Nghiên Cứu Phân Lập Và Ứng Dụng Vi Khuẩn Sinh Tổng Hợp Cellulase Từ Bã Dong Riềng

• Tác giả: Nguyễn Phương Anh
• Người hướng dẫn: TS. Đặng Minh Hiếu
• Trường học: Trường Đại Học Bách Khoa Hà Nội
• Chuyên ngành: Công Nghệ Thực Phẩm
• Đề tài: Nghiên Cứu Vi Khuẩn Sinh Tổng Hợp Cellulase Từ Bã Dong Riềng
• Loại tài liệu: Luận Văn Thạc Sỹ Kỹ Thuật
• Năm xuất bản: 2018
• Địa điểm: Hà Nội

• LỜI CẢM ƠN
• LỜI CAM ĐOAN
• MỤC LỤC
• DANH MỤC CHỮ VIẾT TẮT
• DANH MỤC BẢNG BIỂU
• MỞ ĐẦU
• 1. CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN
• 1.1. Tình hình sử dụng dong riềng tại Việt Nam
• 1.2. Thực trạng môi trường tại các làng nghề sản xuất miến dong
• 1.3. Khả năng tái sử dụng bã thải dong riềng
• 1.4. Thành phần bã thải
• 1.5. Những nghiên cứu tái sử dụng bã thải dong riềng
• 1.6. Enzyme cellulase và vi sinh vật sinh tổng hợp cellulase
• 1.7. Vi sinh vật sinh tổng hợp cellulase
• 1.8. Tình hình sử dụng phân bón hữu cơ ở Việt Nam
• 1.9. Vai trò của vi khuẩn phân giải cellulose trong phân bón hữu cơ
• 1.10. Các yếu tố ảnh hưởng đến chất lượng phân bón hữu cơ
• 2. CHƯƠNG 2: VẬT LIỆU VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU
• 2.1. Đối tượng nghiên cứu. Thiết bị, dụng cụ và hóa chất
• 2.2. Thiết bị và dụng cụ
• 2.3. Hóa chất và môi trường
• 2.4. Phương pháp nghiên cứu
• 2.5. Phương pháp phân lập các chủng vi khuẩn
• 2.6. Phương pháp tuyển chọn chủng có hoạt tính cellulase
• 2.7. Định danh vi khuẩn
• 2.7.1. Phương pháp định danh dựa trên đặc tính sinh lý, sinh hóa
• 2.7.2. Định danh bằng phương pháp sinh học phân tử
• 2.8. Phương pháp xác định khả năng sinh chất kích thích sinh trưởng IAA
• 2.9. Khảo sát các yếu tố ảnh hưởng đến sự sinh trưởng và phát triển của chủng
• 2.9.1. Ảnh hưởng của nhiệt độ
• 2.9.2. Ảnh hưởng của pH
• 2.9.3. Ảnh hưởng của tỉ lệ cấp giống
• 2.9.4. Ảnh hưởng của tốc độ lắc
• 2.9.5. Ảnh hưởng của hàm lượng pepton
• 2.10. Ứng dụng vi khuẩn trong ủ phân bón hữu cơ. Quy trình thử nghiệm ủ phân bón
• 2.11. Phương pháp phân tích một số chỉ tiêu trong phân bón
• 2.11.1. Phương pháp xác định độ ẩm
• 2.11.2. Phương pháp xác định pH
• 2.11.3. Phương pháp xác định nitơ tổng trong phân bón
• 2.11.4. Phương pháp xác định hàm lượng cacbon hữu cơ trong phân bón
• 3. CHƯƠNG 3: KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN
• 3.1. Kết quả phân lập
• 3.2. Tuyển chọn chủng vi khuẩn có hoạt tính cellulase
• 3.2.1. Tuyển chọn dựa trên phương pháp cấy chấm điểm
• 3.2.2. Tuyển chọn dựa trên phương pháp đục lỗ thạch
• 3.2.3. Tuyển chọn dựa trên phương pháp xác định hoạt tính enzyme cellulase
• 3.3. Định tên chủng vi khuẩn tuyển chọn
• 3.4. Đặc tính hình thái và sinh lý – sinh hóa của chủng NDK5
• 3.5. Định danh sinh học phân tử. Xác định khả năng sinh chất kích thích sinh trưởng 3-indol acetic acid (IAA)
• 3.6. Khảo sát các yếu tố ảnh hưởng tới sự sinh trưởng và phát triển của chủng Bacillus amyloliquefaciens subsp.
• 3.6.1. Ảnh hưởng của nhiệt độ
• 3.6.2. Ảnh hưởng của pH
• 3.6.3. Ảnh hưởng của tỷ lệ cấp giống
• 3.6.4. Ảnh hưởng của tốc độ lắc
• 3.6.5. Ảnh hưởng của nồng độ pepton
• 3.7. Ứng dụng vi khuẩn trong ủ phân bón hữu cơ. Độ sụt giảm thể tích
• 3.8. Hàm lượng Cacbon tổng số
• 3.9. Hàm lượng Nitơ tổng số
• TÀI LIỆU THAM KHẢO
• PHỤ LỤC BẢNG

