Luận án Tiến sĩ Khoa học môi trường: Nghiên cứu quy trình xử lý bã thải cây Gai xanh của nhà máy sản xuất sợi dệt Thanh Hóa đảm bảo an toàn môi trường

Chia sẻ: _ _ | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:202

Thêm vào BST

Báo xấu

2
lượt xem 1
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Luận án Tiến sĩ Khoa học môi trường "Nghiên cứu quy trình xử lý bã thải cây Gai xanh của nhà máy sản xuất sợi dệt Thanh Hóa đảm bảo an toàn môi trường" trình bày các nội dung chính sau: Phân lập, tuyển chọn được các chủng vi sinh vật phân giải xenlulo cao và các chủng VSV hữu ích; Sản xuất được chế phẩm vi sinh phân hủy bã thải sau chế biến cây Gai xanh thành nguồn hữu cơ sản xuất phân bón; Xây dựng được quy trình sản xuất phân bón hữu cơ VSV từ nguồn hữu cơ trên và các chủng vi sinh tuyển chọn; Đánh giá được hiệu quả của phân bón hữu cơ VSV nghiên cứu đối với cây Gai xanh.

Chủ đề:

Bình luận(0) Đăng nhập để gửi bình luận!

Lưu

Nội dung Text: Luận án Tiến sĩ Khoa học môi trường: Nghiên cứu quy trình xử lý bã thải cây Gai xanh của nhà máy sản xuất sợi dệt Thanh Hóa đảm bảo an toàn môi trường

ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN TRƯỜNG ĐẠI HỌC NÔNG LÂM NGUYỄN THẾ KHOA NGHIÊN CỨU QUY TRÌNH XỬ LÝ BÃ THẢI CÂY GAI XANH CỦA NHÀ MÁY SẢN XUẤT SỢI DỆT THANH HOÁ ĐẢM BẢO AN TOÀN MÔI TRƯỜNG LUẬN ÁN TIẾN SĨ KHOA HỌC MÔI TRƯỜNG THÁI NGUYÊN - NĂM 2024
ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN TRƯỜNG ĐẠI HỌC NÔNG LÂM NGUYỄN THẾ KHOA NGHIÊN CỨU QUY TRÌNH XỬ LÝ BÃ THẢI CÂY GAI XANH CỦA NHÀ MÁY SẢN XUẤT SỢI DỆT THANH HOÁ ĐẢM BẢO AN TOÀN MÔI TRƯỜNG Ngành: KHOA HỌC MÔI TRƯỜNG Mã số: 9.44.03.01 LUẬN ÁN TIẾN SĨ KHOA HỌC MÔI TRƯỜNG Người hướng dẫn khoa học: 1. PGS.TS. LÊ NHƯ KIỂU 2. TS. DƯ NGỌC THÀNH THÁI NGUYÊN - NĂM 2024
i LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi, công trình nghiên cứu được sự hướng dẫn của PGS.TS. Lê Như Kiểu và TS. Dư Ngọc Thành từ năm 2017 đến năm 2024. Các số liệu và kết quả đưa ra trong luận án là trung thực của tác giả nghiên cứu thực hiện đề tài:“Nghiên cứu quy trình xử lý bã thải cây Gai của nhà máy sản xuất sợi dệt Thanh Hoá đảm bảo an toàn môi trường”. Các thông tin trích dẫn trong luận án đã được ghi rõ nguồn gốc. Thái Nguyên, ngày tháng năm 2024 Tác giả luận án Nguyễn Thế Khoa
ii LỜI CẢM ƠN Để hoàn thành luận án này, bên cạnh sự nỗ lực của bản thân, còn có sự quan tâm giúp đỡ của gia đình, hai bên nội ngoại, bạn bè đồng nghiệp. Tác giả xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến PGS.TS. Lê Như Kiểu, Viện Thổ nhưỡng Nông hoá và TS. Dư Ngọc Thành, Trường Đại học Nông Lâm - Đại học Thái Nguyên, những người hướng dẫn khoa học đã dành nhiều thời gian và công sức giúp đỡ cho tác giả trong quá trình thực hiện luận án. Xin chân thành cảm ơn tập thể Lãnh đạo nhà trường, Viện Thổ nhưỡng Nông hoá, Khoa Môi trường và các thầy cô giáo Trường Đại học Nông lâm - Đại học Thái Nguyên đã tạo điều kiện thuận lợi để tác giả có thể học tập và nghiên cứu. Tác giả xin trân trọng gửi lời cảm ơn tất cả những sự giúp đỡ quý báu đó! Thái Nguyên, tháng năm 2024 Tác giả luận án Nguyễn Thế Khoa
iii MỤC LỤC LỜI CAM ĐOAN ....................................................................................................... i LỜI CẢM ƠN ............................................................................................................ ii MỤC LỤC ................................................................................................................. iii DANH MỤC CHỮ VIẾT TẮT................................................................................ vii DANH MỤC BẢNG ............................................................................................... viii DANH MỤC HÌNH ................................................................................................. xii DANH MỤC ĐỒ THỊ, SƠ ĐỒ ............................................................................... xiii MỞ ĐẦU ....................................................................................................................1 1. Đặt vấn đề ...............................................................................................................1 2. Mục đích và yêu cầu của đề tài ...............................................................................2 3. