- KHẢ NĂNG PHÂN HỦY RÁC THẢI HỮU CƠ CỦA VI KHUẨN PHÂN GIẢI CELLULOSE (CELLULOLYTIC. - Ba dòng vi khuẩn có khả năng phân giải cellulose tốt nhất gồm có 1 dòng vi khuẩn bình nhiệt (30 0 C) [dòng C1b], 2 dòng vi khuẩn ái nhiệt (55 0 C) [dòng 3a1và 3a2] được bố trí thí nghiệm trong bình lên men 10-lít để đánh giá khả năng phân hủy rác thải hữu cơ. - Thí nghiệm có 8 nghiệm thức với 4 lần lặp lại trong 22 ngày. - trọng lượng khô, hàm lượng chất hữu cơ, tỉ lệ C/N, hàm lượng khí CO 2 , CH 4 và mật số vi khuẩn được ghi nhận theo từng thời điểm thích hợp.. - Kết quả cho thấy hai nghiệm thức C2 (chủng vi khuẩn phân giải cellulose bình nhiệt dòng C1b) và nghiệm thức C4 (chủng vi khuẩn ái nhiệt dòng 3a2) đạt được các chỉ tiêu phù hợp nhất. - Hơn nữa, hai nghiệm thức này có lượng khí CO 2 , CH 4 thải ra thấp, không gây ảnh hưởng đến môi trường.. - Từ khóa: phân hữu cơ, rác thải hữu cơ, vi khuẩn phân giải cellulose, vi khuẩn bình nhiệt, vi khuẩn ái nhiệt. - Để khắc phục những nhược điểm trên, các chuyên gia môi trường đã chọn giải pháp xử lý rác bằng công nghệ sinh học vì thành phần rác hữu cơ của Việt Nam chiếm khoảng 45 - 55%, tỉ lệ chất hữu cơ cao nên rất thích hợp với phương pháp xử lý bằng công nghệ sinh học. - Ngoài khả năng phân hủy chất thải nông nghiệp có nguồn gốc hữu cơ của nấm Trichoderma đã được đánh giá và đang trong quá trình thực nghiệm (Dương Minh, 2008) thì khả năng phân hủy rác thải hữu cơ của các nhóm vi khuẩn như: vi khuẩn phân hủy protein, vi khuẩn phân hủy tinh bột, vi khuẩn phân hủy cellulose. - ưu điểm của phương pháp này là lên men hiệu quả rác thải hữu cơ, chi phí đầu tư thấp, không gây ảnh hưởng đến môi trường. - Mục tiêu của đề tài là đánh giá khả năng phân hủy rác thải hữu cơ của vi khuẩn phân giải celllulose (cellulolytic bacteria) được thực hiện trên qui mô thùng lên men 10-lít, từ đó chọn ra các dòng vi khuẩn tốt nhất để ứng dụng xử lý rác thải hữu cơ trong qui mô lớn hơn.. - Rác thải hữu cơ (đã được phân loại) được thu gom từ chợ Tân An, quận Ninh Kiều, thành phố Cần Thơ do Bộ phận quản lý vệ sinh của chợ Tân An cung cấp với thành phần các chất hữu cơ trình bày trong Bảng 1 trong đó thành phần chất hữu cơ thay đối từ 30,25% đến 44,14% tùy theo nguồn rác sinh hoạt từ các hộ khá giả đến khó khăn và cellulose và protein chiếm tỉ lệ cao so với tinh bột.. - Vi khuẩn được phân lập và tuyển chọn tại phòng thí nghiệm Vi sinh vật đất, Viện Nghiên cứu và Phát triển Công nghệ Sinh học (Hà Thanh Toàn et al., 2008) và nhân nuôi theo công thức môi trường Delafield (Ryckeboer et al., 2003).. - Thí nghiệm gồm có 8 nghiệm thức như sau: ĐC (đối chứng) [không chủng vi. - Bảng 1: Thành phần của rác thải hữu cơ tại thành phố Cần Thơ Loại rác Chất hữu cơ trong rác. - (1) Rác ở Khu tập thể Đại học Cần Thơ, (2) Rác thải sinh hoạt từ 3 hẻm của phường An Hội, Q. - Ninh Kiều, (3) Rác thải sinh hoạt thu từ 3 hẻm trong phường An Cư, Q. - Thành phần hữu cơ so với thành phần chung. - Rác thải được phun dung dịch chứa