Nghiên cứu nuôi trồng tảo spirulina bằng nước thải để đồng thời tận dụng chất dinh dưỡng trong nước thải và thu sinh khối tảo giàu protein

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI --- Nguyễn Ngọc Châu NGHIÊN CỨU NUÔI TRỒNG TẢO SPIRULINA BẰNG NƯỚC THẢI ĐỂ ĐỒNG THỜI TẬN DỤNG CHẤT DINH DƯỠNG TRONG NƯỚC THẢI VÀ

PROTEIN

LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC

KỸ THUẬT MÔI TRƯỜNG

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

-

Nguyễn Ngọc Châu

NGHIÊN CỨU NUÔI TRỒNG TẢO SPIRULINA BẰNG NƯỚC THẢI ĐỂ ĐỒNG THỜI TẬN DỤNG CHẤT DINH DƯỠNG TRONG NƯỚC THẢI

VÀ THU SINH KHỐI TẢO GIÀU PROTEIN

Chuyên ngành: KỸ THUẬT MÔI TRƯỜNG

LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC

KỸ THUẬT MÔI TRƯỜNG

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC:

PGS.TS ĐOÀN THỊ THÁI YÊN

HÀ NỘI - NĂM 2019

1

MỤC LỤC

Lời cam đoan 3

Danh mục các kí hiệu và chữ viết tắt 4

Danh mục bảng 5

Danh mục hình vẽ và đồ thị 6

MỞ ĐẦU 7

0.1 Lý do chọn đề tài 7

0.2 Lịch sử nghiên cứu 8

0.3 Mục đích nghiên cứu của luận văn 9

0.4 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu 9

0.5 Tóm tắt nội dung nghiên cứu và đóng góp mới của nghiên cứu 10

0.6 Phương pháp nghiên cứu 10

Chương 1 11

TỔNG QUAN 11

1.1 Tảo Spirulina 11

1.1.1 Đặc điểm hình thái, cấu tạo và sinh sản của tảo Spirulina 11

1.1.2 Thành phần của tảo Spirulina 14

1.1.3 Ứng dụng của tảo Spirulina 17

1.2 Tình hình nghiên cứu, sản xuất của tảo Spirulina trên thế giới và Việt Nam… 19

1.2.1 Tình hình nghiên cứu và nuôi trồng Spirulina trên thế giới và Việt Nam… 19

1.2.2 Một số hệ thống nuôi trồng tảo Spirulina phổ biến 21

1.2.3 Tận dụng nước thải để nuôi tảo Spirulina 25

1.2.4 Một số nghiên cứu có liên quan đến nuôi trồng Spirulina 27

1.3 Một số yếu tố ảnh hưởng đến quá trình phát triển của Spirulina 29

1.3.1 Nhu cầu dinh dưỡng Spirulina 29

1.3.2 Ảnh hưởng của ánh sáng 33

1.3.3 Ảnh hưởng của nhiệt độ 34

1.3.4 Ảnh hưởng của pH 35

2

1.4 Đặc trưng các loại nước thải được nghiên cứu trong luận văn 35

1.4.1 Đặc trưng nước thải chăn nuôi sau Biogas 35

1.4.2 Đặc trưng nước thải bã rượu gạo 36

Chương 2 38

VẬT LIỆU VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 38

2.1 Giống tảo và điều kiện nuôi cấy 38

2.2 Các loại nước thải được thực hiện 38

2.2.1 Nước thải chăn nuôi 38

2.2.2 Nước thải bã rượu gạo 40

2.3 Bố trí thí nghiệm 43

2.3.1 Xác định đặc tính của nước thải từ bã nấu rượu gạo và nước thải chăn nuôi…… 43

2.3.2 Khảo sát ảnh hưởng của tỉ lệ C/N/P 43

2.3.3 Ảnh hưởng của màu ánh sáng đến tốc độ sinh trưởng của Spirulina nuôi bằng nước thải trong hệ thống nuôi ngoài trời 45

2.4 Phương pháp đo và xử lý số liệu 47

Chương 3 49

KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 49

3.1 Đặc tính của nước thải từ bã rượu gạo và nước thải chăn nuôi 49

3.2 Ảnh hưởng của hàm lượng các chất dinh dưỡng (C, N, P) đến khả năng phát triển của Spirulina 50

3.2.1 Ảnh hưởng của hàm lượng các chất dinh dưỡng (C, N, P) đến khả năng phát triển sinh khối Spirulina và tổng hợp protein 50

3.2.2 Hiệu quả loại bỏ các chất ô nhiễm 55

3.3 Ảnh hưởng của phổ màu ánh sáng đến tốc độ sinh trưởng và protein của Spirulina từ hệ thống nuôi trồng ngoài trời 60

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 65

TÀI LIỆU THAM KHẢO 66

Tài liệu Tiếng Việt 66

Tài liệu Tiếng Anh 67

Phụ lục: Một số các kết quả thực nghiệm 72

3

Lời cam đoan

Tác giả xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của tác giả Các số liệu nghiên cứu trong luận văn là trung thực và chính xác Những tài liệu sử dụng trong luận văn có nguồn gốc và trích dẫn rõ ràng

Hà Nội, ngày tháng năm 2019

Học viên

Nguyễn Ngọc Châu

4

Danh mục các kí hiệu và chữ viết tắt

CN Nước thải chăn nuôi sau xử lý yếm khí C/N/P Tỉ lệ mol Cacbon/Nito/Photpho

ĐHBK HN Đại học Bách Khoa Hà Nội

5

Danh mục bảng

Bảng 1 1 So sánh số lượng các acid amin không thay thế của tảo Spirulina với các

loại thức ăn khác (g/100g) [50] 15

Bảng 1 2 Thành phần vitamin nhóm B có trong tảo Spirulina [33] 16

Bảng 1 3 Thành phần chất khoáng có trong tảo Spirulina [33] 16

Bảng 1 4 Tình hình sản xuất tảo Spirulina trên thế giới [20] 20

Bảng 2 1 Thành phần và liều lượng của 1 lít môi trường Zarouk [56] 38

Bảng 2 2 Các quá trình kèm dòng thải trong dây chuyền sản xuất rượu 41

Bảng 2 3 Thành phần dinh dưỡng đầu vào và tỉ lệ mol C/N/P của các mẫu nước thải dùng trong nuôi tảo 44

Bảng 3 1 Đặc tính của nước thải bã rượu gạo 49

Bảng 3 2 Tốc độ sinh trưởng, năng suất thu sinh khối và protein thu được ở các điều kiện dịch nuôi có N/P khác nhau 53

Bảng 3 3 Tốc độ sinh trưởng, năng suất sinh khối và protein tảo Spirulina thu được ở các bố trí màu sáng, nuôi ngoài trời 63

6

Danh mục hình vẽ và đồ thị

Hình 1 1 Hình thái của Spirulina [23] 12

Hình 1 2 Vòng đời của Spirulina [54] 13

Hình 1 3 Hệ thống bể dài (Raceway pond) nuôi trồng Spirulina tại công ty Microbio ở Calipatria, California [22] 22

Hình 1 4 Các thiết kế hệ thống nuôi tảo kín: a) dạng nằm ngang b) dạng ống vòng c) dạng ống đứng d) dạng thùng chứa e) dạng tấm đặt dọc f) dạng tấm đặt ngang [29] 23

Hình 1 5 Hệ thống nuôi tảo trên tầng thượng khách sạn Novotel, Bangkok 24

Hình 2 1 Hệ thống xử lý chất thải chăn nuôi và vị trí lấy mẫu nước thải 39

Hình 2 2 Nước thải chăn nuôi sau biogas, được dùng trong nghiên cứu 40

Hình 2 3 Sơ đồ dây chuyền sản xuất rượu- Viện Công nghệ thực phẩm 41

Hình 2 4 Sơ đồ thu nước thải nấu rượu gạo, dùng để nuôi tảo 42

Hình 2 5 Nước thải bã rượu gạo sau lọc 42

Hình 2 6 Sơ đồ các nghiệm thức và ký hiệu mẫu 43

Hình 2 7 Bình nuôi Spirulina ở các tỉ lệ N/P khác nhau trong phòng thí nghiệm 45

Hình 2 8 Hệ thống nuôi Spirulina ngoài trời 46

Hình 3 1 Đường cong sinh trưởng của Spirulina trong các hỗn hợp nước thải có tỉ lệ N/P khác nhau và bổ sung 3g/l HCO3- 52

Hình 3 2 NH4+ trước/ sau 10 ngày nuôi Spirulina và hiệu suất xử lý NH4+ ở các điều kiện dinh dưỡng N/P khác nhau 56

Hình 3 3 NO3- trước/sau 10 ngày nuôi tảo và hiệu suất xử lý ở các điều kiện dinh dưỡng N/P khác nhau 57

Hình 3 4 PO43- trước/sau 10 ngày nuôi Spirulina và hiệu suất xử lý ở các điều kiện N/P khác nhau 59