I. Tổng Quan Nghiên Cứu Vi Khuẩn Cellulase từ Bã Dong Riềng

Việt Nam là một nước nông nghiệp với sản lượng lớn phụ phẩm nông nghiệp từ chế biến nông sản, bao gồm cả bã dong riềng. Miến dong, sản phẩm từ dong riềng, được ưa chuộng nhờ giá trị dinh dưỡng và hương vị. Tuy nhiên, quá trình chế biến tinh bột dong tạo ra lượng lớn bã dong riềng, gây ô nhiễm môi trường nếu không được xử lý. Bã dong riềng, chủ yếu chứa cellulose, có tiềm năng tái sử dụng để tạo ra các sản phẩm giá trị kinh tế. Các nghiên cứu đã chỉ ra khả năng sử dụng bã thải dong riềng để trồng nấm. Việc sử dụng vi sinh vật phân giải cellulose là một hướng nghiên cứu quan trọng để xử lý bã thải nông nghiệp, biến chúng thành các sản phẩm có ích. Điều này góp phần vào kinh tế tuần hoàn và giảm thiểu tác động tiêu cực đến môi trường. Nghiên cứu này tập trung vào việc phân lập, tuyển chọn các chủng vi khuẩn sinh tổng hợp cellulase từ bã dong riềng sau khi trồng nấm và ứng dụng chúng trong sản xuất phân bón. Mục tiêu là tìm ra các chủng vi khuẩn cellulase chịu nhiệt cao, có hoạt tính mạnh để phân hủy cellulose hiệu quả.

1.1. Tiềm Năng Tái Sử Dụng Bã Dong Riềng Trong Nông Nghiệp

Bã dong riềng là một nguồn tài nguyên tái chế tiềm năng. Thành phần chính là cellulose, một polysaccharide phong phú trong tự nhiên. Nghiên cứu cho thấy bã dong riềng có thể được sử dụng để trồng nấm, sản xuất phân bón, và nhiều ứng dụng khác. Tái sử dụng bã thải nông nghiệp không chỉ giảm ô nhiễm môi trường mà còn tạo ra các sản phẩm có giá trị kinh tế, thúc đẩy kinh tế tuần hoàn. Việc lên men bã dong riềng với vi khuẩn sinh tổng hợp cellulase giúp phân hủy cellulose thành các đường đơn giản, dễ dàng sử dụng trong các quy trình sản xuất khác. Theo Nguyễn Như Ngọc và cs (2017), bã thải dong riềng đã được nghiên cứu thu hồi để làm nguồn cơ chất để nuôi nấm sò trắng Pleurotus florida và đạt năng suất thu quả thể là 49,52%.

1.2. Ô Nhiễm Môi Trường Từ Bã Thải và Giải Pháp Sinh Học

Việc xử lý bã thải nông nghiệp, đặc biệt là bã dong riềng, là một thách thức lớn đối với các làng nghề sản xuất miến dong. Lượng bã dong riềng thải ra môi trường gây ô nhiễm nguồn nước, đất, và không khí. Các phương pháp xử lý truyền thống thường tốn kém và không hiệu quả. Công nghệ sinh học, đặc biệt là việc sử dụng vi khuẩn cellulase, cung cấp một giải pháp bền vững để giải quyết vấn đề này. Vi khuẩn cellulase có khả năng phân hủy cellulose thành các sản phẩm thân thiện với môi trường. Việc ứng dụng vi khuẩn sinh tổng hợp cellulase trong xử lý bã thải nông nghiệp là một hướng đi đầy tiềm năng, góp phần bảo vệ môi trường và phát triển bền vững.

II. Thách Thức và Mục Tiêu Phân Lập Vi Khuẩn Phân Giải Cellulase

Việc phân lập và tuyển chọn các chủng vi khuẩn cellulase hiệu quả từ bã dong riềng đặt ra nhiều thách thức. Các chủng vi khuẩn cellulase tự nhiên thường có hoạt tính thấp hoặc không ổn định. Cần có các phương pháp nghiên cứu vi sinh tiên tiến để nhận dạng vi khuẩn cellulase và đánh giá hoạt tính cellulase của chúng. Mục tiêu của nghiên cứu này là phân lập, tuyển chọn, khảo sát đặc điểm chủng vi khuẩn sinh tổng hợp cellulase từ bã dong riềng sau khi trồng nấm. Các chủng vi khuẩn cellulase được lựa chọn phải có khả năng chịu nhiệt cao và hoạt tính phân giải cellulose mạnh. Nghiên cứu cũng tập trung vào việc xác định các yếu tố ảnh hưởng đến sự sinh trưởng và phát triển của các chủng vi khuẩn cellulase này, từ đó tối ưu hóa quá trình sinh tổng hợp. Cuối cùng, nghiên cứu sẽ thử nghiệm ứng dụng các chủng vi khuẩn cellulase trong ủ phân bón hữu cơ.

