân bọc tan chậm
• 1.6. Tổng quan về các nguyên liệu chính dùng tổng hợp màng bao phân tan chậm kết hợp vi khuẩn phân giải lân phân
• 1.7. Tình hình nghiên cứu phân bón tan chậm và phân bón tan chậm kết hợp vi sinh vật
• 1.7.1. Tình hình nghiên cứu phân bón tan chậm và phân bón tan chậm kết hợp vi sinh vật ở trên thế giới
• 1.7.2. Tình hình nghiên cứu phân bón tan chậm và phân bón tan chậm kết hợp vi sinh vật ở Việt Nam
• 2. CHƯƠNG 2: VẬT LIỆU VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU
• 2.1. Phương pháp nghiên cứu
• 2.1.1. Nội dung 1: Phân lập, tuyển chọn chủng vi khuẩn phân giải lân vô cơ khó tan và khảo sát điều kiện tối ưu tạo vi hạt calcium sodium alginate
• 2.1.1.1. Phân lập, tuyển chọn chủng vi khuẩn phân giải lân từ đất trên môi trường thạch đĩa
• 2.1.1.2. Định danh chủng vi khuẩn
• 2.1.1.3. Khảo sát ảnh hưởng của nồng độ sodium alginate đến kích thước vi hạt calcium sodium alginate
• 2.1.1.4. Khảo sát ảnh hưởng của nồng độ calcium chloride đến kích thước vi hạt calcium sodium alginate
• 2.1.1.5. Khảo sát ảnh hưởng của khối lượng phân tử sodium alginate đến kích thước vi hạt calcium sodium alginate
• 2.1.2. Nội dung 2: Tổng hợp màng polymer phân hủy sinh học
• 2.1.2.1. Tạo màng PVA và màng CMC
• 2.1.2.2. Tạo màng polymer bởi sự kết hợp giữa CMC với PVA, urea và glycerol
• 2.1.2.3. Khảo sát khả năng phân hủy sinh học của màng tạo bởi CMC kết hợp với PVA, urea và glycerol
• 2.1.2.4. Khảo sát mức độ hấp thụ nước của màng CMC kết hợp với PVA, urea và glycerol chứa và không chứa vi hạt calcium sodium alginate
• 2.1.3. Nội dung 3: Cố định vi khuẩn phân giải lân trong vi hạt calcium sodium alginate
• 2.1.3.1. Khảo sát ảnh hưởng của thời gian nuôi cấy đến nhân sinh khối vi khuẩn
• 2.1.3.2. Cố định tế bào vi khuẩn phân giải lân và và xác định mật số vi khuẩn trong vi hạt calcium sodium alginate
• 2.1.3.3. Xác định hoạt tính phân giải lân của vi khuẩn được cố định trong vi hạt calcium sodium alginate
• 2.1.3.4. Khảo sát khả năng tạo màng của chitosan và khả năng bảo vệ vi khuẩn trong vi hạt calcium sodium alginate
• 2.1.4. Nội dung 4: Tạo chế phẩm phân tan chậm kết hợp vi khuẩn phân giải lân và bước đầu thử nghiệm phân bón cho cây trồng
• 2.1.4.1. Tạo màng bao bởi các loại polymer và khảo sát quá trình tan theo thời gian của phân trong nước
• 2.1.4.2. Đánh giá khả năng tồn tại của vi khuẩn phân giải lân trên màng bao phân vô cơ tan chậm theo thời gian
• 2.1.4.3. Chọn lọc chủng vi khuẩn phân giải lân có khả năng chịu được nồng độ muối cao
• 2.1.4.4. So sánh hoạt tính phân giải lân của vi khuẩn tự do, vi khuẩn cố định trên màng tạo bởi PVA, CMC, urea và glycerol
• 2.1.4.5. Phân tích hình thái bề mặt viên phân tan chậm bằng kính hiển vi điện tử quét (SEM)
• 2.1.4.6. Khảo sát khả năng phóng thích chất dinh dưỡng của phân tan chậm kết hợp vi khuẩn phân giải lân trong mô hình mô phỏng điều kiện tự nhiên
• 2.1.4.7. Đánh giá mức độ phân hủy sinh học của màng bao phân tan chậm
• 2.1.4.8. Ứng dụng thử nghiệm phân bón tan chậm kết hợp vi khuẩn phân giải lân cho cây trồng trong nhà lưới
• 2.2. Phương pháp xử lý số liệu
• 3. CHƯƠNG 3: KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN
• 3.1. Nội dung 1: Phân lập, tuyển chọn chủng vi khuẩn phân giải lân vô cơ khó tan và khảo sát điều kiện tối ưu tạo vi hạt calcium sodium alginate
• 3.1.1. Kết quả phân lập vi khuẩn chuyển hóa lân vô cơ khó tan
• 3.1.2. Kết quả đánh giá hoạt tính phân giải lân vô cơ khó tan của vi khuẩn dựa trên đường kính vòng phân giải
• 3.1.3. Định danh chủng vi khuẩn phân giải lân vô cơ khó tan
• 3.1.4. Khảo sát điều kiện tối ưu tạo vi hạt cố định calcium sodium alginate
• 3.1.4.1. Ảnh hưởng của nồng độ sodium alginate đến kích thước vi hạt cố định
• 3.1.4.2. Ảnh hưởng của nồng độ calcium chloride đến kích thước vi hạt cố định
• 3.1.4.3. Ảnh hưởng của khối lượng phân tử sodium alginate đến kích thước vi hạt cố định
• 3.2. Nội dung 2: Tổng hợp màng polymer phân hủy sinh học
• 3.2.1. Độ bền cơ lý của màng PVA và màng CMC
• 3.2.2. Tỷ lệ CMC kết hợp với PVA, urea và glycerol để tạo màng
• 3.2.3. Khả năng phân hủy sinh học của màng CMC kết hợp với PVA, urea và glycerol
• 3.2.4. Mức độ hấp thụ nước của màng CMC kết hợp với PVA, urea và glycerol chứa và không chứa hạt calcium sodium alginate
• 3.3. Nội dung 3: Cố định vi khuẩn phân giải lân trong vi hạt calcium sodium alginate
• 3.3.1. Ảnh hưởng của thời gian nuôi cấy đến quá trình nhân sinh khối vi khuẩn
• 3.3.2. Mật số vi khuẩn trong vi hạt calcium sodium alginate
• 3.3.3. Khả năng tạo màng của chitosan và khả năng bảo vệ vi khuẩn trong vi hạt calcium sodium alginate
• 3.4. Nội dung 4: Tạo chế phẩm phân tan chậm kết hợp vi khuẩn phân giải lân và bước đầu thử nghiệm phân bón cho cây trồng
• 3.4.1. Mức độ tan trong nước theo thời gian của phân tan chậm tạo bởi các lớp màng bao
• 3.4.2. Khả năng tồn tại của vi khuẩn PSM57 trên màng bao phân tan chậm theo thời gian
• 3.4.3. Chọn lọc chủng vi khuẩn phân giải lân có khả năng chịu được nồng độ muối cao
• 3.4.4. Định danh chủng vi khuẩn phân giải lân có khả năng chịu được nồng độ muối cao
• 3.4.5. Thời gian nhân sinh khối tối ưu của chủng vi khuẩn phân giải lân có khả năng chịu được nồng độ muối cao
• 3.4.6. So sánh hoạt tính phân giải lân của vi khuẩn tự do, vi khuẩn cố định trên màng tạo bởi PVA, CMC, urea và glycerol
• 3.4.7. Khả năng tồn tại của vi khuẩn PSM 54 trên màng bao phân tan chậm theo thời gian
• 3.4.8. Khả năng phóng thích dinh dưỡng của phân tan chậm kết hợp vi khuẩn phân giải lân trong mô hình mô phỏng điều kiện tự nhiên
• 3.4.9. Khả năng phân hủy sinh học của màng bao phân vô cơ tan chậm kết hợp vi khuẩn phân giải lân theo thời gian
• 3.4.10. Ứng dụng thử nghiệm phân bón tan chậm kết hợp vi khuẩn phân giải lân cho cây trồng trong điều kiện nhà lưới
• 3.4.10.1. Ảnh hưởng của phân vô cơ tan chậm đến chiều cao thân chính của cây đậu phộng
• 3.4.10.2. Ảnh hưởng của phân vô cơ tan chậm đến số cành trên cây đậu phộng
• 3.4.10.3. Ảnh hưởng của phân vô cơ tan chậm đến khả năng hình thành nốt sần của đậu phộng
• 3.4.10.4. Ảnh hưởng của phân vô cơ tan chậm đến các yếu tố cấu thành năng suất của đậu phộng
• KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ
• TÀI LIỆU THAM KHẢO

