Nghiên cứu ảnh hưởng của than sinh học đến hệ vi sinh vật chuyển hóa methane và phat thait khí methane trong đất trồng lúa :Luận văn thạc sĩ - Chuyên ngành: Kỹ thuật môi trường

BỘ CÔNG THƯƠNG

TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH

NGUYỄN THUỲ TRANG

NGHIÊN CỨU ẢNH HƯỞNG CỦA THAN SINH

HỌC ĐẾN HỆ VI SINH VẬT CHUYỂN HOÁ

METHANE VÀ PHÁT THẢI KHÍ METHANE

TRONG ĐẤT TRỒNG LÚA

Chuyên ngành : KỸ THUẬT MÔI TRƯỜNG

Mã chuyên ngành : 60520320

LUẬN VĂN THẠC SĨ

THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH, NĂM 2019

Công trình được hoàn thành tại Trường Đại học Công nghiệp TP. Hồ Chí Minh.

Người hướng dẫn khoa học: TS. Trịnh Ngọc Nam

Người phản biện 1: PGS.TS. Phan Thị Phượng Trang.................................................

Người phản biện 2: Ts. Nguyễn Ngọc Ẩn ....................................................................

Luận văn thạc sĩ được bảo vệ tại Hội đồng chấm bảo vệ Luận văn thạc sĩ Trường

Đại học Công nghiệp Thành phố Hồ Chí Minh ngày…..tháng …..năm 2019

Thành phần hội đồng đánh giá luận văn thạc sĩ gồm:

1. ...................................................................- Chủ tịch hội đồng

2. ...................................................................- Phản biện 1

3. ...................................................................- Phản biện 2

4. ...................................................................- Ủy viên

5. ...................................................................- Thư ký

CHỦ TỊCH HỘI ĐỒNG TRƯỞNG VIỆN KHCN&QLMT

NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ

Họ tên học viên: Nguyễn Thuỳ Trang MSHV: 15118671

Ngày, tháng, năm sinh: 26/08/1992 Nơi sinh: Bắc Giang

Chuyên ngành: Kỹ thuật Môi trường Mã chuyên ngành: 60520320

I. TÊN ĐỀ TÀI:

Nghiên cứu ảnh hưởng của than sinh học đến hệ vi sinh vật chuyển hoá methane và

phát thải khí methane trong đất trồng lúa

NHIỆM VỤ VÀ NỘI DUNG:

- Nghiên cứu ảnh hưởng của than sinh học đến hệ vi sinh vật chuyển hóa methane

trong đất trồng lúa

- Đánh giá ảnh hưởng của than sinh học đối với phát thải khí methane từ lúa nước

quy mô phòng thí nghệm

II. NGÀY GIAO NHIỆM VỤ: Quyết định số 1065/QĐ-DHCN ngày 08 tháng 05

năm 2018 của Hiệu trưởng Trường Đại Học Công Nghiệp Thành Phố Hồ Chí Minh

III. NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ: 08/11/2018

IV. NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: TS. Trịnh Ngọc Nam

Tp. Hồ Chí Minh, ngày … tháng … năm 2019

NGƯỜI HƯỚNG DẪN CHỦ NHIỆM BỘ MÔN ĐÀO TẠO

VIỆN TRƯỞNG VIỆN KHCN&QLMT

BỘ CÔNG THƯƠNG

TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP

THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH

CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM

Độc lập - Tự do - Hạnh phúc

i

LỜI CẢM ƠN

Lời đầu tiên tôi xin chân thành bày tỏ lòng cảm ơn và kính trọng sâu sắc đối với

thầy TS. Trịnh Ngọc Nam, người đã tận tình hướng dẫn tôi trong suốt quá trình

học tập và thực hiện luận văn này. Thầy đã mở ra cho tôi những vấn đề khoa học

rất lý thú, định hướng tôi vào nghiên cứu các lĩnh vực hết sức thiết thực và vô

cùng bổ ích, đồng thời tạo điều kiện thuận lợi cho tôi học tập và nghiên cứu. Tôi

đã học hỏi được rất nhiều ở thầy phong cách làm việc, cũng như phương pháp

nghiên cứu khoa học.

Tôi cũng xin trân trọng cảm ơn đến thầy TS. Nguyễn Thanh Bình, PGS. TS Lê

Hùng Anh và thầy giáo, cô giáo trong trường Đại học Công Nghiệp Tp HCM đã

tận tình giảng dạy dìu dắt em trong suốt thời gian học tập tại trường.

