Tên đề tài: “PHÂN LẬP, TUYỂN CHỌN VÀ ỨNG DỤNG VI KHUẨN PHÂN GIẢI KERATIN TRONG CHĂN NUÔI” .

 Tác giả: Quách Thị Thanh Tâm, Khóa 2012 đợt 2.

 Chuyên ngành: Vi sinh vật học;  Mã số: 62420107. Nhóm ngành: Khoa học sự sống

 Người hướng dẫn chính: TS. Bùi Thị Minh Diệu, Trường Đại học Cần Thơ.

 Người hướng dẫn phụ: PGS.TS. Nguyễn Nhựt Xuân Dung, Trường Đại học Cần Thơ.

 Thời gian bảo vệ: 8 giờ 00, thứ tư ngày 29 tháng 11 năm 2017.

 Địa điểm bảo vệ: Phòng Bảo vệ luận án tiến sĩ (Phòng họp 3, lầu 2, Nhà điều hành), Khu II – Trường Đại học Cần Thơ

1. Tóm tắt nội dung luận án

Luận án bao gồm 4 nội dung với 12 thí nghiệm nhằm phân lập, tuyển chọn, định danh và khảo sát các điều kiện nuôi cấy phù hợp của hai chủng vi khuẩn có khả năng phân hủy chất thải lông gia súc gia cầm hiệu quả cao, từ đó ứng dụng để ủ lông gia cầm với chủng vi khuẩn được tuyển chọn thành bột lông sinh học dùng nuôi gà thả vườn.

Tổng cộng có 429 chủng vi khuẩn hiếu khí bản địa phân hủy chất thải lông được phân lập. Cụ thể, 115 chủng vi khuẩn phân giải keratin được phân lập trên môi trường với bột lông gia cầm được dùng như nguồn carbon và nitơ duy nhất từ 42 mẫu (đất, nước và lông gia cầm) thu ở các cơ sở giết mổ gia cầm thuộc thành phố Cần Thơ, Vĩnh Long và Đồng Tháp; 225 chủng vi khuẩn cũng được phân lập từ 126 mẫu (đất, nước và lông heo) ở các cơ sở giết mổ gia súc. Đặc biệt 89 chủng vi khuẩn chịu nhiệt hiếu khí có khả năng phân hủy lông gia cầm cũng được phân lập từ 23 mẫu đất và 7 mẫu nước thu tại cơ sở giết mổ và trại chăn nuôi gia cầm ở Vĩnh Long và Đồng Tháp. Các chủng vi khuẩn phân lập được đều thể hiện hoạt tính keratinase trên cơ chất azokeratin.

Kết quả phân tích khả năng phân hủy bột lông cho thấy 115 chủng vi khuẩn phân hủy bột lông gia cầm đã làm giảm khối lượng bột lông gia cầm từ 20,87% đến 84,31% sau một tuần lắc ủ ở 37^oC; 225 chủng vi khuẩn phân hủy lông heo đã làm giảm khối lượng bột lông heo từ 6,27% đến 63,38% và 89 chủng vi khuẩn chịu nhiệt cũng làm giảm khối lượng bột lông gia cầm từ 7,54% đến 66,66%. Trong 429 chủng vi khuẩn này, 26 chủng vi khuẩn có khả năng phân hủy lông gia súc, gia cầm hiệu quả nhất được tuyển chọn và định danh theo hệ thống phân loại Bergey kết hợp với giải trình tự đoạn gen 16S rRNA. Cây phát sinh loài được vẽ từ các trình tự đoạn gen 16S rRNA của 26 chủng vi khuẩn được tuyển chọn đã thể hiện mối liên hệ di truyền giữa chúng. Ngoài ra, kết quả còn cho thấy phần lớn vi khuẩn được tuyển chọn thuộc lớp Bacilli (73,08%), các chủng vi khuẩn còn lại thuộc lớp Betaproteobacteria (3,85%), lớp Flavobacteria (7,69%) và lớp Gammaproteobacteria (15,38%).