Tóm tắt

I. Nghiên Cứu Tổng Quan Phân Bón Vô Cơ Tan Chậm và Vi Khuẩn

Phân bón vô cơ là nguồn cung cấp dinh dưỡng thiết yếu cho cây trồng, đặc biệt là lân dễ tiêu. Tuy nhiên, việc sử dụng phân bón vô cơ truyền thống có thể gây ra nhiều vấn đề như thất thoát dinh dưỡng, ô nhiễm môi trường và hiệu quả sử dụng không cao. Phân bón tan chậm được xem là giải pháp khắc phục nhược điểm này, giúp kiểm soát quá trình giải phóng dinh dưỡng, tăng hiệu quả sử dụng phân bón và giảm thiểu tác động tiêu cực đến môi trường. Hơn nữa, việc kết hợp vi khuẩn phân giải lân vào phân bón còn giúp chuyển hóa lân khó tiêu trong đất thành dạng dễ tiêu, tăng khả năng hấp thụ dinh dưỡng của cây. Nghiên cứu này sẽ tổng quan về tình hình nghiên cứu và ứng dụng công nghệ phân bón kết hợp vi sinh vật hữu ích trong nông nghiệp bền vững.

1.1. Tổng quan về Phân Bón Vô Cơ và Tầm Quan Trọng

Phân bón vô cơ, đặc biệt là phân bón phosphate, đóng vai trò quan trọng trong việc cung cấp các chất dinh dưỡng thiết yếu cho cây trồng. Các loại phân lân như MAP và DAP là nguồn cung cấp lân dễ tiêu phổ biến. Tuy nhiên, cần xem xét kỹ tác động của hiệu quả phân bón và ảnh hưởng tới môi trường. Việc sử dụng phân bón vô cơ hiệu quả là yếu tố then chốt để đạt được năng suất cao và chất lượng sản phẩm tốt. Theo nghiên cứu, cần có giải pháp để tăng cường khả năng sử dụng hiệu quả các loại phân bón hiện có.

1.2. Giới thiệu về Vi Khuẩn Phân Giải Lân và Cơ Chế Hoạt Động

Vi khuẩn phân giải lân là nhóm vi sinh vật hữu ích có khả năng chuyển hóa lân khó tiêu trong đất thành dạng lân dễ tiêu, giúp cây trồng hấp thụ dễ dàng hơn. Cơ chế phân giải lân của vi khuẩn bao gồm quá trình hòa tan phosphate bằng cách tiết ra các axit hữu cơ và enzyme phosphatase. Việc ứng dụng vi khuẩn phân giải lân trong nông nghiệp giúp giảm sự phụ thuộc vào phân bón vô cơ, giảm thiểu ô nhiễm môi trường và thúc đẩy giải pháp nông nghiệp bền vững.

II. Thách Thức Sử Dụng Phân Lân Truyền Thống Cho Cây Trồng

Việc sử dụng phân lân truyền thống thường gặp phải nhiều thách thức, bao gồm sự cố định lân trong đất, gây thất thoát dinh dưỡng và giảm hiệu quả phân bón. Một lượng lớn lân bón vào đất bị chuyển đổi thành các dạng lân khó tiêu, không thể hấp thụ bởi cây trồng. Điều này dẫn đến lãng phí tài nguyên, tăng chi phí sản xuất và gây ra các vấn đề về ô nhiễm môi trường. Để giải quyết vấn đề này, cần có các giải pháp công nghệ phân bón tiên tiến giúp tăng khả năng hấp thụ lân của cây và giảm thiểu sự thất thoát dinh dưỡng. Việc nghiên cứu phân bón thông minh trở nên cấp thiết.

2.1. Sự Cố Định Lân trong Đất và Ảnh Hưởng đến Cây Trồng

Sự cố định lân trong đất là một quá trình phức tạp, trong đó lân phản ứng với các ion kim loại như sắt, nhôm và canxi, tạo thành các hợp chất lân khó tiêu. Quá trình này làm giảm khả năng dinh dưỡng cây trồng, gây ra hiện tượng thiếu lân và ảnh hưởng đến sự phát triển của cây trồng. Cần có các biện pháp quản lý đất và bón phân hợp lý để giảm thiểu sự cố định lân và tăng năng suất cây trồng.

2.2. Ô Nhiễm Môi Trường Do Sử Dụng Phân Lân Quá Mức

Việc sử dụng phân lân quá mức có thể gây ra ô nhiễm môi trường, đặc biệt là ô nhiễm nguồn nước do rửa trôi lân. Sự tích tụ lân trong nước có thể dẫn đến hiện tượng phú dưỡng, gây ảnh hưởng tiêu cực đến hệ sinh thái thủy sinh. Cần có các quy định và biện pháp kiểm soát việc sử dụng phân bón, đồng thời khuyến khích sử dụng các loại phân bón thân thiện với môi trường như phân bón tan chậm kết hợp vi sinh vật.

2.3. Khó khăn trong việc tối ưu hóa hiệu quả bón phân lân truyền thống

Việc tối ưu hóa hiệu quả phân bón lân truyền thống gặp nhiều khó khăn do sự phụ thuộc vào nhiều yếu tố như loại đất, điều kiện thời tiết và giống cây trồng. Để đạt được hiệu quả cao, cần phải có kiến thức chuyên môn và kinh nghiệm trong việc lựa chọn loại phân bón phù hợp, xác định liều lượng và thời điểm bón phân thích hợp. Nghiên cứu nông nghiệp cần tập trung vào các giải pháp bón phân thông minh và hiệu quả hơn.

III. Phương Pháp Tạo Phân Bón Vô Cơ Tan Chậm Kết Hợp Vi Khuẩn

Nghiên cứu này tập trung vào phương pháp tạo phân bón vô cơ tan chậm bằng cách sử dụng màng bao polymer phân hủy sinh học kết hợp với vi khuẩn phân giải lân. Quá trình này bao gồm việc lựa chọn và phân lập vi khuẩn phân giải lân, cố định vi khuẩn trong vi hạt, tổng hợp màng polymer phân hủy sinh học và bọc phân bón bằng màng polymer chứa vi khuẩn. Sản phẩm phân bón tạo ra có khả năng giải phóng dinh dưỡng từ từ, đồng thời cung cấp vi sinh vật hữu ích cho đất, giúp tăng khả năng hấp thụ lân của cây trồng. Việc sử dụng công nghệ phân bón này mang lại nhiều lợi ích về kinh tế và môi trường.

3.1. Phân lập và tuyển chọn các chủng Vi Khuẩn Phân Giải Lân hiệu quả

Quá trình phân lập và tuyển chọn vi khuẩn phân giải lân là bước quan trọng để đảm bảo hiệu quả của phân bón. Các chủng vi khuẩn được phân lập từ các mẫu đất khác nhau, sau đó được đánh giá khả năng phân giải lân trên môi trường chọn lọc. Các chủng có hoạt tính cao được lựa chọn để tiếp tục nghiên cứu và ứng dụng. Nghiên cứu của Bùi Đoàn Phượng Linh đã phân lập được 60 chủng vi khuẩn có khả năng chuyển hóa lân vô cơ khó tan, trong đó có 3 chủng chịu được nồng độ muối cao.

3.2. Cố Định Vi Khuẩn Phân Giải Lân trong Vi Hạt và Màng Bao

Việc cố định vi khuẩn phân giải lân trong vi hạt và màng bao giúp bảo vệ vi khuẩn khỏi các yếu tố bất lợi của môi trường, đồng thời tăng khả năng tồn tại và hoạt động của vi khuẩn trong đất. Phương pháp cố định bao gồm việc nhốt vi khuẩn trong gel alginate hoặc sử dụng màng polymer. Vi hạt và màng bao chứa vi khuẩn được trộn vào phân bón vô cơ và bọc lại bằng màng polymer phân hủy sinh học. Cần lựa chọn kỹ vật liệu để bảo vệ vi sinh vật hữu ích.

