Ảnh hưởng của kỹ thuật sử dụng vật liệu hỗ trợ đến hiệu quả nuôi tảo spirulina platensis sử dụng nước thải chăn nuôi heo sau biogas

Phư ng ph p sử dụng vi tảo để xử lý c c chất ô nhiễm từ nước thải chăn nuôi, đ ng được p ụng rộng rải tr n thế giới, đạt hiệu quả cao, chi phí thấp nhưng ại an toàn với môi trường Christ

MỤC LỤC

Trang

CHƯƠNG 1: MỞ ĐẦU 1

1.1 Tính cấp thiết của đề tài 2

1.2 Mục tiêu của đề tài 2

1.3 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu 2

1.3.1 Đối tượng nghiên cứu 2

1.3.2 Phạm vi nghiên cứu 2

CHƯƠNG 2: VẬT LIỆU VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 3

2.1 Vật liệu, hóa chất và trang thiết bị dùng nghiên cứu 3

2.1.1 Vật liệu, hóa chất 3

2.1.1.1 Tảo giống Spirulina platensis 3

2.1.1.2 Nước thải chăn nuôi heo sau biogas 3

2.1.1.3 Hóa chất sử dụng 3

2.1.2 Dụng cụ và thiết bị 4

2.2 Phương pháp bố trí thí nghiệm 4

2.2.1 Nội dung 1: Tối ưu hóa điều kiện thích hợp cho quá trình nuôi tảo sử dụng vật liệu hỗ trợ ở điều kiện phòng thí nghiệm 6

2.2.2 Nội dung 2: Thử nghiệm nuôi Spirulina platensis ở quy mô ngoài trời 7

2.3 Phương pháp nghiên cứu 7

2.3.1 Phương pháp thu và ác định sinh khối của vi tảo S platensis 7

2.3.1.1 Phương pháp thu sinh khối vi tảo S platensis 7

2.3.1.2 Phương pháp ác định sinh khối khô của vi tảo S platensis 8

2.3.2 Phương pháp tính năng suất sinh khối và tốc độ sinh trưởng của S platensis 8

2.3.3 Xây dựng đường cong chu n tương quan giữa mật độ quang và sinh khối vi tảo S platensis 8

2.3.3.1 Phương pháp đo mật độ quang 8

2.3.3.2 Xây dựng đường cong chu n tương quan giữa mật độ quang và sinh khối vi tảo S platensis 9

2.3.4 Phương pháp ph n tích và ác định các ch tiêu sinh hóa của vi tảo S platensis 9

2.3.5 Phương pháp ác định hiệu quả ử l N và P trước và sau nuôi vi tảo S platensis 12 2.3.5.1 Phương pháp thu thập m u nước trước và sau nuôi vi tảo S platensis 12

2.3.5.2 Phương pháp ph n tích các ch tiêu trong nước trước và sau nuôi vi tảo S platensis (APHA, 2000) 12

2.3.5.3 Phương pháp đánh giá hiệu suất xử l N và P của vi tảo S platensis 12

2.3.6 Phương pháp ử lý số liệu và ph n tích thông kê 13

CHƯƠNG 3: KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 14

3.1 Thí nghiệm 1: Kết quả ác định thành phần sinh hóa của nước thải sau biogas trước khi nuôi vi tảo 14

3.2 Thí nghiệm 2: Khảo sát t lệ nước thải nước thải chăn nuôi heo sau biogas phù hợp cho nuôi vi tảo S platensis 15

3.3 Thí nghiệm 3: Khảo sát t lệ giống ban đầu phù hợp cho nuôi vi tảo S platensis 17

3.4 Thí nghiệm 4: Khảo sát cường độ ánh sáng phù hợp cho nuôi vi tảo S platensis 20

3.5 Thí nghiệm 5: Đánh giá hiệu quả giữa 2 phương pháp nuôi vi tảo S platensis: phương pháp TCTT và VLHT 23

3.6 Thí nghiệm 6: Đánh giá thành phần sinh hóa của sinh khối vi tảo S platensis thu được từ phương pháp sử dụng vật liệu hỗ trợ 24

