Đánh giá khả năng xử lý dư lượng thuốc trừ sâu lân hữu cơ trên chè của vi sinh vật

Luận văn đánh giá khả năng của vi sinh vật trong việc phân giải dư lượng thuốc trừ sâu gốc lân hữu cơ, giải pháp an toàn cho đất và cây chè.

• Tác giả: Đàm Thị Huyền
• Người hướng dẫn: PGS. Nguyễn Kiều Băng Tâm
• Trường học: Trường Đại học Khoa học Tự nhiên, Đại học Quốc gia Hà Nội
• Chuyên ngành: Khoa học môi trường
• Đề tài: Đánh giá khả năng sử dụng vi sinh vật xử lý dư lượng hóa chất bảo vệ thực vật gốc lân hữu cơ trong cây và đất trồng chè
• Loại tài liệu: Luận văn Thạc sĩ Khoa học
• Năm xuất bản: 2022
• Địa điểm: Hà Nội

Tóm tắt

I. Tổng quan về vi sinh vật xử lý dư lượng thuốc trừ sâu

Vi sinh vật xử lý dư lượng thuốc trừ sâu đóng vai trò quan trọng trong việc bảo vệ an toàn thực phẩm và môi trường. Thuốc trừ sâu gốc lân hữu cơ (OP) được sử dụng rộng rãi trong canh tác chè, nhưng lại gây ra những tác động tiêu cực lâu dài. Vi sinh vật phân giải có khả năng chuyển hóa các hợp chất độc này thành những chất ít độc hại hơn hoặc vô hại. Theo nghiên cứu của Đàm Thị Huyền từ Trường Đại học Khoa học Tự nhiên, các chủng vi khuẩn được phân lập từ đất trồng chè có khả năng phân giải hiệu quả Chlorpyrifos ethyl và các hợp chất lân hữu cơ khác. Điều này mở ra hướng mới trong xử lý dư lượng hóa chất bảo vệ thực vật một cách bền vững và thân thiện với môi trường.

1.1. Khái niệm và tầm quan trọng của vi sinh vật phân giải

Vi sinh vật phân giải là những loại vi khuẩn, nấm có khả năng sử dụng dư lượng thuốc trừ sâu làm nguồn năng lượng và chất dinh dưỡng. Chúng thực hiện quá trình phân hủy hóa chất thông qua các enzyme đặc biệt. Vai trò của vi sinh vật xử lý rất quan trọng trong việc làm sạch đất trồng chè, giảm thiểu ảnh hưởng xấu đến sức khỏe con người và hệ sinh thái.

1.2. Tác động của thuốc trừ sâu gốc lân hữu cơ

Thuốc trừ sâu gốc lân hữu cơ, đặc biệt là Chlorpyrifos ethyl, có độc tính cao và tồn lưu lâu trong môi trường. Chúng tích tụ trong đất và thực vật, gây nguy hiểm cho sức khỏe người tiêu dùng. Vi sinh vật xử lý dư lượng được coi là giải pháp sinh thái hiệu quả để giảm nồng độ các hợp chất độc này.

II. Cơ chế phân giải thuốc trừ sâu của vi sinh vật

Cơ chế phân giải của vi sinh vật xử lý dựa trên hoạt động của các enzyme chuyên biệt, đặc biệt là những enzyme liên quan đến quá trình tách vòng phosphorothioate. Các chủng vi khuẩn như CNN2, CNN3 và CNN4 được phân lập từ đất trồng chè đã chứng minh khả năng phân hủy hiệu quả các hợp chất lân hữu cơ. Quá trình này không chỉ loại bỏ dư lượng hóa chất bảo vệ thực vật mà còn chuyển chúng thành những chất có độc tính thấp hơn. Nghiên cứu cho thấy sau 3 ngày lên men, vi sinh vật có thể giảm nồng độ Chlorpyrifos từ 60% đến 80%. Những vi sinh vật này sử dụng dư lượng thuốc trừ sâu như một nguồn cacbon cho sự phát triển của chúng, tạo nên một cơ chế sinh thái tự nhiên.

2.1. Các enzyme quan trọng trong quá trình phân giải

Enzyme phosphatase và esterase là những enzyme chính giúp vi sinh vật xử lý phân hủy hợp chất lân hữu cơ. Các enzyme này hoạt động bằng cách cắt ngang các liên kết phosphodiester trong phân tử thuốc. Quá trình phân hủy này được điều khiển bởi các gen đặc biệt trong bộ gene của vi khuẩn phân giải, cho phép chúng thích nghi với môi trường chứa dư lượng hóa chất.

