Bối cảnh và vấn đề nghiên cứu

Ốc bươu vàng (Pomacea canaliculata) là loài động vật thân mềm có nguồn gốc từ Nam Mỹ, được du nhập vào Việt Nam trong giai đoạn 1985–1986 với mục đích ban đầu làm thực phẩm và thức ăn chăn nuôi. Nhờ khả năng thích nghi cao, ăn tạp và sinh sản nhanh, loài này đã lan rộng và trở thành sinh vật ngoại lai xâm hại nghiêm trọng đối với nền nông nghiệp, đặc biệt là cây lúa nước. Theo số liệu thống kê trong văn bản, ốc bươu vàng đã xuất hiện tại 44 tỉnh thành với diện tích nhiễm hàng năm khoảng 20.000 ha; mỗi cá thể có thể tiêu thụ từ 7 đến 24 cây mạ non mỗi ngày. Chi phí tiêu hủy ốc bươu vàng bằng biện pháp thủ công và hóa chất dao động từ 300.000 đến 400.000 đồng/ha cho mỗi lần xử lý, ước tính làm tiêu hao hơn 2.000 tỷ đồng mỗi năm trên toàn quốc (riêng huyện Thạnh Hóa, tỉnh Long An với hơn 18.000 ha lúa tiêu tốn hơn 5 tỷ đồng/vụ). Việc lạm dụng thuốc bảo vệ thực vật hóa học để diệt ốc còn gây ô nhiễm môi trường, phát sinh tính kháng thuốc và đe dọa sức khỏe con người do ốc bươu vàng là vật chủ trung gian truyền ký sinh trùng Angiostrongylus cantonensis.

Trong khi đó, thịt ốc bươu vàng chứa hàm lượng protein và khoáng chất cao, là nguồn nguyên liệu tiềm năng để sản xuất phân bón hữu cơ sinh học phục vụ canh tác nông nghiệp bền vững. Đề tài "Xây dựng quy trình thủy phân Ốc bươu vàng (Pomacea canaliculata) thành phân bón hữu cơ cho cây trồng" được thực hiện nhằm giải quyết đồng thời hai bài toán: kiểm soát phế phẩm/dịch hại nông nghiệp và tạo nguồn phân bón lá hữu cơ giàu dinh dưỡng.

Mục tiêu và nhiệm vụ nghiên cứu:

  • Mục tiêu tổng quát: Ứng dụng phương pháp thủy phân và bước đầu sàng lọc các quy trình để thủy phân ốc bươu vàng thu gom từ đồng ruộng thành phân bón hữu cơ phục vụ canh tác cây trồng.
  • Nhiệm vụ nghiên cứu:
    1. Khảo sát sự ảnh hưởng của các phương thức thủy phân ốc bươu vàng bằng các tổ hợp hóa chất và enzyme khác nhau nhằm tạo ra dung dịch đạm thủy phân đạt hàm lượng dinh dưỡng cao và kiểm soát mùi hôi.
    2. Đánh giá thử nghiệm hiệu quả của dung dịch thủy phân ốc bươu vàng ở các nồng độ khác nhau lên các chỉ tiêu sinh trưởng và năng suất của cây cải bẹ xanh (Brassica juncea).

Đối tượng và phạm vi nghiên cứu:

  • Đối tượng nghiên cứu: Ốc bươu vàng (Pomacea canaliculata) tươi sống thu gom tại các tỉnh Đồng bằng sông Cửu Long và cây cải bẹ xanh (Brassica juncea, giống Santo 916).
  • Phạm vi không gian: Thí nghiệm thủy phân và phân tích hóa lý được thực hiện tại Huyện Thạnh Hóa (Tỉnh Long An) và Khu thực nghiệm thuộc Viện Nghiên cứu Công nghệ Sinh học và Môi trường, Trường Đại học Nông Lâm TP. Hồ Chí Minh.
  • Phạm vi thời gian: Đề tài được triển khai từ tháng 12/2022 đến tháng 06/2023.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp

Khóa luận dựa trên cơ sở khoa học về chuyển hóa sinh hóa và phân giải protein động vật thành các hợp chất hữu cơ dễ tiêu (axit amin, peptit ngắn) phục vụ dinh dưỡng thực vật. Đạm (Nitơ) là thành phần cấu tạo cơ bản của axit amin, protein, enzyme và diệp lục tố; việc cung cấp đạm hữu cơ qua lá giúp thúc đẩy phân chia tế bào, kích thích sinh trưởng sinh dưỡng và gia tăng tích lũy sinh khối.