vi khuẩn với từng nghiệm thức trên với tỉ lệ 1% (v/w) và rác được cho vào thùng nhựa có dung tích 10 lít, nhét và nén chặt (cân trọng lượng tươi trước ở từng thùng) dùng tấm kim loại đè nén và dằn đá cho chặt, đậy nắp thùng nhựa. - thể tích sụt giảm, trọng lượng khô, hàm lượng chất hữu cơ, N tổng số, tỉ lệ C/N, đặc biệt khí carbonic (CO 2 ) và methane (CH 4 ) được thiết kế ống thoát khí để lấy khí định kỳ (Hình 1) và mật số vi khuẩn tương ứng trong mỗi nghiệm thức của từng thí nghiệm riêng biệt. - 3.1.1 Nhiệt độ. - Nhiệt độ giữa các nghiệm thức khác biệt ý nghĩa ở độ tin cậy 95%. - Nghiệm thức C2 và C4 khác biệt không ý nghĩa, nghiệm thức C2 và C4 khác biệt so với nghiệm thức C3, C5, C6, C7, C8 và đối chứng [ĐC] ở độ tin cậy 95% và có nhiệt độ trung bình cao nhất. - Vào ngày thứ 16 nhiệt độ của nghiệm thức C2 và C4 đạt đến giá trị cao nhất là 36.5 0 C và giảm dần đến ngày 22 (Hình 2).. - Hình 1: Mô hình thùng xử lý rác thải hữu cơ có dung tích 10-L với lổ thoát nước rỉ rác lấy khí từ bình lên men 10-L. - Hình 2: Hiệu quả của vi khuẩn phân giải cellulose trên nhiệt độ của rác thải hữu cơ theo thời gian. - pH của rác thải hữu cơ biến động theo nhiệt độ bên ngoài nhưng pH của 8 nghiệm thức khác biệt ở mức ý nghĩa ở độ tin cậy 1% trong đó nghiệm thức C2 và C4 khác biệt có ý nghĩa so với nghiệm thức ĐC. - Điều lưu ý, nghiệm thức C2 và C4 có giá trị pH trung bình cao (>7,5) và ổn định từ ngày 19 đến hết ngày 22 trong khi đó nghiệm thức ĐC có pH trung bình thấp nhất (<6,5) và nhìn chung pH của rác hữu cơ ổn định từ ngày 19 cho đến hết thí nghiệm (Hình 3).. - Nhiệt độ (độ C). - Hình 3: Hiệu quả của vi khuẩn phân giải cellulose trên pH của rác thải hữu cơ theo thời gian Chú thích: ĐC = đối chứng [không vi khuẩn], C2 = chủng vi khuẩn bình nhiệt, C3 = chủng vi khuẩn ái nhiệt, C4 = chủng vi khuẩn ái nhiệt, C5=C2+C3, C6=C2+C4, C7=C3+C4, C8=C2+C3+C4. - thể tích rác phân hủy giữa các nghiệm thức khác biệt có ý nghĩa ở độ tin cậy 99%. - Nghiệm thức C2 và C4 có phần trăm thể tích rác sụt giảm cao hơn các nghiệm thức còn lại chứng tỏ vi khuẩn trong 2 nghiệm thức này có khả năng phân hủy rác mạnh hơn so với các nghiệm thức khác (Bảng 2). - thể tích sụt giảm của nghiệm thức ĐC thấp nhất, điều này cho thấy tác động của các vi khuẩn phân hủy cellulose hoạt đồng tốt so với các vi khuẩn có trong tự nhiên. - Giai đoạn từ ngày 15 đến ngày 22 sau khi ủ có phần trăm thể tích sụt giảm cao nhất, đây là giai đoạn vi khuẩn hoạt động mạnh và có mật số cao nhất thúc đẩy quá trình phân hủy sinh học xảy ra mạnh trong những ngày này làm thể tích khối rác giảm đáng kể. - Tuy nhiên phần trăm thể tích sụt giảm chỉ là chỉ tiêu quan sát, không thể đánh giá chính xác khả năng phân hủy sinh học của khối rác một cách hiệu quả nên phải xét đến phần trăm trọng lượng khô mất đi của khối rác ủ.. - trọng lượng khô mất đi giữa các nghiệm thức khác biệt ý nghĩa ở độ tin cậy 99% trong đó nghiệm thức C2, C4 khác biệt ở mức ý nghĩa 1% so với nghiệm thức còn