2.2. Các sản phẩm phân giải và độc tính của chúng

Khi vi sinh vật thực hiện phân giải dư lượng thuốc trừ sâu, các sản phẩm trung gian được hình thành. Những sản phẩm này có độc tính thấp hơn so với Chlorpyrifos ban đầu. Cuối cùng, các hợp chất được chuyển hóa thành những chất vô hại hoặc được tích hợp vào quá trình trao đổi chất của vi sinh vật, giảm đáng kể dư lượng hóa chất bảo vệ thực vật trong đất.

III. Ứng dụng vi sinh vật trong canh tác chè bền vững

Ứng dụng vi sinh vật xử lý trong canh tác chè mang lại nhiều lợi ích thiết thực. Các chế phẩm vi sinh vật phân giải có thể được bón trực tiếp vào đất trồng chè để giảm dư lượng thuốc trừ sâu một cách tự nhiên và an toàn. Thử nghiệm tại nhà lưới cho thấy vi sinh vật không chỉ giảm nồng độ Chlorpyrifos ethyl mà còn cải thiện sức khỏe của cây chè. Liều lượng bón chế phẩm vi sinh vật được xác định tối ưu để đạt hiệu quả cao nhất trong xử lý dư lượng hóa chất. Phương pháp này đặc biệt phù hợp cho các vùng trồng chè hữu cơ, nơi mà việc sử dụng hóa chất bảo vệ thực vật được giảm thiểu. Sử dụng vi sinh vật phân giải giúp nâng cao chất lượng chè, đảm bảo an toàn thực phẩm và bảo vệ môi trường.

3.1. Phương pháp bón chế phẩm vi sinh vật

Chế phẩm vi sinh vật xử lý dư lượng được bón vào đất trồng chè ở các liều lượng khác nhau (10⁶, 10⁷, 10⁸ CFU/ml). Vi sinh vật phát triển và nhân lên trong đất, thực hiện phân giải thuốc trừ sâu hiệu quả. Thời gian bón tối ưu là sau khi sử dụng hóa chất bảo vệ thực vật để vi sinh vật có điều kiện tốt nhất cho xử lý dư lượng.

3.2. Hiệu quả và ảnh hưởng đến chất lượng chè

Kết quả thử nghiệm cho thấy vi sinh vật phân giải làm giảm dư lượng Chlorpyrifos trong đất và chè lên đến 70-80%. Cây chè phát triển khỏe mạnh hơn, năng suất tăng đáng kể. Dư lượng hóa chất bảo vệ thực vật trong lá chè giảm xuống mức an toàn, đảm bảo sản phẩm chè an toàn cho người tiêu dùng.

IV. Tiềm năng và hướng phát triển của công nghệ vi sinh vật

Vi sinh vật xử lý dư lượng thuốc trừ sâu mở ra những triển vọng lớn trong nông nghiệp bền vững tại Việt Nam. Với diện tích trồng chè lớn và sử dụng phổ biến hóa chất bảo vệ thực vật, việc ứng dụng vi sinh vật phân giải là cần thiết và cấp bách. Các nghiên cứu tiếp theo nên tập trung vào việc tuyển chọn thêm các chủng vi sinh vật mạnh, khả năng phân hủy cao hơn, thích nghi với các loại thuốc trừ sâu khác nhau. Phát triển các chế phẩm vi sinh vật ổn định và dễ sử dụng sẽ giúp nông dân áp dụng công nghệ này rộng rãi. Kết hợp vi sinh vật xử lý với các biện pháp canh tác khác như sử dụng lân hữu cơ, bón phân lân vô cơ bổ sung, sẽ tạo ra một hệ thống sản xuất chè an toàn và bền vững.

4.1. Những thách thức trong quá trình commercialization

Vi sinh vật xử lý dư lượng cần được bảo quản ổn định, duy trì sinh khối cao trong chế phẩm. Độc tính và an toàn sinh học của vi sinh vật phải được kiểm chứng kỹ lưỡng. Giá thành chế phẩm vi sinh vật phải phù hợp để nông dân có thể áp dụng rộng rãi.

4.2. Định hướng nghiên cứu trong tương lai

Cần tiếp tục tuyển chọn vi sinh vật phân giải với khả năng xử lý dư lượng các loại thuốc trừ sâu khác nhau. Kết hợp vi sinh vật với công nghệ sinh học hiện đại để nâng cao hiệu suất phân hủy. Đánh giá tác động dài hạn của hóa chất bảo vệ thực vật đã được xử lý bởi vi sinh vật đến độ an toàn thực phẩm.