Hình 3 5 Đường cong sinh trưởng của tảo Spirulina 61

Hình 3 6 Biến thiên pH theo thời gian nuôi trồng Spirulina 62

Hình 3 7 Biến thiên nhiệt độ theo thời gian nuôi trồng Spirulina 63

Nước thải từ bã nấu rượu gạo chứa hàm lượng chất ô nhiễm rất cao Ở các nhà máy qui mô sản xuất lớn, nước thải từ bã rượu thường được xử lý bằng phương pháp sinh học hiếu khí hay yếm khí trước khi thải ra môi trường Tuy nhiên ở các xưởng sản xuất nhỏ lẻ, hay hộ gia đình, loại nước thải sau khi tách bã rắn thường không được xử lý triệt để trước khi thải

Nước thải chăn nuôi là loại nước thải phổ biến ở nông thôn Việt Nam Hiện nay, sau quá trình xử lý sinh học yếm khí (biogas), nước thải ra vẫn chứa hàm lượng Nito, Photpho khá cao, chưa đạt quy chuẩn xả thải

Việc ứng dụng loại nước thải này cho nuôi trồng vi tảo nói chung và

Spirulina (tảo xoắn) nói riêng là một hướng ứng dụng phù hợp với điều kiện nông

thôn, nhằm tận dụng các thành phần dinh dưỡng sẵn có trong nước thải để tổng hợp sinh khối tảo, nó cũng phù hợp với xu hướng tận dụng tài nguyên nước và thân thiện môi trường

Các nghiên cứu sử dụng nước thải làm môi trường nuôi tảo đã được ứng dụng trong nuôi trồng tảo kết hợp xử lý nước thải từ rất sớm [20,57] Tuy nhiên các

nghiên cứu trước đây thường được tiến hành nuôi trồng tảo xoắn Spirulina với từng

loại nước thải riêng rẽ, chứ chưa phối trộn để nâng cao năng suất sinh tảo Sinh khối

8

tảo nuôi trồng trong hỗn hợp nước thải rượu và chăn nuôi có đặc tính giàu protein (59%-65%), có thể được dùng làm phân bón nông nghiệp, thức ăn chăn nuôi, gia cầm và thủy sản, nguyên liệu cho nhiên liệu sinh học, nhựa sinh học Nuôi trồng

Spirulina trong nước thải để tận dụng nguồn dinh dưỡng N, P và các khoáng có lợi

cho Tảo vừa góp phần xử lý nước thải

Vì vậy, hướng nghiên cứu nuôi trồng tảo Spirulina bằng một số loại nước

thải phổ biến ở nông thôn như nước thải từ bã rượu gạo và nước thải chăn nuôi sau biogas để thu sinh khối tảo xoắn giàu protein và tăng hiệu quả loại bỏ các chất ô

nhiễm trong nước thải cần được tập trung nghiên cứu Đó là lý do đề tài “Nghiên

cứu nuôi trồng tảo Spirulina bằng nước thải để đồng thời tận dụng chất dinh dưỡng trong nước thải và thu sinh khối tảo giàu Protein” được thực hiện

0.2 Lịch sử nghiên cứu

Từ những năm 1930 con người đã biết đến sự có mặt của Spirulina Năm

1960 Clement đã phát hiện loại tảo xoắn này nổi trên mặt nước hồ Chad Đến năm

1975 đã có rất nhiều các nghiên cứu về thành phần dinh dưỡng của loại tảo xoắn này Tuy nhiên cho đến những năm 1966 những nghiên cứu về môi trường nuôi trồng tảo xoắn mới bắt đầu hình thành Năm 1986 Richmond (1986), nghiên cứu

trong phòng thí nghiệm đã sử dụng môi trường SOT để nuôi tảo Spirulina sp Năm

2002, Godia công bố môi trường cơ bản Zarrouk có thành phần dinh dưỡng thấp

hơn và ít hơn môi trường SOT và có thể nuôi tảo Spirulina tốt và cũng mang lại

hiệu quả nuôi sinh khối cao [10] Đây cũng chính là môi trường được dùng phổ biến

hiện nay Ở Việt Nam, môi trường nuôi trồng Spirulina được tiến hành lần đầu vào những năm 1980 Nuôi Spirulina qui mô công nghiệp được bắt đầu vào những năm

1990 [21] Để giảm chi phí hóa chất những nghiên cứu nuôi trồng vi tảo bằng nước thải vi tảo đã được thực hiện vào cuối thế kỷ XX Năm 1989 nghiên cứu về tận dụng nước thải ure để nuôi trồng vi tảo có giá trị dinh dưỡng cao cho thấy nước thải trong công nghệ sản xuất ure được xem như nguồn phân bón cho quá trình nuôi tảo

Spirulina [10] Tuy vậy, vi tảo mới được ứng dụng nuôi trồng trong nước thải với

quy mô nhỏ ở nhiều nơi trên thế giới [19,57] Ứng dụng khả năng của vi tảo sinh

9

trưởng tốt trong nước thải giàu N, P, chất hữu cơ và kim loại để làm giảm các chất ô nhiễm giúp xử lý nước thải hiệu quả với chi phí thấp, thu được sinh khối tảo ứng dụng cho nhiều các mục đích khác nhau và đặc biệt thích hợp ở những nước nhiệt đới và cận nhiệt đới [21,23,42] Việc ứng dụng nuôi trồng vi tảo nói chung và tảo

Spirulina nói riêng bằng nước thải là một hướng ứng dụng phù hợp với xu hướng

tận dụng tài nguyên nước và thân thiện môi trường

0.3 Mục đích nghiên cứu của luận văn

Mục tiêu tổng quát

Tận dụng nước thải, tái sử dụng một số thành phần trong nước thải như là nguồn dưỡng chất để tổng hợp sinh khối tảo và giúp làm sạch nước

Mục tiêu cụ thể:

Xác định các điều kiện tối ưu về dinh dưỡng và phổ màu ánh sáng để nuôi

trồng tảo Spirulina bằng nước thải nhằm thu sinh khối tảo giàu protein ứng dụng

làm thức ăn chăn nuôi, làm phân bón hữu cơ và giúp làm giảm chất ô nhiễm trong nước thải

0.4 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu

+ Đối tượng nghiên cứu

Tảo Spirulina platensis được nuôi trồng trong hỗn hợp 2 loại nước thải gồm

nước thải từ nấu rượu gạo (thải bỏ sau công đoạn chưng cất, đã được lọc bã) và nước thải chăn nuôi (sau khi xử lý yếm khí)

+ Phạm vi nghiên cứu

Đề tài sẽ tiến hành trong phạm vi cụ thể như sau:

Khảo sát các yếu tố ảnh hưởng đến tốc độ phát triển của tảo xoắn và hiệu suất giảm thiểu các thành phần ô nhiễm gồm: i) chế độ dinh dưỡng C, N, P và ii) ảnh hưởng của ánh sáng, nhiệt độ thay đổi ngẫu nhiên do nuôi trồng ngoài trời

Quy mô thí nghiệm:

- Trong phòng thí nghiệm: Thực hiện trong các chai 0,5 – 1 lít, có sục khí trong phòng thí nghiệm

10

- Với mô hình pilot thử nghiệm ngoài trời: với tổng thể tích 150-200 lít.

- Loại nước thải sử dụng trong nghiên cứu: nước thải chăn nuôi và nước thải từ nấu rượu gạo

0.5 Tóm tắt nội dung nghiên cứu và đóng góp mới của nghiên cứu

+ Nội dung nghiên cứu

1 Xác định tỉ lệ phối trộn của hỗn hợp nước thải chăn nuôi và nước thải từ

rượu gạo để phù hợp cho nuôi trồng Spirulina

2 Xác định tỉ lệ N/P ảnh hưởng tốt nhất đến khả năng phát triển của sinh

khối Spirulina và đến tổng hợp, tích lũy protein trong sinh khối

3 Thực nghiệm nuôi Spirulina ngoài trời với màu ánh sáng khác nhau

4 Đánh giá hiệu quả giảm thiểu chất ô nhiễm sau nuôi tảo

+ Đóng góp mới của nghiên cứu

Nghiên cứu tìm ra được các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình nuôi tảo trong hỗn hợp nước thải nhằm mục đích tiết kiệm được chi phí sử dụng phân bón hóa học vừa kết hợp thu được sinh khối tảo và vừa kết hợp xử lý các chất ô nhiễm trong nước thải mà không sinh ra bùn thải

0.6 Phương pháp nghiên cứu

- Phương pháp thực nghiệm: Tiến hành các nghiên cứu thực nghiệm trong phòng thí nghiệm và mô hình ngoài trời

- Phương pháp kế thừa tài liệu

- Phương pháp xử lý thống kê

11

Chương 1

TỔNG QUAN

1.1 Tảo Spirulina

Tảo xoắn Spirulina là tên gọi do nhà tảo học Deurben (Đức) đặt vào năm

1827 dựa trên hình thái tảo có dạng sợi xoắn ốc Năm 1977, Viện sinh vật học là nơi

tiên phong trong việc nuôi trồng Spirulina ở Việt Nam theo mô hình ngoài trời,

không mái che, có sục khí CO2 [9]