3.3. Tổng Hợp Màng Polymer Phân Hủy Sinh Học cho Phân Bón Tan Chậm

Màng polymer phân hủy sinh học đóng vai trò quan trọng trong việc kiểm soát quá trình giải phóng dinh dưỡng của phân bón tan chậm. Các loại polymer thường được sử dụng bao gồm polyurethane, bentonite, CMC, PVA, paraffin và sodium alginate. Việc lựa chọn polymer phù hợp phụ thuộc vào tốc độ phân hủy mong muốn, khả năng giữ nước và khả năng tương thích với vi khuẩn phân giải lân. Màng polymer cần phải có độ bền cơ học tốt và khả năng bảo vệ phân bón khỏi các tác động vật lý.

IV. Ứng Dụng Thực Tế Hiệu Quả Của Phân Bón Mới Trên Cây Trồng

Nghiên cứu đã thử nghiệm phân bón tan chậm kết hợp vi khuẩn phân giải lân trên cây trồng cạn như đậu phộng trong điều kiện nhà lưới. Kết quả cho thấy phân bón có ảnh hưởng tốt đến sự phát triển chiều cao cây, số cành trên cây, khả năng hình thành nốt sần và các yếu tố cấu thành năng suất của cây trồng. Đặc biệt, khi sử dụng công thức phân bón với lượng phân tan chậm chỉ bằng 60% - 80% so với lượng phân bón thông thường, vẫn cho hiệu quả tương đương. Điều này chứng minh tiềm năng của phân bón mới trong việc giảm chi phí sản xuất và bảo vệ môi trường. Cần có thêm các nghiên cứu nông nghiệp khác để khẳng định hiệu quả.

4.1. Thử Nghiệm Phân Bón Tan Chậm trên Cây Đậu Phộng trong Nhà Lưới

Việc thử nghiệm phân bón tan chậm kết hợp vi khuẩn phân giải lân trên cây đậu phộng trong nhà lưới giúp đánh giá hiệu quả của phân bón trong điều kiện kiểm soát. Các chỉ tiêu theo dõi bao gồm chiều cao cây, số cành, số lá, số hoa, số quả, năng suất và chất lượng hạt. Kết quả cho thấy phân bón có ảnh hưởng tích cực đến các chỉ tiêu này, chứng tỏ khả năng cải thiện dinh dưỡng cây trồng và tăng năng suất cây trồng.

4.2. Ảnh Hưởng Của Phân Bón đến Sự Phát Triển và Năng Suất Cây Trồng

Phân bón tan chậm kết hợp vi khuẩn phân giải lân giúp cung cấp dinh dưỡng cho cây trồng một cách từ từ và liên tục, giảm thiểu sự thất thoát dinh dưỡng và tăng khả năng hấp thụ của cây trồng. Vi khuẩn phân giải lân giúp chuyển hóa lân khó tiêu trong đất thành dạng lân dễ tiêu, tăng khả năng tiếp cận lân của cây trồng. Điều này dẫn đến sự phát triển tốt hơn của cây trồng và tăng năng suất cây trồng.

V. Kết Luận và Hướng Phát Triển Nghiên Cứu Phân Bón Tương Lai

Nghiên cứu đã thành công trong việc tạo ra phân bón vô cơ tan chậm kết hợp vi khuẩn phân giải lân bằng cách sử dụng màng bao polymer phân hủy sinh học. Phân bón mới có tiềm năng ứng dụng rộng rãi trong nông nghiệp bền vững, giúp tăng hiệu quả phân bón, giảm chi phí sản xuất và bảo vệ môi trường. Hướng phát triển của nghiên cứu bao gồm việc tối ưu hóa công thức phân bón, thử nghiệm trên nhiều loại cây trồng khác nhau và đánh giá tác động của phân bón đến sinh học đất. Cần có sự hợp tác giữa các nhà khoa học, doanh nghiệp và nông dân để đưa công nghệ phân bón mới vào thực tiễn sản xuất. Cần tập trung vào phân bón phosphate hiệu quả.

5.1. Tóm Tắt Kết Quả Nghiên Cứu và Đóng Góp Khoa Học

Nghiên cứu đã đóng góp vào lĩnh vực công nghệ phân bón bằng việc phát triển một phương pháp mới để tạo phân bón vô cơ tan chậm kết hợp vi khuẩn phân giải lân. Kết quả nghiên cứu cung cấp cơ sở khoa học cho việc ứng dụng vi sinh vật hữu ích trong nông nghiệp, đồng thời mở ra hướng đi mới trong việc phát triển các loại phân bón thân thiện với môi trường và hiệu quả. Bùi Đoàn Phượng Linh đã có những đóng góp quan trọng trong lĩnh vực này.

5.2. Hướng Phát Triển Nghiên Cứu và Ứng Dụng Phân Bón trong Tương Lai

Hướng phát triển của nghiên cứu bao gồm việc tối ưu hóa công thức màng bao, lựa chọn các chủng vi khuẩn phân giải lân có hoạt tính cao hơn, thử nghiệm trên nhiều loại cây trồng khác nhau và đánh giá tác động của phân bón đến sinh học đất. Cần có sự phối hợp chặt chẽ giữa các nhà khoa học, doanh nghiệp và nông dân để đưa công nghệ phân bón mới vào thực tiễn sản xuất, góp phần vào sự phát triển của nông nghiệp bền vững. Cần xem xét giải pháp nông nghiệp bền vững và giảm thiểu ô nhiễm môi trường.

Nội dung chính

Tổng quan luận án

Tình trạng lạm dụng phân bón vô cơ trong canh tác nông nghiệp hiện nay dẫn đến hiệu suất sử dụng dinh dưỡng của cây trồng không cao do quá trình hòa tan nhanh, rửa trôi, bay hơi và hiện tượng cố định chất dinh dưỡng vào đất (Naz và Sulaiman, 2016). Đặc biệt, đối với phân lân, có tới hơn 80% lượng phân bón vào đất bị cố định bởi các phức hợp kim loại – cation, chuyển hóa thành dạng khó tiêu hoặc bị rửa trôi gây hiện tượng phú dưỡng nguồn nước và gia tăng chi phí sản xuất (Sharpley, 1995; Gyaneshwar và ctv, 2002; Syers và ctv, 2011). Để giải quyết vấn đề này, việc nghiên cứu màng bao kiểm soát tốc độ phóng thích chất dinh dưỡng kết hợp với vi sinh vật có khả năng chuyển hóa lân khó tiêu thành dạng dễ hấp thu là một hướng tiếp cận cần thiết. Tuy nhiên, tại Việt Nam, các nghiên cứu chế tạo phân bón vô cơ tan chậm (Controlled Release Fertilizers - CRFs) còn ít, phần lớn sản phẩm thương mại phải nhập khẩu. Khoảng trống nghiên cứu lớn nhất được tác giả xác định là sự kết hợp đồng thời giữa khả năng phóng thích dinh dưỡng có kiểm soát và hoạt động của vi sinh vật trong cùng một sản phẩm phân bón, đặc biệt là phương pháp duy trì mật số và kéo dài thời gian sống của vi khuẩn trên lớp vỏ bọc polymer.

Luận án tiến sĩ chuyên ngành Công nghệ sinh học (Mã số: 9.01) của nghiên cứu sinh Bùi Đoàn Phượng Linh, thực hiện dưới sự hướng dẫn của PGS. Huỳnh Thanh Hùng và TS. Nguyễn Ngọc Hà tại Trường Đại học Nông Lâm Thành phố Hồ Chí Minh (năm 2023), hướng đến các mục tiêu và nội dung nghiên cứu cụ thể:

