Chế phẩm vi sinh và ô sinh học phân hủy glyphosate
Đề tài nêu trên với mục tiêu chính là tạo chế phẩm vi sinh có khả năng phân hủy glyphosate từ dòng nước chảy của đất vườn, được Sở Khoa học và Công nghệ TP.HCM nghiệm thu tháng 5/2018.
Theo TS. Lương Bảo Uyên (chủ nhiệm đề tài), glyphosate là thuốc diệt cỏ lưu dẫn có phổ tác động rộng, diệt cỏ hậu nảy mầm, diệt được hầu hết các loại cỏ đa niên và cỏ hàng niên. Đặc biệt, thuốc có hiệu quả cao và kéo dài đối với một số loại cỏ khó trừ như cỏ tranh, cỏ mắc cỡ, lau sậy, cỏ ống.
Mặc dù glyphosate đã được sự chấp thuận của cơ quan quản lý trên toàn thế giới, nhưng lo ngại về ảnh hưởng của chúng đối với con người và môi trường vẫn tồn tại. Dư lượng glyphosate trong môi trường sẽ gây tác động tiêu cực đến các sinh vật không phải mục tiêu, tích lũy trong thực vật, tạo ra nhiều thực vật kháng glyphosate không mong muốn, ảnh hưởng đến chất lượng nước và chức năng của hệ sinh thái,...
Gần đây, vi khuẩn và nấm là các chủng vi sinh vật được tập trung nghiên cứu nhiều nhằm phân hủy chất trừ cỏ, trong đó, có các loài nấm mùn trắng được nhiều chú ý. Hệ enzyme phân hủy lignin của nấm mùn trắng gồm có lignin peroxidase (LiP), manganese peroxidase (MnP) và laccase (Lac). Với ưu điểm là có phổ cơ chất khá rộng, hệ enzyme này được ứng dụng để xử lý nhiều chất ô nhiễm hữu cơ như PAH, các hợp chất chlorinated, thuốc nhuộm, thuốc bảo vệ thực vật, trong đó có glyphosate - loại thuốc diệt cỏ được sử dụng rộng rãi hiện nay.
Mô hình ô sinh học (biobed) có nguồn gốc từ Thụy Điển, dùng để xử lý dư lượng thuốc trừ cỏ, có thể ứng dụng tại các vườn cây có sử dụng thuốc bảo vệ thực vật. Mô hình biobed cổ điển có thành phần vi sinh vật tự nhiên tại vùng đất cần “làm sạch”, được thiết kế bằng cách sử dụng một phần đất trồng trọt để xử lý tồn dư thuốc bảo vệ thực vật trong các bồn chứa dùng để phun trên vườn cây, đồng ruộng. Hiện nay, nghiên cứu ứng dụng biobed có thể tạo thành một mô hình xử lý dư lượng glyphosate ngoài đồng ruộng với thành phần gồm than bùn, đất và hỗn hợp gọi là biomixture (rơm rạ và sinh khối nấm mùn trắng). Trong biomixture, nấm mùn trắng tăng trưởng và sinh tổng hợp hệ enzyme phân hủy lignin để xử lý lượng thuốc diệt cỏ.
Với đề tài này, nhóm tác giả đã chọn chủng chịu được tối thiểu 4.000 ppm glyphosate; xác định thành phần môi trường hoạt tính Lac tối thiểu 450 U/L hoặc MnP 50 U/L; tìm điều kiện in-vitro để nấm có thể phân hủy glyphosate tốt nhất; ứng dụng mô hình ô sinh học có hoạt tính enzyme để phân hủy thuốc trừ cỏ glyphosate được lấy từ vườn cây nhiễm loại thuốc trừ cỏ này;…
Theo đó, nhóm nghiên cứu đã khảo sát khả năng sinh tổng hợp LiP, MnP và laccase của các chủng nấm Phanerochaete chrysosporium, Pleurotus sp., Trametes sp, Ganoderma lucidum. Kết quả, 2 chủng Phanerochaete chrysosporium và Pleurotus sp. đáp ứng các yêu cầu về kỹ thuật thao tác nuôi cấy, thời gian sinh trưởng, thuận lợi cho việc thực hiện các thí nghiệm trong đề tài và tính khả thi khi triển khai với quy mô lớn, ứng dụng nuôi cấy và thu dịch enzyme trong thực tế.