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài ................................................................2 4. Đóng góp mới của luận án ......................................................................................2 Chương 1: TỔNG QUAN VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU .............................................4 1.1. Tổng quan về cây Gai xanh ..................................................................................4 1.1.1. Đặc điểm thực vật học của cây Gai xanh ..........................................................4 1.1.2. Đặc điểm của sợi Gai xanh ...............................................................................5 1.1.3. Yêu cầu điều kiện ngoại cảnh của cây Gai xanh...............................................8 1.1.4. Giá trị kinh tế của cây Gai xanh ........................................................................9 1.2. Tình hình sản xuất, chế biến và xử lý bã thải cây Gai xanh trên thế giới ..........11 1.3. Tình hình sản xuất, chế biến và xử lý bã thải cây Gai xanh ở Việt Nam ..........18 1.4. Sử dụng VSV trong xử lý các hợp chất giàu xenlulo.........................................25 1.4.1. VSV phân giải xenlulo ....................................................................................25 1.4.2. Các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình phân giải xenlulo của VSV ...................26 1.5. Một số nghiên cứu về khả năng ứng dụng các nhóm VSV trong cung cấp dinh dưỡng cây trồng ......................................................................................28 1.5.1. VSV cố định nitơ.............................................................................................28 1.5.2. VSV phốt phát vô cơ khó tan hay VSV hòa tan phốt phát (Phosphate Solubilizing Microorganisms - PSM) .............................................................30 1.5.3. VSV kích thích sinh trưởng ............................................................................32
iv 1.6. Tình hình nghiên cứu, sản xuất phân bón hữu cơ, hữu cơ vi sinh từ phụ phẩm nông nghiệp trên thế giới và Việt Nam.................................................34 1.6.1. Tình hình nghiên cứu, sản xuất phân bón hữu cơ, hữu cơ vi sinh từ phụ phẩm nông nghiệp trên thế giới ......................................................................34 1.6.2. Tình hình nghiên cứu, sản xuất phân bón hữu cơ, hữu cơ vi sinh từ phụ phẩm nông nghiệp tại Việt Nam .....................................................................38 Chương 2: ĐỐI TƯỢNG, NỘI DUNG, VẬT LIỆU VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU .........................................................................................................47 2.1. Đối tượng, phạm vi, địa điểm và thời gian nghiên cứu .....................................47 2.1.1. Đối tượng nghiên cứu......................................................................................47 2.1.2. Phạm vi nghiên cứu .........................................................................................47 2.1.3. Địa điểm nghiên cứu: ......................................................................................47 2.1.4. Thời gian nghiên cứu: tháng 08/2018 đến tháng 8/2021. ...............................47 2.2. Nội dung nghiên cứu ..........................................................................................47 2.2.1. Điều tra tình hình sản xuất và chế biến sợi Gai xanh .....................................47 2.2.2. Hiện trạng môi trường và tình hình xử lý bã thải cây Gai xanh sau thu hoạch .....47 2.2.3. Phân lập và tuyển chọn các chủng VSV có ích để xử lý nguyên liệu và bổ sung tạo phân bón hữu cơ vi sinh ...................................................................47 2.2.4. Nghiên cứu nhân sinh khối VSV phân giải xenlulo, cố định nitơ, phân giải phốt phát khó tan, kích thích sinh trưởng thực vật trên thiết bị lên men 3 lít ..........................................................................................................48 2.2.5. Sản xuất các chế phẩm VSV phục vụ cho thử nghiệm ...................................48 2.2.6. Xây dựng quy trình xử lý bã thải Gai xanh thành phân bón hữu cơ vi sinh ...48 2.2.7. Đánh giá hiệu quả của phân bón hữu cơ vi sinh đến cây Gai xanh tại Thanh Hóa ......................................................................................................48 2.3. Vật liệu và phương pháp nghiên cứu .................................................................49 2.3.1. Vật liệu và thiết bị nghiên cứu ........................................................................49 2.3.2. Phương pháp nghiên cứu .................................................................................49 2.3.2.19. Phương pháp xây dựng quy trình xử lý bã thải Gai xanh thành phân bón hữu cơ vi sinh ..........................................................................................63
v Chương 3: KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU ..................................................................65 3.1. Điều tra tình hình sản xuất và chế biến sợi Gai xanh trên địa bàn tỉnh Thanh Hóa ......................................................................................................65 3.1.1. Hiện trạng sản xuất, chế biến cây Gai xanh ....................................................65 3.1.2. Diện tích vùng trồng Gai xanh thâm canh ......................................................72 3.2. Hiện trạng môi trường và tình hình xử lý bã thải cây Gai xanh sau thu hoạch ........73 3.2.1. Tính toán khối lượng bã thải cây Gai xanh .....................................................73 3.2.2. Đặc điểm của bãi thải từ cây gai xanh ............................................................73 