Nghiên cứu ứng dụng vi sinh vật và vi tảo lam Spirulina trong xử lý nước thải làng nghề bún Phú Đô

Nghiên cứu ứng dụng vi sinh vật và vi tảo lam Spirulina trong xử lý nước thải làng nghề bún Phú Đô

LỜI CẢM ƠN

Trước tiên, tôi xin gửi lời cảm ơn chân thành và sâu sắc tới TS Đặng DiễmHồng – Trưởng Phòng Công nghệ Tảo đã tận tình hướng dẫn và truyền đạt nhữngkinh nghiệm quý báu cho tôi trong suốt quá trình thực tập và làm luận văn tốtnghiệp

Để hoàn thành luận văn này, tôi đã nhận được rất nhiều sự giúp đỡ, hướngdẫn của học viên cao học Đinh Thị Ngọc Mai, ThS NCS Ngô Thị Hoài Thu, KS.Đinh Đức Hoàng cùng tập thể cán bộ Phòng Công nghệ Tảo, Viện Công nghệ sinhhọc – Viện Khoa học và Công nghệ Việt Nam

Đồng thời, tôi xin bày tỏ lòng biết ơn chân thành đến tập thể thầy cô giáoKhoa Môi trường, Trường Đại học Khoa học tự nhiên – Đại học Quốc gia Hà Nội

đã truyền thụ những kiến thức quý báu cho tôi trong suốt quá trình học tập

Tôi xin gửi lời cảm ơn đến Ban lãnh đạo Viện Công nghệ sinh học – ViệnKhoa học và Công nghệ Việt Nam đã tạo điều kiện thuận lợi cho tôi có thể hoànthành luận văn tốt nghiệp này

Cuối cùng, tôi xin cảm ơn gia đình, bạn bè, những người đã quan tâm giúp

đỡ và động viên, khuyến khích tôi trong suốt thời gian qua để tôi hoàn thành luậnvăn được tốt hơn

Hà Nội, tháng 12 năm 2010

Học viên cao học

Nguyễn Minh Phương

CÁC CHỮ VIẾT TẮT TRONG LUẬN VĂN

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN TÀI LIỆU 4

1.1 Điều kiện tự nhiên, kinh tế xã hội vùng nghiên cứu 4

1.1.1 Điều kiện tự nhiên 4

1.1.2 Đặc điểm kinh tế xã hội 4

1.1.3 Công nghệ sản xuất bún truyền thống tại làng bún Phú Đô 5

1.2 Nước thải và phương pháp xử lý nước thải bằng bùn hoạt tính 6

1.2.1 Phân loại nước thải và các chất gây ô nhiễm trong nước thải 6

1.2.2 Hệ vi sinh vật trong nước thải 8

1.2.3 Cơ sở sinh học của quá trình làm sạch nước thải 9

1.2.4 Cơ chế phân giải tinh bột nhờ vi sinh vật 11

1.2.5 Xử lý nước thải bằng phương pháp bùn hoạt tính 12

1.3 Nghiên cứu khả năng xử lý nước ô nhiễm bằng vi tảo 15

1.4 Giới thiệu chung về tảo lam Spirulina 17

1.4.1 Đặc điểm hình thái và cấu trúc tế bào của tảo lam Spirulina 17

1.4.2 Đặc điểm sinh lý, sinh hóa và thành phần dinh dưỡng của tảo lam Spirulina 18

1.4.3 Tình hình nghiên cứu tảo lam Spirulina 23

1.5 Giới thiệu chung về chất dẻo sinh học và PHAs 28

1.5.1 Giới thiệu chung về chất dẻo sinh học 28

1.5.2 Giới thiệu về PHAs 30

CHƯƠNG 2 VẬT LIỆU VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 34

2.1 Vật liệu nghiên cứu 34

2.2 Phương pháp nghiên cứu 37

2.2.1 Phương pháp xác định số lượng các nhóm VSV trong nước thải và trong bùn hoạt tính 37

2.2.2 Phương pháp nuôi tạo bùn hoạt tính 40

2.2.3 Phương pháp xác định các thông số xử lý nước thải tối ưu 41

2.2.4 Xác định tốc độ sinh trưởng phát triển của tảo lam Spirulina platensis bằng

phương pháp đo mật độ quang học (OD) tại bước sóng 420 nm 43

2.2.5 Xác định hiệu quả xử lý nước thải sau từng giai đoạn 43

2.2.6 Phương pháp xác định hàm lượng PHA của tảo Spirulina platensis 45

CHƯƠNG 3 KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 46

3.1 Kết quả đánh giá hiện trạng và đặc trưng của nước thải sản xuất bún tại làng bún Phú Đô 46

3.2 Kết quả xác định thời gian lắng tối ưu cho VSV phát triển 48

3.3 Kết quả nuôi tạo bùn hoạt tính từ nước thải sản xuất bún 50

3.4 Kết quả xác định hàm lượng bùn hoạt tính tối ưu cho quá trình xử lý 52

3.5 Kết quả xác định nồng độ Nitơ và Photpho tối ưu 53

3.5.1 Kết quả xác định nồng độ Nitơ tối ưu 53

3.5.2 Kết quả xác định nồng độ Photpho tối ưu 54

3.6 Kết quả xác định thời gian sục tối ưu đối với nước thải 55

3.7 Kết quả về sự thay đổi các thông số đặc trưng của nước thải và VSV phân giải tinh bột trong các giai đoạn xử lý nước thải sản xuất bún Phú Đô 56

3.8 Sinh trưởng của tảo lam Spirulina platensis CNTĐB thu được trong nước thải làng nghề bún Phú Đô 61

3.9 Kết quả phân tích hàm lượng PHA ở chủng Spirulina platensis CNT và CNTĐB 63

3.9.1 Kết quả phân tích hàm lượng PHA tích lũy ở chủng Spirulina platensis CNT dưới điều kiện tạp dưỡng và chiếu tia UV 63

3.9.2 Xác định hàm lượng PHA trong sinh khối tảo Spirulina thu được sau 20 ngày nuôi cấy trong môi trường nước thải sản xuất bún 66

3.10 Đánh giá sơ bộ hiệu quả xử lý nước thải sản xuất bún 66

CHƯƠNG 4 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 68

Kết luận 68

Kiến nghị 69

PHỤ LỤC 80

DANH MỤC BẢNG BIỂU VÀ HÌNH

DANH MỤC BẢNG

Bảng 1 Quần thể VSV trong bùn hoạt tính 14 Bảng 2 Tính chất vật lý của một vài dạng PHA và polypropylene 31Bảng 3 Thành phần môi trường SOT 36Bảng 4 Bảng tra MPN dùng cho loạt 3 ống nghiệm ở 3 nồng độ pha loãng liên tiếp 39Bảng 5 Đặc trưng của nước thải sản xuất bún tại hệ thống cống chung cuối làng Phú Đô 47Bảng 6 Sự biến động về thành phần VSV tổng số trong nước thải được lấy từ hệ thống cống chung cuối làng 48Bảng 7 Thành phần và số lượng VSV trong bùn hoạt tính đã nuôi được

(CFU/ml) 50Bảng 8 VSV tổng số có mặt trong nước thải được bổ sung bùn hoạt tính nuôi tạo được ở các nồng độ khác nhau 52Bảng 9 Số lượng VSV phân giải tinh bột có trong nước thải sau khi được bổ sung phân đạm có nồng độ khác nhau 54Bảng 10 Số lượng VSV phân giải tinh bột có trong nước thải sau khi được bổ sung phân lân có nồng độ khác nhau 55Bảng 11 Sự thay đổi VSV tổng số phân giải tinh bột theo thời gian sục ở nước thải được bổ sung 5% bùn hoạt tính, phân đạm là 100 mg/l và phân lân là

80 mg/l 56Bảng 12 Quy trình xử lý nước thải sản xuất bún tại hệ thống cống chung cuối làng

bún Phú Đô bằng bùn hoạt tính và chủng tảo lam Spirulina platensis CNTĐB 57

Bảng 13 Sự thay đổi các thông số COD, BOD5, Nts, Pts và VSV phân giải tinh bột trong các giai đoạn xử lý nước thải sản xuất bún Phú Đô 60

Bảng 14 Hàm lượng PHAs tích lũy ở S platensis CNT khi môi trường được bổ

sung các nguồn cácbon khác nhau 64Bảng 15 Hiệu quả xử lý nước thải sản xuất bún bằng bùn hoạt tính và chủng tảo

lam Spirulina platensis CNTĐB 67

DANH MỤC HÌNH

Hình 1A Hình ảnh về Spirulina platensis 18

Hình 1B Hình ảnh về Spirulina maxima 18

Hình 2 Hình ảnh về Spirulina platensistrên thị trường dưới dạng dược phẩm 23

Hình 3 Cấu trúc của PHAs 31

Hình 4 Hình thái chủng tảo lam Spirulina platensis CNTĐB được nuôi trong môi trường SOT 34

Hình 5 Sơ đồ thí nghiệm xử lý nước thải sản xuất bún ở làng nghề bún Phú Đô bằng bùn hoạt tính và tảo lam Spirulina platensis CNTĐB 44

Hình 6A Địa điểm thu mẫu nước thải tại cống chung thứ nhất cuối làng 46

Hình 6B Nước thải tại cống chung thứ nhất cuối làng 46

Hình 6C Địa điểm thu mẫu nước thải tại cống chung thứ hai cuối làng 46

Hình 6D Nước thải tại cống chung thứ hai cuối làng 46

Hình 7A Hình ảnh khuẩn lạc vi khuẩn có mặt trong nước thải sau 6 giờ 50

Hình 7B Hình ảnh khuẩn lạc nấm men có mặt trong nước thải sau 18 giờ 50

Hình 7C Hình ảnh khuẩn lạc nấm mốc có mặt trong nước thải sau 18 giờ 50

Hình 7D Hình ảnh khuẩn lạc nấm mốc có mặt trong nước thải sau 24 giờ 50

Hình 8A Vi khuẩn phân giải tinh bột có mặt trong bùn hoạt tính 51

Hình 8B Nấm men phân giải tinh bột có mặt trong bùn hoạt tính 51

Hình 8C Nấm mốc phân giải tinh bột có mặt trong bùn hoạt tính 52

Hình 8D Xạ khuẩn phân giải tinh bột có mặt trong bùn hoạt tính 52

Hình 9A Thí nghiệm trước khi bổ sung tảo 58

Hình 9B Thí nghiệm sau 1 ngày nuôi cấy tảo trong nước thải 58

Hình 9C Thí nghiệm sau 6 ngày nuôi cấy tảo trong nước thải 59

Hình 9D Thí nghiệm sau 20 ngày nuôi cấy tảo trong nước thải 59

Hình 10 Sinh trưởng của chủng tảo lam Spirulina platensis CNTĐB qua các ngày nuôi cấy trong nước thải sản xuất bún đã qua giai đoạn xử lý bằng bùn hoạt tính và sục khí 62

Hình 11B Hình thái sợi tảo chủng CNTĐB sau khi nuôi trong nước thải

20 ngày 63

MỞ ĐẦU

Nền kinh tế xã hội nông nghiệp ở nước ta đã hình thành và phát triển từ rấtlâu đời cùng với lịch sử lâu dài dựng nước và giữ nước của dân tộc Trong suốt tiếntrình phát triển lâu dài ấy, các làng nghề truyền thống cũng đã hình thành và pháttriển trong nông thôn Việt Nam và đóng một vai trò quan trọng trong nền kinh tế

