Tài liệu Nghiên cứu vi sinh vật để xử lý chất thải chăn nuôi dạng rắn

MỤC LỤC Trang Lời cam đoan Lời cảm ơn Danh mục các ký hiệu và chữ viết tắt Danh mục các bảng Danh mục các hình vẽ Danh mục sơ đồ Mục lục MỞ ĐẦU............................................................................................................ 1 CHƢƠNG 1: TỔNG QUAN TÀI LIỆU.......................................................... 4 1.1. CHẤT THẢI CHĂN NUÔI VÀ BIỆN PHÁP XỬ LÝ...................... 4 1.1.1. Chất thải chăn nuôi và nguy cơ ô nhiễm môi trƣờng....................... 4 1.1.2. Tình hình sử dụng chất thải chăn nuôi ở Việt Nam......................... 7 1.1.3. Các biện pháp xử lý chất thải chăn nuôi.......................................... 10 1.1.3.1. Phƣơng pháp vật lý phân tách chất rắn - lỏng......................... 10 1.1.3.2. Các phƣơng pháp hoá học....................................................... 10 1.1.3.3. Các phƣơng pháp sinh học...................................................... 11 1.2. VI SINH VẬT THAM GIA QUÁ TRÌNH XỬ LÝ CHẤT THẢI HỮU CƠ.................................................................................................... 17 1.2.1. Vi sinh vật phân giải xenluloza........................................................ 17 1.2.1.1. Xenluloza................................................................................. 17 1.2.1.2. Enzym xenlulaza...................................................................... 18 1.2.1.3. Vi sinh vật tổng hợp xenlulaza................................................ 20 1.2.2. Vi sinh vật thủy phân tinh bột................................................................ 22 1.2.2.1. Cấu trúc của tinh bột................................................................. 22 5 1.2.2.2. Enzym thuỷ phân tinh bột......................................................... 24 1.2.2.3. Vi sinh vật tổng hợp enzim thuỷ phân tinh bột......................... 26 1.2.3. Vi sinh vật phân giải protein................................................................... 27 1.2.3.1. Enzym proteaza........................................................................ 27 1.2.3.2. Vi sinh vật tổng hợp enzim phân giải protein.......................... 29 1.2.4. Vi khuẩn tổng hợp axit lactic và bacterioxin....................................... 31 1.2.4.1. Bacterioxin................................................................................ 32 1.2.4.2. Ứng dụng của vi khuẩn lactic ................................................. 37 CHƢƠNG 2: VẬT LIỆU VÀ PHƢƠNG PHÁP............................................ 41 2.1. VẬT LIỆU................................................................................................ 41 2.1.1. Các mẫu thu thập và chủng vi sinh vật................................................ 41 2.1.1.1. Mẫu thu thập.......................................................................................... 41 2.1.1.2. Vi sinh vật............................................................................................... 41 2.1.2. Hóa chất........................................................................................... 41 2.1.3. Các dung dịch và môi trƣờng ................................................................ 42 2.1.3.1. Các dung dịch........................................................................... 42 2.1.3.2. Môi trƣờng ............................................................................... 43 2.1.4. Thiết bị, dụng cụ.............................................................................. 44 2.2. PHƢƠNG PHÁP ..................................................................................... 44 2.2.1. Phƣơng pháp phân loại vi sinh vật.................................................. 44 2.2.1.1. Phân loại theo phƣơng pháp truyền thống................................ 