Trong 100 g thịt ốc bươu vàng có 76,8 g nước, 11,1 g protein, 0,70 g lipid, 8,30 g glucid, 3,10 g tro, 1310 mg Canxi và 64,0 mg Photpho (theo Viện Dinh dưỡng, 2007). Quá trình phân giải đạm tự nhiên từ ốc thường sinh ra các khí có mùi hôi thối ($H_2S$, $NH_3$, amin) do sự hoạt động của vi sinh vật kỵ khí. Do đó, việc kết hợp enzyme protease ngoại sinh (Alcalase) để cắt mạch liên kết peptide, kết hợp với axit vô cơ ($H_3PO_4$) và chất bảo quản/khử khuẩn ($HCHO$) được áp dụng để kiểm soát quá trình phân giải và ức chế sinh mùi.

Phương pháp nghiên cứu thực nghiệm:

  • Phương pháp thủy phân kết hợp enzyme và hóa chất: Bố trí thí nghiệm 1 yếu tố gồm 4 nghiệm thức (NT), lặp lại 3 lần trên 2 kg ốc bươu vàng/thùng:
    • NT1: Bổ sung 10 mL $H_3PO_4$ 0,5% + 10 mL $HCHO$ 0,5% (theo trọng lượng ốc).
    • NT2: Bổ sung 20 mL $H_3PO_4$ 1,0% + 20 mL $HCHO$ 1,0%.
    • NT3 (đối chứng theo quy trình gốc): Bổ sung 30 mL $H_3PO_4$ 1,5% + 30 mL $HCHO$ 1,5%.
    • NT4: Bổ sung 1 mL Enzyme Alcalase 0,05% ở giai đoạn đầu (15 ngày), sau đó bổ sung tiếp 30 mL $H_3PO_4$ 1,5% + 30 mL $HCHO$ 1,5% và ủ tiếp 45 ngày (tổng thời gian 60 ngày ở 28–35°C).
  • Phương pháp khảo nghiệm đồng ruộng: Bố trí thí nghiệm đơn yếu tố kiểu hoàn toàn ngẫu nhiên (CRD) với 3 lần lặp lại, tổng diện tích 30 $m^2$ (15 ô, 2 $m^2$/ô, mật độ cách nhau 25 cm). Cây được phun bổ sung dịch trích ốc ở các nồng độ: NT1 (0% - đối chứng), NT2 (25%), NT3 (50%), NT4 (75%), NT5 (100% dung dịch trích) vào các ngày 15, 20 và 25 sau khi trồng (NST) với liều lượng 0,2 mL dịch pha loãng trong 100 mL nước/2 $m^2$. Bón lót và bón thúc nền sử dụng phân khoáng F97 (N: 13%, $P_2O_5$: 30%, $K_2O$: 20%).
  • Tiêu chuẩn phân tích chất lượng dịch trích: Xác định pH theo TCVN 13263-9:2020; Nitơ tổng số theo TCVN 8557:2010; Chất hữu cơ (OM) và Carbon hữu cơ (OC) theo TCVN 9294:2012.
  • Phương pháp xử lý số liệu: Số liệu được tổng hợp trên Microsoft Excel và phân tích phương sai (ANOVA một yếu tố) bằng phần mềm Minitab 16; so sánh sự khác biệt giữa các giá trị trung bình bằng phép thử Tukey ở mức ý nghĩa $P < 0,05$.

Nội dung chính theo từng chương

Chương 1. Đặt vấn đề

Chương này tập trung phân tích thực trạng bùng phát dịch hại ốc bươu vàng tại Việt Nam từ khi nhập nội giai đoạn 1985–1986. Tác giả nêu bật những thiệt hại kinh tế đối với diện tích lúa nước (chi phí tiêu diệt hàng năm trên 2.000 tỷ đồng), các hệ lụy môi trường do thuốc diệt ốc hóa học và nguy cơ lây truyền bệnh viêm màng não do ký sinh trùng. Đồng thời, chương 1 xác định rõ tính cấp thiết, mục tiêu và hai nội dung nghiên cứu trọng tâm nhằm chuyển hóa nguồn ốc gây hại thành phân bón lá hữu cơ.