Spirulina có hai loài phổ biến nhất là Arthrospira (Spirulina) platensis và Spirulina maxima, là một nhóm vi khuẩn lam (cyanobacteria) đặc trưng bởi các

lông (trichomes) dạng xoắn lỏng sắp xếp thành một hình xoắn ốc mở được bọc trong một lớp màng nhầy Chúng có mặt ở khắp mọi nơi, trong các môi trường khác nhau, đặc biệt là môi trường kiềm, lợ và muối – ở những môi trường này chúng

thường chiếm ưu thế và phát triển nhanh Spirulina platensis đã được tận dụng làm

thực phẩm cho người từ khá sớm Đây là vi khuẩn lam đầu tiên được nuôi trồng và

thu hoạch mang tính thương mại, sử dụng các kỹ thuật sinh học hiện đại Spirulina

được biết đến như một loại thực phẩm chức năng bổ sung dinh dưỡng với hàm lượng protein cao (55-70%) [21] và nhiều chất có hoạt tính sinh học khác được sử dụng rộng rãi từ thức phẩm chức năng cho người và thức ăn cho động vật đến sản

xuất những hóa chất trong chẩn đoán lâm sàng, nghiên cứu sinh học và mỹ phẩm

1.1.1 Đặc điểm hình thái, cấu tạo và sinh sản của tảo Spirulina

1.1.1.1 Đặc điểm hình thái và cấu tạo

Tảo Spirulina (Arthrospira) thuộc chi Spirulina, họ Oscillatoriaceae, bộ Oscillaloriales (Nostocales), lớp Cyanophyceae (Cyanobacteria: vi khuẩn lam), ngành Cyanophyta (Cyanochloronta), có dạng hình xoắn lò xo với 5-7 vòng xoắn đều nhau, sợi không phân nhánh Spirulina thuộc nhóm tảo đa bào, có màu xanh

lam (tảo lam) [23] Nó có các trichome xoắn về phía tay trái, gồm các tế bào ngắn hơn (đường kính tế bào trung bình 8 um), và di chuyển trườn bằng cách xoay dọc theo trục của nó Các tế bào có các vách ngang nhìn thấy được, thường bị che bởi

12

các túi khí Spirulina (hay còn gọi là Arthrospira) phát triển mạnh trong các hồ kiềm vùng cận nhiệt đới [23] Spirulina có các tạo hình khác nhau Điều này do các

yếu tố môi trường như nhiệt độ, các nhân tố hóa lý khác và có thể do sự biến đổi

gen Trong tự nhiên và môi trường nuôi cấy, Spirulina hình thành dạng sợi xoắn với

các kích thước khác nhau và mức độ cuộn từ chặt đến dạng duỗi thẳng Các lông có chiều rộng từ 3-12µm, đôi khi có thể lên đến 16 µm Tổ chức tế bào chưa có nhân điển hình, thiếu vi tế bào có màng bọc [22] Cấu trúc và tổ chức tế bào của

Spirulina là điển hình của cyanobacteria Vách tế bào Gram âm gồm bốn lớp, với

một lớp cấu trúc chính peptidoglycan Vùng nhân sinh chất trung tâm chứa một số carboxysome, ribosome, cơ hình trụ và các giọt lipid [23]

Hình 1 1 Hình thái của Spirulina [23]

1.1.1.2 Đặc điểm sinh sản

Vòng đời có ba giai đoạn chính: Phân đoạn lông, các quá trình mở rộng và trưởng thành đoạn sinh sản (hormogonia cells), và sự kéo dài lông Sau đó, lông trưởng thành này được chia thành sợi hoặc đoạn sinh sản, các tế bào trong các đoạn sinh sản (hormogonia) tăng lên bằng cách phân đôi, phát triển theo chiều dọc và có dạng xoắn ốc [54]

13

Hình 1 2 Vòng đời của Spirulina [54]

Vòng đời của Spirulina đơn giản Các trichomes không phân nhánh trượt

kéo dài bởi sự phân chia tế bào xen kẽ Sinh sản được thực hiện bằng cách phá vỡ trichome thông qua "sự hy sinh" của một tế bào xen kẽ làm mất đi tế bào chất của

nó và được chuyển thành một necridium Trichomes cắt đứt ở các necridia, hình thành các chuỗi tế bào ngắn Những chuỗi con này, đôi khi được gọi là hormongonia, có thể phân biệt với trichome trưởng thành do thiếu tính di động, kích thước tế bào nhỏ hơn và hình thái tế bào khác nhau của chúng [28] Các trichome

trưởng thành của Spirulina thường dài vài milimet và gồm các tế bào hình trụ có đường kính 3-12 mm Hình xoắn và cấu trúc trichome tổng thể của Spirulina có thể

khác nhau đáng kể giữa các loài và phụ thuộc vào sự phát triển và điều kiện môi trường Sự chuyển tiếp của dạng xoắn dạng ruột gà (coiled helix) sang xoắn ốc nới lỏng hoặc thậm chí dạng hoàn toàn thẳng có thể xảy ra ngược lại hoặc không trong các điều kiện môi trường khác nhau [23] Giống như hầu hết cyanobacteria,

Spirulina thuộc quang tự dưỡng bắt buộc và không thể phát triển trong tối với

nguồn carbon hữu cơ [22]

14

1.1.2 Thành phần của tảo Spirulina

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

đạm trong Spiruina 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% [11]

Thành phần hóa học của Spirulina so với % trọng lượng khô như sau: tổng

số 50-70%; gluxit 13-16%; lipit 7-8%; axit nucleic 4,29%; chlorophylla 0,76%;

carotenoid 0,23%; tro 4-5% [11] Tuy nhiên, thành phần sinh hóa của tảo Spirulina thay đổi tùy thuộc vào điều kiện nuôi trồng

a Protein

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

thay thế, tỷ lệ của các axit amin này khá cân đối Tổ chức lương thực thực phẩm thế giới (FAO) đã công nhận loại tảo này là nguồn thực phẩm chức năng bổ sung cho người rất tốt [52] Trong số các axit amin trong tảo có 4 loại axit amin không thể thay thế quan trọng sau: lyzin, methionine, phenylanalin, tryptpphan (là nguyên liệu gốc để tổng hợp vitamin B) Không chỉ cung cấp các axit amin không thể không

thay thế, tảo Spirulina còn là nguồn cung cấp 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 -

linolenic khiến cho Spirulina trở thành một loại thực phẩm có giá trị chống suy dinh dưỡng và chống béo phì Các caroten chính ở Spirulina là oscillaxanthin,

mycoxanthophyll, zeaxanthin, hydro-echinenon, caroten, crytoxanthin, echinenon

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

phosphatidyglycerol [8]

do vậy cần bổ sung them nguồn carotenoid vào thực phẩm hằng ngày Caroten trong

Spirulina là chất chống oxi hóa mạnh nhất, chống tia cực tím nên có tác dụng ngăn

ngừa và chống lại các bệnh ung thư, đột quỵ, giúp tiêu diệt các gốc tự do là nguyên nhân của bệnh tật và gây chết Dùng liều cao caroten trong khẩu phần ăn hằng ngày

sẽ phòng chống rất hiệu quả các dạng ung thư [40]

Spirulina là loài thực phẩm chứa hàm lượng caroten (tiền vitamin A) cao

nhất, gấp 10 hàm lượng caroten có trong cà rốt, được biết đến như loại rau quả thông dụng giàu caroten nhất trong thực phẩm hằng ngày [36] Dùng liều cao caroten trong khẩu phần ăn hàng ngày sẽ phòng chống rất hiệu quả các dạng ung thư [40]

Spirulina còn có các 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

16

Bảng 1 2 Thành phần vitamin nhóm B có trong tảo Spirulina [33]

Loại vitamin Hàm lượng (mg/kg)

Trong tảo Spirulina có chứa nhiều nhóm chất màu có giá trị khá cao được

thử nghiệm và chứng minh qua nhiều nghiên cứu, trong đó phải kể đến các sắc tố màu lam phycocyanil, đây là sắc tố 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 trợ hoạt động của gan trong các trường hợp phải điều trị bằng nhiều loại thuốc Kết hợp cùng với các loại vitamin, phycocyanil được sử dụng trong điều chế các dược phẩm điều trị ung thư [36]

d Chất khoáng

Spirulina là một nguồn cung cấp khá lớn nhiều nguyên tố khoáng thiết yếu,

có lợi cho sức khỏe của con người như kali, sắt, canxi, magie, mangan…[33]

Bảng 1 3 Thành phần chất khoáng có trong tảo Spirulina [33]

Thành phần khoáng Hàm lượng (mg/kg) Nhu cầu hàng ngày (người

Spirulina có khả năng hấp thụ cao hơn dạng sắt trong rau quả và hầu hết các loại

thịt Spirulina giàu sắt và calcium, hỗ trợ tốt cho máu, cho xương và răng Lượng calcium trong Spirulina cao hơn trong sữa Lượng sắt trong Spirulina cao (580-

1800 mg/kg) lớn hơn nhiều lần so với ngũ cốc Do vậy Spirulina là lựa chọn là nguồn bổ sung sắt tốt đối với sức khỏe con người

