Tổng quan nghiên cứu

Rừng đóng vai trò quan trọng trong việc duy trì cân bằng sinh thái và phát triển kinh tế xã hội. Tuy nhiên, cháy rừng là một trong những nguyên nhân chính gây suy giảm diện tích và chất lượng rừng, đặc biệt tại các tỉnh miền núi như Cao Bằng. Theo số liệu của Chi cục Kiểm lâm tỉnh Cao Bằng, giai đoạn 2013-2018 đã xảy ra 141 vụ cháy rừng với tổng diện tích thiệt hại lên tới 176,9 ha, bình quân mỗi năm có khoảng 17,6 vụ cháy và diện tích thiệt hại 22,11 ha. Riêng năm 2015, số vụ cháy tăng gấp ba lần so với các năm trước, gây thiệt hại nghiêm trọng về kinh tế và môi trường. Thông mã vĩ (Pinus massoniana) là loài cây chủ lực tại Cao Bằng với diện tích trồng lớn, tuy nhiên do chứa hàm lượng nhựa cao từ 2%-12%, vật liệu cháy dưới tán rừng thông rất dễ bắt lửa và lan nhanh, làm tăng nguy cơ cháy rừng.

Luận văn tập trung nghiên cứu phân lập và tuyển chọn vi sinh vật phân giải xenlulo nhằm phân hủy nhanh vật liệu cháy dưới tán rừng Thông mã vĩ tại Cao Bằng. Mục tiêu chính là tìm ra các chủng vi sinh vật có khả năng phân giải xenlulo hiệu quả để tạo chế phẩm sinh học giúp giảm nguy cơ cháy rừng, đồng thời cải thiện độ ẩm và chuyển hóa vật liệu cháy thành phân hữu cơ sinh học, góp phần nâng cao chất lượng đất và phát triển bền vững rừng trồng. Nghiên cứu được thực hiện từ tháng 5/2019 đến tháng 8/2020 tại các xã Đình Phong, Chi Viễn, Phong Châu và Khâm Thành, huyện Trùng Khánh, tỉnh Cao Bằng. Kết quả nghiên cứu có ý nghĩa quan trọng trong việc phòng chống cháy rừng, bảo vệ môi trường và phát triển kinh tế lâm nghiệp địa phương.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Luận văn dựa trên các lý thuyết về cháy rừng, vi sinh vật phân giải xenlulo và kỹ thuật sản xuất chế phẩm sinh học. Theo khái niệm của FAO, cháy rừng là sự xuất hiện và lan truyền đám cháy ngoài tầm kiểm soát, gây thiệt hại tài nguyên và môi trường. Ba yếu tố quyết định cháy rừng là nguồn nhiệt, ôxy và vật liệu cháy (VLC). Việc kiểm soát VLC là biện pháp quan trọng trong phòng chống cháy rừng.

Lý thuyết về vi sinh vật phân giải xenlulo tập trung vào các chủng nấm, vi khuẩn và xạ khuẩn có khả năng sản xuất enzyme cellulase phân hủy xenlulo – thành phần chính của vật liệu cháy. Việc phối hợp đồng bộ các loại enzyme từ nhiều chủng vi sinh vật giúp tăng hiệu quả phân giải. Các khái niệm chính bao gồm: hoạt tính enzym cellulase, khả năng tồn tại của vi sinh vật trong điều kiện môi trường khác nhau (nhiệt độ, độ ẩm), và quy trình sản xuất chế phẩm sinh học.

Phương pháp nghiên cứu

Nguồn dữ liệu chính được thu thập từ 20 mẫu đất và mùn dưới tán rừng Thông mã vĩ tại 4 xã thuộc huyện Trùng Khánh, Cao Bằng. Phân lập vi sinh vật phân giải xenlulo được thực hiện bằng phương pháp pha loãng và nuôi cấy trên môi trường đặc hiệu (Hans, Gauze, CMC). Hoạt tính phân giải xenlulo được đánh giá qua kích thước vòng phân giải trên môi trường CMC-aza có bổ sung nhựa thông.