Chương 2. Tổng quan tài liệu

Tác giả trình bày hệ thống lý thuyết về:

  • Sinh học ốc bươu vàng: Nguồn gốc, phân loại, tập tính sinh sản (đẻ 120–500 trứng/ổ, tỷ lệ đực/cái 1:4, tuổi thọ 2–4 năm), thành phần dinh dưỡng trong thịt ốc.
  • Tổng quan về phân bón hữu cơ: Phân loại nhóm truyền thống (phân chuồng, phân xanh, phân rác) và công nghiệp (vi sinh, sinh học, khoáng); phân tích cơ chế phân bón hữu cơ cải thiện lý tính, hóa tính đất và nâng cao khả năng quang hợp của cây trồng.
  • Vai trò của đạm đối với thực vật: Tác động đến sự phát triển sinh dưỡng, diện tích lá, khả năng hấp thu khoáng chất và tổng hợp protein.
  • Các nghiên cứu tiền đề về thủy phân phụ phẩm thủy hải sản (nội tạng hải sâm, phụ phẩm cá tra, phế liệu chế biến tôm).
  • Đặc điểm nông học và giá trị thương phẩm của cây cải bẹ xanh (Brassica juncea).

Chương 3. Vật liệu và phương pháp

Trình bày chi tiết về:

  • Nguồn gốc nguyên vật liệu: Ốc bươu vàng từ Đồng bằng sông Cửu Long, enzyme Alcalase (Novozyme - Đan Mạch, dải hoạt tính pH 7,0–7,6, nhiệt độ 50–55°C), axit photphoric $H_3PO_4$ 85% và formaldehyde $HCHO$ 37–40% (Xilong Scientific), hạt giống cải bẹ xanh Santo 916 (An Phú Nông), phân bón NPK F97 (SAGIKO).
  • Các bước thực hiện nội dung 1: Chuẩn bị ốc, phối trộn hóa chất/enzyme theo 4 nghiệm thức, thời gian ủ 60 ngày, theo dõi cảm quan (màu sắc, mùi, tốc độ rã thịt) theo các mốc 7, 20, 40, 60 ngày; phân tích hàm lượng dinh dưỡng (pH, N tổng số, OM, OC).
  • Các bước thực hiện nội dung 2: Kỹ thuật ươm giống, làm đất, lên luống, bón phân F97 định kỳ 7 ngày/lần, kỹ thuật phun dịch thủy phân ở 5 mức nồng độ, chỉ tiêu theo dõi (chiều cao cây, số lá/cây, trọng lượng cây, năng suất ô, năng suất lý thuyết và thực thu) và phương pháp thống kê ANOVA - Tukey.

Chương 4. Kết quả và thảo luận

Chương 4 cung cấp toàn bộ dữ liệu thực nghiệm thu được từ hai nội dung nghiên cứu:

Đánh giá cảm quan và chất lượng hóa học dịch thủy phân:

Nghiệm thức (NT) Thành phần xử lý Tốc độ phân hủy thịt ốc (60 ngày) Trạng thái mùi (60 ngày) pH Nito tổng số (%) OM (%) OC (%)
NT1 $H_3PO_4$ 0,5% + $HCHO$ 0,5% Phân hủy hoàn toàn Sinh mùi hôi nhẹ 8,21 0,52 1,34 0,61
NT2 $H_3PO_4$ 1,0% + $HCHO$ 1,0% Còn một ít thịt ốc Giảm mùi hôi 7,71 0,44 1,90 0,86
NT3 (ĐC) $H_3PO_4$ 1,5% + $HCHO$ 1,5% Thịt ốc phân hủy rất chậm Không sinh mùi 6,82 0,38 2,07 0,94
NT4 Alcalase 0,05% + $H_3PO_4$ 1,5% + $HCHO$ 1,5% Phân hủy hoàn toàn Hết mùi hôi 6,96 0,55 2,79 1,27

Kết quả chỉ ra NT4 vượt trội nhất về cả hàm lượng đạm (0,55%), chất hữu cơ tổng số (2,79%), carbon hữu cơ (1,27%), đồng thời phân giải triệt để thịt ốc và triệt tiêu hoàn toàn mùi hôi sau 60 ngày. Do đó, NT4 được chọn làm quy trình chuẩn để thử nghiệm bón lá.