3.2.3. Tình hình xử lý bã thải cây Gai xanh sau thu hoạch .......................................76 3.3. Phân lập và tuyển chọn các chủng VSV có ích để xử lý nguyên liệu và bổ sung tạo phân bón hữu cơ vi sinh ...................................................................78 3.3.1. Phân lập và tuyển chọn các chủng VSV phân giải xenlulo cao từ các mẫu đất thu thập tại Thanh Hóa..............................................................................78 3.3.2. Phân lập và tuyển chọn các chủng VSV có hoạt tính cố định nitơ tự do từ các mẫu đất trồng Gai xanh tại tỉnh Thanh Hóa .............................................89 3.3.3. Phân lập và tuyển chọn các chủng VSV có khả năng phân giải các hợp chất phốt phát vô cơ khó tan từ các mẫu đất trồng Gai xanh tại tỉnh Thanh Hóa ......................................................................................................94 3.3.4. Phân lập và tuyển chọn các chủng VSV sinh tổng hợp chất kích thích sinh trưởng thực vật từ các mẫu đất trồng Gai xanh tại tỉnh Thanh Hóa .......99 3.3.5. Đánh giá an toàn sinh học và xác định tên loài các chủng VSV tuyển chọn ......104 3.4. Nghiên cứu nhân sinh khối VSV phân giải xenlulo, cố định nitơ, phân giải phốt phát khó tan, kích thích sinh trưởng thực vật trên thiết bị lên men 3 lít .............106 3.4.1. Nghiên cứu nhân sinh khối VSV phân giải xenlulo......................................106 3.4.2. Nghiên cứu nhân sinh khối VSV cố định nitơ ..............................................110 3.4.3. Nghiên cứu nhân sinh khối VSV phân giải phốt phát khó tan ......................113 3.4.4. Nghiên cứu nhân sinh khối VSV kích thích sinh trưởng thực vật ................115 3.5. Sản xuất các chế phẩm VSV phục vụ cho thử nghiệm ....................................118 3.5.1. Sản xuất chế phẩm vi sinh phân hủy bã thải sau chế biến cây Gai xanh thành nguồn hữu cơ ......................................................................................118
vi 3.5.2. Sản xuất chế phẩm vi sinh chứa VSV có ích (cố định nitơ, phốt phát vô cơ khó tan, sinh chất kích thích sinh trưởng thực vật) để bổ sung vào phân hữu cơ tạo phân bón hữu cơ vi sinh .....................................................122 3.6. Xây dựng quy trình xử lý bã thải Gai xanh thành phân bón hữu cơ vi sinh ....127 3.6.1. Nghiên cứu về liều lượng chế phẩm vi sinh và số lần đảo đến thời gian xử lý bã thải Gai xanh và chất lượng phân hữu cơ tạo thành .......................127 3.6.2. Nghiên cứu bổ sung phụ gia để nâng cao hiệu quả quá trình ủ nguyên liệu 133 3.6.3. Nghiên cứu bổ sung VSV hữu ích vào phân hữu cơ tạo phân bón hữu cơ vi sinh............................................................................................................138 3.6.4. Đánh giá chất lượng sản phẩm phân hữu cơ vi sinh tạo thành sau quá trình thử nghiệm trên đống ủ lớn (2 tấn/đống) .............................................139 3.6.5. Xây dựng quy trình xử lý bã thải Gai xanh thành phân bón hữu cơ vi sinh .142 3.7. Đánh giá hiệu quả của phân bón hữu cơ vi sinh đến cây Gai xanh tại Thanh Hóa 145 3.7.1. Ảnh hưởng của bón phân bón hữu cơ vi sinh đến chiều cao cây của giống Gai xanh ........................................................................................................145 3.7.2. Ảnh hưởng của bón phân bón hữu cơ vi sinh đến đường kính thân của giống Gai xanh ..............................................................................................145 3.7.3. Ảnh hưởng của bón phân bón hữu cơ vi sinh đến năng suất thân tươi và năng suất bẹ khô của cây Gai xanh giống ....................................................146 3.7.4. Hiệu quả kinh tế - xã hội, môi trường của việc sử dụng phân bón hữu cơ vi sinh làm từ bã thải cây Gai xanh ..............................................................147 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ ..............................................................................150 DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH CÔNG BỐ KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU CỦA ĐỀ TÀI LUẬN ÁN ......................................................................................152 TÀI LIỆU THAM KHẢO ...................................... Error! Bookmark not defined. PHỤ LỤC ...............................................................................................................153
vii DANH MỤC CHỮ VIẾT TẮT FAO : Tổ chức nông lương thế giới IAA : Axit Indole -3 -Acetic NFB : Nitrogen Fixing Bacteria NPK : Phân bón N.P.K NXB : Nhà xuất bản PGPR : Plant Growth Promoting Rhizobacteria PGS : Phó Giáo sư QCVN : Quy chuẩn Việt Nam TCVN : Tiêu chuẩn Việt Nam TS : Tiến sĩ UBND : Ủy ban nhân dân VSV : vi sinh vật