1.1.3 Ứng dụng của tảo Spirulina

Sử dụng làm thực phẩm: Spirulina được nghiên cứu bổ sung vào rất nhiều

sản phẩm thực phẩm như: mì ăn liền, nước uống, bánh quy Ban đầu Spirulina được

sử dụng như nguồn thức ăn và là nguồn chính cung cấp protein cho các bộ lạc sống

ở Nam Mĩ và châu Phi Nhiều hơn 70% thị trường Spirulina được tiêu thụ cho

người, chủ yếu làm thực phẩm chức năng, thức ăn bổ dưỡng [26]

Sử dụng làm nguồn dược phẩm: Những thử nghiệm lâm sàng cho thấy Spirulina có thể góp phần ngăn ngừa và chữa nhiều bệnh Capsule của Spirulina có

khả năng làm giảm lipid trong máu, và giảm các tế bào máu trắng sau khi điều trị bằng tia X và hóa trị, cũng như làm tăng sức đề kháng của cơ thể hiệu quả [46] Các nghiên cứu lâm sàng và tiền lâm sàng cho thấy một số các tác dụng có lợi về sức khỏe và trị liệu từ sinh khối: giảm cholesterol và độc hại thận, ngăn cản một số vi rút gây bệnh, tăng cường hệ miễn dịch và vi khuẩn lacto trong đường ruột ngăn cản

sự phát triển ung thư/các khối u [23]

18

Sản xuất các hợp chất quý: Spirulina là một nguồn phycobiliprotein tuyệt

vời, có thể chứa lên đến 17% khối lượng khô tế bào [23] Phycobiliprotein được sử dụng rộng rãi làm các chất phát quang để đánh dấu bề mặt tế bào trong các phân tích

tế bào dòng chảy để phân loại tế bào, các phân tích lâm sàng ở tốc độ cao cũng như các thử nghiệm phycobiliprotein đối với các loài oxy phản ứng (reactive oxygen species) [23] Phycobiliprotein được ứng dụng làm thuốc chống ung thư và u bướu

hiệu quả nhờ khả năng loại các gốc tự do cao của nó [23] Ngoài ra, Spirulina là

nguồn mạch tảo giàu gamma-linolenic axit (GLA) nhất GLA làm giảm các lipoprotein mật độ thấp ở bệnh nhân tăng cholesterol huyết, làm giảm các triệu chứng của hội chứng tiền kinh nguyệt, và điều trị bệnh chàm da [23]

Sử dụng làm phân bón: Năm 1981, tổ chức Nông nghiệp và Lương thực của

Liên Hợp Quốc FAO đã ghi nhận khả năng thay thế phân bón hóa học bằng tảo lam

và cải tạo lại đất thoái hóa Ở Ấn Độ, tảo xoắn được nuôi trong các hồ đất nông Khi nước bay hơi, tảo khô được thu lại và bán cho nông dân trồng lúa nó làm tăng sản

lượng gạo hằng năm ở Ấn Độ lên trung bình 22% [21] Ngoài ra, Spirulina được kết

hợp với các loại phân bón khác cho sản lượng cà chua cao [21]

Sử dụng làm phụ phẩm và nguồn thức ăn cho chăn nuôi: Bột cá, bột các cây

thân củ và bột đậu tương có thể thay thế một phần bằng Spirulina trong khẩu phần

ăn của cá, gia cầm và gia súc [21] Không cần phải bổ sung các loại vitamin và

khoáng khi sử dụng Spirulina trong khẩu phần ăn vì chúng giàu những thành phần này [21] Spirulina có thể được sử dụng làm nguồn bổ sung một phần hoặc hoàn

toàn protein cho thủy sản [21] Các nghiên cứu được tập trung nhiều nhất về việc sử

dụng Spirulina như một nguyên liệu trong nuôi thủy sản được thực hiện ở Nhật từ

1989 lên đến 100-150 tấn Spirulina được sử dụng bởi những người nông dân nghê cá [26] Spirulina như nguồn thức ăn làm tăng tốc độ sinh trưởng của nhiều loài Nó

cái thiện vị ngon của thực phẩm Có báo cáo cho thấy cá sinh trưởng nhờ nguồn

thức ăn chứa Spirulina có chất lượng tốt hơn, có vị ngon hơn, thịt săn tươi hơn và

màu da sáng hơn [26]

Từ năm 1970, Spirulina đã được trồng ở nhiều nước trên thế giới, các nước

sản xuất vi tảo chủ yếu tập trung ở Châu Á và vành đai đại dương Vào những năm

1970, một doanh nghiệp tảo đầu tiên của Hoa Kỳ đã bắt đầu vào nuôi thử nghiệm

mô hình pilot trên các bể nhân tạo Họ chọn thung lũng hoang mạc Imperial thuộc bang California vì nơi đây có nhiệt độ trung bình cao nhờ ánh nắng mặt trời và tránh xa vùng ô nhiễm đô thị Đến năm 1981 một sự hợp tác đầu tiên giữa doanh nhân California và thương nhân Nhật Bản đã hình thành nên Earthise Farns cung cấp sản xuất ổn định năm 1982 [10] Ngày nay Earthise Farms cung cấp sản phẩm

cho hơn 40 quốc gia và nguồn Spirulina ở đây là tốt nhất Các nhà sản xuất lớn

Spirulina như tập đoàn DIC, Earthrise Nutritionals ở California- Mỹ, Hainan DIC

Marketing ở đảo Hải Nam-Trung Quốc, Siam Algae Company ở Bangkok-Thái lan Những công ty này sản xuất khoảng 1000 tấn hàng năm [23] Nhà sản xuất chính

khác là Cyanotech Corporation of Hawaii với sản lượng hằng năm 300 tấn Spirulina

[23] Cũng có nhiều nhà sản xuất chính đến từ khu vực châu Á – Thái Bình Dương,

đặc biệt ở Trung Quốc và Ấn Độ Sản xuất Spirulina hiện tại của Trung Quốc được

ước tính khoảng 1500 tấn [23]

Hiện nay trên thế giới có các trang trại nuôi trồng tảo Spirulina với quy mô

lớn, chất lượng cao như:

- Trang trại Twin Tauong (Myanmar) - Trang trại Sosa Texcoco (Mehico) - Công ty tảo Siam (Thái Lan)

- Trang trại Chenhai (Trung Quốc) - Nông trại Hawai (Hoa Kỳ)…

20

Bảng 1 4 Tình hình sản xuất tảo Spirulina trên thế giới [20]

Công ty Địa điểm Diện tích Sản lượng Giá thành

(ha) (tấn khô) (USD/Kg)

Tại Việt Nam

Ở Việt Nam, tảo Spirulina được giáo sư Ripley D.Fox - nhà nghiên cứu về

tảo và các chế phẩm của nó tại hiệp hội chống suy dinh dưỡng bằng các sản phẩm

từ tảo & quot; (A.C.M.A) tại Pháp, đưa vào Việt Nam từ năm 1985 [10]

Năm 1976, thí nghiệm trồng thử Spirulina lần đầu tiên trên diện tích 2,15 m2

liên tục ngoài trời không che trong vòng 4 tháng tại Nghĩa Đô (Hà Nội) thu được kết quả tốt [41]

Tại vùng Vĩnh Hảo, huyện Tuy Phong, tỉnh Bình Thuận, từ lâu đã được Viện

Sinh vật học Việt Nam (1976) chọn làm nơi nuôi trồng đại trà tảo Spirulina Lợi dụng

được tình hình nắng nóng quanh năm, lượng mưa ít nhất cả nước và đặc biệt nguồn nước khoáng thiên nhiên tại đây giàu hàm lượng bicarbonate và một số vi lượng khác, công ty Cổ phần Tảo Vĩnh Hảo đã xây dựng diện tích nuôi trồng lên đến 12.000 m2, năng suất sinh khối đạt 12 g/m2/ngày, sản lượng sản xuất và tiêu thụ 32.000 đến 36.000 kg/năm [21] Bên cạnh đó, hiện nay công ty TNHH Vina Tảo –

Hà Nội (được thành lập năm 2011) đã nuôi trồng tảo Spirulina – là sản phẩm được

nhiều người sử dụng nhất của LeadViet phân phối [4]

Năm 2009, Công ty cổ phần VinaTao bắt đầu nuôi trồng Spirulina với diện

tích 1ha, tới năm 2015, nâng quy mô diện tích lên 1,7 ha và đến năm 2017, diện tích

21

nuôi trồng đã đạt tới con số 2,8 ha Năng suất hiện tại là 50 kg tảo tươi/1 ngày (tương đương với 5kg tảo khối/1 ngày) [4]

Năm 2012, công ty TNHH Thanh Mai (Quỳnh Lưu, Nghệ An) triển khai dự

án nuôi trồng sản xuất tảo xoắn Spirulina Năm 2014, công ty mở rộng quy mô sản

xuất để tăng sản lượng bột tảo lên khoảng 10-15 tấn/năm [7]

Công ty Cổ phần Long Phú (Quảng Xương, Thanh Hóa) đang xây dựng mô hình nuôi trồng và chế biến tảo xoắn từ năm 2016 với quy mô 10000 m2 Trong 18 tháng thực hiện dự án, công ty sản xuất được 2 tấn tảo xoắn tươi, 150 kg tảo xoắn khô, hoàn thiện quy trình nuôi trồng, chế biến, công bố tiêu chuẩn chất lượng 2 sản phẩm tảo xoắn tươi và khô theo quy định và có phương án nhân rộng mô hình [6]

