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

Nghiên cứu vi sinh vật để xử lý chất thải chăn

nuôi dạng rắn

Phạm Bích Hiên

Trường Đại học Khoa học Tự nhiên

Khoa Sinh học

Luận án Tiến sĩ ngành: Vi sinh vật học; Mã số: 62 42 40 01

Người hướng dẫn: PGS.TS. Phạm Văn Toản, GS.TS. Nguyễn Đình Quyến

Năm bảo vệ: 2012

Abstract. Chương 1. Trình bày tổng quan về chất thải chăn nuôi và biện pháp xử lý;

vi sinh vật tham gia quá trình xử lý chất thải hữu cơ. Chương 2. Vật liệu và phương

pháp: các mẫu thu thập và chủng vi sinh vật, hóa chất; phương pháp: phân loại vi

sinh vật; xác định hoạt tính sinh học của vi sinh vật; xác định hiện trạng chất thải

chăn nuôi; thử nghiệm và đánh giá hiệu quả của chế phẩm. Chương 3. Kết quả và

thảo luận: thực trạng chất thải tại một số cơ sở chăn nuôi; nghiên cứu vi sinh vật để

xử lý chất thải chăn nuôi; nghiên cứu sản xuất chế phẩn vi sinh vật để xử lý chất thải

chăn nuôi ứng dụng chế phẩm vi sinh vật xử lý chất thải chăn nuôi hiệu quả sử dụng

phân hữu cơ từ chất thải chăn nuôi đối với cây trồng.

Keywords. Sinh học; Vi sinh vật học; Xử lý chất thải; Phế thải chăn nuôi

Content

MỞ ĐẦU

1. TÍNH CẤP THIẾT CỦA LUẬN ÁN

Việt Nam là nước nông nghiệp, trong thời kỳ đổi mới ngành chăn nuôi có những bước

phát triển nhanh chóng, mô hình trang trại chăn nuôi tập trung được nhân rộng trong toàn

quốc. Mỗi năm cả nước có khoảng 60 triệu tấn chất thải vật nuôi, trong đó chỉ có khoảng

50% được xử lý, số còn lại được sử dụng trực tiếp bón cho cây trồng hoặc làm thức ăn cho

cá. Do chỉ tập trung đầu tư để nâng cao năng suất và chất lượng vật nuôi, phần nhiều các

trang trại chưa chú trọng đến công tác kiểm soát, quản lý chất thải nên làm phát sinh dịch

bệnh, tác động xấu đến sức khỏe cộng đồng và ảnh hưởng trực tiếp đến việc phát triển bền

vững của ngành chăn nuôi. Tại nhiều địa phương người dân còn coi chất thải chăn nuôi là

phân bón, không quan tâm đến việc xử lý hoặc nếu có cũng chỉ ủ đống để chờ bón cho cây

trồng theo mùa vụ. Đây là một trong các nguyên nhân gây ô nhiễm môi trường và lây truyền

các dịch bệnh cho người, vật nuôi và cây trồng. Xuất phát từ thực tế trên, chúng tôi tiến hành

nghiên cứu đề tài: “Nghiên cứu vi sinh vật để xử lý chất thải chăn nuôi dạng rắn”.

2. MỤC TIÊU NGHIÊN CỨU CỦA LUẬN ÁN

- Tuyển chọn được bộ chủng vi sinh vật (VSV) thuộc nhóm an toàn, sinh trưởng mạnh, cạnh

tranh được với VSV trong chất thải, chuyển hóa nhanh các hợp chất hữu cơ và ức chế hiệu

quả các vi khuẩn (VK) gây bệnh, gây thối, làm giảm ô nhiễm môi trường từ chất thải chăn

nuôi.

- Tạo được chế phẩm VSV để xử lý chất thải chăn nuôi thành phân hữu cơ đáp ứng yêu cầu

dinh dưỡng cây trồng, thay thế một phần phân vô cơ, góp phần phát triển nông nghiệp an

toàn, bền vững.

3. ĐÓNG GÓP MỚI CỦA LUẬN ÁN

- 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

VSV xử lý có hiệu quả chất thải chăn nuôi, giảm ô nhiễm môi trường và rút ngắn thời gian

chuyển hóa các chất hữu cơ từ 3- 4 tháng xuống còn 21- 30 ngày, đánh giá đựơc hiệu quả của

phân hữu cơ chế biến từ chất thải chăn nuôi đối với cây trồng.