viii DANH MỤC BẢNG Bảng 1.1. So sánh chất lượng sợi Gai xanh với các loại sợi tự nhiên khác ...........7 Bảng 1.2. Thành phần hóa học của sợi Gai xanh ..................................................8 Bảng 1.3. Hàm lượng các chất dinh dưỡng trong một số phụ phẩm trồng trọt ...38 Bảng 2.1. Các công thức đánh giá hiệu quả xử lý bã thải Gai xanh của chế phẩm chứa VSV phân giải xenlulo .....................................................60 Bảng 2.2. Các công thức nghiên cứu bổ sung phụ gia ........................................61 Bảng 3.1. Hiện trạng trồng cây Gai xanh trên địa bàn tỉnh Thanh Hóa ..............66 Bảng 3.2. Hiện trạng đất trồng cây Gai xanh trên địa bàn tỉnh Thanh Hóa ........67 Bảng 3.3. Tính toán khối lượng nguyên liệu đáp ứng công suất tiêu thụ của nhà máy sợi dệt tại Thanh Hoá ............................................................68 Bảng 3.4. Diện tích quy hoạch trồng cây Gai xanh giai đoạn 2018 - 2025 và định hướng đến 2030 ...........................................................................70 Bảng 3.5. Diện tích đất có khả năng thâm canh Gai xanh vùng nguyên liệu đến năm 2025 và định hướng đến năm 2030 ......................................72 Bảng 3.6. Một số chỉ tiêu lý, hóa, sinh học trong bã thải cây Gai xanh ..............75 Bảng 3.7. Số liệu điều tra về sử dụng chất thải cây Gai xanh của nông dân .......77 Bảng 3.8. Các chủng VSV phân lập từ mẫu đất và phân ủ tại Thanh Hóa ..........79 Bảng 3.9. Đặc điểm hình thái và khả năng tạo vòng phân giải CMC của các chủng vi khuẩn phân giải xenlulo phân lập .........................................83 Bảng 3.10. Đặc điểm hình thái và khả năng tạo vòng phân giải CMC của các chủng xạ khuẩn phân giải xenlulo phân lập ........................................84 Bảng 3.11. Tỷ lệ giảm khối lượng bã thải trong bình ủ ở nhiệt độ phòng sau 30 ngày ................................................................................................85 Bảng 3.12. Đặc điểm sinh lý, sinh hóa của các chủng VSV phân giải xenlulo tuyển chọn ...........................................................................................87 Bảng 3.13. Ảnh hưởng của nguồn cacbon khác nhau (gluco, sacharo, tinh bột, CMC) đến sinh trưởng, phát triển của các chủng VSV tuyển chọn ....87 Bảng 3.14. Hoạt tính enzyme ngoại bào của các chủng xạ khuẩn lựa chọn..........89 Bảng 3.15. Đặc điểm của các chủng Azotobacte phân lập có khả năng cố định nitơ tự do .............................................................................................90
ix Bảng 3.16. Khả năng cố định nitơ của các chủng vi khuẩn phân lập ....................93 Bảng 3.17. Đặc điểm sinh lý, sinh hóa của chủng VSV cố định nitơ tự do (ACT02) ................................................................................................94 Bảng 3.18. Đặc điểm của các chủng VSV phân lập có khả năng phân giải Ca3(PO4)2 .............................................................................................95 Bảng 3.19. Đặc điểm sinh lý, sinh hóa của các chủng VSV phân giải lân phân lập .....97 Bảng 3.20. Đánh giá hoạt tính phốt phát vô cơ khó tan của các chủng VSV phân lập ...............................................................................................98 Bảng 3.21. Đặc điểm của các chủng VSV sinh tổng hợp chất kích thích sinh trưởng thực vật ....................................................................................99 Bảng 3.22. Đánh giá hoạt tính sinh IAA của các chủng vi khuẩn phân lập sau 48h nuôi cấy ......................................................................................102 Bảng 3.23. Đặc điểm sinh lý, sinh hóa của các chủng VSV sinh tổng hợp chất kích thích sinh trưởng thực vật (KCT5) ............................................104 Bảng 3.24. Kết quả định danh các chủng vi khuẩn lựa chọn...............................105 Bảng 3.25. Phân định độ an toàn sinh học của các chủng vi khuẩn lựa chọn .....106 Bảng 3.26. Ảnh hưởng của các nguồn dinh dưỡng khác nhau đến sự phát triển của các chủng VSV phân giải xenlulo ......................................107 Bảng 3.27. Ảnh hưởng của nguồn dinh dưỡng khác nhau đến hoạt tính sinh học của các chủng VSV phân giải xenlulo........................................107 Bảng 3.28. Các thông số kỹ thuật lên men thích hợp của các chủng Streptomyces PU1.1 và PU2.1 ..........................................................108 Bảng 3.29. Hoạt tính sinh học của các chủng Streptomyces PU1.1, PU2.1 sau quá trình lên men ...............................................................................110 Bảng 3.30. Ảnh hưởng của các nguồn dinh dưỡng khác nhau đến sự phát triển của các chủng VSV cố định nitơ ...............................................110 Bảng 3.31. Ảnh hưởng của nguồn dinh dưỡng khác nhau đến hoạt tính sinh học của các chủng VSV cố định nitơ ................................................111 Bảng 3.32. Các thông số kỹ thuật lên men thích hợp của chủng Azotobacter ACT02...111 Bảng 3.33. Hoạt tính sinh học của chủng ACT02 sau quá trình lên men .............112
