Luận văn thạc sĩ về xạ khuẩn và enzyme ngoại bào trong xử lý chất thải chăn nuôi

Luận văn thạc sĩ nghiên cứu phân lập xạ khuẩn sinh enzyme ngoại bào, ứng dụng hiệu quả trong xử lý chất thải chăn nuôi, góp phần bảo vệ môi trường.

• Tác giả: Lê Viết Tùng
• Người hướng dẫn: TS. Nguyễn Quang Tuyên - Viện Khoa học Sự sống
• Trường học: Đại học Nông Lâm - Đại học Thái Nguyên
• Chuyên ngành: Công nghệ Sinh học
• Đề tài: Phân lập một số chủng xạ khuẩn có khả năng sinh enzyme ngoại bào ứng dụng trong sản xuất chế phẩm xử lý chất thải chăn nuôi
• Loại tài liệu: khóa luận tốt nghiệp đại học
• Năm xuất bản: 2014
• Địa điểm: Thái Nguyên

Mục lục chi tiết

• LỜI CẢM ƠN
• 1. PHẦN 1: MỞ ĐẦU
• 1.1. Mục tiêu nghiên cứu
• 1.2. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài
• 1.2.1. Ý nghĩa khoa học
• 1.2.2. Ý nghĩa thực tiễn
• 2. PHẦN 2: TỔNG QUAN TÀI LIỆU
• 2.1. Tổng quan về chất thải chăn nuôi
• 2.2. Đặc điểm của chất thải chăn nuôi
• 2.2.1. Chất thải chăn nuôi rắn
• 2.2.2. Chất thải chăn nuôi lỏng
• 2.3. Tình hình ô nhiễm môi trường do chất thải chăn nuôi ở Việt Nam
• 2.4. Khả năng gây ô nhiễm của chất thải chăn nuôi
• 3. ĐỐI TƯỢNG, NỘI DUNG VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU
• 4. KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN
• 5. KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ
• TÀI LIỆU THAM KHẢO

Tóm tắt

I. Giới thiệu về nghiên cứu xạ khuẩn sinh enzyme ngoại bào

Nghiên cứu này tập trung vào việc phân lập và tuyển chọn các chủng xạ khuẩn có khả năng sinh enzyme ngoại bào để ứng dụng trong xử lý chất thải chăn nuôi. Xạ khuẩn là nhóm vi sinh vật quan trọng trong công nghệ sinh học, đặc biệt là trong việc sản xuất các enzyme sinh học có khả năng phân hủy chất hữu cơ. Chất thải chăn nuôi là nguồn ô nhiễm môi trường nghiêm trọng, chứa nhiều hợp chất hữu cơ như cellulose, protein, và tinh bột. Việc sử dụng xạ khuẩn để xử lý sinh học chất thải này không chỉ giảm thiểu ô nhiễm mà còn tạo ra các sản phẩm có giá trị kinh tế.

1.1. Mục tiêu nghiên cứu

Mục tiêu chính của nghiên cứu là phân lập các chủng xạ khuẩn có khả năng sinh enzyme ngoại bào mạnh, đồng thời nghiên cứu đặc điểm sinh học và khả năng ứng dụng của chúng trong sản xuất chế phẩm xử lý chất thải chăn nuôi. Nghiên cứu này cũng nhằm bổ sung cơ sở dữ liệu về xạ khuẩn và khả năng sử dụng chúng trong xử lý sinh học.

1.2. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn

Nghiên cứu có ý nghĩa khoa học trong việc bổ sung kiến thức về xạ khuẩn và enzyme ngoại bào. Về mặt thực tiễn, nghiên cứu giúp xác định các chủng xạ khuẩn có khả năng phân hủy chất thải chăn nuôi, từ đó ứng dụng vào sản xuất chế phẩm vi sinh, giúp đơn giản hóa và rút ngắn quá trình xử lý chất thải.

II. Tổng quan về chất thải chăn nuôi

Chất thải chăn nuôi bao gồm các chất rắn, lỏng và khí phát sinh từ quá trình chăn nuôi. Chúng chứa nhiều hợp chất hữu cơ như cellulose, protein, và tinh bột, có khả năng gây ô nhiễm môi trường nếu không được xử lý đúng cách. Chất thải chăn nuôi cũng là nguồn phát thải khí nhà kính như CO2, CH4, và N2O, góp phần vào hiện tượng nóng lên toàn cầu. Việc hiểu rõ thành phần và tính chất của chất thải chăn nuôi là cần thiết để đưa ra các biện pháp xử lý sinh học hiệu quả.