44 2.2.1.2. Phân loại bằng kỹ thuật sinh học phân tử................................. 45 2.2.2. Xác định hoạt tính sinh học của vi sinh vật................................... 49 2.2.2.1. Xác định hoạt tính xenlulaza, amylaza, proteaza..................... 49 2.2.2.2. Nghiên cứu đặc tính của proteaza............................................. 50 2.2.2.3. Định lƣợng đƣờng khử theo Micro-Bertrand........................... 50 2.2.2.4. Xác định khả năng tổng hợp axit lactic.................................... 51 2.2.2.5. Định lƣợng axit lactic theo Therner......................................... 51 2.2.2.6. Xác định khả năng kháng khuẩn trên môi trƣờng thạch đĩa..... 52 6 2.2.2.7. Xác định khả năng kháng khuẩn trong môi trƣờng dịch thể..... 52 2.2.2.8. Phát hiện bacterioxin................................................................ 52 2.2.2.9. Điện di protein trên gel tricine- SDS- PAGE........................... 53 2.2.2.10. Xác định khả năng kháng khuẩn trực tiếp trên gel acrylamit. 53 2.2.3. Xác định hiện trạng chất thải chăn nuôi.......................................... 54 2.2.3.1. Điều tra thực trạng chất thải chăn nuôi..................................... 54 2.2.3.2. Xác định khí thải H2S và NH3.................................................. 54 2.2.3.3. Xác định mật độ vi sinh vật gây bệnh, ký sinh trùng............... 54 2.2.3.4. Xác định hàm lƣợng các nguyên tố khoáng.............................. 55 2.2.4. Thử nghiệm và đánh giá hiệu quả của chế phẩm............................ 55 2.2.4.1. Thử nghiệm sử dụng chế phẩm vi sinh vật xử lý chất thải chăn nuôi dạng rắn.................................................................................. 55 2.2.4.2. Đánh giá độ chín và độ an toàn của phân ủ.............................. 55 2.2.4.3. Thí nghiệm đồng ruộng đánh giá hiệu quả phân bón hữu cơ... 56 CHƢƠNG 3: KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN................................................... 58 3.1. THỰC TRẠNG CHẤT THẢI TẠI MỘT SỐ CƠ SỞ CHĂN NUÔI..................... 58 3.1.1. Tình hình quản lý, sử dụng chất thải chăn nuôi............................... 58 3.1.2. Thực trạng môi trƣờng tại một số cơ sở chăn nuôi.......................... 59 3.1.1.1. Ô nhiễm do khí thải độc hại...................................................... 59 3.1.1.2. Ô nhiễm do vi sinh vật gây bệnh và ký sinh trùng................... 61 3.2. NGHIÊN CỨU VI SINH VẬT ĐỂ XỬ LÝ CHẤT THẢI CHĂN NUÔI.......................................................................................................... 61 3.2.1. Phân lập, tuyển chọn bộ chủng giống vi sinh vật............................. 61 3.2.1.1. Vi sinh vật phân giải xenluloza, tinh bột, protein..................... 62 3.2.1.2. Vi khuẩn lactic.......................................................................... 64 3.2.2. Định tên và xác định độ an toàn sinh học của các chủng nghiên cứu........................................................................................................... 67 3.2.2.1. Định tên vi sinh vật bằng phƣơng pháp truyền thống............... 68 3.2.2.2. Định tên vi sinh vật bằng kỹ thuật sinh học phân tử................. 73 7 3.2.2.3. Độ an toàn sinh học của các chủng vi sinh vật nghiên cứu...... 77 3.2.3. Một số yếu tố môi trƣờng ảnh hƣởng đến khả năng phân giải chất hữu cơ của các chủng vi sinh vật nghiên cứu.......................................... 79 3.2.3.1. Ảnh hƣởng đến khả năng phân giải xenluloza của chủng XK112................................................................................................................ 79 3.2.3.2. Ảnh hƣởng đến khả năng phân giải tinh bột của chủng B20.......... 