- Trang Chủ
- Môi trường
- Khảo sát khả năng kết hợp các chủng vi sinh phân hủy cellulose ứng dụng trong xử lý vỏ sắn thải
Xem mẫu
- Chuyên san Phát triển Khoa học và Công nghệ số 4 (3), 2018
KHẢO SÁT KHẢ NĂNG KẾT HỢP CÁC CHỦNG VI SINH PHÂN HỦY
CELLULOSE ỨNG DỤNG TRONG XỬ LÝ VỎ SẮN THẢI
Nguyễn Thị Bạch Huyền1, Lê Thị Ánh Hồng2, Trần Thành1*
1
Viện Kỹ thuật Công nghệ cao NTT, Trường Đại học Nguyễn Tất Thành
2
Viện Sinh học Nhiệt đới, Viện Hàn lâm và Khoa học Việt Nam
*Tác giả liên lạc: thanhtran2710@gmail.com
(Ngày nhận bài: 19/7/2018; Ngày duyệt đăng: 15/9/2018)
TÓM TẮT
Vỏ thải từ nhà máy sản xuất tinh bột sắn có rất nhiều chất dinh dưỡng có thể tận dụng
làm phân bón trong nông nghiệp, tuy nhiên với hàm lượng cellulose cao (hơn 50%)
trong thành phần có thể gây khó khăn cho phân hủy sinh học và làm chậm quá trình hấp
thụ chất dinh dưỡng của cây trồng. Nghiên cứu này nhằm mục đích tìm kiếm các vi sinh
vật và đánh giá sự kết hợp của chúng trong quá trình phân hủy sinh học vỏ sắn thải. Kết
quả ban đầu cho thấy sau 21 ngày, nồng độ glucose trong tất cả các mẫu đều cao nhất
trong suốt thời gian thử nghiệm. Lượng glucose được sản xuất bằng mg/ml do vi khuẩn
được chọn là 9,32, cao hơn so với các loại nấm được chọn là 1,57 mg/ml. Tỷ lệ phần
trăm giảm khối lượng của sắn là cao nhất đối với nấm, tương ứng là 52% trọng lượng.
Trong khi đó, vi khuẩn chỉ giảm xuống còn 31,6% sau 4 tuần. Tuy nhiên, sự kết hợp
giữa vi khuẩn và nấm cung cấp nồng độ glucose cao nhất, 19,29 mg/ml hiệu suất phân
hủy đạt 62% khối lượng sắn trong thí nghiệm. Nghiên cứu tổng quát cho thấy rằng sự
kết hợp chủng trong ứng dụng phân hủy sinh học của chất thải nông nghiệp trong môi
trường để giảm ô nhiễm chất thải sinh khối là rất có triển vọng.
Từ khóa: Nấm, phân hủy sinh học, vi khuẩn, vỏ sắn thải.
STUDY ON THE COMBINATION OF MICROORGANISMS APPLY IN THE
BIODEGRADABLE CELLULOSE OF CASSAVA PEEL TREATMENT
Nguyen Thi Bach Huyen1, Le Thi Anh Hong2, Tran Thanh1*
1
NTT Institute of Hi-Technology, Nguyen Tat Thanh University
2
Institute of Tropical Biology, Vietnam Academy of Science and Technology
*Corresponding Author: thanhtran2710@gmail.com
ABSTRACT
Cassava peel has a lot of nutrients which can be utilized as fertilizer in agriculture,
however, high cellulose contents may cause difficulty for organic digestion and slow
down the nutrients absorption for plants. This study aims to search the microorganisms
or their combination for biodegrading the cassava peel waste. The initial result shows
that after 21 days, the D-glucose concentration in the all samples was highest during
the experiment times. The reducing glucose produced in mg/ml by the selected bacteria
was 9.32, higher than in the selected fungi 1.57 mg/ml. The percentage degradation of
cassava peel weigh was highest for fungi, which was 52% of weighing, respectively.
