Chế phẩm vi sinh là gì? Các nghiên cứu khoa học liên quan

Khái niệm và định nghĩa

Chế phẩm vi sinh là hỗn hợp gồm các vi sinh vật sống (đơn loài hoặc đa loài) hoặc các sản phẩm chuyển hóa của chúng, được sản xuất và bào chế dưới dạng cố định (bột, viên nén) hoặc lỏng, dùng để bổ sung vào đất trồng, nước nuôi trồng thủy sản hoặc thức ăn chăn nuôi. Mục đích chính là cải thiện khả năng sinh trưởng của cây trồng, nâng cao sức khỏe vật nuôi và hỗ trợ xử lý chất thải, bảo vệ môi trường một cách bền vững.

Khác với phân bón hóa học chỉ bổ sung trực tiếp các chất dinh dưỡng vô cơ, chế phẩm vi sinh hoạt động qua cơ chế sinh học: cố định đạm, phân giải lân, sản xuất phytohormone, kháng sinh tự nhiên và cải thiện cấu trúc đất. Chế phẩm vi sinh cũng khác với men vi sinh thực phẩm ở chỗ không dành cho tiêu thụ trực tiếp mà ưu tiên ứng dụng trong nông – lâm – ngư nghiệp và xử lý môi trường.

Chế phẩm vi sinh đáp ứng xu hướng nông nghiệp hữu cơ, kinh tế tuần hoàn và sản xuất sạch theo tiêu chuẩn quốc tế. Các hướng dẫn của FAO về biofertilizer và WHO về an toàn sinh học nhấn mạnh vai trò của vi sinh vật trong tái tạo đất và quản lý nguồn nước (FAO – Biofertilizers).

Phân loại chế phẩm vi sinh

Căn cứ vào chức năng sinh học và nhóm vi sinh vật, chế phẩm vi sinh được chia thành các loại chính:

• Vi sinh vật cố định đạm: Rhizobium spp. ký sinh rễ cây họ đậu, Azotobacter spp. và Azospirillum spp. sống tự do trong đất.
• Vi sinh vật phân giải lân: Bacillus megaterium, Pseudomonas fluorescens sản xuất phosphatase hòa tan lân vô cơ và hữu cơ.
• Vi sinh vật kích thích sinh trưởng thực vật: Trichoderma harzianum tiết enzyme phân giải thành tế bào nấm gây hại, đồng thời sinh IAA, GA.
• Vi sinh vật xử lý môi trường: Pseudomonas putida phân hủy hydrocarbon, Phanerochaete chrysosporium phân huy lignin và chất thải công nghiệp.
• Men vi sinh chăn nuôi: Lactobacillus spp., Saccharomyces cerevisiae cân bằng hệ vi sinh đường ruột vật nuôi, tăng khả năng hấp thu dinh dưỡng.

Một số chế phẩm đa chức năng kết hợp nhiều nhóm vi sinh để tối ưu hóa hiệu quả, ví dụ hỗn hợp Rhizobium + Azospirillum + Bacillus subtilis vừa cố định đạm, vừa chống nấm bệnh và kích thích ra rễ mới.

Cơ chế tác dụng

Cơ chế chính của chế phẩm vi sinh dựa trên hoạt động sinh học và sinh hóa của vi sinh vật:

• Cố định nitơ: Enzyme nitrogenase của Rhizobium và Azotobacter chuyển N₂ khí quyển thành NH₄⁺ có thể sử dụng trực tiếp.
• Phân giải lân: Phosphatase ngoại bào và acid phosphatase hòa tan lân hữu cơ, giải phóng PO₄³⁻ cho cây hấp thu.
• Sản xuất phytohormone: Indole-3-acetic acid (IAA), gibberellin (GA) thúc đẩy sinh trưởng mầm rễ, dài thân.
• Kháng sinh tự nhiên: Bacillus spp. tiết bacitracin, surfactin ức chế nấm và vi khuẩn gây bệnh.
• Giảm căng thẳng sinh lý: Một số Streptomyces sản xuất ACC deaminase làm giảm ethylene nội sinh, tăng chịu hạn mặn.