82 3.2.3.3. Ảnh hƣởng đến khả năng phân giải protein của chủng B15................................................................................................. 87 3.2.4. Hoạt tính đối kháng của chủng LH19.............................................. 91 3.2.4.1. Khả năng đối kháng vi khuẩn gây bệnh và vi khuẩn gây thối rữa............................................................................................................ 90 3.2.4.2. Khả năng sinh tổng hợp bacterioxin của vi khuẩn lactic LH19 93 3.2.4.3. Một số yếu tố môi trƣờng ảnh hƣởng đến hoạt tính kháng khuẩn của chủng LH19............................................................................ 98 3.3. NGHIÊN CỨU SẢN XUẤT CHẾ PHẨM VI SINH VẬT ĐỂ XỬ LÝ CHẤT THẢI CHĂN NUÔI................................................................................ 102 3.3.1. Điều kiện nhân sinh khối vi sinh vật................................................ 102 3.3.1.1. Thời gian nuôi cấy.................................................................... 102 3.3.1.2. Tỷ lệ giống cấy......................................................................... 103 3.3.1.3. Điều kiện cấp khí...................................................................... 104 3.3.1.4. Môi trƣờng nhân sinh khối....................................................... 105 3.3.2. Quy trình sản xuất chế phẩm.......................................................... 106 3.3.3. Chất lƣợng chế phẩm..................................................................... 108 3.4. ỨNG DỤNG CHẾ PHẨM VI SINH VẬT XỬ LÝ CHẤT THẢI CHĂN NUÔI.......................................................................................................................... 110 3.4.1. Hiệu quả xử lý chất thải chăn nuôi................................................... 110 3.4.1.1. Động thái nhiệt độ đống ủ........................................................ 111 3.4.1.2. Hiệu quả chuyển hóa các thành phần dinh dƣỡng.................... 113 3.4.1.3. Hiệu quả xử lý vi sinh vật gây bệnh và ký sinh trùng.............. 115 8 3.4.1.4. Hiệu quả xử lý mùi hôi do khí phát thải................................... 116 3.4.2. Khả năng sử dụng chất thải chăn nuôi sau xử lý làm phân bón...... 118 3.5. HIỆU QUẢ SƢ DỤNG PHÂN HỮU CƠ TỪ CHẤT THẢI CHĂN NUÔI ĐỐI VỚI CÂY TRỒNG.......................................................................... 121 3.5.1. Hiệu quả của phân hữu cơ đối với rau cải........................................ 121 3.5.2. Hiệu quả của phân hữu cơ đối với cây dƣa chuột........................... 125 129 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ DANH MỤC CÔNG TRÌNH KHOA HỌC CỦA TÁC GIẢ LIÊN QUAN ĐẾN LUẬN ÁN TÀI LIỆU THAM KHẢO PHỤ LỤC 9 DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT APS Ammonium persulfate Bp Base pair (cặp bazơ) CFU Colony forming unit (V) CMC Cacboxymethyl xenluloza CV Coefficient of variation (Sai số thí nghiệm) ADN Axit deoxyribonucleic DNS 3,5 axit dinitrosalicylic dNTP 2’- deoxyribonucleocide - 5’triphosphate DTT 1,4-Dithiothreitol EDTA Ethylene diamine tetra acetic acid EM Effective microorganisms (V) EtBr Ethidium bromide Kb Kilobase KST Ký sinh trùng kDa Kilodalton LAB Lactic acid bacteria (V) LB Luria – Betani LSD Least Significant Difference (Sai khác giữa các công thức có ý nghĩa) OC Organic cacbon (Các bon hữu cơ) OD Optical density (Mật độ quang) OM Organic matter (Chất hữu cơ) PCR Polymerase Chain Reaction (Phản ứng chuỗi trùng hợp) ARN Axit ribonucleic SDS-PAGE Sodium dodecyl sulfate polyacrylamide gel electrophoresis 10 TAE Tris- Acetate- EDTA TBE Tris- Borate- EDTA TCN Tiêu chuẩn ngành TCVN Tiêu chuẩn Việt Nam TE Tris - EDTA TEMED N, N, N’,N’- tetramethyl ethylendiamine TFA Trifluoroacetic acid v/v Volume/volume ( Thể tích/ thể tích) w/v Weight/volume (Khôi lƣợng/thể tích) 11 DANH MỤC CÁC BẢNG Bảng Tên bảng Trang 1.1 Thành