• Mục tiêu nghiên cứu: Tạo được phân vô cơ tan chậm với màng bao tạo bởi polymer phân hủy sinh học có kết hợp vi khuẩn phân giải lân vô cơ khó tan và bước đầu thử nghiệm hiệu quả trên cây trồng cạn ở điều kiện nhà lưới.
• Nội dung nghiên cứu (được đánh số theo văn bản):
  1. Nội dung 1: Phân lập, tuyển chọn chủng vi khuẩn phân giải lân vô cơ khó tan và khảo sát điều kiện tối ưu tạo vi hạt calcium sodium alginate.
  2. Nội dung 2: Tổng hợp màng polymer phân hủy sinh học.
  3. Nội dung 3: Cố định vi khuẩn phân giải lân trong vi hạt calcium sodium alginate.
  4. Nội dung 4: Tạo chế phẩm phân tan chậm kết hợp vi khuẩn phân giải lân và bước đầu thử nghiệm phân bón cho cây trồng.
• Đối tượng nghiên cứu:
  • Vật liệu tạo màng bao: Polyurethane, bentonite, carboxymethyl cellulose (CMC), polyvinyl alcohol (PVA), sodium alginate, paraffin, urea và glycerol.
  • Chủng vi sinh vật: Các chủng vi khuẩn có khả năng chuyển hóa lân vô cơ khó tan được phân lập từ các mẫu đất tại Đồng Nai (Xuân Lộc, Nhơn Trạch, Long Khánh), Thành phố Hồ Chí Minh (Thủ Đức, Cần Giờ) và Long An.
  • Cây trồng thử nghiệm: Cây đậu phộng (Arachis hypogaea L.).
• Phạm vi nghiên cứu:
  • Không gian: Phòng thí nghiệm Bộ môn Sinh học (Trường Đại học Đồng Nai), Viện Nghiên cứu Công nghệ Sinh học và Môi trường (Trường Đại học Nông Lâm TP.HCM), Phòng Công nghệ Sinh học Vật liệu và Nano (Trung tâm Công nghệ Sinh học TP.HCM) và cơ sở vật chất của Công ty Cổ phần Phân bón Dầu khí Cà Mau. Thử nghiệm sinh học thực hiện ở điều kiện nhà lưới.
  • Thời gian: Từ tháng 5/2017 đến tháng 8/2022.
  • Giới hạn kỹ thuật: Lõi phân vô cơ sử dụng là phân diammonium phosphate (DAP Đình Vũ: 16% N - 45% $\text{P}_2\text{O}_5$); nghiên cứu tập trung vào sự phóng thích đạm và lân theo thời gian cùng khả năng sống sót của vi khuẩn trên màng bao tối đa 60 ngày.

Tổng quan tài liệu và vị trí của luận án

Tổng quan tài liệu của luận án được hệ thống hóa qua các nhóm công trình nghiên cứu trong và ngoài nước:

1. Nghiên cứu về phân bón vô cơ và tác động môi trường: Các công trình của La Văn Bình và Trần Thị Hiền (2007), Savci (2012), Han và ctv (2016), Roba (2018) đã chỉ ra các nhược điểm của việc bón thừa phân vô cơ như làm thoái hóa cấu trúc đất, chua hóa đất, phát thải khí nhà kính ($\text{N}_2\text{O}$, $\text{NO}$, $\text{NO}_2$), rửa trôi gây phú dưỡng nguồn nước. Tiêu chuẩn phân bón được đối chiếu theo QCVN 01-189:2019/BNNPTNT.
2. Nghiên cứu màng bao polymer phân hủy sinh học: Shaviv (2001), Sempeho và ctv (2014), Majeed và ctv (2015), Lawrencia và ctv (2021) phân loại các polymer tự nhiên (chitosan, alginate, CMC, tinh bột) và polymer tổng hợp phân hủy sinh học (polyurethane, PLA, PVA). Nhiều tác giả đã thử nghiệm màng bao đơn hoặc phối trộn như tinh bột kết hợp gPLLA (Chen và ctv, 2008), lignin và IPUI (Peng và Chen, 2011), tinh bột phối trộn PVA (Han và ctv, 2009), hydrogel acrylic (Tyliszczak và ctv, 2009), chitosan kết hợp PVA (Jamnongkan và Kaewpirom, 2010), tinh bột biến tính (Niu và Li, 2012), $\kappa$-carrageenan kết hợp sodium alginate (Wang và ctv, 2012), ethyl cellulose và tinh bột-SAP (Qiao và ctv, 2016), màng nano chitosan-graphene oxide (Li và ctv, 2019), polysaccharide biến tính (Fertahi và ctv, 2020), polymer dầu sinh học (Wei và ctv, 2021), vi nang protein kết hợp polyurethane (Yu và ctv, 2021).
3. Nghiên cứu vi sinh vật phân giải lân: Rodríquez và Fraga (1999), Gyaneshwar và ctv (2002), Lê Xuân Phương (2008), Santana và ctv (2016), Kalayu (2019) xác định vai trò của các chi vi khuẩn như Pseudomonas, Burkholderia, Bacillus, Rhizobium trong việc tiết phosphatase khoáng hóa lân hữu cơ hoặc tiết các acid hữu cơ (gluconic, 2-ketogluconic, citric, oxalic, malic, lactic, acetic) làm giảm pH môi trường nhằm hòa tan các hợp chất lân vô cơ khó tan $\text{Ca}_3(\text{PO}_4)_2$, $\text{FePO}_4$, $\text{AlPO}_4$.
4. Kỹ thuật cố định tế bào vi sinh vật: Karel và ctv (1985), Abdelmajeed và ctv (2012), Żur và ctv (2016), Bouabidi và ctv (2019) tổng kết các phương pháp cố định: hấp phụ trên chất mang rắn, nhốt trong gel polymer (alginate, agar, chitosan, PVA), keo tụ tế bào, nhốt trong hệ sợi và tạo vi nang. Cố định tế bào giúp bảo vệ vi khuẩn trước các yếu tố bất lợi về nhiệt độ, pH và áp suất thẩm thấu.
5. Tiêu chuẩn đánh giá phân tan chậm: Tiêu chuẩn AAPFCO (1997) và CEN/TC260 (1998) quy định phân CRF phải đạt: không quá 15% dưỡng chất phóng thích trong 24 giờ, không quá 75% trong 28 ngày và ít nhất 75% phóng thích trong khoảng thời gian xác định.

Khoảng trống nghiên cứu luận án lựa chọn giải quyết: Phần lớn các công trình trên thế giới chỉ tập trung vào việc tạo màng bao polymer để kiểm soát độ tan của hóa chất, hoặc sản xuất chế phẩm vi sinh riêng biệt. Nghiên cứu tích hợp tế bào vi sinh vật sống vào cấu trúc màng bao polymer của viên phân vô cơ còn rất hiếm (như sáng chế của Venkatramesh và ctv, 2021). Luận án giải quyết khoảng trống này bằng cách: tuyển chọn chủng vi khuẩn phân giải lân chịu mặn cao, tối ưu hóa quá trình cố định vi khuẩn vào vi hạt calcium sodium alginate, phối hợp hệ màng bao đa lớp phân hủy sinh học (polyurethane, bentonite, CMC, PVA, paraffin) trên nhân phân DAP và đánh giá khả năng duy trì mật số vi khuẩn cũng như hiệu quả dinh dưỡng trên cây trồng cạn.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Cơ sở lý thuyết và khung phân tích

Nghiên cứu dựa trên cơ chế hòa tan phosphate vô cơ nhờ vi sinh vật thông qua quá trình sinh tổng hợp acid hữu cơ và giải phóng proton ($\text{H}^+$), làm giảm pH vùng rễ và chuyển đổi muối phosphate không tan thành dạng $\text{H}_2\text{PO}_4^-$ hoặc $\text{HPO}_4^{2-}$ cây dễ hấp thu. Kỹ thuật cố định vi sinh vật dựa trên nguyên lý bắt giữ tế bào trong mạng lưới gel ion hóa của calcium sodium alginate, đóng vai trò như một lớp đệm bảo vệ cơ học và sinh học chống lại sốc thẩm thấu do nồng độ muối khoáng cao từ lõi phân vô cơ phát tán. Cơ chế phóng thích dinh dưỡng của phân CRF tuân thủ quá trình khuếch tán 3 giai đoạn: hơi nước xâm nhập qua các vi lỗ/vết nứt của màng bao $\rightarrow$ hòa tan nhân phân và tạo áp suất thẩm thấu $\rightarrow$ giải phóng chậm dung dịch khoáng chất qua màng trương nở ra môi trường đất.