2.1. Các Yếu Tố Ảnh Hưởng Đến Hoạt Tính Cellulase Của Vi Khuẩn

Nhiều yếu tố ảnh hưởng đến hoạt tính cellulase của vi khuẩn, bao gồm nhiệt độ, pH, nguồn dinh dưỡng, và sự hiện diện của các chất ức chế. Ảnh hưởng của điều kiện nuôi cấy rất quan trọng đến hiệu quả sản xuất cellulase. Nghiên cứu cần khảo sát các yếu tố này để cải thiện hiệu suất sản xuất cellulase. Việc tối ưu hóa quá trình sinh tổng hợp đòi hỏi sự hiểu biết sâu sắc về sinh lý và sinh hóa của vi khuẩn cellulase. Phân tích thành phần bã dong riềng cũng quan trọng để cung cấp nguồn carbon phù hợp cho sự phát triển của vi khuẩn cellulase. Xác định các điều kiện tối ưu để vi khuẩn cellulase có thể phát triển tốt và phân hủy cellulose hiệu quả là một nhiệm vụ quan trọng của nghiên cứu.

2.2. Phương Pháp Nghiên Cứu Vi Sinh Vật Từ Phân Lập Đến Định Danh

Nghiên cứu sử dụng các phương pháp nghiên cứu vi sinh tiêu chuẩn để phân lập và định danh vi khuẩn cellulase. Các phương pháp này bao gồm cấy ria, cấy trải, và sử dụng các môi trường chọn lọc. Phân lập vi khuẩn cellulase từ bã dong riềng đòi hỏi sự kiên nhẫn và kỹ năng. Sau khi phân lập, các chủng vi khuẩn sẽ được nhận dạng bằng các phương pháp sinh hóa và phân tử. Các phương pháp sinh hóa bao gồm kiểm tra khả năng sử dụng các nguồn carbon khác nhau và khả năng sản xuất các enzyme khác. Các phương pháp phân tử bao gồm giải trình tự gene 16S rRNA để xác định chính xác loài vi khuẩn.

III. Phương Pháp Tuyển Chọn Vi Khuẩn Cellulase Hiệu Quả Cao Nhất

Nghiên cứu này sử dụng các phương pháp tuyển chọn khác nhau để tìm ra các chủng vi khuẩn cellulase có hoạt tính cao nhất. Các phương pháp này bao gồm phương pháp cấy chấm điểm, phương pháp đục lỗ thạch, và phương pháp xác định hoạt tính enzyme. Phương pháp cấy chấm điểm đánh giá khả năng phân hủy cellulose của vi khuẩn trên môi trường thạch chứa CMC. Phương pháp đục lỗ thạch đo đường kính vòng phân giải cellulose xung quanh lỗ chứa vi khuẩn. Phương pháp xác định hoạt tính enzyme sử dụng phương pháp DNS để đo lượng đường khử được tạo ra từ quá trình thủy phân cellulose. Các chủng vi khuẩn cellulase có hoạt tính cao nhất sẽ được lựa chọn để nghiên cứu tiếp.

3.1. Đánh Giá Hoạt Tính Cellulase Các Kỹ Thuật Thực Hiện

Đánh giá hoạt tính cellulase là bước quan trọng để lựa chọn chủng vi khuẩn hiệu quả. Các kỹ thuật được sử dụng bao gồm đo đường kính vòng phân giải trên môi trường thạch và xác định lượng đường khử được tạo ra. Các phương pháp này cho phép đánh giá định lượng khả năng phân hủy cellulose của vi khuẩn cellulase. Dữ liệu từ các thí nghiệm này sẽ được sử dụng để so sánh hoạt tính của các chủng vi khuẩn khác nhau và lựa chọn chủng tốt nhất. Quy trình đánh giá hoạt tính cellulase cần được chuẩn hóa để đảm bảo tính chính xác và lặp lại.

3.2. Tối Ưu Hóa Quá Trình Sinh Tổng Hợp Enzyme Cellulase

Tối ưu hóa quá trình sinh tổng hợp là chìa khóa để cải thiện hiệu suất sản xuất cellulase. Điều này bao gồm việc điều chỉnh các điều kiện nuôi cấy như nhiệt độ, pH, nồng độ dinh dưỡng, và thời gian nuôi cấy. Sử dụng các thí nghiệm thiết kế để xác định các điều kiện tối ưu cho sự phát triển của vi khuẩn cellulase và sản xuất cellulase. Mục tiêu là đạt được năng suất cellulase cao nhất với chi phí thấp nhất. Tối ưu hóa cũng bao gồm việc lựa chọn các nguồn carbon và nitrogen phù hợp cho sự phát triển của vi khuẩn.