- Là công trình đầu tiên nghiên cứu một cách tổng hợp và chứng minh được hiệu quả sử dụng

vi khuẩn lactic sinh các chất kháng khuẩn (axit lactic và bacterioxin) để xử lý mùi hôi thối và

ức chế vi khuẩn gây bệnh trong chất thải chăn nuôi.

- Xây dựng được 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 tiết kiệm được 25% lượng phân

khoáng góp phần phát triển sản xuất nông nghiệp an toàn, bền vững.

4. Ý NGHĨA KHOA HỌC VÀ Ý NGHĨA THỰC TIỄN

- Cung cấp 4 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 hữu cơ góp phần giảm lượng phân hoá học và nâng

cao hiệu quả sản xuất của nông dân.

- Đề xuất giải pháp giảm thiểu ô nhiễm môi trường trong chăn nuôi qui mô trang trại góp

phần phát triển bền vững ngành chăn nuôi.

BỐ CỤC LUẬN ÁN:

Luận án bao gồm: Phần mở đầu (3 trang); tổng quan tài liệu (37 trang); vật liệu và

phương pháp (17 trang); kết quả và thảo luận (71 trang); kết luận và kiến nghị (2 trang); danh

mục công trình liên quan đến luận án; danh mục 122 tài liệu tham khảo và các phụ lục. Luận

án có 45 bảng, 42 hình.

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: Là chất thải ra trong quá trình chăn nuôi, 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 nước rửa chuồng, nước tắm cho vật

nuôi, nước tiểu, một phần phân); chất thải bán lỏng (gồm cả chất thải rắn và chất thải lỏng).

 Nguy cơ ô nhiễm môi trƣờng:

- Ô nhiễm do kim loại nặng: Các nguyên tố vi lượng, kim loại nặng, vật nuôi không tiêu hoá

hết bài tiết ra ngoài theo đường phân làm thoái hoá đất, ức chế hoạt động của VSV, ô nhiễm

nước ngầm, tích tụ trong nội tạng người và vật nuôi là nguyên nhân gây các loại bệnh tật.

- Ô nhiễm do khí độc: Trong phân, nước thải của lợn có khoảng 40 loại khí độc khác nhau

sinh ra từ quá trình thối rữa thức ăn thừa và xác động 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 người và vật nuôi, có thể gây ngộ độc hoặc tử vong.

- 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 người và gia súc mà phần lớn do các vi sinh vật và ký sinh trùng (KST)

lan truyền từ chất bài tiết của vật nuôi bị bệnh vào không khí, nguồn nước, đất, nông phẩm,

trong đó phổ biến và nguy hiểm nhất là nhóm vi khuẩn gây bệnh đường ruột.

1.1.2. Tình hình sử dụng chất thải chăn nuôi ở Việt Nam

Mỗi ngày đàn gia súc, gia cầm của Việt Nam thải ra khoảng 539.733.15 tấn chất thải rắn,

khoảng 25-30 triệu khối chất thải lỏng, ước tính mỗi năm có trên 60 triệu tấn phân vật nuôi

các loại. Trong số đó chỉ có khoảng 50% được xử lý bằng phương pháp ủ trước khi sử dụng.

1.1.3. Các biện pháp xử lý chất thải chăn nuôi

- Phƣơng pháp vật lý: Bao gồm phương pháp lắng cặn; sử dụng máy tách chất rắn; lọc.

- Phƣơng pháp hoá học: Bơm và trộn các chất điện ly đơn giản hoặc các chất điện ly

polyme cùng với hỗn hợp chất thải trước khi tách cơ học làm tăng 82% hiệu quả tách chất

rắn.

- Phƣơng pháp sinh học:

+ Sử dụng thảm thực vật, hồ thuỷ sinh

+ Sử dụng vi sinh vật: Là biện pháp chính trong phương pháp sinh học. Dựa trên cơ sở tối ưu

hoá các điều kiện môi trường cho hệ vi sinh vật tự nhiên hoặc vi sinh vật khởi động phát triển

để phân giải các hợp chất hữu cơ trong phân trong điều kiện hiếu khí hay kỵ khí tạo sản phẩm

cuối cùng ổn định, có giá trị kinh tế, giảm hàm lượng chất rắn tổng số, giảm mùi, tiêu diệt vi

sinh vật gây bệnh. Biện pháp chủ yếu xử lý chất thải lỏng là biogas, xử lý chất thải rắn là

composting.

