Tổng quan nghiên cứu

Việt Nam là một quốc gia nông nghiệp với tiềm năng lớn về nguồn phế phụ phẩm từ các cây trồng chính như lúa, ngô, mía, lạc, đậu tương. Riêng với cây mía, diện tích trồng khoảng 257.546 ha, sản lượng ép đạt 15,76 triệu tấn, tạo ra lượng phế thải khổng lồ gồm 2,5 triệu tấn bã mía, 500.000 tấn bã bùn và 250.000 tấn mật rỉ mỗi năm. Trước đây, 80% bã mía được dùng làm nhiên liệu đốt lò hơi, sinh ra 50.000 tấn tro, trong khi 20% còn lại được dùng làm ván ép. Mật rỉ được ứng dụng trong sản xuất cồn, mỳ chính và các công nghệ vi sinh khác. Tuy nhiên, bã bùn mía chưa được tận dụng hiệu quả, gây ô nhiễm môi trường nghiêm trọng do chứa nhiều dinh dưỡng như đạm, lân, lưu huỳnh và canxi. Việc xử lý bã bùn bằng các chủng vi sinh vật phân giải là giải pháp khả thi nhằm sản xuất phân hữu cơ vi sinh, góp phần cải tạo đất và nâng cao năng suất cây trồng, đặc biệt là cây mía.

Mục tiêu nghiên cứu là phân lập, tuyển chọn và đánh giá các đặc tính sinh học của các chủng vi sinh vật có khả năng phân giải xenlulo, cố định đạm, phân giải lân khó tiêu và sinh hocmon sinh trưởng thực vật từ các mẫu đất tại các tỉnh Hà Tĩnh, Nghệ An và Thanh Hóa. Nghiên cứu nhằm ứng dụng các chủng vi sinh vật này trong sản xuất phân bón hữu cơ vi sinh, góp phần phát triển nông nghiệp bền vững và bảo vệ môi trường. Phạm vi nghiên cứu tập trung vào các chủng vi sinh vật phân lập mới từ đất ruộng lúa, ruộng mía trong giai đoạn 2017-2019.

Ý nghĩa của nghiên cứu được thể hiện qua việc cung cấp các chủng vi sinh vật có hoạt tính sinh học mạnh, được định danh chính xác, phục vụ sản xuất phân bón vi sinh chất lượng cao. Kết quả nghiên cứu góp phần nâng cao hiệu quả sử dụng phế phụ phẩm nông nghiệp, giảm thiểu ô nhiễm môi trường và tăng cường độ phì nhiêu đất trồng.

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 vi sinh vật đất và vai trò của chúng trong chu trình dinh dưỡng nông nghiệp. Hai lý thuyết chính được áp dụng gồm:

  1. Lý thuyết về vi sinh vật cố định đạm (diazotrophs): Vi sinh vật có khả năng chuyển đổi nitơ phân tử (N₂) trong không khí thành dạng amoni (NH₄⁺) có thể sử dụng được cho cây trồng. Quá trình này quan trọng trong việc bổ sung đạm tự nhiên cho đất, giảm sự phụ thuộc vào phân bón hóa học.

  2. Mô hình vi sinh vật phân giải lân và xenlulo: Vi sinh vật phân giải lân chuyển hóa các hợp chất photpho khó tan thành dạng dễ hấp thu, đồng thời vi sinh vật phân giải xenlulo thủy phân cellulose thành các sản phẩm đơn giản, góp phần cải tạo đất và cung cấp dinh dưỡng cho cây trồng.

Các khái niệm chính bao gồm: vi sinh vật cố định đạm, vi sinh vật phân giải lân, vi sinh vật phân giải xenlulo, vi sinh vật sinh hocmon sinh trưởng thực vật (như IAA), và công nghệ định danh vi sinh vật bằng giải trình tự gen 16S rRNA.

Phương pháp nghiên cứu

Nguồn dữ liệu chính là các mẫu đất thu thập từ ruộng lúa, ruộng mía tại các tỉnh Hà Tĩnh, Nghệ An và Thanh Hóa. Tổng số mẫu được phân lập và xử lý nhằm thu nhận các chủng vi sinh vật có hoạt tính sinh học mong muốn.