2.1. Đặc điểm của chất thải chăn nuôi

Chất thải chăn nuôi bao gồm phân, nước tiểu, thức ăn thừa, và các vật liệu lót chuồng. Chúng có hàm lượng chất hữu cơ cao, tạo điều kiện thuận lợi cho vi sinh vật phát triển. Phân gia súc chứa nhiều chất dinh dưỡng nhưng cũng là nguồn gây ô nhiễm nếu không được xử lý. Nước thải chăn nuôi chứa nhiều vi khuẩn và ký sinh trùng có hại, gây nguy hiểm cho sức khỏe con người và động vật.

2.2. Tình hình ô nhiễm do chất thải chăn nuôi

Tại Việt Nam, chất thải chăn nuôi là một trong những nguồn ô nhiễm môi trường nghiêm trọng. Theo thống kê, chỉ khoảng 40% lượng chất thải được xử lý, phần còn lại được thải trực tiếp ra môi trường, gây ô nhiễm đất, nước, và không khí. Ô nhiễm do chất thải chăn nuôi cũng là nguyên nhân gây ra các dịch bệnh nguy hiểm như cúm gia cầm và lở mồm long móng.

III. Phương pháp nghiên cứu xạ khuẩn sinh enzyme ngoại bào

Nghiên cứu sử dụng các phương pháp phân lập và nuôi cấy xạ khuẩn từ các mẫu đất và phân ủ hoai mục. Các chủng xạ khuẩn được tuyển chọn dựa trên khả năng sinh enzyme ngoại bào như cellulase, protease, và amylase. Các đặc điểm sinh học của chủng xạ khuẩn được nghiên cứu kỹ lưỡng, bao gồm hình thái khuẩn lạc, khả năng đồng hóa đường, và khả năng chống chịu muối. Phương pháp sinh học phân tử cũng được sử dụng để xác định trình tự gen 16S rRNA của các chủng xạ khuẩn.

3.1. Phân lập và tuyển chọn xạ khuẩn

Các chủng xạ khuẩn được phân lập từ mẫu đất và phân ủ hoai mục. Quá trình tuyển chọn dựa trên khả năng sinh enzyme ngoại bào của các chủng. Các chủng có hoạt tính enzyme cao được lựa chọn để nghiên cứu sâu hơn về đặc điểm sinh học và khả năng ứng dụng trong xử lý chất thải chăn nuôi.

3.2. Đánh giá khả năng sinh enzyme ngoại bào

Khả năng sinh enzyme ngoại bào của các chủng xạ khuẩn được đánh giá thông qua các thí nghiệm đo hoạt tính enzyme. Các enzyme như cellulase, protease, và amylase được quan tâm đặc biệt do vai trò của chúng trong quá trình phân hủy chất hữu cơ trong chất thải chăn nuôi.

IV. Kết quả và ứng dụng của nghiên cứu

Nghiên cứu đã phân lập được một số chủng xạ khuẩn có khả năng sinh enzyme ngoại bào mạnh, đặc biệt là các chủng T1 và T4. Các chủng này có hoạt tính enzyme cao và khả năng chống chịu tốt với các điều kiện môi trường khắc nghiệt. Kết quả nghiên cứu cho thấy tiềm năng ứng dụng của các chủng xạ khuẩn trong sản xuất chế phẩm xử lý chất thải chăn nuôi, giúp giảm thiểu ô nhiễm môi trường và tạo ra các sản phẩm có giá trị kinh tế.

4.1. Kết quả phân lập xạ khuẩn

Nghiên cứu đã phân lập được 14 chủng xạ khuẩn từ các mẫu đất và phân ủ hoai mục. Trong đó, hai chủng T1 và T4 được đánh giá cao về khả năng sinh enzyme ngoại bào và khả năng chống chịu với các điều kiện môi trường khác nhau.

4.2. Ứng dụng trong xử lý chất thải chăn nuôi

Các chủng xạ khuẩn được nghiên cứu có tiềm năng ứng dụng trong sản xuất chế phẩm xử lý chất thải chăn nuôi. Chúng có khả năng phân hủy các hợp chất hữu cơ trong chất thải chăn nuôi, giúp giảm thiểu ô nhiễm môi trường và tạo ra các sản phẩm có giá trị kinh tế như phân bón hữu cơ.

