Tổng quan nghiên cứu

Tài nguyên rừng đóng vai trò thiết yếu đối với sinh thái và kinh tế, song nguy cơ cháy rừng luôn là thách thức nghiêm trọng. Tại tỉnh Cao Bằng, tính đến cuối năm 2018, tổng diện tích rừng đạt 364.689,30 ha với độ che phủ 54,43%. Thống kê trong giai đoạn 2013 – 2018 cho thấy toàn tỉnh đã xảy ra 141 vụ cháy rừng làm thiệt hại 176,9 ha, trung bình mỗi năm xảy ra 17,6 vụ với diện tích tổn thất khoảng 22,11 ha. Đặc biệt vào năm 2015, số vụ cháy bùng phát lên tới 59 vụ, gây thiệt hại 64,57 ha rừng các loại. Trong đó, rừng Thông mã vĩ (Pinus massoniana) là đối tượng chiếm diện tích lớn nhất nhưng lại có nguy cơ bắt lửa cao do hàm lượng nhựa trong lá dao động từ 2% đến 12%.

Vấn đề đặt ra là các biện pháp cơ học hay đốt trước truyền thống vừa tốn kém nhân lực, vừa tiềm ẩn rủi ro cháy lan và làm suy thoái hệ vi sinh vật đất. Mục tiêu cụ thể của luận văn là phân lập, tuyển chọn các chủng vi sinh vật bản địa có hoạt tính phân giải xenlulo mạnh từ đất và thảm mục dưới tán rừng thông tại Cao Bằng, nghiên cứu đặc tính sinh học và thử nghiệm hiệu lực phân hủy vật liệu cháy nhằm làm cơ sở sản xuất chế phẩm sinh học xử lý thực bì tại chỗ. Phạm vi nghiên cứu được triển khai tại 4 xã thuộc huyện Trùng Khánh từ tháng 5/2019 đến tháng 8/2020. Ý nghĩa nghiên cứu mang lại giải pháp công nghệ sinh học an toàn, giúp tăng độ ẩm thực bì, đẩy nhanh tốc độ phân hủy vật liệu cháy lên hơn 50% sau 6 tháng và chuyển hóa phế phụ phẩm thành mùn hữu cơ cải tạo đất rừng.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Nghiên cứu được xây dựng trên nền tảng lý thuyết tam giác cháy rừng của Brown và Chandler, chỉ ra rằng sự phát sinh đám cháy phụ thuộc vào ba thành tố: nguồn nhiệt, oxy và vật liệu cháy (VLC). Trong đó, khối lượng và độ ẩm của vật liệu cháy là yếu tố then chốt quyết định tốc độ bắt lửa và lan tràn đám cháy. Bên cạnh đó, luận văn áp dụng lý thuyết sinh hóa học về quá trình phân giải polymer sinh học tự nhiên, trong đó xenlulo (chiếm khoảng 1,5 x 10^12 tấn sinh khối thực vật toàn cầu) được thủy phân hoàn toàn nhờ hệ enzyme cellulase đồng bộ gồm endo-glucanase, exo-glucanase và beta-glucosidase do vi sinh vật tiết ra.

Các khái niệm trọng tâm bao gồm: vật liệu cháy rừng thông (gồm thảm khô, thảm tươi và thảm mục có đường kính nhỏ hơn 1 cm), hoạt tính phân giải carboxymethyl cellulose (hoạt tính CMC-aza), kỹ thuật sinh học phân tử định danh đoạn gen 16S rARN và mật độ vi sinh vật hữu hiệu đạt chuẩn (CFU/gam chế phẩm).

Phương pháp nghiên cứu

Nguồn dữ liệu thực địa được thu thập tại 4 xã Đình Phong, Chi Viễn, Phong Châu và Khâm Thành thuộc huyện Trùng Khánh, tỉnh Cao Bằng trên các lâm phần Thông mã vĩ ở 3 cấp tuổi (7 tuổi, 14 tuổi và 23 tuổi). Phương pháp chọn mẫu điển hình được áp dụng thông qua việc thiết lập các ô tiêu chuẩn diện tích 500 m2 (25 m x 20 m); trong mỗi ô bố trí 5 ô dạng bản diện tích 1 m2 tại 4 góc và trung tâm để thu thập toàn bộ vật liệu cháy có đường kính nhỏ hơn 1 cm, cân đo chính xác đến 1 g để tính khối lượng trung bình (tấn/ha). Tổng số 20 mẫu đất và thảm mục đại diện được thu thập để làm nguyên liệu phân lập vi sinh vật.