1.2.2 Một số hệ thống nuôi trồng tảo Spirulina phổ biến

Hệ thống nuôi trồng tảo thu sinh khối có thể chia ra làm 2 loại chính: hở và kín

a) Hệ thống hở

Hầu như tất cả các hệ thống nuôi trồng Sprulina thương mại đều ở dạng hở

Kích thước ao thương phẩm thay đổi từ 0,1-0,5 ha Bể nuôi tảo được thiết kế theo hình chữ nhật, diện tích bể tùy theo quy mô Chiều cao bể thường xây cao 50-55cm Tất cả bể hay ao nuôi đều được khuấy trộn bởi guồng quay, sự đảo trộn giúp cho mọi tế bào vi tảo được tiếp xúc với ánh sáng mặt trời, dinh dưỡng và không khí Thiết kế guồng quay thay đổi đáng kể từ cánh guồng có đường kính lớn (lên đến 2m) với tốc độ quay thấp (10 vòng/phút) đến cánh guồng nhỏ (đường kính 0,7m) với tốc độ quay nhanh hơn từ 2-3 lần Độ sâu thích hợp của các ao, mương thường được duy trì ở mức 25-35 cm [48] Mặc dù guồng quay là thiết bị phổ biến dùng để

khuấy trộn Spirulina trong các ao, mương tuy nhiên các thiết bị khuấy trộn khác

cũng được thử nghiệm, nhưng khó khăn ở đây là bản chất của dòng chảy Nó thường không đủ hỗn loạn để cho được một chế độ quang hợp tối ưu

22

Hình 1 3 Hệ thống bể dài (Raceway pond) nuôi trồng Spirulina tại công ty

Microbio ở Calipatria, California [22]

Tảo quang hợp chỉ dựa vào nguồn ánh sáng mặt trời

Hệ thống chịu nhiều tác động bởi thời tiết khi hậu

Năng suất sinh khối thấp hơn hệ thống kín

b) Hệ thống kín

Các hệ thống kín đã được ứng dụng nuôi tảo: hệ thống kín lớp đơn hoặc lớp ngang, hệ thống nuôi kín lớp đa chiều, hệ thống nuôi kín theo tấm phẳng Vật liệu thường được sử dụng trong các hệ thống kín (trong suốt, bền cơ học hơn) như: thủy tinh, polyethylene và polycarbonate,…

Trước kia việc sản xuất sinh khối Spirulina thương mại được thực hiện chủ

yếu với hệ thống mở Các hệ thống kín được sử dụng cho nghiên cứu hoặc trong các cơ sở sản xuất nhỏ và sản xuất tảo giống Về cơ bản hầu như không có báo cáo

về hệ thống kín được sử dụng để sản xuất đại trà

Tuy nhiên ngày nay cùng với sự phát triển khoa học công nghệ, các hệ thống kín khác cấu hình các hệ trên đang được triển khai, ứng dụng với quy mô lớn, nhằm

sản xuất sinh khối Spirulina thương phẩm

24

Công ty khởi nghiệp EnerGaia có trụ sở tại Bangkok, đang tiên phong xây dựng mô hình nuôi trồng tảo trên các mái nhà giữa đô thị Với hệ thống này trong suốt một năm, EnerGaia đã thu hoạch được khoảng 300-500kg tảo xoắn tươi từ trang trại tảo xoắn ở tầng thượng khách sạn

Mô hình canh tác ban đầu gồm 80 bình phản ứng sinh học, với thể tích 250 lít, được đặt ngoài trời trên tầng thượng của khách sạn Novotel Các bình này được kết nối với nhau và tạo thành một hệ thống kín giúp ngăn chặn các chất ô nhiễm xâm nhập và hạn chế sự bay hơi Tảo xoắn được chảy từ bể này sang bể khác nhờ một máy thổi khí, nhờ nguyên tắc bơm dâng Hệ nuôi có thể được bổ sung carbon dioxide làm nguồn carbon vô cơ để nuôi tảo

Hình 1 5 Hệ thống nuôi tảo trên tầng thượng khách sạn Novotel, Bangkok

Phạm vi ứng dụng của mô hình canh tác

Trang trại đô thị sáng tạo chứng minh rằng tảo xoắn có thể được trồng ở hầu hết mọi nơi: trong nhà hoặc ngoài trời (đặc biệt là tầng thượng của các tòa nhà nơi nhận được nhiều ánh sáng từ mặt trời) Với mô hình canh tác này có thể sử dụng tối

ưu về không gian và tài nguyên

Hình thức canh tác này phù hợp ở các nước nhiệt đới và cận nhiệt đới

Với công nghệ nuôi trồng tảo bằng hệ thống kín này hứa hẹn sẽ nhân rộng quy mô sản xuất trên toàn thế giới và có thể nuôi tảo xoắn ở bất cứ đâu Trong

25

nghiên cứu của luận văn này cũng ứng dụng mô hình hệ nuôi này cho nuôi trồng

Spirulina trong khuôn viên trường ĐHBK Hà Nội, với ảnh hưởng của nhiệt độ và

ánh sáng ngoài trời

Ưu điểm

- Tiết kiệm được diện tích (cần đất ít hơn 20 lần so với đậu nành và ít hơn

200 lần so với sản xuất thịt bò)

- Tăng khả năng hấp thụ ánh sáng của tảo

- Kiểm soát được nồng độ sinh khối

- Khả năng đảo trộn tốt

- Giảm khả năng nhiễm bẩn, hạn chế sự bay hơi

- Giảm các yếu tố tác động từ điều kiện thời tiết

- Hoạt động liên tục, vân hành đơn giản

- Chi phí thu hoạch thấp

- Cho năng suất sinh khối cao

Nhược điểm

- Chi phí đầu tư ban đầu khá cao

- Tảo quang hợp chỉ dựa vào nguồn ánh sáng từ mặt trời

1.2.3 Tận dụng nước thải để nuôi tảo Spirulina

Thành phần dinh dưỡng cần thiết cho việc nuôi trồng tảo Spirulina là N, P

Trong đó khoáng photpho trong tự nhiên là hữu hạn, còn việc sản xuất nito liên quan đến một quá trình yêu cầu năng lượng Tuy nhiên, nếu bổ sung các muối vô cơ thì không bền vững về mặt kinh tế cũng như môi trường Một cách để làm giảm nhu cầu cung cấp N, P là nuôi trồng tảo bằng nước thải N,P trong nước thải bắt nguồn

từ phân người, nước tiểu, thức ăn, chất tẩy rửa, dược phẩm, đầu vào của công nghiệp và từ các mương thoát nước của hoạt động nông nghiệp… Ngày nay, việc loại bỏ P dựa trên kết tủa vô cơ phosphate (PO4 3-) bằng muối sắt hoặc muối nhôm Mặc dù có hiệu quả cho việc loại bỏ P, phương pháp xử lý này lại tiêu tốn tài nguyên sắt và photphat nhôm không có sẵn cho sự hấp thu trao đổi chất, đặc biệt nồng độ cao của các muối này là độc hại với môi trường Chính vì vậy mà việc tận

26

dụng nước thải có nguồn N, P để nuôi tảo có thể vừa xử lý nước thải vừa tạo ra được một nguồn sinh khối có lợi về mặt kinh tế

Đã có rất nhiều nghiên cứu chỉ ra rằng Spirulina platensis có hiệu quả nhất

trong việc loại bỏ chất dinh dưỡng (N và P) trong dòng ra với năng suất cao, dễ thu

hoạch và thị trường tiềm năng làm thức ăn chăn nuôi Spirulina maxima đã được

nuôi và phát triển tốt trong nước thải bã rượu gạo pha loãng giảm COD xuống 74%

[26] Nuôi trồng tảo Spirulina platensis trong nước thải từ ao nuôi cá tra, nước thải biogas và nước thải sinh hoạt kết quả chỉ ra rằng, tảo Spirulina platensis có khả

năng phát triển tốt trong môi trường nước thải và làm giảm các yếu tố dinh dưỡng trong nước thải sinh hoạt một cách có hiệu quả nhất: NO3- giảm 76,1%; PO43- giảm 98,1%; COD giảm 72,5% [14]

Cũng đã có những dự án nuôi tảo kết hợp xử lý nước thải thu sinh khối để làm nguồn sản xuất đã được áp dung trong thực tế Ví dụ như:

Dự án nuôi tảo trong nước thải từ nhà máy sản xuất rượu vang, thu sinh khối làm phân bón cho vườn nho [38]

Sinh khối tảo Spirulina platensis thu sau nuôi trong nước thải thủy sản được

sử dụng làm phân bón nông nghiệp cho kết quả tích cực với các loại rau lá như rau diếp, rau dền đỏ (Ameranthus gangeticus) hay cải chíp hay cải rổ [55]

Sau khi nuôi Spirulina trong nước thải chăn nuôi lợn, sinh khối tảo được thêm vào khẩu phần ăn của cá, giúp tăng chất lượng thịt cá [47]