Phương pháp nghiên cứu thực nghiệm

Luận án sử dụng phương pháp nghiên cứu thực nghiệm định lượng kết hợp các kỹ thuật sinh học phân tử, hóa lý vật liệu và nông học:

• Phân lập và đánh giá hoạt tính vi sinh vật: Phân lập vi khuẩn từ đất trên môi trường Pikovskaya (PVK) chứa tricalcium phosphate $\text{Ca}_3(\text{PO}_4)_2$. Đánh giá hoạt tính phân giải lân thông qua đường kính vòng phân giải ($D - d$, mm). Khảo sát khả năng chịu mặn của các chủng trên môi trường PVK bổ sung NaCl ở các nồng độ 2%, 3% và 4%.
• Định danh phân tử: Tách chiết DNA tổng số, nhân bản đoạn gene 16S rRNA bằng kỹ thuật PCR với cặp mồi chuyên biệt, giải trình tự nucleotide và so sánh độ tương đồng trên GenBank; xây dựng cây phát sinh loài theo phương pháp UPGMA với giá trị lặp lại bootstrap 1000.
• Tối ưu hóa tạo vi hạt cố định vi khuẩn: Tạo vi hạt bằng phương pháp nhỏ giọt dung dịch sodium alginate vào dung dịch $\text{CaCl}_2$. Khảo sát ảnh hưởng của nồng độ sodium alginate (1% - 5%), nồng độ $\text{CaCl}_2$ (1% - 5%) và khối lượng phân tử của sodium alginate (100 kDa, 200 kDa, 500 kDa, 903 kDa) đến sự phân bố kích thước vi hạt.
• Đánh giá sinh khối và sức sống vi khuẩn: Xác định đường cong sinh trưởng và thời gian nhân sinh khối tối ưu của vi khuẩn. Xác định mật số tế bào (CFU/g hoặc CFU/viên) bằng phương pháp đếm khuẩn lạc trên đĩa thạch. Đánh giá khả năng bảo vệ vi khuẩn cố định trong điều kiện ức chế của chitosan. Đánh giá mật số vi khuẩn sống sót trên màng bao phân tan chậm định kỳ theo thời gian (đến 60 ngày).
• Chế tạo và phân tích màng polymer: Tổng hợp màng đơn và màng phức hợp từ CMC, PVA, urea và glycerol theo các tỷ lệ phối trộn khác nhau. Đo độ bền cơ lý (độ bền kéo, độ giãn dài khi đứt), đo độ dày màng. Đánh giá mức độ hấp thụ nước và khả năng phân hủy sinh học của màng polymer bằng phương pháp chôn trong đất tự nhiên theo thời gian.
• Chế tạo viên phân và phân tích hóa lý: Bọc màng phân DAP Đình Vũ qua các lớp: lớp lót polyurethane, lớp bentonite kết dính vi hạt chứa vi khuẩn bằng dung dịch keo PVA, và lớp bảo vệ ngoài bằng paraffin. Phân tích vi cấu trúc bề mặt và vết nứt màng bao bằng kính hiển vi điện tử quét (SEM).
• Đánh giá tốc độ tan và giải phóng dinh dưỡng: Khảo sát độ tan của phân trong nước theo thời gian đối chiếu tiêu chuẩn AAPFCO (1997). Khảo sát động học phóng thích đạm ($\text{NH}_4^+$, $\text{NO}_3^-$) và lân ($\text{P}_2\text{O}_5$) trong mô hình đất mô phỏng điều kiện tự nhiên.
• Thử nghiệm nông học: Thí nghiệm chậu bố trí trong nhà lưới trên cây đậu phộng (Arachis hypogaea L.) với các nghiệm thức phân bón khác nhau (đối chứng không bón, bón 100% phân thông thường, bón phân vô cơ tan chậm kết hợp vi khuẩn ở các mức 60%, 80%, 100% lượng bón tiêu chuẩn). Theo dõi các chỉ tiêu: chiều cao thân chính (tại 14 ngày, 27 ngày và các giai đoạn sinh trưởng), số cành/cây, khả năng hình thành nốt sần rễ và các yếu tố cấu thành năng suất hạt.
• Xử lý số liệu: Thu thập dữ liệu thực nghiệm lặp lại, tính toán giá trị trung bình, độ lệch chuẩn và phân tích phương sai (ANOVA) để so sánh ý nghĩa thống kê giữa các nghiệm thức.

Nội dung chính theo từng chương

Chương / Nội dung	Thông số / Vật liệu chính	Chỉ tiêu theo dõi chính	Kết quả định lượng tiêu biểu
Nội dung 1 (Chương 3)	Môi trường PVK, NaCl 2-4%, Sodium alginate, $\text{CaCl}_2$	Vòng phân giải lân, chịu mặn, kích thước vi hạt	Phân lập 60 chủng; Chủng PSM54 phân giải lân ở 4% NaCl; Vi hạt tối ưu ở 1% Alginate + 1% $\text{CaCl}_2$
Nội dung 2 (Chương 3)	CMC, PVA, urea, glycerol	Độ bền kéo, độ hấp thụ nước, phân hủy sinh học	Màng phối trộn đạt độ dẻo cơ lý tốt, phân hủy hoàn toàn khi chôn trong đất
Nội dung 3 (Chương 3)	Vi hạt Ca-Na alginate, Chitosan, chủng PSM57, PSM54	Thời gian nhân sinh khối, mật số tế bào sống	Thời gian nhân sinh khối cực đại đạt 48 giờ; Vi hạt bảo vệ tế bào tốt trước chitosan
Nội dung 4 (Chương 3)	Phân DAP, Polyurethane, Bentonite, PVA, Paraffin	Tốc độ tan, giải phóng N-P, mật số vi khuẩn (60 ngày), năng suất đậu phộng	Đáp ứng chuẩn AAPFCO (1997); Mật số vi khuẩn đạt 88,3% sau 60 ngày; Giảm 20-40% lượng bón vẫn giữ năng suất

Chương 1. Tổng quan tài liệu

Chương này trình bày cơ sở lý luận về phân bón vô cơ, đặc điểm hòa tan, các tác động sinh thái tiêu cực của việc bón phân hóa học mất cân đối; phân loại và cơ chế phóng thích dinh dưỡng của phân bón tan chậm có màng bao polymer (CRFs) theo 3 giai đoạn. Tác giả phân tích đặc tính lý hóa và độ tương thích sinh học của các polymer phân hủy sinh học (PVA, CMC, bentonite, alginate, polyurethane, paraffin); tổng quan các dạng lân trong đất, vai trò của lân đối với cây họ đậu; các cơ chế vi sinh vật hòa tan lân hữu cơ và vô cơ khó tiêu; phân loại các kỹ thuật cố định tế bào vi sinh vật và lịch sử nghiên cứu phát triển phân bón CRF trên thế giới cùng thực trạng nghiên cứu tại Việt Nam.

Chương 2. Vật liệu và phương pháp nghiên cứu

Chương 2 mô tả chi tiết nguồn gốc nguyên vật liệu: phân bón DAP Đình Vũ (16% N, 45% $\text{P}_2\text{O}_5$), các polymer hữu cơ và khoáng sét bentonite, nguồn gốc các mẫu đất thu thập tại Đồng Nai, TP.HCM và Long An. Chương này thiết lập quy trình thực nghiệm đồng bộ cho 4 nội dung: từ phân lập, tuyển chọn, giải trình tự gene 16S rRNA định danh vi khuẩn; quy trình phối trộn màng polymer và kiểm tra cơ lý; quy trình tạo vi hạt Ca-Na alginate nhốt tế bào; quy trình bọc đa lớp cho viên phân DAP; đến phương pháp bố trí thí nghiệm nhà lưới trên cây đậu phộng cùng các công thức tính toán và xử lý thống kê.