3.7 Thí nghiệm 7: Thử nghiệm nuôi vi tảo Spirulina platensis ở quy mô ngoài trời 25

CHƯƠNG 4: KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 27

4.1 Kết luận 27

4.2 Kiến nghị 27

TÀI LIỆU THAM KHẢO 28

MỞ ĐẦU

1 Tính cấp thiết của đề tài

Hiện nay chất thải từ hoạt động chăn nuôi heo được xem là nguồn gây ô nhiễm lớn

đến môi trường, ước tính trong phân heo có chứa khoảng 5,4-6,3 kg N/tấn phân và 2,23

kg P/tấn phân (O gu n v ctv, v Nước thải s u iog s ch oại được ph n

ớn c c hợp chất h u c , nhưng hông oại được nit N v ph t pho P Nguyễn Thị Hồng v Phạm Khắc Liệu, ; nh ôn v ctv, 8 ã có rất nhiều nghiên cứu tập trung vào việc loại b N và P từ nước thải n y trước khi thải r môi trường tự nhiên Trong khi việc sử dụng công nghệ xử truyền th ng để loại b các chất ô nhiễm n y đ i

h i chi ph v vận h nh phức tạp c ng như tạo ra sản phẩm phụ không mong mu n (Christenson và Sims, 2011; Ruiz và ctv, 2012) Phư ng ph p sử dụng vi tảo để xử lý c c chất ô nhiễm từ nước thải chăn nuôi, đ ng được p ụng rộng rải tr n thế giới, đạt hiệu quả cao, chi phí thấp nhưng ại an toàn với môi trường (Christenson và Sims, 2011; Hoffmann, 1998 M c sự ô nhiễm N v P trong nước thải chăn nuôi g y r sự ph

ư ng cho c c hệ sinh th i thu sinh, nhưng ch ng đều là các nguồn inh ư ng quan trọng cung cấp inh ư ng cho công nghệ vi tảo (De la Noue và De Pauw, 1988; Tiow-Suan và Anthony, 1988; Sevrin-Reyssac, 1998 rong c c công nghệ vi tảo, tảo sử dụng năng ượng ánh sáng m t trời, đồng thời hấp thụ các chất inh ư ng từ nước thải để c định nguồn cacbon tạo ra sinh kh i, điều này không ch làm giảm được sự g y r ô nhiễm

N v P trong nước thải mà còn tạo r được một nguồn sinh kh i có giá trị, giảm phát thải khí gây hiệu ứng nhà kính giúp cho việc ch ng biến đổi khí hậu toàn c u

Spirulina platensis thường gọi vi tảo trước c n được gọi tảo m, ue- green

algae, cyanobacteria) i tảo S platensis được xem là nguồn inh ư ng của thiên nhiên

với đ y đủ các thành ph n thiết yếu như protein, ipi , c r ohy r te c ng nhiều loại

ho ng đ v vi ượng, vitamin và nhiều loại acid amin không thể thay thế như: ysine, methionine, tryptophan (Enzing và ctv, 2014) Nó đã được chứng minh nguồn thực phẩm ổ sung phổ iến tr n to n thế giới v ổ ư ng nhất cho con người Sajilata và ctv,

2008; Ogbonda và ctv, 2007; Konstantinos, 2008) Hiện n y, vi tảo S platensis còn làm

nguồn nguy n iệu tiềm năng hông ch cho qu tr nh tr ch y c c hợp chất có gi trị sinh học như β-c roten v phycocy nin, nguồn thức ăn cho ng nh chăn nuôi m c n nguồn nguy n iệu cho qu tr nh sản xuất nhi n iệu sinh học Konst ntinos, 08) rước nh ng

giá trị mà vi tảo S platensis mang lại thì c c nghi n cứu về x y ựng nh ng mô h nh nuôi

trồng, chế iến v chiết xuất c c chất có hoạt t nh sinh học từ vi tảo n y nhằm phục vụ cho con người ng y c ng được qu n t m H u hết nh ng mô h nh nuôi trồng tảo hiện n y đều

sử ụng phư ng ph p thủy c nh truyền th ng uy nhi n, nhược điểm củ c c hệ th ng

n y năng suất sinh h i thấp v để thu hoạch vi tảo từ c c hệ th ng n y th chi ph cho

qu tr nh oại nước h c o chiếm từ - % tr n tổng chi ph sản phẩm v t n nhiều thời

gian (Davis và ctv, 2011)

Xuất phát từ thực tế nêu trên mà nghiên cứu “Ảnh hưởng của kỹ thuật sử dụng vật liệu hỗ trợ đến hiệu quả nuôi tảo Spirulina platensis sử dụng nước thải chăn nuôi heo s u biogas” được thực hiện Mô hình nuôi này được xem là một lựa chọn hợp lý, một hướng

mới khắc phục được nh ng hạn chế củ phư ng ph p thủy canh truyền th ng hứa hẹn mang lại hiệu quả cao