Trích đoạn nội dung tài liệu

CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN TÀI LIỆU 1. Tổng quan về TBVTV gốc lân hữu cơ 1. TBVTV chứa gốc lân hữu cơ 1.

Khái niệm Phốt pho hữu cơ (OP, organophosphorus/organophosphate) là tên gọi chung cho các ester của axit phosphoric. Kể từ năm 1938 đã có khoảng 50.000 hợp chất OP được tổng hợp [16]. Các hợp chất OP được sử dụng rộng rãi, đặc biệt là với khoảng 80 hợp chất được sử dụng trong nông nghiệp dưới dạng thuốc bảo vệ thực vật [29]. Các hợp chất phốt pho nói chung đóng một vai trò quan trọng trong các quá trình sống, đặc biệt là quá trình quang hợp, trao đổi chất và các hệ coenzyme.

Tuy nhiên, các hợp chất OP lại bao gồm nhiều chất có tính độc thần kinh (neurotoxic), trong đó phải kể đến các triesters, phosphonates, phosphonofluoridates và phosphonothioates [29]. Cấu trúc hóa học chung của các hợp chất OP [37]. Trong đó X là gốc hữu cơ, R là gốc alkyl. Phân loại Hóa chất BVTV gốc OP được dùng rộng rãi và phổ biến nhất trong các loại hóa chất BVTV.

Các loại thuốc bảo vệ thực vật gốc lân hữu cơ được sử dụng rộng rãi gồm: glyphosate, chlorpyrifos, parathion, methyl parathion, diazion, coumaphos, monocrotophos, fenamiphos và phative. Dựa trên cấu trúc hóa học đã mô tả ở hình 1.1, các hóa chất BVTV nhóm OP được phân ra 5 lớp chủ yếu là Phosphate (I), Thiophosphate (II), Dithiophosphate (III), Chlorophosphate (IV) và Phosphorodiamidate (V) (xem Bảng 1. Các lớp hóa chất BVTV nhóm OP theo cấu trúc hóa học [29]. TT Tên lớp hóa chất Cấu trúc hóa học Tên hóa chất BVTV BVTV nhóm OP điển hình thường dùng 1 Diazinon Phosphate Demeton 2 Metyl parathion Thiophosphate Parathion 3 Malathion Dithiophosphate Dimethoate 4 Diethyl chlorophosphate Chlorophosphate (DCP) 5 Diamidafos Phosphorodiamidate Người sử dụng sẽ rất khó để nhận biết mức độc hại của TBVTV nếu chỉ dùng LD50.

Chính vì vậy, các nhà khoa học đã nhóm các hóa chất có LD50 tương tự vào 4 nhóm. Mỗi nhóm có một “ký hiệu” theo quy định của pháp luật và bắt buộc xuất hiện trên nhãn của sản phẩm có chứa loại hóa chất trong nhóm để thông báo đến người mua độ độc của sản phẩm. Phân loại độ độc của TBVTV và biểu tượng độ độc ghi trên nhãn thuốc ở Việt Nam được thể hiện ở Bảng 1. Phân chia nhóm độc theo WHO [3].

Tính chất Tính chất hóa học chung của các hợp chất OP là tính dễ bị thủy phân. Tác nhân thủy phân đến gần các chất phản ứng và tấn công vào nguyên tử phốt pho. Sản phẩm của quá trình thủy phân là sự tạo thành este đơn giản hơn của axit phốt phoric. Phản ứng hoạt hóa nhân phốt pho là tính chất quan trọng thứ hai.

Quá trình phản ứng thường tạo thành chất ức chế enzym cholinesteraza mạnh hơn. Phản ứng phân hủy đi đôi với phản ứng hoạt hóa. Các hợp chất OP chuyển hóa thành dẫn xuất trung gian kém độc hơn là chất chính phẩm nhờ phản ứng này. Tình hình sử dụng TBVTV gốc lân hữu cơ ở Việt Nam Trong danh mục TBVTV được phép sử dụng tại Việt Nam được ban hành, trong tổng số 775 thuốc trừ sâu sử dụng trong nông nghiệp có 164 loại thuốc trừ sâu chứa nhóm OP với nhiều loại thương phẩm khác nhau trong đó 1 loại chứa diazinon còn lại là Chlorphyrifor Ethyl và Methyl.

