1

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI
TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN



PHẠM BÍCH HIÊN



NGHIÊN CỨU VI SINH VẬT
ĐỂ XỬ LÝ CHẤT THẢI CHĂN NUÔI DẠNG RẮN


Chuyên ngành: VI SINH VẬT HỌC
Mã số: 62.42.40.01


TÓM TẮT LUẬN ÁN TIẾN SĨ SINH HỌC




Hà Nội - Năm 2012

2
Công trình được hoàn thành tại:
Trường Đại học Khoa học Tự nhiên- Đại học Quốc gia Hà Nội.

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

Phản biện 1: GS.TS. Nguyễn Thành Đạt
Phản biện 2: PGS.TS. Nghiêm Ngọc Minh
Phản biện 3: PGS.TS. Ngô Tự Thành




Luận án sẽ được bảo vệ trước Hội đồng cấp nhà nước chấm luận án tiến sĩ họp tại Trường Đại
học Khoa học Tự nhiên- Đại học Quốc gia Hà Nội.
vào hồi 9 giờ 00 ngày 26 tháng 4 năm 2012 .






Có thể tìm hiểu luận án tại:
- Thư viện Quốc gia Việt Nam
- Trung tâm Thông tin – Thư viện, Đại học Quốc gia Hà Nội







5
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

6


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

7

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 H
2
S và NH
3

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

8

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

9

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
KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ
129
DANH MỤC CÔNG TRÌNH KHOA HỌC CỦA TÁC GIẢ LIÊN QUAN
ĐẾN LUẬN ÁN

TÀI LIỆU THAM KHẢO
PHỤ LỤC























10
DANH MU
̣
C CA
́
C KY
́
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

11
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)




















12
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
80
3.11
Ảnh hƣởng pH đến sinh trƣởng và khả năng phân giải xenluloza
của chủng XK112
81
3.12
Ảnh hƣởng ion Ca
2+
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

13
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
99
3.21
Ảnh hƣởng của pH đến sinh trƣởng và hoạt tính kháng khuẩn của
chủng LH19

100
3.22
Sinh trƣởng và hoạt tính kháng khuẩn chủng LH19 trên các loại
đƣờng khác nhau

101
3.23
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
103
3.26
Ảnh hƣởng của lƣợng cấp khí đến sinh khối của các chủng vi
sinh vật nghiên cứu

104
3.27
Khả năng sinh trƣởng của các chủng vi sinh vật nghiên cứu trên
các môi trƣờng sản xuất
106
3.28
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

14
Bảng
Tên bảng
Trang

3.37
Đánh giá độ chín của phân ủ bằng phƣơng pháp thử nghiệm cây
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

15
DANH MỤC CÁC HÌNH

Tên hình
Trang
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
5

1.2
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

16
Tên hình
Trang
3.13
Hình thái khuẩn lạc của chủng vi khuẩn LH19
71
3.14
Cây phát sinh dựa trên phân tích trình tự ADNr 16S của chủng
XK112 với các loài có quan hệ gần
74
3.15
Cây phát sinh dựa trên phân tích trình tự ADNr 16S của chủng
B20 với các loài có quan hệ gần
75
3.16
Cây phát sinh dựa trên phân tích trình tự ADNr 16S của chủng
B15 với các loài có quan hệ gần
76
3.17

Cây phát sinh dựa trên phân tích trình tự ADNr 16S của chủng
LH19 với các loài có quan hệ gần
77
3.18
Ảnh hƣởng của nhiệt độ đến sinh trƣởng và khả năng phân giải
tinh bột của chủng B20
83
3.19
Ảnh hƣởng của pH đến sinh trƣởng và khả năng phân giải tinh
bột của chủng B20
85
3.20
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)
95
3.25

Điện di tricine SDS- PAGE xác định kích thƣớc và kiểm tra hoạt
tính bacterioxin của chủng LH19
97
3.26
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
110

17
Tên hình
Trang
3.29
Màu sắc và kết cấu của chất thải chăn nuôi trƣớc và sau ủ
119
3.30
Đánh giá độ chín của phân ủ bằng phƣơng pháp thử nghiệm cây
trồng
121
3.31
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
125
3.32

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
128





















18
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

19
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.



20
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.













21

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 H
2
S, NH
3,
CH

4
, CO
2,
, N
2
O

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

22
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, H
5
N
1
,
H
1
N

1
. 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.

