Tên đề tài: “Đánh giá sự lưu tồn và phân lập vi khuẩn có khả năng phân hủy chlorpyrifos ethyl trên ba mô hình canh tác: chuyên lúa, lúa-màu và chuyên màu ở Đồng bằng sông Cửu Long”.

 Tác giả: Trương Quốc Tất, Khóa: 2012

  Chuyên ngành: Khoa học đất; Mã số: 62620103. Nhóm ngành: Nông, lâm nghiệp và thuỷ sản.

 Người hướng dẫn chính: TS. Dương Minh Viễn - Trường Đại học Cần Thơ

 Người hướng dẫn phụ: TS. Lê Hữu Hải - Trường Đại học Tiền Giang

1. Tóm tắt nội dung luận án

Chlorpyrifos ethyl là thuốc trừ sâu nhóm lân hữu cơ, khả năng hấp phụ vào đất cao, tan trong nước thấp, có độc tính cao. Chlorpyrifos ethyl được sử dụng lâu dài trong canh tác nông nghiệp sẽ gây ô nhiễm môi trường đất, nước, ảnh hưởng đến sức khỏe cộng đồng. Sự tăng cường phân hủy sinh học chlorpyrifos ethyl lưu tồn trong đất góp phần giảm thiểu ô nhiễm hoạt chất này trong canh tác nông nghiệp. Do đó, luận án này được thực hiện với các mục tiêu: một là đánh giá dư lượng chlorpyrifos ethyl trong đất và ảnh hưởng của 3 mô hình canh tác chuyên lúa, lúa – màu, chuyên màu đến sự lưu tồn chlorpyrifos ethyl trong đất phèn và đất phù sa; hai là đánh giá sự phân hủy yếm khí chlorpyrifos ethyl bởi quần xã vi khuẩn, sự đa dạng của vi khuẩn khử -Cl trong đất phèn chuyên canh lúa; ba là tuyển chọn, phân lập vi khuẩn phân hủy chlorpyrifos ethyl và đánh giá ảnh hưởng của 3 mô hình canh tác chuyên lúa, lúa - màu và chuyên màu đến sự đa dạng của vi khuẩn hiếu khí phân hủy chlorpyrifos ethyl trong đất.

Đánh giá dư lượng chlorpyrifos ethyl trong đất phèn và đất phù sa được thực hiện qua thu mẫu đất ở độ sâu 0 - 20 cm, vào thời điểm sau khi thu hoạch, trên 3 mô hình canh tác chuyên lúa, lúa - màu và chuyên màu tại tỉnh Hậu Giang, Vĩnh Long và Tiền Giang. Kết quả nghiên cứu cho thấy dư lượng chlorpyrifos ethyl cao nhất trong đất phù sa trên mô hình lúa - màu ở vụ màu với 291 ppb và dư lượng chlorpyrifos ethyl thấp nhất trong đất phù sa chuyên lúa với 3,51 ppb.

Đánh giá ảnh hưởng của mô hình canh tác lên sự lưu tồn chlorpyrifos ethyl trong đất, các thí nghiệm được thực hiện trong điều kiện nhà lưới và điều kiện đồng ruộng. Trong điều kiện nhà lưới, thí nghiệm được thực hiện trên đất phù sa được thu từ mô hình chuyên lúa để đánh giá ảnh hưởng của sự thay đổi mô hình canh tác đến sự lưu tồn chlorpyrifos ethyl trong đất. Ở điều kiện đồng ruộng, thí nghiệm được thực hiện nhằm đánh giá sự thay đổi và không thay đổi mô hình canh tác ảnh hưởng như thế nào đến sự lưu tồn chlorpyrifos ethyl trong đất. Hàm lượng chlorpyrifos ethyl được phun theo khuyến cáo và dư lượng chlorpyrifos ethyl trong đất được xác định vào 4 thời điểm sau phun chlorpyrifos ethyl. Đánh giá dư lượng chlorpyrifos ethyl trong đất ở điều kiện đồng ruộng đã cho thấy ở mô hình canh tác thích hợp, sự phân hủy chlorpyrifos ethyl cao hơn ở đất phù sa và cao nhất trong mô hình lúa-màu. Khi thay đổi mô hình canh tác, dư lượng chlorpyrifos ethyl trong đất bị ảnh hưởng bởi mô hình canh tác. Trong đất, dư lượng chlorpyrifos ethyl cao nhất ở mô hình chuyên lúa và thấp nhất ở mô hình một vụ lúa, hai vụ màu. Bên cạnh đó, kết quả thí nghiệm trong nhà lưới cũng cho thấy mô hình canh tác cũng ảnh hưởng đến tốc độ phân hủy chlorpyrifos ethyl trong đất.