lại (Bảng 2). - Sự tích tụ chất hữu cơ trong khối ủ sẽ giảm xuống thể hiện sự phân hủy của các vật liệu hữu cơ trong suốt quá trình ủ. - Sự phân hủy mạnh mẽ của những hợp chất carbon hữu cơ không bền đã làm cho lượng Nitơ tổng số tăng, đồng thời nó làm giảm trọng lượng của khối ủ. - Lượng Nitơ tổng số thường tăng lên trong quá trình ủ. - Bảng 2: Hiệu quả của vi khuẩn phân giải cellulose trên % thể tích rác phân hủy và trọng lượng khô mất đi. - Nghiệm thức % thể tích rác phân hủy % Trọng lượng khô mất đi C2 35,49 a 26,06 a. - Những số theo sau cùng 1 chữ không khác biệt ý nghĩa ở 1%.. - Bảng 3: Hiệu quả của vi khuẩn phân giải cellulose trên hàm lượng chất hữu cơ và N tổng số của rác thải. - thức Chất hữu cơ. - Chú thích: ĐC = đối chứng [không vi khuẩn], C2 = chủng vi khuẩn bình nhiệt, C3 = chủng vi khuẩn ái nhiệt, C4 = chủng vi khuẩn ái nhiệt, C5=C2+C3, C6=C2+C4, C7=C3+C4, C8=C2+C3+C4. - Tỉ lệ C/N của rác hữu cơ sẽ giảm đi trong suốt quá trình ủ, ngày 1 đến ngày 18, tỉ lệ C/N giảm rõ rệt, chứng tỏ quá trình phân hủy diễn ra mạnh vào những ngày này và đến ngày 18 thì sự phân hủy gần như kết thúc.. - Trong quá trình phân hủy của rác, lượng khí CO 2 và CH 4 thải ra qua quá trình phân hủy chất hữu cơ theo hướng hiếu khí (tạo ra khí CO 2 ) và hướng kỵ khí (tạo ra khí CH 4. - Tuy nhiên, nếu các quản lý cần thu hồi các loại khí này để sản xuất khí sinh học (biogas), họ sẽ chọn các loài vi khuẩn tạo ra khí này nhiều và nếu như sử dụng các loài vi khuẩn chỉ phân hủy chất hữu cơ tốt nhưng tạo ra hai loại khí này ít hơn sẽ tốt cho môi trường vì hai loại khí này sản xuất nhiều sẽ gây hiện tượng hiệu ứng nhà kính do khí này làm nhiệt độ Trái đất nóng lên. - Nghiệm thức C4 và C8 có lượng khí CO 2 thải ra ít nhất và nghiệm thức C2, C3 và C4 có lượng khí CH 4 thoát ra ít nhất (Bảng 4).. - Bảng 4: Hiệu quả của vi khuẩn phân giải cellulose trên tổng lượng khí CO 2 và CH 4 thải ra Nghiệm thức Lượng khí CO 2 (mg/m 3 ) Lượng khí CH 4 (mg/m 3. - 3.1.6 Mật số vi khuẩn phân hủy cellulose. - Hình 5: Mật số vi khuẩn (log 10 /g) phân hủy cellulose (bình nhiệt) trong rác hữu cơ theo thời gian. - Số tế bào vi khuẩn/1g chất khô giữa các nghiệm thức có sự khác biệt ý nghĩa ở độ tin cậy 95%. - Nghiệm thức C2, C4 có mật số trung bình cao nhất và khác biệt ý nghĩa với nghiệm thức C3, C7 và ĐC (không có chủng vi khuẩn). - Mật số vi khuẩn bình nhiệt giữa các ngày khác biệt ở độ tin cậy 95% nhưng mật số vi khuẩn vào thời điểm ngày khác biệt không ý nghĩa với các ngày nhưng khác biệt ý nghĩa với ngày 4. - Trong đó mật số vi khuẩn bình nhiệt trung bình ngày 16 là cao nhất, điều này chứng tỏ vi khuẩn hoạt động mạnh nhất trong ngày này và giảm dần vào những ngày cuối quá trình ủ (Hình 5).. - Mật số vi khuẩn trung bình giữa các nghiệm thức khác biệt ý nghĩa ở độ tin cậy 95%. - Không có sự khác biệt giữa các nghiệm thức C2, C4, C5, C6 nhưng nghiệm thức C4 khác biệt ý nghĩa so với nghiệm thức C3, C7, C8, ĐC. - nghiệm thức C4 có mật số trung bình cao