Tổng quan nghiên cứu

Theo thống kê từ Tổng cục Thống kê, Việt Nam sản xuất khoảng 45,2 triệu tấn lúa mỗi năm, phát sinh đồng thời hơn 45 triệu tấn rơm rạ cùng 6,5 triệu tấn trấu. Tại khu vực Đồng bằng sông Hồng, tập quán đốt rơm rạ trực tiếp ngoài đồng ruộng thải ra môi trường từ 1,2 đến 4,7 triệu tấn khí CO2 mỗi năm, gây thiệt hại kinh tế và sinh thái ước tính 19,05 đến 200,3 triệu USD mỗi năm. Hoạt động này không chỉ gây ô nhiễm khói bụi nghiêm trọng ảnh hưởng đến hệ hô hấp của cộng đồng mà còn làm suy giảm độ phì nhiêu của đất, khiến hàm lượng cacbon hữu cơ trong đất canh tác lúa giảm sút mạnh từ 3,56% xuống chỉ còn 0,71% sau các chu kỳ canh tác dài hạn. Song song với đó, diện tích sản xuất rau cả nước đạt 635,8 nghìn ha với sản lượng 9.640,3 nghìn tấn, song việc lạm dụng phân bón hóa học và thuốc bảo vệ thực vật đang đe dọa trực tiếp đến an toàn thực phẩm.

Nghiên cứu được thực hiện nhằm giải quyết đồng thời hai thách thức môi trường và nông nghiệp nêu trên thông qua mục tiêu tái chế rơm rạ sau thu hoạch thành giá thể hữu cơ sinh học chất lượng cao phục vụ canh tác rau an toàn. Đề tài được triển khai thực nghiệm tại Học viện Nông nghiệp Việt Nam trong giai đoạn từ tháng 6 năm 2016 đến tháng 9 năm 2017, sử dụng nguồn dữ liệu thực nghiệm và thứ cấp giai đoạn 2015 đến 2017. Đối tượng thực nghiệm tập trung vào cây rau mồng tơi (Basella alba L.) canh tác trên nền giá thể hữu cơ so sánh với đất phù sa sông Hồng. Kết quả nghiên cứu có ý nghĩa thực tiễn to lớn khi giúp rút ngắn thời gian ủ hoai rơm rạ xuống còn 30 ngày, nâng cao năng suất rau ăn lá từ 61,3% đến 66,0%, giảm thiểu từ 49,3% đến 50,8% tỷ lệ sâu bệnh hại, đồng thời đáp ứng các tiêu chuẩn vệ sinh an toàn thực phẩm theo quy định hiện hành.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Đề tài vận dụng lý thuyết phân giải sinh học các hợp chất cao phân tử lignocellulose trong phế phụ phẩm nông nghiệp, dựa trên mô hình động học enzym của Reese và cơ chế phân giải hiệp đồng của Lutzen. Rơm rạ lúa chứa cấu trúc sợi phức tạp với hàm lượng xenluloza chiếm từ 29,42% đến 42,41%, hemixenluloza chiếm khoảng 12,65% và lignin chiếm 18,62%. Quá trình chuyển hóa sinh học đòi hỏi sự tham gia đồng thời của phức hệ enzym cellulase bao gồm endoglucanase cắt đứt liên kết beta-1,4-glucosid nội mạch, exoglucanase giải phóng đường cellobiose và beta-glucosidase thủy phân hoàn toàn thành glucose tự do. Bên cạnh đó, hệ enzym xylanase và các enzym phân giải lignin như lignin peroxidase và mangan peroxidase đóng vai trò phá vỡ mạng lưới bảo vệ của thành tế bào thực vật.

Nghiên cứu tích hợp mô hình ủ phân hữu cơ bán hảo khí có kiểm soát cải tiến từ phương pháp Indore của Howard và nguyên lý canh tác hữu cơ của Rodale. Cơ chế này dựa trên việc tối ưu hóa tỷ lệ C/N ban đầu của đống ủ xuống dưới ngưỡng 20/1, duy trì nhiệt độ nội sinh trong khối ủ và bổ sung nguồn sinh khối trùn quế nhằm đẩy nhanh tốc độ khoáng hóa chất hữu cơ. Nghiên cứu cũng chuẩn hóa ba khái niệm trọng tâm bao gồm: giá thể hữu cơ sinh học là môi trường dinh dưỡng không dùng đất có tính xốp và khả năng trao đổi ion cao; vi sinh vật đối kháng là các chủng vi khuẩn và xạ khuẩn có khả năng ức chế mầm bệnh; và rau an toàn được định nghĩa theo tiêu chuẩn kỹ thuật nghiêm ngặt về giới hạn dư lượng nitrat, kim loại nặng và vi sinh vật gây hại.