Trích đoạn nội dung tài liệu

Đặt vấn đề Nông nghiệp là ngành kinh tế quan trọng của Việt Nam, có vai trò quan trọng trong chiến lược ổn định và phát triển kinh tế - xã hội. Hằng năm ngành này đóng góp khoảng 18% tổng GDP cả nước [3]. Trong cơ cấu ngành Nông Nghiệp nước ta, ngành chăn nuôi đóng vai trò hết sức quan trọng. Sản phẩm của ngành là những nhu yếu phẩm, mặt hàng rất cần thiết đối với cuộc sống hằng ngày của con người.

Đây cũng là ngành kinh tế giúp người nông dân tăng thu nhập, giải quyết được nhiều công ăn việc làm cho người lao động. Tuy nhiên, bên cạnh việc sản xuất và cung cấp một số lượng lớn sản phẩm quan trọng cho nhu cầu của con người, ngành chăn nuôi cũng đã gây nên nhiều hiện tượng tiêu cực về môi trường. Ngoài chất thải rắn và chất thải lỏng, chăn nuôi hiện đóng góp khoảng 18% hiệu ứng nóng lên của trái đất do thải ra các khí gây hiệu ứng nhà kính, trong đó có 9% tổng số khí CO2 sinh ra, 37% khí mêtan (CH4) và 65% oxit nitơ (N2O) [25]. Ngày nay, xã hội phát triển kèm theo đó là sự gia tăng dân số diễn ra không ngừng dẫn tới nhu cầu đối với sản phẩm ngành chăn nuôi ngày càng lớn.

Để đáp ứng được yêu cầu ngày càng lớn đó ngành chăn nuôi cần phải có những thay đổi tích cực. Đó là mở rộng quy mô sản xuất, thay đổi phương thức sản xuất hay ứng dụng các biện pháp khoa học kỹ để làm tăng năng suất, chất lượng, sản lượng các sản phẩm của ngành. Và việc mở rộng quy mô sản xuất chăn nuôi cũng đồng nghĩa với lượng chất thải do chăn nuôi thải ra sẽ tăng lên. Từ đó làm nảy sinh thêm nhiều những vấn đề về môi trường và những hệ lụy của nó có thể tác động tiêu cực tới con người.

Đối với những hộ chăn nuôi nhỏ lẻ, không tập trung thông thường những nguồn chất thải từ chăn nuôi gia súc, gia cầm chỉ được thu dọn sơ sài không xử lý triệt để gây ô nhiễm nguồn nước, không khí là môi trường sống của chúng ta. Hầu hết những trang trại chăn nuôi người ta chưa quan tâm đúng mức đến vấn đề xử lý chất thải do quá trình chăn nuôi tạo ra. Điều này gây thiệt hại lớn về kinh tế và đe doạ sức khoẻ dân cư, là nguyên nhân phát sinh nhiều dịch bệnh nguy hiểm ở gia súc, gia cầm cũng như ở người (sốt xuất huyết, viêm não nhật bản, cúm do virut …) [8]. n 2 Thành phần trong chất thải chăn nuôi có chứa nhiều hợp chất hữu cơ như tinh bột, cellulose, protein… [25].

Đây là nguồn hữu cơ phong phú nếu được đem xử lý và tái sử dụng phục vụ sản xuất nông nghiệp. Như vậy, vừa có giá trị kinh tế mà quan trọng hơn là giảm thiểu được nguy cơ gây ô nhiễm môi trường. Hiện nay, có nhiều phương pháp xử lý chất thải chăn nuôi như phương pháp ủ hoai mục thông thường, công nghệ biogas, sử dụng làm phân bón, … [25]. Nhưng các phương pháp này thường cần phải có kinh phí đầu tư cao, yêu cầu kỹ thuật, mất nhiều thời gian xử lý cho nên chưa thực sự tiện dụng với bà con nông dân.