IV. Ứng Dụng Vi Khuẩn Cellulase Ủ Phân Bón Hữu Cơ Từ Bã Dong

Nghiên cứu này tập trung vào ứng dụng các chủng vi khuẩn cellulase trong ủ phân bón hữu cơ từ bã dong riềng. Ủ phân bón hữu cơ là một quá trình sinh học tự nhiên, trong đó các vi sinh vật phân giải cellulose và các hợp chất hữu cơ khác thành các chất dinh dưỡng dễ hấp thụ cho cây trồng. Việc bổ sung vi khuẩn cellulase vào quá trình ủ phân bón giúp tăng tốc độ phân hủy và cải thiện chất lượng phân bón. Phân bón hữu cơ từ bã dong riềng có thể cung cấp các chất dinh dưỡng cần thiết cho cây trồng và cải thiện độ phì nhiêu của đất. Đây là một giải pháp bền vững để xử lý bã thải nông nghiệp và sản xuất phân bón thân thiện với môi trường.

4.1. Quy Trình Ủ Phân Bón Hữu Cơ Với Vi Khuẩn Cellulase

Quy trình ủ phân bón hữu cơ bao gồm việc trộn bã dong riềng với các phụ phẩm nông nghiệp khác và bổ sung vi khuẩn cellulase. Hỗn hợp này được ủ trong điều kiện kiểm soát nhiệt độ và độ ẩm. Trong quá trình ủ, vi khuẩn cellulase phân hủy cellulose và các hợp chất hữu cơ khác, tạo ra các chất dinh dưỡng và mùn. Quá trình ủ thường kéo dài vài tuần đến vài tháng, tùy thuộc vào điều kiện ủ và loại vi khuẩn được sử dụng. Việc kiểm soát nhiệt độ và độ ẩm là rất quan trọng để đảm bảo quá trình ủ diễn ra hiệu quả.

4.2. Đánh Giá Chất Lượng Phân Bón Hữu Cơ Từ Bã Dong Riềng

Chất lượng phân bón hữu cơ được đánh giá bằng cách đo các chỉ tiêu như hàm lượng nitơ, photpho, kali, và các chất hữu cơ khác. Phân bón hữu cơ tốt phải có hàm lượng các chất dinh dưỡng cao và không chứa các chất độc hại. Các thí nghiệm được thực hiện để đánh giá hiệu quả của phân bón hữu cơ đối với sự phát triển của cây trồng. Mục tiêu là chứng minh rằng phân bón hữu cơ từ bã dong riềng có thể cải thiện năng suất cây trồng và độ phì nhiêu của đất. Phương pháp phân tích bao gồm xác định độ ẩm, pH, hàm lượng nitơ, và hàm lượng carbon hữu cơ.

V. Kết Quả Nghiên Cứu và Tiềm Năng Ứng Dụng Thực Tế

Nghiên cứu đã thành công trong việc phân lập và tuyển chọn các chủng vi khuẩn cellulase hiệu quả từ bã dong riềng. Các chủng vi khuẩn này có khả năng chịu nhiệt cao và hoạt tính phân giải cellulose mạnh. Kết quả nghiên cứu cho thấy rằng việc sử dụng các chủng vi khuẩn cellulase này trong ủ phân bón hữu cơ có thể tăng tốc độ phân hủy và cải thiện chất lượng phân bón. Phân bón hữu cơ từ bã dong riềng có tiềm năng lớn trong việc thay thế phân bón hóa học và cải thiện năng suất cây trồng. Tiềm năng ứng dụng cellulase từ bã dong riềng là rất lớn, góp phần vào phát triển nông nghiệp bền vững. Các kết quả này góp phần vào kho tàng tri thức về nghiên cứu vi sinh và công nghệ sinh học.

5.1. Các Chủng Vi Khuẩn Cellulase Tiềm Năng và Đặc Điểm

Nghiên cứu đã xác định được một số chủng vi khuẩn cellulase tiềm năng từ bã dong riềng. Các chủng này thuộc các loài như Bacillus, Pseudomonas, và Cellulomonas. Mỗi chủng có các đặc điểm riêng về khả năng phân hủy cellulose, khả năng chịu nhiệt, và khả năng sinh trưởng trong các điều kiện khác nhau. Các chủng tốt nhất sẽ được bảo tồn và sử dụng trong các ứng dụng thực tế. Nhận dạng vi khuẩn cellulase bằng phương pháp sinh học phân tử giúp xác định chính xác loài và đánh giá tiềm năng của chúng.