Tôi xin gửi lời cảm ơn chân thành tới các anh chị đã tận tình giúp đỡ và chỉ bảo

trong suốt quá trình học tập và thực hiện luận văn tại Phòng F4.4 Viện Sinh Học

Và Công Nghệ Thực Phẩm, các bạn học viên cao học và các tôi sinh viên làm

việc tại phòng, những người đã làm cùng tôi, luôn ở bên tôi lúc thất bại hay

những lúc thành công.

Luận văn được thực hiện trong phạm vi nội dung và kinh phí của đề tài cấp trường

(mã số 171.4031 và hợp đồng số 38/HĐ- ĐHCN) xin chân thành cảm ơn.

Và cuối cùng, tôi xin cảm ơn đến gia đình và bạn bè đã luôn ủng hộ và giúp đỡ

tôi.

ii

TÓM TẮT LUẬN VĂN THẠC SĨ

Hiện nay, các hoạt động sản xuất lúa nước là một trong những nguồn phát thải lớn khí

methane. Sự giảm phát thải CH4 có thể đóng góp vào việc kiểm soát sự nóng lên toàn

cầu. Bên cạnh đó, tận dụng các phụ phẩm trong quá trình sản xuất có thể xem như

nguồn tài nguyên tái tạo được bằng cách chuyển sang dạng than sinh học. Chính vì

vậy, nghiên cứu này được thực hiện với 2 nội dung:

- Nghiên cứu ảnh hưởng của than sinh học đến hệ vi sinh vật chuyển hoá methane

trong đất trồng lúa thông qua sự phong phú của 16S rRNA của methanogens, sự

phong phú của các gen methane monooxygenase (pmoA), và sinh khối của cây

lúa.

- Đánh giá ảnh hưởng của than sinh học đối với phát thải khí methane từ lúa nước

quy mô phòng thí nghiệm.

Đất nhiễm mặn đã được sử dụng cho một thí nghiệm nhà lưới với hai yếu tố thí

nghiệm: Than sinh học (không có than, than sinh học trấu và than sinh học rơm) và

phân bò (có và không có phân bò). Không có phân bò, việc bổ sung cả than sinh học

từ trấu và than sinh học từ rơm làm tăng đáng kể sự phát triển của cây lúa. Thêm

than sinh học có nguồn gốc từ rơm rạ vào đất nhiễm mặn, làm giảm đáng kể lượng

khí thải CH4 hơn 30% so với các biện pháp kiểm soát tương ứng (448,3 mg/ m2

/ 90

ngày so với 649,8 mg/ m2

/ 90 ngày). Lượng phát thải CH4 tăng mạnh khi bổ sung

phân bò (dao động từ 6.091,3 đến 10,427,4 mg/ m2

/ 90 ngày) nhưng vẫn ở mức thấp

trong trường hợp bổ sung than sinh học (từ 557,9 đến dưới 2.000 mg/ m2

/ 90 ngày).

Sự giảm phát thải methane chủ yếu là do tác động của than sinh học đến các yếu tố

hóa lý của đất và sự thay đổi của quần thể vi sinh vật, đặc biệt là giảm sự phong phú

và hoạt động sản xuất methane của methanogens và sự gia tăng hoạt động oxy hóa

CH4 của methanotrophs. Phát hiện nhấn mạnh vai trò khả thi của việc bổ sung than

sinh học trong việc kiểm soát khí thải CH4 từ đất lúa do đó giúp ngăn ngừa biến đổi

khí hậu.

Từ khóa: Than sinh học, phát thải methane, methanogens, methanotrophs, đất trồng

lúa.

iii

ABSTRACT

Currently, paddy fields are one of the largest anthropogenic sources of global

methane emission. A decrease in paddy methane emission can contribute

significantly towards the control of global warming. Besides, making use of by￾product in the manufacturing can be considered a renewable source that converting

biochar format. For reason, the aims of the current investigation are:

- To study the influence by biochar on microbial metabolism of methane in paddy

field indicated the abundance of 16S rRNA genes of methanogens, the abundance of

methane monooxygenase (pmoA) genes, and biomass of rice plants.

- Assessing the impact of biochar on methane emissions at laboratory scale.