Sự phát triển của các làng nghề không những góp phần giải quyết việc làm chonhiều lao động, nâng cao thu nhập cho người dân địa phương nói riêng mà còn gópphần vào sự phát triển nền kinh tế của cả nước nói chung Đặc biệt, trong nền kinh

tế thị trường với chính sách phát triển kinh tế nhiều thành phần ở nước ta hiện nay,các làng nghề truyền thống vẫn đang phát triển mạnh mẽ

Sự phát triển của làng nghề đem lại nhiều lợi ích kinh tế nhưng song songvới nó là tiềm ẩn những nguy cơ gây ô nhiễm môi trường Thực trạng ô nhiễm môitrường trong các làng nghề truyền thống và các cơ sở ngành nghề nông thôn ngàynay đang ngày càng gia tăng Do ý thức bảo vệ môi trường còn thấp của con ngườitrong quá trình sản xuất, các loại chất thải được thải ra môi trường sống xung quanh

mà không được thu gom và xử lý triệt để nên tình trạng ô nhiễm môi trường đã vàđang xảy ra rất nghiêm trọng ở các làng nghề truyền thống ở Việt Nam

Là một trong những làng nghề truyền thống vốn có từ lâu đời của thành phố

Hà Nội, làng nghề sản xuất bún Phú Đô cũng đang phải đối mặt với vấn đề ô nhiễmmôi trường nghiêm trọng Từ trước tới nay, nước thải của làng nghề này vẫn được

xả trực tiếp xuống một con mương chung của làng mà không qua bất kỳ một hệthống xử lý nước thải nào Vì vậy, nước thải của làng nghề bún Phú Đô luôn trongtình trạng bị ô nhiễm hữu cơ nặng nề với nồng độ nitơ, photpho và hàm lượng

BOD5, COD trong nước thải rất lớn Do đặc thù của nước thải sản xuất bún là ônhiễm chất hữu cơ dễ phân hủy sinh học nên việc áp dụng các biện pháp sinh họcnói chung hay xử lý bằng bùn hoạt tính nói riêng để xử lý nước thải là hoàn toànphù hợp Việc kết hợp sử dụng các loài tảo cùng các vi sinh vật (VSV) để xử lýnước thải ô nhiễm hữu cơ được coi là một giải pháp khá hợp lý do trong nước thải,hàm lượng nitơ và photpho là nguồn dinh dưỡng rất tốt cho sự sinh trưởng và pháttriển của tảo Ngoài ra, việc thu hồi sinh khối tảo trong nước thải sau xử lý có thểthực hiện một cách dễ dàng và thuận tiện bằng cách vớt hay lọc bằng lưới, góp phầnlàm giảm giá thành xử lý.

Chất dẻo sinh học (bioplastic) là một loại vật liệu mới đang ngày càng thuhút sự quan tâm nghiên cứu của nhiều nhà khoa học trên thế giới Không giống nhưcác chất dẻo thông thường khác, chất dẻo sinh học là loại vật liệu “xanh” thân thiệnmôi trường với thời gian phân hủy ngắn do chúng có nguồn gốc chủ yếu từ thực vật

và các loại VSV Sự ra đời của chất dẻo sinh học có thể được coi là cuộc cách mạngquan trọng trong công nghệ chất dẻo và được xem như một giải pháp nhằm giảmdần sự lệ thuộc vào dầu mỏ đang có nguy cơ cạn kiệt, đồng thời góp phần bảo vệmôi trường Là một trong những chất dẻo sinh học, poly-3-hydroxyalkanoates –PHA được tìm thấy trong cơ thể các VSV và vi tảo, trong đó có vi tảo lam

Spirulina.

Việc kết hợp sử dụng các VSV và vi tảo lam Spirulina trong xử lý nước thải

giàu hữu cơ tại làng nghề bún Phú Đô và thu nhận chất dẻo sinh học từ sinh khốitảo mang ý nghĩa về mặt khoa học và thực tiễn cao Do vậy, chúng tôi đã tiến hành

thực hiện đề tài: “Nghiên cứu ứng dụng vi sinh vật và vi tảo lam Spirulina trong

xử lý nước thải làng nghề bún Phú Đô” với các nội dung sau:

- Đánh giá hiện trạng và xác định đặc trưng của nước thải sản xuất bún tại làng

nghề bún Phú Đô;

- Nghiên cứu xác định các thông số tối ưu cho quá trình xử lý nước thải sản

xuất bún, gồm các thông số sau: thời gian lắng tối ưu, nồng độ bùn hoạt tính

tối ưu, nồng độ nitơ, nồng độ photpho và thời gian sục khí tối ưu cho quátrình xử lý;

- Dựa vào kết quả nghiên cứu xác định các thông số tối ưu cho quá trình xử lý

nước thải, đưa ra được quy trình xử lý nước thải sản xuất bún Phú Đô bằng

VSV và vi tảo lam Spirulina platensis;

- Đánh giá khả năng sinh trưởng và phát triển của chủng tảo lam Spirulina

platensis qua các ngày nuôi cấy trong nước thải;

- Xác định hàm lượng PHA trong sinh khối tảo Spirulina thu được sau xử lý;

- Sơ bộ đánh giá hiệu quả xử lý nước thải làng bún Phú Đô bằng bùn hoạt tính

và vi tảo lam Spirulina platensis

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN TÀI LIỆU 1.1 Điều kiện tự nhiên, kinh tế xã hội vùng nghiên cứu

1.1.1 Điều kiện tự nhiên

Làng bún Phú Đô thuộc xã Mễ Trì, huyện Từ Liêm, ở cách trung tâm thànhphố Hà Nội khoảng 10 km về phía Tây Nam Vị trí ranh giới cụ thể của làng búnPhú Đô như sau:

- Phía Bắc giáp xã Mỹ Đình;

- Phía Nam giáp đường cao tốc Láng -Hoà lạc;

- Phía Đông giáp thôn Mễ Trì Thượng (thuộc xã Mễ Trì);

- Phía Tây giáp với sông Nhuệ

Tổng diện tích tự nhiên của làng nghề là 258,6 ha, trong đó đất nông nghiệp

là 164,6 ha [79]

Bao quanh phía Bắc của làng nghề sản xuất bún Phú Đô có một con mươngtiêu nước chảy qua và chảy vào sông Nhuệ Tình trạng ô nhiễm môi trường xảy ranghiêm trọng khi vào mùa mưa, lưu lượng nước lớn gây ra tình trạng ngập úng donước thải sản xuất bún hòa trộn cùng toàn bộ nước thải sinh hoạt và chăn nuôi từcác chuồng trại của các hộ gia đình đều đổ ra kênh dẫn Nước thải sản xuất búncùng nước thải sinh hoạt và nước thải chăn nuôi đều chưa qua xử lý mà xả thải trựctiếp vào hệ thống cống chung cuối làng Sau đó, nước được thải trực tiếp xuống conmương chảy ra sông Nhuệ, gây ô nhiễm môi trường nghiêm trọng, ảnh hưởng đếnđời sống của người dân trong vùng

1.1.2 Đặc điểm kinh tế xã hội

Theo số liệu thống kê năm 1999, cả làng nghề bún Phú Đô có 1.113 hộ với5.111 nhân khẩu Trong số đó có 700 hộ gia đình với 1.600 lao động hành nghề làmbún Hàng năm, làng nghề Phú Đô sản xuất được khoảng 5.000 tấn bún, cung cấpbún cho khoảng 50% thị trường bún ở Hà Nội [87] Sau hơn 5 năm, tính đến năm

2004, làng Phú Đô có khoảng 5.600 người, với 1.068 hộ gia đình Trung bình mỗi

hộ có khoảng 4,5 người Mật độ dân số khoảng 202 người/ha Trong làng, số hộ làmbún chiếm khoảng 50%, còn lại 10% số hộ sản xuất phục vụ làng nghề như: sảnxuất công cụ làm bún (cơ khí); xay xát gạo; cung cấp than củi; 20% số hộ làm dịch

vụ thương mại cho nhân dân trong thôn và các khách nơi khác đến; 20% số hộ cònlại làm các nghề khác [12] Tuy nhiên, những năm gần đây, ở Phú Đô, số gia đìnhlàm bún đã giảm nhiều do phần lớn chuyển sang buôn bán, kinh doanh Từ gầnngàn hộ gia đình, nay chỉ còn khoảng vài trăm hộ vẫn còn theo nghề làm bún Trình

độ văn hóa của người dân trong làng không cao Trong số lao động chuyên nghiệplàm bún ở Phú Đô hiện nay, chỉ có khoảng 30% tốt nghiệp phổ thông trung học, cònlại chỉ đạt trình độ văn hoá phổ thông cơ sở [87] Trong thời đại công nghiệp hóavới sự phát triển mạnh mẽ của nhiều phương tiện sản xuất hiện đại, nghề làm búnngày nay đã được cơ giới hoá với các máy xay bột, đánh bột, góp phần nâng cao sảnlượng sản xuất bún trong làng

1.1.3 Công nghệ sản xuất bún truyền thống tại làng bún Phú Đô

Nguyên liệu sản xuất bún là gạo Công đoạn đầu tiên trong quy trình sản xuấtbún là gạo được sát trắng Sau đó, gạo được vo kỹ và được ngâm trong nước Saukhi ngâm trong nước khoảng 10 giờ, gạo được xóc sạch và đưa vào cối xay nhuyễntạo thành bột gạo dẻo, trắng mịn

Công đoạn tiếp theo là ủ bột và chắt bỏ nước chua và tiến hành nhào bột Bộtsau khi được nhào và đưa qua màn lọc sạn sẽ được đưa vào khuôn để vắt bột

Khuôn bún được làm bằng chất liệu dạng ống dài, phía đầu khuôn có mộtmiếng kim loại đục các lỗ tròn Để tiến hành vắt bột phải chuẩn bị một nồi nước khálớn, rộng miệng đặt trên bếp than hồng để đun sôi Bột bún được cho vào chiếc

khuôn bún có nhiều lỗ nhỏ Bột bún sau đó được vắt mạnh cho chảy thành dòng quakhuôn xuống nồi nước đang sôi tạo thành sợi bún Sau khi luộc khoảng vài ba phút,sợi bún trong nồi sẽ được vớt ra và đem tráng qua nước lạnh cho khỏi bết dính vàtrở nên săn chắc Công đoạn cuối cùng là vớt bún trong nồi nước tráng Sau khi vớt

ra khỏi nồi nước tráng, bún thành phẩm được đặt trên các thúng bằng tre có lót sẵn

lá chuối xanh rồi mới được đem ra chợ bán [79]

Như vậy, quy trình sản xuất bún tiêu thụ một lượng nước khá lớn Hầu hếtcác công đoạn như vo gạo, ngâm gạo, vắt bột, luộc bột…đều thải ra một lượng nướcthải giàu tinh bột đáng kể Chính vì vậy, đặc thù của nước thải sản xuất bún là giàuchất hữu cơ dễ phân hủy sinh học