x Bảng 3.34. Ảnh hưởng của các nguồn dinh dưỡng khác nhau đến sự phát triển của các chủng VSV phân giải phốt phát khó tan ......................113 Bảng 3.35. Ảnh hưởng của nguồn dinh dưỡng khác nhau đến hoạt tính sinh học của các chủng VSV cố định nitơ ................................................113 Bảng 3.36. Các thông số kỹ thuật lên men thích hợp của chủng Bacillus PCT2 ......114 Bảng 3.37. Hoạt tính sinh học của chủng PCT2 sau quá trình lên men ..............115 Bảng 3.38. Ảnh hưởng của các nguồn dinh dưỡng khác nhau đến sự phát triển của các chủng VSV sinh chất kích thích sinh trưởng thực vật .115 Bảng 3.39. Ảnh hưởng của nguồn dinh dưỡng khác nhau đến hoạt tính sinh học của các chủng VSV sinh chất kích thích sinh trưởng thực vật ...116 Bảng 3.40. Các thông số kỹ thuật lên men thích hợp của chủng Azotobacter KCT5 .................................................................................................116 Bảng 3.41. Hoạt tính sinh học của chủng Azotobacter KCT5 sau quá trình lên men ...117 Bảng 3.42. Tổ hợp VSV sử dụng trong sản xuất chế phẩm vi sinh phân hủy bã thải Gai xanh .................................................................................118 Bảng 3.43. Khả năng tồn tại của các chủng Streptomyces lilaceus PU1.1 và Streptomyces misionensis PU2.1 trong điều kiện hỗn hợp chủng dạng lỏng ...........................................................................................118 Bảng 3.44. Hoạt tính sinh học của các chủng Streptomyces lilaceus PU1.1 và Streptomyces misionensis PU2.1 trong điều kiện hỗn hợp chủng ....119 Bảng 3.45. Khả năng tồn tại của các chủng xạ khuẩn Streptomyces lilaceus PU1.1 và Streptomyces misionensis PU2.1 trong chất mang than bùn ..............120 Bảng 3.46. Khả năng tồn tại của các chủng VSV trong chế phẩm sau 6 tháng bảo quản ............................................................................................122 Bảng 3.47. Hoạt tính sinh học của các chủng vsv trong chế phẩm sau thời gian bảo quản khác nhau ...................................................................122 Bảng 3.48. Tổ hợp VSV sử dụng trong sản xuất chế phẩm VSV có ích .............123 Bảng 3.49. Khả năng tồn tại của các chủng vsv lựa chọn* trong chất mang than bùn sau các thời gian bảo quản .................................................123
xi Bảng 3.50. Hoạt tính sinh học của các chủng VSV lựa chọn trong chất mang than bùn sau các thời gian bảo quản .................................................124 Bảng 3.51. Liều lượng chế phẩm vi sinh và số lần đảo ......................................127 Bảng 3.52. Một số chỉ tiêu hóa học trong bã thải Gai xanh sau xử lý ủ chế phẩm vi sinh ......................................................................................132 Bảng 3.53. Một số chỉ tiêu so sánh giữa việc ủ VSV tự nhiên và ủ bổ sung chế phẩm vi sinh sau 28 ngày ủ.........................................................133 Bảng 3.54. Công thức bổ sung phụ gia ................................................................133 Bảng 3.55. Một số chỉ tiêu hóa học sau quá trình ủ ............................................135 Bảng 3.56. Đánh giá độ hoai mục đống ủ sau 30 ngày .......................................136 Bảng 3.57. Tỷ lệ nảy mầm của hạt cải trên nền các cơ chất khác nhau ..............137 Bảng 3.58. Nhiệt độ trong các túi sản phẩm phân ủ sau 28 ngày ........................137 Bảng 3.59. Công thức thí nghiệm tỷ lệ giống và thời gian ảnh hưởng đến sinh trưởng và phát triển của các chủng VSV hữu ích trong cơ chất hữu cơ ................................................................................................138 Bảng 3.60. Một số chỉ tiêu lý, hóa học của sản phẩm sau 4 tuần ủ .....................140 Bảng 3.61. Mật độ tế bào các nhóm VSV trong phân hữu cơ vi sinh thành phẩm ...141 Bảng 3.62. Chiều cao cây của cây Gai xanh giống .............................................145 Bảng 3.63. Đường kính thân của cây Gai xanh giống .........................................146 Bảng 3.64. Năng suất thân tươi của cây Gai xanh giống ....................................146 Bảng 3.65. Năng suất bẹ khô của cây Gai xanh giống ........................................146 Bảng 3.66. Hiệu quả kinh tế của việc sử dụng phân bón hữu cơ vi sinh trong canh tác cây Gai xanh........................................................................147
xii DANH MỤC HÌNH Hình 3.1. Bã thải của cây Gai xanh sau thu hoạch ................................................74 Hình 3.2. Bã thải cây Gai xanh sau thu hoạch tại đồng ruộng ..............................76 Hình 3.3. Khuẩn lạc và vòng phân giải cơ chất CMC của chủng VSV phân lập (vòng tròn trong suốt bao quanh khuẩn lạc) ....................................83 Hình 3.4: Hình ảnh khuẩn lạc của các chủng VSV có khả năng phân giải xenlulo mạnh .........................................................................................84 Hình 3.5: Đánh giá khả năng phân giải xenlulo của 02 chủng VSV phân lập............85 Hình 3.5. Minh họa độ sụt giảm khối lượng bã thải Gai xanh sau 30 ngày xử lý VSV phân giải xenlulo ......................................................................86 Hình 3.6. Minh họa hình ảnh phản ứng màu của các chủng Azotobacter với thuốc thử Nessler ...................................................................................92 Hình 3.7. Phân lập các chủng VSV phân giải Ca3(PO4)2 (tạo vòng trong bao quanh) từ mẫu đất trồng Gai xanh của huyện Cẩm Thủy .....................96 Hình 3.8. Vòng tròn trong suốt bao quanh khuẩn lạc của các VSV phân lập .......98 Hình 3.9. Khả năng sinh tổng hợp IAA thô của các chủng VSV tuyển chọn .....103 Hình 3.10. Thí nghiệm đánh giá hiệu quả xử lý bã thải Gai xanh của chế phẩm chứa VSV phân giải xenlulo................................................................136