2 Mục tiêu đề tài

- X c định c c thông s t i ưu củ điều iện nuôi cấy hi sử ụng vật iệu hỗ trợ

- nh gi năng suất và th nh ph n sinh hó củ sinh h i tảo gi hệ th ng

nuôi vi tảo: sử ụng vật iệu hỗ trợ v theo phư ng ph p thủy c nh

3 Đối tƣợng và phạm vi nghiên cứu

3.1 Đối tƣợng nghiên cứu

- Vi tảo Spirulina platensis

- Nước thải chăn nuôi heo s u iog s

3.2 Phạm vi nghiên cứu

ề t i được nghiên cứu tại trường ại học Thủ D u Một

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN TÀI LIỆU

1.1 Giới thiệu chung về vi tảo Spirulina platensis

1.1.1 Cấu tạo, hình thái và phân loại học

Vi tảo S platensis là vi khuẩn m trước c n được gọi là tảo lam, blue- green algae,

cy no cteri , đ o v có ạng sợi, gồm nhiều tế bào hình trụ xếp không phân nhánh ường kính tế bào từ 1 - 12µm, chiều dài tế bào có thể đến 10µm và chiều dài chuỗi có

thể đến 110µm Các sợi tảo có t nh i động trượt dọc trục của chúng Vi tảo S platensis

có dạng xoắn trong môi trường chất l ng và có hình xoắn trôn c thật sự trong môi

trường đ c ộ xoắn của tảo đ c điểm để phân loại của loài Vi tảo S platensis thuộc:

Ngành: Cyanophyta

Lớp: Cyanophyceae

Bộ: Oscillatoriales

Họ: Oscillatoriaceae

Chi: Arthrospira (Spirulina)

Spirulina n đ u ti n được ph n ập từ một mẫu nước ngọt ởi Turpin v năm

8 7 Nhưng mãi đến năm 85 , việc ph n oại học đ u ti n củ o i n y đã được

Stizenberger công Ông đư r t n o i mới Arthrospira ự v o cấu tr c chứ v ch

ngăn, đ o, ạng xoắn Gomont đã hẳng định nh ng nghi n cứu củ Stizen erger v o

năm 89 , đồng thời ổ sung th m o i hông có v ch ngăn Spirulina và loài có vách ngăn Arthrospira Nhưng trong nh ng nghi n cứu Arthrospira thường được gọi

Spirulina Do đó t n Spirulina được sử ụng phổ iến cho đến n y th y cho t n Arthrospira

1.1.2 Đặc điểm sinh sản và phát triển

Spirulina phân b rất rộng, có thể tìm thấy ch ng trong đất, đ m l y, nước ngọt,

nước lợ, nước biển và su i nước nóng rong môi trường nước m n với nồng độ mu i

(>30 g/l), pH cao (8,5- được xem môi trường tưởng cho sự phát triển của vi tảo

S platensis, đ c biệt n i có cường độ ánh sáng m t trời cao Spirulina là sinh vật

quang tự ư ng bắt buộc nên chúng c n phải có ánh sáng và nguồn c r on để sinh

trưởng Nhiệt độ t i ưu cho qu tr nh tăng trưởng của Spirulina từ 5 đến 37°C (trong

điều kiện phòng thí nghiệm) và có thể n đến 39oC (khi nuôi ở điều kiện ngoài trời i

với nh ng chủng Spirulina ư nhiệt ho c chịu nhiệt chúng có thể phát triển được ở nhiệt

độ từ 5 đến 4 °C Ngư ng nhiệt độ thấp nhất mà Spirulina sinh trưởng được vào khoảng 5°C v o n ng y v n đ m thì Spirulina c ng có thể chịu được nhiệt độ

tư ng đ i thấp Khả năng ch ng chịu của Spirulina với tia cực tím là khá cao (Richmond,

1986)

Vi tảo S platensis có phư ng thức sinh sản vô tính (phân chia từ một sợi tảo mẹ

trưởng thành) Từ một sợi tảo mẹ, hình thành nên nh ng đoạn Necridia (gồm các tế bào chuyên biệt cho sự sinh sản rong c c Necri i h nh th nh c c đĩ õm ở hai m t và sự tách rời tạo các Hormogonia bị chia cắt tại vị tr c c đĩ n y rong qu tr nh ph t triển,

d n d n ph n đ u gắn tiêu giảm, đ u hormogonia trở n n tr n nhưng v ch tế bào vẫn có chiều y hông đổi Các hormogonia phát triển, trưởng thành và chu kì sinh sản được

l p đi p lại một cách ngẫu nhiên, tạo n n v ng đời của tảo (Hình 1.1) Trong thời kì

sinh sản tảo Spirulina nhạt màu ít sắc t x nh m h n nh thường rong điều kiện t i

ưu nuôi trong ph ng th nghiệm), thời gi n nh n đôi thế hệ của tảo Spirulina là nh h n

