Tổng quan nghiên cứu

Việt Nam là một trong những quốc gia có nền nông nghiệp phát triển mạnh, trong đó cây lúa chiếm tỷ trọng cao nhất trong cơ cấu cây trồng. Sau mỗi vụ thu hoạch, lượng rơm rạ phát sinh lên đến khoảng 6 triệu tấn, tạo ra thách thức lớn trong xử lý và tái sử dụng nguồn nguyên liệu này. Hiện nay, việc đốt rơm rạ tại đồng ruộng vẫn phổ biến, chiếm khoảng 44% lượng rơm rạ sử dụng tại các vùng ngoại thành Hà Nội, gây ra ô nhiễm không khí nghiêm trọng do phát thải CO, CO2 và các khí độc hại khác. Việc đốt rơm rạ không chỉ làm mất cân bằng hệ sinh thái đất mà còn làm giảm chất hữu cơ và các nguyên tố dinh dưỡng như N, P, K trong đất, ảnh hưởng tiêu cực đến năng suất cây trồng.

Mục tiêu nghiên cứu là tuyển chọn và ứng dụng vi sinh vật bản địa có khả năng phân hủy rơm rạ, tạo ra phân hữu cơ nhằm trả lại dinh dưỡng cho đất, góp phần giảm thiểu ô nhiễm môi trường và nâng cao hiệu quả sản xuất nông nghiệp. Nghiên cứu được thực hiện trên mẫu đất và rơm rạ thu thập từ 6 xã ven đô Hà Nội trong năm 2023-2024, tập trung vào việc phân lập, tuyển chọn chủng xạ khuẩn có hoạt tính phân giải cellulose cao và đánh giá hiệu quả xử lý rơm rạ thành phân hữu cơ.

Ý nghĩa của nghiên cứu được thể hiện qua việc giảm tỷ lệ đốt rơm rạ, tăng hàm lượng chất hữu cơ trong đất, cải thiện độ phì nhiêu và năng suất cây trồng, đồng thời góp phần bảo vệ môi trường không khí và sức khỏe cộng đồng.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Nghiên cứu dựa trên các lý thuyết và mô hình về phân hủy lignocellulose, trong đó rơm rạ được xem là vật liệu lignocellulose gồm ba thành phần chính: cellulose (60%), hemicellulose và lignin. Cellulose là polymer bền vững, chỉ bị phân giải bởi enzyme cellulase do vi sinh vật tiết ra. Hemicellulose được thủy phân bởi enzym hemixenlulaza, còn lignin là polyphenol liên kết chặt với cellulose và hemicellulose, làm chậm quá trình phân hủy.

Vi sinh vật phân giải cellulose gồm vi khuẩn, xạ khuẩn và nấm mốc, trong đó xạ khuẩn chiếm vai trò quan trọng nhờ khả năng tiết enzyme ngoại bào và ít gây lây lan. Các chủng xạ khuẩn thuộc chi Streptomyces được chú trọng do khả năng sinh trưởng tốt ở nhiệt độ 45-50°C, phù hợp với quá trình ủ phân hữu cơ.

Khái niệm vi sinh vật bản địa được áp dụng nhằm tận dụng các chủng vi sinh vật thích nghi với điều kiện môi trường tự nhiên tại địa phương, giúp tăng hiệu quả phân hủy rơm rạ và cải tạo đất.

Phương pháp nghiên cứu

Nguồn dữ liệu gồm 60 mẫu đất và rơm rạ thu thập từ 6 xã ven đô Hà Nội: Thượng Cốc, Hương Ngải, Mỹ Lương, Hồng Thái, Thượng Lâm, Đồng Tâm. Mẫu đất được lấy ở tầng canh tác 0-10 cm theo tiêu chuẩn TCVN 7538-6:2010.

Phương pháp phân lập xạ khuẩn sử dụng kỹ thuật pha loãng trên môi trường Gause-CMC, sau đó tuyển chọn chủng có hoạt tính phân giải cellulose cao dựa trên đường kính vòng phân giải enzym trên đĩa thạch. Hoạt tính enzym được phân loại theo đường kính vòng phân giải: mạnh (≥25 mm), khá mạnh (20-25 mm), trung bình (15-20 mm), yếu (≤10 mm).