1.2 Nước thải và phương pháp xử lý nước thải bằng bùn hoạt tính

1.2.1 Phân loại nước thải và các chất gây ô nhiễm trong nước thải

Nước thải là nước đã qua sử dụng vào các mục đích như sinh hoạt, dịch vụ,tưới tiêu, thủy lợi, chế biến công nghiệp, chăn nuôi Dựa vào nguồn gốc phát sinh,nước thải có thể phân thành các loại chính sau đây:

+/ Nước thải sinh hoạt: là nước thải từ các khu vực dân cư bao gồm nước sau

khi sử dụng từ các hộ gia đình, bệnh viện, khách sạn, trường học, cơ quan, khu vuichơi giải trí Đặc trưng của nước thải sinh hoạt thường chứa các chất hữu cơ dễphân hủy sinh học (cacbonhydrat, protein, lipit), các chất vô cơ dinh dưỡng (nitơ,photpho) Các VSV trong nước thải sinh hoạt phần lớn ở dạng các vi khuẩn gâybệnh như vi khuẩn tả, lỵ, thương hàn và một số loài kí sinh trùng như trứng giun,sán…Ngoài ra, trong nước thải còn chứa các chất như H2S, NH3 gây mùi khó chịu

+/ Nước thải công nghiệp: Nước thải từ các cơ sở sản xuất công nghiệp, tiểu

thủ công nghiệp, giao thông vận tải gọi chung là nước thải công nghiệp Nước thảicông nghiệp không có đặc điểm chung mà phụ thuộc vào đặc điểm của từng ngànhsản xuất Nước thải của xí nghiệp làm acquy có nồng độ axit và chì cao, nước thảicủa nhà máy thuộc da chứa nhiều kim loại nặng và sunfua, nước thải từ các cơ sởsản xuất chế biến nông sản, thực phẩm (đường, sữa, bột, tôm, cá, bia rượu) chứa các

chất hữu cơ dễ phân hủy sinh học Nói chung, nước thải của các ngành công nghiệphoặc các xí nghiệp khác nhau có thành phần hóa học và hóa sinh rất khác nhau [15].

+/ Nước thải nông nghiệp: Nước thải nông nghiệp là nước thải ra trong quá

trình canh tác nông nghiệp, thường chứa hàm lượng phân hóa học cao và các hóachất bảo vệ thực vật Nước thải nông nghiệp bị ô nhiễm làm cho đất bị thoái hóa,các tài nguyên sinh vật bị suy giảm, gây hậu quả nghiêm trọng đến môi trường Cácchất độc còn tồn dư trong nước thải nông nghiệp gây tác động xấu đến sức khỏe conngười [6]

Các chất gây ô nhiễm môi trường nước có nhiều loại, chúng thường được xếpthành 9 loại như sau:

+/ Các chất hữu cơ bền vững, khó bị phân hủy;

+/ Các chất hữu cơ dễ bị phân hủy; chủ yếu do tác nhân sinh học (VSV);+/ Các kim loại nặng;

+/ Các ion vô cơ;

từ nước thải ở các khu dân cư có khoảng 40 – 60% protein, 25 – 50% cacbonhydrat,10% chất béo Các hợp chất này chủ yếu làm suy giảm oxy hòa tan trong nước dẫnđến suy thoái tài nguyên thủy sản và làm giảm chất lượng nước cấp sinh hoạt Trong

thực tế, người ta thường áp dụng các biện pháp sinh học để xử lý nước thải bị ônhiễm bởi các chất hữu cơ dễ bị phân hủy sinh học.

+/ Các chất hữu cơ khó bị phân hủy sinh học: Nhóm các chất hữu cơ khó bịphân hủy sinh học gồm các chất thuộc dạng chất hữu cơ có vòng thơm (cacbuahydrocủa dầu khí), các chất đa vòng ngưng tụ, các hợp chất clo hữu cơ, photpho hữu cơ.Trong đó, có nhiều chất là các chất hữu cơ tổng hợp và có độc tính cao đối với conngười và động thực vật Hàng năm, trên thế giới có khoảng 60.106

tấn các chất hữu

cơ tổng hợp khó phân hủy sinh học được sản xuất trên thế giới như các chất màu,chất hóa dẻo, thuốc trừ sâu [2] Trong tự nhiên, các chất hữu cơ khó bị phân hủysinh học khá bền vững, có khả năng tích lũy và lưu giữ lâu dài trong môi trường và

cơ thể sinh vật, làm ảnh hưởng xấu đến hệ sinh thái và sức khỏe con người Các chấtnày thường có trong nước thải công nghiệp và nguồn nước ở các vùng nông, lâmnghiệp sử dụng nhiều thuốc trừ sâu, thuốc kích thích sinh trưởng cây trồng, các chấtlàm rụng lá, thuốc diệt cỏ [16]

1.2.2 Hệ vi sinh vật trong nước thải

VSV là những sinh vật có kích thước vô cùng nhỏ bé Tế bào của chúngkhông thể nhìn thấy được bằng mắt thường mà phải sử dụng kính hiển vi với độphóng đại từ 400 đến 1000 lần

Số lượng và chủng loại VSV trong nước phụ thuộc vào nhiều yếu tố như:các chất hữu cơ hòa tan trong nước, pH môi trường, các chất độc, tia tử ngoại Mỗiloại nước thải có hệ VSV đặc trưng Nước thải sinh hoạt và nước thải của các xínghiệp chế biến nông sản, thực phẩm rất giàu các chất hữu cơ, vì vậy số lượng VSVtrong các loại nước này là rất lớn và chủ yếu là vi khuẩn Những thủy vực tiếp nhậnnguồn nước thải công nghiệp chứa nhiều axit như nước thải ngành công nghiệp mạthường làm tiêu diệt các nhóm VSV ưa trung tính có trong thủy vực

Các VSV trong nước thải rất phong phú, bao gồm các loại vi khuẩn, vi rút,

xạ khuẩn, nấm men, nấm mốc Trong số đó, vi khuẩn chiếm tỉ lệ cao nhất Nước thải

ở các nhà máy thải ra nhiều xenluloza và nhà máy chế biến thực phẩm thường có

nhiều vi khuẩn Sphaerptilus natans Loại vi khuẩn này trước đây thường hay bị nhầm

với vi nấm trong nước thải do nó phủ lên bề mặt tế bào một lớp nước cực bẩn, thườngtạo thành các sợi, khi vỡ ra sẽ trôi nổi đầy trên mặt nước Nhóm vi khuẩn này pháttriển mạnh ở nước nhiều oxygen Ngoài ra, trong nước thải còn có các vi khuẩn phân

giải đường như: Clostridium, Micrococcus urea, Cytophaga sp.; các vi khuẩn gây thối: Pseudomonas fluorecens, Proteus vulgaris, Bacillus cereus; các vi khuẩn oxy hóa lưu huỳnh: Thiobacillus, Thiothrix, Beggiatoa; vi khuẩn phản nitrat hóa: Thiobacillus denitrificans, Micrococcus denitrificans Trong nước thải chứa dầu người ta tìm thấy vi khuẩn phân giải cacbonhydrat: Pseudomonas, Nocardia [18].

Ngoài vi khuẩn, trong nước thải còn có nhiều loại nấm, nhất là nấm men như:

Saccharomyces, Candia, Cryptococcus, Rhodotorula, Leptomitus lacteus, Fusarium aquaeducteum [18] Trong đó, nấm Leptomitus lacteus có khả năng phát triển thành khối nhầy cùng vi khuẩn Sphaerptilus natans trong 90 – 120 phút và có thể bịt kín

hoàn toàn các song chắn rác làm cản trở dòng chảy, gây phiền hà trong việc thải

nước Leptomitus lacteus có thể sống quanh năm ở sông hồ và phát triển mạnh vào

mùa đông [15]

1.2.3 Cơ sở sinh học của quá trình làm sạch nước thải

Các quá trình vật lý, hóa học như sự sa lắng và sự oxy hóa giữ vai trò quantrọng trong quá trình làm sạch nước thải Tuy nhiên, đóng vai trò quyết định tronglàm sạch nước thải vẫn là các quá trình sinh học Tại chỗ nước thải đổ ra, thường tụtập các loại chim, cá Chúng sử dụng các phế thải từ đồ ăn và rác làm thức ăn Tiếpsau đó là các động vật bậc thấp như ấu trùng của côn trùng, giun và nguyên sinh độngvật Chúng sử dụng các hạt thức ăn cực nhỏ làm nguồn dinh dưỡng Song cần phảinhấn mạnh vai trò quyết định của các VSV trong quá trình làm sạch nước thải Cơchế của quá trình làm sạch nước thải do các VSV bao gồm ba giai đoạn sau:

+/ Các hợp chất hữu cơ tiếp xúc với bề mặt tế bào VSV;

+/ Quá trình khuyếch tán và hấp thụ các chất ô nhiễm nước qua màng bánthấm vào trong tế bào VSV;

+/ Chuyển hóa các chất ô nhiễm trong nội bào để sinh ra năng lượng và tổnghợp vật liệu mới cho tế bào VSV

Cả ba giai đoạn này có mối liên quan rất chặt chẽ với nhau làm nồng độ cácchất gây ô nhiễm trong nước giảm dần

Theo phương thức dinh dưỡng, các VSV được chia làm hai nhóm chính:

- Nhóm VSV tự dưỡng: Nhóm VSV này có khả năng oxi hóa chất vô cơ đểthu năng lượng và sử dụng CO2 làm nguồn cacbon cho quá trình sinh tổng hợp.Trong nhóm này có các vi khuẩn nitrat hóa, vi khuẩn sắt, vi khuẩn lưu huỳnh

- Nhóm VSV dị dưỡng: Nhóm VSV này sử dụng các chất hữu cơ làm nguồncacbon dinh dưỡng và nguồn năng lượng để sinh trưởng, xây dựng tế bào và pháttriển Các VSV dị dưỡng có thể chia thành ba nhóm nhỏ dựa theo hoạt động sống củachúng đối với nhu cầu oxy:

+/ Nhóm VSV hiếu khí: là nhóm VSV cần oxy để sống, giống như quá trình

hô hấp ở động vật bậc cao Sự phân hủy các chất hữu cơ ở điều kiện hiếu khí thể hiện

cơ ở điều kiện kị khí được thể hiện ở các phản ứng sau:

VSV kị khí

Chất hữu cơ + NO3- + SO42- CO2 + H2O + CH4 + N2 + H2S + NH4+

+ axit hữu cơ + CH4 + sinh khối VSV + năng lượng+/ VSV tùy nghi hay còn gọi là VSV kỵ khí tùy tiện: Nhóm VSV này có thểsinh trưởng trong điều kiện có hoặc không có oxy Chúng luôn có mặt trong nướcthải Năng lượng được giải phóng ngoài một phần thoát ra ở dạng nhiệt, phần còn lạiđược sử dụng cho việc sinh tổng hợp hình thành tế bào mới [15]