xiii DANH MỤC ĐỒ THỊ, SƠ ĐỒ Đồ thị 3.1. Động thái phát triển của chủng Streptomyces PU1.1 phân giải xenlulo trên thiết bị lên men chìm ...................................................109 Đồ thị 3.2. Động thái phát triển của chủng Streptomyces PU2.1 phân giải xenlulo trên thiết bị lên men chìm ...................................................109 Đồ thị 3.3. Động thái phát triển của chủng Azotobacter ACT02 cố định Nitơ tự do trên thiết bị lên men chìm .......................................................112 Đồ thị 3.4. Động thái phát triển của chủng Bacillus PCT2 phân giải phốt phát khó tan trên thiết bị lên men chìm ...........................................114 Đồ thị 3.5. Động thái phát triển của chủng Azotobacter KCT5 sinh chất kích thích sinh trưởng thực vật trên thiết bị lên men chìm .....................117 Đồ thị 3.6. Biến động nhiệt độ của đống ủ theo thời gian sau khi xử lý ủ chế phẩm vi sinh ở các công thức ..........................................................128 Đồ thị 3.7. Sự thay đổi pH trong đống ủ sau xử lý ủ .........................................129 Đồ thị 3.8. Sự biến động mật độ VSV hiếu khí tổng số trong đống ủ sau 4 tuần xử lý chế phẩm vi sinh .............................................................130 Đồ thị 3.9. Sự biến động mật độ Vi khuẩn hiếu khí phân giải xenlulo trong đống ủ sau 4 tuần xử lý chế phẩm vi sinh .......................................130 Đồ thị 3.10. Sự biến động mật độ Xạ khuẩn hiếu khí phân giải xenlulo trong đống ủ sau 4 tuần xử lý chế phẩm vi sinh .......................................131 Đồ thị 3.11. Một số chỉ tiêu hóa học trong bã thải Gai xanh sau xử lý ủ chế phẩm vi sinh.....................................................................................132 Đồ thị 3.12. Sự biến động nhiệt độ trong quá trình ủ ở các công thức bổ sung phụ gia khác nhau ............................................................................134 Đồ thị 3.13. Sự biến động số lượng VSV trong quá trình ủ ................................135 Đồ thị 3.14. Ảnh hưởng của tỷ lệ giống và thời gian đến sinh trưởng và phát triển của các chủng VSV hữu ích trong cơ chất hữu cơ ..................139 Sơ đồ 3.1. Quy trình sản xuất chế phẩm vi sinh phân hủy bã thải ....................121 Sơ đồ 3.2. Quy trình sản xuất chế phẩm VSV có ích .......................................126 Sơ đồ 3.3. Quy trình xử lý bã thải Gai xanh thành phân bón hữu cơ vi sinh ...144
1 MỞ ĐẦU 1. Đặt vấn đề Cùng với sự phát triển của xã hội, nhu cầu về các sản phẩm may mặc cũng như nhu cầu về nguyên liệu của ngành dệt may nước ta ngày càng lớn. Việc phát triển cây nguyên liệu khác ngoài cây bông nhằm bổ sung cơ cấu nguyên liệu cho ngành dệt may là rất cần thiết, góp phần giảm dần việc nhập khẩu xơ, tiết kiệm ngoại tệ và chủ động sản xuất, tạo ra sản phẩm mới có giá trị gia tăng cao. Theo đánh giá, hàng năm các nhà máy sản xuất dệt sợi trong nước cần hàng chục ngàn tấn nguyên liệu, nhu cầu đầu vào rất lớn nhưng việc sản xuất sợi Gai xanh chỉ mới duy trì quy mô nhỏ lẻ nên phải nhập khẩu gần như toàn bộ từ nước ngoài, chi phí rất tốn kém. Do đó, việc nhân rộng các mô hình trồng Gai xanh sẽ mang lại lợi ích song hành, vừa tiết kiệm được nguồn ngoại tệ lớn, đồng thời tạo ra công ăn việc làm nhằm tăng thu nhập cho người nông dân. Năm 2016, Công ty Cổ phần Đầu tư phát triển sản xuất và Xuất nhập khẩu An Phước đầu tư dự án nhà máy sản xuất sợi dệt kết hợp phát triển vùng nguyên liệu cây Gai xanh tại xã Cẩm Tú, huyện Cẩm Thủy, tỉnh Thanh Hóa. Theo Sở Nông nghiệp và Phát triển nông thôn tỉnh Thanh Hoá, tính đến tháng 12 năm 2021, diện tích trồng Gai xanh trên địa bàn tỉnh Thanh Hóa đạt 460 ha. Hiện nay, tất cả diện tích trồng Gai xanh nguyên liệu trên địa bàn tỉnh đều được Công ty này ký hợp đồng và bao tiêu sản phẩm. Trong quá trình sản xuất, lượng bã thải từ việc nghiền cây Gai xanh lấy sợi là rất lớn. Tuy là bã thải nhưng trong bã cây lại có nhiều chất hữu cơ "bổ béo" mà cây Gai xanh đã hút từ đất như protêin, lipít, các chất khoáng, vitamin... Mỗi năm 1ha cây Gai xanh cần lượng phân bón hóa học vào khoảng 1,9 tấn. Với diện tích 460 ha trồng Gai xanh và còn phát triển hơn nữa trong thời gian tới thì nhu cầu phân bón của nông dân là rất lớn. Việc sử dụng phân bón hữu cơ vi sinh bón cho cây trồng giúp cung cấp chất hữu cơ cho đất, làm gia tăng hệ vi sinh vật (VSV) đất, tăng khả năng giữ nước, giữ phân bón làm cho đất tơi xốp hơn, bộ rễ cây trồng khỏe, tăng hiệu suất sử dụng phân bón cho cây, tăng khả năng chống chịu sâu bệnh hại và năng suất cây trồng.