Nghiên cứu thử nghiệm nuôi tảo xoắn bằng nước thải ươm tơ tằm, nước thải nhà máy phân đạm, nước thải từ hầm biogas…ngay cả các nguồn phế thải hữu cơ như rỉ đường, phế thải công nghiệp rượu bia để thu sinh khối tảo [15]

Tận dụng nguồn nước thải từ các quá trình chế biến và sản xuất thực phẩm

để nuôi trồng tảo đã và đang nhận được nhiều quan tâm do những lợi ích của loại

nước thải này Trồng tảo Spirulina trong nước thải giúp giảm chi phí sản xuất và tái

sử dụng nồng độ Nitơ và Phốt pho cao để sản xuất sinh khối tảo, đồng thời giảm chi phí xử lý nước thải Quá trình này đã tạo ra sinh khối giàu protein có thể được sử dụng trong nhiều ứng dụng và lĩnh vực, chẳng hạn như thức ăn chăn nuôi, phân bón

27

nông nghiệp, nhiên liệu sinh học hoặc nhiên liệu sinh học

Việc tối ưu hóa các điều kiện canh tác tảo Spirulina trong nước thải để tăng

năng suất sinh khối tảo, cải thiện sinh khối giàu protein và đồng thời giảm các chất

ô nhiễm trong nước thải là điều rất cần thiết Tuy nhiên chưa có bài báo khoa học nào công bố chính thức kết quả của nghiên cứu tận dụng nguồn nước thải chăn nuôi

và bã rượu gạo trắng được tối ưu điều kiện dinh dưỡng (Nitơ, Photpho và Carbon)

để nuôi trồng tảo Spirulina platensis Do đó, nghiên cứu này được tiến hành thử

nghiệm nuôi trồng tảo trong hỗn hợp nước thải

1.2.4 Một số nghiên cứu có liên quan đến nuôi trồng Spirulina

Trên thế giới

Nghiên cứu của Eliane Dalva Godoy Danes và cộng sự được thực hiện để

đánh giá sự tăng trưởng và hàm lượng của sinh khối tảo Spirulina platensis được

nuôi trồng ở các giá trị khác nhau của cường độ ánh sáng và nhiệt độ khi sử dụng các nguồn nitơ khác nhau Các kết quả tốt nhất đã đạt được ở nhiệt độ 30ºC, ở cường độ ánh sáng 60 µmolphoton m − 2 s − 1, để tăng trưởng tế bào, với năng suất tế bào khoảng 95 mg/L/d trong nuôi cấy với urê Đối với hàm lượng sinh khối diệp lục, cường độ ánh sáng tốt nhất là 24 µmolphoton m − 2 s – 1 [32]

Trong nghiên cứu của MORAES và cộng sựmục tiêu của nghiên cứu này là

sản xuất sinh khối của S platensis cao nhất bằng cách thay đổi tỷ lệ khuấy, nguồn

nitơ, lượng vi chất dinh dưỡng và độ sáng Sản lượng sinh khối tối đa trong 15 ngày

là 2,70 g/L trong các điều kiện sau: độ sáng 15W; khuấy, 120 vòng/phút; nguồn nitơ 1,5 g/L cho kết quả tốt nhất [45]

Chaiklahan và các cộng sự [29] đã sử dụng nước thải chăn nuôi lợn sau xử lý

yếm khí để nuôi tảo Spirulina platensis Dòng ra (20%) từ hệ thống UASB ở một

trang trại lợn được bổ sung 4,5 g/l NaHCO3 và 0,2 g/l Urea, thu được kết luận rằng

không chỉ là môi trường thích hợp cho sự phát triển của Spirulina platensis mà còn

là một giải pháp về kinh tế Tính toán cho thấy môi trường nuôi tảo này rẻ hơn 4,4 lần môi trường Zarrouk cải tiến Năng suất trung bình của mô hình bán liên tục ngoài trời 6 lít và mô hình pilot 100 lít lần lượt là 19,9 g/m2/d và 12 g/m2/d Thêm

28

vào đó, sinh khối thu được chứa xấp xỉ 57,9% protein, 1,12% γ-linolenic acid, và 19,5 % phycocyanin

Tại Việt Nam

Nghiên cứu của Thạch Thị Mộng Hằng (2015) “Nghiên cứu các thành phần

dinh dưỡng và một số yếu tố môi trường thích hợp trong nuôi tảo Spirulina

platensis tại Trà Vinh” Đề tài sử dụng 50% môi trường Zarrouk và có bổ sung

thêm muối iot Kết quả cho thấy mật độ tảo đạt cao hơn so với nghiệm thức đối chứng là môi trường Zarrouk chuẩn [1]

Lê Quỳnh Hoa (2013) đã tiến hành khảo sát việc thay thế hàm lượng NaHCO3 bằng NaCl trong môi trường nuôi tảo Spirulina platensis để giảm hàm

lượng muối dinh dưỡng NaHCO3, kết quả trên cho thấy có thể giảm NaHCO3 đến một mức nhất định, nhưng nếu thay thế hoàn toàn thì kết quả nuôi tảo không đạt năng suất [2]

Lê Văn Lăng đã nghiên cứu sự ảnh hưởng của các khoáng vi lượng: Bo, kẽm, Mangan, đồng, Coban đến sinh khối tảo xoắn Kết quả thu được các khoáng

vi lượng ảnh hưởng không rõ đến sinh khối protein, nhưng lại có ảnh hưởng tới một

số thành phần khác như vitamine [9]

Trong nghiên cứu “Khảo sát một số phương pháp tăng sinh khối tảo

Spirulina plantensis qui mô phòng thí nghiệm” của Nguyễn Thị Ngọc Bích (2006)

cho rằng nhiệt độ phòng thí nghiệm mà tảo phát triển mạnh và sinh khối đạt nhiều là

từ 34 - 370C, khoảng pH thích hợp cho tảo Spirulina plantensis phát triển là 8 - 11

Tốc độ sục khí khi nuôi dung tích nhỏ là 500 ml/phút [12]

Nghiên cứu của Phạm Thị Kim Ngọc đã ứng dụng nuôi Spirulina platensis

bằng nước biển ở quy mô phòng thí nghiệm và ứng dụng trong chế biến thực phẩm Sau khi khảo sát và tối ưu hóa các yếu tố điều kiện và hàm lượng dưỡng chất bổ

sung có ảnh hưởng đến sự tổng hợp sinh khối của Spirulina platensis trên môi

trường nước biển, đã xác định được tỉ lệ nước biển 29%, tỉ lệ giống 0,35 g/L, pH môi trường 8,5, hàm lượng các dưỡng chất bổ sung NaHCO3, NaNO3 và KH2PO4

lần lượt là 17; 3,0 và 0,0307 (g/L) thì Spirulina platensis cho hàm lượng protein cao

29

hơn so với nuôi trên môi trường Zarrouk [13]

Nghiên cứu [3] được thực hiện bởi Lê Thị Hồng và cs Tiến hành nuôi tảo

Spirulina platensis trong nước thải từ nông trại sữa TH Truemilk Kết quả cho thấy

tảo có khả năng phát triển rất tốt trong môi trường này Đồng thời tiêu thụ mạnh các chất dinh dưỡng như nitơ, photpho, sulphate cũng như BOD, COD, TDS, độ cứng của canxi và magie Kết quả của nghiên cứu cho thấy hiệu suất giảm Nitrate 77,53%, phosphorus hoạt động 75%, và sulphate 61,23% trong khi đó hiệu suất giảm COD là 75,14 %, BOD là 69,38 %, Canxi và Cloride lần lượt là 59,17 % và 51,05

% ở ngày xử lý thứ 11

1.3 Một số yếu tố ảnh hưởng đến quá trình phát triển của Spirulina

1.3.1 Nhu cầu dinh dưỡng Spirulina

Sự phát triển của tảo phụ thuộc vào các thành phần được tóm tắt như sau: (i) Tổng hàm lượng muối được quyết định tùy vào môi trường sống tảo tồn tại (ii) Thành phần tế bào liên quan đến các thành tố ion chính như K+, Mg2+,

Na+ , Ca2+, SO42-, và Cl-

(iii) Nguồn nitơ, đặc biệt là Nitrate, amonia và Urea

(iv) Nguồn cacbon CO2 và HCO3

(v) pH

-(vi) Nguyên tố vết và nhân tố tạo chelate như EDTA

(vii) Vitamins [3]

Lượng chất dinh dưỡng N và P trong canh trường có ảnh hưởng rất lớn đến

năng suất và chất lượng vi tảo Spirulina có nhu cầu dinh dưỡng đầu vào và muối cao so với Scenedesmus và Chlorella Spirulina sống trong môi trường có độ kiềm

cao và được cung cấp ổn định bằng ion bicarbonate [27]

Cacbon

Nguồn cacbon chính được sử dụng bởi S platensis là ion bicarbonate HCO3

-đi vào tế bào nhờ cơ chế vận chuyển chủ động Bicarbonate nội bào sau đó được khử nước, thông qua enzym cacbonic anhydrase chuyển thành CO2, đi vào chu trình