Quy trình phân lập và đánh giá thực nghiệm được thực hiện theo phương pháp pha loãng tới hạn của Skinner (1960) trên các môi trường chuyên dụng Hans, Gauze I và PDA ở các nồng độ từ 10^-1 đến 10^-6. Hoạt tính phân giải xenlulo được sàng lọc định tính và định lượng qua phương pháp đo đường kính vòng phân giải (D) với thuốc thử Lugol theo Williams (1983). Nghiên cứu đánh giá khả năng sinh trưởng trong dải nhiệt độ từ 5°C đến 40°C và độ ẩm không khí từ 60% đến 100% RH (kiểm soát bằng dung dịch NaCl theo Borth.C). Hiệu lực phân hủy vật liệu cháy được đo lường qua tỷ lệ giảm khối lượng khô ở quy mô bình tam giác 1.000 ml (200 g mẫu) và thùng ủ quy mô 10 kg trong thời gian từ 60 đến 180 ngày. Định danh phân tử được thực hiện bằng tách chiết ADN, khuếch đại gen 16S rARN với cặp mồi 16s27F và 16s1492R qua 30 chu kỳ nhiệt, giải trình tự và phân tích cây phát sinh loài bằng phần mềm MEGA 7 theo mô hình Kimura 2-parameter với 1.000 lần lặp bootstrap.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

Khối lượng vật liệu cháy tích lũy dưới tán rừng Thông mã vĩ tại Trùng Khánh có sự gia tăng rõ rệt theo cấp tuổi của lâm phần. Rừng 7 tuổi có tổng khối lượng VLC trung bình là 22,7 tấn/ha (thảm khô chiếm 13,4 tấn/ha); rừng 14 tuổi đạt 26,2 tấn/ha (thảm khô 16,0 tấn/ha); và rừng 23 tuổi tích lũy tới 27,3 tấn/ha (thảm khô 15,8 tấn/ha, thảm mục 7,7 tấn/ha).

Từ 20 mẫu thu thập tại thực địa, nghiên cứu đã phân lập được 38 chủng vi sinh vật, trong đó xã Đình Phong chiếm số lượng lớn nhất với 20 chủng (52,6%), Chi Viễn 7 chủng (18,4%), Phong Châu 6 chủng (15,8%) và Khâm Thành 5 chủng (13,2%). Kiểm tra hoạt tính cho thấy có 21/38 chủng có khả năng phân giải xenlulo (55,3%), đặc biệt có 5 chủng thể hiện hiệu lực rất mạnh với đường kính vòng thủy phân đạt từ 35 mm đến 36 mm gồm CBK8, CBK11, CBK12, CBK17 và CBK31.

Khả năng sinh trưởng của các chủng tối ưu ở dải nhiệt độ 25 - 30°C và độ ẩm 80 - 90%. Ở quy mô bình thí nghiệm sau 60 ngày, chủng CBK8 làm giảm trọng lượng VLC đạt 11,9%, cao hơn rất nhiều so với đối chứng (1,9%). Ở quy mô chậu vại 10 kg sau 6 tháng, các chủng tuyển chọn cho hiệu lực phân hủy vượt bậc: chủng CBK8 làm giảm 53,6% khối lượng VLC, CBK12 đạt 52,6% và CBK11 đạt 51,3%, trong khi công thức đối chứng không bổ sung vi sinh vật chỉ giảm 13,6%. Kết quả phân tích sinh học phân tử đoạn gen 16S rARN khẳng định 3 chủng ưu việt CBK8, CBK11 và CBK12 đều thuộc loài Bacillus subtilis.

Thảo luận kết quả

Khả năng phân hủy vượt trội của các chủng Bacillus subtilis bản địa được giải thích bởi khả năng thích nghi cao với điều kiện sinh thái vùng núi Cao Bằng và khả năng chịu đựng hàm lượng nhựa thông (2% - 12%) trong cơ chất. Khi được cung cấp môi trường dinh dưỡng và mật độ tế bào thích hợp (10^7 CFU/g), vi khuẩn nhanh chóng tiết ra enzyme cellulase cắt đứt các liên kết beta-1,4-glycosidic, phá vỡ cấu trúc bền vững của lá thông khô.