Phương pháp phân lập vi sinh vật sử dụng kỹ thuật pha loãng mẫu và cấy trên các môi trường đặc hiệu như Gauze I, Ashby, King B, Pikovskaia, và môi trường CMC đặc để phân lập các nhóm vi sinh vật phân giải xenlulo, cố định đạm, phân giải lân và kích thích sinh trưởng thực vật. Các chủng được làm thuần và lưu giữ trong ống nghiệm.

Hoạt tính sinh học được đánh giá bằng các phương pháp định tính và định lượng:

  • Hoạt tính phân giải xenlulo được xác định bằng kích thước vòng phân giải trên môi trường CMC (phương pháp Williams, 1983).
  • Hoạt tính cố định nitơ được đánh giá bằng phản ứng màu với thuốc thử Nessler và định lượng nitơ tổng bằng phương pháp Kjeldahl.
  • Hoạt tính phân giải lân được xác định qua vòng phân giải Ca₃(PO₄)₂ trên môi trường thạch theo tiêu chuẩn TCVN 8565:2010.
  • Khả năng sinh tổng hợp IAA được đo bằng phương pháp so màu với thuốc thử Salkowski cải tiến, xác định hàm lượng IAA thô qua bước sóng 530 nm.

Phương pháp định danh vi sinh vật sử dụng kỹ thuật sinh học phân tử, giải trình tự gen 16S rRNA, so sánh trình tự với cơ sở dữ liệu NCBI để xác định chi, loài vi sinh vật.

Thời gian nghiên cứu kéo dài từ năm 2017 đến 2019, với các giai đoạn thu thập mẫu, phân lập, đánh giá hoạt tính sinh học và định danh vi sinh vật.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

  1. Phân lập và đặc điểm hình thái vi sinh vật:

    • Đã phân lập được 15 chủng vi sinh vật phân giải xenlulo, trong đó 5 chủng là vi khuẩn và 10 chủng là xạ khuẩn, với kích thước khuẩn lạc từ 1-4 mm, màu sắc chủ yếu trắng đục hoặc trắng ngà.
    • Phân lập 10 chủng vi sinh vật cố định nitơ tự do, ký hiệu từ N-VDT1 đến N-VDT10, khuẩn lạc có đường kính 1-4 mm, màu trắng đến trắng vàng.
    • Phân lập 10 chủng vi sinh vật phân giải lân, ký hiệu P-VDT1 đến P-VDT10, với vòng phân giải Ca₃(PO₄)₂ từ 11 đến 20 mm.
    • Phân lập 15 chủng vi sinh vật kích thích sinh trưởng thực vật, ký hiệu H-VDT1 đến H-VDT15, có khả năng sinh IAA từ 54,2 đến 182,0 µg/ml.

  2. Hoạt tính phân giải xenlulo:

    • Vòng phân giải xenlulo dao động từ 8 mm đến 30 mm.
    • Hai chủng xạ khuẩn X-VDT3 và X-VDT6 có vòng phân giải lớn nhất, đạt 29-30 mm, thể hiện hoạt tính phân giải mạnh và ổn định qua 5 lần cấy truyền.

  3. Hoạt tính cố định nitơ:

    • Trong 10 chủng cố định nitơ, 4 chủng (N-VDT10, N-VDT2, N-VDT4, N-VDT7) có phản ứng màu mạnh với thuốc thử Nessler.
    • Hàm lượng nitơ tổng trong dịch nuôi cấy dao động từ 2,7 đến 5,2 µg/ml, trong đó N-VDT10 và N-VDT2 đạt mức cao nhất (5,2 và 4,8 µg/ml).

  4. Hoạt tính phân giải lân:

    • Đường kính vòng phân giải Ca₃(PO₄)₂ của các chủng dao động từ 11 đến 20 mm.
    • Hai chủng P-VDT1 và P-VDT2 có vòng phân giải lớn nhất, 18-20 mm, hoạt tính ổn định sau 5 lần cấy truyền.

  5. Khả năng sinh IAA:

    • Hàm lượng IAA sinh ra sau 48 giờ nuôi cấy dao động từ 54,2 đến 182,0 µg/ml.
    • Bốn chủng H-VDT1, H-VDT2, H-VDT7, H-VDT10 có khả năng sinh IAA mạnh nhất (>150 µg/ml).