Chủng vi khuẩn Bacillus megaterium K79 phân hủy lông gia cầm tốt nhất và chủng vi khuẩn Brevibacillus parabrevisKr110 phân hủy lông gia súc tốt nhất được tuyển chọn để tiếp tục nghiên cứu về môi trường nuôi cấy. Kết quả nghiên cứu cho thấy khả năng phân hủy bột lông gia cầm của Bacillus megaterium K79 và khả năng phân hủy bột lông heo của Brevibacillus parabrevis Kr110 cùng đạt hiệu quả cao nhất trong môi trường nuôi cấy có nhiệt độ 35^oC và pH8 với nồng độ dịch vi khuẩn đưa vào 10% và chỉ có bột lông là nguồn dinh dưỡng chứa carbon và nitơ. Thời gian nuôi ủ sợi lông gia cầm nguyên với Bacillus megaterium K79 trong 10 tuần cho kết quả phân hủy là 100% trong khi thời gian nuôi ủ sợi lông heo nguyên với Brevibacillus parabrevis Kr110 trong 10 tuần cho hiệu suất phân hủy là 38,5%.

Trong thí nghiệm nuôi gà, chủng vi khuẩn Bacillus megaterium K79 được ứng dụng để ủ lông gia cầm trong 10 tuần đã tạo được bột lông sinh học đạt mức an toàn vi sinh và được dùng như nguồn thực liệu cung cấp đạm trong khẩu phần với mức 2%, 5%, 8% dùng nuôi dưỡng gà ta Gò công thả vườn thành công. Với mức bổ sung 5% bột lông sinh học vào khẩu phần đã giúp gà sinh trưởng tốt, tỷ lệ nuôi sống cao (100%) với các chỉ tiêu sinh trưởng và các chỉ tiêu thân thịt đạt tương đương với nghiệm thức đối chứng.

 Tóm lại, vi khuẩn phân giải keratin bản địa trong nghiên cứu này có tiềm năng ứng dụng thực tế nhờ đáp ứng tốt 3 yêu cầu quan trọng: giúp xử lý nguồn ô nhiễm môi trường từ phế phẩm lông gia súc, gia cầm; giúp tái chế biến nguồn phế phẩm này thành thức ăn bổ sung protein cho động vật chăn nuôi với giá trị dinh dưỡng và khả năng tiêu hóa cao; tạo môi trường thân thiện.

2. Những đóng góp mới của đề tài

Là nghiên cứu đầu tiên ở ĐBSCL có tính hệ thống về vi khuẩn phân giải keratin chất thải lông gia súc gia cầm, bao gồm các khâu phân lập, tuyển chọn, định danh, đánh giá khả năng phân giải keratin, khảo sát điều kiện nuôi cấy tối ưu và ứng dụng vào chăn nuôi gà thịt thả vườn.

Quá trình phân lập dựa vào cơ chế trao đổi chất đặc biệt trong quá trình tăng trưởng và phát triển của vi khuẩn phân giải keratin chất thải lông, cấy chuyền để sàng lọc và tuyển chọn ban đầu nguồn vi khuẩn mong muốn, là phương pháp mới để phân lập vi khuẩn phân giải keratin. Sự kết hợp các phương pháp xác định hoạt tính keratinase, xác định khả năng phân giải keratin là phương pháp tin cậy để tuyển chọn nguồn vi khuẩn bản địa phân giải tốt keratin chất thải lông. Thông qua phương pháp này kết hợp phương pháp định danh truyền thống Bergey và phương pháp sinh học phân tử, đã phân lập, tuyển chọn và định danh được 26/429 chủng vi khuẩn bản địa có khả năng phân giải keratin mạnh làm cơ sở cho việc chọn lọc các chủng vi khuẩn có hiệu suất phân hủy mạnh chất thải lông gia súc gia cầm để ứng dụng xử lý chất thải lông từ các cơ sở giết mổ gia súc gia cầm.

Góp phần làm phong phú và bổ sung mới bộ sưu tập vi khuẩn có khả năng phân giải keratin mạnh vào bộ giống Vi sinh vật hữu ích của Viện Nghiên cứu và Phát triển CNSH để phục vụ sản xuất.

 Xác định các môi trường nuôi cấy thích hợp cho các chủng vi khuẩn Bacillus megaterium K79 và Brevibacillus parabrevis Kr110 bản địa có khả năng phân hủy chất thải lông mạnh ở vùng ĐBSCL.

Bước đầu xây dựng các thông số phù hợp cho quy trình ứng dụng đối với chủng Bacillus megaterium K79 có khả năng phân hủy lông gia cầm mạnh giúp xử lý và tận dụng phế phẩm lông gia cầm thành thức ăn bổ sung protein cho vật nuôi ở dạng bột lông sinh học an toàn vi sinh với giá trị dinh dưỡng và khả năng tiêu hóa cao và đáp ứng được yêu cầu thân thiện với môi trường tốt hơn so với bột lông Meko (sản phẩm thương mại). 