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]

,
,
Ruộng
Chuồng trại
Chất thải lỏng
Chất thải rắn
Rửa trôi nitrate
Tích lũy kim loại nặng

Phú dưỡng
Chảy tràn
Ống dẫn
Bán
Mầm bệnh
Khí amoniac
Mùi
Khí gây hiệu ứng nhà kính
Mầm bệnh
Khí amoniac
Mùi

Khí gây hiệu ứng nhà kính
Ao cá
Bể chứa hiếm khí
Hồ, sông, kênh mương




23
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 H
2
S, NH
3
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.

24
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
P
2
O
5

K
2
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 8-
10%. 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

25
triệu con, đàn gia cầm có 277,4 triệu con, tăng lần lƣợt là 3,1 % và 8,1 % so với
năm 2008. Giá trị sản xuất chăn nuôi năm 2009 đạt mức tăng trƣởng 5,3 %, so với
cùng kỳ năm 2008. Uớc tính Việt Nam với tốc độ tăng trƣởng kinh tế 8 %/ năm, tốc
độ phát triển dân số 1,3 %/ năm thì chăn nuôi phải tăng từ 9-10 %/ năm mới đáp
ứng đƣợc nhu cầu của xã hội [6, 10].
Theo số liệu điều tra năm 2008 có 75- 80 % số lƣợng lợn ở Việt Nam đƣợc
sản xuất theo phƣơng pháp truyền thống bởi các hộ gia đình nhỏ lẻ, 10% bởi các
trang trại trung bình, 10-15% là các trang trại chăn nuôi đƣợc thƣơng mại hoá [3, 6,
27]. Mặc dù đứng trƣớc nhiều khó khăn nhƣng với những chính sách và sự hỗ trợ
kịp thời của Nhà nƣớc, ngành chăn nuôi ở Việt Nam đang dần khôi phục. Phƣơng
thức tổ chức sản xuất chăn nuôi hàng hoá quy mô trang trại trong những năm gần
đây ngày càng đƣợc nhân rộng và phát triển, tính đến đầu năm 2010, cả nƣớc có

khoảng 20.800 trang trại chăn nuôi, đã xuất hiện mô hình trang trại tƣ nhân với quy
mô lớn, ứng dụng khoa học kỹ thuật tốt, đạt hiệu quả kinh tế cao [3, 27].
Cùng với khoảng 25-30 triệu khối chất thải lỏng, mỗi ngày đàn gia súc, gia
cầm của Việt Nam thải ra khoảng 539.733,15 tấn chất thải rắn, ƣớc tính mỗi năm
có trên 60 triệu tấn phân vật nuôi các loại. Trong số đó chỉ có khoảng 50% đƣợc xử
lý bằng phƣơng pháp ủ trƣớc khi sử dụng [3, 10].
Kết quả khảo sát của Phùng Thị Vân và cs tại 54 trang trại chăn nuôi lợn ở
tỉnh Thái Bình, Bắc Giang (Hình 1.2) cho biết: Trong tổng số lƣợng chất thải, có
khoảng 43% đƣợc sử dụng cho biogas, còn 57% (chủ yếu là chất thải rắn không qua
xử lý hoặc chỉ ủ thông thƣờng khoảng 7-10 ngày) sử dụng cho các mục đích khác
nhau (12% bón cho cây trồng, 13% làm thức ăn cho cá, 13% để bán cho các chủ
nuôi cá hoặc bón cho cây trồng và 19% thải ra các hệ thống thải công cộng nhƣ
kênh, rạch, sông, hồ). Tiến hành phỏng vấn 54 hộ chăn nuôi lợn có 20% hộ cho
rằng chăn nuôi lợn để cung cấp chất thải cho các ao đầm nuôi cá vì cá tăng trọng
nhanh và giảm chi phí vận chuyển ra đồng ruộng để bón cho cây trồng [30, 115].