Chương 3. Kết quả và thảo luận

Kết quả nghiên cứu thực nghiệm được trình bày và thảo luận chi tiết theo 4 nội dung:

• Nội dung 1: Phân lập, tuyển chọn vi khuẩn phân giải lân và điều kiện tạo vi hạt cố định: Phân lập được 60 chủng vi khuẩn có hoạt tính tạo vòng phân giải lân trên môi trường PVK chứa $\text{Ca}_3(\text{PO}_4)_2$, chia thành các nhóm có đường kính vòng phân giải < 5 mm, 5 - 10 mm và > 10 mm. Tuyển chọn được chủng PSM57 có hoạt tính cao. Thử nghiệm áp suất thẩm thấu muối cho thấy có 3 chủng (PSM48, PSM54, PSM55) chịu được 2% NaCl, nhưng duy nhất chủng PSM54 tạo được vòng phân giải lân rõ nét trên môi trường bổ sung 3% và 4% NaCl. Kết quả phân tích trình tự 16S rRNA và cây phát sinh loài UPGMA (bootstrap 1000) định danh chủng PSM57 là Burkholderia silvatlantica và chủng PSM54 là Bacillus velezensis. Khảo sát kích thước hạt Ca-Na alginate cho thấy nồng độ sodium alginate 1% và $\text{CaCl}_2$ 1% tạo ra vi hạt có kích thước đồng đều và phù hợp nhất để phối trộn vào màng bao.
• Nội dung 2: Tổng hợp màng polymer phân hủy sinh học: Đánh giá độ bền cơ lý của màng PVA đơn, màng CMC đơn và màng phức hợp giữa CMC, PVA, urea và glycerol theo các tỷ lệ khác nhau. Màng phức hợp thể hiện tính mềm dẻo, khả năng hấp thụ nước thích hợp (khi có và không có vi hạt alginate) và bị vi sinh vật đất phân hủy dần khi chôn trong đất theo thời gian.
• Nội dung 3: Cố định vi khuẩn phân giải lân trong vi hạt calcium sodium alginate: Đường cong sinh trưởng xác định thời gian nuôi cấy tối ưu để thu nhận mật số tế bào cao nhất của cả hai chủng PSM54 và PSM57 là 48 giờ. Mật số vi khuẩn trong vi hạt Ca-Na alginate đạt mức cao. Thử nghiệm trên môi trường chứa chitosan chứng minh vi khuẩn nhốt trong vi hạt được bảo vệ tối ưu, duy trì khả năng sống và hoạt tính phân giải lân cao hơn rõ rệt so với tế bào vi khuẩn tự do.
• Nội dung 4: Tạo chế phẩm phân tan chậm kết hợp vi khuẩn và thử nghiệm cây trồng: Chế tạo viên phân DAP đa lớp bao gồm: lớp màng nền polyurethane, lớp bentonite kết hợp vi hạt alginate chứa vi khuẩn PSM54 (hoặc PSM57) dùng chất kết dính PVA, ngoài cùng phủ màng paraffin. Ảnh chụp SEM hiển vi điện tử quét thể hiện cấu trúc phân lớp đồng đều. Khảo sát độ tan trong nước và phóng thích đạm, lân trong mô hình mô phỏng đất tự nhiên chứng minh phân đạt đầy đủ các tiêu chí phân tan chậm theo AAPFCO (1997). Đánh giá khả năng sống sót cho thấy: sau 60 ngày cố định trong màng bao, mật số vi khuẩn Bacillus velezensis PSM54 vẫn đạt 88,3% so với ban đầu. Kết quả thử nghiệm trên cây đậu phộng trong điều kiện nhà lưới chỉ ra rằng các nghiệm thức sử dụng phân tan chậm kết hợp vi khuẩn giúp cây sinh trưởng tốt về chiều cao, tăng số lượng cành, kích thích hình thành nốt sần hữu hiệu và nâng cao các yếu tố cấu thành năng suất. Đặc biệt, khi giảm lượng phân bón xuống chỉ còn 60% - 80% so với mức bón thông thường, cây đậu phộng vẫn đạt các chỉ tiêu sinh trưởng và năng suất tương đương với mức bón 100% phân bón truyền thống.

Kết quả và những đóng góp mới

Những đóng góp mới về mặt lý luận và khoa học

1. Cung cấp dẫn liệu khoa học về sự đa dạng sinh học và hoạt tính của các chủng vi khuẩn phân giải lân vô cơ khó tan bản địa tại khu vực miền Nam Việt Nam, phân lập được 60 chủng vi khuẩn và định danh chính xác 2 chủng có tiềm năng lớn là Burkholderia silvatlantica PSM57 và chủng chịu mặn Bacillus velezensis PSM54 (duy trì hoạt tính ở nồng độ muối lên đến 4% NaCl).
2. Xác lập cơ sở khoa học cho phương pháp cố định vi khuẩn bằng vi hạt calcium sodium alginate (tỷ lệ tối ưu 1% alginate và 1% $\text{CaCl}_2$) giúp bảo vệ tế bào vi khuẩn chống lại các điều kiện bất lợi từ môi trường bên ngoài và áp suất thẩm thấu của muối khoáng.
3. Chứng minh tính khả thi của mô hình màng bao phức hợp đa lớp từ các polymer phân hủy sinh học (polyurethane, bentonite, CMC, PVA, paraffin, alginate) vừa đáp ứng cơ chế giải phóng chậm dinh dưỡng khoáng vô cơ (N, P), vừa đảm bảo môi trường giá thể an toàn duy trì sức sống của vi khuẩn có ích kéo dài trên 60 ngày.

Những đóng góp mới về mặt thực tiễn và ứng dụng

1. Chế tạo thành công sản phẩm phân bón vô cơ tan chậm (CRFs) trên nền phân DAP Đình Vũ kết hợp vi khuẩn phân giải lân Bacillus velezensis PSM54 đạt tiêu chuẩn quốc tế AAPFCO (1997), với mật số vi khuẩn sống sót đạt 88,3% sau 60 ngày lưu trữ trên màng bao.
2. Quy trình thử nghiệm trên cây đậu phộng ở điều kiện nhà lưới chứng minh việc sử dụng phân tan chậm kết hợp vi khuẩn cho phép tiết kiệm từ 20% đến 40% lượng phân bón vô cơ (chỉ cần bón 60% - 80% lượng chuẩn) mà vẫn đảm bảo sự sinh trưởng, khả năng tạo nốt sần và năng suất hạt tương đương với quy trình bón 100% phân thông thường, góp phần giảm chi phí sản xuất và giảm ô nhiễm môi trường.

Kiến nghị của luận án

1. Tiếp tục triển khai nghiên cứu thử nghiệm sản phẩm phân bón vô cơ tan chậm kết hợp vi khuẩn trên nhiều đối tượng cây trồng cạn khác nhau và mở rộng quy mô thử nghiệm đồng ruộng ngoài tự nhiên ở các vùng sinh thái đất khác nhau.
2. Hoàn thiện và tối ưu hóa các thông số công nghệ nhằm mở rộng quy mô sản xuất viên phân bọc màng polymer sinh học kết hợp vi sinh vật ở mức độ bán công nghiệp và công nghiệp.

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

• Hạn chế của luận án: Do giới hạn về điều kiện và nguồn lực, các thử nghiệm hiệu quả sinh học của phân bón mới chỉ dừng lại ở quy mô chậu thí nghiệm trong nhà lưới và trên một đối tượng cây trồng đại diện là cây đậu phộng (Arachis hypogaea L.); loại phân vô cơ làm lõi mới chỉ thực hiện trên phân DAP Đình Vũ (16% N - 45% $\text{P}_2\text{O}_5$); thời gian theo dõi mật số vi khuẩn sống sót trên màng bao được thực hiện đến mốc 60 ngày.
• Hướng nghiên cứu tiếp: Mở rộng nghiên cứu áp dụng kỹ thuật bọc màng polymer sinh học kết hợp vi sinh vật cho các loại phân bón vô cơ khác (như NPK, Urea, Kali); nghiên cứu bổ sung thêm các chủng vi sinh vật hữu ích khác (vi sinh vật cố định đạm, phân giải cellulose, vi sinh vật đối kháng); theo dõi độ bền bảo quản và mật số vi sinh vật ở các mốc thời gian dài hơn (6 tháng, 12 tháng); đánh giá toàn diện tác động lâu dài của màng bao polymer đến hệ vi sinh vật bản địa trong đất canh tác quy mô lớn.

Giá trị tham khảo

Luận án là tài liệu chuyên khảo có giá trị chuyên môn cao cho nhiều đối tượng:

• Nghiên cứu sinh, học viên cao học, sinh viên ngành Công nghệ sinh học, Nông học, Khoa học Đất và Khoa học Vật liệu: Có thể tham khảo chi tiết quy trình phân lập, tuyển chọn, định danh vi khuẩn phân giải lân chịu mặn; các thông số kỹ thuật tạo vi hạt Ca-Na alginate cố định tế bào; kỹ thuật phối trộn polymer phân hủy sinh học và phương pháp đánh giá động học giải phóng chất dinh dưỡng.
• Giảng viên và các viện nghiên cứu nông nghiệp: Cung cấp tài liệu giảng dạy và định hướng nghiên cứu liên ngành giữa công nghệ vật liệu polymer sinh học và công nghệ vi sinh vật nông nghiệp.
• Các doanh nghiệp sản xuất phân bón: Cung cấp giải pháp kỹ thuật cụ thể về vật liệu màng bao (polyurethane, bentonite, PVA, CMC, paraffin) và phương pháp tích hợp vi sinh vật sống lên bề mặt phân bón để định hướng thương mại hóa các dòng phân bón thế hệ mới thân thiện với môi trường.