4 h trong hi đó trong điều kiện tự nhiên là khoảng 3-5 ngày (Ali và Saleh, 2012)

và Saleh (2012)

Hình 1.1 Chu kỳ sống của Spirulina 1.1.3 Thành phần sinh h a của vi tảo S platensis

Thành ph n sinh hó c ản của vi tảo Spirulina bao gồm:

 Protein: Vi tảo Spirulina đ c biệt giàu protein chiếm từ 55 đến 70% sinh kh i khô

của Spirulina v h m ượng protein này phụ thuộc vào nguồn g c chủng tảo

oạn sinh sản

oạn hoại bào

(Phang và ctv, 2000) Protein từ Spirulina là protein hoàn ch nh chứ đ y đủ các

amino acid thiết yếu, m c dù một s mino ci như methionine, cystine, v ysine

có h m ượng thấp h n so với protein từ thịt, trứng, s a; tuy nhiên, nó lại c o h n

so với protein có trong thực vật như từ các loại đậu (Habib và ctv, 2008) Bảng 1 tổng hợp h m ượng protein trong c c nguồn thực phẩm h c nh u

Bảng 1.1 Hàm lƣợng protein trong Spirulina và một số thực phẩm khác

 Acid béo thiết yếu và lipid: Các chất béo thiết yếu h y c n gọi xit o

hông ão h đ n i đôi po yuns tur te f tty ci - PUFA) trong Spirulina

chiếm khoảng 1,3-15% so với lipid tổng s , chủ yếu cấu th nh xit γ-linolenic

(30-35% so với axit béo tổng s ) (Li và Qi, 1997) Thành ph n lipid trong Spirulina

chiếm từ 5-6%, trong đó c c PUFA chiếm 1,5-2 % so với tổng s lipid Trong

Spirulina đ c biệt rất gi u ci γ-linolenic (chiếm 36 % so với tổng s PUFA) và

acid linoleic (chiếm 36 % so với tổng s PUFA) Ngoài ra, Spirulina còn cung

cấp một s ci h c như: ci γ-linolenic (ALA), acid stearidonic (SDA), acid eicosapentaenoic (EPA), acid docosahexaenoic (DHA) và acid arachidonic (AA)

 Vitamin: Spirulina có h m ượng cao của cyanocobalamin (vitamin B12)

Ngoài ra còn có chứ c c vit min h c như: vit min B1 (thiamin), B2 (riboflavin),

B3 (nicotinamide), B6 (pyridoxine), B9 (acid folic), vitamin C, vitamin D, vitamin

E và nhiều sắc t h c như ch orophy , x nthophy , et c roten, echinenone, myxoxanthophyll, zeaxanthin, canthaxanthin, diatoxanthin, 3-hydroxyechinenone, beta-cryptoxanthin, oscillaxanthin và allophycocyanin (Bảng 1.2)

Bảng 1.2 Hàm lƣợng vitamin có trong Spirulina dạng bột

 Khoáng chất: Các khoáng chất thiết yếu trong Spirulina chiếm từ 2,8-3%

của sinh kh i hô trong điều kiện phòng thí nghiệm và khoảng 7% trong sản xuất

Spirulina thư ng mại Spirulina là một nguồn gi u i, c nxi, crom, đồng, sắt,

magiê, mangan, ph t pho, selen, natri và kẽm (Bảng 1.3) H m ượng nh ng

khoáng chất trong Spirulina th y đổi phụ thuộc v o điều kiện nuôi như nhiệt độ,

pH, nồng độ mu i (Habib và ctv, 2008)

Bảng 1.3 Khoáng chất trong bột Spirulina

và vi tảo được thực hiện bởi một cánh khuấy, CO2, khí ho c các chất khí thải chứa CO2 có thể được phun vào hệ th ng nuôi tảo (Enzing và ctv, 2014)

Ưu điểm của hệ th ng hở đ n giản, dễ làm và chi phí thấp Nhược điểm lớn của các hệ th ng hở là vấn đề khó kiểm soát nhiệt độ, dễ bị nhiễm bởi nh ng vi sinh vật và các loài tảo khác ho c chủng tảo khác phát triển nh nh h n n n sẽ cạnh tranh và lấn át với vi tảo đ ch c n nuôi H n n a, nồng độ sinh kh i v năng suất rất thấp do sự hạn chế việc tiếp nhận ánh sáng của tế bào, sự thất thoát do sự y h i nước hay khuếch tán CO2 vào khí quyển Hệ th ng loại n y được áp dụng thành công ở nh ng vùng có nhiều ánh nắng và không giới hạn nguồn nước Do đó, mô h nh nuôi vi tảo bằng hệ th ng hở rất

thích hợp tại các khu vực ven biển như ở c c nước châu Á, Mexico, Mỹ, Ý, Tây Ban Nha

và thậm chí cả H L n n i m mô hình nuôi tảo chủ yếu tập trung ở 2 chi Spirulina và