Phân tích ảnh hưởng của nhiệt độ (5ºC đến 40ºC) và độ ẩm không khí (60%-100%) đến sinh trưởng vi sinh vật được tiến hành trong phòng thí nghiệm với các hộp lồng chứa môi trường CMC. Khả năng phân hủy vật liệu cháy được đánh giá qua thí nghiệm giảm trọng lượng vật liệu cháy trong bình tam giác và chậu vại với khối lượng vật liệu 200g và 10kg, theo dõi trong 60 ngày.

Phân loại vi sinh vật đến loài được thực hiện bằng kỹ thuật sinh học phân tử, giải trình tự gen 16S rRNA và so sánh với cơ sở dữ liệu quốc tế EMBL. Quy trình sản xuất chế phẩm sinh học được xây dựng dựa trên nghiên cứu điều kiện sinh trưởng tối ưu (môi trường, tốc độ lắc, thời gian, nhiệt độ, pH) và khả năng phối hợp các chủng vi sinh vật. Thí nghiệm liều lượng sử dụng chế phẩm sinh học được thực hiện với 7 công thức khác nhau, theo dõi khả năng phân hủy xenlulo trong 5 tháng.

Cỡ mẫu nghiên cứu gồm 38 chủng vi sinh vật phân lập, trong đó 21 chủng có khả năng phân giải xenlulo. Phương pháp chọn mẫu ngẫu nhiên tại các ô tiêu chuẩn 500 m², mỗi ô gồm 5 ô bản 1 m² để xác định khối lượng vật liệu cháy. Phân tích số liệu sử dụng phương pháp thống kê mô tả và so sánh trung bình.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

  1. Khối lượng vật liệu cháy dưới tán rừng Thông mã vĩ: Tại Trùng Khánh, khối lượng VLC ở rừng Thông mã vĩ 7 tuổi là 22,7 tấn/ha (trong đó 13,4 tấn/ha là vật liệu khô), 14 tuổi là 26,2 tấn/ha (16 tấn/ha vật liệu khô), và 23 tuổi là 27,3 tấn/ha (15,8 tấn/ha vật liệu khô). Khối lượng VLC tăng theo tuổi rừng, tạo điều kiện thuận lợi cho cháy rừng lan rộng.

  2. Phân lập và tuyển chọn vi sinh vật phân giải xenlulo: Từ 20 mẫu đất, đã phân lập được 38 chủng vi sinh vật, trong đó 21 chủng (55,3%) có khả năng phân giải xenlulo. Năm chủng (CBK8, CBK11, CBK12, CBK17, CBK31) có hoạt tính phân giải rất mạnh với đường kính vòng phân giải trên 35 mm.

  3. Ảnh hưởng của nhiệt độ và độ ẩm đến sinh trưởng vi sinh vật: Các chủng vi sinh vật phát triển tốt trong khoảng nhiệt độ 15-35ºC, tối ưu ở 25-30ºC. Ở nhiệt độ dưới 10ºC hoặc trên 35ºC, sinh trưởng giảm rõ rệt. Độ ẩm không khí từ 70%-100% hỗ trợ sinh trưởng tốt nhất, trong khi độ ẩm thấp dưới 60% làm giảm hoạt động vi sinh vật.

  4. Khả năng phân hủy vật liệu cháy: Trong thí nghiệm bình tam giác, các chủng vi sinh vật đã giảm trọng lượng vật liệu cháy từ 30%-45% sau 60 ngày, cao hơn đáng kể so với đối chứng không sử dụng vi sinh vật. Thí nghiệm chậu vại với 10 kg vật liệu cũng cho kết quả tương tự, chứng minh hiệu quả phân hủy thực tế của các chủng được tuyển chọn.

Thảo luận kết quả

Khối lượng vật liệu cháy tăng theo tuổi rừng Thông mã vĩ làm tăng nguy cơ cháy rừng, nhất là trong điều kiện mùa khô kéo dài với độ ẩm thấp. Việc phân lập được các chủng vi sinh vật có hoạt tính phân giải xenlulo rất mạnh là cơ sở khoa học quan trọng để phát triển chế phẩm sinh học phân hủy vật liệu cháy. Kết quả sinh trưởng vi sinh vật phù hợp với điều kiện khí hậu Cao Bằng, cho thấy khả năng ứng dụng thực tiễn cao.