5.2. Hiệu Quả Của Phân Bón Hữu Cơ Từ Bã Dong Riềng

Các thí nghiệm đã chứng minh rằng phân bón hữu cơ từ bã dong riềng có thể cải thiện sự phát triển của cây trồng. Cây trồng được bón phân bón hữu cơ từ bã dong riềng có chiều cao, số lượng lá, và khối lượng cao hơn so với cây trồng không được bón. Phân bón hữu cơ cũng cải thiện độ phì nhiêu của đất và khả năng giữ nước của đất. Các kết quả này cho thấy rằng phân bón hữu cơ từ bã dong riềng là một lựa chọn tốt để thay thế phân bón hóa học.

VI. Kết Luận và Hướng Nghiên Cứu Cellulase và Bã Dong Riềng

Nghiên cứu này đã chứng minh rằng bã dong riềng là một nguồn tài nguyên tiềm năng để sản xuất cellulase và phân bón hữu cơ. Việc sử dụng vi khuẩn cellulase để phân hủy cellulose trong bã dong riềng là một giải pháp bền vững để xử lý bã thải nông nghiệp và cải thiện năng suất cây trồng. Hướng nghiên cứu tiếp theo có thể tập trung vào việc cải thiện hiệu suất sản xuất cellulase và mở rộng ứng dụng của phân bón hữu cơ từ bã dong riềng. Nghiên cứu vi sinh về vi khuẩn cellulase từ các nguồn khác nhau cũng rất quan trọng để tìm ra các chủng có hoạt tính cao hơn và thích hợp với các điều kiện khác nhau. Cần có thêm các nghiên cứu về kinh tế tuân hoàn và sản xuất năng lượng sinh học từ bã thải nông nghiệp.

6.1. Hướng Nghiên Cứu Tiếp Theo Về Cellulase Từ Phụ Phẩm Nông Nghiệp

Hướng nghiên cứu tiếp theo có thể tập trung vào việc cải thiện hiệu suất sản xuất cellulase thông qua kỹ thuật di truyền và tối ưu hóa quá trình lên men. Nghiên cứu cũng có thể khám phá các ứng dụng mới của cellulase trong các lĩnh vực khác nhau như sản xuất nhiên liệu sinh học, công nghiệp dệt may, và công nghiệp thực phẩm. Việc tìm kiếm các chủng vi khuẩn cellulase từ các nguồn khác nhau, chẳng hạn như đất, nước, và các phụ phẩm nông nghiệp khác, cũng rất quan trọng. Nghiên cứu về thủy phân cellulose cũng rất quan trọng để phát triển các quy trình hiệu quả hơn.

6.2. Tiềm Năng Phát Triển Kinh Tế Tuần Hoàn Từ Bã Thải Nông Nghiệp

Kinh tế tuần hoàn là một mô hình kinh tế bền vững, trong đó các nguồn tài nguyên được sử dụng một cách hiệu quả và chất thải được tái chế thành các sản phẩm mới. Việc sử dụng bã thải nông nghiệp để sản xuất cellulase và phân bón hữu cơ là một ví dụ về kinh tế tuần hoàn. Phát triển các quy trình sản xuất hiệu quả và thân thiện với môi trường từ bã thải nông nghiệp có thể tạo ra các cơ hội kinh tế mới và giảm thiểu tác động tiêu cực đến môi trường. Cần có sự hợp tác giữa các nhà khoa học, doanh nghiệp, và chính phủ để thúc đẩy sự phát triển của kinh tế tuần hoàn từ bã thải nông nghiệp.

Tổng quan nghiên cứu

Việt Nam là quốc gia nông nghiệp với lượng phụ phẩm nông nghiệp hàng năm rất lớn, trong đó bã dong riềng là một trong những loại phế phẩm phổ biến từ ngành chế biến tinh bột dong riềng. Tại các làng nghề sản xuất miến dong, lượng bã thải chiếm khoảng 65-70% trọng lượng nguyên liệu, gây ra ô nhiễm nghiêm trọng môi trường đất, nước và không khí. Ví dụ, tại làng nghề Dương Liễu (Hà Nội), trung bình mỗi ngày thải ra hơn 500 tấn bã thải và 15.000 m³ nước thải, trong đó hơn 200 tấn bã dong riềng không được xử lý mà xả thẳng ra môi trường. Thành phần bã dong chủ yếu là lignocellulose chiếm tới 90%, trong đó cellulose chiếm 35-50%, tạo tiềm năng lớn để tái sử dụng làm nguyên liệu sản xuất phân bón hữu cơ hoặc trồng nấm.