Chlorella (Demirbas và Fatih, 2011)

1.2.2 Nu i vi tảo ng hệ thống bể phản ứng quang sinh học kín (closed photobioreactor- PBRs)

Vi tảo được nuôi trong hệ th ng bể phản ứng quang sinh kín photobiore ctor

PB s được vận hành bằng máy khuấy trộn theo 3 chiều, tảo hấp thu ánh sáng nhân tạo hay tự nhiên Hệ th ng này có thể được đ t ở ngoài trời nhưng trong một s trường hợp

ch ng được đ t n trong nh nh để có thể kiểm soát ch t chẽ h n c c điều kiện nuôi cấy (Enzing và ctv, 2014; Kawietniewska và ctv, 2012) Vì vậy, chi ph đ u tư cho qu trình sản xuất nuôi tảo sẽ c o h n PB s được xem là có nhiều ưu điểm h n so với hệ

th ng nuôi hở và khắc phục được nhược điểm của hệ th ng nuôi hở Bảng 4):

 Ngăn ch n ho c giảm thiểu sự lây nhiễm của nh ng sinh vật có hại cho hệ th ng nuôi tảo, cho phép nuôi các loài tảo mà không thể nuôi được bằng hệ th ng hở;

 Hệ th ng không chịu t c động bởi thời tiết Việc quản lý các yếu t vật lý (ánh sáng, nhiệt độ… , hóa học (hóa chất dùng nuôi trồng tảo), sinh học (kiểm soát diệt nh ng sinh vật gây hại cho tảo được chủ động;

 Ngăn ch n sự b c h i n n giảm được ượng nước sử dụng và sự tổn thất CO2 thấp;

 ạt nồng độ tế o c o n n cho năng suất c o h n

Bảng 1.4 So sánh hệ thống nuôi tảo hở và kín

hồ)

Hệ thống nuôi tảo kín (Photobioreactor)

Diện tích Diện tích nuôi trồng lớn Diện tích nuôi trồng lớn nh

Sự mất nước Rất cao, có thể là nguyên

nhân gây ra kết tủa mu i Thấp Tổn thất CO2 Cao, phụ thuộc v o độ sâu Thấp

Nồng độ oxy hường thấp

ch y của O2 trong hệ th ng yêu

c u các thiết bị chuyên dụng để đảm bảo sự tr o đổi khí

Nhiệt độ

Biến đổi rất cao, kiểm soát nhiệt độ có thể thông qua việc điều ch nh độ sâu của hồ nuôi

Nhiệt độ được làm mát nhờ nh ng thiết bị ấn định tự động

Stress trên tế

bào

hường thấp do quá trình khuấy trộn nhẹ nhàng

Cao do t c độ khuấy trộn lớn để đảm bảo t c độ dòng chảy được duy trì và

sự tr o đổi khí

Vệ sinh n giản, không phức tạp

Phức tạp: o ẫn tạp chất, sự phát triển của tảo sẽ bám trên thành hệ th ng nuôi m hạn chế khả năng tiếp xúc với ánh sáng của tế bào tảo; quá trình làm sạch sẽ m i m n hệ th ng nuôi

Hệ th ng không chịu t c động bởi thời tiết Việc quản lý các yếu t vật

Thấp h n o nồng độ cao của sinh

kh i và kiểm soát t t h n điều kiện nuôi của các loài nuôi cấy

Hiện nay nh ng thách thức lớn trong việc nuôi vi tảo để ứng dụng làm thực phẩm

và thức ăn chăn nuôi : giảm chi phí sản xuất thức ăn chăn nuôi; cải thiện công nghệ sản

xuất để đảm bảo tính an toàn của sản phẩm thực phẩm từ vi tảo; v t nh ổn định/độ tin cậy của môi trường nuôi cấy c ng như ựa chọn chủng phù hợp tránh bị lây nhiễm nh ng sinh vật h c Do vậy, việc x y ựng hệ th ng PB s c n ch đến mục đ ch đạt được hiệu quả cao trong việc sử dụng ánh sáng và cung cấp nh ng điều kiện c n thiết, ổn định cho quá trình nuôi tảo ồng thời giải quyết các vấn đề chính g p phải trong hệ th ng nuôi PB s như qu nóng, sự tăng n của nồng độ oxy và sự gi tăng c c c thể vi sinh vật không mong mu n