- nói chung là hệ đệm quan trọng nhất trong nước ngọt và để kiểm soát và duy trì tốt các mức độ pH nhất định Hệ đệm bicarbonate-cacbonate có thể cung cấp CO2 cho quá trình quang hợp thông qua các phản ứng sau:

2 HCO3-→ CO32- + H2O + CO2 (1.1)

HCO3- → OH- + CO2 (1.2)

CO32- + H2O → OH- + CO2 (1.3)

Những phản ứng này cho thấy rằng trong quá trình cố định CO2 quang hợp,

OH- tích tụ trong dung dịch nuôi làm tăng dần độ pH Có thể thường xuyên đo độ

pH lên đến 11 trong các hệ thống sản xuất mật độ cao mà không bổ sung thêm CO2 Quá trình quang hợp chủ động làm tăng độ pH, ngược lại pH giảm do giải phóng

CO2 trong quá trình hô hấp [23]

Nitơ

Sau cacbon, nitơ là dinh dưỡng quan trọng nhất góp phần trong sinh khối được tạo thành Nitơ thường chiếm khoảng 7-10% trọng lượng khô của tế bào [23] Nó là một thành tố cần thiết của protein chức năng và cấu trúc trong tế bào tảo Nhìn chung,

dù trong điều kiện đủ nitơ, khả năng sản xuất vật liệu lưu giữ nitơ của vi tảo vẫn hạn chế, trừ cyanophycin và phycocyanin là các hợp chất lưu giữ nitơ có nhiều trong nhiều cyanobacteria Sự phản hồi điển hình với ngưỡng giới hạn nitơ là sự thay đổi màu sắc của tế bào (sự giảm chlorophylls và tăng carotenoid) và tích tụ cacbon hữu cơ như polysaccharide và dầu nhất định Cho đến khi nitơ tế bào giảm dưới giá trị ngưỡng, quang hợp vẫn tiếp tục, mặc dù ở tốc độ giảm Dòng cacbon cố định trong quang hợp trong những trường hợp này được chuyển từ con đường tổng hợp protein sang tổng hợp lipid hoặc carbohydrate [23]

31

Nito được tảo Spirulina sử dụng để tạo ra các amino axit, axit nucleic,

chlorophyll và các hợp chất hữu cơ có chứa nito khác Nito chiếm 1- 10% trong trọng lượng khô của tế bào tảo [57] Chúng không có khả năng sử dụng N2 trong không khí mà sử dụng dưới dạng: nitrat (NO3-), NH4+ (thường trong nước thải biogas), (NH4)2SO4, (NH4)2HPO4 (có trong phân bón nông nghiệp), (NH2)2CO (urea) Hầu hết các loài tảo đều sử dụng N-NO3- ở màng tế bào Nitrat được sử dụng nhưng với nồng độ rất thấp [57] Việc bổ sung ammonium vào tế bào khi đang hấp

thu nitrat thì ngay lập tức sẽ hạn chế hoàn toàn quá trình này Tế bào Spirulina tăng

trưởng tốt nhất khi hàm lượng ure bổ sung vào môi trường nuôi cấy là 500mg/l với cường độ ánh sáng là 5600lux Trong khi đó để thu được tảo có năng suất cao cần tạo được môi trường có nồng độ đạm cao đến 172 mg/l [27] Sự thay đổi quá trình thay đổi chất kết hợp với tốc độ phát triển của tế bào tảo giảm dưới điều kiện thiếu nito [39]

Các mức nitơ khác nhau trong môi trường nuôi có ảnh hưởng lớn đến sinh trưởng, hàm lượng protein và lipid của tảo đã được đề cập trong nhiều nghiên cứu Thiếu hụt nitơ là nguyên nhân làm giảm tốc độ sinh trưởng, sinh khối, thời gian duy trì mật độ cực đại, hàm lượng sắc tố, protein, lipid, axít béo không no, vitamin,

carotenoids, phycocianin, enzyme ở nhiều loài tảo trong đó có tảo Spirulina [52]

Photpho

Photpho là một nguyên tố đa lượng chính khác, đóng vai trò quan trọng trong các quá trình trao đổi tế bào bằng cách hình thành nhiều thành phần chức năng và cấu trúc cần cho sự phát triển bình thường của vi tảo như chuyển hóa năng lượng, sinh tổng hợp nucleic acids, DNA, …v…v… Dạng ưa thích được cung cấp cho tảo là orthophosphate (PO43-) và khả năng hấp thu phụ thuộc nguồn năng lượng của tảo Mặc dù sinh khối tảo chứa ít hơn 1% P [23], nhưng nó thường là một trong những yếu tố hạn chế tăng trưởng quan trọng nhất trong công nghệ sinh học tảo Điều này bởi vì nó dễ ràng buộc với các ion khác (ví dụ CO3

và sắt) dẫn đến sự kết tủa và do

đó làm cho tảo không hấp thụ được Tảo cũng có thể lưu trữ dư thừa P trong tế bào dưới dạng polyphosphate Lượng này có thể được sử dụng khi nguồn cung bên

32

ngoài trở nên hạn chế

Một số dấu hiệu của sự cạn kiệt photpho tương tự như khi môi trường nuôi thiếu nitơ Các hàm lượng của chlorophyll a có xu hướng giảm trong khi hàm lượng carbohydrate tăng lên ở các tế bào nhân điển hình (eukaryotic cell) và nhân rải rác (prokaryotic cell) [23] Trái ngược với sự thiếu hụt nitơ, sự suy giảm phycobilsome nhỏ xảy ra trong quá trình suy giảm photpho [23]

Sự tương tác giữa các thành phần hóa học, tính sẵn có của các chất và khả năng hấp thu của tảo trong môi trường nuôi phức tạp Hơn nữa, sự phức tạp tăng liên quan đến các biến vật lý và sinh học [23] Để tảo thích nghi được thì nồng độ ngưỡng của chất dinh dưỡng không được vượt quá Do vậy, tỷ lệ Redfield 106C: 16N: 1P được sử dụng rộng rãi, như một điểm khởi đầu, để định lượng giới hạn dinh dưỡng [52]

- Tỉ lệ dinh dưỡng N/P trong canh trường nuôi tảo:

Tỷ lệ mol N/P cũng quan trọng trong môi trường tăng trưởng vì nó không chỉ quyết định năng suất tiềm năng mà còn quan trọng trong việc duy trì sự chiếm ưu thế của các loài khác trong môi trường Trong quá trình nuôi trồng bằng nước thải, tảo sử dụng dinh dưỡng Nito, Photpho dưới dạng ion vô cơ từ quá trình phân hủy hợp chất hữu cơ để sinh trưởng phát triển, từ đó loại bỏ những dinh dưỡng này khỏi nước thải Tuy vậy do nhu cầu dinh dưỡng tế bào của tảo, tỉ lệ N/P là yếu tố ảnh hưởng đến hiệu suất loại bỏ các dinh dưỡng trong nước thải Tỉ lệ N/P không phù hợp khiến cho Nito hoặc Photpho trở thành yếu tố cản trở hoạt động sinh trưởng và phát triển của tảo Thực tế cho thấy, các nguồn nước thải giàu dinh dưỡng thường

có tỉ lệ N/P không đồng đều

Theo Redfield, tỉ lệ mol N/P= 16/1được sử dụng phổ biến để đánh giá tình trạng giới hạn của chất dinh dưỡng ở nhiều hệ sinh thái [52] Ngoài ra kết quả nghiên cứu của Geider và Roche [53] nhận thấy rằng tảo phát triển dưới điều kiện dinh dưỡng tối ưu, tỷ lệ mol N/P dao động từ 5 – 19/1 Tuy nhiên trên thực tế các loại nước thải đều có tỉ lệ thấp hơn rất nhiều so với tỉ lệ Redfied

33

Choi và Lee [35] cũng chỉ ra rằng tỷ lệ mol N/P ảnh hưởng khá lớn đến việc tăng trưởng của tảo cũng như loại bỏ dinh dưỡng trong nước thải Theo 2 ông tỉ lệ N/P phù hợp cho sự sinh trưởng của tảo nằm trong khoảng từ 10/1 đến 30/1

Theo Redfield tỉ lệ mol N/P trong nước thải nhỏ hơn 16/1 thì Nito chính là yếu tố giới hạn cản trở hoạt động sử dụng dinh dưỡng trong nước thải để sinh trưởng phát triển của tảo, điều đó đồng nghĩa với việc hạn chế quá trình loại bỏ dinh dưỡng trong nước thải của tảo [53] Trong nghiên cứu của Choi và Lee khi tỉ lệ N/P xuống thấp đến 5/1 thì Nito trở thành yếu tố giới hạn, khi tỉ lệ là 30/1 thì Photpho là yếu tố giới hạn đối với quá trình này [35] Khi thay đổi tỉ lệ N/P từ 11/1 đến 30/1 thì lượng Nito tổng số được loại bỏ là khá cao đạt 82% và nằm ngoài khoảng này thì giảm còn 75 - 78% còn TP giảm đến 80% ở tỉ lệ N/P trong khoảng 1/1 đến 20/1 [35]