Meanwhile, bacteria only degraded about 31.6% after 4 weeks. However, the
combination of bacteria and fungi provides the highest glucose concentration, 19.29
mg/ml and digests 62% of the cassava mass in the experiment. The study suggests that
biodegradation of agro-wastes in the environment to reduce biomass waste pollution is
very promising.
Keywords: Biodegradation, bacteria, cassava peel wastes, fungi.
39
- Chuyên san Phát triển Khoa học và Công nghệ số 4 (3), 2018
GIỚI THIỆU Như vậy, dựa trên nhu cầu phân bón hữu
Sắn (Manihot esculenta) là cây trồng quan cơ, mục tiêu tổng thể của nghiên cứu là tái
trọng nhất ở nhiều nước nhiệt đới, trong sử dụng chất thải vỏ sắn làm phân hữu cơ
đó có Việt Nam. Diện tích trồng sắn ở Việt thì cần làm giảm thành phần cellulose
Nam đạt 560.000 ha vào năm 2014, gần trong vỏ sắn.
gấp đôi con số năm 2000. Việc mở rộng Một số nghiên cứu cho thấy enzyme
liên tục đã thay đổi vai trò sắn ở Việt Nam cellulase từ vi sinh vật như nấm, vi khuẩn
từ cây lương thực sang cây công nghiệp có khả năng phân hủy cellulose gây ra
với ngành sản xuất tinh bột sắn vốn có những thay đổi đáng kể trong thành phần
nhiều thị trường đầu ra. Sau quá trình sản dinh dưỡng của chất thải vỏ sắn như tăng
xuất tinh bột, nhà máy đã tạo ra một lượng lượng đường, nitơ. Bên cạnh đó, các
lớn chất thải rắn như bã và vỏ sắn. Bã sắn enzyme cellulase cũng giúp giảm thời gian
có sẵn cho nhiều ứng dụng, trong đó có tái phân hủy cellulose so với bình thường
sử dụng làm thức ăn chăn nuôi hoặc cơ trong môi trường. Nghiên cứu này là bước
chất trồng nấm. Tuy nhiên, vỏ sắn ở Việt tiếp theo sau khi phân lập và lựa chọn các
Nam không được sử dụng nhiều hoặc tái chủng vi sinh vật tốt nhất, chúng tôi sẽ
chế, phương pháp xử lý hiện nay thường kiểm tra sự phân hủy của cellulose bằng
bị loại bỏ hoặc chôn lấp. Phương pháp đánh giá hoạt tính tiết enzyme cellulase
chôn lấp không chỉ để lãng phí nguyên liệu của các chủng vi sinh vật trên vỏ sắn và
có giá trị mà còn ảnh hưởng đến môi đánh giá khả năng kết hợp của vi sinh vật
trường do mùi hôi phát ra từ vỏ sắn chưa để phân hủy vỏ sắn trong thời gian ngắn
được xử lý sau khi lên men. Hơn nữa, nó nhất có thể.
đòi hỏi diện tích xử lý lớn vì vỏ chiếm
khoảng 5 - 10% tổng trọng lượng củ. VẬT LIỆU VÀ PHƯƠNG PHÁP
Lượng chất thải vỏ hàng năm tăng lên và NGHIÊN CỨU
sự tích tụ của chúng là một nguồn ô nhiễm Vật liệu và môi trường vi sinh nghiên
chính do quá trình lên men. cứu
Do đó, vấn đề chung ô nhiễm từ khu vực Vỏ sắn thải được lấy trong giai đoạn lột vỏ
công nghiệp, nông nghiệp đang gia tăng, từ nhà máy tinh bột sắn Hùng Duy 2
số lượng nghiên cứu nhằm cải thiện và tái (huyện Châu Thành, tỉnh Tây Ninh).
sử dụng chất thải cũng đang là hướng triển Chúng được cắt nhỏ thành từng mảnh,
vọng với phế phẩm – chất thải của ngành được nghiền và sàng lọc thông qua một bộ
này là nguyên liệu trong các khác và mang lọc 0.154mm. Sau đó được tách riêng ở
lại giá trị gia tăng. Xu hướng này sẽ làm nhiệt độ phòng và lưu trữ trong các hộp
giảm lãng phí tài nguyên và cải thiện lợi xốp để sử dụng tiếp.