Cơ chế	Vi sinh vật điển hình	Kết quả
Cố định N₂	Rhizobium leguminosarum	Tăng hàm lượng đạm hữu cơ trong đất
Phân giải lân	Pseudomonas fluorescens	Giảm nhu cầu dùng phân lân hóa học
Phytohormone	Bacillus subtilis	Đẩy nhanh phát triển rễ, tăng sinh khối cây
Kháng sinh	Trichoderma harzianum	Giảm sâu bệnh, hạn chế dùng thuốc trừ nấm

Quy trình sản xuất

Quy trình sản xuất chế phẩm vi sinh bao gồm các bước cơ bản:

1. Lựa chọn chủng: Sàng lọc in vitro, in vivo đánh giá hiệu năng cố định N, hòa tan P, sinh IAA, kháng nấm.
2. Nuôi cấy quy mô lớn: Môi trường lỏng (broth) hoặc bán cố rắn (mạt gỗ, ngô nghiền) trong bồn lên men công nghiệp, kiểm soát pH, nhiệt độ và oxy.
3. Thu hoạch và cô đặc: Ly tâm hoặc lọc màng để thu tế bào, điều chỉnh mật độ (10⁸–10⁹ CFU/ml hoặc g).
4. Ổn định và đóng gói: Sấy phun hoặc đông khô kết hợp chất mang (silic, maltodextrin) để bảo đảm độ sống vi sinh ≥10⁷ CFU/g.
5. Kiểm định chất lượng: Xác định mật độ vi sinh, độ tinh khiết, kiểm tra độc lực, xác định thời hạn sử dụng theo tiêu chuẩn TCVN.

Ứng dụng công nghệ lên men liên tục và bao vi nang (microencapsulation) giúp bảo vệ vi sinh vật khỏi điều kiện bất lợi (pH, nhiệt độ) và giải phóng có kiểm soát khi đưa vào đất hoặc thức ăn.

Ứng dụng trong nông nghiệp

Chế phẩm vi sinh được sử dụng rộng rãi làm biofertilizer, giúp tăng độ phì nhiêu và cải thiện cấu trúc đất. Thực nghiệm đồng ruộng cho thấy bón Rhizobium spp. và Azotobacter spp. kết hợp với phân hữu cơ làm tăng đạm tổng số trong đất lên 20–30 % và cải thiện tỉ lệ nảy mầm của hạt giống lên 15–25 %.

Vi sinh vật phân giải lân như Bacillus megaterium và Pseudomonas fluorescens hòa tan lân vô cơ và hữu cơ, tăng khả năng hấp thu PO₄³⁻ của cây trồng. Trong điều kiện đất chua thiếu lân, bổ sung chế phẩm này thay thế 30–50 % phân lân hóa học mà vẫn đạt năng suất tương đương.

• Kích thích ra rễ: IAA do Bacillus subtilis tổng hợp tăng chiều dài rễ 10–18 %.
• Chống nấm bệnh: Trichoderma harzianum giảm tỉ lệ khởi phát bệnh hại rễ như Fusarium wilt đến 40 %.
• Ứng dụng đa chức năng: hỗn hợp Bacillus + Rhizobium + Trichoderma cho hiệu quả toàn diện về dinh dưỡng và phòng bệnh.

Sự đa dạng chủng và phối trộn theo tỉ lệ phù hợp giúp nhà nông chủ động điều chỉnh chế phẩm cho từng loại cây, điều kiện đất đai và quy trình canh tác, đồng thời giảm chi phí đầu vào và ô nhiễm môi trường.

Ứng dụng trong xử lý môi trường

Chế phẩm vi sinh xử lý nước thải sinh hoạt và công nghiệp dựa trên bể hiếu khí và kỵ khí. Pseudomonas putida và Phanerochaete chrysosporium phân hủy chất hữu cơ và lignin, giảm chỉ số BOD₅ và COD 50–70 % chỉ sau 5–7 ngày xử lý.

Trong ao hồ và kênh mương, bổ sung chế phẩm men vi sinh giúp khử mùi hôi, ngăn tích tụ bùn. Hiệu quả giảm khí NH₃ và H₂S lên đến 60–80 %, cải thiện chất lượng nước và tăng cường sự phát triển của vi sinh vật dị dưỡng có lợi.

Ứng dụng	Chế phẩm tiêu biểu	Kết quả
Water treatment	Pseudomonas putida	Giảm BOD₅ 65 %
Aquaculture	Lactobacillus spp.	Giảm NH₃, H₂S 75 %
Soil bioremediation	Phanerochaete chrysosporium	Phân hủy PAHs 50 %

Ứng dụng biofilter và bioreactor, kết hợp chế phẩm vi sinh với vật liệu lọc như sỏi, than hoạt tính, cho phép xử lý liên tục và duy trì ổn định môi trường hiếu khí, kị khí với chi phí vận hành thấp.

Ứng dụng trong chăn nuôi và y dược

Trong chăn nuôi, men vi sinh như Lactobacillus plantarum, Saccharomyces cerevisiae được bổ sung vào khẩu phần, cân bằng hệ vi sinh đường ruột vật nuôi, tăng tỉ lệ hấp thu protein và khoáng. Thực nghiệm với heo con cho thấy tăng trọng trung bình 12–15 % và giảm tỉ lệ chết post-weaning xuống dưới 5 %.