Ngoài ra, các thông tin về phương pháp phân lập, kết quả khảo sát và tiềm năng ứng dụng của tập đoàn vi khuẩn phân giải keratin mạnh có thể bổ sung vào các giáo trình và phục vụ giảng dạy cho chuyên ngành vi sinh vật và công nghệ sinh học.

3. Ý nghĩa thực tiễn và nghiên cứu xa hơn

Ý nghĩa thực tiễn

Luận án cung cấp thông tin hữu ích liên quan đến việc quản lý môi trường chất thải lông gia súc gia cầm hiệu quả.

Luận án còn cung cấp những thông tin khoa học về các chủng vi khuẩn bản địa có khả năng phân giải tốt keratin cũng như các điều kiện nuôi cấy thích hợp của một số chủng vi khuẩn bản địa có khả năng phân giải keratin, quy trình tạo bột lông sinh học từ lông gia cầm ủ với chủng Bacillus megaterium K79 bản địa, thành phần dinh dưỡng của bột lông sinh học được tạo từ lông gia cầm ủ với chủng Bacillus megaterium K79 bản địa và chỉ tiêu sinh trưởng cũng như chỉ tiêu thân thịt trong chăn nuôi gà thả vườn với bột lông sinh học này.

Đặc biệt, những kết quả nghiên cứu đóng góp phần nào nền tảng khoa học trong việc áp dụng công nghệ cao để sản xuất bột lông sinh học được sử dụng làm thức ăn bổ sung đạm cho vật nuôi và cá hoặc làm phân bón sinh học cho cây trồng trong tương lai. Việc làm này ít nhiều đã đóng góp vào việc xử lý hữu ích nguồn chất thải lông gây ô nhiễm trong chăn nuôi và các cơ sở giết mổ tạo môi trường thân thiện.

Ứng dụng kết quả nghiên cứu sẽ góp phần đưa ngành chăn nuôi vào một quy trình sản xuất bền vững theo chu trình kín.

Nghiên cứu xa hơn

Có thể thử nghiệm cải thiện quy trình để sử dụng các chủng vi khuẩn bản địa phân hủy lông gia súc gia cầm mạnh trong sản xuất thức ăn bổ sung đạm cho vật nuôi, cá cũng như phân bón sinh học cho cây trồng ở quy mô lớn.

Các chủng vi khuẩn được tuyển chọn cũng là những ứng cử viên tiềm năng cho sản xuất chất tẩy rửa sinh học và các sản phẩm sinh học cho ngành thuộc da trong tương lai.

Một số chủng vi khuẩn bản địa có khả năng sản xuất keratinase tốt được thử nghiệm để ứng dụng cho ngành công nghiệp dệt và những sản phẩm chăm sóc vệ sinh cá nhân theo hướng an toàn sinh học.

1. Thesis summary

This dissertation was carried out on 4 contents with 12 experiments to isolate, screen, identify and survey the suitable culture conditions of two selected keratinolytic bacteria isolates that showing the most effective capacity in feather and pig hair degradation and apply one of them for production biological feather meal as feed additive for raising backyard chicken.

A total of 429 indigenous aerobic keratinolytic bacteria strains were isolated. Specifically, 115 keratinolytic bacterial strains were isolated on agar medium with feather powder used as the sole carbon and nitrogen source from 42 samples (soil, waste water and poultry feather) collecting from the poultry processing plants in Vinh Long, Dong Thap and Can Tho city. Similiarly, 225 keratinolytic bacterial strains were also isolated from 126 samples (soil, waste water and pig hair) collecting from the pig slaughterhouse. Especially 89 thermophilic keratinolytic strains were isolated from 23 samples of soil, 7 waste water samples collecting from the poultry processing plants and farm in Vinh Long and Dong Thap. All the isolated bacteria showed keratinase activity on azokeratin.

Results of feather degrading capacity analysis showing 115 strains isolated on feather power media reduced the feather powder from 20,87% to 84,31% after shaking incubation for a week at 37°C; 225 pig hair strains revealed decomposed capacity from 6,27% to 63,38% in pig hair powder decomposition; and 89 thermophilic strains also reduced  feather powder in rating from 7.54% to 66.66 %. Among these 429 keratinolytic bacteria strains, 26 isolates having the most effective degrading capacity were chosen and identified building on Bergey’s manual combining 16S rRNA gene sequencing. Phylogenetic tree deducing from the 16S rRNA partial gene sequences of 26 selected strains showed a genetic link between them. In addition, the identification results noticed that most belonged to Bacilli class (73.08%) and the rest strains as members of Betaproteobacteria, Gammaproteobacteria and Flavobacteria class.