Trong số các nhóm VSV làm sạch nước thải, vi khuẩn có số lượng nhiều nhất

và cũng đóng vai trò quan trọng nhất Ngoài ra, cũng có các nhóm VSV khác nhưnấm men, nấm mốc, xạ khuẩn nhưng số lượng ít hơn vi khuẩn Những nhóm này làcác VSV dị dưỡng hiếu khí Nhiều loại nấm, kể cả nấm độc có khả năng phân hủyxenlulozơ, hemixenlulozơ và đặc biệt là lignin Tuy nhiên, vai trò của nấm, kể cả nấmmốc, nấm men, cũng như xạ khuẩn trong quá trình xử lý nước thải không quan trọngbằng vi khuẩn [16]

1.2.4 Cơ chế phân giải tinh bột nhờ vi sinh vật

Nước thải của các cơ sở sản xuất lương thực, đặc biệt là nước thải từ các làngnghề sản xuất bún, bánh phở, miến có hàm lượng tinh bột rất cao Tinh bột bao gồmcác mạch amilo và amilopectin Amilo là những chuỗi không phân nhánh bao gồmhàng trăm đơn vị glucoza liên kết với nhau bằng dãy nối 1,4 glucozit Amilopectin làcác chuỗi phân nhánh, các đơn vị glucoza liên kết với nhau bằng liên kết 1,4 và 1,6glucozit Cơ chế quá trình phân giải tinh bột nhờ VSV được mô tả như sau:

VSV phân giải tinh bột có khả năng tiết ra môi trường hệ enzym amilaza baogồm 4 enzym:

+/ α – amilaza có khả năng tác động vào bất kỳ mối liên kết 1,4 glucozit nàotrong phân tử tinh bột Bởi vậy, α – amilaza còn được gọi là endoamilaza Dưới tácđộng của α – amilaza, phân tử tinh bột được cắt thành nhiều đoạn ngắn gọi là sự dịchhóa tinh bột Sản phẩm của sự dịch hóa thường là các đường 3 cacbon gọi làmantotrioza

+/ β - amilaza chỉ có khả năng cắt đứt mối liên kết 1,4 glucozit ở cuối phân tửtinh bột, bởi thế còn gọi là exoamilaza Sản phẩm của β - amilaza thường là đườngdisaccarit mantoza.

+/ Amilo 1,6 glucosidaza có khả năng cắt đứt mối liên kết 1,6 glucozit tạinhững chỗ phân nhánh của amilopectin

+/ Glucoamilaza phân giải tinh bột thành glucoza và các oligosaccarit Enzymnày có khả năng phân cắt cả hai loại liên kết 1,4 và 1,6 glucozit

Dưới tác động của 4 loại enzym trên, phân tử tinh bột được phân giải thànhđường glucoza

VSV có hệ amilaza rất phong phú và đa dạng Rất nhiều nhóm VSV ở trongđất và nước thải như: vi khuẩn, nấm mốc, nấm men, xạ khuẩn có khả năng sinhamilaza

Những vi khuẩn hiếu khí có khả năng sinh amilaza cao phần lớn thuộc loài

Bacillus subtilis, B lichenifomic, B Circulan chịu nhiệt cao và nhóm vi khuẩn Cytophaga Nhóm vi khuẩn kị khí sinh amilaza thường gặp là Clochidium thermosulfurrogens và Thermoanaerobacter, Pyrococceus thuộc vi khuẩn cổ.

Các loài nấm mốc sinh amilaza thường gặp là Aspergillus niger, A awamori, Rizopus niveus, Chalara paradoxa, còn nấm men thường gặp loài Cryptococcus spp., Endomycopsis fibulegera, Lipomyces spp Xạ khuẩn cũng có một số chi có khả năng

phân hủy tinh bột

Trong các loại VSV kể trên thì các vi khuẩn nhóm Bacillus có khả năng sinh

amilaza mạnh nhất Một số VSV có khả năng tiết ra môi trường đầy đủ các loạienzym trong hệ enzym amilaza nhưng một số loài khác chỉ có thể tiết ra một hoặc vàienzyme trong hệ đó, các nhóm này cộng tác với nhau trong quá trình phân hủy tinh

bột thành đường [24].

1.2.5 Xử lý nước thải bằng phương pháp bùn hoạt tính

Có nhiều phương pháp khác nhau để xử lý nước thải nhưng có thể chia thànhcác phương pháp chính sau: cơ học, hoá lý, hoá học và sinh học Trong đó, phươngpháp sinh học được sử dụng chủ yếu để xử lý nước thải chứa hàm lượng chất hữu

cơ cao So với biện pháp vật lý và hóa học, phương pháp sinh học có ưu điểm hơn

cả là giá thành thiết bị không đắt tiền, nguyên liệu xử lý dễ kiếm lại không gây tái ônhiễm môi trường Phương pháp xử lý nước thải bằng bùn hoạt tính là một trongnhững phương pháp sinh học điển hình được áp dụng để xử lý nước thải giàu hữucơ

Trong nước thải luôn tồn tại các chất rắn lơ lửng khó lắng Trong quá trìnhsinh trưởng và phát triển trong nước thải, các tế bào VSV sẽ dính vào các hạt lơlửng này và phát triển thành các hạt bông cặn có hoạt tính phân hủy các chất hữu cơgây nhiễm bẩn nước và được lớn dần lên do hấp phụ nhiều hạt chất rắn lơ lửng nhỏkhác Khi ngừng thổi khí hoặc các chất hữu cơ làm cơ chất dinh dưỡng cho VSVtrong nước thải cạn kiệt, những hạt bông này sẽ lắng xuống đáy bể hoặc hồ tạothành bùn Bùn này được gọi là bùn hoạt tính Nhờ bùn hoạt tính mà lượng chất ônhiễm trong nước giảm, các chất huyền phù lắng xuống cùng với bùn và nước đượclàm sạch

Bùn hoạt tính là tập hợp các VSV khác nhau có mặt trong nước thải, chủ yếu

là vi khuẩn, kết lại thành dạng hạt bông với trung tâm là các hạt chất rắn lơ lửng ởtrong nước Các bông cặn này có khả năng hấp thu và phân hủy chất hữu cơ Màu sắccủa các bông cặn thường là màu vàng nâu Các bông cặn dễ lắng có kích thước từ 3-

150 μm, gồm các VSV sống và cặn rắn (chiếm khoảng 30 – 40% thành phần cấu tạobông) Các bông cặn này có khả năng hấp thu và phân hủy chất hữu cơ Bùn hoạt tínhlắng xuống là “bùn già”, hoạt tính giảm Nếu được hoạt hóa (trong môi trường thíchhợp có sục khí) sẽ sinh trưởng trở lại và hoạt tính được phục hồi

Quần thể VSV trong bùn hoạt tính rất phong phú với các loại vi khuẩn, nấmmen, nấm mốc, xạ khuẩn, động vật nguyên sinh Số lượng vi khuẩn trong bùn hoạttính dao động trong khoảng 108

– 1012

trong 1 mg chất khô Phần lớn chúng là

Pseudomonas, Achomobacter, Alcaligenes, Bacillus, Micrococcus, Flavobacterium… Trong khối nhầy có các loài Zooglea, đặc biệt là Zooglea ramigola, rất giống Pseudomonas, chúng có khả năng sinh ra một bao nhầy xung quanh tế bào Bao nhầy

này là một polyme sinh học, thành phần là polysaccarit, có tác dụng kết các tế bào vikhuẩn lại thành các hạt bông [16] Ngoài ra, trong bùn hoạt tính còn có mặt các vikhuẩn phân hủy các polyme, vi khuẩn phản nitrat hóa, vi khuẩn khử sunfat Một sốgiống vi khuẩn điển hình có mặt trong bùn hoạt tính được thể hiện trên bảng 1

Bảng 1 Quần thể VSV trong bùn hoạt tính

1 Pseudomonas Phân huỷ cacbonhydrat, protein, các hợp chất hữu cơ

và phản nitrat hóa

2 Arthrobacter Phân huỷ cacbonhydrat

3 Bacillus Phân huỷ cacbonhydrat, protein

4 Cytophaga Phân huỷ các polyme

5 Zooglea Tạo thành chất nhầy, hình thành các chất keo tụ

6 Acinetobacter Tích luỹ polyphotphat, phản nitrat

7 Nitrobacter Nitrat hoá

8 Sphaerotilus Sinh nhiều tiên mao, phân hủy các chất hữu cơ

9 Acaligenes Phân hủy protein, phản nitrat hóa

10 Flavobacterium Phân hủy protein

11 Acinetobacter Phản nitrat hóa

12 Hyphomicrobium Phản nitrat hóa

13 Desulfovibrio Khử sunfat, khử nitrat

Các động vật nguyên sinh cũng có mặt trong bùn hoạt tính và tham gia vàoquá trình làm sạch nước thải Chúng ăn các vi khuẩn già hoặc đã chết, tăng cườngloại bỏ vi khuẩn gây bệnh, làm đậm đặc màng nhầy nhưng lại làm xốp khối bùn, kíchthích VSV tiết enzyme ngoại bào để phân hủy chất hữu cơ nhiễm bẩn và làm kết lắngbùn nhanh.

Để xử lý nước thải bằng bùn hoạt tính có hiệu quả, cần sử dụng nhiều biệnpháp khác nhau để tạo bùn hoạt tính nhằm tăng số lượng cũng như hoạt lực của cácVSV có trong đó như: lấy bùn hoạt tính ở nơi xử lý khác có tính chất giống như nướcthải nghiên cứu, hồi lưu bùn đã dùng ở những bể xử lý nước thải trước trở lại các bểsục khí Ngoài ra, cần chú ý đến các yếu tố ảnh hưởng đến sinh trưởng và phát triểncủa VSV có trong bùn hoạt tính như:

- Nhiệt độ của nước thải: Nếu nhiệt độ cao thì phải có thiết bị hạ nhiệt độxuống khoảng 25 – 300

- Tỷ số BOD5: N: P: Đây là các chỉ số cần được quan tâm khi cân bằng dinhdưỡng cho VSV trong nước thải Tỷ lệ BOD5: N: P được đề xuất tối ưu là 100: 5: 1.Ngoài chất hữu cơ, nitơ và photpho là hai nguồn dinh dưỡng quan trọng cho sự tạothành tế bào mới và hoạt động của VSV trong bùn hoạt tính Ngoài ra, để phát huyđược vai trò của bùn hoạt tính đến điều kiện hiếu khí hay nồng độ oxy hòa tan trongnước, chúng ta phải quan tâm trong các quy trình công nghệ xử lý nước thải bằng bùnhoạt tính Có thể làm tăng nồng độ oxy hòa tan bằng cách tăng mặt thoáng của ao hồ,

áp dụng các biện pháp sục khí và khuấy cưỡng bức [16]

- Cách tạo bùn hoạt tính:

+/ Môi trường tạo bùn hoạt tính: là nước thải có cùng hoặc gần giống với phổnhiễm bẩn của nước thải cần xử lý Môi trường tạo bùn cần được bổ sung các nguồndinh dưỡng N, P theo tỉ lệ BOD5: N: P = 100: 5: 1, đường kính (hoặc glucoza,mantoza) với hàm lượng khoảng 50 g/l môi trường;

+/ Giống VSV: là bùn hoạt tính lấy từ các nơi khác hoặc những bể chứa nước thảicần xử lý đã hình thành bùn ở điều kiện hiếu khí trong các nguồn nước thải giốngnhau Bùn này được cho vào bình tam giác theo tỷ lệ 5 – 10% rồi đặt trên máy lắc cótốc độ 180 – 200 vòng/phút ở 25- 30 0