phần hoá học của một số loại phân gia súc, gia cầm 7 1.2 Phân loại bacterioxin của vi khuẩn gram (+) 33 1.3 Một số bacterioxin thuộc phân lớp IIa 35 3.1 Môi trƣờng không khí tại các trang trại chăn nuôi 60 3.2 Mật độ vi sinh vật gây bệnh và ký sinh trùng trong chất thải chăn nuôi 61 3.3 Số lƣợng chủng vi sinh vật phân lập 62 3.4 Khả năng phân giải chất hữu cơ của các chủng vi sinh vật 63 3.5 Kết quả phân lập vi khuẩn lactic 65 3.6 Hoạt tính sinh học của các chủng vi khuẩn lactic phân lập 66 3.7 Hoạt tính sinh học của các chủng vi sinh vật nghiên cứu 67 3.8 Đặc điểm sinh hóa của các chủng vi sinh vật nghiên cứu 72 3.9 Mức độ an toàn của các chủng vi sinh vật nghiên cứu 79 3.10 Ảnh hƣởng nhiệt độ đến sinh trƣởng và khả năng phân giải xenluloza của chủng XK112 3.11 80 Ảnh hƣởng pH đến sinh trƣởng và khả năng phân giải xenluloza của chủng XK112 3.12 81 Ảnh hƣởng ion Ca2+ đến độ bền nhiệt của amylaza do chủng B20 tổng hợp 86 3.13 Ảnh hƣởng của ion kim loại đến hoạt tính proteaza của chủng B15 90 3.14 Khả năng đối kháng vi khuẩn gây bệnh cho ngƣời và vật nuôi của chủng LH19 91 3.15 Khả năng đối kháng E. carotovora KT03 của chủng LH19 92 3.16 Phổ kháng khuẩn của chủng LH19 94 3.17 Phản ứng của dịch chứa chất kháng khuẩn với các enzym phân giải protein 95 12 Bảng Tên bảng Trang 3.18 Ảnh hƣởng của nhiệt độ và thời gian đến hoạt tính bacterioxin 97 3.19 Hoạt tính của bacterioxin ở các pH khác nhau 98 3.20 Ảnh hƣởng của nhiệt độ đến sinh trƣởng và hoạt tính kháng khuẩn của chủng LH19 3.21 99 Ảnh hƣởng của pH đến sinh trƣởng và hoạt tính kháng khuẩn của chủng LH19 3.22 100 Sinh trƣởng và hoạt tính kháng khuẩn chủng LH19 trên các loại đƣờng khác nhau 3.23 101 Ảnh hƣởng các muối nitơ vô cơ đến sinh trƣởng và hoạt tính của chủng LH19 102 3.24 Động thái sinh trƣởng của các chủng vi sinh vật nghiên cứu 103 3.25 Ảnh hƣởng của tỷ lệ giống cấy đến sinh khối của 4 chủng vi sinh vật nghiên cứu 3.26 103 Ảnh hƣởng của lƣợng cấp khí đến sinh khối của các chủng vi sinh vật nghiên cứu 3.27 104 Khả năng sinh trƣởng của các chủng vi sinh vật nghiên cứu trên các môi trƣờng sản xuất 3.28 106 Điều kiện thích hợp nhân sinh khối của các chủng vi sinh vật nghiên cứu 106 3.29 Khả năng tồn tại của 4 chủng vi sinh vật trong chế phẩm 108 3.30 Hoạt tính của 4 chủng vi sinh vật trong chế phẩm 109 3.31 Biến động nhiệt độ trong quá trình xử lý chất thải chăn nuôi 112 3.32 Thành phần chất thải chăn nuôi sau xử lý 114 3.33 Mật độ vi sinh vật gây bệnh và ký sinh trùng trong chất thải chăn nuôi 116 3.34 Môi trƣờng không khí tại trang trại chăn nuôi lợn 117 3.35 Môi trƣờng không khí tại trang trại chăn nuôi gà 117 3.36 Kiểm tra độ chín của phân ủ qua nhiệt độ của túi sản phẩm 120 13 Bảng Tên bảng 3.37 Đánh giá độ chín của phân ủ bằng phƣơng pháp thử nghiệm cây Trang trồng 120 3.38 Hiệu quả sử dụng phân hữu cơ đến năng suất rau cải mơ 122 3.39 Hiệu quả sử dụng phân hữu cơ đến chất lƣợng rau cải 123 3.40 Chi phí cho phân bón đối với rau cải mơ 124 3.41 Hiệu quả sử dụng phân hữu cơ đến năng suất dƣa chuột 126 3.42 Hiệu quả bón phân hữu cơ đến hình thái, kích thƣớc quả dƣa chuột 127 14 DANH MỤC CÁC HÌNH Tên hình 1.1 Trang Dòng chảy dinh dƣỡng và sự phát tán các yếu tố gây ô nhiễm môi trƣờng từ một số trang trại chăn nuôi lợn ở Việt Nam 1.2 5 Số liệu khảo sát sử dụng chất thải chăn nuôi lợn của 54 trang trại tại tỉnh Thái Bình và Bắc Giang 9 1.3 Cấu trúc phân tử xenluloza 17 1.4 Chuỗi các đơn phân hydroxyetyl xenluloza 17 1.5 Cấu trúc của tinh bột 22 1.6 Cấu trúc mạch amyloza 22 1.7 Cấu trúc mạch amylopectin 22 1.8 Mô hình cấu trúc phân tử bậc II của -amylaza 25 1.9 Mô hình cấu trúc phân tử bậc II của -amylaza 25 1.10 Mô hình cấu trúc không gian của bacterioxin phân lớp IIa 36 1.11 Mô hình cấu trúc phân tử của bacterioxin 36 3.1 Tình hình sử dụng chất thải tại 6 cơ sở chăn