Tổng quan nghiên cứu

Việt Nam là một trong những quốc gia có điều kiện thuận lợi cho sản xuất nông nghiệp, trong đó cây lúa giữ vị trí trung tâm với sản lượng trung bình hàng năm khoảng 38 đến 40 triệu tấn trên diện tích gieo trồng khoảng 7,44 triệu ha. Từ sản lượng lúa này, lượng rơm rạ thải ra ước tính lên đến 40 đến 46 triệu tấn mỗi năm. Rơm rạ được sử dụng đa dạng như làm lót chuồng, trồng nấm, làm chất đốt, thức ăn gia súc, sản xuất điện, vận chuyển hàng hóa hoặc đốt trực tiếp tại ruộng. Tuy nhiên, việc xử lý rơm rạ hiện nay chưa hiệu quả, gây ô nhiễm môi trường và ảnh hưởng đến sức khỏe con người.

Luận văn tập trung nghiên cứu xử lý rơm rạ bằng các chủng nấm mốc Trichoderma spp có khả năng phân giải cellulose và lignin cao, nhằm rút ngắn thời gian phân hủy và sử dụng làm thức ăn nuôi trùn quế (Perionyx excavatus). Mục tiêu cụ thể là phân lập và tuyển chọn các chủng Trichoderma hiệu quả, xác định điều kiện nuôi cấy tối ưu để tổng hợp enzyme cellulase, lignin peroxidase và manganese peroxidase, khảo sát các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình phân hủy rơm rạ, đồng thời thử nghiệm phối trộn rơm rạ đã xử lý với phân bò tươi để nuôi trùn quế.

Nghiên cứu được thực hiện trong năm 2013 tại Thành phố Hồ Chí Minh, với phạm vi nguyên liệu rơm rạ thu thập từ các hộ nông dân quận 12. Kết quả nghiên cứu có ý nghĩa quan trọng trong việc cải thiện môi trường nông thôn, giảm thiểu ô nhiễm do đốt rơm rạ, đồng thời nâng cao hiệu quả kinh tế cho người nông dân thông qua việc phát triển nguồn thức ăn cho trùn quế, góp phần xây dựng chu trình sản xuất nông nghiệp khép kín và bền vững.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Luận văn dựa trên các lý thuyết và mô hình nghiên cứu về phân giải cellulose và lignin trong phụ phẩm nông nghiệp:

  • Cellulose và hệ enzyme cellulase: Cellulose là polysaccharide chủ yếu trong thành tế bào thực vật, chiếm 34-38% trong rơm rạ. Hệ enzyme cellulase gồm endoglucanase, exoglucanase và β-glucosidase phối hợp phân giải cellulose thành glucose. Hoạt tính enzyme phụ thuộc vào pH, nhiệt độ và độ ẩm môi trường.

  • Lignin và enzyme phân giải lignin: Lignin là polymer phức tạp, chiếm khoảng 12% trong rơm rạ, có vai trò bảo vệ cellulose. Các enzyme chính phân giải lignin gồm lignin peroxidase (LiP), manganese peroxidase (MnP) và laccase (Lac), hoạt động thông qua phản ứng oxy hóa khử, cần hệ thống cung cấp H2O2 và các chất chuyển điện tử.

  • Trichoderma spp: Là nhóm nấm mốc phổ biến trong đất, có khả năng sinh tổng hợp enzyme cellulase và ligninase với hiệu suất cao. Trichoderma spp phát triển tốt ở pH 4-6, nhiệt độ 25-30°C, được ứng dụng rộng rãi trong xử lý phụ phẩm nông nghiệp và kiểm soát sinh học.

  • Trùn quế (Perionyx excavatus): Là loài trùn ăn phân có giá trị dinh dưỡng cao, thích hợp nuôi trong môi trường ẩm, pH 7.0-7.5, nhiệt độ 20-30°C. Trùn quế có khả năng chuyển hóa chất hữu cơ thành phân trùn giàu dinh dưỡng, góp phần cải tạo đất và phát triển nông nghiệp bền vững.