ích kinh tế, về khía cạnh nông nghiệp, việc Tất cả môi trường nuôi cấy (môi trường
sử dụng chất thải vỏ sắn làm phân hữu cơ Gauses, Vinogradski, Czapek - dox và
sẽ rất tốt trong khi giá phân bón hóa học Carboxyl Methyl Cellulose (CMC)) được
đang tăng lên. Một số nghiên cứu cho thấy pha theo đặc điểm kỹ thuật của nhà sản
chất hữu cơ từ những loại phân bón tạo từ xuất, đồng nhất và sau đó được khử trùng
chất thải nông nghiệp có thể được sử dụng bằng cách hấp tiệt trùng ở 121oC trong 15
để tăng cường độ phì nhiêu của đất, cải phút. Streptomycin (0,1%) và Penicillin
thiện chi phí cho các chất dinh dưỡng thứ (0,1%) được thêm vào môi trường Czapek
cấp và vi lượng cần thiết để đạt sản lượng - dox để ngăn ngừa nhiễm khuẩn.
tốt mà ít gây ô nhiễm môi trường. Do đó, Tiến trình thực hiện đề tài được trình bày
đã được chứng minh là tăng đáng kể trong trong hình sau:
ứng dụng năng suất trên cây lúa.
40
- Chuyên san Phát triển Khoa học và Công nghệ số 4 (3), 2018
Hình 1. Khái quát tiến trình thực hiện đề tài
Phân lập và định danh vi sinh vật khô trong lò ở nhiệt độ 103 - 105oC trong
Các chủng vi sinh vật được phân lập từ 1 giờ, 1 giờ trong nắp chiết và sau đó cân
chất thải vỏ sắn trên môi trường nuôi cấy để xác định lượng vỏ sắn sau khi phân huỷ
Gauses, Vinogradski, Czapek - dox đối sinh học. Các thí nghiệm được đánh giá
với xạ khuẩn, vi khuẩn, nấm. Sau khi phân dựa trên chu kỳ 7 ngày/lần và lặp lại 3 lần
lập và lựa chọn, chúng tôi xác định bốn (10 x 3 = 30 erlen trong một tuần, 120
chủng vi sinh vật có hoạt động tốt nhất để erlen trong tổng số 4 tuần).
thực hiện trong nghiên cứu này. Việc định Phương pháp đánh giá enzyme cellulase
danh được thực hiện tại phòng thí nghiệm Đánh giá định tính bằng cách thay đổi màu
Nam Khoa bằng cách sử dụng PCR (16S sắc khi thêm thuốc thử lugol (có chứa iốt).
rRNA và 28S rRNA) sau đó sử dụng Các chủng phân hủy sinh học của CMC
BLAST SEARCH để tìm kiếm cơ sở dữ được so sánh dựa trên phạm vi có đường
liệu và xác định các loài tương đồng cao kính vòng phân giải trên môi trường CMC.