Bacillus megaterium K79, the best strain in decomposing feather and Brevibacillus parabrevis Kr110 as the best for decaying pig hair were chosen to study their suitable culture conditions. Results showed that the most effective feather degradation of Bacillus megaterium K79 as well as the best pig hair decomposition of Brevibacillus parabrevisKr110 were at 35°C and pH8 in the medium inoculating with 10% , using feather or pig hair as the sole nitrogen and carbon source at 35°C and pH8. Within 10 weeks, The intact feather incubated with Bacillus megaterium K79 was decayed 100% while Brevibacillus parabrevis Kr110 degraded 38.5% intact pig hair.

In the chicken raising experiment, biological feather powder produced by incubating feathers with Bacillus megateriumK79 for 10 weeks demonstrated that this product was a microbiological safety product. This product was successfully used as an alternative supplemental protein with 2%, 5% and 8%  in the diet for rasing backyard Ga ta Go Cong. Among these diet, rate 5% showed as the best rate that the broilers got good growth with high survival rate (100%) and good carcass ratio comparing to the control treatment.

 In short, the indigenous keratinolytic bacterial strains from this study showed high applicable potentiality by meeting to three important requirements: supporting for pollution treatment of feather and cattle hair; reprocessing this waste as nutritious feed additive with high digestible ability for domestic animals and making friendly environment.

2. Research creativeness

This is the first study in the Mekong Delta that has a systematic character about bacteria decomposing keratin of animal hair waste, including the isolation, selection, identification, evaluation ability of keratin decomposition, survey optimal culture and application for broiler chickens.

The isolation process is based on the particular metabolic mechanism in the growth and development of the keratinolytic bacteria, the transplants for screening and the initial selection of the desired source of bacteria, this is the new method to isolate keratinolytic bacteria. A combination of methods such as determination keratinase activity, determination the keratinolytic ability is the reliable method for screening good indigenous bacteria for decomposing keratin. Through this method, combining the traditional Bergey Identification and Molecular Biology methods, 26/429 indigenous bacteria with good keratinolytic ability have been screened and identified as the source for the bacterial selection of decomposing feather waste to apply in the treatment of the hair waste from livestock slaughterhouses.

Contribution to the enrichment and addition a new collection of good keratinolytic bacteria into the sets of microorganisms of the Institute of Research and Development Biotechnology for serving production.

Determining the suitable culturing media for Bacillus megaterium K79 and Brevibacillus parabrevis Kr110 which have feather decomposing ability in the Mekong Delta.

Initial establishment of suitable parameters for the application process of Bacillus megaterium K79 having the good ability for decomposing feather to help treating and utilizing feather waste as protein supplements for animals in the form of bio-safe feather meal with high nutritive value, digestibility and meeting the requirement of being friendly environment than Meko’s feather meal (commercial product).

In addition, the information about isolation methods, survey results and applicable potentiality of the good keratinolytic bacteria may be added to curricula and teaching services for microbiology and biotechnology.

3. Practical implications and further research

Practical implications:

The dissertation provides useful information relating to the effective management of the environment of feather waste and cattle hair.

The dissertation also provides scientific information on the indigenous bacterial isolates which have good keratinolytic capacity as well as the suitable conditions of culture medium of some good keratinolytic indigenous bacteria, the process of biological feather meal which was prepared from poultry feathers incubated with Bacillus megaterium K79 and growth targets as well as carcass targets in backyard broiler fed with biological feather meal.  

Particularly, the study’s results were scientific basis in applying high technology to produce biological feather meal which can be used as feed additive for domestic animal and fish or biological fertilizer for plants in the future. This work had contributed to both the useful treatment of contaminated feather waste and cattle hair in livestock, slaughters and making the friendly environment.

The research product prospectively transform animal husbandry sector into a sustainable closed ecosytem.

Further research:

Testing can improve the process of using indigenous keratinolytic strains in the production of protein and animal feed as well as biological fertilizers for plants in the large scale.

The selected strains will also be the potential candidates for production of bio-detergent and bio-products for leather industry in future.

Some indigenous strains having producing ability of high keratinase must be tested for applications of the textile industry and biosafety care products in the biosafety.

>> Xem chi tiết nội dung luận án

>> Xem thông tin đăng tải tại Website Bộ giáo dục và Đào tạo.