So sánh với các nghiên cứu quốc tế, hoạt tính phân giải xenlulo của các chủng vi sinh vật trong nghiên cứu này tương đương hoặc vượt trội, đặc biệt trong môi trường có nhựa thông – một yếu tố ức chế sinh trưởng vi sinh vật. Việc sử dụng chế phẩm sinh học giúp giảm đáng kể khối lượng vật liệu cháy, góp phần làm tăng độ ẩm và giảm nguy cơ cháy lan, đồng thời tạo ra phân hữu cơ cải tạo đất.

Dữ liệu có thể được trình bày qua biểu đồ so sánh khối lượng vật liệu cháy theo tuổi rừng, biểu đồ đường kính vòng phân giải xenlulo của các chủng vi sinh vật, và bảng số liệu sinh trưởng vi sinh vật theo nhiệt độ và độ ẩm. Các biểu đồ này minh họa rõ ràng hiệu quả và điều kiện sinh trưởng của vi sinh vật phân giải xenlulo.

Đề xuất và khuyến nghị

  1. Phát triển và sản xuất chế phẩm sinh học từ các chủng vi sinh vật phân giải xenlulo mạnh nhằm phân hủy nhanh vật liệu cháy dưới tán rừng Thông mã vĩ, giảm nguy cơ cháy rừng. Thời gian triển khai: 1-2 năm. Chủ thể thực hiện: Viện Khoa học Lâm nghiệp, các trung tâm nghiên cứu lâm nghiệp địa phương.

  2. Áp dụng chế phẩm sinh học trong công tác quản lý rừng trồng Thông mã vĩ tại Cao Bằng, đặc biệt ở các khu vực có mật độ vật liệu cháy cao và nguy cơ cháy rừng lớn. Mục tiêu giảm khối lượng vật liệu cháy ít nhất 30% trong mùa khô. Thời gian: triển khai thí điểm trong 1 năm, mở rộng sau đánh giá hiệu quả.

  3. Tổ chức đào tạo, tập huấn kỹ thuật sử dụng chế phẩm sinh học cho cán bộ quản lý rừng và người dân địa phương, nâng cao nhận thức và kỹ năng phòng chống cháy rừng bằng biện pháp sinh học. Thời gian: liên tục hàng năm. Chủ thể: Sở Nông nghiệp và Phát triển Nông thôn, các tổ chức phi chính phủ.

  4. Nghiên cứu bổ sung về phối hợp các biện pháp kỹ thuật lâm sinh và sinh học như trồng rừng hỗn giao, đốt trước có điều khiển kết hợp sử dụng chế phẩm sinh học để tăng hiệu quả phòng chống cháy rừng. Thời gian: 2-3 năm. Chủ thể: các viện nghiên cứu, trường đại học.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

  1. Cán bộ quản lý rừng và kiểm lâm: Nắm bắt các biện pháp phòng chống cháy rừng hiện đại, đặc biệt ứng dụng vi sinh vật phân giải xenlulo trong quản lý vật liệu cháy, nâng cao hiệu quả công tác bảo vệ rừng.

  2. Nhà nghiên cứu và sinh viên ngành Lâm học, Sinh học môi trường: Tham khảo phương pháp phân lập, tuyển chọn vi sinh vật phân giải xenlulo, kỹ thuật sản xuất chế phẩm sinh học và ứng dụng trong phòng chống cháy rừng.

  3. Doanh nghiệp sản xuất chế phẩm sinh học và công nghệ sinh học: Tìm hiểu quy trình sản xuất chế phẩm sinh học từ vi sinh vật phân giải xenlulo, mở rộng ứng dụng trong lĩnh vực bảo vệ rừng và xử lý chất thải sinh học.

  4. Chính quyền địa phương và tổ chức phi chính phủ hoạt động trong lĩnh vực bảo vệ môi trường: Áp dụng các giải pháp sinh học trong phòng chống cháy rừng, xây dựng các chương trình bảo vệ rừng bền vững, nâng cao nhận thức cộng đồng.