1.2. Vi sinh vật tham gia quá trình xử lý chất thải hữu cơ

Hệ vi sinh vật trong chất thải chăn nuôi gồm nhiều nhóm VSV có hoạt tính sinh học khác

nhau giữ vai trò hết sức quan trọng trong chu trình chuyển hóa các hợp chất hữu cơ thành các

chất mùn mà cây trồng có thể sử dụng được. Ở đây chúng tôi chỉ đề cập các nhóm VSV có

khả năng phân huỷ các hợp chất phổ biến, là thành phần chính trong chất thải chăn nuôi gồm

xenluloza, tinh bột, protein và VSV có khả năng ức chế các vi khuẩn gây bệnh đường ruột, vi

khuẩn gây thối.

1.2.1. Vi sinh vật phân giải xenluloza

Xenluloza là thành phần chủ yếu của thành tế bào thực vật. Trong tự nhiên khu hệ VSV

có khả năng sinh tổng hợp enzym xenlulaza phân giải xenluloza vô cùng phong phú, bao gồm

vi khuẩn, xạ khuẩn và vi nấm. Xenlulaza là một phức hệ 3 enzym (Endo-1,4-glucanaza, Exo￾1,4-gluconaza, -1,4-glucozidaza) hoạt động cùng nhau để thuỷ phân xenluloza tạo ra các

loại đường có thể đi qua thành tế bào VSV.

1.2.2. Vi sinh vật phân giải tinh bột

Amylaza là hệ enzym rất phổ biến đối với VSV. Cơ chất xúc tác của amylaza là tinh bột

và glycogen, theo tính chất và cách tác dụng lên tinh bột, phân biệt amylaza thành các loại:

-amylaza, -amylaza, glucoamylaza và oligo 1-6 glucozidaza. -amylaza gặp ở hầu hết các

loại VSV như nấm sợi, nấm men giả, vi khuẩn có bào tử và xạ khuẩn.

1.2.3. Vi sinh vật phân giải protein

VK có khả năng sinh ra cả hai loại proteaza (endopeptidaza và exopeptidaza), do đó

proteaza của VK có tính đặc hiệu cơ chất cao. Các VK có khả năng tổng hợp proteaza mạnh

nhất. Nhiều loại nấm mốc cũng có khả năng tổng hợp một lượng lớn proteaza còn xạ khuẩn ít

được nghiên cứu hơn.

1.2.4. Vi khuẩn lactic sinh tổng hợp axit lactic và bacterioxin

Vi khuẩn lactic có khả năng sinh axit lactic làm tăng sự phân hủy các hợp chất hữu

cơ, là chất tiệt trùng được ứng dụng nhiều trong bảo quản, chế biến thực phẩm, trong y, dược

và xử lý môi trường. Gần đây vi khuẩn lactic còn được đặc biệt quan tâm nghiên cứu về khả

năng sinh bacterioxin là các chất diệt khuẩn thế hệ mới có phổ kháng khuẩn đa dạng, tính đặc

hiệu tế bào đích cao, an toàn với người, vật nuôi, cây trồng và môi trường là giải pháp cho

vấn đề kiểm soát các nguồn bệnh

Chƣơng 2: VẬT LIỆU VÀ PHƢƠNG PHÁP

2.1. Vật liệu

- Mẫu thu thập: 50 mẫu nghiên cứu gồm phân ủ, thức ăn chăn nuôi, các phụ phẩm nông

nghiệp và chất thải sinh hoạt, chất thải chăn nuôi, phụ phẩm chế biến thực phẩm và sản phẩm

lên men truyền thống được thu thập trên địa bàn Hà Nội, Nghệ An, Đăklac.

- Vi sinh vật gồm: VK lactic: Lactobacillus agilis JCM 1230,L. salivarius JCM 5804, L.

plantarum JCM 1048 và JCM1149, Leuconostos mesenteroides, L. fermentum, Streptocccus