Các loại thuốc này chủ yếu để diệt rầy nâu, sâu cuốn lá, sâu đục quả, sâu khoang, nhện… Trong số 14 thuốc diệt mối công trình cũng có 1 thuốc diệt mối chứa nhóm OP [11]. Còn trong danh mục bổ sung TBVTV được phép sử dụng, trong tổng số 65 thuốc trừ sâu bổ sung vào danh mục được sử dụng thì có 9 loại thuốc trừ sâu là nhóm OP trong đó có 1 loại là diazinon còn lại là Chlorphyrifor ethyl [12]. Trong số các TBVTV nhóm OP, thì chất parathion (nhóm độc I) có độc tính cao nhất, tiếp đến là chlorpyrifos (nhóm độc II) và malathion (nhóm độc III). Thống kê tại xã Hòa An (Phụng Hiệp, Hậu Giang) cho thấy liều lượng chlorpyrifos trên cây trồng sử dụng cao gấp 6,9 lần cho phép.

Tại Cai Lậy (Tiền Giang), diện tích sử dụng chlorpyrifos ở mức 29,89% và cao gấp nhiều lần mức cho phép [12]. Chlorpyrifos là một loại thuốc trừ sâu thuộc nhóm OP được sử dụng phổ biến tại Việt Nam. Hoá chất này có thể tiêu diệt một phổ rất rộng các loài côn trùng bao gồm muỗi, sâu bướm, rầy nâu, sâu ăn quả, gián ruồi, mối, kiến lửa, v. thông qua cơ chế bất hoạt enzyme acetylcholinesterase, một enzyme đóng vai trò quan trọng trong hoạt động dẫn truyền thần kinh ở động vật.

Tuy nhiên, do cơ chế tác động lên enzyme acetylcholinesterase mà chlorpyrifos có gây độc không chỉ với côn trùng có hại mà còn với các côn trùng có lợi 6 như ong mật và nhiều động vật khác như giun đất, cá, ếch, chim, động vật có vú bao gồm cả con người. Những ảnh hưởng của loại thuốc trừ sâu này với con người khi tiếp xúc trong thời gian dài gồm có gây ngộ độc cấp tính, dị tật thai nhi, nguy cơ cao mắc các bệnh tự miễn dịch [43]. Năm 2009, thuốc gốc lân hữu cơ được đăng kí sử dụng phổ biến nhất nước ta là Chlorpyrifos ethyl. Chúng có thể được sử dụng trên nhiều đối tượng cây trồng ở các mô hình canh tác khác nhau.

Theo kết quả điều tra của Nguyễn Thị Lan Hương (2013) về tình hình sử dụng Chlorpyrifos ethyl trên mô hình màu tại một số huyện thuộc Đồng Bằng Sông Cửu Long cho thấy số lượng sử dụng Chlorpyrifos ethyl không nhiều, chỉ khoảng 10% trên tổng số diện tích điều tra [4]. Tuy nhiên, liều lượng thuốc mà nông dân sử dụng thường gấp nhiều lần so với khuyến cáo. Trong đó, với thuốc God 550EC, nông dân sử dụng liều lượng cao gấp 15 lần so với khuyến cáo và gấp 6 lần so với thuốc Vitashield 18EC. Tại Cai Lậy-Tiền Giang, liều lượng sử dụng Pertrang 650EC cao gấp 3 lần và Dragon 650EC cao gấp 4 lần so với khuyến cáo [4].

Một số hình thái và chuyển hóa TBVTV trong môi trường Khi thải ra môi trường, TBVTV sẽ được thực vật hấp thụ hay ảnh hưởng đến nhiều loài côn trùng khác nhau. Tuy nhiên, phần lớn lượng thuốc còn lại bị thất thoát ra môi trường. Các đặc tính của TBVTV (như tính tan trong nước, xu hướng hấp thụ vào đất, độ bền của thuốc…) và đặc tính của đất (như hàm lượng sét, cát và chất hữu cơ) là những thông số quan trọng để xác định hình thái và chuyển hóa của thuốc trong môi trường (Anoymous, 2009; Osman Tiryaki, 2010). Động thái của TBVTV trong đất cũng bị chi phối bởi một loạt các quá trình vật lý, hóa học và sinh học phức tạp, bao gồm cả sự hấp thụ-phóng thích thuốc từ đất, bay hơi, phân hủy sinh học, phân hủy hóa học và hấp thụ bởi cây trồng.