Phương pháp nghiên cứu

  • Nguồn dữ liệu: Rơm rạ thu thập từ các hộ nông dân quận 12, TP. Hồ Chí Minh; chủng Trichoderma phân lập từ đất và phụ phẩm nông nghiệp đang phân hủy tại các quận 9, Thủ Đức, Bình Chánh, Hóc Môn.

  • Phân lập và tuyển chọn chủng Trichoderma: Sử dụng phương pháp pha loãng và cấy trên môi trường Czapek-Dox chứa cơ chất cellulose (CMC) và lignin để đánh giá khả năng phân giải qua vòng phân giải enzyme. Quan sát hình thái đại thể và vi thể để xác định chủng.

  • Nuôi cấy và khảo sát điều kiện tối ưu: Thực hiện lên men bán rắn để nhân sinh khối Trichoderma, khảo sát ảnh hưởng của thời gian nuôi cấy, pH, độ ẩm và nhiệt độ đến hoạt tính enzyme cellulase, lignin peroxidase và manganese peroxidase bằng phương pháp khuếch tán enzyme trong thạch đĩa.

  • Xử lý rơm rạ: Tiền xử lý bằng dung dịch nước vôi với các nồng độ 3-9% và thời gian 1-5 ngày để giảm hàm lượng lignin. Sau đó ủ rơm rạ với hỗn hợp 3 chủng Trichoderma với tỷ lệ giống ban đầu 5% và độ ẩm 65%.

  • Nuôi trùn quế: Thử nghiệm phối trộn rơm rạ đã xử lý với phân bò tươi theo tỷ lệ 80% phân bò : 20% rơm rạ, nuôi trùn quế trong 30 ngày, đánh giá sinh khối và hệ số sinh trưởng trùn.

  • Phân tích số liệu: Sử dụng cân kỹ thuật để đo trọng lượng, máy đo pH, máy quang phổ để xác định hàm lượng cellulose và lignin, phân tích thống kê mô tả và so sánh tỷ lệ phần trăm thay đổi.

  • Timeline nghiên cứu: Nghiên cứu bắt đầu từ tháng 01/2013, hoàn thành tháng 11/2013, bảo vệ luận văn tháng 12/2013.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

  1. Phân lập và tuyển chọn chủng Trichoderma hiệu quả: Ba chủng Trichoderma được chọn có khả năng phân giải cellulose và lignin cao trên môi trường lên men bán rắn. Hoạt tính cellulase đạt tối đa sau 7 ngày nuôi cấy, với vòng phân giải enzyme lớn hơn 20 mm trên môi trường CMC.

  2. Ảnh hưởng điều kiện nuôi cấy đến hoạt tính enzyme:

    • Thời gian nuôi cấy 7-10 ngày cho hoạt tính cellulase, lignin peroxidase và manganese peroxidase cao nhất.
    • pH tối ưu cho hoạt tính enzyme là 5.5-6.5.
    • Độ ẩm 65% và nhiệt độ 30°C là điều kiện thích hợp nhất để tổng hợp enzyme.
      Ví dụ, hoạt tính cellulase tăng 15% khi pH điều chỉnh từ 4 lên 6.

  3. Giảm hàm lượng lignin trong rơm rạ sau xử lý:

    • Xử lý rơm rạ bằng dung dịch nước vôi 7% trong 3 ngày làm giảm lignin 3.67% so với ban đầu.
    • Sau ủ 30 ngày với hỗn hợp 3 chủng Trichoderma, hàm lượng cellulose giảm còn 11.4%, lignin giảm 3.67%, cho thấy hiệu quả phân giải cao.

  4. Hiệu quả nuôi trùn quế trên nền thức ăn phối trộn:

    • Tỷ lệ phối trộn 80% phân bò tươi và 20% rơm rạ xử lý cho sinh khối trùn tăng 154.55% sau 30 ngày.
    • Khối lượng trùn tăng thêm 60g trên mỗi m2 nuôi.
    • So với đối chứng chỉ dùng phân bò, sinh trưởng trùn tăng khoảng 30%.