Sử dụng phương pháp sinh học để xử lý môi trường đang ngày càng trở nên phổ biến bởi những ưu điểm như đơn giản, dễ thực hiện, chi phí thấp, có thể kết hợp với những biện pháp khác để nâng cao hiệu quả xử lý. Từ thực tiễn đó tôi tiến hành thực hiện đề tài: “Phân lập một số chủng xạ khuẩn có khả năng sinh enzyme ngoại bào ứng dụng trong sản xuất chế phẩm xử lý chất thải chăn nuôi”. Mục tiêu nghiên cứu - Phân lập và tuyển chọn được một số chủng xạ khuẩn có khả năng sinh enzyme ngoại bào mạnh. - Nghiên cứu được đặc điểm sinh học, khả năng sinh enzyme ngoại bào để làm cơ sở cho việc sản xuất chế phẩm xử lý chất thải chăn nuôi.

Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài 1. Ý nghĩa khoa học - Phân lập và tuyển chọn được một số chủng xạ khuẩn tại Thái Nguyên có khả năng sinh enzyme ngoại bào. - Bổ sung cơ sở dữ liệu về nghiên cứu xạ khuẩn. - Bổ sung thêm dữ liệu về khả năng sử dụng xạ khuẩn trong xử lý chất thải chăn nuôi.

Ý nghĩa thực tiễn - Xác định được các chủng xạ khuẩn phân giải chất thải trong chăn nuôi ứng dụng vào thực tế sản xuất chế phẩm vi sinh nhằm làm đơn giản và rút ngắn quá trình phân giải chất thải chăn nuôi. n 3 PHẦN 2 TỔNG QUAN TÀI LIỆU 2. Tổng quan về chất thải chăn nuôi 2. Đặc điểm của chất thải chăn nuôi Chăn nuôi được xác định là một trong những ngành sản xuất tạo ra một lượng chất thải nhiều nhất ra môi trường.

Chất thải chăn nuôi là một tập hợp phong phú bao gồm các chất ở tất cả các dạng rắn, lỏng hay khí phát sinh trong quá trình chăn nuôi, lưu trữ, chế biến hay sử dụng chất thải [15]. Các chất thải chăn nuôi được phát sinh chủ yếu từ [15]: - Chất thải của bản thân gia súc, gia cầm như: phân, nước tiểu, lông, vảy da và các phủ tạng loại thải của gia súc, gia cầm. - Nước thải từ quá trình tắm gia súc, rửa chuồng hay rửa dụng cụ và thiết bị chăn nuôi, nước làm mát hay từ các hệ thống dịch vụ chăn nuôi. - Thức ăn thừa, các vật dụng chăn nuôi, thú y bị loại ra trong quá trình chăn nuôi.

- Bệnh phẩm thú y, xác gia súc, gia cầm chết. - Bùn lắng từ các mương dẫn, hố chứa hay lưu trữ và chế biến hay xử lý chất thải Chất thải chăn nuôi chứa nhiều thành phần có khả năng gây ô nhiễm môi trường, làm ảnh hưởng đến sự sinh trưởng, phát triển của gia súc, gia cầm và sức khỏe của con người. Vì vậy, việc hiểu rõ thành phần và các tính chất của chất thải chăn nuôi nhằm có biện pháp quản lý và xử lý thích hợp, khống chế ô nhiễm, tận dụng nguồn chất thải giàu hữu cơ vào mục đích kinh tế là một việc làm cần thiết [15]. Chất thải chăn nuôi rắn [15].

- Chất thải rắn: là hỗn hợp các chất hữu cơ, vô cơ, vi sinh vật và trứng ký sinh trùng có thể gây bệnh cho người và gia súc. Chất thải rắn gồm phân, thức ăn thừa của gia súc, gia cầm vật liệu lót chuồng, xác súc vật chết. Chất n 4 thải rắn có độ ẩm từ 56 - 83% tùy theo phân của các loài gia súc, gia cầm khác nhau và có tỉ lệ chất hữu cơ cao. + Xác súc vật chết do bệnh, do bị dẫm đạp, đè chết, do sốc nhiệt, cần được thu gom và xử lý triệt để.