Phương pháp nghiên cứu

Nguồn dữ liệu của nghiên cứu được thu thập từ quy trình phân lập thực nghiệm trên 63 chủng vi sinh vật bản địa lấy từ mẫu rơm rạ và phân bò hoai mục tự nhiên tại các vùng nông nghiệp Đồng bằng sông Hồng. Cỡ mẫu nghiên cứu được thiết kế đồng bộ với 63 chủng vi sinh vật được sàng lọc sơ bộ qua các môi trường chọn lọc chuyên tính, từ đó tuyển chọn ra 5 chủng vi sinh vật ưu việt nhất. Phương pháp lấy mẫu vi sinh áp dụng kỹ thuật thu thập mẫu ngẫu nhiên nhiều điểm trên đồng ruộng nhằm thu được quần thể vi sinh vật đại diện có hoạt lực sinh học cao. Thí nghiệm ủ sinh học được bố trí theo 3 công thức với quy mô 50 kg rơm rạ khô cho mỗi đống ủ, kích thước đống ủ đạt chiều cao 1,2 mét, chiều dài 2,0 mét và chiều rộng 1,0 mét, lặp lại 3 lần để đảm bảo độ tin cậy thống kê.

Phương pháp khuếch tán thạch theo kỹ thuật của William được lựa chọn để định lượng chính xác hoạt tính enzym ngoại bào qua đường kính vòng phân giải trên đĩa petri, giúp loại bỏ sai số định tính. Thí nghiệm chậu vại đánh giá sinh trưởng cây trồng được thiết lập theo quy chuẩn thực nghiệm của Vincent trên nền đất phù sa sông Hồng. Thành phần dinh dưỡng và tính chất lý hóa của rơm rạ cùng giá thể hữu cơ được kiểm nghiệm bằng các phương pháp tiêu chuẩn quốc gia bao gồm TCVN 1867:2001 xác định độ ẩm, TCVN 4594:1988 xác định hàm lượng tinh bột và xenluloza, TCVN 4328:2007 xác định hàm lượng protein thô qua chỉ số nitơ Kjeldahl, và TCVN 9474:2012 xác định hàm lượng tro tổng số.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

Thứ nhất, trong tổng số 63 chủng vi sinh vật được phân lập (trong đó vi khuẩn chiếm tỷ lệ cao nhất với 48%, tiếp đến là xạ khuẩn, nấm mốc và nấm men), nghiên cứu đã tuyển chọn thành công 5 chủng vi sinh vật có hoạt tính sinh học xuất sắc nhất thuộc các chi Pseudomonas, Bacillus, Acetobacter, Streptomyces và Lactobacillus. Các chủng tuyển chọn thể hiện hoạt tính sinh enzym ngoại bào vượt trội với đường kính vòng phân giải protein và xenluloza đạt trên 2,0 cm, vòng phân giải tinh bột đạt trên 1,5 cm. Chúng có khả năng chịu nhiệt rộng từ 20 độ C đến 50 độ C, thích ứng tốt trong dải pH từ 5,0 đến 9,0 và đồng hóa đa dạng các nguồn dinh dưỡng cacbon và nitơ khác nhau.

Thứ hai, chế phẩm sinh học tạo ra từ 5 chủng tuyển chọn được phối trộn trên chất mang thanh trùng gồm cám gạo và trấu khử trùng gián đoạn 3 lần ở 80 độ C trong 20 phút. Khi áp dụng chế phẩm ở tỷ lệ 1% kết hợp bổ sung 10% phụ phẩm sau nuôi trùn quế, thời gian phân hủy rơm rạ được rút ngắn tối ưu chỉ còn 30 ngày. Đống ủ đạt nhiệt độ cực đại từ 55 độ C đến 60 độ C ở giai đoạn đầu, tiêu diệt hiệu quả hạt cỏ dại và nguồn nấm bệnh. Giá thể hữu cơ thành phẩm đạt độ hoai mục hoàn toàn, có màu nâu đen đồng nhất, cấu trúc xốp nhẹ và giữ ẩm tốt.