Saline-sodic soil was used for a net house experiment with two experimental factors:

biochar (no-biochar, rice-husk, and –straw biochar) and cow manure (with and

without cow manure). Without the manure, the addition of both rice-hush and –straw

biochar significantly increased rice growth. Adding biochar derived from straw to

saline-sodic soil significantly reduced methane emissions by more than 30%

compared to the corresponding controls (448.3 mg/m2

/90 days compared to 649.8

mg/m2

/90 days). Emissions of CH4 hugely increased with cow manure addition

(ranging from 6,091.3 to 10,427.4 mg/m2

/90 days) but remained at low level in the

case of biochar addition (ranging from 557.9 to under 2,000 mg/m2

/90 days). The

decrease of methane emissions of methane was mainly due to the impact of biochar on

physicochemical factors of soil and changes in populations of microorganisms,

especially the reduction of the abundance and activity of producing methane of

methanogens and the increase of the abundance and methane oxidative activity of

methanotrophs. Our findings highlight the viable role of biochar addition in the

control of methane emissions from paddy soil and thus helps prevent climate change.

Key words: Biochar, methane emission, methanogens, methanotrophs, paddy soil

iv

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của bản thân tôi. Các kết quả

nghiên cứu và các kết luận trong luận văn là trung thực, không sao chép từ bất kỳ

một nguồn nào và dưới bất kỳ hình thức nào. Việc tham khảo các nguồn tài liệu đã

được thực hiện trích dẫn và ghi nguồn tài liệu tham khảo đúng quy định.

Học viên

Nguyễn Thuỳ Trang

v

MỤC LỤC

DANH MỤC BẢNG................................................................................................ vii

DANH MỤC HÌNH ẢNH ...................................................................................... viii

DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT.................................................................................... ix

MỞ ĐẦU.....................................................................................................................1

1. Đặt vấn đề ...............................................................................................................1

2. Mục tiêu nghiên cứu................................................................................................3

3. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu...........................................................................3

4. Cách tiếp cận trong nghiên cứu...............................................................................3

5. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài ................................................................4

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ LĨNH VỰC NGHIÊN CỨU...................................5

1.1 Tình hình sản xuất lúa nước và sự phát thải khí nhà kính ....................................5

1.1.1 Tình hình sản xuất lúa nước...............................................................................5

1.1.2 Sự phát thải khí nhà kính từ sản xuất lúa nước..................................................7

1.2 Hệ vi sinh vật ........................................................................................................8

1.2.1 Hệ vi sinh vật sản sinh khí methane...................................................................8

1.2.2 Hệ vi sinh vật chuyển hóa methane .................................................................12

1.2.3 Than sinh học với hệ vi sinh vật đất ................................................................15

1.3 Than sinh học ......................................................................................................17

1.3.1 Tổng quan.........................................................................................................17

1.3.2 Sử dụng than sinh học trong cải tạo đất..........................................................26

CHƯƠNG 2 VẬT LIỆU VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU.............................29

2.1 Vật liệu nghiên cứu .............................................................................................29

2.1.1 Mẫu đất nghiên cứu..........................................................................................29

2.1.2 Vật liệu thí nghiệm khác ..................................................................................30

2.2 Phương pháp nghiên cứu.....................................................................................31

2.2.1 Thí nghiệm Trồng lúa.......................................................................................31

2.2.2 Phương pháp đo đạc thông số sinh trưởng của lúa ..........................................34

vi

2.2.3 Phương pháp xác định phát thải methane: .......................................................35

2.2.4 Phương pháp phân tích hệ vi sinh vật ..............................................................37

2.2.5 Phương pháp xử lý số liệu................................................................................44

CHƯƠNG 3 KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU.................................................................45

3.1 Sinh khối của lúa.................................................................................................45

3.2 Đánh giá khả năng phát thải methane ................................................................47

3.3 Đánh giá hoạt động chuyển hoá methane trong đất trồng lúa.............................50

3.4 Đánh giá sự ảnh hưởng của vi sinh vật đến việc chuyển hoá methane trong đất

trồng lúa.....................................................................................................................51

3.4.1 Kết quả phân tích PCR.....................................................................................51

3.4.2 Kết quả phân tích PCR real time......................................................................55

3.5 Tác động của than sinh học đến hệ vi sinh vật chuyển hóa methane và vi sinh

vật sản sinh methane .................................................................................................60

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ...................................................................................63

1. Kết luận ................................................................................................................63

2. Kiến nghị..............................................................................................................63

DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH ĐÃ CÔNG BỐ CỦA HỌC VIÊN ..................64

TÀI LIỆU THAM KHẢO......................................................................................... vi

PHỤ LỤC.................................................................................................................. xi

LÝ LỊCH TRÍCH NGANG CỦA HỌC VIÊN ....................................................... xix