Mục tiêu nghiên cứu là phân lập, tuyển chọn và khảo sát đặc điểm chủng vi khuẩn sinh tổng hợp enzyme cellulase từ bã dong riềng sau khi trồng nấm, đồng thời ứng dụng chủng vi khuẩn này trong sản xuất phân bón hữu cơ nhằm nâng cao hiệu quả tái sử dụng phế phẩm, giảm thiểu ô nhiễm môi trường và tăng giá trị kinh tế. Nghiên cứu được thực hiện trên mẫu bã thải trồng nấm thu thập từ các cơ sở tại Hà Nội và các tỉnh lân cận trong năm 2018. Kết quả nghiên cứu góp phần phát triển công nghệ sinh học ứng dụng trong xử lý phế thải nông nghiệp, đồng thời hỗ trợ phát triển nông nghiệp bền vững với các chỉ số cải thiện như hàm lượng cacbon hữu cơ và nitơ tổng trong phân bón.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Nghiên cứu dựa trên các lý thuyết và mô hình enzyme cellulase và vi sinh vật sinh tổng hợp cellulase. Enzyme cellulase là phức hệ enzyme thủy phân cellulose thành glucose, gồm ba loại chính: endo-β-1,4-cellulase, exo-cellobiohydrolase và β-glucosidase. Sự phối hợp đồng bộ của ba enzyme này là cần thiết để phân hủy cellulose hoàn toàn. Vi sinh vật sinh tổng hợp cellulase chủ yếu là các loài nấm và vi khuẩn, trong đó vi khuẩn Bacillus được chú trọng do khả năng sinh trưởng nhanh, tạo enzyme bền nhiệt và có hoạt tính cao.

Các khái niệm chính bao gồm:

• Cellulose: polysaccharide chính trong lignocellulose, thành phần chủ yếu của bã dong riềng.
• Enzyme cellulase: enzyme thủy phân liên kết β-1,4-glucosid trong cellulose.
• Vi khuẩn Bacillus amyloliquefaciens: chủng vi khuẩn Gram dương, sinh bào tử, có khả năng sinh enzyme cellulase và chất kích thích sinh trưởng IAA.
• Phân bón hữu cơ vi sinh: phân bón được sản xuất từ phế thải nông nghiệp kết hợp với vi sinh vật phân giải cellulose, giúp cải tạo đất và tăng năng suất cây trồng.

Phương pháp nghiên cứu

Nguồn dữ liệu gồm 26 chủng vi khuẩn phân lập từ 4 mẫu bã thải nông nghiệp sau khi trồng nấm tại các địa phương Hà Nội, Hà Nam và Viện Di truyền Việt Nam. Mẫu bã dong riềng và mùn cưa được xử lý nhiệt 80°C trong 15 phút để loại bỏ vi sinh vật không sinh bào tử, sau đó pha loãng và cấy trên môi trường Hans chứa carboxymethyl cellulose (CMC) để phân lập vi khuẩn có hoạt tính cellulase.

Phương pháp phân tích bao gồm:

• Tuyển chọn chủng vi khuẩn dựa trên phương pháp cấy chấm điểm, đục lỗ thạch và đo hoạt độ enzyme cellulase bằng phương pháp quang phổ đo lượng đường khử tạo thành.
• Định danh vi khuẩn qua đặc tính sinh lý, sinh hóa và phân tích trình tự gen 16S rRNA bằng kỹ thuật PCR và so sánh dữ liệu với ngân hàng gen quốc tế.
• Khảo sát các yếu tố ảnh hưởng đến sự sinh trưởng của chủng vi khuẩn như nhiệt độ (25-50°C), pH (4-10), tỷ lệ cấp giống, tốc độ lắc và hàm lượng pepton.
• Thử nghiệm ủ phân bón hữu cơ quy mô phòng thí nghiệm với 1 kg bã khô, mật độ vi khuẩn 10^8 CFU/g, theo dõi các chỉ tiêu nhiệt độ, pH, độ ẩm, thể tích sụt lún, hàm lượng cacbon hữu cơ và nitơ tổng trong 28-30 ngày.

Cỡ mẫu gồm 26 chủng vi khuẩn phân lập, trong đó 4 chủng được chọn lọc kỹ càng để đánh giá hoạt tính enzyme và ứng dụng thực nghiệm. Phương pháp chọn mẫu là lấy mẫu ngẫu nhiên từ các cơ sở trồng nấm tiêu biểu. Phân tích số liệu sử dụng các phép đo quang phổ, so sánh tỷ lệ vòng phân giải cellulose và hoạt độ enzyme để xác định chủng ưu việt.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

1. Phân lập và tuyển chọn chủng vi khuẩn sinh cellulase: Từ 26 chủng phân lập, có 15 chủng tạo vòng phân giải cellulose, trong đó 7 chủng có tỷ lệ đường kính vòng phân giải trên khuẩn lạc (D/d) ≥ 2. Qua các phương pháp cấy chấm điểm, đục lỗ thạch và đo hoạt độ enzyme, chủng NDK5 nổi bật với tỷ lệ D/d = 6,14, vòng phân giải đục lỗ thạch lớn nhất 18,3 mm và hoạt độ enzyme cellulase cao nhất 4,29 U/ml.