với kết quả chuỗi của chúng. Hàm lượng đường khử để tính hoạt lực
Đánh giá khả năng phân hủy sinh học enzyme được xác định bằng phương pháp
của cơ chất vỏ sắn đo màu Dinitrosalicylic Acid (DNS) của
Đánh giá khả năng phân hủy sinh học Miller (1959). Một hỗn hợp phản ứng bao
được tiến hành bằng cách cân 1g vỏ sắn gồm 0,2ml dung dịch enzym thô đã được
nghiền nát và thêm 150 ml môi trường thêm vào 1,8ml 0,5% CMC trong đệm
tăng sinh lỏng tương ứng trong bình 250 phosphat natri 50mM (pH = 7). Hỗn hợp
ml, ủ ở 28 ± 2°C trong vòng 28 ngày. Mỗi này được ủ ở 370C trong bồn ngâm nước
bình trước khi bổ sung dịch sinh khối được trong 30 phút. Phản ứng được kết thúc
khử trùng ở 121oC trong 15 phút, sau đó bằng cách thêm 3ml thuốc thử DNS. Hỗn
để nguội và thêm 0,1µl sinh khối lỏng của hợp được đun sôi trong 5 phút và mật độ
các cặp vi sinh vật (mỗi bình 2 dòng), bên quang của mẫu được đo ở 575nm so với
cạnh đó, bình kiểm tra đã được thực hiện mẫu trắng chứa tất cả các thuốc thử trừ đi
nhưng bổ sung vật liệu không có vi sinh enzyme thô. Quá trình nuôi cấy các vi sinh
vật. Đánh giá khả năng phân hủy sinh học vật tạo ra các enzym cellulase giúp đẩy
bằng cách lọc bùn (vỏ sắn) và sau đó sấy
41
- Chuyên san Phát triển Khoa học và Công nghệ số 4 (3), 2018
nhanh quá trình phân hủy cellulose thành (CMC). Quá trình thử nghiệm cho thấy
D-glucose. các chủng sinh ra enzyme cellulase là
enzyme chính, có hoạt lực tốt hơn các loại
KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN enzym khác. Theo đó, chúng được định
Hoạt tính các vi sinh vật được lựa chọn danh vi khuẩn có tên là Corynebacterium
41 chủng vi sinh vật có khả năng phân hủy Alkanolyticum (C); Bacillus
cellulose được phân lập từ các mẫu vỏ sắn amyloliquefaciens (B) và nấm có tên
thải. Bốn chủng vi sinh vật được lựa chọn Aspergillus niger (N), Aspergillus
thông qua quá trình đánh giá hoạt tính fumigatus (F).
phân giải bằng phương pháp định tính trên Bảng 1 cho thấy thứ tự của cellulosase là
môi trường nuôi cấy với nguồn cacbon F>C>B>N.
chính là Carboxyl Methyl Cellulose
Bảng 1. Thử nghiệm hoạt tính enzyme cellulase, amylase và protease (IU/ml)
Vi sinh vật Cellulase Amylase Protease
Aspergillus fumigatus (F) 33.92 2.75 3.1
Aspergillus niger (N) 29.93 1.16 2.95
Bacillus amyloliquefaciens (B) 35.49 3.39 2.33
Corynebacterium Alkanolyticum (C) 35.82 2.22 1.07
Bốn chủng vi sinh vật được lựa chọn thông (sau 21 ngày), nồng độ glucose trong hầu
qua quá trình đánh giá được kích hoạt hết các mẫu đều đạt mức cao nhất sau đó
bằng phương pháp định tính để giải quyết giảm. Kết quả chỉ ra rằng 21 ngày (khoảng
trên môi trường nuôi cấy với nguồn 3 tuần) có thể là thời gian tốt nhất cho quá
cacbon là Carboxyl Methyl Cellulose trình phân hủy. Bacillus có vẻ thích pH
(CMC). Quá trình thử nghiệm cho thấy thấp khoảng 4 khi nấm ưa thích pH trung
enzyme cellulase sinh sản tốt hơn các tính thay đổi từ 7 đến 8.
enzym khác. Strain B Bacillus amyloliquefaciens đạt
Theo các nghiên cứu khác ở Việt Nam, được lượng đường khử D-Glucose cao
hoạt tính enzyme của nấm là 30,19 IU/ml nhất; 9,32 ± 0,05 mg/ml. Với các mẫu kết
và vi khuẩn là 31,31 IU/ml. Trong một số hợp, mẫu BF, sự kết hợp của Bacillus
tài liệu nước ngoài, con số vi khuẩn là amyloliquefaciens và Aspergillus
39,50 IU/ml/phút và nấm là 40,05 fumigatus tạo ra lượng glucose cao nhất
IU/ml/phút. Như vậy, kết quả nghiên cứu lên đến 19,29 ± 0,05 mg/ml. Ngoài ra còn
từ vỏ sắn phân lập khá cao so với các có hai sự kết hợp tốt giữa vi sinh vật, CN,
nghiên cứu khác. CF với nồng độ glucose đạt 17,36 ±
Đánh giá sự thay đổi pH và glucose 0,0mg/ml và 14,80 mg/ml, tương ứng.