Bốn mẫu đất được lấy từ ruộng lúa ở tỉnh Hậu Giang và Tiền Giang đã được sử dụng để đánh giá sự phân hủy chlorpyrifos ethyl bởi các quần xã vi khuẩn kị khí. Thí nghiệm được thiết lập trong lọ thủy tinh 50 mL có chứa môi trường khoáng tối thiểu (30 mL), đất (10 g) và chlorpyrifos ethyl (35 ppm). Phân tích chlorpyrifos ethyl trong suốt thời gian nuôi ủ cho thấy 4 quần xã vi khuẩn từ 4 mẫu đất đều có khả năng phân hủy gần như cạn kiệt chlorpyrifos ethyl. Tốc độ phân hủy chlorpyrifos ethyl đã tăng gấp đôi sau khi mật độ vi khuẩn được nhân lên trong quá trình ủ. Tốc độ phân hủy chlorpyrifos ethyl trong thời gian 4 tháng nuôi ủ của hai quần xã vi khuẩn từ đất phù sa cao hơn so với hai quần xã vi khuẩn từ đất phèn. Tất cả bốn quần xã vi khuẩn đã phân hủy chlorpyrifos ethyl bằng cách khử -Cl trong hô hấp kị khí. Điều này cho thấy rằng các vi khuẩn trong nhóm Chloroflexi đã có mặt trong các mẫu đất.

Năm mươi ba mẫu đất từ 3 mô hình canh tác: chuyên lúa, lúa - màu và chuyên màu được dùng để phân lập vi khuẩn hiếu khí phân hủy chlorpyrifos ethyl. Trong đó, 38 mẫu đất được thu ở điều kiện đồng ruộng và 15 mẫu đất được thu ở điều kiện nhà lưới. TSA và môi trường khoáng tối thiểu có bổ sung chlorpyrifos ethyl như là nguồn carbon duy nhất được sử dụng để nuôi cấy, tuyển chọn và phân lập vi khuẩn. Kết quả nghiên cứu đã chọn được 7 quần xã vi khuẩn có khả năng phân huỷ chlorpyrifos. Trong số đó có 4 quần xã vi khuẩn đã được tuyển chọn từ 4 mẫu đất trên đồng ruộng và 3 quần xã vi khuẩn được chọn từ 3 mẫu đất ở điều kiện nhà lưới. Ngoài ra, nghiên cứu này đã phân lập và định danh được 4 dòng vi khuẩn có khả năng phân hủy chlorpyrifos ethyl trong môi trường khoáng tối thiểu và trong đất.

Tóm lại, nghiên cứu này đã cho thấy rằng có dư lượng chlorpyrifos ethyl trong đất nông nghiệp và sự hiện diện của vi khuẩn hiếu khí, kỵ khí có khả năng phân hủy chlorpyrifos ethyl trong đất canh tác nông nghiệp ở ĐBSCL. Mặt khác, nghiên cứu còn cho thấy mô hình canh tác đã ảnh hưởng đến sự lưu tồn của chlorpyrifos ethyl trong đất và cấu trúc của quần xã vi khuẩn có khả năng phân hủy chlorpyrifos ethyl. Tuy nhiên, cần có những nghiên cứu thêm về khả năng phân hủy chlorpyrifos ethyl của các quần xã và dòng vi khuẩn trong đất ở điều kiện nhà lưới và điều kiện đồng ruộng để có thể ứng dụng chúng vào quá trình xử lí ô nhiễm chlorpyrifos ethyl trong đất canh tác nông nghiệp.