C, trong thời gian từ 24 – 48 tiếng Sau đó lấycặn bùn từ bình tam giác đưa vào các thùng lớn chứa môi trường có sục khí để kíchthích sinh trưởng trong điều kiện hiếu khí rồi chuyển sang hệ thống xử lý Bùn hồi lưu

có thể được làm tái sinh hay hoạt hóa để tăng hoạt lực của bùn trong các bể xử lý đã

có tỉ lệ môi trường thích hợp và sục khí tích cực trong vài giờ, sau đó bùn được quaytrở lại các bể xử lý hiếu khí khác [1]

1.3 Nghiên cứu khả năng xử lý nước ô nhiễm bằng vi tảo

Tảo là thực vật bậc thấp, sống theo kiểu quang tự dưỡng, dị dưỡng hoặc tạpdưỡng Có loại tảo có cấu trúc đơn bào, có loại mọc nhánh dài Chúng là thực vậtphù du, có thể trôi nổi ở trong nước hay móc vào các giá đỡ (loài thực vật khác).Trong số khoảng 50.000 loài tảo trên thế giới thì vi tảo chiếm đến 2/3 [90] Nhiềuloài tảo, như vi tảo còn được xếp vào nhóm VSV, tảo lam được xếp vào nhóm vikhuẩn lam Tảo phát triển làm nước có màu sắc, thực chất là màu sắc của tảo (tảo

lam Anabaena cylindrica làm cho nước có màu xanh lam, Oscilatoria rubecens làm cho nước ngả màu hồng, các loài khuê tảo Melorisa, Navicula làm cho nước có màu

vàng nâu ) [16]

Trong nước thải giàu nguồn N và P là điều kiện tốt cho tảo phát triển Nguồn

CO2 có thể do VSV hoạt động thải ra trong nước, phân hủy các chất hữu cơ tạothành và cung cấp cho tảo hoặc từ không khí

Cơ sở sinh học của việc sử dụng một số loài tảo để xử lý nước thải là dựavào đặc tính sinh trưởng tự nhiên của chúng Tảo sử dụng CO2 hoặc bicacbonat làm

nguồn cacbon và nguồn nitơ, photpho vô cơ để cấu tạo tế bào dưới tác dụng củanăng lượng ánh sáng mặt trời, đồng thời thải ra khí oxy Quá trình quang hợp củatảo được biểu diễn như sau:

ánh sáng

CO2 + NH4 + PO43- Tế bào tảo mới (tăng sinh khối) + O2

Các khí oxy phân tử sinh ra làm giàu thêm hàm lượng oxy hòa tan trongnước, tạo điều kiện thuận lợi giúp vi khuẩn hiếu khí phát triển và thúc đẩy các phảnứng oxy hóa - khử trong quá trình phân hủy hiếu khí các chất hữu cơ xảy ra nhanhhơn

Vai trò chính của tảo và thực vật thủy sinh là khử nguồn amonium hoặcnitrat, cùng nguồn photphat có trong nước Việc làm giảm các chất hữu cơ ô nhiễmtrong nước chủ yếu là nhờ một số loại vi khuẩn, tảo và thực vật khác chỉ sinh oxy

và có rễ để vi khuẩn bám vào, cùng tán lá che chắn làm giảm tác động của ánh sángmặt trời giúp vi khuẩn khỏi chết và tạo điều kiện cho chúng hoạt động tốt hơn

Các loài vi tảo có thể làm thức ăn tự nhiên trong nuôi trồng thủy sản Một sốloài tảo có khả năng phát triển trên một số loại nước thải đóng vai trò quan trọngtrong quá trình làm sạch nước thải Cùng với các VSV khác, vi tảo giữ vai trò nhưmáy lọc sinh học tự nhiên, trực tiếp hấp thu tất cả những sản phẩm thừa, sản phẩmsau cùng của phân huỷ hữu cơ và chuyển hoá chúng sang dạng ít độc hại hơn hoặcphân giải chúng thành những vật chất khác đơn giản và vô hại Những loại tảo và vikhuẩn lam nước ngọt được sử dụng phổ biến trong quá trình xử lý nước thải chủ

yếu thuộc các chi Chlorella, Spirulina, Scenedessmus…Từ nhiều năm qua đã có

nhiều nghiên cứu trong và ngoài nước về việc ứng dụng các loài tảo trong xử lýnước ô nhiễm Tại Việt Nam, năm 2010, nghiên cứu tại trường Đại học Bách khoa

TP Hồ Chí Minh đã chứng minh loài tảo Tetraselmis sp có khả năng làm sạch

nước thải nuôi tôm sú [80] Tại Trung Quốc, năm 2009, nghiên cứu của trường Đạihọc Nanchang cũng đã chứng minh được khả năng xử lý nước thải đô thị rất hiệu

quả của loài tảo Chlorella [47] Năm 2010, các nhà nghiên cứu của Thụy Điển cũng

chỉ ra các loài vi tảo có hiệu quả xử lý nitơ và photpho có trong nước thải rất tốt,hiệu suất xử lý nitơ đạt 60 - 80% và photpho đạt từ 60 – 100% trong các tháng củamùa hè [43].

1.4 Giới thiệu chung về tảo lam Spirulina

1.4.1 Đặc điểm hình thái và cấu trúc tế bào của tảo lam Spirulina

Tảo lam được xếp vào nhóm vi khuẩn lam, là loài VSV đầu tiên có khả năngquang hợp và sinh ra khí oxy được phát hiện từ hơn 3,5 tỷ năm trước [39]

Spirulina (Athrospira) platensis thuộc ngành vi khuẩn lam (Cyanophyta), lớp Cyanophyceae, bộ Oscillatoriales, họ Oscillatoraceae, chi Spirulina

Spirulina là tảo đa bào, dạng sợi Có hai loài quan trọng là Spirulina maxima

và Spirulina platensis Chiều dài sợi tảo Spirulina có thể đạt 250 µm Spirulina có 5

– 7 vòng xoắn, dạng lò xo không phân nhánh Bước xoắn có chiều dài khoảng 60

µm, đường kính xoắn khoảng 35 – 50 µm [13] Sợi tảo có khả năng tự chuyển động

theo kiểu thanh trượt quanh trục của sợi Một số hình ảnh về tảo Spirulina được

minh họa trên hình 1

a/product_info.php?products_id=56" http://www.naturezadivina.com.br/loja/product_info.php?products_id=56]

Tế bào tảo Spirulina chưa có nhân điển hình, vùng nhân là vùng giàu axit

nucleic chưa có màng nhân bao bọc, phân bố trong nguyên sinh chất Ngoài ra, tế

bào Spirulina không có không bào thực, chỉ có không bào chứa khí làm chức năng điều chỉnh tỷ trọng tế bào Nhờ có không bào chứa khí mà Spirulina có thể nổi lên mặt nước Mặc dù không có ty thể và mạng lưới nội chất song tế bào Spirulina vẫn

có ribosom và một số thể vùi như các hạt polyphotphat, glycogen, phycocyanin,carboxysome và hạt mesosome

Thành tế bào Spirulina có cấu trúc nhiều lớp, không chứa xenlulo mà chứa

mucopolyme pectin và các loại polisaccarit khác Màng tế bào nằm sát ngay bên

dưới thành tế bào và nối với màng quang hợp thylakoid tại một vài điểm Spirulina

không có lục lạp mà chỉ chứa thylakoid quang hợp nằm rải rác trong nguyên sinhchất [7]

1.4.2 Đặc điểm sinh lý, sinh hóa và thành phần dinh dưỡng của tảo lam

Spirulina

1.4.2.1 Đặc điểm sinh lý

Tảo lam Spirulina có thể phân bố rộng rãi trong đất, nước ngọt, nước lợ,

nước mặn và cả trong những suối nước nóng Ngoài hàm lượng chất dinh dưỡngcần thiết cho tảo là nguồn cacbon và nguồn nitơ, photpho, sinh trưởng của loài tảonày còn chịu ảnh hưởng bởi một số yếu tố vật lý như sau:

+/ Yếu tố nhiệt độ: Sinh trưởng của Spirulina đạt tối ưu ở 35 – 370C trong

điều kiện phòng thí nghiệm Spirulina phát triển rất chậm dưới 250C Ở nhữngnguồn nước có nhiệt độ 450C hay những suối nước nước nóng có nhiệt độ 600C vẫnthấy sự hiện diện của tảo này [82]

+/ Yếu tố ánh sáng: Tảo Spirulina ít bị chi phối bởi chu kì sáng tối Cường

độ ánh sáng thích hợp nhất cho Spirulina phát triển nằm trong khoảng 25 – 30 klux.

+/ Yếu tố pH: Spirulina phát triển trong khoảng pH từ 8,3 – 11 Tuy nhiên,

pH của môi trường tối ưu cho sinh trưởng và phát triển của tảo là từ 8,5 – 9 Tạikhoảng pH này, nguồn cacbon vô cơ được đồng hóa nhiều nhất [30]

Chu kì phát triển của tảo Spirulina rất ngắn, thời gian thế hệ chỉ kéo dài trong 24 giờ Tảo lam Spirulina có hai hình thức sinh sản:

+/ Sinh sản sinh dưỡng: Hình thức sinh sản này được thực hiện bằng cách

đứt từng khúc trên sợi tảo;

+/ Sinh sản vô tính: Spirulina sinh sản vô tính bằng cách tạo bào tử khi điều

kiện sống không thuận lợi [13]

1.4.2.2 Đặc điểm sinh hóa

Đặc điểm sinh hóa nổi bật của Spirulina là có hàm lượng protein rất cao,

chiếm khoảng 50 – 70% trọng lượng của tế bào, trong khi các thực phẩm được coi

là giàu đạm như đậu đỗ, thịt, phomat cũng chỉ có 20% đạm Nhiều nghiên cứu đã

chỉ ra rằng đạm trong Spirulina hoàn toàn không có hại Và cũng khác với các loại đạm khác, đạm trong Spirulina rất dễ hấp thụ do các axit amin hầu như ở dạng tự

do Tỷ lệ hấp thụ đạm trong Spirulina là hơn 90% [73].

Thành phần hóa học của tảo Spirulina so với % trọng lượng khô (TLK) như

sau: protein tổng số 50 – 70%; gluxit 13 – 16%; lipit 7 – 8%; axit nucleic 4,29%;chlorophylla 0,76%; carotenoit 0,23%; tro 4 – 5% Tuy nhiên, thành phần sinh hóa

của tảo Spirulina thay đổi tùy thuộc vào điều kiện nuôi trồng [13].