Hơn nữa, TBVTV còn bị rò rỉ, rửa trôi và xói mòn do gió. Các quá trình này trực tiếp kiểm soát việc vận chuyển thuốc trừ sâu, chuyển chúng vào đất, nước, không khí và thực vật [21]. Các yếu tố chính góp phần làm giảm nồng độ TBVTV trong môi trường là các yếu tố phi sinh học và sinh học. Các yếu tố phi sinh học bao gồm quá trình oxi hóa, quá trình khử, quá trình thủy phân và sự quang phân khi gặp ánh sáng mặt trời.

Còn yếu tố sinh học có thể do sự phân hủy từ các hệ vi sinh vật (VSV) đất như nấm, vi khuẩn hoặc nhờ vào một 7 số quá trình diễn ra trong thực vật như hiện tượng pha loãng sinh học và chuyển hóa thuốc trong cây. Sự pha loãng sinh học không chỉ làm giảm khả năng bảo vệ của thuốc mà còn làm giảm lượng độc tố có trong sản phẩm, giảm nguy cơ gây độc cho người và động vật. Mặt khác, dưới tác dụng của enzyme TBVTV trong cây có thể bị chuyển hoá theo nhiều cơ chế thành những hợp chất mới có cấu trúc đơn giản hay phức tạp hơn, từ đó làm thay đổi hoạt tính sinh học ban đầu của thuốc. Ví dụ, các thuốc trừ sâu và trừ nấm gốc lân hữu cơ bị phân giải qua từng bước và sản phẩm cuối cùng là acid phosphoric không độc với côn trùng và nấm bệnh [6].

Tuy nhiên, yếu tố sinh học làm giảm nồng độ thuốc vẫn là sự phân hủy sinh học đáng kể của VSV. Hệ VSV trong đất rất phức tạp, có nhiều loài có khả năng phân huỷ các chất hoá học. Theo Brown (1978), một loại TBVTV có thể bị phân hủy bởi một hay nhiều loài VSV. Ví dụ như nấm Trichoderma viridi có khả năng phân huỷ nhiều loại thuốc trừ sâu gốc lân hữu cơ, chlor hữu cơ, cacbamate và thuốc diệt cỏ [50].

Đối với thuốc trừ cỏ 2,4-D có đến 2 loài xạ khuẩn và 7 loài vi khuẩn cùng phân hủy. Việc sử dụng liên tục một loại thuốc diệt cỏ trên một loại đất trong nhiều năm thì thời gian tồn tại của thuốc trong đất ngày càng ngắn. Kaufman và Kearney (1976) đã giải thích nguyên nhân của hiện tượng này như sau: khi thuốc mới tiếp xúc với đất, các loài VSV đất sẽ tự điều chỉnh, những VSV không có khả năng tận dụng thuốc trừ cỏ làm nguồn thức ăn sẽ bị thuốc tác động, nên bị hạn chế số lượng hay ngừng hẳn không phát triển nữa [59]. Ngược lại, những loài VSV có khả năng này sẽ sinh trưởng tốt và gia tăng số lượng nhanh chóng [6].

Khả năng phân hủy TBVTV gốc lân hữu cơ cũng theo cách thức tương tự. Khi VSV sử dụng thuốc làm nguồn thức ăn cho chúng, độc tính của thuốc sẽ giảm một cách đáng kể. Tác động đến môi trường và con đường chuyển hóa của TBVTV [5] 8 1. Sự phân hủy và chuyển hóa của Chlorpyrifos ethyl trong đất Hình 1.

Con đường chuyển hóa tổng quát của Chlorpyrifos ethyl [61] Trong môi trường đất, Chlorpyrifos ethyl có thể phân hủy và chuyển hóa theo nhiều cách khác nhau như: hấp phụ vào đất, thẩm thấu xuống mạch nước ngầm, bốc hơi vào không khí hoặc có thể bị cây trồng hấp thu và phân hủy bởi VSV đất. Dưới đây là một số đặc điểm của thuốc khi chúng được luân chuyển vào môi trường đất. Sự hấp thụ/phóng thích của Chlorpyrifos ethyl vào đất Sự hấp thụ vào trong đất của Chlorpyrifos ethyl không phụ thuộc nhiều vào pH đất, khả năng trao đổi cation (CEC) mà có liên quan chặt chẽ với hàm lượng hữu cơ trong đất [31]. Độ hấp thu vào đất của thuốc được đánh giá bằng giá trị Kd và Koc.

Giá trị Kd tăng dần với sự gia tăng của hàm lượng hữu cơ. Giá trị Kd dao động từ 13,4 L/kg với đất nghèo hữu cơ đến 1.813 L/kg trong đất sét than bùn ở Ohio [35] [69]. Laabs et al. Ngược lại, theo báo cáo của Ciglasch et al.