+ Thức ăn dư thừa và vật liệu lót chuồng có thành phần đa dạng gồm cám, bột ngũ cốc, bột cá, bột tôm, khoáng, chất bổ sung, các loại kháng sinh, rau xanh, cỏ, rơm rạ, bao bố, vải vụn, gỗ… + Phân là sản phẩm loại thải của quá trình tiêu hóa thức ăn của gia súc, gia cầm bị bài tiết ra ngoài qua đường tiêu hóa. Chính vì vậy phân gia súc là sản phẩm dinh dưỡng tốt cho cây trồng hay các loại sinh vật khác như cá, giun. Thành phần hoá học của phân bao gồm: Các chất hữu cơ (protein, carbonhydrate, chất béo và các sản phẩm trao đổi của chúng), các chất vô cơ (khoáng đa lượng, vi lượng), nước (chiếm 65 – 80% khối lượng của phân), các men tiêu hóa của vật nuôi, các mô và chất nhờn tróc ra từ niêm mạc đường tiêu hoá, các yếu tố gây bệnh như các vi khuẩn hay ký sinh trùng bị nhiễm trong đường tiêu hoá gia súc hay trong thức ăn. Do hàm lượng nước cao, giàu chất hữu cơ cho nên phân là môi trường tốt cho các vi sinh vật phát triển nhanh chóng và phân hủy các chất hữu cơ tạo nên các sản phẩm có thể gây độc cho con người và các sinh vật khác.

Thành phần các chất trong phân phụ thuộc vào nhiều yếu tố như thành phần dưỡng chất của thức ăn và nước uống, độ tuổi của vật nuôi. Mỗi độ tuổi có khả năng tiêu hóa và nhu cầu cá thể khác nhau. Thành phần các chất vô cơ (%) của một số loại vật [28] Loại H2 O N P2O5 K2 O CaO MgO phân Lợn 82,0 0,80 0,41 0,26 0,09 0,10 Trâu bò 83,1 0,29 0,17 1,00 0,35 0,13 Ngựa 75,7 0,44 0,35 0,35 0,15 0,12 Gà 56,0 1,63 1,54 0,85 2,40 0,74 Vịt 56,0 1,00 1,40 0,62 1,70 0,35 n 5 Theo Cục Chăn nuôi năm 2011 [4], ở nông thôn Việt Nam có khoảng 8.5 triệu hộ chăn nuôi với gần 6 triệu con bò, gần 3 triệu con trâu, 27 triệu con lợn, 300 triệu con gia cầm. Lượng chất thải do chăn nuôi gia súc, gia cầm trong một số năm gần đây được thể hiện trong bảng 2.

Khối lượng chất thải rắn chăn nuôi ở Việt Nam [4] Tổng số đầu con CTR Tổng chất thải rắn Loài (triệu con) Bình quân (triệu tấn/năm) STT vật nuôi (kg/ngày/ 2008 2009 2010 mỗi con) 2008 2009 2010 1 Trâu 6,33 6,103 5,916 10 23,105 22,276 21,593 2 Bò 2,89 2,886 2,913 15 15,823 15,801 15,948 3 Lợn 26,7 27,63 27,37 2 19,491 20,17 19,98 4 Gia cầm 247,32 280 300 0,2 18,054 20,44 21,9 5 Dê, cừu 1,34 1,37 1,29 1,5 734 750 706 6 Ngựa 0,12 0,102 0,09 4 175 149 131 2. Chất thải chăn nuôi lỏng Chất thải chăn nuôi lỏng bao gồm: nước tiểu, nước rửa chuồng, tắm rửa gia súc, vệ sinh lò mổ. Nước tiểu là chất lỏng được thải ra sau quá trình trao đổi chất sinh vật; các chất dinh dưỡng trong thức ăn trải qua quá trình tiêu hóa được hấp thụ và hòa tan vào máu, sau quá trình trao đổi chất phân và nước tiểu được bài tiết ra ngoài. Thành phần của nước tiểu gia súc tùy thuộc vào điều kiện dinh dưỡng và khí hậu.

Đặc tính chung của nước tiểu gia súc là loại phân bón giàu đạm và kali, hàm lượng lân ít hoặc không đáng kể [1], [2]. Trong nước thải, hợp chất hữu cơ chiếm 70 - 80% gồm cellulose, protein, acid amin, chất béo, hydrat carbon và các dẫn xuất của chúng. Hầu hết các chất hữu cơ dễ phân hủy, các chất vô cơ chiếm 20 - 30% gồm cát, đất, muối, urê, muối clorua. Quá trình phân hủy các chất hữu cơ trong điều kiện n 6 hiếu khí sẽ cho các sản phẩm CO2, H2O, NO2-, NO3-, trong quá trình kị khí là CH4, N2, NH3, H2S [2], [5].