Protein của tảo Spirulina chứa hầu hết các loại axit amin thay thế và không

thay thế, tỉ lệ của các axit amin này khá cân đối Tổ chức lương thực thực phẩm thếgiới (FAO) đã công nhận loại tảo này là nguồn thực phẩm chức năng bổ sung cho

người rất tốt [17] Trong số các axit amin trong tảo có 4 loại axit amin không thể

thay thế quan trọng sau: lyzin, methionin, phenylanalin, tryptophan (là nguyên liệugốc để tổng hợp vitamin B3) Không chỉ cung cấp các axit amin không thể thay thế,

tảo Spirulina còn là nguồn cung cấp các axit béo không bão hòa quan trọng mà cơ thể không thể tự tổng hợp được, trong đó đặc biệt quan trọng là các axit γ –linoleniclinolenic khiến cho Spirulina trở thành một loại thực phẩm có giá trị chống suy dinh dưỡng

và chống béo phì Các carotenoit chính ở Spirulina là oscillaxanthin,

mycoxanthophyll, zeaxanthin, hydro-echinenon, β-carotene, β-crytoxanthin,

echinenon Các lipit chủ yếu của Spirulina là mono-di-galactosyldiglycerrid và

phosphatidyglycerol [7]

Đặc biệt, tảo Spirulina là loại thực vật chứa hàm lượng β-carotene (tiền

Vitamin A) cao nhất, gấp 10 hàm lượng β-carotene có trong cà rốt, được biết đếnnhư loại rau quả thông dụng giàu β-carotene nhất trong thực phẩm hàng ngày [35]

β-carotene trong Spirulina là chất chống ôxy hóa mạnh nhất, giúp tiêu diệt các gốc

tự do là nguyên nhân của bệnh tật và gây chết Dùng liều cao β-carotene trong khẩuphần dinh dưỡng hàng ngày sẽ phòng chống rất hiệu quả các dạng ung thư [42]

Tảo Spirulina còn có vitamin thuộc nhóm B – loại vitamin rất cần thiết cho

hoạt động của các cơ, hệ tiêu hóa, rất tốt cho mắt, gan, da, vòm miệng, tóc, giúp

điều hòa hệ thần kinh, điều chỉnh lượng cholesterol trong máu Trong tảo Spirulina

còn có sắc tố màu lam phycocyanil, không tồn tại trong bất kỳ thực phẩm nào khác.Phycocyanil giúp ổn định quá trình trao đổi chất và tăng cường hệ miễn dịch, hỗ trợhoạt động của gan trong các trường hợp phải điều trị bằng nhiều loại thuốc Kết hợpcùng với các vitamin, phycocyanil được sử dụng trong điều chế các dược phẩm điềutrị ung thư [74]

1.4.2.3 Thành phần dinh dưỡng

Năm 1964, nhà thực vật học người Bỉ đã phát hiện ra một bộ tộc thổ dân ởchâu Phi có nhiều người già ở tuổi bách niên, hơn nữa họ hầu như không đau ốm,trong khi tuổi thọ trung bình của người dân châu Phi thời đó chỉ là 35 Nguyên nhân

là do trong khẩu phần ăn hàng ngày của bộ tộc đó đều có một loại bánh màu xanh,hình thù tương tự như bánh mỳ dẹt Những chiếc bánh này được làm từ loại rong

vớt trên mặt hồ và sau đó được sấy khô dưới nắng Loại tảo đó chính là Spirulina platensis [72] Hai mươi năm sau, vào những năm cuối thập kỷ tám mươi thế kỷ 20

- nhiều giá trị dinh dưỡng và chức năng sinh học của tảo Spirulina đã được khám

phá và công bố rộng rãi ở nhiều nước khác trên thế giới như Mỹ, Nhật, Canada,Mehico, Đài Loan…

Là một loại tảo quang tự dưỡng, Spirulina sử dụng CO2 và đồng hóa nitơ chủyếu ở dạng NO3- và nhiều dạng nitơ khác như NH4 , NO2-, (NH2)CO dưới tác dụngcủa ánh sáng mặt trời Các thành phần dinh dưỡng trong tảo gồm có:

- Dinh dưỡng cacbon: Nguồn cacbon được sử dụng để nuôi cấy tảo Spirulina là CO2

và NaHCO3 Spirulina phát triển thuận lợi ở môi trường có HCO3- hơn CO32- Khitiến hành sục khí CO2 vào môi trường nuôi cần phải kết hợp với cung cấp muốibicacbonat để tạo pH thích hợp cho tảo phát triển Trong thực tế nuôi trồng

Spirulina, người ta thường bổ sung 16,8g/l NaHCO3 và sục khí CO2 1%, ở nhiệt độ33-350C, cường độ ánh sáng 25 klux Ngoài ra, tế bào tảo Spirulina platensis có thể

sinh trưởng theo kiểu tạp dưỡng do có khả năng sử dụng đồng thời cacbon hữu cơ

và vô cơ dưới tác dụng của ánh sáng [23]

- Dinh dưỡng nitơ: Các muối nitrat là nguồn nitơ thích hợp cho tảo Spirulina phát

triển Hàm lượng nitrat cho vào môi trường phải lớn hơn 100 mg/l Urê cũng lànguồn nitơ thông dụng với nồng độ thường được sử dụng là 1,5 mg/l Ngoài ra, axit

nitric cũng được sử dụng làm nguồn nitơ cho tảo Spirulina nhưng ở nồng độ thấp

[13]

- Dinh dưỡng photpho: Photpho được tế bào tảo sử dụng để tổng hợp ATP, axit

nucleic và các hợp chất cấu tạo khác Năng suất của tảo Spirulina đạt tối đa ở nồng

độ photpho là 90 – 180 mg/l sau 14 ngày [21] Nếu thiếu hoàn toàn photpho trong

môi trường nuôi, quang hợp của tảo Spirulina giảm sau 14 ngày, còn sinh trưởng

giảm sau 5 ngày [23]

- Dinh dưỡng khoáng: là nguồn dinh dưỡng đóng vai trò quan trọng cho sự sinhtrưởng và phát triển của tảo

+/ Tảo Spirulina rất ưa muối Trong môi trường ưu trương, hàm lượng kali

có thể lên tới 5 g/l và natri có thể lên tới 18 g/l Trong nuôi trồng tảo Spirulina, cần

chú ý đến tỉ lệ K/Na phải nhỏ hơn 5 Nếu tỉ lệ này lớn hơn 5, tảo sẽ bị chậm pháttriển hoặc cấu trúc tảo sẽ bị phá vỡ

+/ Mg đóng vai trò tương tự như photpho trong việc tổng hợp cácpolyphotphat Canxi không ảnh hưởng rõ đến sinh trưởng của tảo

+/ Fe ảnh hưởng trực tiếp đến sinh trưởng và hàm lượng protein trong tảo.

Tảo Spirulina có thể sinh trưởng bình thường trong giới hạn nồng độ sắt khá rộng,

từ 0,55 – 56 mg/l môi trường [21]

+/ Các nguyên tố vi lượng khác như Zn, Cu, Mn….không ảnh hưởng rõ rệtđến hàm lượng protein, nhưng có ảnh hưởng tới một số thành phần vitamin của tảo

Spirulina [13].

Nhờ những đặc điểm về sinh hóa và thành phần dinh dưỡng mà tảo Spirulina

được coi là nguồn thực phẩm bổ sung rất tốt để chăm sóc và tăng cường sức khỏe

cho con người ở mọi lứa tuổi Bắt đầu từ việc đưa tảo Spirulina vào khẩu phần dinh

dưỡng không thể thiếu cho các phi hành gia vũ trụ, các nhà thám hiểm và các lực

lượng tác chiến cơ động trong quân đội, từ những năm 1980 đến nay, tảo Spirulina

đã trở nên rất thông dụng trên toàn thế giới Sau hơn 50 năm được sản xuất công

nghiệp, Spirulina vẫn được coi là sản phẩm an toàn, sử dụng nhiều nhất trong nhóm

bổ sung dinh dưỡng Loài tảo này đang được nghiên cứu để sử dụng rộng rãi trongcông nghiệp thực phẩm làm thức ăn bồi bổ sức khỏe, làm thuốc điều trị suy dinhdưỡng, thực phẩm chống béo phì Axit béo gamma linolenic (GLA) chứa trong tảo

Spirulina rất cần thiết cho sức khỏe Hiện nay các sản phẩm chứa Spirulina đã có

mặt rộng rãi trên thị trường như bột dinh dưỡng Enalac, Linafort, Supermilk…

Ngoài dạng thực phẩm quen thuộc, tảo Spirulina còn có mặt trên thị trường dưới

dạng dược phẩm như Linavina (Mekophar), viên bọc đường hoặc viên nang dùng

bổ sung dinh dưỡng cho những người cần cung cấp protein khi đang điều trị viêmgan, xơ gan, tiểu đường hoặc loét dạ dày Hình 2 minh họa một vài hình ảnh về

Spirulina platensis trên thị trường dưới dạng dược phẩm.

EMBED MSPhotoEd.3

"http://www.la-boutique-Hình 2 "http://www.la-boutique-Hình ảnh về Spirulina platensis trên thị trường dưới dạng dược phẩm

Theo số liệu của Tổ chức Y tế Thế giới WHO, tảo Spirulina có thể giúp con người phòng chống ít nhất là 70% các loại bệnh Chính vì vậy, tảo Spirulina đã

được EC khuyến cáo, được WHO và Bộ Y tế của nhiều quốc gia trên thế giới côngnhận không chỉ là nguồn thực phẩm sạch mà còn là giải pháp cho phòng và điều trịmột số bệnh của thế kỉ 21 [88]

1.4.3 Tình hình nghiên cứu tảo lam Spirulina

1.4.3.1 Tình hình nghiên cứu tảo lam Spirulina trên thế giới

Năm 1974, DIC – một tập đoàn hóa chất lớn của Nhật Bản đã bắt đầu tập

trung nghiên cứu tảo Spirulina Đây là tập đoàn đầu tiên đã thành công trong việc nuôi trồng Spirulina ở qui mô công nghiệp và thương mại hóa tảo Spirulina trên thế

giới [35] Ngày nay, với 3 trang trại nuôi trồng tại Mỹ, Trung Quốc và Thái Lan, tập

đoàn DIC đã nuôi trồng và sản xuất tảo Spirulina với sản lượng hàng năm lên đến

900 tấn Năm 1979, tại Mỹ, tập đoàn Earthrise cũng đã nghiên cứu và đưa Spirulina

đến với thị trường thực phẩm thiên nhiên Sau đó, vào năm 1982, Earthrise xây

dựng trang trại nuôi trồng Spirulina đầu tiên tại Mỹ Cho đến nay đây là trang trại nuôi trồng Spirulina lớn nhất trên thế giới [86].