2. Những điểm mới của luận án:

Nghiên cứu đã chứng minh có dư lượng chlorpyrifos ethyl trong đất phèn và đất phù sa sau mùa vụ trên 3 mô hình canh tác chuyên lúa, lúa - màu và chuyên màu ở ĐBSCL. Đồng thời loại đất (đất phù sa và đất phèn) đã ảnh hưởng đến sự lưu tồn và dư lượng chlorpyrifos ethyl trong đất.

Đây là nghiên cứu đầu tiên chứng minh được rằng có sự hiện diện của vi khuẩn hiếu khí bản địa trong đất phèn chuyên lúa và đất phù sa chuyên màu và lúa - màu ở ĐBSCL có khả năng sử dụng chlorpyrifos ethyl như là nguồn carbon. Song song đó, nghiên cứu cũng đã chứng minh được rằng có hoạt động của các cộng đồng vi khuẩn kỵ khí có khả năng khử chlor của chlorpyrifos ethyl trong đất phèn và đất phù sa chuyên canh lúa ở ĐBSCL. Đồng thời nghiên cứu cho thấy mô hình canh tác và loại đất đã ảnh hưởng đến sự hiện diện của vi khuẩn phân hủy chlorpyrifos ethyl trong đất. Cụ thể, trong đất phèn chuyên lúa có sự hiện diện của cả vi khuẩn hiếu khí và kị khí có khả năng phân hủy chlorpyrifos ethyl; trong khi đó, ở đất phù sa vi khuẩn kỵ khí hiện diện ở mô hình chuyên lúa, vi khuẩn hiếu khí hiện diện ở đất chuyên màu và lúa-màu.

3. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của luận án

Những kết quả nghiên cứu của luận án nhằm bổ sung những tư liệu khoa học về sự lưu tồn chlorpyrifos ethyl và vi khuẩn phân hủy chlorpyrifos ethyl trong đất chuyên lúa, lúa - màu và chuyên màu ở Đồng bằng sông Cửu Long; Đồng thời kết quả của nghiên cứu này là nguồn tư liệu phục vụ cho việc giảng dạy và nghiên cứu khoa học nhằm quản lý và phục hồi đất ô nhiễm chlorpyrifos ethyl.

1. Summary of the dissertation

Chlorpyrifos (o,o-diethyl-o-(3,5,6-trichloro-2-pyridyl) phosphorothioate) is an organophosphate insecticide, which is less soluble in water and can be highly adsorbed in the soil. Chlorpyrifos is highly toxic; therefore, long term use of chlorpyrifos in agriculture can result in soil and water pollution and affect severely public health. Increased biodegradation of chlorpyrifos in the soil can help to alleviate chlorpyrifos-induced pollution in cultivation. This thesis is firstly aimed to evaluate chlorpyrifos-residue in the soil and also examine effects of three cropping models, including paddy rice, rice-cash crops and cash crops to the accumulation of chlorpyrifos in alluvial soil and acid sulfate soil. Secondly, the thesis also assesses the anaerobic digestion of chlorpyrifos by bacteria community, the diversity of chlorpyrifos-degrading bacteria at sulfate soil in paddy rice. Thirdly, isolation of chlorpyrifos- aerobic degrading bacteria and assessment of the effects of the three cropping models to the diversity of chlorpyrifos- aerobic degrading bacteria in the soil is also examined in the thesis.

Evaluating the residues of chlorpyrifos in alluvial soil and acid sulfate soil was done by soil sampling at harvest time and depths 0 - 20 cm from fields of paddy rice, rice-cash crops and cash crops in Vinh Long, Tien Giang and Hau Giang provinces. The result showed that chlorpyrifos still remained in soils after crop harvest with highest at alluvial soil in rice-cash crops (291 ppb) and lowest in paddy rice (3.51 ppb).

To evaluate the effects of cropping models to the residues of chlorpyrifos in the soil, experiments were established in the field and greenhouse. In the greenhouse, alluvial soil collected from paddy rice was used to evaluate changes of cropping models, which affected the chlorpyrifos residue in the soil.  In the field, experiments were to evaluate whether changes and no changes in cropping models affected the chlorpyrifos residues in soil. Chlorpyrifos was sprayed at the recommended concentration and chlorpyrifos residues in soil were measured at 4-time points after chlorpyrifos application. Evaluating the residues of chlorpyrifos in soil from the field showed that inconsistent cropping models, the decomposition of chlorpyrifos were higher at alluvial soil and highest in rice - cash crops. When changing cropping models, the residues of chlorpyrifos in soil were affected by the cropping systems. In soil, chlorpyrifos residues remained highest in the paddy rice only model and lowest in one rice - two cash crops models. Besides, the results of experiments in the greenhouse showed that farming and cropping models also affected the decomposition rate of chlorpyrifos.