Hình 2 cho thấy giá trị pH giảm khi nồng Qua đó người ta thấy rằng sự kết hợp của
độ giảm đường tăng phù hợp với nghiên vi sinh vật có thể cải thiện hiệu quả của
cứu của Michael et. al. Vào tuần thứ ba việc phân hủy sinh học vỏ sắn.
42
- Chuyên san Phát triển Khoa học và Công nghệ số 4 (3), 2018
Hình 2. Xu hướng nồng độ pH và D-Glucose trong 28 ngày của các chủng vi sinh thử
nghiệm (A – Kết quả chủng độc lập, B – Kết quả các chủng kết hợp)
B = Bacillus amyloliquefaciens, C = Corynebacterium Alkanolyticum, F = Aspergillus
fumigatus, N = Aspergillus niger, BC = Bacillus and Coryne, BF = Bacillus and
Fumigatus, CF = Coryne and Fumigatus, BN = Bacillus and Niger, CN = Coryne and
Niger, NF = Fungi Combination
Đánh giá khả năng phân hủy sinh học được có độ phân hủy ít nhất do với mức
vỏ sắn thải của các vi sinh vật được chọn giảm khối lượng vỏ sắn khoảng 31,6%
Để đánh giá hiệu quả phân hủy sinh học vỏ (trọng lượng vỏ sắn còn lại là 0,68 ± 0,05g)
sắn của vi sinh vật được lựa chọn, nghiên sau chu trình thí nghiệm. Sự phân hủy sinh
cứu đã nghiên cứu khối lượng vỏ sắn giảm học của Corynebacterium là 49,6% (0,5 ±
sau thí nghiệm 4 tuần (28 ngày). Lượng 0,04g) và Niger khoảng 34% (0,66 ±
giảm sinh khối được tính toán dựa trên sự 0,07g). Các loài vi khuẩn được sử dụng
khác biệt trọng lượng khô kiệt của vỏ sắn trong nghiên cứu này đã có thể ứng dụng
thử nghiệm trước và sau 4 tuần thí nghiệm. trên phân hủy sinh học vỏ sắn. Tuy nhiên,
Hình 3 cho thấy sự suy giảm trọng lượng chúng thường không hiệu quả như các loài
vỏ sắn mỗi tuần. Kết quả cho thấy sự phân vi nấm vì sợi nấm có khả năng thâm nhập
hủy sinh học của A.Fumigatus là tốt nhất vào chất nền để hấp thụ chất dinh dưỡng
với khối lượng sắn có thể giảm khoảng trong khi vi khuẩn thường chỉ phát triển
52% (lúc bắt đầu thí nghiệm, trọng lượng trên bề mặt của chất thải. Điều này phù
là 1g và sau 4 tuần trọng lượng còn lại là hợp với kết quả nghiên cứu của Nigam và
0,48 ± 0,06g) và Bacillus là loại vi sinh vật Singh.