Đặc điểm hình thái, sinh lý và sinh hóa của các chủng được xác định qua quan sát khuẩn lạc, phản ứng lên men đường và thử nghiệm catalase. Định danh chủng bằng phương pháp sinh học phân tử dựa trên giải trình tự gene 16S rDNA và so sánh với cơ sở dữ liệu quốc tế EMBL.

Độ an toàn sinh học của chủng được đánh giá theo tiêu chuẩn 90/679/EWG của Cộng đồng châu Âu, chỉ sử dụng các chủng cấp độ 1 và 2.

Khả năng tồn tại và sống sót của các chủng trong điều kiện hỗn hợp được xác định qua đếm khuẩn lạc trên môi trường đặc hiệu sau 15, 30 và 45 ngày bảo quản.

Thành phần dinh dưỡng trong sản phẩm phân hữu cơ sau ủ được phân tích theo tiêu chuẩn Việt Nam QCVN 01-189/2019/BNNPTNT, bao gồm hàm lượng N, P, K và chất hữu cơ.

Quá trình nghiên cứu kéo dài trong khoảng 12 tháng, từ thu thập mẫu, phân lập, tuyển chọn, đến thử nghiệm ủ rơm rạ và phân tích kết quả.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

  1. Phân lập và tuyển chọn vi sinh vật: Từ 60 mẫu đất, 99 chủng xạ khuẩn được phân lập, trong đó 37 chủng (37,4%) có khả năng phân giải cellulose. Số lượng chủng phân lập nhiều nhất tại xã Thượng Lâm (29 chủng, 30%), tiếp theo là Hồng Thái (18,2%) và Thượng Cốc (15,2%). Mật độ vi sinh vật trong mẫu đất dao động từ 10^5 đến 10^6 CFU/g.

  2. Hoạt tính phân giải cellulose: Tỷ lệ chủng có hoạt tính enzym mạnh (vòng phân giải ≥ 25 mm) chiếm 16,3%, khá mạnh 21,6%, trung bình 32,4%, yếu 29,7%. Ba chủng có vòng phân giải lớn nhất là ML7-2 (31 mm), TL3-4 (30 mm) và ĐT9-1 (29 mm).

  3. Đặc điểm hình thái và sinh hóa: Ba chủng được chọn đều thuộc chi Streptomyces, có hình thái khuẩn lạc đặc trưng, phát triển tốt ở 37°C. Các chủng đồng hóa tốt glucose, arabinose, manitol, fructose, nhưng không lên men saccarose và rafinose. Phản ứng catalase âm tính.

  4. Định danh phân tử: Chủng ĐT9-1 tương đồng với Streptomyces thermocoprophilus, TL3-4 với Streptomyces lividoclavatus, ML7-2 với Streptomyces griseosporeus. Cả ba chủng đều thuộc cấp độ an toàn sinh học 1 theo tiêu chuẩn châu Âu.

  5. Khả năng tồn tại trong hỗn hợp: Các chủng duy trì mật độ cao trên 10^6 CFU/g sau 45 ngày bảo quản trong điều kiện hỗn hợp, chứng tỏ khả năng sống sót tốt khi phối trộn làm chế phẩm vi sinh.

  6. Thành phần dinh dưỡng sản phẩm ủ: Sản phẩm phân hữu cơ sau xử lý rơm rạ có hàm lượng chất hữu cơ tăng lên đáng kể, đồng thời cung cấp khoảng 22,8 – 33,5 kg N/ha, 10 – 11,8 kg P2O5/ha và 38,5 – 49,3 kg K2O/ha, góp phần cải thiện độ phì nhiêu đất.

Thảo luận kết quả

Việc phân lập được nhiều chủng xạ khuẩn có hoạt tính phân giải cellulose cao chứng tỏ môi trường đất ven đô Hà Nội là nguồn vi sinh vật bản địa phong phú, thích nghi tốt với điều kiện tự nhiên. Kết quả hoạt tính enzym phù hợp với các nghiên cứu trước đây về vai trò của Streptomyces trong phân hủy lignocellulose.