Câu hỏi thường gặp

1. Chủng vi khuẩn nào được lựa chọn để phối hợp vào màng bao phân tan chậm và chủng này có đặc tính gì nổi bật? Chủng vi khuẩn được lựa chọn là Bacillus velezensis PSM54 (được phân lập từ đất, định danh qua giải trình tự gene 16S rRNA và phân tích cây phát sinh loài UPGMA). Đặc tính nổi bật nhất của chủng này là khả năng chịu mặn vượt trội, vẫn tạo vòng phân giải lân vô cơ khó tan $\text{Ca}_3(\text{PO}_4)_2$ rõ nét trên môi trường PVK có bổ sung 3% và 4% NaCl, thích hợp để tồn tại cạnh lõi phân khoáng có nồng độ muối cao.

2. Nồng độ sodium alginate và calcium chloride tối ưu để tạo vi hạt cố định vi khuẩn được luận án xác định là bao nhiêu? Qua các thí nghiệm khảo sát nồng độ từ 1% đến 5% và các mức khối lượng phân tử khác nhau, nồng độ tối ưu được xác định là sodium alginate 1% kết hợp với $\text{CaCl}_2$ 1%. Tỷ lệ này tạo ra các vi hạt calcium sodium alginate có kích thước đồng đều, cấu trúc mạng gel phù hợp để nhốt giữ tế bào vi khuẩn và dễ phối trộn lên màng bao phân bón.

3. Mật số vi khuẩn sống sót trên màng bao phân tan chậm sau 60 ngày đạt tỷ lệ bao nhiêu? Sau 60 ngày được cố định trong lớp màng bao phức hợp polymer sinh học của viên phân tan chậm, chủng vi khuẩn Bacillus velezensis PSM54 vẫn sống và duy trì mật số đạt 88,3% so với mật số ban đầu.

4. Phân bón vô cơ tan chậm chế tạo trong nghiên cứu đáp ứng tiêu chuẩn chất lượng nào? Sản phẩm phân bón bọc màng polymer phân hủy sinh học kết hợp vi khuẩn PSM54 đáp ứng đầy đủ các tiêu chí phân giải chậm của Hiệp hội các cơ quan kiểm soát thực phẩm cây trồng Hoa Kỳ AAPFCO (1997): lượng dinh dưỡng giải phóng không quá 15% trong 24 giờ đầu và không quá 75% sau 28 ngày ngâm trong nước.

5. Hiệu quả thử nghiệm của phân bón tan chậm kết hợp vi khuẩn trên cây đậu phộng trong nhà lưới đạt kết quả như thế nào khi giảm lượng bón? Khi sử dụng phân tan chậm kết hợp vi khuẩn với liều lượng chỉ bằng 60% đến 80% so với lượng phân bón thông thường, cây đậu phộng vẫn đạt sự phát triển tương đương về chiều cao thân chính, số cành, số lượng nốt sần hữu hiệu trên rễ và các yếu tố cấu thành năng suất hạt.

Kết luận

Luận án của nghiên cứu sinh Bùi Đoàn Phượng Linh đã giải quyết thành công mục tiêu tích hợp vi khuẩn phân giải lân chịu mặn Bacillus velezensis PSM54 vào hệ màng bao polymer phân hủy sinh học (polyurethane, bentonite, CMC, PVA, paraffin, alginate) trên nhân phân DAP Đình Vũ. Sản phẩm phân vô cơ tan chậm tạo thành đáp ứng hoàn toàn tiêu chuẩn quốc tế AAPFCO (1997) về tốc độ giải phóng chất dinh dưỡng và duy trì tỷ lệ sống của vi khuẩn đạt 88,3% sau 60 ngày. Thử nghiệm trên cây đậu phộng trong điều kiện nhà lưới khẳng định khả năng tiết kiệm từ 20% đến 40% lượng phân bón vô cơ mà vẫn đảm bảo năng suất cây trồng. Công trình đóng góp cơ sở khoa học và quy trình thực tiễn quan trọng cho hướng phát triển phân bón thông minh, nâng cao hiệu quả kinh tế và giảm thiểu ô nhiễm môi trường trong sản xuất nông nghiệp.

Trích đoạn nội dung tài liệu

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN TÀI LIỆU 1. Khái niệm và đặc điểm của phân bón vô cơ Phân bón vô cơ hay phân hóa học là loại phân bón cung cấp trực tiếp cho cây trồng các hợp chất chứa các yếu tố dinh dưỡng dưới dạng khoáng (La Văn Bình và Trần Thị Hiền, 2007; Roba, 2018). Chất lượng của phân bón vô cơ không chỉ quyết định bởi hàm lượng nguyên tố dinh dưỡng trong phân, dạng hợp chất của các nguyên tố dinh dưỡng, tỷ lệ của các nguyên tố dinh dưỡng đối với từng loại cây trồng, từng loại đất mà còn phụ thuộc vào tính chất vật lý như kích thước hạt phân, khối lượng riêng, độ cứng của hạt phân (Nguyễn Hoa Toàn, 2011). Ưu điểm của phân vô cơ là phân chứa tất cả các chất dinh dưỡng cần thiết sẵn sàng cho cây sử dụng và hàm lượng dinh dưỡng khá cao.

Phần lớn chúng ở dạng dễ hòa tan (trừ một số phân lân) nên cây dễ hấp thụ và có hiệu quả. Phân vô cơ giúp tái lập độ phì nhiêu cho đất rất nhanh và cây trồng có thể hấp thu được ngay chất dinh dưỡng khi phân được hòa tan trong đất. Bón phân vô cơ đúng liều lượng có thể làm tăng chất hữu cơ của đất nhờ khối lượng rễ và tàn dư cây trồng cao hơn (Nguyễn Lân Hùng và Nguyễn Duy Minh, 2005; Matsumoto và Yamano, 2009; Han và ctv, 2016; Roba, 2018). Nhược điểm của phân vô cơ là khi bón phân quá mức có thể dẫn đến các tác động tiêu cực tới đất, sức khỏe của con người và môi trường tự nhiên.

Phân làm tăng quá trình phân hủy chất hữu cơ trong đất dẫn đến suy thoái kết cấu đất, giảm tính liên kết của đất dẫn đến các chất dinh dưỡng dễ bị thất thoát khỏi đất và có thể làm giảm hiệu quả sử dụng phân. Sử dụng quá nhiều phân vô cơ còn ảnh hưởng tới hệ vi sinh vật có ích trong đất. Bón phân vô cơ liên tục nhiều vụ, nhiều năm dễ làm cho đất hóa chua (Nguyễn Lân Hùng và Nguyễn Duy Minh, 2005; Han và ctv, 2016; Roba, 2018). Tính tan và yêu cầu của phân bón vô cơ Mức độ hòa tan của phân vô cơ khi bón vào đất quyết định khả năng hấp thụ và hiệu quả của phân đối với cây trồng.

Để đánh giá tính tan của phân bón thì nước và acid hữu cơ yếu thường là dung môi được lựa chọn để đánh giá tùy theo loại phân bón. Đối với phân đạm, phân kali hòa tan trong nước dễ dàng, còn đối với phân lân thì tùy theo loại, có loại hòa tan trong nước, loại hòa tan trong amonium citrate. Dựa vào độ tan của phân bón mà có thể chia phân vô cơ thành: loại tan trong nước, loại tan trong amonium citrate và loại tan chậm (La Văn Bình và Trần Thị Hiền, 2007; Nguyễn Hoa Toàn, 2011). Phân vô cơ cần đạt các yêu cầu sau: đảm bảo chất dinh dưỡng trong đất để cung cấp cho cây trồng, phân không hút ẩm hoặc ít hút ẩm và ít bị hao hụt khi sử dụng (La Văn Bình và Trần Thị Hiền, 2007).