Câu hỏi thường gặp

  1. Vi sinh vật phân giải xenlulo là gì và vai trò trong phòng chống cháy rừng?
    Vi sinh vật phân giải xenlulo là các vi khuẩn, nấm có khả năng sản xuất enzyme cellulase phân hủy xenlulo – thành phần chính của vật liệu cháy. Chúng giúp phân hủy nhanh vật liệu cháy dưới tán rừng, giảm khối lượng vật liệu dễ bắt lửa, từ đó giảm nguy cơ cháy rừng.

  2. Phương pháp phân lập vi sinh vật phân giải xenlulo được thực hiện như thế nào?
    Phân lập bằng phương pháp pha loãng mẫu đất, nuôi cấy trên môi trường đặc hiệu chứa CMC, đánh giá hoạt tính phân giải qua kích thước vòng phân giải trên môi trường CMC-aza có bổ sung nhựa thông. Các chủng có hoạt tính cao được tuyển chọn để nghiên cứu tiếp.

  3. Chế phẩm sinh học được sản xuất như thế nào và sử dụng ra sao?
    Chế phẩm được tạo từ các chủng vi sinh vật phân giải xenlulo mạnh, nuôi cấy trong điều kiện tối ưu về môi trường, nhiệt độ, pH và tốc độ lắc. Liều lượng sử dụng được xác định qua thí nghiệm, thường từ 0,125% đến 2% khối lượng vật liệu cháy, phun lên vật liệu cháy dưới tán rừng để phân hủy.

  4. Ảnh hưởng của điều kiện môi trường đến hiệu quả phân hủy của vi sinh vật?
    Nhiệt độ từ 15-35ºC và độ ẩm không khí từ 70%-100% là điều kiện tối ưu cho sinh trưởng và hoạt động phân hủy của vi sinh vật. Ngoài khoảng này, hiệu quả phân hủy giảm do vi sinh vật phát triển chậm hoặc ngừng hoạt động.

  5. Lợi ích kinh tế và môi trường khi sử dụng chế phẩm sinh học phân hủy vật liệu cháy?
    Giảm thiểu nguy cơ cháy rừng, bảo vệ tài nguyên rừng và môi trường sinh thái. Chế phẩm còn giúp chuyển hóa vật liệu cháy thành phân hữu cơ, cải tạo đất, tăng năng suất rừng trồng, góp phần phát triển kinh tế bền vững.

Kết luận

  • Đã phân lập và tuyển chọn thành công 5 chủng vi sinh vật phân giải xenlulo có hoạt tính rất mạnh, phù hợp với điều kiện môi trường Cao Bằng.
  • Khối lượng vật liệu cháy dưới tán rừng Thông mã vĩ dao động từ 22,7 đến 27,3 tấn/ha, tăng theo tuổi rừng, tạo nguy cơ cháy cao.
  • Vi sinh vật phát triển tốt trong khoảng nhiệt độ 15-35ºC và độ ẩm 70%-100%, điều kiện phù hợp với khí hậu địa phương.
  • Chế phẩm sinh học từ các chủng vi sinh vật đã chứng minh khả năng phân hủy vật liệu cháy hiệu quả, giảm trọng lượng vật liệu từ 30%-45% sau 60 ngày.
  • Đề xuất triển khai sản xuất và ứng dụng chế phẩm sinh học trong công tác phòng chống cháy rừng tại Cao Bằng, kết hợp với các biện pháp kỹ thuật lâm sinh để nâng cao hiệu quả quản lý rừng.

Next steps: Triển khai thí điểm sản xuất chế phẩm sinh học, đào tạo cán bộ kỹ thuật, mở rộng ứng dụng tại các khu vực rừng trồng Thông mã vĩ có nguy cơ cháy cao.

Call to action: Các cơ quan quản lý và nghiên cứu cần phối hợp đẩy mạnh ứng dụng công nghệ sinh học trong bảo vệ rừng, góp phần phát triển lâm nghiệp bền vững và bảo vệ môi trường sinh thái.