Đặc điểm sinh hóa và hình thái của các chủng phù hợp với đặc tính chung của nhóm xạ khuẩn, đồng thời phản ứng catalase âm tính cho thấy các chủng có thể hoạt động hiệu quả trong môi trường ủ phân hữu cơ.

Khả năng tồn tại lâu dài trong hỗn hợp vi sinh vật là yếu tố quan trọng để đảm bảo hiệu quả xử lý rơm rạ trong thực tế, giúp duy trì hoạt tính enzym và quá trình phân hủy liên tục.

So sánh với các nghiên cứu ứng dụng chế phẩm vi sinh khác như Fito-Biomix RR hay Emuniv nhãn lúa, kết quả cho thấy việc sử dụng vi sinh vật bản địa có thể rút ngắn thời gian ủ phân từ 7-10 ngày xuống còn 3-4 ngày, đồng thời tăng mật độ vi sinh vật lên 10^8 CFU/g, cải thiện chất lượng phân hữu cơ.

Việc tăng hàm lượng chất hữu cơ và các nguyên tố dinh dưỡng trong sản phẩm ủ góp phần nâng cao độ phì nhiêu đất, giảm nhu cầu phân hóa học, từ đó tăng năng suất và hiệu quả kinh tế cho người nông dân.

Dữ liệu có thể được trình bày qua biểu đồ vòng phân giải enzym của các chủng, bảng so sánh đặc điểm sinh hóa và biểu đồ hàm lượng dinh dưỡng trong sản phẩm phân hữu cơ sau xử lý.

Đề xuất và khuyến nghị

  1. Phát triển chế phẩm vi sinh bản địa: Khuyến khích các đơn vị nghiên cứu và doanh nghiệp sản xuất chế phẩm vi sinh dựa trên các chủng xạ khuẩn Streptomyces đã tuyển chọn, nhằm cung cấp sản phẩm xử lý rơm rạ hiệu quả, an toàn và thân thiện môi trường. Thời gian triển khai trong 1-2 năm.

  2. Tuyên truyền và đào tạo nông dân: Tổ chức các chương trình tập huấn, hướng dẫn kỹ thuật ủ rơm rạ bằng vi sinh vật tại các vùng nông thôn ven đô Hà Nội, nhằm giảm tỷ lệ đốt rơm rạ hiện nay (khoảng 20-44%) và nâng cao nhận thức về lợi ích của phân hữu cơ. Thực hiện trong vòng 6-12 tháng.

  3. Hỗ trợ chính sách và tài chính: Đề xuất các chính sách hỗ trợ tài chính, ưu đãi thuế cho các hộ nông dân và doanh nghiệp áp dụng công nghệ vi sinh xử lý rơm rạ, đồng thời xây dựng các mô hình điểm “Cánh đồng không đốt rơm rạ” để nhân rộng. Thời gian thực hiện 2-3 năm.

  4. Nghiên cứu mở rộng và ứng dụng: Tiếp tục nghiên cứu mở rộng ứng dụng vi sinh vật bản địa trong xử lý các phụ phẩm nông nghiệp khác như vỏ cà phê, bã mía, rác thải hữu cơ, nhằm đa dạng hóa nguồn phân hữu cơ và giảm thiểu ô nhiễm môi trường. Kế hoạch dài hạn 3-5 năm.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

  1. Nhà nghiên cứu và giảng viên khoa học môi trường: Có thể sử dụng kết quả nghiên cứu để phát triển các đề tài liên quan đến xử lý chất thải nông nghiệp, vi sinh vật phân hủy cellulose và cải tạo đất.

  2. Doanh nghiệp sản xuất phân bón hữu cơ và chế phẩm vi sinh: Áp dụng công nghệ vi sinh bản địa để sản xuất các sản phẩm phân bón hữu cơ chất lượng cao, thân thiện môi trường, nâng cao hiệu quả kinh tế.