Các tiêu chuẩn thiết kế c ản cho PBRs bao gồm cấu hình của hệ th ng đ i với cường độ ánh sáng và chu kỳ ánh sáng/t i, t lệ gi a bề m t được chiếu sáng của các bể lên men sinh kh i và thể tích của nó (surface-to-volume S/V), thiết bị khuấy - sục khí và khử khí T lệ S/V quyết định ượng nh s ng đi v o hệ th ng trên một đ n vị thể tích và

sự tiếp xúc của các tế bào tảo đ i với ánh sáng T lệ S/ c o h n th cho năng suất cao

h n vậy đ y một trong nh ng tiêu chuẩn quan trọng trong thiết kế PB s i với thiết bị khuấy - sục khí thì hệ th ng nuôi tảo với qui mô lớn có kết hợp hợp hệ th ng khuấy - sục khí nhằm thu ượng sinh kh i nhiều nhất B ạng c ản củ hệ th ng PB s

đã được mô tả như H nh

Dębo

H nh 1.2 Hệ thống Photo ior actor A) dạng tấm; B) dạng iocoil và C ạng cột

Lưu ể nuôi tảo c n được khuấy liên tục Tuy nhiên, khi khuấy - sục khí quá mạnh thì sẽ làm tổn thư ng tế bào và có thể dẫn đến gây chết tế bào tảo Vì vậy, cường

độ khuấy trộn phải được lựa chọn để phù hợp với đ c tính của chủng tảo đ ch c n nuôi cấy Theo Enzing và ctv (2014), sục khí nhằm mục đ ch:

A) PBR dạng tấm:

1 - bể môi trường inh ư ng;

2 - m môi trường inh ư ng;

3 - m hông h ;

4 - ánh sáng;

5 - van xả thu hồi sinh kh i

B) PBR dạng Biocoil:

1 - bể môi trường inh ư ng;

2 - m môi trường inh ư ng;

3 - van xả thu hồi sinh kh i;

4 - m tu n hoàn;

5 - ánh sáng;

6 - m hông h

C) PBR dạng cột:

1 - bể môi trường inh ư ng;

2 - m môi trường inh ư ng;

3 - m hông h ;

4 - ánh sáng;

5 - van xả thu hồi sinh kh i;

6 - van xả khí

 Tạo sự tiếp xúc t t h n của tế bào tảo với inh ư ng, ánh sáng, CO2;

 Gi ổn định nhiệt độ, pH trong nước giúp tảo phát triển t t;

 Loại b được ượng oxy tạo ra Khi mà oxy tạo ra ở một giá trị nhất định thì sẽ ức chế quá trình quang hợp của tảo;

 Tạo ra t c độ nước chảy Do đó, tạo điều kiện t i ưu cho sự phát triển vì tảo sẽ không

bị lắng nhất là tại các góc của bể

1.2.3 Hệ thống nu i vi tảo ết hợp với màng sinh học

Hệ th ng nuôi trồng vi tảo kết hợp với màng sinh học là một hệ th ng h độc đ o

và rất khác so với các hệ th ng nuôi trồng vi tảo hiện nay H u hết các hệ th ng nuôi trồng vi tảo hiện n y như hệ th ng nuôi hở trong các ao hay hệ th ng kín PBRs thì hệ

th ng uôn được thiết kế sao cho gi các tế bào vi tảo không dính vào nhau ho c không lắng trên bề m t đảm bảo cho các tế bào vi tảo uôn ửng trong môi trường inh ư ng Các hệ th ng nuôi cấy vi tảo kết hợp với màng sinh học thì hoàn to n ngược lại, nh ng

hệ th ng này khuyến khích vi tảo lắng ho c bám trên bề m t mong mu n bằng cách cho phép các tế bào gắn vào màng sinh học, vi tảo sẽ được cô đ c một cách tự nhiên và dễ dàng thu hoạch Sinh kh i vi tảo thu được từ bề m t của màng sinh học có h m ượng nước tư ng tự như vi tảo thu được từ hệ th ng nuôi hở h y n s u hi y t m Do đó, thời gian và chi phí cho việc thu hoạch sẽ rút ngắn và tiết kiệm (Johnson và Wen, 2010)

Gi ng như m ng sinh học vi khuẩn, màng sinh học vi tảo c ng có khả năng th ch nghi với nh ng th y đổi củ môi trường, uy tr được các khuẩn lạc đ n h y từng cụm trên bề

m t màng và dễ dàng tách sinh kh i ra kh i bề m t màng G n đ y nh ng nghiên cứu về

hệ th ng nuôi vi tảo kết hợp với màng sinh học ng y c ng được quan tâm bởi chi phí cho quá trình thu hoạch sinh kh i thấp, giải quyết được vấn đề ô nhiễm nước và nguồn sinh

kh i thu được là một trong nh ng nguồn nguyên liệu để sản xuất nhiên liệu sinh học (Christenson và Sims, 2011; Posadas và ctv, 2013)