Thứ ba, hàm lượng dinh dưỡng khoáng trong giá thể hữu cơ tạo thành đạt mức cân đối và giàu dưỡng chất dễ tiêu, với lượng lân dễ tiêu đạt 14,82 mg/100g giá thể và kali dễ tiêu đạt 12,71 mg/100g giá thể. Sản phẩm giá thể đáp ứng đầy đủ các chỉ tiêu kỹ thuật của tiêu chuẩn quốc gia TCVN 7185:2002 về phân bón hữu cơ vi sinh vật.

Thứ tư, thử nghiệm canh tác rau mồng tơi trên giá thể hữu cơ cho kết quả sinh trưởng vượt bậc so với công thức đối chứng trồng trên đất phù sa sông Hồng. Tốc độ tăng trưởng chiều cao cây, số lượng lá và diện tích bề mặt lá ở các ngày theo dõi thứ 10 và 20 đều cao hơn công thức đối chứng ở mức sai số có ý nghĩa thống kê. Năng suất sinh khối rau thu hoạch tăng từ 61,3% đến 66,0%, trong khi tỷ lệ xuất hiện sâu bệnh hại giảm từ 49,3% đến 50,8%. Phân tích chất lượng sản phẩm sau thu hoạch khẳng định rau hoàn toàn đạt các chỉ tiêu an toàn theo Quyết định số 106/2007/QĐ-BNN của Bộ Nông nghiệp và Phát triển nông thôn.

Thảo luận kết quả

Sự gia tăng vượt trội về hàm lượng lân và kali dễ tiêu trong giá thể có nguyên nhân trực tiếp từ hoạt động tương hỗ của tổ hợp vi sinh vật tuyển chọn. Quá trình trao đổi chất của các vi khuẩn Bacillus và Pseudomonas đã tiết ra các axit hữu cơ ngoại bào giúp hòa tan các hợp chất khoáng khó tiêu, đồng thời các enzym thủy phân của Streptomyces và Lactobacillus giải phóng lượng dưỡng chất dồi dào còn tồn dư trong mô tế bào rơm rạ. Sự góp mặt của 10% sinh khối chất thải trùn quế cung cấp hệ đệm dinh dưỡng và các chất kích thích sinh trưởng tự nhiên, giúp rễ cây hấp thụ khoáng chất thuận lợi hơn rất nhiều so với môi trường đất thông thường.

Khi so sánh với các công trình nghiên cứu trước đây về sản xuất giá thể từ phụ phẩm bã mía, vỏ cà phê hoặc quy trình sản xuất giá thể GT05 vốn đòi hỏi thời gian ủ kéo dài từ 60 đến 90 ngày và phải bổ sung phân khoáng hóa học, giải pháp của luận văn đã giảm được hơn 50% thời gian chế biến mà vẫn đảm bảo tính chất hoàn toàn hữu cơ sinh học.

Để trực quan hóa các quy luật này, diễn biến nhiệt độ đống ủ có thể được trình bày hiệu quả qua biểu đồ đường động học, làm nổi bật giai đoạn sinh nhiệt đạt đỉnh 55-60 độ C trước khi hạ nhiệt tiệm cận nhiệt độ môi trường ở ngày thứ 30. Bên cạnh đó, sự khác biệt về chiều cao cây, số lá và năng suất thương phẩm giữa các công thức nên được thể hiện qua biểu đồ cột so sánh kèm thanh sai số chuẩn, minh chứng rõ nét cho ưu thế sinh học của giá thể rơm rạ so với đất đối chứng tự nhiên.

Đề xuất và khuyến nghị

Thứ nhất, nhân rộng quy trình sản xuất chế phẩm sinh học quy mô công nghiệp thông qua việc tối ưu hóa dây chuyền phối trộn chất mang hữu cơ thanh trùng từ cám và trấu. Mục tiêu đặt ra là duy trì mật độ vi sinh vật hữu ích đạt trên 10^8 CFU/g với thời hạn bảo quản tối thiểu 12 tháng. Giải pháp này cần được các viện nghiên cứu và trung tâm ứng dụng tiến bộ khoa học công nghệ chuyển giao trực tiếp cho các nhà máy sản xuất phân bón vi sinh trong giai đoạn 2024 đến 2026.