Đánh giá sinh trưởng và năng suất cây cải bẹ xanh:

Chỉ tiêu theo dõi (tại 30 NST) NT1 (0% dịch) NT2 (25% dịch) NT3 (50% dịch) NT4 (75% dịch) NT5 (100% dịch) Mức ý nghĩa ($P$)
Chiều cao cây (cm) 20,42 ± 0,15 25,38 ± 0,09 25,47 ± 0,09 27,31 ± 0,58 28,23 ± 0,17 $P < 0,001$
Số lá (lá/cây) 6,13 ± 0,03 7,30 ± 0,17 7,52 ± 0,07 8,33 ± 0,07 8,60 ± 0,10 $P < 0,001$
Trọng lượng trung bình (g/cây) 21,47 ± 0,09 25,27 ± 0,41 26,73 ± 0,77 46,50 ± 1,23 49,73 ± 0,74 $P < 0,001$
Năng suất ô (kg/2 $m^2$) 0,66 ± 0,01 0,73 ± 0,02 0,83 ± 0,04 1,45 ± 0,03 1,52 ± 0,06 $P < 0,001$
Năng suất lý thuyết (tấn/ha) 3,43 ± 0,01 4,04 ± 0,06 4,28 ± 0,12 7,44 ± 0,20 7,96 ± 0,12 $P < 0,001$
Năng suất thực thu (tấn/ha) 3,28 ± 0,03 3,67 ± 0,08 4,15 ± 0,18 7,25 ± 0,14 7,58 ± 0,30 $P < 0,001$

Tại thời điểm 15 NST, các nghiệm thức chưa có sự khác biệt thống kê do cây hấp thụ dinh dưỡng chậm. Từ 20 đến 30 NST, tốc độ phát triển chiều cao, số lá và tích lũy khối lượng của các nghiệm thức bón dịch ốc tăng mạnh và vượt trội so với đối chứng. NT5 (100% dịch trích) và NT4 (75% dịch trích) cho năng suất thực thu cao nhất (đạt lần lượt 7,58 tấn/ha và 7,25 tấn/ha), cao hơn gấp 2,2 lần so với nghiệm thức đối chứng NT1 (3,28 tấn/ha).

Chương 5. Kết luận và đề nghị

Đưa ra kết luận khẳng định quy trình thủy phân kết hợp enzyme Alcalase 0,05% (15 ngày đầu) và axit photphoric 1,5% + formol 1,5% (45 ngày sau) đạt hiệu quả phân giải protein cao, không gây mùi hôi và giúp tăng năng suất cây cải bẹ xanh rõ rệt. Tác giả cũng nêu các đề xuất nghiên cứu tiếp nối về đa dạng hóa chế phẩm vi sinh và phân tích thành phần khoáng vi lượng.

Kết quả và đóng góp

Kết quả chính

  • Xác lập quy trình thủy phân ốc bươu vàng tối ưu: 2 kg ốc tươi được ủ ngập nước với 0,05% enzyme Alcalase trong 15 ngày đầu ở 28–35°C, sau đó bổ sung 1,5% $H_3PO_4$ và 1,5% $HCHO$, ủ tiếp 45 ngày. Dung dịch thành phẩm đạt pH 6,96; hàm lượng N tổng số đạt 0,55%; chất hữu cơ (OM) đạt 2,79%; carbon hữu cơ (OC) đạt 1,27%; dịch phân hủy hoàn toàn thịt ốc và không còn mùi hôi thối.
  • Xác định hiệu quả sinh học trên cây cải bẹ xanh: Phun phân bón lá từ dịch thủy phân ốc bươu vàng tại các thời điểm 15, 20, 25 NST làm gia tăng các chỉ tiêu sinh trưởng và năng suất. Nghiệm thức NT5 (100% dịch trích) đạt chiều cao cây 28,23 cm, số lá 8,60 lá/cây, trọng lượng 49,73 g/cây và năng suất thực thu 7,58 tấn/ha (so với đối chứng NT1 chỉ đạt 20,42 cm, 6,13 lá/cây, 21,47 g/cây và 3,28 tấn/ha). Nghiệm thức NT4 (75% dịch trích) cũng đạt năng suất cao với 7,25 tấn/ha.