Thảo luận kết quả

Kết quả cho thấy việc sử dụng các chủng Trichoderma spp phân lập từ môi trường tự nhiên có khả năng phân giải cellulose và lignin hiệu quả, phù hợp với điều kiện nuôi cấy bán rắn. Điều kiện pH, độ ẩm và nhiệt độ được tối ưu hóa giúp tăng hoạt tính enzyme, từ đó rút ngắn thời gian phân hủy rơm rạ.

Việc xử lý rơm rạ bằng dung dịch kiềm kết hợp ủ với Trichoderma làm giảm đáng kể hàm lượng lignin, giúp cải thiện khả năng tiêu hóa của trùn quế đối với phụ phẩm này. So với các nghiên cứu trước đây về xử lý phụ phẩm nông nghiệp, kết quả này khẳng định tiềm năng ứng dụng Trichoderma trong xử lý sinh học rơm rạ.

Phối trộn rơm rạ đã xử lý với phân bò tươi làm thức ăn cho trùn quế không chỉ nâng cao sinh trưởng trùn mà còn góp phần giảm lượng phân thải, cải thiện chất lượng phân trùn, từ đó tăng hiệu quả kinh tế cho người nông dân. Dữ liệu có thể được trình bày qua biểu đồ tăng trưởng sinh khối trùn theo thời gian và bảng so sánh hàm lượng cellulose, lignin trước và sau xử lý.

Đề xuất và khuyến nghị

  1. Phát triển quy trình xử lý rơm rạ bằng Trichoderma spp: Áp dụng quy trình ủ rơm rạ với hỗn hợp 3 chủng Trichoderma ở tỷ lệ 5% giống ban đầu, độ ẩm 65%, pH 6 và nhiệt độ 30°C trong 30 ngày để giảm lignin và cellulose, nâng cao hiệu quả phân hủy. Thời gian thực hiện: 1 vụ mùa; Chủ thể: các cơ sở sản xuất phân bón hữu cơ và trang trại nông nghiệp.

  2. Khuyến khích phối trộn rơm rạ xử lý với phân bò tươi làm thức ăn nuôi trùn quế: Tỷ lệ phối trộn 80% phân bò và 20% rơm rạ xử lý giúp tăng sinh khối trùn trên 150%, cải thiện nguồn thức ăn cho trùn, giảm chi phí thức ăn. Thời gian áp dụng: liên tục trong mùa vụ; Chủ thể: hộ nông dân và doanh nghiệp nuôi trùn.

  3. Đào tạo và chuyển giao kỹ thuật nuôi trùn quế trên nền thức ăn xử lý rơm rạ: Tổ chức các lớp tập huấn kỹ thuật xử lý rơm rạ và nuôi trùn quế, cung cấp tài liệu hướng dẫn chi tiết, hỗ trợ kỹ thuật tại chỗ. Thời gian: 6 tháng đầu năm; Chủ thể: các trung tâm khuyến nông, trường đại học và tổ chức phi chính phủ.

  4. Xây dựng mô hình xử lý rơm rạ và nuôi trùn quế quy mô lớn: Triển khai mô hình điểm tại các vùng trọng điểm sản xuất lúa như Đồng bằng sông Cửu Long, nhằm đánh giá hiệu quả kinh tế và môi trường, làm cơ sở nhân rộng. Thời gian: 1-2 năm; Chủ thể: chính quyền địa phương, doanh nghiệp và hợp tác xã nông nghiệp.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

  1. Nông dân và chủ trang trại: Nắm bắt kỹ thuật xử lý rơm rạ và nuôi trùn quế để tận dụng phụ phẩm nông nghiệp, giảm chi phí thức ăn, tăng thu nhập từ phân trùn và trùn thịt.

  2. Các nhà nghiên cứu và sinh viên ngành Công nghệ sinh học, Nông nghiệp: Tham khảo phương pháp phân lập, tuyển chọn vi sinh vật phân giải cellulose và lignin, ứng dụng enzyme trong xử lý phụ phẩm nông nghiệp.