Thứ hai, thiết lập mô hình thu gom và chế biến rơm rạ tập trung tại các vùng chuyên canh lúa trọng điểm thuộc Đồng bằng sông Hồng. Đặt mục tiêu xử lý từ 40% đến 50% tổng lượng rơm rạ phát sinh sau mỗi vụ thu hoạch, góp phần hiện thực hóa mục tiêu giảm phát thải khí nhà kính theo Quyết định số 3119/QĐ-BNN-KHCN của Bộ Nông nghiệp và Phát triển nông thôn. Chính quyền cấp huyện kết hợp với các hợp tác xã dịch vụ nông nghiệp là chủ thể chịu trách nhiệm tổ chức các trạm ủ rơm rạ bán hảo khí quy mô lớn ngay tại địa phương.

Thứ ba, phát triển các gói kỹ thuật canh tác rau an toàn trên nền giá thể rơm rạ hướng tới nông nghiệp đô thị và trang trại công nghệ cao. Mục tiêu nhằm tăng năng suất rau sạch đô thị lên hơn 50% và giảm hoàn toàn việc sử dụng thuốc bảo vệ thực vật hóa học. Các hội nông dân địa phương và doanh nghiệp nông nghiệp tuần hoàn cần đóng vai trò nòng cốt trong việc tổ chức tập huấn kỹ thuật và cung ứng giá thể đóng gói sẵn cho người dân thành thị từ quý 3 năm 2024.

Thứ tư, xây dựng chính sách hỗ trợ tín dụng và trợ giá từ 20% đến 30% kinh phí ban đầu cho các hợp tác xã nông nghiệp đầu tư máy băm nghiền rơm rạ và mua chế phẩm vi sinh. Bộ Nông nghiệp và Phát triển nông thôn cùng các cơ quan quản lý tiêu chuẩn chất lượng cần sớm ban hành hướng dẫn kỹ thuật chi tiết nhằm chuẩn hóa chứng nhận giá thể rơm rạ theo tiêu chuẩn TCVN 7185:2002 trong giai đoạn 2024 đến 2025.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

Thứ nhất, các nhà khoa học, giảng viên và sinh viên sau đại học thuộc các ngành Khoa học Môi trường, Công nghệ Sinh học và Nông học. Tài liệu này cung cấp phương pháp phân lập vi sinh, quy trình đánh giá hoạt tính enzym ngoại bào và mô hình thực nghiệm chậu vại khoa học có giá trị trích dẫn cao.

Thứ hai, các hợp tác xã nông nghiệp và chủ trang trại trồng rau sạch theo định hướng VietGAP và GlobalGAP. Luận văn cung cấp hướng dẫn thực hành từng bước từ tỷ lệ phối trộn rơm rạ, liều lượng chế phẩm vi sinh 1% cho đến kỹ thuật đảo trộn duy trì độ ẩm 55% đến 60% nhằm tự sản xuất giá thể tại chỗ với chi phí tiết kiệm.

Thứ ba, các doanh nghiệp sản xuất phân bón hữu cơ, chế phẩm sinh học và giá thể nông nghiệp. Doanh nghiệp có thể khai thác các thông số kỹ thuật về 5 chủng vi sinh vật tuyển chọn và phương pháp sử dụng chất mang trấu cám thanh trùng để thương mại hóa các dòng sản phẩm xử lý sinh khối bền vững.

Thứ tư, các cán bộ quản lý môi trường, khuyến nông viên và các nhà hoạch định chính sách nông thôn. Luận văn là cơ sở khoa học tin cậy để xây dựng các đề án giảm thiểu ô nhiễm do đốt rơm rạ, phát triển kinh tế tuần hoàn và quản lý chất thải rắn nông nghiệp tại các địa phương.

Câu hỏi thường gặp

Rơm rạ sau thu hoạch có giá trị dinh dưỡng như thế nào để sản xuất giá thể trồng rau?

Rơm rạ sau thu hoạch vẫn giữ lại nguồn sinh khối hữu cơ phong phú, trong đó hàm lượng xenluloza chiếm từ 29,42% đến 42,41% cùng protein thô và các khoáng chất. Nguồn cơ chất này khi được xử lý bằng vi sinh vật sẽ phân giải thành dạng mùn giàu dinh dưỡng, cung cấp môi trường tơi xốp, giữ ẩm tốt và tạo điều kiện thuận lợi cho bộ rễ cây rau phát triển.

Tại sao tổ hợp 5 chủng vi sinh vật được tuyển chọn lại mang lại hiệu quả xử lý vượt trội?