Mặt khác, khi đối diện với các vấn đề về môi trường bị ảnh hưởng bởi việc lạm dụng phân vô cơ thì ngoài các yêu cầu trên thì các yêu cầu mới đối với phân vô cơ hiện nay cũng được đề ra là: hiệu quả sử dụng của phân phải tăng, giảm tác động xấu của phân tới môi trường, giảm lượng phân bón nhưng vẫn đảm bảo năng suất cây trồng, đáp ứng nhu cầu dinh dưỡng của cây trồng trong suốt thời gian sinh trưởng và phải phù hợp với từng giai đoạn phát triển của cây (Shaviv, 2001; Xiang và ctv, 2008; Ruark, 2012; Vejan và ctv, 2021). Phân loại phân bón vô cơ Theo La Văn Bình và Trần Thị Hiền (2007); QCVN 01 -189:2019/BNNPTNT, thì dựa vào thành phần chất dinh dưỡng là nguyên tố đa lượng hoặc liên kết hóa học của các nguyên tố dinh dưỡng thì phân bón vô cơ được chia thành phân đơn, phân phức hợp, phân hỗn hợp, phân bón đa - vi lượng, phân bón đa -trung - vi lượng. Phân đơn: là loại phân bón vô cơ trong thành phần chỉ chứa một nguyên tố dinh dưỡng đa lượng, thường là một trong ba nguyên tố N, P, K ở dưới dạng hợp chất như phân urea, phân ammonium nitrate, phân sulphate đạm, phân đạm chloride, phân lân super, phân lân nung chảy, phân kali chloride, phân kali sulphate. Phân bón phức hợp: là phân bón vô cơ trong thành phần chỉ chứa nguyên tố dinh dưỡng đa lượng được liên kết với nhau bằng các liên kết hóa học, gồm những muối đồng nhất có chứa các nguyên tố dinh dưỡng được cấu tạo từ các muối khác 7 nhau có chứa hai hoặc ba nguyên tố dinh dưỡng cho cây trồng.

Thông thường phân phức hợp chứa hai nguyên tố dinh dưỡng là N và P, đôi khi bổ sung thêm K như phân phosphate ammonium (DAP, MAP), phân sulphate kali, phân kali magie sulphate. Phân bón hỗn hợp: là loại phân bón vô cơ trong thành phần có chứa ít nhất hai nguyên tố dinh dưỡng đa lượng, được tạo ra bằng cách phối trộn các từ các loại phân đơn khác nhau. Tùy thuộc vào loại cây trồng và loại đất có thể sử dụng phân hỗn hợp có chứa các tỷ lệ chất dinh dưỡng khác nhau đặc trưng bằng tỷ lệ N : P2O5 : K2O. Phân bón đa - trung lượng: là phân bón vô cơ trong thành phần chứa ít nhất một nguyên tố dinh dưỡng đa lượng và một nguyên tố dinh dưỡng trung lượng.

Phân bón đa - vi lượng là phân bón vô cơ trong thành phần chứa ít nhất một nguyên tố dinh dưỡng đa lượng và một nguyên tố dinh dưỡng vi lượng. Phân bón đa – trung - vi lượng: là phân bón vô cơ trong thành phần chứa ít nhất một nguyên tố dinh dưỡng đa lượng, một nguyên tố dinh dưỡng trung lượng và một nguyên tố dinh dưỡng vi lượng. Tác động của việc sử dụng phân bón vô cơ đến môi trường và sức khỏe Bên cạnh những lợi ích của phân vô cơ là góp phần tăng năng suất cây trồng, quyết định chất lượng nông sản và giúp cải thiện độ phì đất thì một trong những tác hại lớn nhất của chúng lại là gây ô nhiễm môi trường và ảnh hưởng tới sức khỏe của con người, vật nuôi nếu không bón đúng cách, bón dư thừa các yếu tố dinh dưỡng. Theo Savci (2012), việc lạm dụng phân vô cơ trong nông nghiệp đã để lại những hệ lụy không tốt cho sức khỏe con người, môi trường, sinh thái như làm tăng độ mặn của đất, tích lũy kim loại nặng, phú dưỡng nước, gây ô nhiễm môi trường đất, nước, không khí, dẫn tới các vấn đề liên quan tới hiệu ứng nhà kính.

Trong thành phần của một vài loại phân bón vô cơ có chứa các thành phần phụ là các kim loại nặng (Cd, Pb, Cr, Ur, Ra, Hg, Cd, As,.), acid vô cơ và các chất hữu cơ gây ô nhiễm môi trường. Do vậy, việc sử dụng lâu dài các loại phân vô cơ có thể gây ra sự tích tụ các thành phần này trong môi trường đất, đặc biệt là nước ngầm, gây mưa acid, làm tăng hiệu ứng nhà kính, tích lũy dư lượng kim loại trong cây trồng (Shaviv, 2001; Li và Wu, 2008; Savci, 2012). Tại nhiều nơi trên thế giới, nhất là ở các nước đang phát triển do việc sử dụng quá nhiều phân vô cơ, đặc biệt là phân đạm và phân lân đã để lại những hệ lụy gây ảnh 8 hưởng lớn tới môi trường và sức khỏe của con người, vật nuôi. Thứ nhất, phân vô cơ gây ô nhiễm nguồn nước.

Lượng phân bón bị thất thoát rửa trôi theo mưa tới các ao, hồ, sông, suối đã gây ra hiện tượng phú dưỡng, hiện tượng nước nở hoa do tảo làm cạn kiệt nguồn oxygen trong nước, tạo ra các chất độc hại, có mùi hôi thối làm giảm số lượng sinh vật có ích sống trong nước. Thứ hai, phân vô cơ cũng gây ô nhiễm đất, làm suy giảm độ màu mỡ của đất, phá hủy cấu trúc tự nhiên của đất, gia tăng độ chua của đất, tích tụ các kim loại trong đất. Khi con người, vật nuôi ăn các loại nông phẩm có thể bị ảnh hưởng tới sức khỏe. Trong trường hợp sử dụng quá nhiều phân đạm, cây tích tụ dư thừa nitrate sẽ gây ra nhiều vấn đề về sức khỏe cho con người nếu ăn phải.

Mặt khác, phân vô cơ cũng gây ô nhiễm không khí. Khi nông dân bón các loại phân đạm, sự bay hơi của amoniac diễn ra tương đối cao, nhất là khi bón phân đạm trên các loại đất có tính chất kiềm là nguyên nhân gây ra ô nhiễm không khí. Một lượng amoniac có thể bị oxy hóa để chuyển thành acid gây ra mưa acid. Mưa acid có thể làm hư hại cây trồng, giết chết các sinh vật thủy sinh.

Bên cạnh đó nhiều loại khí thải oxit nitơ như NO, N2O, NO2 cũng được tạo ra khi sử dụng phân vô cơ cũng góp phần gây ô nhiễm không khí, gây ra hiệu ứng nhà kính (Shaviv, 2001; Savci, 2012; Han và ctv, 2016; Roba, 2018). Polymer phân hủy sinh học sử dụng làm màng bao phân bón 1. Phân hủy sinh học và polymer phân hủy sinh học Phân hủy sinh học là quá trình phân hủy vật liệu trong một môi trường nhất định thông quá các quá trình sinh học tự nhiên, đặc biệt là do tác động của enzyme do vi sinh vật tiết tạo ra khí carbonic, khí metan, nước và các hợp chất carbonate không độc hại. Phân hủy sinh học một phần là sự thay đổi trong cấu trúc hóa học của một chất, do tác động của các tác nhân sinh học dẫn đến sự mất đi một tính chất nào đó của chất và không nhất thiết tạo ra một đặc tính tốt hơn, vì các chất trung gian được tạo ra có thể độc hơn so với chất nền ban đầu.

Phân hủy sinh học hoàn toàn xảy ra khi sự phân giải đủ lớn để loại bỏ hẳn các đặc tính sinh học, hóa học, vật lý và độc tính ban đầu của chất để cuối cùng tạo thành carbon dioxite và nước (Immirzi và ctv, 2003; Phạm Ngọc Lân, 2006; Han và ctv, 2009; Sempeho và ctv, 2014). Polymer phân hủy sinh học là các polymer có khả năng bị phân hủy sinh học theo thời gian để tạo thành các hợp chất có khối lượng phân tử thấp hơn, trong đó có ít nhất một giai đoạn polymer bị phân hủy dưới tác động của các vi sinh vật. Các loại 9 polymer phân huỷ sinh học có nguồn gốc tự nhiên, tổng hợp hay bán tổng hợp. Các polymer phân hủy sinh học có nguồn gốc tự nhiên như cellulose, tinh bột, heparin, dextrin, pullulan, pectin, chitin, chitosan và alginate.