nhất. - Nhìn chung, mật số vi khuẩn ái nhiệt đạt đỉnh cao vào ngày 16 sau đó giảm dần đến những ngày cuối của quá trình ủ (Hình 6).. - Tế bào vi khuẩn/g chất khô. - Hình 6: Mật số vi khuẩn (log 10 /g) phân hủy cellulose (ái nhiệt) trong rác hữu cơ theo thời gian. - Mật số vi khuẩn chung hai nhóm:. - Nghiệm thức C2 (chủng vi khuẩn bình nhiệt) và C4 (chủng vi khuẩn ái nhiệt) có mật số vi khuẩn bình nhiệt cao nhất so với các nghiệm thức còn lại (Bảng 5).. - Nghiệm thức C2 có mật số bình nhiệt cao nhất, kế đến nghiệm thức C4 và nghiệm thức C2 (chủng vi khuẩn bình nhiệt) và C4 (chủng vi khuẩn ái nhiệt) có mật số vi khuẩn ái nhiệt cao hơn so với các nghiệm thức còn lại và nghiệm thức C4 có mật số vi khuẩn ái nhiệt cao nhất. - Trong đó nghiệm thức C4 có mật số vi khuẩn chung cao nhất và thấp nhất là nghiệm thức đối chứng (ĐC).. - Đây là nhiệt độ và pH thích hợp cho vi khuẩn phát triển, mật số vi khuẩn trong những ngày này tăng lên cao hơn so với các ngày khác. - Điều này cho thấy giai đoạn này là giai đoạn vi khuẩn hoạt động hiệu quả.. - Từ những kết quả đã trình bày ở phần trên cho thấy nhiệt độ là nhân tố quan trọng ảnh hưởng đến khối ủ và quyết định hiệu quả của quá trình ủ bởi vì nhiệt độ quyết định sự phát triển của các vi sinh vật hoạt động trong khối ủ. - Khi nhiệt độ đạt đến giá trị thích hợp để vi khuẩn phát triển thì mật số vi khuẩn tăng sẽ thúc đẩy quá trình phân hủy sinh học trong khối phân ủ giúp khối ủ phân hủy nhanh chóng và hiệu quả nhất.. - Bảng 5: Mật số vi khuẩn phân giải cellulose chung (log 10 /g) trong rác hữu cơ. - Nghiệm thức log 10 /g chất khô Ngày log 10 /g chất khô C4 7,947 a Ngày 16 7,729 a C2 7,789 a Ngày 19 7,497 ab C6 7,158 b Ngày 22 7,321 abc C8 7,127 b Ngày 13 7,093 bc C5 7,120 b Ngày 10 7,019 bc C7 6,826 b Ngày 1 6,987 bc C3 6,699 b Ngày 4 6,919 bc ĐC 6,865 b Ngày 7 6,786 c CV. - Chú thích: DC = đối chứng [không vi khuẩn], C2 = chủng vi khuẩn bình nhiệt, C3 = chủng vi khuẩn ái nhiệt, C4 = chủng vi khuẩn ái nhiệt, C5=C2+C3, C6=C2+C4, C7=C3+C4, C8=C2+C3+C4. - Nhiệt độ trong quá trình ủ tăng cao trong giai đoạn từ ngày 16 đến ngày 19 đã tạo điều kiện cho mật số vi khuẩn tăng cao nhất trong những ngày này. - Đây chính là giai đoạn có quá trình phân hủy sinh học mạnh mẽ và hiệu quả nhất. - Nhưng trong quá trình thí nghiệm nhiệt độ khối ủ chỉ đạt đến 36,5 0 C do quá trình thí nghiệm được bố trí vào nhưng ngày có nắng và mưa xen kẽ, ảnh hưởng đến nhiệt độ môi trường nên nhiệt độ của khối ủ không ổn định. - Nghiệm thức C2 và C4 có nhiệt độ trung bình qua các ngày khác biệt nhất và cao nhất so với các nghiệm thức còn lại kể cả nghiệm thức đối chứng, giá trị pH trung bình giữa các nghiệm thức cũng cao nhất, từ ngày 16 đến ngày 22, pH đạt giá trị trung tính đến kiềm. - (2008), trong quá trình ủ phân, pH đạt đến giá trị thích hợp sẽ duy trì hoạt động sinh học tối ưu cho quá trình phân hủy ái nhiệt. - Giá trị pH tăng từ 6,1 đến 8,7 là phù hợp trong giai đoạn từ ngày 15 đến cuối quá trình ủ (giai