Thảo luận kết quả

Kết quả nghiên cứu cho thấy sự đa dạng và phong phú của các chủng vi sinh vật có hoạt tính sinh học cao trong các mẫu đất ruộng lúa, ruộng mía tại các tỉnh miền Trung Việt Nam. Hoạt tính phân giải xenlulo của chủng X-VDT3 và X-VDT6 vượt trội so với các nghiên cứu trong nước, cho thấy tiềm năng ứng dụng lớn trong xử lý phế phụ phẩm nông nghiệp giàu xenlulo như bã mía, rơm rạ. Hoạt tính cố định nitơ của các chủng N-VDT10 và N-VDT2 cũng cao hơn nhiều so với các chủng được công bố trước đây, góp phần bổ sung đạm tự nhiên cho đất.

Hoạt tính phân giải lân của các chủng P-VDT1 và P-VDT2 giúp tăng khả năng chuyển hóa lân khó tiêu thành dạng dễ hấp thu, cải thiện hiệu quả sử dụng phân bón lân. Khả năng sinh IAA của các chủng kích thích sinh trưởng thực vật hỗ trợ tăng trưởng rễ, cải thiện hấp thu dinh dưỡng và sức đề kháng của cây trồng.

Các đặc điểm sinh lý, sinh hóa của các chủng vi sinh vật phân lập phù hợp với các chi vi sinh vật có ích phổ biến như Streptomyces (xạ khuẩn phân giải xenlulo), Azotobacter (cố định nitơ), Bacillus (phân giải lân và kích thích sinh trưởng). Việc định danh bằng giải trình tự gen 16S rRNA đã xác nhận chính xác danh tính các chủng, tạo điều kiện thuận lợi cho việc lưu giữ và ứng dụng trong sản xuất phân bón vi sinh.

Dữ liệu có thể được trình bày qua các bảng đặc điểm hình thái, hoạt tính sinh học và biểu đồ so sánh vòng phân giải xenlulo, vòng phân giải lân, hàm lượng nitơ và IAA sinh ra của các chủng vi sinh vật.

Đề xuất và khuyến nghị

  1. Phát triển quy trình sản xuất phân bón hữu cơ vi sinh: Áp dụng các chủng vi sinh vật phân lập có hoạt tính cao như X-VDT3, X-VDT6 (phân giải xenlulo), N-VDT10, N-VDT2 (cố định nitơ), P-VDT1, P-VDT2 (phân giải lân), H-VDT1, H-VDT2 (sinh IAA) để sản xuất phân bón hữu cơ vi sinh chất lượng cao, nâng cao hiệu quả sử dụng phân bón và cải tạo đất. Thời gian triển khai: 1-2 năm, chủ thể: các doanh nghiệp sản xuất phân bón và viện nghiên cứu.

  2. Mở rộng khảo nghiệm thực địa: Thử nghiệm hiệu quả các chủng vi sinh vật tuyển chọn trên các loại cây trồng chính như mía, lúa tại các vùng trồng trọng điểm nhằm đánh giá tác động đến năng suất, chất lượng và cải tạo đất. Thời gian: 2-3 năm, chủ thể: viện nghiên cứu nông nghiệp, trung tâm khuyến nông.

  3. Xây dựng ngân hàng gen vi sinh vật: Lưu giữ và bảo quản các chủng vi sinh vật có hoạt tính sinh học cao, định danh chính xác để phục vụ nghiên cứu và sản xuất lâu dài. Chủ thể: viện nghiên cứu, trường đại học.

  4. Tăng cường đào tạo và chuyển giao công nghệ: Tổ chức các khóa đào tạo, hội thảo cho cán bộ kỹ thuật, nông dân về ứng dụng phân bón hữu cơ vi sinh, kỹ thuật nuôi cấy và sử dụng vi sinh vật trong sản xuất nông nghiệp bền vững. Thời gian: liên tục, chủ thể: các viện nghiên cứu, trung tâm khuyến nông.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

  1. Các nhà nghiên cứu và sinh viên ngành công nghệ sinh học, vi sinh vật: Luận văn cung cấp dữ liệu chi tiết về phân lập, đánh giá hoạt tính và định danh vi sinh vật có ích, làm tài liệu tham khảo cho các nghiên cứu tiếp theo.