Probiotic cho người gồm Lactobacillus rhamnosus, Bifidobacterium bifidum hỗ trợ tiêu hóa, giảm triệu chứng tiêu chảy và kích thích miễn dịch niêm mạc. Sản phẩm men vi sinh y dược đang được nghiên cứu lâm sàng để phòng và hỗ trợ điều trị viêm đại tràng, hội chứng ruột kích thích.

• Cân bằng pH ruột, ức chế vi khuẩn gây bệnh như Salmonella spp.
• Sản sinh vitamin B, K hỗ trợ chuyển hóa dinh dưỡng.
• Tăng cường hàng rào biểu mô nhờ sản xuất butyrate và axit béo chuỗi ngắn.

Chế phẩm vi sinh còn được phát triển để sản xuất kháng sinh tự nhiên, enzyme công nghiệp (protease, cellulase) và các chất chuyển hóa giá trị cao trong y sinh học.

Đánh giá hiệu quả và an toàn

Đánh giá hiệu quả chế phẩm vi sinh dựa trên thí nghiệm hiện trường (field trials) và thí nghiệm bán công nghiệp (pilot scale). Các chỉ tiêu gồm năng suất cây trồng, chất lượng nông sản, thông số môi trường (BOD, COD, NH₃) và sức khỏe vật nuôi (tăng trọng, tỉ lệ chết).

An toàn sinh học được kiểm tra theo hướng dẫn FAO/WHO: xác định khả năng tồn tại, nhân dòng và di truyền ngang của vi sinh vật ra môi trường tự nhiên, cũng như không chứa các gene gây độc hoặc kháng kháng sinh nguy hiểm.

Chỉ tiêu	Phương pháp	Tiêu chuẩn
Mật độ vi sinh	Đếm đĩa thạch	>10⁷ CFU/g
Độ tinh khiết	Kiểm tra Sanger sequencing	Chuỗi đúng chủng
Di truyền ngang	Thử nghiệm mating	Không chuyển gen

Khoa học đánh giá rủi ro (ERA) và hướng dẫn của EPA yêu cầu theo dõi biến động hệ vi sinh tự nhiên sau khi sử dụng chế phẩm, đảm bảo không gây mất cân bằng sinh thái hoặc sinh trưởng quá mức vi sinh vật có hại.

Quy định pháp lý và tiêu chuẩn

Tại Việt Nam, chế phẩm vi sinh đăng ký dưới dạng phân bón vi sinh tại Bộ Nông nghiệp & PTNT, tuân thủ TCVN về biofertilizer và men vi sinh. Sản phẩm probiotic cho người phải đăng ký Bộ Y tế theo tiêu chuẩn Codex Alimentarius.

• TCVN 10255: Phân bón vi sinh
• TCVN 14932: Men vi sinh thực phẩm
• Quy định đăng ký chế phẩm sinh học số 18/2017/NĐ-CP

Quốc tế, FAO và WHO đã ban hành hướng dẫn chung về an toàn probiotic và biofertilizer, trong đó quy định phương pháp đánh giá hiệu năng, an toàn và minh bạch thông tin nhãn mác (FAO, WHO).

Triển vọng nghiên cứu tương lai

Ứng dụng công nghệ di truyền và metagenomics giúp sàng lọc chủng ưu thế từ microbiome đất và ruột vật nuôi, mở ra khả năng thiết kế “chế phẩm cá thể hóa” theo từng vùng địa lý và loại cây trồng. Mô hình thử nghiệm in situ kết hợp cảm biến IoT giám sát độ ẩm, pH và nồng độ vi sinh trong đất.

Công nghệ bao vi nang (microencapsulation) và hệ dẫn nano cải tiến độ ổn định vi sinh ở điều kiện nhiệt độ cao, pH biến động và giải phóng có kiểm soát tại vị trí mong muốn. Kết hợp trí tuệ nhân tạo và dữ liệu lớn (big data) để tối ưu liều lượng, thời điểm và phối trộn chủng, nâng cao hiệu quả kinh tế và môi trường.

• Thiết kế chủng biến đổi gen giới hạn vòng đời (kill switch) để đảm bảo an toàn.
• Phát triển nền tảng blockchain xác thực nguồn gốc vi sinh và lịch sử sử dụng.
• Thử nghiệm kết hợp vi sinh với biochar và vật liệu hữu cơ để tái cấu trúc đất.

Tài liệu tham khảo

1. Food and Agriculture Organization. Biofertilizers: A Global Tool for Sustainable Agriculture. 2022. Link
2. U.S. Environmental Protection Agency. Microbial Products for Wastewater Treatment. 2023. Link
3. European Food Safety Authority. Scientific Opinion on the Safety of Probiotics. 2021. Link
4. National Center for Biotechnology Information. Microbial Inoculants in Agriculture and Environment. 2023. Link
5. Codex Alimentarius Commission. General Guidelines for Probiotics in Food. 2020. Link