1.3.2 Ảnh hưởng của ánh sáng

Ảnh hưởng của ánh sáng lên thành phần sinh hóa của tảo quang hợp phần lớn được kiểm soát bởi quá trình thích nghi quang (photoacclimation hoặc photoadaptation) [23] Trong quá trình này, tế bào tảo biến đổi động trong thành phần tế bào, cùng với những thay đổi về các đặc tính cấu trúc, lý sinh và sinh lý để tăng hoạt động quang hợp và tăng trưởng

Ánh sáng là yếu tố quan trọng nhất ảnh hưởng các cá thể quang hợp Vì đặc

tính nhân rải rác của Spirulina, ánh sáng không ảnh hưởng đến các quá trình phát triển và phân tách Tuy nhiên, Spirulina giống như nhiều loại tảo khác phát triển

quang tự dưỡng đều phụ thuộc vào ánh sáng, làm nguồn năng lượng chính Trong

điều kiện phòng thí nghiệm, sự bão hào ánh sáng cho sự tăng trưởng của Spirulina

platensis trong khoảng 150 - 200 µmol m-2s-1 [26]

Cường độ ánh sáng ảnh hưởng đến khả năng phát triển của tảo Theo kết quả của Iehana cho thấy các giá trị năng suất sinh học thu được cao hơn ở cường độ ánh sáng thấp hơn cường độ ánh sáng bão hòa Năng suất sinh trưởng của tảo lam cao nhất là 0,271 tại 5,22 W/m2 còn tại 13 W/m2 và 40 W/m2 cho năng suất tăng trưởng lần lượt là 0,10 và 0,05 [34] Lượng diệp lục cao hơn cũng được tìm thấy trong tảo

34

lam phát triển ở cường độ ánh sáng thấp hơn Hàm lượng chất diệp lục tỷ lệ nghịch với cường độ ánh sáng Tuy nhiên ở cường độ ánh sáng cao, sự hình thành các sắc

tố như lipophilic, carotenoids và xanthophyl che chắn ánh sáng được tạo ra để bảo

vệ tảo khỏi các phản ứng quang hóa có khả năng gây hại Vì vậy sự khác biệt về năng suất sinh học với cường độ ánh sáng được cho là một phần do sản xuất sắc tố

để bảo vệ tảo

Phổ ánh sáng ảnh hưởng mạnh đến sự tổng hợp các thành phần chất tổng hợp Trong nghiên cứu của Izadpanah về sàng lọc và phân lập chủng tảo dưới ba phổ ánh sáng trắng, đỏ và xanh dương, kết quả thu được hàm lượng lipid của tất cả các chủng tảo dưới ánh sáng xanh dương cao hơn dưới các nguồn ánh sáng đỏ và ánh sáng trắng [44]

Khi cường độ ánh sáng quá cao sẽ gây ức chế sự phát triển của tảo Sự ức chế quang được định nghĩa là sự mất khả năng quang hợp do sự phá hủy gây ra bởi mật độ dòng photon dư thừa khi quá trình quang hợp bão hòa Sự giảm trong hoạt động quang hợp được cho là do sự tích lũy H2O2 [26] Cường độ ánh sáng và màu của ánh sáng ảnh hưởng đến sự phát triển của tảo và sự hình thành các hoạt chất sinh học của tảo lam như: lipophilic, carotenoids, xanthophyl, lipit, protein…

1.3.3 Ảnh hưởng của nhiệt độ

Trong khi ánh sáng được coi là yếu tố môi trường quan trọng nhất cho cá thể quang hợp, thì nhiệt độ là yếu tố cơ sở nhất cho tất cả các sinh vật sống Nhiệt độ ảnh hưởng đến tất các các hoạt động trao đổi Nhiệt độ ảnh hưởng đến sự có sẵn dinh dưỡng và sự hấp thụ chúng cũng như là các đặc tính vật lý khác của môi trường nước của tế bào [26] Ảnh hưởng của nhiệt độ đến phản ứng hóa sinh khiến cho yếu tố này trở thành một trong các yếu tố môi trường quan trọng nhất ảnh hưởng đến thành phần sinh hóa của tảo Theo một nghiên cứu của Avigad Vonshak (1997) cho thấy ảnh hưởng của nhiệt độ lên thành phần và hàm lượng lipid màng [26] Nhiệt độ tăng trưởng giảm dưới mức tối ưu thường làm tăng mức độ không bão hòa của lipid trong hệ thống màng Sự ổn định và tính lưu động của màng tế bào, điển hình các màng thylakoid (nhờ sự tăng mức độ của acid béo không bão hòa trong lipid màng)

35

bảo vệ cơ chế quang hợp khỏi sự ức chế quang ở nhiệt độ thấp [23] Nhiệt độ tối ưu

thông thường khi nuôi Spirulina trong phòng thí nghiệm trong khoảng 35-38oC

[26] Tuy nhiên, khoảng nhiệt độ này không cố định Nhiều loài Spirulina sẽ có

những nhiệt độ phát triển riêng của chúng, cũng như mức độ nhạy cảm đối với các giải nhiệt khắc nghiệt Ở nhiệt độ không tối ưu, tảo cần nhiều carbon và dinh dưỡng hơn để tạo tế bào ở cùng tốc độ tăng trưởng [26]

lơ lửng trong nước, tăng khả năng tiếp xúc đều với ánh sáng và dinh dưỡng, đồng thời hạn chế phân tầng nhiệt [46] Sự phát triển của tảo có thể bị ảnh hưởng do sự thay đổi pH theo 2 cách: sự thay đổi carbon có sẵn làm ảnh hưởng quá trình quang hợp, hoặc thông quá sự cản trở các quá trình màng tế bào Điều này có thể ảnh hưởng trực tiếp đến sự tích lũy các chất chống oxy hóa (antioxidant) trong tảo Hơn thế nữa, các yếu tố như sự sẵn có của dinh dưỡng, sự ion hóa, và độc tố của kim loại nặng có ảnh hưởng lớn lên sự trao đổi chất của tảo, liên hệ với pH và thế oxy hóa khử của môi trường [46]

1.4 Đặc trưng các loại nước thải được nghiên cứu trong luận văn

1.4.1 Đặc trưng nước thải chăn nuôi sau Biogas

Đặc điểm chung

Nước thải chăn nuôi là một trong những loại nước thải rất đặc trưng, có khả năng gây ô nhiễm môi trường cao do hàm lượng chất hữu cơ, cặn lơ lửng, N, P và

36

sinh vật gây bệnh được biểu thị qua các thông số như: COD, BOD5, TN, TP, NH4+,

PO43-,… những thông số này là nguyên nhân gây ô nhiễm môi trường chính Đây là những thành phần dễ phân hủy, gây mùi hôi thối, phát sinh khí độc, làm sụt giảm lượng oxy hòa tan trong nước và đặc biệt nếu không được xử lý khi thải ra nguồn tiếp nhận sẽ gây ô nhiễm môi trường, gây phì dưỡng hệ sinh thái, làm ảnh hưởng đến cây trồng và là nguồn dinh dưỡng quan trọng để vi khuẩn gây hại phát triển Ngoài ra trong nước thải chăn nuôi có hàm lượng lớn các vi khuẩn gây bệnh dịch, đây là yếu tố ảnh hưởng trực tiếp tới sức khỏe của con người cũng như động vật

trong khu vực Nó nhất thiết phải được xử lý trước khi thải ra ngoài môi trường

Trong các khu trang trại chăn nuôi lợn việc dọn dẹp phân chuồng bằng nước được sử dụng rộng rãi tạo ra một khối lượng nước thải khá lớn Trong nước thải hợp chất hữu cơ chiếm 70%-80% gồm cellulose, protit, acid amin, chất béo, hydratcacbon và các dẫn xuất của chúng có trong phân, thức ăn thừa Hầu hết các chất hữu cơ dễ phân hủy Các chất vô cơ chiếm 20% - 30% gồm cát, đất, muối, ure, ammonium, muối chlorua, SO42-,… Trong nước thải chăn nuôi heo thường chứa hàm lượng N và P rất cao Hàm lượng N-tổng trong nước thải chăn nuôi 571 – 1.026 mg/l, Photpho từ 39 - 94mg/l Nước thải chăn nuôi chứa nhiều loại vi trùng, virus và ấu trùng giun sán gây bệnh Các hợp chất hóa học trong phân và nước thải

dễ dàng bị phân hủy, đặc trưng ô nhiễm được thể hiện cụ thể trong bảng sau:

1.4.2 Đặc trưng nước thải bã rượu gạo

Đặc điểm chung

Nước thải bã rượu có đặc tính là ô nhiễm hữu cơ cao và khi thải vào các thủy vực đón nhận thường gây ô nhiễm nghiêm trọng do sự phân hủy các chất hữu cơ, tạo điều kiện thuận lợi cho ruồi nhặng, vi trùng, vi khuẩn phát triển mạnh gây ảnh hưởng đến sức khỏe con người và cảnh quan môi trường

Nước thải bã rượu gạo có thành phần chủ yếu là các chất ô nhiễm hữu cơ, có đặc điểm là dễ phân hủy sinh học Nước thải rượu nếu không được xử lý mà trực tiếp xả ra môi trường sẽ dẫn đến gây mùi khó chịu, gây hiện tượng phú dưỡng, ảnh