nuôi điều tra năm 2009 59 3.2 Hoạt tính phân giải xenluloza của chủng xạ khuẩn XK112 67 3.3 Hoạt tính phân giải tinh bột của chủng vi khuẩn B20 67 3.4 Hoạt tính phân giải protein của chủng vi khuẩn B15 67 3.5 Hoạt tính kháng E. carotovora KT03 của chủng LH19 67 3.6 Hình thái bào tử, cuống sinh bào tử của chủng xạ khuẩn XK112 68 3.7 Hình dạng tế bào của chủng vi khuẩn B20 69 3.8 Hình dạng, kích thƣớc tế bào của chủng vi khuẩn B15 70 3.9 Hình dạng, kích thƣớc tế bào của chủng LH19 70 3.10 Hình thái khuẩn lạc của chủng xạ khuẩn XK112 71 3.11 Hình thái khuẩn lạc của chủng vi khuẩn B20 71 3.12 Hình thái khuẩn lạc của chủng vi khuẩn B15 71 15 Tên hình Trang 3.13 Hình thái khuẩn lạc của chủng vi khuẩn LH19 3.14 Cây phát sinh dựa trên phân tích trình tự ADNr 16S của chủng XK112 với các loài có quan hệ gần 3.15 83 Ảnh hƣởng của pH đến sinh trƣởng và khả năng phân giải tinh bột của chủng B20 3.20 77 Ảnh hƣởng của nhiệt độ đến sinh trƣởng và khả năng phân giải tinh bột của chủng B20 3.19 76 Cây phát sinh dựa trên phân tích trình tự ADNr 16S của chủng LH19 với các loài có quan hệ gần 3.18 75 Cây phát sinh dựa trên phân tích trình tự ADNr 16S của chủng B15 với các loài có quan hệ gần 3.17 74 Cây phát sinh dựa trên phân tích trình tự ADNr 16S của chủng B20 với các loài có quan hệ gần 3.16 71 85 Ảnh hƣởng của nhiệt độ đến sinh trƣởng và khả năng phân giải protein của chủng B15 87 3.21 Ảnh hƣởng của pH đến sinh trƣởng và khả năng phân giải protein của chủng B15 88 3.22 Khả năng đối kháng E. coli, Salmonella, Shigella của chủng LH19 92 3.23 Hoạt tính kháng của LH19 với các chủng vi khuẩn kiểm định 94 3.24. Phản ứng của dịch bacterioxin với các enzym phân giải protein (chủng kiểm định là S. aureus) 3.25 Điện di tricine SDS- PAGE xác định kích thƣớc và kiểm tra hoạt tính bacterioxin của chủng LH19 3.26 95 97 Sơ đồ Quy trình sản xuất chế phẩm vi sinh vật xử lý chất thải chăn nuôi 107 3.27 Hoạt tính của 4 chủng XK112, B20, B15 và LH19 trong chế phẩm 109 3.28 Sơ đồ Quy trình sử dụng chế phẩm vi sinh vật xử lý chất thải chăn nuôi dạng rắn thành phân hữu cơ 16 110 Tên hình Trang 3.29 Màu sắc và kết cấu của chất thải chăn nuôi trƣớc và sau ủ 3.30 Đánh giá độ chín của phân ủ bằng phƣơng pháp thử nghiệm cây trồng 3.31 121 Thí nghiêm đánh giá hiệu quả của phân hữu cơ từ chất thải chăn nuôi đối với rau cải tại xã Vân Nội- Đông Anh- Hà Nội 3.32 119 125 Thí nghiêm đánh giá hiệu quả của phân hữu cơ từ chất thải chăn nuôi đối với dƣa chuột Tại tam Hợp- Quỳ Hợp- Nghệ An 17 128 MỞ ĐẦU Những năm gần đây, ngành chăn nuôi Việt Nam đã có bƣớc phát triển nhanh chóng, góp phần quan trọng vào sự phát triển chung của ngành nông nghiệp. Giá trị sản xuất chăn nuôi năm 2009 đạt mức tăng trƣởng 5,3% nhƣng theo kế hoạch, giai đoạn 2010-2015 phải đạt trung bình 6-7%/ năm [3, 10, 27]. Trong thời kỳ đổi mới, nhờ các chính sách khuyến khích, các doanh nghiệp, hộ cá thể đã mạnh dạn đầu tƣ để phát triển chăn nuôi hàng hoá qui mô trang trại tập trung. Tuy nhiên, do chỉ tập trung đầu tƣ để nâng cao năng suất, chất lƣợng vật nuôi, nhiều trang trại chƣa chú trọng đến công tác kiểm soát, quản lý chất thải nên đã làm phát sinh dịch bệnh, tác động xấu đến sức khỏe cộng đồng và ảnh hƣởng trực tiếp đến việc phát triển bền vững của ngành chăn nuôi. Tại nhiều địa phƣơng ngƣời dân chƣa quan tâm đúng mức đến việc xử lý chất thải chăn nuôi trƣớc khi sử dụng. Mỗi năm cả nƣớc có khoảng 60 triệu tấn chất thải vật nuôi, trong đó chỉ có khoảng 50% đƣợc xử lý, số còn lại sử dụng trực tiếp bón cho cây trồng hoặc làm thức ăn cho cá. Tại nhiều địa phƣơng, ngƣời dân vẫn sử dụng trực tiếp chất thải chăn nuôi làm phân bón mà không quan tâm đến việc xử lý hoặc cũng chỉ ủ đống để chờ bón cho cây trồng theo mùa vụ. Đây là một trong các nguyên nhân gây ô nhiễm môi trƣờng và lây truyền các dịch bệnh cho