P. chrysosporium được nuôi cấy trong đề tài này tạo được chế phẩm có hoạt tính MnP là 64,48 U/L và có thể chịu được 9.000 ppm glyphosate trong môi trường nuôi cấy. Pleurotus sp. có thể sinh trưởng trong môi trường khoáng tạo thành chế phẩm enzyme Lac với hoạt tính 1.027U/L và khi môi trường nuôi cấy hiện diện glyphosate thì chúng có thể chịu được đến nồng độ 4.000 ppm.
Trong điều kiện in-vitro tại phòng thí nghiệm, chế phẩm MnP từ môi trường nuôi cấy P. chrysosporium được cô đặc để tăng nồng độ enzyme, thể tích giảm 5 lần. Thực hiện phân hủy glyphosate bởi MnP thu được trong điều kiện in-vitro glyphosate (0,06 mM ≈ 10ppm), đệm sodium acetate (0,1 M, pH 4,5) và MnP (0,15 UI/ml) sau 24 giờ ủ ở 35°C và 150 rpm, lượng glyphosate giảm 36,54%. Các điều kiện cho phản ứng này thuận lợi cho việc sử dụng chế phẩm enzyme MnP của P. chrysosporium ở quy mô biobed (ô sinh học) trong điều kiện khí hâu, nhiệt độ (khoảng 35oC) ở miền Nam Việt Nam.
Ở mô hình có thể tích 30x15x20 cm3, khi triển khai thử nghiệm nuôi cấy Pleurotus sp. trong môi trường rắn với cơ chất là mạt dừa, tổng lượng glyphosate ban đầu khi đưa vào biobed là 49,95 mg, lượng glyphosate thải ra môi trường khi thu dịch lần một là 13,97 mg (giảm 72,03%) và giảm 92,13% trong dịch thu lần hai.
Ở mô hình có thể tích 30x15x20 cm3, sử dụng môi trường chứa mạt dừa, trấu và đất sét nung nuôi cấy P. chrysoporium đưa vào hệ thống biobed, so với lượng glyphosate đưa vào hệ thống ban đầu thì dịch thu lần một có lượng glyphosate giảm lần lượt 34%, 26,96% và 30,04% (trong mô hình biobed bổ sung lượng glyphosate 10ppm, 50ppm và 100ppm). Sau 10 ngày xử lý thì lượng dịch từ hệ thống thải ra ngoài giảm 80-90% lượng glyphosate ban đầu.
Ở mô hình có thể tích 64x60x30 cm3, mô hình Biobed100-Lac chứa chế phẩm vi sinh P. chrysoporium, có bổ sung chế phẩm laccase (nồng độ glyphosate đầu vào 100mg/kg), tổng lượng glyphosate ban đầu khi đưa vào biobed là 300 mg, lượng glyphosate thải ra môi trường khi thu dịch lần một là 160,05 mg, giảm 46,65%, và giảm 90,51% trong dịch thu lần hai.
Tính khả thi cao
Theo TS. Lương Bảo Uyên, đề tài đã nghiên cứu được môi trường nuôi cấy và sinh trưởng của 2 chủng nấm Phanerochaete chrysosporium và Pleurotus sp. có khả năng sinh tổng hợp các enzyme Lac, MnP (enzyme trong hệ ligninase) để phân hủy các hợp chất hữu cơ khó phân hủy, đặc biệt là glyphosate. Chế phẩm Biomix thu được từ môi trường nuôi cấy 1 trong 2 chủng nấm nêu trên rất thích hợp để đưa vào các biobed nhằm hỗ trợ để các chủng nấm tiếp tục sinh trưởng và tổng hợp ligninase ngay trong thời gian sử dụng (tức là ngay trong thời gian xử lý glyphosate).