  3. Cơ quan quản lý nông nghiệp và môi trường: Sử dụng dữ liệu và khuyến nghị để xây dựng chính sách quản lý, giảm thiểu ô nhiễm do đốt rơm rạ, thúc đẩy phát triển nông nghiệp bền vững.

  4. Nông dân và hợp tác xã nông nghiệp: Áp dụng kỹ thuật ủ rơm rạ bằng vi sinh vật để cải tạo đất, tăng năng suất cây trồng, giảm chi phí phân bón hóa học và bảo vệ sức khỏe cộng đồng.

Câu hỏi thường gặp

  1. Vi sinh vật bản địa là gì và tại sao nên sử dụng?
    Vi sinh vật bản địa là các chủng vi sinh vật tồn tại tự nhiên trong môi trường địa phương, thích nghi tốt với điều kiện khí hậu và đất đai. Sử dụng vi sinh vật bản địa giúp tăng hiệu quả phân hủy rơm rạ, giảm chi phí và hạn chế rủi ro khi đưa vi sinh vật ngoại lai vào môi trường.

  2. Làm thế nào để đánh giá hoạt tính phân giải cellulose của vi sinh vật?
    Hoạt tính được đánh giá qua đường kính vòng phân giải enzym trên môi trường thạch chứa cơ chất CMC, sau khi nhuộm thuốc thử lugol. Vòng phân giải càng lớn chứng tỏ enzym cellulase hoạt động mạnh, khả năng phân hủy cellulose càng cao.

  3. Tại sao đốt rơm rạ lại gây hại cho môi trường?
    Đốt rơm rạ phát thải nhiều khí độc như CO, CO2, CH4 và bụi mịn, gây ô nhiễm không khí, ảnh hưởng đến sức khỏe con người và làm mất cân bằng hệ sinh thái đất do mất đi các nguyên tố dinh dưỡng quan trọng.

  4. Thời gian ủ rơm rạ bằng vi sinh vật bản địa là bao lâu?
    Thời gian ủ rơm rạ có thể rút ngắn từ 7-10 ngày xuống còn 3-4 ngày khi sử dụng các chủng vi sinh vật bản địa có hoạt tính cao, giúp tiết kiệm thời gian và tăng hiệu quả phân hủy.

  5. Sản phẩm phân hữu cơ sau xử lý có đảm bảo an toàn cho cây trồng không?
    Sản phẩm phân hữu cơ được kiểm tra theo tiêu chuẩn quốc gia về chất lượng phân bón, đảm bảo hàm lượng dinh dưỡng và không chứa vi sinh vật gây hại, an toàn cho cây trồng và môi trường.

Kết luận

  • Đã phân lập và tuyển chọn thành công 3 chủng xạ khuẩn bản địa có hoạt tính phân giải cellulose mạnh, thuộc chi Streptomyces, an toàn sinh học cấp 1.
  • Các chủng vi sinh vật này có khả năng tồn tại và phát triển tốt trong điều kiện hỗn hợp, phù hợp để sản xuất chế phẩm vi sinh xử lý rơm rạ.
  • Sản phẩm phân hữu cơ sau xử lý rơm rạ có hàm lượng chất hữu cơ và dinh dưỡng cao, góp phần cải thiện độ phì nhiêu đất và năng suất cây trồng.
  • Việc ứng dụng vi sinh vật bản địa giúp giảm tỷ lệ đốt rơm rạ, hạn chế ô nhiễm môi trường và nâng cao hiệu quả kinh tế nông nghiệp.
  • Khuyến nghị triển khai đào tạo, hỗ trợ chính sách và nghiên cứu mở rộng để nhân rộng mô hình xử lý rơm rạ bằng vi sinh vật bản địa trong thực tế.

Hành động tiếp theo là phát triển chế phẩm vi sinh dựa trên các chủng đã tuyển chọn và tổ chức các chương trình tập huấn kỹ thuật cho nông dân nhằm thúc đẩy ứng dụng rộng rãi. Đề nghị các cơ quan quản lý và doanh nghiệp phối hợp triển khai trong vòng 1-3 năm tới để đạt hiệu quả bền vững.