  3. Doanh nghiệp sản xuất phân bón hữu cơ và thức ăn chăn nuôi: Áp dụng quy trình xử lý rơm rạ bằng Trichoderma để sản xuất phân bón vi sinh chất lượng cao, phát triển nguồn thức ăn sinh học cho chăn nuôi.

  4. Cơ quan quản lý và khuyến nông: Xây dựng chính sách, chương trình hỗ trợ kỹ thuật và nhân rộng mô hình xử lý rơm rạ thân thiện môi trường, góp phần giảm ô nhiễm và phát triển nông nghiệp bền vững.

Câu hỏi thường gặp

  1. Tại sao cần xử lý rơm rạ trước khi dùng làm thức ăn cho trùn quế?
    Rơm rạ chứa nhiều cellulose và lignin khó phân giải, nếu không xử lý sẽ làm giảm khả năng tiêu hóa của trùn quế, ảnh hưởng đến sinh trưởng. Xử lý bằng Trichoderma giúp phân giải các thành phần này, tăng hiệu quả sử dụng.

  2. Các chủng Trichoderma được chọn có đặc điểm gì nổi bật?
    Ba chủng được tuyển chọn có khả năng sinh tổng hợp enzyme cellulase và ligninase cao, phát triển nhanh trên môi trường lên men bán rắn, thích nghi tốt với điều kiện pH 5-6 và nhiệt độ 25-30°C.

  3. Tỷ lệ phối trộn rơm rạ và phân bò như thế nào là tối ưu cho nuôi trùn?
    Tỷ lệ 80% phân bò tươi và 20% rơm rạ đã xử lý được xác định là tối ưu, giúp tăng sinh khối trùn lên 154.55% sau 30 ngày, cải thiện chất lượng thức ăn và giảm chi phí.

  4. Quy trình xử lý rơm rạ bằng dung dịch nước vôi có tác dụng gì?
    Dung dịch nước vôi giúp làm giảm hàm lượng lignin trong rơm rạ, làm mềm cấu trúc cellulose, tạo điều kiện thuận lợi cho enzyme của Trichoderma phân giải nhanh hơn.

  5. Làm thế nào để kiểm soát các yếu tố môi trường trong quá trình nuôi trùn quế?
    Cần duy trì độ ẩm 70-80%, nhiệt độ 20-30°C, pH ổn định khoảng 7.0-7.5, tránh ánh sáng trực tiếp và khí độc hại. Tưới nước đều đặn và kiểm tra thức ăn dư thừa để đảm bảo môi trường sống tốt cho trùn.

Kết luận

  • Đã phân lập và tuyển chọn thành công ba chủng Trichoderma spp có khả năng phân giải cellulose và lignin cao, phù hợp với điều kiện lên men bán rắn.
  • Xác định được điều kiện nuôi cấy tối ưu (pH 5.5-6.5, độ ẩm 65%, nhiệt độ 30°C) để tổng hợp enzyme cellulase, lignin peroxidase và manganese peroxidase hiệu quả.
  • Quy trình xử lý rơm rạ bằng dung dịch nước vôi 7% kết hợp ủ với Trichoderma trong 30 ngày làm giảm lignin 3.67% và cellulose còn 11.4%, nâng cao khả năng phân hủy.
  • Thức ăn phối trộn 80% phân bò tươi và 20% rơm rạ xử lý giúp tăng sinh khối trùn quế 154.55% sau 30 ngày, cải thiện hiệu quả nuôi trùn và kinh tế nông dân.
  • Đề xuất nhân rộng quy trình xử lý rơm rạ và nuôi trùn quế tại các vùng sản xuất lúa trọng điểm, đồng thời đào tạo kỹ thuật và xây dựng mô hình quy mô lớn trong 1-2 năm tới.

Hành động tiếp theo: Các cơ sở sản xuất và nông dân nên áp dụng quy trình xử lý rơm rạ bằng Trichoderma và phối trộn thức ăn nuôi trùn quế để nâng cao hiệu quả kinh tế và bảo vệ môi trường. Các tổ chức nghiên cứu và quản lý cần hỗ trợ chuyển giao công nghệ và nhân rộng mô hình.