Bên cạnh đó, đề tài đã đưa ra mô hình ô sinh học để xử lý các tồn dư thuốc bảo vệ thực vật một cách hiệu quả, đây là một vấn đề ô nhiễm đang được nhiều nước trên thế giới quan tâm, đặc biệt là Việt Nam, nơi nông nghiệp là một lĩnh vực kinh tế quan trọng. Trên thực tế, glyphosate có khả năng thấm vào đất khá tốt, việc xử lý ngay trên nền đất vườn rất khó khăn, do đó cần có các hệ thống để dẫn nguồn nước từ các khu đất vườn nhiễm glyphosate vào hệ thống biobed chứa Biomix, nước sau xử lý khi ra khỏi biobed sẽ có hàm lượng glyphosate giảm đáng kể so với đầu vào.
Ưu điểm của mô hình biobed là vừa có khả năng xử lý môi trường tốt, vừa mang tính kinh tế (chi phí xây dựng ô sinh học không quá cao) đối với các hộ nông dân. Mô hình biobed theo đề tài chứa chủng nấm đặc trưng với hệ enzyme ligninase, có khả năng phân hủy các chất bảo vệ thực vật, đặc biệt là glyphosate. Chủng nấm Phanerochaete chrysosporium sinh trưởng tốt trong điều kiện nhiệt độ ở miền Nam Việt Nam và có khả năng sinh tổng hợp MnP trong điều kiện này. Ngoài ra, Phanerochaete chrysosporium cũng có khả năng chịu được nồng độ glyphosate hiện diện trong môi trường sinh trưởng khoảng 9.000 ppm (nồng độ cao hơn rất nhiều so với nồng độ thực tế bị nhiễm trong vườn cây) và sức sinh trưởng khá cao, lan tơ tốt. Mô hình này còn được bổ sung laccase (một enzyme trong hệ ligninase cũng có khả năng phân hủy glyphosate) để nâng cao hiệu quả xử lý.
Do vậy, đề tài rất khả thi khi ứng dụng tại các vườn cây có sử dụng thuốc bảo vệ thực vật, phù hợp điều kiện của Việt Nam, giúp cho các vùng đất trồng trọt tạo ra sản phẩm đạt chuẩn Global GAP.
Chế phẩm sinh học Biomix trong ô sinh học với thành phần là phế phụ phẩm nông nghiệp phổ biến ở Việt Nam (mạt dừa), có khả năng sử dụng trong thời gian dài (trên 1 năm). Việc sử dụng mạt dừa (nguồn vật liệu gây ô nhiễm môi trường tại Bến Tre) vừa có ý nghĩa kinh tế, vừa giúp giải quyết vấn đề ô nhiễm môi trường. Dự kiến, Biomix có thể triển khai tại các khu vườn trồng rau sạch theo chuẩn Global GAP hoặc các cơ sở xử lý các chất thải bao bì nhựa chứa thuốc bảo vệ thực vật.
Ngoài ra, theo quy định của Bộ Nông nghiệp và Phát triển nông thôn, glyphosate sẽ được loại bỏ khỏi danh mục thuốc bảo vệ thực vật được phép sử dụng tại Việt Nam. Khi đó, Biomix (với việc chứa các enzyme laccase và MnP có phổ cơ chất rộng) vẫn có thể triển khai ứng dụng cho các loại thuốc bảo vệ thực vật khác. Tuy nhiên, để đưa vào ứng dụng rộng rãi chế phẩm và mô hình ô sinh học, cần khảo sát tình tình sử dụng thuốc trừ cỏ/thuốc bảo vệ thực vật ở một vùng nhất định; khảo sát hệ thống rãnh nước ở các khu vườn để thu nước đưa vào biobed; tiến hành thử nghiệm trên các loại thuốc bảo vệ thực vật khác.
Hiện tại, nhóm nghiên cứu đề xuất thực hiện tư vấn quy trình sản xuất chế phẩm Biomix để cung cấp cho các cơ sở đã có sẵn hệ thống xử lý đất trồng tại chỗ; tư vấn việc cải thiện chất lượng đất (nếu có nhiễm thuốc bảo vệ thực vật) cho các cơ sở trồng rau sạch theo Global GAP.
Vân Nguyễn (CESTI)