Hình 3. Sự suy giảm khối lượng sắn vỏ sắn trong quá trình thí nghiệm
(A - Kết quả của các chủng độc lập, B - Kết quả của các chủng kết hợp)
43
- Chuyên san Phát triển Khoa học và Công nghệ số 4 (3), 2018
Kết quả của sự kết hợp của các chủng vi lập từ vỏ sắn có khả năng tiết enzyme
sinh vật được lựa chọn để phân hủy sinh celulase đã chọn lọc được 4 chủng mạnh
học chất thải vỏ sắn là rất triển vọng. Sự nhất và cho thử nghiệm đánh giá khả năng
kết hợp của hai chủng B và F cho kết quả phân hủy sinh học vỏ sắn thông qua kết
phân hủy tốt nhất mà trọng lượng vỏ sắn hợp chủng. Kết quả thực nghiệm cho thấy
giảm xuống xấp xỉ 62% (phần còn lại của nhìn chung các chủng kết hợp hoạt động
vỏ sắn nặng khoảng 0,37 ± 0,05g). Sự phân tốt hơn nhiều chủng đơn, kết hợp 2 chủng
hủy sinh học của BC, CF và CN cũng ở nấm sẽ ức chế lẫn nhau và do đó có hiệu
mức tương đối tốt, tương ứng là 55%, 57% quả thấp hơn so với kết hợp vi khuẩn với
và 54%. Nhìn chung có thể thấy, khả năng nấm (khoảng 30%). Bốn cặp cung cấp tỷ
phân hủy của các tổ hợp hầu hết đều nâng lệ phân hủy sắn tốt hơn là BF, BC, CN, CF
cao hơn khi sử dụng đơn chủng. Tuy với tỷ lệ phân hủy sinh học là 62%, 55%,
nhiên, một số kết hợp có sự phân hủy tệ 57%, 54% và lượng đường khử D-Glucose
hơn so với đơn chủng như hiệu quả phân tạo ra lần lượt là 19,29; 13,57; 17,36;
hủy sinh học của BN và NF chỉ đạt xấp xỉ 14,80 mg/ml. Đây sẽ là tiền đề cho các
30% trọng lượng vỏ sắn. Điều này có thể nghiên cứu tiếp theo như kiểm tra sự phân
giải thích vì vi sinh vật có thể bị ức chế bởi hủy vỏ sắn trong điều kiện nuôi cấy lắc và
độc tố nấm và giảm sự hoạt lực, từ đó khả kiểm tra ảnh hưởng của nhiệt độ môi
năng phân hủy vỏ sắn giảm đi. Abarca đã trường xung quanh, và cuối cùng thiết lập
chứng minh Niger đã được báo cáo để sản mô hình cho vỏ sắn phân hủy hiếu khí với
xuất độc tố mạnh có tên là ochratoxin. Do mục tiêu cuối cùng là tái sử dụng vỏ sắn
đó, vi sinh vật có thể bị ức chế sự phân hủy làm phân bón hữu cơ thời gian ngắn nhất
sinh học chất thải vỏ sắn. có thể. Mặc dù nghiên cứu vẫn đang trải
qua các giai đoạn khác nhau, nhưng tiềm
KẾT LUẬN năng lợi ích của nó đối với nền kinh tế và
Trong số 41 chủng vi sinh vật được phân môi trường là rất hứa hẹn.
TÀI LIỆU THAM KHẢO
AGROMONITOR (2015). Annual Report of Cassava starch industry in 2014 and
prospects for 2015. Ha Noi. (Vietnamese Version).
A. DUBEY AND D. K. DUBEY. Evaluation of cost effective organic fertilizers.
Working paper, Research & development, Kilpest India Ltd. 2010, Orgprints
N.17043.
SVETLANA BALESEVIC-TUBIC, VOJIN ĐUKIC, JELENA MARINKOVIC,
GORDANA DOZET, DOCENT KRISTINA PETROVIC AND MLADEN
TATIC. Importance of microbiological fertilizer used in soybean production:
Agronomical and biological aspects. African Journal of Microbiology Research
Vol. 5 (27) 2011, pp. 4909-4916.
ARANSIOLA MICHAEL N. Fagade Obasola E. Studies on the Biodegradation of
Cassava peel (Manihot Esculenta) and Rice Straw (Oryza Sativa) by Some
Selected Microorganisms. International Journal of Plant Science and Ecology, Vol.
1, No. 4, 2015, pp. 124-130.
SCHWARZ, W.H. The cellulosome and cellulose degradation by anaerobic bacteria.
App1. Microbiol. Biotechnol. 56 (2001), 634-649.
NGUYEN DUC LUONG, PHAN THI HUYEN, NGUYEN ANH TUYET (2011).
Microbiology Experiment. Publisher National University HCMC, Ho Chi Minh
City. (Vietnamese Version).
44
nguon tai.lieu . vn