Không chỉ được biết đến như một nguồn thực phẩm chức năng trên thế giới,

khả năng xử lý môi trường của tảo lam Spirulina đã được nghiên cứu tại nhiều nước Năm 2000, tại Malaysia, Spirulina được ứng dụng trong xử lý nước thải từ

nhà máy sản xuất dầu cọ [57] Năm 2003, tại Thái Lan, khả năng làm sạch nước

thải ao nuôi tôm của Spirulina cũng đã được chứng minh [32] Tại Nhật Bản, cùng với chủng vi khuẩn tía Rhodobacter sphaeroides và một chủng Chlorella sorokiniana, tảo lam Spirulina cũng được nghiên cứu để ứng dụng trong xử lý nước

thải giàu hàm lượng hữu cơ Hiện nay, việc áp dụng kỹ thuật ADN tái tổ hợp và

công nghệ gen để chuyển gen vào tảo Spirulina đang được tiến hành ở Nhật Bản

nhằm tạo ra những chủng giống tảo có đặc tính mong muốn là một hướng đầy triểnvọng trong việc sử dụng tảo này trong xử lý một số loại nước thải [53] Các nhà

khoa học tại Mehico đã nghiên cứu sử dụng Spirulina để loại bỏ NH4 và PO4

3-trong nước thải chăn nuôi lợn có hiệu quả [55] Năm 2010, Spirulina cũng được các

nhà khoa học Tây Ban Nha chứng minh có khả năng xử lý nước thải ô nhiễm nitơ

và photpho một cách có hiệu quả [34]

Ngoài ra, cũng có nhiều công trình nghiên cứu về khả năng sử dụng tảo lam

Spirulina loại bỏ một số kim loại nặng trong nước thải Năm 2006, công trình nghiên cứu tại Trường Đại học Goana, Italia về khả năng của tảo lam Spirulina

trong việc loại bỏ đồng trong nước thải cũng đã được công bố [62] Năm 2007,Trường Đại học Iowa, Mỹ cũng đã công bố khả năng hấp thụ thủy ngân của chủng

Spirulina platensis [28] Spirulina cũng được chứng minh có hiệu suất hấp thụ

cadimi trong nước rất tốt [60, 51]

1.4.3.2 Tình hình nghiên cứu tảo lam Spirulina tại Việt Nam

Từ cuối những năm 1970, tảo Spirulina được sản xuất đại trà ở một số nước

như Mỹ, Nhật Bản, Mêhicô, Trung Quốc, Ấn Độ, Thái Lan, Đài Loan, Cuba vàViệt Nam

Ở nước ta, tảo Spirulina được nhập nội từ Pháp năm 1972 Nó đã trở thành

một đối tượng nghiên cứu sinh lý, sinh hoá, tại Viện Sinh Vật học (nay là ViệnCông nghệ Sinh học) do cố Giáo sư Nguyễn Hữu Thước chủ trì Những nghiên cứu

về tác động của ánh sáng, nhiệt độ, pH đã cho phép đẩy nhanh quá trình thích ứngcủa tảo này với điều kiện khí hậu của Việt Nam Một môi trường dinh dưỡng rẻ tiền,thích hợp cho tảo này cũng đã được đưa ra dựa trên những nghiên cứu về tác động

của các nguyên tố khoáng lên sinh trưởng và quang hợp của tảo Spirulina Sử dụng các môi trường này tảo Spirulina đã được đưa vào nuôi trồng thử nghiệm đại trà tại

Hà Nội, Bình Thuận, Bến Tre, Thành phố Hồ Chí Minh với một kỹ thuật bổ sungmôi trường trong nuôi trồng đại trà đã được thiết lập [10] Trong khoảng thời gian

1981 – 1985, nuôi trồng Spirulina ở quy mô lớn tại suối nước khoáng Vĩnh Hảo

giàu bicacbonat và các chất khoáng khác, có nhiệt độ cao, gió và ánh sáng quanhnăm đã được tiến hành với quy mô ban đầu là 60 bể (mỗi bể 45m3) với năng suất 8 –10g khô/m2/ngày Cũng trong thời gian này, hàng loạt nghiên cứu ứng dụng sinh

khối Spirulina cho gia cầm, cá, vịt, ong, tằm cũng đã được thực hiện.

Vào đầu thời điểm những năm 1980s, ở Thuận Hải hai sản phẩm Spirulina

-“Linavina” và “Lactogyl” đã có mặt trên thị trường được dùng làm thuốc bổ dưỡng.Các bệnh viện Thống Nhất, Bệnh viện phụ sản Từ Dũ, Bệnh viện tỉnh Thuận Hải,Trung tâm dinh dưỡng trẻ em thành phố Hồ Chí Minh cũng tiến hành thử nghiệm sử

dụng sinh khối Spirulina trong phòng chống suy dinh dưỡng ở trẻ em và người già [11, 21] Trong giai đoạn 1986 – 1990, diện tích nuôi trồng Spirulina ở Thuận Hải

được nâng lên 5000m2 với sản lượng đạt được 6 tấn khô/ năm, giá bán 10 – 12 USD/1kg

Những nghiên cứu sâu về nguồn cacbon và công nghệ sử dụng CO2 trực tiếp(không qua phối trộn khí) đã được thử nghiệm thành công tại hai cơ sở nuôi trồngtảo này ở Bến Tre và Đồng Nai Hàng loạt công trình nghiên cứu nhằm đánh giá

tổng quát hàm lượng các chất có hoạt tính sinh học của Spirulina cũng đã được các

nhà khoa học Việt Nam nghiên cứu Nhằm tận dụng nguồn nước biển, nước lợ cho

khả năng sản xuất Spirulina trong tương lai nên những nghiên cứu về khả năng

chống chịu muối NaCl của tảo này cũng đã được nghiên cứu Khả năng sử dụng

nước khoáng Đắc Min (tỉnh Đắc Lắc) để sản xuất đại trà tảo Spirulina với công

nghệ thích hợp cũng đã được quan tâm nghiên cứu trong giai đoạn này [7] Một quy

trình công nghệ tách chiết sắc tố lam từ Spirulina để ứng dụng cho bệnh nhân ung

thư và tai, mũi, họng cũng đã được hoàn chỉnh Chế phẩm “Phycobleu” đã đượctrường Đại học Y khoa Hà Nội thử độc tính và dùng thử nghiệm cho bệnh nhân tạiViện Tai Mũi Họng Hà Nội [21]

Sinh khối của tảo lam Spirulina dùng để tách chiết các chất có hoạt tính sinh

học có giá trị dinh dưỡng làm thực phẩm chức năng cho người và động vật, nguồnphân bón sinh học và vai trò của nó trong xử lý môi trường cũng đã được đi sâunghiên cứu [7] Khả năng nuôi trồng tạp dưỡng, ảnh hưởng của một số nguồncacbon hữu cơ (như glucose, fructose, galactose, saccarose, L-arginine, axetat natri)

lên sự sinh trưởng của tảo lam S platensis cũng như quang hợp và sinh trưởng của

tảo này trong điều kiện thiếu nitơ, phốtpho và kali đều đã được nghiên cứu Các kếtquả thu được cho thấy các điều kiện nêu trên đã ảnh hưởng rất rõ rệt lên tốc độ

quang hợp, sinh trưởng cũng như hàm lượng sắc tố của S platensis [26] Các nguồn

phế thải hữu cơ như rỉ đường, nước thải ươm tơ, phế thải công nghiệp rượu bia cũng

đã được thử nghiệm để nuôi thu sinh khối tảo này [23] Hướng nghiên cứu này cótriển vọng rất to lớn vì vừa bảo đảm làm sạch môi trường vừa hạ giá thành sảnphẩm, đồng thời rất có ý nghĩa về mặt sinh thái môi trường Tất nhiên, vấn đề về kỹthuật và công nghệ của hướng nghiên cứu này cần được tiếp tục nghiên cứu

Ngoài ra, hoạt tính sinh lý của dịch tảo S platensis lên sinh trưởng của lúa ở

giai đoạn nảy mầm, lên sự ra rễ của cành giâm Đậu xanh và Đậu cô ve cũng đã

được nghiên cứu [3] Nghiên cứu dịch chiết phycoxianin từ tảo lam S platensis và

ứng dụng của nó trên chuột thuần chủng BAL/C để hạn chế sự phát triển tế bào ungthư của mô liên kết180 khoảng 70-80% đã được công bố [14]

Ứng dụng của vi tảo trong sản xuất thức ăn cho ấu trùng một số loài tômcũng đã được nghiên cứu với chất lượng luôn ổn định, giá thành của chế phẩm cóthể chấp nhận được [10]

Triển vọng sử dụng nước biển và nước lợ cho nuôi trồng đại trà Spirulina ở

nước ta trong tương lai cũng đã được đề cập thông qua các nghiên cứu sử dụngnguồn nước biển để nuôi trồng tảo này cũng như ảnh hưởng của các nồng độ NaCl

khác nhau lên các đặc điểm sinh lý, sinh hoá của tảo lam Spirulina cũng đã được

tiến hành nghiên cứu [4] Nghiên cứu các phương pháp chuyển gien trên đối tượng

tảo Spirulina để tiến tới áp dụng thành công kỹ thuật ADN tái tổ hợp trong việc tạo

ra dược các chủng tảo lam có những đặc tính mong muốn cũng đã được công bố [5,20]

Nghiên cứu tảo lam Spirulina của Nguyễn Thị Kim Hưng (Trung tâm Dinh

dưỡng trẻ em TP Hồ Chí Minh) và cộng sự với đề tài "Nghiên cứu sản xuất và sử

dụng thức ăn có tảo Spirulina trong dinh dưỡng điều trị" đã đạt giải nhì trong hội

thi sáng tạo kĩ thuật cấp thành phố năm 1998 Năm 2009, tại Hội nghị Công nghệ

sinh học toàn quốc, đề tài “Nghiên cứu nuôi Spirulina platensis bằng phương pháp

kín sạch thành thức uống dùng tươi có giá trị dinh dưỡng và chức năng” của LêChiến Phương (Viện Sinh học Nhiệt đới TP.Hồ Chí Minh) cũng đã được công bố

Năm 2008, công ty Cổ phần hỗ trợ và phát triển công nghệ DETECH cũng

đã phối hợp cùng các nhà khoa học của Viện Khoa học và Công nghệ Việt Nam sản

xuất thành công 5 sản phẩm từ tảo Spirulina là Spir@ Loại sản phẩm này đã được

Cục An toàn vệ sinh thực phẩm - Bộ Y tế cấp phép lưu hành trên thị trường [89]

Sinh khối của tảo lam Spirulina không chỉ được nghiên cứu dùng để tách

chiết các chất có hoạt tính sinh học có giá trị dinh dưỡng làm thực phẩm chức năngcho con người và động vật mà vai trò quan trọng trong xử lý môi trường của tảo

lam Spirulina cũng được đi sâu nghiên cứu Tảo lam Spirulina đã được sử dụng

trong xử lý nước thải giàu amoni từ một số nguồn phân hoá học trong trồng trọt ởViệt Nam để giảm thiểu ô nhiễm môi trường và giảm giá thành sản phẩm từ

Spirulina [14] Ngoài ra, các thử nghiệm nuôi trồng tảo này bằng nguồn nước thải

ươm tơ tằm, nước thải của nhà máy phân đạm, nước thải từ hầm biogas….đã đượctriển khai, ngay cả các nguồn phế thải hữu cơ như rỉ đường, phế thải công nghiệprượu bia cũng đã được thử nghiệm để nuôi trồng và thu sinh khối tảo này [23].