Giải pháp và khuyến nghị kỹ thuật

  • Tận dụng nguồn ốc bươu vàng thu gom từ ruộng lúa làm nguyên liệu đầu vào để sản xuất phân bón lá hữu cơ tại chỗ, vừa hỗ trợ tiêu diệt dịch hại vừa giảm chi phí phân bón hóa học trong sản xuất rau an toàn.
  • Sử dụng liều lượng phun khuyến nghị là 0,2 mL dịch trích pha loãng trong 100 mL nước trên diện tích 2 $m^2$, phun tập trung vào giai đoạn sinh trưởng mạnh của cây (từ ngày thứ 15 sau trồng trở đi).

Đóng góp so với các nghiên cứu trước

Nghiên cứu đã khắc phục được nhược điểm trong công trình của Phan Thị Kim Phượng (2014). Ở nghiên cứu trước, việc chỉ sử dụng hỗn hợp hóa chất $H_3PO_4$ 1,5% và $HCHO$ 1,5% làm ức chế hệ vi sinh vật tự nhiên khiến thịt ốc hầu như không phân hủy và hàm lượng đạm thu được rất thấp. Đề tài này đã cải tiến bằng cách chia làm 2 pha: sử dụng enzyme Alcalase 0,05% ở 15 ngày đầu để thủy phân nhanh khối protein cơ thịt, sau đó mới bổ sung $H_3PO_4$ và $HCHO$ để ổn định môi trường và khử mùi, giúp rút ngắn thời gian phân hủy, nâng cao hàm lượng đạm tổng số và xử lý dứt điểm vấn đề phát sinh mùi hôi.

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

Hạn chế

  • Nghiên cứu mới dừng lại ở việc đánh giá các chỉ tiêu dinh dưỡng cơ bản gồm pH, Nitơ tổng số, chất hữu cơ tổng số (OM) và carbon hữu cơ (OC); chưa phân tích chi tiết thành phần các axit amin tự do và hệ khoáng chất đa - trung - vi lượng ($P, K, Ca, Mg, Fe, Zn...$) có trong dung dịch sau thủy phân.
  • Thử nghiệm hiệu quả nông học của phân bón mới chỉ thực hiện trên một đối tượng cây trồng ngắn ngày là cải bẹ xanh (Brassica juncea) trong điều kiện nhà lưới quy mô nhỏ (30 $m^2$), chưa khảo sát trên các nhóm cây ăn trái, cây công nghiệp hoặc thử nghiệm diện rộng ngoài đồng ruộng.

Hướng nghiên cứu tiếp

  • Khảo sát bổ sung các loại chế phẩm sinh học, vi khuẩn phân giải protein (như Bacillus subtilis) hoặc các nguồn enzyme protease thương mại khác nhằm tối ưu hóa chi phí sản xuất và rút ngắn hơn nữa thời gian ủ.
  • Tiến hành phân tích sâu thành phần khoáng đa lượng, trung lượng, vi lượng và định lượng profile axit amin trong dung dịch trích để hoàn thiện tiêu chuẩn chất lượng sản phẩm phân bón hữu cơ sinh học.

Giá trị tham khảo

Khóa luận là tài liệu tham khảo hữu ích cho sinh viên, học viên cao học và cán bộ nghiên cứu thuộc các chuyên ngành Công nghệ Sinh học, Nông học, Khoa học Môi trường và Quản lý Nông nghiệp bền vững:

  • Phần quy trình công nghệ (Chương 3 và Chương 4) cung cấp thông số kỹ thuật chi tiết (tỷ lệ enzyme Alcalase, tỷ lệ hóa chất, các mốc thời gian bổ sung) có giá trị ứng dụng trực tiếp cho các nghiên cứu về xử lý phụ phẩm thủy sản và sản xuất phân bón sinh học.
  • Phần thiết kế thí nghiệm nông học và phương pháp đánh giá thống kê (sử dụng ANOVA một yếu tố và trắc nghiệm Tukey trên Minitab 16) là tài liệu tham khảo chuẩn mực cho sinh viên thực hiện các đề tài khảo nghiệm phân bón trên cây rau màu.