Four soil samples collected from paddy rice fields in Hau Giang and Tien Giang provinces were used to evaluate the degradation of chlorpyrifos by anaerobic bacterial communities. The experiment was set up in 50-ml-microcosms containing minimal mineral salt medium (30 mL), soils (10 g) and chlorpyrifos (35 ppm). Analysis of chlorpyrifos during incubation time showed that 4 bacteria communities from 4 soil samples are all able to anaerobically degrade chlorpyrifos. The rate of chlorpyrifos was doubled after the bacterial density was multiplied during the incubation. The percentage of chlorpyrifos degradation within 4 month-incubation of two bacteria communities from alluvial soil was higher than from the two bacteria communities from acid soil. All of the four bacteria communities degraded chlorpyrifos by reducing Choride in an anaerobic manner. Therefore, it is suggested that the Chloroflexi bacterial phylum was present in soil samples.

Fifty-three soil samples were taken from the three cropping systems includes paddy rice, rice-cash crops, and cash crops. They were used to isolate chlorpyrifos-degrading bacteria. There were 38 soil samples collected from the field and 15 soil samples collected from the greenhouse condition. TSA medium and minimal mineral salt medium added with chlorpyrifos as a sole carbon source was used to culture, select and isolate the bacteria. There were 7 chlorpyrifos degradable-bacterial communities were selected. Among them, 4 bacterial communities were selected from 4 soil samples in the field and 3 bacterial communities were selected from 3 soil samples in the greenhouse. In addition, this study isolated identified 4 chlorpyrifos-degrading bacterial strains.

In summary, this study showed that there were chlorpyrifos residues in agricultural soil, and there were aerobic and anaerobic chlorpyrifos-degrading bacteria in agricultural soil from the Mekong Delta. On the other hand, this study also demonstrated that the cropping systems affected the accumulation of chlorpyrifos in the soil and also the composition of communities of the chlorpyrifos-degrading bacteria. However, further research on the capability of these bacteria to degrade chlorpyrifos in agriculture soil from the field and the greenhouse conditions should be carried out to apply these findings to the treatment chlorpyrifos contamination in agricultural soil.

2. The significant results

This research has demonstrated the residues of chlorpyrifosl in acid sulphate soils and post-season alluvial soil on three cropping systems, including paddy rice, rice-cash crops, and cash crops. At the same time, the soil type (alluvial soil and acid sulphate soil) has influenced the retention and residues of chlorpyrifos in the soil.

This is the first study to show that the presence of aerobic bacteria of rice-cash crops and cash crops in the Mekong Delta which was able to use chlorpyrifos as a carbon source. In parallel, this study has also in acid sulphate soil of paddy rice and alluvial soil demonstrated that the activity of anaerobic bacteria communities which degraded Chlorpyrifos by reducing Choride in acid sulphate soil and alluvial soil of paddy rice in the Mekong Delta. At the same time, research has shown that the cropping models and soil type (alluvial soil and acid sulfate soil) have affected the presence of bacteria which degrade chlorpyrifos in the soil. Specifically, in acid sulphate soil of paddy rice, there was the presence of both aerobic and anaerobic bacteria which degraded chlorpyrifos in soil; Meanwhile, in alluvial soils, anaerobic bacteria presented in paddy rice models, aerobic bacteria presented in rice-cash crops and cash crops.

3. The significance of the thesis

The results of this thesis to supplement scientific data about the use, residue and chlorpyrifos-degrading bacteria in paddy rice, rice-cash crops and cash crops soil in the Mekong Delta; These results were used as resources for teaching and scientific researching in order to manage and recover soil which was polluted chlorpyrifos.

• Xem chi tiết nội dung luận án
• Xem thông tin đăng tải tại Website Bộ giáo dục và Đào tạo. (Nhập tên NCS vào ô tìm kiếm)