So với các nghiên cứu phân giải phụ phẩm nông nghiệp như bã mía của Ajijolakewu (2013) hay bã sắn của các nghiên cứu trước đây, các chủng vi khuẩn phân lập từ rừng thông Cao Bằng cho thấy tốc độ phân giải xenlulo tự nhiên rất cao trên cơ chất gỗ mục và lá thông giàu tinh dầu. Các số liệu động học phân hủy vật liệu cháy theo các mốc 2 tháng, 4 tháng và 6 tháng có thể được biểu diễn trực quan qua biểu đồ đường và bảng so sánh đa tiêu chí, chứng minh rằng giải pháp sinh học giúp rút ngắn đáng kể thời gian chuyển hóa thực bì khô nỏ thành chất hữu cơ an toàn.

Đề xuất và khuyến nghị

  • Hoàn thiện công nghệ sản xuất chế phẩm sinh học dạng bột hoặc lỏng với mật độ vi sinh vật Bacillus subtilis (CBK8, CBK11, CBK12) đạt tối thiểu 10^7 CFU/g, nuôi cấy ở nhiệt độ 28 - 30°C, tốc độ lắc 150 vòng/phút, pH 6,0 - 7,0 trong 72 giờ và phối trộn với chất mang hữu cơ hoặc than bùn; thời gian hoàn thiện quy trình trong 6 tháng do các trung tâm ứng dụng khoa học công nghệ thực hiện.
  • Ứng dụng phun rải chế phẩm vi sinh định kỳ với liều lượng từ 0,5% đến 1,0% khối lượng vật liệu cháy (khoảng 5 - 10 kg chế phẩm/tấn thảm khô) vào đầu mùa khô (tháng 9 - tháng 10) hàng năm nhằm nâng độ ẩm thảm mục lên trên 35% và giảm trên 50% khối lượng chất dễ cháy trong vòng 4 - 5 tháng tại các diện tích rừng thông trọng điểm; do các Ban quản lý rừng phòng hộ và chủ rừng triển khai.
  • Xây dựng chương trình tập huấn kỹ thuật xử lý thực bì bằng chế phẩm sinh học kết hợp dọn vệ sinh rừng cục bộ cho 100% cán bộ kiểm lâm địa bàn và các tổ đội quần chúng bảo vệ rừng tại các xã có diện tích rừng thông lớn trong giai đoạn 2021 - 2023 do Chi cục Kiểm lâm tỉnh chủ trì.
  • Tham mưu ban hành văn bản hướng dẫn kỹ thuật lâm sinh thay thế dần biện pháp đốt trước có điều khiển bằng giải pháp ủ vi sinh tại chỗ nhằm bảo tồn nguồn vi sinh vật bản địa và giảm thiểu 70% nguy cơ xảy ra cháy rừng thông trên địa bàn tỉnh đến năm 2025; do Sở Nông nghiệp và Phát triển Nông thôn phê duyệt và chỉ đạo.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

  • Cơ quan quản lý lâm nghiệp và Chi cục Kiểm lâm: Tiếp cận các số liệu thực chứng về khối lượng vật liệu cháy (22,7 - 27,3 tấn/ha) và quy trình ứng dụng chế phẩm sinh học phòng cháy rừng nhằm xây dựng các phương án quản lý lửa rừng tiên tiến, giảm thiểu thiệt hại tài nguyên.
  • Giảng viên, nghiên cứu sinh và sinh viên ngành Lâm nghiệp, Công nghệ Sinh học: Sử dụng làm tài liệu tham khảo chuyên sâu về phương pháp giải trình tự gen 16S rARN, quy trình sàng lọc hoạt tính enzyme CMC-aza và mô hình đánh giá phân hủy sinh học trên thực địa.
  • Doanh nghiệp sản xuất phân bón và chế phẩm sinh học: Khai thác quy trình công nghệ nhân sinh khối chủng Bacillus subtilis và công thức phối trộn chất mang đạt mật độ 10^7 CFU/g để sản xuất thương mại các chế phẩm ủ rác hữu cơ, xử lý thảm mục và cải tạo đất.
  • Chủ rừng, hợp tác xã và hộ gia đình nhận khoán rừng Thông mã vĩ: Nắm vững kỹ thuật ủ phân hủy vật liệu cháy an toàn tại chỗ, biến thảm lá rụng dễ cháy thành nguồn phân hữu cơ giàu dinh dưỡng giúp tăng năng suất rừng trồng mà không gây ô nhiễm khói bụi.

Câu hỏi thường gặp

Tại sao lá rừng Thông mã vĩ lại có nguy cơ bùng phát cháy cao hơn các loại rừng khác?