2 Chính vì vậy, đề tài luận án “Nghiên cứu quy trình xử lý bã thải cây Gai xanh của nhà máy sản xuất sợi dệt Thanh Hoá đảm bảo an toàn môi trường” được thực hiện nhằm đáp ứng yêu cầu xử lý hiệu quả số lượng lớn bã thải, giảm ô nhiễm môi trường và tạo ra loại phân bón hữu cơ phục vụ cho sản xuất cây Gai xanh nói riêng và các cây trồng khác nói chung, góp phần sản xuất nông nghiệp theo hướng kinh tế tuần hoàn, tạo sản phẩm sạch, an toàn. 2. Mục đích và yêu cầu của đề tài 2.1. Mục đích Xử lý được bã thải từ trồng cây gai xanh thành phân bón hữu cơ vi sinh nhằm giảm thiểu phát sinh chất thải gây ô nhiễm môi trường, nâng cao năng suất cây trồng và phù hợp với xu hướng phát triển kinh tế tuần hoàn. 2.2. Mục tiêu - Phân lập, tuyển chọn được các chủng vi sinh vật phân giải xenlulo cao và các chủng VSV hữu ích. - Sản xuất được chế phẩm vi sinh phân hủy bã thải sau chế biến cây Gai xanh thành nguồn hữu cơ sản xuất phân bón. - Xây dựng được quy trình sản xuất phân bón hữu cơ VSV từ nguồn hữu cơ trên và các chủng vi sinh tuyển chọn. - Đánh giá được hiệu quả của phân bón hữu cơ VSV nghiên cứu đối với cây Gai xanh. 3. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài - Ý nghĩa khoa học: Kết quả nghiên cứu của luận án là những đóng góp về mặt phương pháp luận và cơ sở khoa học cho việc phân lập và tuyển chọn bộ chủng VSV phù hợp với quá trình chuyển hóa ligno - xenlulo, áp dụng trong xử lý bã thải cây gai xanh làm phân bón hữu cơ vi sinh. - Ý nghĩa thực tiễn: Đề tài có ý nghĩa thực tiễn tận dụng hiệu quả chất thải nông nghiệp, góp phần giảm thiểu ô nhiễm môi trường, nâng cao năng suất cây trồng và phù hợp với xu hướng phát triển kinh tế tuần hoàn. 4. Đóng góp mới của luận án - Phân lập và tuyển chọn được 02 chủng xạ khuẩn có khả năng phân giải xenlulo cao phù hợp để xử lý bã thải trồng cây gai xanh làm nguyên liệu sản xuất
3 phân bón hữu cơ vi sinh. Các chủng này đã được định tên đến loài bằng phân tích trình tự 16S – rARN. - Phân lập và tuyển chọn được 03 chủng vi khuẩn cố định nitơ, phân giải phốt phát vô cơ khó tan, kích thích sinh trưởng có hoạt tính sinh học cao phù hợp với điều kiện thổ nhưỡng của tỉnh Thanh Hóa để sản xuất phân bón hữu cơ vi sinh - Đã xây dựng được quy trình sản xuất chế phẩm vi sinh từ các chủng vi sinh tuyển chọn được và quy trình sử dụng chế phẩm vi sinh để xử lý bã thải trồng cây Gai xanh thành phân bón hữu cơ vi sinh đạt tiêu chuẩn theo quy định hiện hành của Bộ Nông nghiệp và Phát triển nông thôn. Sử dụng phân bón hữu cơ vi sinh từ bã thải bón cho cây Gai xanh, giúp giảm ô nhiễm môi trường do tái sử dụng bã thải dư thừa sau sản xuất thành sản phẩm có ích.