Nhiều cơ sở nuôi trồng, sản xuất và chế biến các sản phẩm từ tảo Spirulina đã được

thành lập với công nghệ nuôi tảo trên các bể nông xây bằng xi măng sử dụng khí

CO2 của công nghệ tạo nguồn cacbon, nguồn CO2 trực tiếp lấy từ các nhà máy bia,cồn, rượu…nén hóa lỏng vào bình chứa Đó là các cơ sở như Vĩnh Hảo (BìnhThuận), Châu Cát, Suối Nghệ (Đồng Nai), Đắc Min (Đắc Lắc) [89]

Trước thực trạng ô nhiễm môi trường ở Việt Nam nói chung và đặc biệt môitrường xung quanh các làng nghề truyền thống nói riêng đang bị ô nhiễm ở mức

báo động, việc sử dụng VSV và vi tảo lam Spirulina để xử lý môi trường là hoàn

toàn có thể áp dụng được, có tính khả thi cao [5] Tuy nhiên, giá thành xử lý sẽ cao

do chi phí cho các thiết bị để lắp đặt, xây dựng hệ thống các bể xử lý nước thải

lớn….Trong bối cảnh trên, nếu chúng ta tạo chọn được các chủng tảo lam Spirulina

có khả năng tổng hợp cao các chất có hoạt tính sinh học (như chất dẻo sinh học)bằng các tác nhân vật lý như UV, tia phóng xạ có liều thấp, các chất gây đột biếnnhân tạo cũng như các kỹ thuật di truyền và sau đó sử dụng chính các chủng tảo

này để xử lý nước thải, đồng thời thu sinh khối tảo để khai thác các chất có hoạt

tính sinh học là một hướng đi đúng, có tính khả thi cao Việc kết hợp xử lý nước

thải của các làng nghề truyền thống giàu tinh bột bằng VSV và tảo lam Spirulina

kết hợp với việc tách chiết các chất có hoạt tính sinh học như chất dẻo sinh học từsinh khối tảo sẽ làm giảm giá thành xử lý, có tính khả thi cao và có ý nghĩa cả vềmặt khoa học và thực tiễn

1.5 Giới thiệu chung về chất dẻo sinh học và PHAs

1.5.1 Giới thiệu chung về chất dẻo sinh học

Chất dẻo là các hợp chất cao phân tử, còn được gọi là nhựa hoặc polyme.Chúng có khả năng bị biến dạng khi chịu tác dụng của nhiệt độ, áp suất và vẫn giữđược sự biến dạng đó khi thôi tác dụng Chất dẻo sinh học (bioplastic) là một nguồnvật liệu polyme mới đang được các nhà khoa học quan tâm nghiên cứu Không chỉ

được tổng hợp từ thực vật và các loài ngũ cốc quen thuộc trong đời sống hàng ngàynhư ngô, lúa mì, củ cải, khoai tây, dầu đậu nành,…chất dẻo sinh học còn có nguồn

gốc từ các loài VSV, trong đó có tảo lam Spirulina (Arthrospira) Chất dẻo sinh học

có thời gian phân hủy khá nhanh trong môi trường Nếu như chất dẻo truyền thốngnhư polyetilen (PE) phải mất gần bốn thế kỷ mới hoàn toàn bị thoái hóa thì việctrộn lẫn PE với chất dẻo sinh học, thời gian thoái hóa rút ngắn chỉ còn 4 đến 5 nămtrong điều kiện môi trường bình thường, thậm chí chỉ còn 20 ngày nếu trộn lẫn vớiphân hữu cơ compost và ủ trong điều kiện nhiệt độ khoảng 50 - 600C với sự có mặtcác vi khuẩn ưa nhiệt [71]

Chất dẻo sinh học có đặc tính của hợp chất polyme giống như chất dẻo thôngthường như: có trọng lượng phân tử lớn, có tính chịu nhiệt và đàn hồi cao Tuynhiên, chất dẻo sinh học có những ưu điểm hơn hẳn so với chất dẻo thông thườngnhư: khả năng tái sử dụng cao, có thể thay thế các nguồn nhiên liệu truyền thống làdầu mỏ và lợi thế quan trọng nhất là không gây ô nhiễm môi trường do có nguồngốc chủ yếu từ thực vật, các loại VSV và thời gian phân hủy tương đối ngắn Chính

vì những ưu điểm nổi trội này mà chất dẻo sinh học được coi là giải pháp tiết kiệmnăng lượng trong quá trình sản xuất, làm giảm sự lệ thuộc vào dầu mỏ - một loại tàinguyên quý báu đang có nguy cơ cạn kiệt và có thể mở ra một kỷ nguyên côngnghiệp mới [49]

Quá trình tổng hợp chất dẻo sinh học có thể chia thành 3 loại dựa vào nguồnnguyên liệu tổng hợp ban đầu:

+/ Dựa vào hợp chất polyme tự nhiên;

+/ Dựa vào quá trình lên men của thực vật;

+/ Tổng hợp trực tiếp từ VSV

Chất dẻo sinh học bao gồm nhiều loại như: PLA (polylactic acid), PHAs(Poly-3-hydroxylalkanoates), aliphactic polyeste, polysaccarit, cellulose acetate,polyamide đang được sử dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực sản xuất công nghiệp[52]

Hiện nay trên thế giới có khoảng 60% bioplastic đang được sử dụng rộng rãitrong ngành công nghiệp dệt và công nghệ đóng gói Năm 2002, bioplastic đã đượccác tập đoàn công nghiệp và điện tử lớn như Toyota, Fujitsu của Nhật Bản ứngdụng để chế tạo một số bộ phận thiết bị sử dụng cho ngành điện tử và công nghệthông tin Năm 2007, PLA cũng đã được sản xuất tại Hàn Quốc với công suất 5000tấn/năm [85] Các nghiên cứu về bioplastic ngày càng thu hút nhiều nhà khoa họctrên thế giới Năm 2009, các nhà khoa học tại Bắc Ai-Len đã nghiên cứu sử dụngthành công kỹ thuật mới để sản xuất chất dẻo sinh học từ cây chuối [84] Năm 2010,các nhà khoa học thuộc Trung tâm Nghiên cứu Almaden của tập đoàn IBM ở NamCalifornia (Mỹ) đã nghiên cứu thành công phương pháp sản xuất chất dẻo sinh học

từ thực vật thân thiện với môi trường [78]

1.5.2 Giới thiệu về PHAs

1.5.2.1 Đặc điểm về cấu trúc

PHAs là một trong các loại chất dẻo sinh học, có bản chất là polyeste củahydroxyalkanoates Lần đầu tiên PHAs được tìm thấy ở một loài vi khuẩn có tên là

Bacillus megaterium năm 1926 [46] Nhiều năm sau, PHAs bắt đầu được phát hiện

trong cơ thể của nhiều loài VSV khác [40, 67, 27, 68] PHAs được tổng hợp và giữ

trong tế bào chất ở dạng không hòa tan, được coi là một dạng năng lượng dự trữ của

tế bào [63] Chúng có thể bị phân hủy nhờ quá trình trao đổi và xúc tác của enzymnội bào thành cacbon và giải phóng năng lượng, hỗ trợ dinh dưỡng cho tế bào.Trong tế bào, PHAs thường được giữ dưới dạng các hạt riêng biệt (granules), kíchthước và số lượng của các hạt biến đổi tùy thuộc vào các loài VSV Riêng trong một

tế bào ở loài Alcaligenes eutrophus có khoảng 8-13 hạt với đường kính hạt tương

ứng khoảng 0,2 – 0,5 µm quan sát được dưới kính hiển vi điện tử [29] PHAs gồmhơn 150 monome, chiều dài mạch từ 3 – 14 nguyên tử cacbon với trọng lượng phân

tử khoảng 50.000 – 1000.000 daltons [41]

Cấu trúc của PHAs được minh họa trên hình 3

Hình 3 Cấu trúc của PHAs

[Nguồn: Ngô Thị Hoài Thu, 2006]

PHAs được chia thành hai nhóm tùy thuộc vào số nguyên tử cacbon trong phân tử:+/ PHAs mạch ngắn: bao gồm 3 – 5 nguyên tử cacbon;

+/ PHAs mạch dài: bao gồm 6 – 14 nguyên tử cacbon

PHAs có đặc tính của các polyme chịu nhiệt như trọng lượng phân tử lớn, độđàn hồi cao, nhiệt độ nóng chảy từ 50 – 1800C [33] Dựa vào số lượng nguyên tửcacbon trong phân tử, PHAs có thể chia thành nhiều loại như: poly (3-hydroxylbutyrate) (PHB), poly (3-hydroxyvalerate) (PHV) và poly (3-hydroxylbutyrate-co-3-3-hydroxyvalerate) (PH-PV) Tính chất vật lý của một vàidạng PHA và polypropylen được chỉ ra trên bảng 2

Bảng 2 Tính chất vật lý của một vài dạng PHA và polypropylen

P (HB-HN)a

propylen

Poly-3 mol % 14 mol % 25 mol %

1.5.2.2 Cơ chế tổng hợp PHA

Cơ chế tổng hợp PHA gồm hai giai đoạn:

+/ Giai đoạn đầu là quá trình đồng hóa hoặc dị hóa nguồn cacbon như đường,axit béo Tùy thuộc vào nguồn cacbon, sẽ có các enzym chuyển hóa tương ứng (3-hydroxyacyl-ACP-CoA transferase).

+/ Giai đoạn hai là quá trình trùng hợp các phân tử nhỏ (monomer) thành cácphân tử lớn (polymer) nhờ xúc tác của enzym chìa khóa PHA synthase

Quá trình tổng hợp PHA được chia thành bốn con đường khác nhau đặctrưng bởi nguồn cacbon được sử dụng Tất cả bốn con đường trên đều có mặtenzym PHA synthase (pha C) – enzym chìa khóa cho quá trình sinh tổng hợp PHA.Cấu trúc của gen mã hóa cho PHA synthase của 40 chủng vi khuẩn Gram dương,

Gram âm và cả ở tảo lam đều đã được xác định như ở Rhodobacter eutropha, Azotobacter caviae, Rhodobacter sphaeroides… PHA synthase của vi khuẩn lam

thuộc tuýp III, bao gồm 2 tiểu phân nhỏ: tiểu phần C (ký hiệu pha C) và tiểu phần E(ký hiệu pha E) Trình tự và cấu trúc protein của 2 gen pha E và pha C đã được xác

định ở một số loài như Chromatium vinosum, Thiocystis violaca và Synechococystics [36, 64] Đến nay, rất nhiều công trình nghiên cứu về khả năng tổng hợp PHA của các chủng vi khuẩn như Bacillus spp., Alcaligenes spp., Pseudomonas spp., Aeromonas hydrophila, Rhodopseudomonas palustris, Escherichia coli, Burkholderia sacchari, Halomonas boliviensis, Halococcus saccharolyticus… đều đã được công bố trên thế giới [45, 50, 59, 69]

1.5.2.3 Ứng dụng của PHAs trong đời sống

Trong 2 – 3 thập kỷ qua, số lượng và chủng loại PHAs được sử dụng trongđời sống ngày càng được mở rộng Cho đến nay, chỉ riêng tại châu Âu lượng PHAstiêu thụ đã đạt khoảng 50.000 tấn/năm [33] Trong nhóm PHA thì poly (3-hydroxybulyrate) (PHB) lẫn các copolyme của chúng như poly (3-hydroxybutyrate-co-3-hydroxyvalerate) có tầm quan trọng lớn và được tổng hợp nhiều nhất P (HB-HV) đã được sử dụng làm film, các chai nhựa và có thể dùng làm nguyên liệu sảnxuất giấy [48] Ngoài ra, với khả năng tự phân hủy, P (HB-HV) cũng được sử dụngtrong y học [44, 41, 70] Sự phân hủy của PHB đã được phát hiện thấy trong các tếbào máu của người, vì vậy có thể sử dụng PHB trong các mô của động vật có vú mà