Năm chủng vi sinh vật thuộc các chi Pseudomonas, Bacillus, Acetobacter, Streptomyces và Lactobacillus tạo thành một tổ hợp cộng sinh mạnh mẽ. Chúng đồng thời tiết ra phức hệ enzym ngoại bào phân giải xenluloza và protein với đường kính vòng phân hủy trên 2,0 cm, chịu được nhiệt độ cao 50 độ C và hoạt động bền bỉ trong khoảng pH rộng từ 5,0 đến 9,0.

Quy trình ủ rơm rạ bán hảo khí cần đáp ứng các điều kiện kỹ thuật cốt lõi nào?

Quá trình ủ diễn ra trong 30 ngày, yêu cầu bổ sung 1% chế phẩm vi sinh tuyển chọn cùng 10% phụ phẩm sau nuôi trùn quế. Đống ủ kích thước 1,2 x 2,0 x 1,0 mét cần được duy trì độ ẩm ổn định ở mức 55% đến 60%, che phủ bạt kín và tiến hành đảo trộn kỹ ở các mốc thời gian từ 7 đến 12 ngày.

Trồng rau trên giá thể rơm rạ mang lại lợi ích cụ thể gì về năng suất và phòng trừ sâu bệnh?

Thực nghiệm trên cây rau mồng tơi chứng minh năng suất sinh khối tăng từ 61,3% đến 66,0% so với canh tác trên đất phù sa sông Hồng. Đồng thời, sự hiện diện của hệ vi sinh vật đối kháng có lợi trong giá thể giúp ức chế các loài nấm bệnh trong đất, làm giảm tỷ lệ sâu bệnh hại từ 49,3% đến 50,8%.

Chất lượng rau trồng trên giá thể hữu cơ từ rơm rạ có đảm bảo tiêu chuẩn an toàn thực phẩm không?

Sản phẩm rau thu hoạch từ giá thể hữu cơ đáp ứng đầy đủ các chỉ tiêu khắt khe theo Quyết định số 106/2007/QĐ-BNN của Bộ Nông nghiệp và Phát triển nông thôn. Hàm lượng nitrat tồn dư, kim loại nặng độc hại và mật độ các vi sinh vật gây bệnh đường ruột đều nằm dưới ngưỡng quy định cho phép.

Kết luận

Thứ nhất, nghiên cứu đã phân lập được 63 chủng và tuyển chọn thành công 5 chủng vi sinh vật ưu việt (Pseudomonas, Bacillus, Acetobacter, Streptomyces, Lactobacillus) có khả năng sinh enzym xenlulaza và proteaza mạnh với vòng phân giải lớn hơn 2,0 cm.

Thứ hai, quy trình sản xuất chế phẩm vi sinh vật trên chất mang trấu cám khử trùng 3 lần ở 80 độ C đã được chuẩn hóa, tạo tiền đề vững chắc cho việc ứng dụng xử lý phế phụ phẩm quy mô lớn.

Thứ ba, công nghệ ủ bán hảo khí có đảo trộn rút ngắn thời gian ủ rơm rạ xuống còn 30 ngày, tạo ra giá thể hữu cơ cân đối dinh dưỡng với hàm lượng lân dễ tiêu 14,82 mg/100g và kali dễ tiêu 12,71 mg/100g theo chuẩn TCVN 7185:2002.

Thứ tư, canh tác rau mồng tơi trên giá thể hữu cơ nâng cao năng suất từ 61,3% đến 66,0%, giảm tỷ lệ sâu bệnh từ 49,3% đến 50,8% và đảm bảo an toàn tuyệt đối theo Quyết định 106/2007/QĐ-BNN.

Thứ năm, giải pháp chuyển hóa rơm rạ thành giá thể hữu cơ mở ra hướng đi bền vững cho kinh tế tuần hoàn nông nghiệp, giảm thiểu phát thải hàng triệu tấn khí nhà kính mỗi năm tại Việt Nam.

Kế hoạch triển khai giai đoạn 2024 đến 2026 sẽ tập trung vào việc thử nghiệm mở rộng quy trình trên các loại rau ăn quả và hoa cây cảnh, đồng thời liên kết chuỗi giá trị với các hợp tác xã nông nghiệp đô thị. Hãy áp dụng ngay quy trình sản xuất giá thể hữu cơ từ rơm rạ để bảo vệ môi trường nông thôn và kiến tạo nền nông nghiệp xanh, an toàn và thịnh vượng.