Câu hỏi thường gặp

1. Tỷ lệ phối trộn tối ưu của quy trình thủy phân ốc bươu vàng trong nghiên cứu là bao nhiêu?
Quy trình tối ưu (NT4) sử dụng 2 kg ốc bươu vàng tươi bổ sung nước vừa ngập ốc, ủ với 1 mL Enzyme Alcalase (tương đương 0,05% trọng lượng ốc) trong 15 ngày đầu ở 28–35°C. Sau đó bổ sung 30 mL $H_3PO_4$ (1,5% trọng lượng ốc) và 30 mL $HCHO$ (1,5% trọng lượng ốc) rồi tiếp tục ủ thêm 45 ngày (tổng thời gian 60 ngày).

2. Vì sao nghiệm thức NT3 (sử dụng $H_3PO_4$ 1,5% và $HCHO$ 1,5% ngay từ đầu) lại cho hiệu quả phân hủy kém?
Do nồng độ axit photphoric và formol ban đầu quá cao đã tiêu diệt và ức chế gần như hoàn toàn hoạt tính của các vi sinh vật phân giải protein nội tại, làm cho thịt ốc hầu như còn nguyên vẹn sau 60 ngày ủ và hàm lượng đạm tổng số đạt mức thấp nhất (chỉ 0,38%).

3. Hàm lượng dinh dưỡng của dung dịch thủy phân tối ưu (NT4) đạt được những chỉ số nào?
Dung dịch thủy phân NT4 sau 60 ngày đạt độ pH 6,96 (ngưỡng trung tính phù hợp cho cây trồng); hàm lượng Nitơ tổng số đạt 0,55%; hàm lượng chất hữu cơ tổng số (OM) đạt 2,79% và Carbon hữu cơ (OC) đạt 1,27%.

4. Phun dịch thủy phân ốc bươu vàng ở nồng độ nào giúp cải bẹ xanh đạt năng suất cao nhất?
Nghiệm thức NT5 (sử dụng 100% dịch trích ốc bươu vàng pha loãng với liều lượng 0,2 mL trong 100 mL nước/2 $m^2$) cho kết quả cao nhất với trọng lượng trung bình đạt 49,73 g/cây và năng suất thực thu đạt 7,58 tấn/ha (tăng gấp 2,3 lần so với đối chứng không phun dịch trích đạt 3,28 tấn/ha). Nghiệm thức NT4 (75% dịch trích) cũng cho kết quả cao với 46,50 g/cây và năng suất thực thu 7,25 tấn/ha.

5. Thời điểm và liều lượng bón phân dịch ốc cho cây cải bẹ xanh được thực hiện như thế nào trong thí nghiệm?
Dung dịch được bón qua lá vào các ngày thứ 15, ngày thứ 20 và ngày thứ 25 sau khi trồng (giai đoạn cây sinh trưởng mạnh). Liều lượng phun cho mỗi ô thí nghiệm diện tích 2 $m^2$ là 0,2 mL dung dịch phân bón pha trong 100 mL nước.

Kết luận

Khóa luận đã xây dựng thành công quy trình thủy phân ốc bươu vàng (Pomacea canaliculata) thành phân bón hữu cơ dạng lỏng bằng phương pháp kết hợp enzyme Alcalase 0,05% và hệ hóa chất $H_3PO_4$ 1,5% – $HCHO$ 1,5%, giúp phân giải hoàn toàn mô cơ thịt và khử triệt để mùi hôi sau 60 ngày. Dịch thủy phân thành phẩm giàu đạm (0,55%) và hữu cơ (2,79%), khi thử nghiệm trên cây cải bẹ xanh đã thúc đẩy vượt trội chiều cao, số lá và nâng cao năng suất thực thu từ 3,28 tấn/ha (đối chứng) lên mức 7,58 tấn/ha (ở mức bón 100% dịch trích). Đề tài mang lại giải pháp công nghệ sinh học hữu ích trong việc biến nguồn dịch hại nông nghiệp thành sản phẩm phân bón lá có giá trị, đóng góp vào định hướng canh tác hữu cơ và kinh tế tuần hoàn.