ngƣời, vật nuôi và cây trồng [30, 31]. Chất thải chăn nuôi gia súc, gia cầm có chứa các hợp chất các bon, nitơ, phốt pho và các nguyên tố khoáng khác là nguồn dinh dƣỡng quan trọng của cây trồng, song cây trồng không thể sử dụng trực tiếp mà phải qua quá trình chuyển hoá. Phƣơng pháp ủ phân chuồng truyền thống thƣờng kéo dài 4-6 tháng không thể áp dụng tại các cơ sở chăn nuôi tập trung vì không có đủ điều kiện về cơ sở hạ tầng. Đã có nhiều công trình nghiên cứu sử dụng vi sinh vật khởi động để rút ngắn thời gian phân hủy chất thải hữu cơ. Tuy nhiên, đến nay ở Việt Nam chế phẩm vi sinh vật đƣợc sử dụng chủ yếu để xử lý rác thải sinh hoạt và phế phụ phẩm nông nghiệp, công nghiệp chế biến, chƣa có chế phẩm đặc thù cho xử lý chất thải chăn nuôi, nhất là chƣa xử lý có hiệu quả mùi hôi của chất thải chăn nuôi. Một số chế phẩm sử dụng vi sinh vật không có lý lịch chủng giống rõ ràng, gây nhiều băn 18 khoăn về tính an toàn đối với sức khỏe ngƣời, vật nuôi và môi trƣờng sinh thái. Đề tài luận án “Nghiên cứu vi sinh vật để xử lý chất thải chăn nuôi dạng rắn” đƣợc triển khai nhằm tạo đƣợc chế phẩm từ các chủng vi sinh vật an toàn, có khả năng xử lý hiệu quả mùi hôi thối phát sinh từ chất thải chăn nuôi, phân huỷ nhanh chất hữu cơ tạo ra phân bón có chất lƣợng, đáp ứng nhu cầu dinh dƣỡng của cây trồng. Các nội dung chính của luận án đƣợc thực hiện tại Bộ môn Sinh học Môi trƣờng- Viện Môi trƣờng Nông nghiệp; Bộ môn Vi sinh vật- Viện Thổ nhƣỡng Nông hóa (Viện Khoa học Nông nghiệp Việt Nam), Phòng Công nghệ Vật liệu Sinh học- Viện Công nghệ Sinh học (Viện Khoa học và Công nghệ Việt Nam) và đƣợc sự hỗ trợ từ các đề tài do Viện Khoa học Nông nghiệp Việt Nam chủ trì mà tôi trực tiếp tham gia thực hiện gồm: “Nghiên cứu chế phẩm vi sinh vật xử lý nhanh phế thải chăn nuôi” (Đề tài cấp Nhà nƣớc thuộc chƣơng trình Công nghệ Sinh học Nông nghiệp và Thủy sản năm 2008-2010); “Nghiên cứu và ứng dụng chế phẩm vi sinh để chế biến phế thải chăn nuôi làm phân bón hữu cơ sinh học tại nông hộ huyện Quỳ Hợp, Nghệ An” (Đề tài cấp Bộ Nông nghiệp và Phát triển nông thôn năm 2009-2011) và “Tuyển chọn bộ chủng vi sinh vật sử dụng trong sản xuất chế phẩm vi sinh xử lý nhanh phế thải chăn nuôi gà, lợn ở qui mô tập trung” (Đề tài cấp cơ sở, Viện Khoa học Nông nghiệp Việt Nam năm 2010- 2012). Mục tiêu của đề tài luận án: - Tuyển chọn đƣợc bộ chủng vi sinh vật thuộc nhóm an toàn sinh học, có khả năng sinh trƣởng mạnh, cạnh tranh đƣợc với các vi sinh vật trong chất thải, ức chế tiêu diệt có hiệu quả các vi khuẩn gây bệnh và chuyển hóa nhanh chất hữu cơ có trong chất thải chăn nuôi. - Tạo đƣợc chế phẩm vi sinh vật để xử lý chất thải chăn nuôi góp phần giảm ô nhiễm môi trƣờng, tạo ra phân hữu cơ cung cấp dinh dƣỡng cho cây trồng thay thế một phần phân bón vô cơ, góp phần phát triển nông nghiệp an toàn và bền vững. 19 Đóng góp mới của luận án 1. Đây là công trình đầu tiên ở Việt Nam nghiên cứu một cách có hệ thống, từ hiện trạng chất thải dạng rắn ở trang trại chăn nuôi tập trung, đến sản xuất và ứng dụng thành công chế phẩm vi sinh vật xử lý chất thải chăn nuôi, giảm ô nhiễm môi trƣờng và rút ngắn thời gian chuyển hóa các hợp chất hữu cơ từ 3- 4 tháng xuống còn 21- 30 ngày. 2. Là công trình đầu tiên nghiên cứu một cách tổng hợp và chứng minh đƣợc hiệu quả sử dụng vi khuẩn lactic sinh các chất kháng khuẩn (axit lactic và bacterioxin) để xử lý mùi hôi thối và đối kháng vi khuẩn gây bệnh trong chất thải chăn nuôi. 3. Xây dựng đƣợc qui trình sản xuất và ứng dụng chế phẩm vi sinh vật xử lý chất thải chăn nuôi dạng rắn làm phân bón hữu cơ thay thế phân chuồng và có thể tiết kiệm đƣợc 25% lƣợng phân khoáng, góp phần phát triển sản xuất nông nghiệp an toàn, bền vững. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn - Đề tài cung cấp bốn chủng vi sinh vật an toàn, có hoạt tính sinh học cao trong sản xuất chế phẩm vi sinh xử lý chất thải chăn nuôi, tạo phân bón hữu cơ góp phần giảm lƣợng phân hoá học nâng cao hiệu quả sản xuất của nông dân. - Đề xuất giải pháp giảm thiểu ô nhiễm môi trƣờng trong chăn nuôi qui mô trang trại góp phần phát triển bền vững ngành chăn nuôi. 20 Chƣơng 1. TỔNG QUAN TÀI LIỆU 1.1. CHẤT THẢI CHĂN NUÔI VÀ BIỆN PHÁP XỬ LÝ 1.1.1. Chất thải chăn nuôi và nguy cơ ô nhiễm môi trƣờng Chất thải chăn nuôi tạo ra trong quá trình chăn nuôi gia súc gia cầm, gồm ba dạng chủ yếu: Chất thải rắn (bao gồm chủ yếu là phân, chất độn chuồng, thức ăn thừa và đôi khi là xác gia súc, gia cầm chết hàng ngày), chất thải lỏng (bao gồm nƣớc rửa chuồng, nƣớc tắm cho vật nuôi, nƣớc tiểu, một phần phân), chất thải bán lỏng (gồm cả chất thải rắn và chất thải lỏng). Các công trình nghiên cứu về ô nhiễm do chất thải chăn nuôi [3, 10, 22, 27, 31, 57, 111] đã xác định tác nhân ô nhiễm môi trƣờng của chất thải chăn nuôi gồm: - Ô nhiễm do kim loại nặng: Thức ăn chăn nuôi công nghiệp thƣờng chứa các nguyên tố vi lƣợng, kim loại nặng. Trong quá trình trao đổi chất của vật nuôi có khoảng 90% đồng (Cu) không tiêu hoá hết bài tiết ra ngoài; arsen (thạch tín) trong phân vật nuôi có thê tích tụ trong nội tạng ngƣời và vật nuôi gây biến đổi quá trình trao đổi chất, là nguyên nhân gây các bệnh ung thƣ. Khoảng 50% lƣợng phốt pho, nitơ từ thức ăn đƣợc động vật bài tiết ra phân; trong quá trình thu gom, đánh đống phần bị rửa trôi có thể tích luỹ phủ lên bề mặt đất, một lƣợng nhỏ phối hợp với Ca, Cu, Al thành phức hợp không dung giải làm cho đất cằn cỗi, ảnh hƣởng đến sinh trƣởng của thực vật, một phần chảy vào nguồn nƣớc làm cho các phù du sinh vật, rong tảo phát triển dẫn đến giảm dinh dƣỡng và oxy trong nƣớc, phá huỷ môi trƣờng sinh thái nƣớc. - Ô nhiễm do khí thải độc hại: Trong phân, nƣớc thải của lợn có khoảng 40 loại khí độc khác nhau sinh ra từ quá trình thối rữa thức ăn thừa và xác động vật, thực vật do hoạt động sống của vi khuẩn yếm khí. Các khí thải H2S, NH3, CH4, CO2,, N2O...gây mùi hôi thối khó chịu, kích thích trung khu hô hấp của con ngƣời và vật nuôi. Các khí độc này tuỳ theo nồng độ mà gây cho ngƣời mệt nhọc, đau đầu, khó thở, co giật và có thể tử vong. Với gia súc có thể làm giảm lƣợng thức ăn tiêu thụ, có hiện tƣợng 21 thần kinh không bình thƣờng, làm lợn sơ sinh yếu ớt, gây sẩy thai cho lợn chửa, tăng số lợn chết thai và giảm tốc độ sinh trƣởng của lợn con. - Ô nhiễm do vi sinh vật và ký sinh trùng gây bệnh: Theo tài liệu của FAO có khoảng 90 loại bệnh liên quan giữa ngƣời và gia súc mà phần lớn do các vi sinh vật và ký sinh trùng lan truyền từ chất bài tiết của vật nuôi bị bệnh vào không khí, nguồn nƣớc, đất, nông phẩm...gồm: các loại mầm bệnh nhƣ ký sinh trùng (trứng, ấu trùng giun sán), các vi sinh vật gây hại (E. coli, Salmonella, Shigella, Vibrio cholerae, Enterococcus faecalis, Streptococcus ...) và một số loài vi rút gây bệnh. Nhiều động vật nhiễm các loại bệnh có thể lây truyền sang ngƣời, nhƣ lợn là ổ chứa của vi rút gây bệnh viêm não Nhật Bản, gia cầm là ổ chứa của vi rút cúm A, H5N1, H1N1. Nhiều loại bệnh nhƣ tả, lỵ, thƣơng hàn...từ động vật bị bệnh lây truyền sang ngƣời qua thực phẩm, qua con đƣờng "phân- miệng" hoặc qua việc giết mổ gia súc bị nhiễm bệnh. Sommer & Jensen [111] đã đƣa ra mô hình về mối quan hệ giữa chăn nuôi và các yếu tố ô nhiễm môi trƣờng theo hình 1.1. Mầm bệnh Khí amoniac Mùi Khí gây hiệu ứng nhà kính Chất thải rắn Chuồng trại Bán Chất thải lỏng Ao cá Bể chứa hiếm khí Hồ, sông, kênh mương Ruộng Ống dẫn Mầm bệnh Khí amoniac Mùi Khí gây hiệu ứng nhà kính Chảy tràn Rửa trôi nitrate Tích lũy kim loại nặng , Phú dưỡng , Hình 1.1. Dòng chảy dinh dƣỡng và sự phát tán các yếu tố gây ô nhiễm môi trƣờng từ một số trang trại chăn nuôi lợn ở Việt Nam [111] 22 Các chuồng trại chăn