Qúa trình nuôi vi tảo S platensis c ng như một s vi tảo khác hiện nay chủ yếu nuôi

bằng phư ng ph p thủy canh truyền th ng nuôi trong nước), vì vậy c n quá trình sục khí liên tục nên dễ ảnh hưởng đến cấu trúc vi tảo (Tomaselli và ctv, 1981) Bên cạnh việc nuôi tảo bằng phư ng ph p thủy canh thì một s vi tảo có khả năng ph t triển trên các vật liệu hỗ trợ tạo thành các màng sinh học hiệu quả (Wuertz và ctv, 2003) G n đ y có rất nhiều nghiên cứu sử dụng các vật liệu hỗ trợ để vi tảo bám vào phát triển tạo thành nh ng

màng biofilm (Shen và ctv, 2014; Blanken và ctv, 2014) Với kỹ thuật nuôi vi tảo này thì nâng cao hiệu suất sinh kh i tảo, giảm chi phí sản xuất (Liu và ctv, 2013; Ozkan và ctv, 2012) Mulbry và Wilkie (2001 đã sử dụng công nghệ ATS (algal turf scrubber để đ nh giá khả năng xử nước thải c ng như sinh h i của nhóm tảo m thu được khi sử dụng nước thải chăn nuôi thô chư được phân hủy kỵ h v nước thải s u iog s để nuôi tảo Kết quả cho thấy với thành ph n N củ nước thải n đ u từ 0,6 - 0,96 g N/ngày thì cho năng suất sinh kh i tảo đạt 5 g/m2/ngày Thành ph n sinh hóa của tảo thu được có chứa 1,5 - 2% P, 5 - 7% N Hiệu quả loại b N, P l n ượt là 34,3 và 100 %

Johnson và Wen (2010 đã sử dụng nước thải chăn nuôi s để nuôi thu sinh kh i

Chlorella Nghiên cứu đã đ nh gi sự ảnh hưởng của 6 loại vật liệu hỗ trợ đến năng suất

thu sinh kh i của tảo c ng như hiệu quả loại b N v P Kết quả cho thấy sau 10 ngày nuôi thì vật liệu po ystyrene fo m cho năng suất tảo cao nhất (2,56 g/m2/ngày, trọng ượng khô); hiệu quả loại b N, P l n ượt là 61-79% và 62-93% Kết quả thí nghiệm c ng ch ra rằng sinh kh i tảo thu được sau khi thu hoạch có độ ẩm 9 ,8%, độ ẩm n y tư ng đư ng với độ

ẩm của sinh kh i tảo thu được sau khi ly tâm khi nuôi trong môi trường thủy canh truyền

th ng Với hệ th ng nuôi tảo sử dụng vật liệu hỗ trợ polystyrene foam thì thu hoạch dễ

ng h n v có thể tái sử dụng vật liệu này nhiều l n trong một thời gian dài Ngoài ra việc

sử dụng lại vật liệu s u hi đã thu hoạch vi tảo cho l n nuôi vi tảo tiếp theo thì mang lại năng suất cao và rút ngắn được thời gi n h n so với việc sử dụng vật liệu n đ u

Liu và ctv (2013) đã nghi n cứu nuôi tảo Aucutodesmus obliquus ằng c ch sử ụng giấy ọc như một vật iệu hỗ trợ cho tảo m Kết quả năng suất củ A obliquus đạt được

80g/m2/ng y, gấp 7 n so với hi nuôi thủy c nh ở c ng điều iện nuôi Lanlan và ctv

(2015) đã sử ụng vải như một vật iệu hỗ trợ để nghi n cứu nuôi vi tảo S platensis Kết

quả s u ng y nuôi th năng suất đạt được h c o với 6 g/m2/ngày và sinh h i thu được có gi trị inh ư ng c o, nhưng h m ượng ipi , c r ohy r te, protein trong sinh

h i h c iệt hông đ ng ể so với hi nuôi ằng phư ng ph p thủy c nh rong một nghi n cứu h c, Johnson và ctv (2015) đã nghi n cứu hiệu quả nuôi vi tảo hi sử ụng