2. Định danh chủng NDK5: Chủng NDK5 được xác định là Bacillus amyloliquefaciens subsp. plantarum với độ tương đồng 99% qua phân tích trình tự 16S rRNA. Chủng này có đặc điểm Gram dương, hình que, sinh bào tử, di động và có khả năng sinh chất kích thích sinh trưởng IAA.

3. Ảnh hưởng các yếu tố môi trường đến sinh trưởng chủng NDK5: Chủng phát triển tốt trong dải nhiệt độ 25-50°C, pH từ 6 đến 8, tỷ lệ cấp giống 5%, tốc độ lắc 150 vòng/phút và hàm lượng pepton 0,5-1%. Sinh khối đạt cao nhất sau 48 giờ nuôi cấy.

4. Ứng dụng trong ủ phân bón hữu cơ: Thử nghiệm ủ phân bón với chủng NDK5 cho thấy sau 28-30 ngày, nhiệt độ đống ủ đạt 50-60°C, pH ổn định ở khoảng 7, độ ẩm duy trì 50-60%. Hàm lượng cacbon hữu cơ giảm từ khoảng 40% xuống còn 25%, trong khi hàm lượng nitơ tổng tăng từ 1,2% lên 2,1%, chứng tỏ quá trình phân hủy cellulose và mùn hóa hiệu quả.

Thảo luận kết quả

Chủng Bacillus amyloliquefaciens subsp. plantarum NDK5 có hoạt tính cellulase cao, phù hợp với điều kiện nhiệt độ và pH trong quá trình ủ phân bón hữu cơ, đồng thời có khả năng sinh IAA giúp kích thích sinh trưởng cây trồng. Kết quả này tương đồng với các nghiên cứu trước đây về vai trò của Bacillus trong sản xuất enzyme cellulase và phân bón vi sinh. Việc sử dụng chủng NDK5 trong ủ phân bón hữu cơ từ bã dong riềng sau trồng nấm không chỉ giúp xử lý hiệu quả phế phẩm mà còn nâng cao chất lượng phân bón, góp phần cải tạo đất và tăng năng suất cây trồng.

Dữ liệu có thể được trình bày qua biểu đồ so sánh hoạt độ enzyme cellulase của các chủng, biểu đồ tăng trưởng sinh khối theo nhiệt độ và pH, cũng như bảng phân tích hàm lượng cacbon và nitơ trước và sau ủ phân bón. Những kết quả này minh chứng cho tiềm năng ứng dụng thực tiễn của chủng vi khuẩn trong công nghiệp phân bón hữu cơ.

Đề xuất và khuyến nghị

1. Phát triển quy trình sản xuất phân bón hữu cơ vi sinh quy mô công nghiệp: Áp dụng chủng Bacillus amyloliquefaciens subsp. plantarum NDK5 trong ủ phân bón từ bã dong riềng với mật độ 10^8 CFU/g, duy trì nhiệt độ 50-60°C, pH 6-8 trong 28-30 ngày để đảm bảo chất lượng phân bón. Thời gian thực hiện: 12-18 tháng. Chủ thể thực hiện: các doanh nghiệp sản xuất phân bón và viện nghiên cứu.

2. Xây dựng mô hình xử lý phế thải bã dong riềng tại các làng nghề sản xuất miến dong: Tổ chức thu gom và xử lý bã thải bằng công nghệ sinh học kết hợp vi khuẩn NDK5 để giảm thiểu ô nhiễm môi trường và tạo ra sản phẩm phân bón hữu cơ chất lượng cao. Thời gian thực hiện: 6-12 tháng. Chủ thể thực hiện: chính quyền địa phương, hợp tác xã và doanh nghiệp.

3. Đào tạo và chuyển giao công nghệ cho nông dân và cơ sở sản xuất nấm: Tập huấn kỹ thuật sử dụng vi khuẩn phân giải cellulose trong ủ phân bón hữu cơ, nâng cao nhận thức về bảo vệ môi trường và tăng hiệu quả kinh tế. Thời gian thực hiện: liên tục hàng năm. Chủ thể thực hiện: các viện nghiên cứu, trung tâm khuyến nông.

4. Nghiên cứu mở rộng ứng dụng vi khuẩn NDK5 trong các loại phế thải nông nghiệp khác: Khảo sát khả năng phân giải cellulose và cải thiện chất lượng phân bón từ các loại phế phẩm như rơm rạ, bã mía, bã sắn để đa dạng hóa nguồn nguyên liệu. Thời gian thực hiện: 24 tháng. Chủ thể thực hiện: các trường đại học, viện nghiên cứu.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

1. Các nhà nghiên cứu và sinh viên ngành công nghệ sinh học, công nghệ thực phẩm: Nghiên cứu cung cấp dữ liệu chi tiết về phân lập, tuyển chọn vi khuẩn sinh cellulase và ứng dụng trong sản xuất phân bón hữu cơ, hỗ trợ phát triển đề tài liên quan.