Lá Thông mã vĩ chứa hàm lượng nhựa rất cao, dao động từ 2% đến 12%, khiến vật liệu rơi rụng có nhiệt độ bén lửa thấp từ 70 - 80°C ở rừng non. Ngoài ra, khối lượng thảm khô tích tụ lớn đạt từ 13,4 đến 16,0 tấn/ha tạo nên lớp bùi nhùi xốp, bắt lửa cực nhanh trong mùa khô hanh kéo dài.

Những chủng vi sinh vật nào được tuyển chọn ưu việt nhất trong nghiên cứu?

Nghiên cứu đã sàng lọc từ 38 chủng và chọn ra 3 chủng vi khuẩn bản địa tốt nhất ký hiệu là CBK8, CBK11 và CBK12. Kết quả định danh bằng phương pháp sinh học phân tử xác định cả 3 chủng đều thuộc loài Bacillus subtilis, có đường kính vòng phân giải xenlulo đạt 35 - 36 mm và tương thích sinh trưởng cao.

Hiệu quả phân hủy vật liệu cháy của chế phẩm vi sinh đạt mức độ nào trong thực tế?

Trong thí nghiệm chậu vại quy mô 10 kg sau 6 tháng theo dõi, các chủng Bacillus subtilis được tuyển chọn đã phân hủy làm giảm từ 48,5% đến 53,6% tổng khối lượng vật liệu cháy. Tỷ lệ này cao gấp gần 4 lần so với mẫu đối chứng tự nhiên chỉ đạt 13,6%, đồng thời giúp tăng khả năng giữ ẩm cho thực bì.

Quy trình nhân sinh khối vi khuẩn phân giải xenlulo cần đáp ứng những thông số kỹ thuật nào?

Quá trình nuôi cấy nhân sinh khối tối ưu được thực hiện trong môi trường lỏng với tốc độ lắc 150 vòng/phút, nhiệt độ ổn định ở 28 - 30°C, độ pH duy trì từ 6,0 đến 7,0 trong thời gian 72 giờ. Mật độ tế bào sau khi nhân sinh khối và phối trộn chất mang đạt tiêu chuẩn từ 10^7 CFU/g trở lên.

Sử dụng chế phẩm vi sinh có ưu điểm gì vượt trội so với biện pháp đốt trước có điều khiển?

Xử lý bằng chế phẩm vi sinh giúp bảo vệ toàn vẹn nguồn dinh dưỡng (N, P, K) trong thảm mục, chống xói mòn đất vào mùa mưa và bảo vệ cây tái sinh. Trong khi đó, đốt trước đòi hỏi quy trình nghiêm ngặt theo Quyết định 4110/QĐ-BNN-KHCN, tốn nhiều nhân lực và tiềm ẩn nguy cơ mất kiểm soát ngọn lửa.

Kết luận

  • Đã xác định chính xác thực trạng khối lượng vật liệu cháy dưới tán rừng Thông mã vĩ tại Trùng Khánh, Cao Bằng dao động từ 22,7 đến 27,3 tấn/ha, trong đó thảm khô chiếm tỷ trọng từ 13,4 đến 16,0 tấn/ha.
  • Phân lập thành công 38 chủng vi sinh vật từ 20 mẫu thực địa, tuyển chọn được 5 chủng có hoạt tính phân giải xenlulo rất mạnh với đường kính vòng thủy phân đạt từ 35 mm đến 36 mm.
  • Định danh chính xác 3 chủng vi khuẩn ưu việt CBK8, CBK11 và CBK12 thuộc loài Bacillus subtilis bằng kỹ thuật giải trình tự đoạn gen 16S rARN.
  • Thử nghiệm thực tế chứng minh hiệu lực phân hủy vật liệu cháy đạt 53,6% sau 6 tháng, giúp giảm mạnh nguy cơ cháy và nâng cao độ phì nhiêu của đất rừng.
  • Xác lập các thông số công nghệ nuôi cấy tối ưu (150 vòng/phút, pH 6,0 - 7,0, 28 - 30°C, mật độ 10^7 CFU/g) để sản xuất chế phẩm sinh học ứng dụng quy mô lớn.

Đóng góp chính của luận văn là cung cấp cơ sở khoa học và giải pháp công nghệ sinh học đột phá trong công tác phòng cháy chữa cháy rừng thông tại Việt Nam. Kế hoạch tiếp theo cần triển khai thử nghiệm diện rộng trong 12 - 24 tháng tới tại các khu rừng phòng hộ trọng điểm. Hãy đẩy mạnh ứng dụng công nghệ vi sinh ngay hôm nay để bảo vệ bền vững tài nguyên rừng và môi trường sinh thái!