đoạn ổn định), đây là điều kiện thuận lợi cho sự phát triển của vi khuẩn. - Vì vậy, nghiệm thức C2, C4 có mật số vi khuẩn trung bình chung khác biệt nhất so với tất cả các nghiệm thức kể cả nghiệm thức đối chứng, trong đó nghiệm thức C4 có mật số vi khuẩn trung bình chung cao nhất. - Nghiệm thức C2 có mật số vi khuẩn bình nhiệt cao nhất trong trong các nghiệm thức và nghiệm thức C4 cũng có mật số vi khuẩn ái nhiệt cao nhất trong các nghiệm thức.. - Kết hợp với phần trăm trọng lượng khô mất đi và thể tích sụt giảm trong các nghiệm thức khác, nghiệm thức C4 có phần trăm trọng lượng khô mất đi và % thể tích sụt giảm nhiều nhất, kế đến là nghiệm thức C2. - Điều này chứng tỏ khả năng phân hủy rác của 2 nghiệm thức này hiệu quả hơn các nghiệm thức còn lại.. - Nghiệm thức C2 và C4 có trung bình trọng lượng khô mất đi cao nhất (26,06% và 26,03. - phù hợp với kết quả của Ryckeboer et al., (2003), chứng tỏ hiệu quả phân hủy rác của 2 nghiệm thức này rất tốt. - Nghiệm thức ĐC (không có chủng vi khuẩn) có phần trăm trọng lượng khô mất đi thấp nhất. - Theo Iglesias- Jiménez và Pérez-García (1992), tỉ lệ C/N trong việc ủ phân hữu cơ phải <12 là tỉ lệ thể hiện độ chín tốt cho khối ủ. - Ở ngày 18, nghiệm thức C2 và C4 có tỉ lệ C/N<12. - Hơn nữa, lượng khí CO 2 và CH 4 thải ra từ 2 nghiệm thức C2 và C4 tương đối thấp, không ảnh hưởng đến hiện tượng hiệu ứng nhà kính nếu ứng dụng ở mô hình lớn hơn. - Điều này chứng tỏ khả năng phân hủy rác của nghiệm thức C2 và C4 là tốt nhất. - Vì vậy, nghiệm thức C2 (chủng vi khuẩn bình nhiệt) và C4 (chủng vi khuẩn ái nhiệt 2) có hiệu quả phân hủy rác cao nhất. - Quá trình phân hủy sinh học diễn ra mạnh ở giai đoạn từ 16 đến 19 ngày đầu và sau 22 ngày sẽ kết thúc giai đoạn ái nhiệt của quá trình ủ. - Các nghiệm thức còn lại (C3, C5, C6, C7, C8 và ĐC) có mật số vi khuẩn thấp hơn nghiệm thức C2 và C4. - thể tích sụt giảm không nhiều và tỉ lệ C/N của khối ủ rác hữu cơ ở những ngày cuối vẫn còn cao, không phù hợp để sử dụng chế phẩm này để xử lý rác thải hữu cơ làm phân hữu cơ.. - Nghiệm thức C2 (chủng vi khuẩn bình nhiệt C1b) và C4 (chủng vi khuẩn ái nhiệt 3a2) có hiệu quả phân hủy rác tốt nhất.. - Quá trình phân hủy cellulose của vi khuẩn phân hủy cellulose diễn ra mạnh từ 16-18 ngày đầu, những ngày sau quá trình phân hủy ổn định, đến ngày 22 sẽ kết thúc quá trình phân hủy ái nhiệt trong quá trình ủ.. - Nếu có điều kiện cần bố trí thí nghiệm trên qui mô lớn hơn (100-lít), khi đó nhiệt độ khối ủ tăng lên đến nhiệt độ cần thiết (>70 0 C) thúc đẩy quá trình phân hủy ái nhiệt hoạt động hiệu quả hơn.. - Cần có sự kết hợp với các chủng vi khuẩn phân hủy protein và tinh bột để quá trình ủ có thể phân hủy chất hữu cơ triệt để hơn. - Từ đó có thể có cái nhìn khái quát hơn về khả năng phân hủy rác thải của vi khuẩn và đề xuất một chế phẩm hữu hiệu nhất để xử lí rác thải hữu cơ tại địa phương.. - Phân lập vi khuẩn phân giải cellulose, tinh bột và protein trong nước rĩ từ bãi rác ở Thành phố Cần Thơ