26

Hình 1.2. Số liệu khảo sát sử dụng chất thải chăn nuôi lợn của 54 trang trại
tại tỉnh Thái Bình và Bắc Giang [30]
Một kết quả điều tra khác tại 40 trang trại chăn nuôi lợn ở Hà Nội, Hà Tây
cũ, Thái Bình, Ninh Bình [27] cho thấy: 91,7% trang trại qui mô trên 200 lợn nái có
thiết kế nhà chứa phân, trong khi đó ở qui mô từ 30 đến 100 lợn nái chỉ 7,6% trang
trại có sử dụng nhà chứa phân và 6,1% trang trại có hố chứa phân. Nhƣ vậy, các
trang trại qui mô chăn nuôi tƣơng đối lớn mới đầu tƣ và quan tâm đến quản lý chất
thải chăn nuôi. Tuy nhiên, nhà chứa phân ở các trang trại đƣợc điều tra là nơi chứa
phân lợn đƣợc thu gom hàng ngày. Với các trang trại không có nhà chứa phân ,chất
thải thƣờng đƣợc đựng vào bao tải, để tập trung ngoài trời. Cả hai hình thức thu
gom này đều không có các biện pháp xử lý ô nhiễm trƣớc khi vận chuyển đi sử

dụng hoặc bán.
Kết quả nghiên cứu cho thấy, việc sử dụng nguồn chất thải chăn nuôi ở các
qui mô chăn nuôi rất khác nhau: sử dụng chất thải cho trồng trọt đạt cao nhất với
qui mô từ 30 đến 100 lợn nái (64,0%), thấp nhất là 12,5% ở qui mô trên 200. Nếu
để bán cao nhất là 58,6% ở qui mô trên 200 lợn nái và thấp nhất ở qui mô từ 30 đến
100 (14,1%); Để sử dụng cho ao nuôi cá: Cao nhất là 17,4% ở qui mô trên 200 lợn
Phân lợn
Bón cho cây trồng
Nuôi cá
Bán
Thải ra môi trường
Biogas
Không xử lý
hoặc ủ
100%
43%
57%
12%
13%
13%
19%
6%
20%
17%

27
nái và thấp nhất ở qui mô từ 30 đến 100 (8,2%). Chất thải từ các trang trại qui mô
trên 200 lợn nái thƣờng để bán và sử dụng cho các ao đầm nuôi cá. Đa số các trang
trại qui mô nhỏ, sử dụng chất thải cho trồng trọt. Việc sử dụng chất thải chăn nuôi
khác nhau, có mối liên quan đến số lƣợng phân đƣợc thu gom hàng ngày lớn so với

diện tích nơi chứa. Bán hoặc sử dụng chất thải để nuôi cá có thể chuyển và giải
phóng nhanh chất thải, trong khi để phục vụ trồng trọt thì lại liên quan đến thời vụ
và thời điểm bón phân.
1.1.3. Các biện pháp xử lý chất thải chăn nuôi
Có rất nhiều công trình nghiên cứu đã có kết quả và đƣợc đề xuất, dùng riêng
rẽ hoặc kết hợp để tăng hiệu quả xử lý cũng nhƣ hiệu quả kinh tế của công nghệ.
Các giải pháp chính gồm:
1.1.3.1. Phƣơng pháp vật lý phân tách chất rắn - lỏng
Bao gồm phƣơng pháp lắng cặn, phƣơng pháp sử dụng máy tách chất rắn,
phƣơng pháp lọc. Các phƣơng pháp này giúp giảm đáng kể hàm lƣợng nƣớc trong
chất thải, giảm diện tích hồ chứa phân, tăng giá trị dinh dƣỡng trong phân rắn. Phần
rắn sau khi phân tách có thể tiếp tục đƣợc xử lý bằng phƣơng pháp sinh học (60%),
bằng phƣơng pháp hoá lý (25%) và phƣơng pháp nhiệt (10%) [27, 111] để làm phân
bón cho cây trồng hoặc để sản sinh năng lƣợng. Phƣơng pháp này đƣợc áp dụng ở
nhiều nƣớc trên thế giới, trong đó Hà Lan có khoảng 80 nhà máy, Pháp có khoảng
600 trang trại lợn áp dụng phƣơng pháp phân tách và xử lý chất thải chăn nuôi.
1.1.3.2. Các 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 trƣớc khi tách cơ học làm tăng 82% hiệu quả tách chất rắn. Hoá chất
thƣờng đƣợc dùng để keo tụ và kết bông các phân tử rắn là các chất polyme nhƣ
polyacrylamit và các muối kim loại (clorua sắt, muối nhôm và vôi). Các chất này
làm tăng đáng kể tính kỵ nƣớc của phân, làm cho các chất rắn liên kết tạo phân tử
có kích thƣớc lớn hơn, kết lắng nhanh hơn; 90% phốt pho dạng hoà tan và không
hoà tan đƣợc kết tủa và tách ra khỏi chất lỏng [27, 111].