4 Chương 1 TỔNG QUAN VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU 1.1. Tổng quan về cây Gai xanh 1.1.1. Đặc điểm thực vật học của cây Gai xanh Cây Gai xanh (Boehmeria nivea L. Gaud) tên tiếng Anh là Green Ramie, Chinese grass, thuộc họ Gai xanh (Urticaceae), là loại cây song tử diệp, đâm chồi lưu niên, cao 0,9 - 2,1m, cây lưỡng tính, thụ phấn nhờ gió. Là loài lưỡng bội với 2n=14 (Balakrishna Gowda, 2010). Toàn bộ cây Gai xanh gồm có 2 phần liên quan mật thiết: bộ phận khí sinh và bộ phận địa sinh. Bộ phận khí sinh gồm có các thân khí sinh, cành, lá, hoa, quả; bộ phận địa sinh gồm có các loại thân ngầm và các loại rễ (Trung tâm tiền sử Đông Nam Á, 2003). Thân khí sinh từ các loại thân ngầm từ dưới đất đâm lên, có thể cao đến 3m, đường kính gốc 10 - 20mm, phía ngọn thót lại nhiều ít tùy giống. Thân Gai xanh thường được phủ bằng những lông nhỏ không dễ thấy, không có cành nhánh hoặc có rất ít. Mỗi gốc Gai xanh thường có từ 10 đến 50 thân khí sinh, tùy giống, tùy tuổi và tùy điều kiện sinh sống. Khi cây còn nhỏ thân có màu xanh, khi già thì chuyển sang màu nâu. Lá Gai xanh hình tim, mọc cách trên thân, mặt trên lá màu xanh, mặt dưới có nhiều lông tơ trắng. Phiến lá thường dài 10 - 18cm, rộng 9 - 16cm hình thon hay quả tim, mũi nhọn, thường có 3 - 5 gân chính tùy chủng, từ gân chính đâm ra rất nhiều gân con thành hình lưới, gân nổi gồ lên về phía mặt dưới lá. Mép lá có răng cưa. Lá có cuống dài (5 - 13cm) và có lá kèm. Lá kèm có hình trứng với một đầu nhọn. Hoa Gai xanh mọc thành cụm ở trên ngọn, thuộc loại hoa đơn tính đồng chu, với 5 đài hoa và không có cánh hoa. Cấu tạo hoa cây Gai xanh gồm một tế bào, một bầu nhụy, một vòi nhụy nhỏ có lông ở một bên. Hoa đực mọc ở phần dưới thấp, có 5 nhị hoa và 1 bầu nhụy non. Hoa cái ra sau nên ở phía trên, ở đoạn thân hoa đực và hoa cái tiếp giáp nhau thì mọc lẫn lộn. Đầu tiên, hoa đực nở và nhờ gió thụ phấn. Sau đó hoa phát triển thành quả có rất nhiều hạt nhỏ. Quả Gai xanh thuộc loại quả khô, có 2 tâm bi làm thành 1 ngăn chứa 1 hạt, khi chín thì quả màu nâu nhạt. Hạt được tạo thành với số lượng lớn. Hạt Gai xanh màu nâu đậm, hình thuẫn dẹp, dài
5 0,7mm, rộng 0,6mm, có phôi nhũ chứa dầu. Hạt có kích thước rất nhỏ, 1g hạt có khoảng 7000 hạt (Tara Sen và H. N. Jagannatha Reddy, 2011). Thân ngầm của Gai xanh giống như rễ, do đó thường gọi là “rễ”. Những thân ngầm này lúc đầu đâm ngang, rồi sau đâm xiên lên khỏi mặt đất thành thân khí sinh. Thực tế, thân ngầm khác rễ ở chỗ có nhiều đốt, mỗi đốt lại có mầm ngủ mọc lên thành thân khí sinh. Những thân ngầm này cắt thành đoạn đem trồng thì thành những cá thể mới. Gai xanh trồng bằng thân ngầm hay bằng hom thân, thì đầu tiên trên đó phát triển loại rễ bất định và rễ hom lụi dần đi. Gai xanh trồng bằng hạt thì thời kỳ cây con cũng có rễ cái và rễ con nhưng về sau lụi đi và chỉ phát sinh rễ bất định trên thân khí sinh và thân ngầm. Đặc biệt, cây Gai xanh có loại rễ rất phát triển, phình to lên, và chứa nhiều chất dự trữ gọi là rễ củ (Trung tâm tiền sử Đông Nam Á, 2003). Thân ngầm bắt đầu mọc sau khi trồng khoảng 5 - 20 ngày. Giai đoạn đầu, cây sinh trưởng nhờ chất dinh dưỡng dự trữ trong rễ. Có thể thu hoạch Gai xanh sau khi trồng 3 - 10 tháng nhưng lần thu hoạch đầu thường không sử dụng sợi được vì cây phát triển không đều và chất lượng sợi kém (Brink M. và Escobin R.P., 2003). Việc hiểu rõ được các đặc điểm thực vật học của cây Gai xanh làm cơ sở khoa học để thực hiện các biện pháp nhân giống và canh tác. Dựa vào đặc điểm mọc lan nhanh của thân ngầm để bố trí khoảng cách trồng hợp lý, dựa vào đặc điểm của thân khí sinh và sự phát triển của bộ rễ Gai xanh mà xác định mật độ trồng, liều lượng, phương pháp và thời kỳ bón phân thích hợp. Qua đó tạo tiền đề cho ruộng Gai xanh đạt năng suất cao và chất lượng sợi tốt. 1.1.2. Đặc điểm của sợi Gai xanh Mặt cắt ngang sợi Gai xanh có hình hơi dẹt, hình dạng không đều, có vách dày và thon nhọn ở 2 đầu. Vách tế bào có vằn sọc theo chiều dọc. Sợi Gai xanh chứa 69 -91% xenlulo, 5 - 13% hemi xenlulo, 1% lignin, 2% pectin và 2 - 4% tro. Vỏ cây Gai xanh tách từ thân có chứa một lượng lớn chất gôm vì vậy cần có phương pháp đặc biệt để loại bỏ chúng. Chất gôm có thành phần chính là hemi xenlulo và pectin, những chất này không hòa tan trong nước nhưng hòa tan được trong dung dịch kiềm. Sợi Gai xanh đã khử gôm có chứa 96 - 98% xenlulo (Brink M. và Escobin R.P., 2003).