  2. Doanh nghiệp sản xuất phân bón hữu cơ vi sinh: Thông tin về các chủng vi sinh vật có hoạt tính cao giúp doanh nghiệp lựa chọn nguyên liệu vi sinh phù hợp để nâng cao chất lượng sản phẩm.

  3. Cán bộ kỹ thuật và khuyến nông: Nắm bắt kiến thức về vai trò và ứng dụng vi sinh vật trong sản xuất phân bón hữu cơ, hỗ trợ tư vấn kỹ thuật cho nông dân.

  4. Nhà quản lý và hoạch định chính sách nông nghiệp: Cung cấp cơ sở khoa học để xây dựng chính sách phát triển phân bón hữu cơ vi sinh, thúc đẩy nông nghiệp bền vững và bảo vệ môi trường.

Câu hỏi thường gặp

  1. Vi sinh vật phân giải xenlulo có vai trò gì trong sản xuất phân bón hữu cơ?
    Vi sinh vật phân giải xenlulo thủy phân cellulose trong phế phụ phẩm nông nghiệp thành các hợp chất đơn giản, giúp chuyển hóa nguyên liệu thành phân bón hữu cơ dễ hấp thu, cải tạo đất và tăng dinh dưỡng cho cây trồng.

  2. Làm thế nào để đánh giá hoạt tính cố định nitơ của vi sinh vật?
    Hoạt tính cố định nitơ được đánh giá bằng phản ứng màu với thuốc thử Nessler và định lượng nitơ tổng trong dịch nuôi cấy bằng phương pháp Kjeldahl, cho biết khả năng chuyển đổi nitơ phân tử thành dạng amoni.

  3. Tại sao cần định danh vi sinh vật bằng phương pháp giải trình tự gen 16S rRNA?
    Phương pháp này cho kết quả chính xác, nhanh chóng, giúp xác định chính xác chi, loài vi sinh vật, thuận tiện cho việc lưu giữ, quản lý và ứng dụng trong sản xuất.

  4. Khả năng sinh IAA của vi sinh vật ảnh hưởng thế nào đến cây trồng?
    IAA là phytohormone kích thích sinh trưởng rễ, giúp cây hấp thu dinh dưỡng tốt hơn, tăng sức đề kháng và năng suất cây trồng.

  5. Ứng dụng thực tế của các chủng vi sinh vật phân lập trong nông nghiệp là gì?
    Các chủng vi sinh vật có thể được sử dụng để sản xuất phân bón hữu cơ vi sinh, cải tạo đất, tăng năng suất và chất lượng cây trồng, đồng thời giảm thiểu ô nhiễm môi trường do sử dụng phân bón hóa học quá mức.

Kết luận

  • Đã phân lập và tuyển chọn thành công các chủng vi sinh vật có hoạt tính phân giải xenlulo, cố định nitơ, phân giải lân và sinh IAA mạnh từ các mẫu đất tại Hà Tĩnh, Nghệ An và Thanh Hóa.
  • Hai chủng xạ khuẩn X-VDT3 và X-VDT6 có hoạt tính phân giải xenlulo cao nhất, tiềm năng ứng dụng trong xử lý phế phụ phẩm nông nghiệp.
  • Chủng vi khuẩn N-VDT10 và N-VDT2 có khả năng cố định nitơ tự do vượt trội so với nhiều chủng trong nước.
  • Các chủng P-VDT1, P-VDT2 phân giải lân hiệu quả, trong khi các chủng H-VDT1, H-VDT2 sinh IAA với hàm lượng cao, hỗ trợ sinh trưởng cây trồng.
  • Đề xuất phát triển quy trình sản xuất phân bón hữu cơ vi sinh dựa trên các chủng vi sinh vật tuyển chọn, mở rộng khảo nghiệm thực địa và xây dựng ngân hàng gen vi sinh vật.

Tiếp theo, cần triển khai thử nghiệm quy mô lớn và chuyển giao công nghệ để ứng dụng rộng rãi trong sản xuất nông nghiệp bền vững. Đề nghị các tổ chức nghiên cứu, doanh nghiệp và nhà quản lý phối hợp thực hiện nhằm phát huy tối đa hiệu quả nghiên cứu.