2. Doanh nghiệp sản xuất phân bón hữu cơ và xử lý phế thải nông nghiệp: Tham khảo quy trình và kết quả ứng dụng vi khuẩn Bacillus amyloliquefaciens subsp. plantarum trong ủ phân bón, từ đó cải tiến công nghệ sản xuất và nâng cao chất lượng sản phẩm.

3. Chính quyền địa phương và các tổ chức quản lý môi trường: Sử dụng kết quả nghiên cứu để xây dựng chính sách, mô hình xử lý phế thải bã dong riềng tại các làng nghề, giảm thiểu ô nhiễm và phát triển nông nghiệp bền vững.

4. Nông dân và cơ sở sản xuất nấm, trồng cây: Áp dụng kỹ thuật ủ phân bón hữu cơ vi sinh từ bã dong riềng, nâng cao hiệu quả sử dụng phế phẩm, cải tạo đất và tăng năng suất cây trồng.

Câu hỏi thường gặp

1. Vi khuẩn Bacillus amyloliquefaciens subsp. plantarum NDK5 có ưu điểm gì so với các chủng khác?
   Chủng NDK5 có hoạt độ enzyme cellulase cao nhất (4,29 U/ml), khả năng sinh trưởng tốt ở nhiệt độ 25-50°C và pH 6-8, đồng thời sinh chất kích thích sinh trưởng IAA, giúp tăng hiệu quả phân bón và kích thích cây trồng phát triển.

2. Làm thế nào để xác định hoạt tính cellulase của vi khuẩn?
   Hoạt tính cellulase được xác định bằng phương pháp đo lượng đường khử tạo thành sau phản ứng thủy phân cơ chất CMC, sử dụng thuốc thử DNS và đo quang phổ ở bước sóng 540 nm, cho kết quả chính xác về hoạt độ enzyme.

3. Tại sao cần xử lý bã dong riềng bằng vi khuẩn sinh cellulase trước khi làm phân bón?
   Bã dong chứa nhiều cellulose khó phân hủy, vi khuẩn sinh cellulase giúp phân giải cellulose thành các hợp chất dễ hấp thu, tăng tốc độ mùn hóa, cải thiện chất lượng phân bón và giảm ô nhiễm môi trường.

4. Quá trình ủ phân bón hữu cơ cần kiểm soát những yếu tố nào?
   Các yếu tố quan trọng gồm nhiệt độ (50-60°C), pH (6-8), độ ẩm (50-60%), mật độ vi khuẩn (10^8 CFU/g), và thời gian ủ (28-30 ngày). Kiểm soát tốt các yếu tố này giúp quá trình phân hủy hiệu quả và phân bón đạt chất lượng cao.

5. Ứng dụng của phân bón hữu cơ vi sinh từ bã dong riềng trong nông nghiệp ra sao?
   Phân bón hữu cơ vi sinh giúp cải tạo đất, tăng độ phì nhiêu, cung cấp dinh dưỡng bền vững cho cây trồng, giảm sử dụng phân hóa học, nâng cao năng suất và chất lượng nông sản, đồng thời góp phần bảo vệ môi trường.

Kết luận

• Đã phân lập và tuyển chọn thành công chủng vi khuẩn Bacillus amyloliquefaciens subsp. plantarum NDK5 có hoạt tính cellulase cao và khả năng sinh chất kích thích sinh trưởng IAA.
• Chủng NDK5 phát triển tốt trong điều kiện nhiệt độ 25-50°C, pH 6-8, phù hợp cho ứng dụng trong ủ phân bón hữu cơ.
• Thử nghiệm ủ phân bón hữu cơ từ bã dong riềng với chủng NDK5 cho kết quả cải thiện hàm lượng nitơ tổng và giảm cacbon hữu cơ, chứng tỏ hiệu quả phân hủy cellulose và mùn hóa.
• Nghiên cứu góp phần phát triển công nghệ sinh học xử lý phế thải nông nghiệp, giảm ô nhiễm môi trường và nâng cao giá trị kinh tế cho ngành sản xuất miến dong.
• Đề xuất mở rộng ứng dụng và chuyển giao công nghệ cho các địa phương, doanh nghiệp nhằm phát triển bền vững ngành nông nghiệp và bảo vệ môi trường.

Hành động tiếp theo: Khuyến khích các tổ chức, doanh nghiệp áp dụng quy trình ủ phân bón hữu cơ vi sinh từ bã dong riềng với chủng NDK5, đồng thời triển khai đào tạo kỹ thuật và nghiên cứu mở rộng ứng dụng trên các loại phế thải khác.