nuôi, các nguồn chất thải chăn nuôi là nguồn phát sinh tác nhân gây bệnh trực tiếp hoặc gián tiếp đến sức khỏe con ngƣời và môi trƣờng. Nếu các trang trại chăn nuôi chỉ tập trung đầu tƣ vào năng suất và chất lƣợng vật nuôi, không thực hiện tốt quá trình vệ sinh chuồng trại và các giải pháp quản lý nguồn chất thải thì ô nhiễm môi trƣờng ảnh hƣởng trầm trọng đến sức khoẻ cộng đồng đồng thời là nguyên nhân gây ra các rủi ro của sản xuất chăn nuôi, tác động xấu tới sự phát triển bền vững của ngành chăn nuôi cũng nhƣ sản xuất nông nghiệp. Các nghiên cứu của Viện Chăn nuôi, Viện Công nghệ Môi trƣờng, Viện Thú y và chƣơng trình Asia ProEco của Liên minh châu Âu tại Việt Nam đã đánh giá mức độ ô nhiễm trong chăn nuôi và xác định rằng hầu hết các cơ sở chăn nuôi lợn và gà ở Việt Nam đƣợc điều tra đều chú ý đến khâu vệ sinh khử trùng tiêu độc định kỳ. Các loại hoá chất khử trùng đƣợc sử dụng phổ biến gồm: Han Iodil, Ben cocid, BKA, cloramin, Allside dƣới dạng phun sƣơng hoặc pha loãng theo nồng độ quy định [10, 27]. Mặc dù vậy, nồng độ khí H2S, NH3 và tổng số VSV, bào tử nấm, VK gây bệnh cho gia súc và con ngƣời trong đất, nƣớc, không khí tại các khu vực chăn nuôi và vùng phụ cận đều cao hơn mức cho phép vài lần đến hàng chục lần. Theo Trịnh Quang Tuyên và cs [27]: Trong 160 trang trại nuôi lợn nái ở Hà Nội, Hà Tây cũ, Thái Bình, Ninh Bình, có 37,7% trang trại có khoảng cách ly so với khu dân cƣ trên 100 m; 55,6% cách khu dân cƣ từ 10 đến 100 m và 6,8% chỉ cách dƣới 10 m, các trang trại này thƣờng nằm ngay trong khu gia đình. Cùng với lƣợng khí phát thải, khoảng 50% chất thải chăn nuôi của các trang trại không đƣợc xử lý bằng bất kỳ biện pháp nào trƣớc khi sử dụng làm thức ăn cho cá hay bón cho cây trồng; điều đó dẫn đến nguy cơ ô nhiễm môi trƣờng rất cao, đây là một trong những nguyên nhân gây bùng phát các loại dịch bệnh cho gia súc, gia cầm trong những năm qua [6, 22, 31, 90]. Xử lý chất thải chăn nuôi chỉ đƣợc quan tâm trong thời gian gần đây, khi số lƣợng trang trại chăn nuôi tập trung cũng nhƣ qui mô đầu vật nuôi tăng nhanh khiến mức độ ô nhiễm do chất thải chăn nuôi lên đến mức báo động. 23 Phân tích một đơn vị khối lƣợng chất thải chăn nuôi cho thấy thành phần dinh dƣỡng trong từng loại nhƣ sau (bảng 1.1): Bảng 1.1. Thành phần hoá học của một số loại phân gia súc, gia cầm Vật nuôi Thành phần ( %) Nƣớc N P2O5 K2 O CaO MgO Lợn 82,0 0,80 0,41 0,26 0,009 0,10 Trâu, bò 83,1 0,29 0,17 1,00 0,35 0,13 Gà 56,0 1,63 0,54 0,85 2,40 0,74 Vịt 56,0 1,00 1,10 0,62 1,70 0,35 (Nguồn: Trích theo [10]) Ngoài ra trong phân gia súc, gia cầm còn chứa các nguyên tố vi lƣợng gồm: Bo: 50-200 g/10 tấn, Cu: 50-150 g/10 tấn, Mn: 500-1000 g/10 tấn, Co: 2-10 g/10 tấn, Mo: 5-25 g/10 tấn [10, 17, 111]. Chất thải chăn nuôi gia súc chứa hàm lƣợng dinh dƣỡng tƣơng đối cao, tuy nhiên dinh dƣỡng trong phân chuồng tƣơi chủ yếu nằm dƣới dạng các hợp chất hữu cơ cây trồng khó có thể hấp thụ đƣợc. Vì vậy xử lý chất thải chăn nuôi thành phân bón hữu cơ là cách tiết kiệm nhất, hiệu quả nhất để trả lại cho đất chất hữu cơ và các chất dinh dƣỡng nhƣ đạm, lân, kali và các chất khoáng khác mà cây trồng đã lấy đi để sinh trƣởng, phát triển. Phân hữu cơ là nguồn cung cấp dinh dƣỡng chủ yếu cho cây trồng và cải tạo độ màu mỡ, giữ ẩm cho đất, chống xói mòn, bạc màu; cải thiện môi trƣờng sống tốt hơn cho hệ vi sinh vật đất, ngoài ra còn làm tăng hiệu lực của phân bón vô cơ lên 810%. Khi bón phân hóa học, cây sử dụng khoảng 40%, phần còn lại bị rửa trôi nhƣng nếu trộn 20-30% phân hóa học với phân hữu cơ thì cây có thể sử dụng 80% lƣợng phân hóa học [7, 10, 17, 25]. 1.1.2. Tình hình sử dụng chất thải chăn nuôi ở Việt Nam Trong những năm gần đây, nhu cầu thịt, trứng, sữa ngày càng tăng, tất yếu thúc đẩy ngành chăn nuôi phát triển. Tính đến 01/4/2010 tổng đàn lợn hiện có 27,3 24