m ng sinh học có th nh ph n 5 % cotton v 5 % po yester để m vật iệu hỗ trợ cho vi tảo m v o Nghi n cứu cho thấy năng suất sinh h i vi tảo thu được c o gấp ,8 n so với phư ng ph p thủy c nh truyền th ng ảo thu được c ng có h m ượng ci o h c iệt hông đ ng ể so với hi nuôi ằng phư ng ph p thủy c nh ới mô h nh nuôi n y th

cho ph p vi tảo ph t triển h ễ tr n nh ng gi thể để tạo th nh nh ng iofi m, hi m

nh ng gi thể được o phủ đ y tảo th c đó thời điểm ắt đ u thu sinh h i được

1.2.4 Hệ thống nuôi trồng dị ưỡng - nuôi trong tối (heterotrophic)

Hệ th ng n y đã n đ u ti n được áp dụng để nuôi Chlorella, được mô tả bởi

(Kawaguchi, 1980) Theo báo cáo của Lee (1997), trong năm 996 có hoảng 550 tấn tảo

n y được sản xuất tại Nhật Bản Các công ty Martek Inc (Mỹ c ng đã nuôi cấy

Crypthecodinium cohnii để sử dụng cho việc sản xuất các chuỗi dài acid béo không no

(Kyle và ctv, 1998) C c điều kiện đ c trưng cho hệ th ng nuôi cấy dị ư ng bao gồm: nhiệt độ từ 6 đến 8oC; không có ánh sáng; t c độ khuấy trôn 200 - 480 vòng/phút; pH

từ 6, to 6,5; môi trường nuôi cấy có chứ g g ucose h y cet te/L môi trường; v

bổ sung N v P để đảm bảo t lệ C:N:P l n ượt 9: , 5: , 5 Nhược điểm chính của hệ

th ng này là nó không thể được áp dụng cho tất cả các loài tảo v hó hăn trong vấn đề

về kỹ thuật, công nghệ

1.3 Các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình nuôi vi tảo

1.3.1 Nhiệt độ

Nhiệt độ là một trong nh ng yếu t môi trường quan trọng nhất ảnh hưởng tới t c

độ tăng trưởng, ch thước tế bào và thành ph n sinh hóa của tảo Nhiệt độ thích hợp cho

sự phát triển của h u hết các loài tảo là từ đến 40oC (Goldman và Carpenter, 1974) Mỗi loài tảo c n nuôi ở một khoảng nhiệt độ thích hợp, ngo i ngư ng nhiệt độ tảo sẽ không phát triển và có thể bị chết Nó ảnh hưởng lớn đến thành ph n hóa học, sự hấp thu các chất inh ư ng, sự đồng hóa CO2 và sự tăng trưởng của vi tảo T c độ tăng trưởng của tảo sẽ tăng đến mức t i ưu hi nhiệt độ tăng đến một mức nhất định, nếu nhiệt tiếp tục tăng n a thì t c độ tăng trưởng của tảo sẽ giảm đ ng ể Nhiệt độ t i ưu đ i với

Chlorella vulgaris nằm trong khoảng 25-30°C (Cassidy và Keelin, 2011), đ i với vi tảo

S platensis thì nằm trong khoảng 35-40°C (Zarrouk, 1996)

Christov và ctv (2001) đã đ nh gi ảnh hưởng của nhiệt độ đến thành ph n hóa học

của Scenedesmus sp Kết quả cho thấy khi nhiệt độ thấp h n 5°C th h m ượng chất diệp lục v protein đều giảm trong khi các thành ph n carotenoids, saccarit và lipid lại

tăng n, v có sự gi tăng % của các loại đường và chất béo ở mức nhiệt độ 36°C Ngoài ra nhiệt độ còn ảnh hưởng đến khả năng hấp thụ kim loại của tảo heo ết quả

củ Demon và ctv (1989) th nhiệt độ đã ảnh hưởng đến sự hấp thụ kim loại của

Scenedesmus sp., nhiệt độ tăng th hả năng hấp thụ As, Zn v C c ng tăng theo

c ng cho thấy sự gi tăng thời gian ánh sáng sẽ ảnh hưởng trực tiếp đến t lệ gi tăng về

s ượng của các loài vi tảo được nuôi trồng (Al-Qasmi và ctv, 2012) ể cho tảo phát triển c n một cường độ ánh sáng nhất định, tuy nhi n, hi cường độ ánh sáng quá cao thì làm tổn thư ng ộ máy quang hợp dẫn đến hiện tượng quang ức chế ‘photoinhi ition’

Chisti (2007)

Hình 1.3 Ảnh hưởng của cường độ ánh sáng lên tốc độ tăng trưởng của vi tảo

Carvalho (2010) đã nghi n cứu ảnh hưởng của ánh sáng tới sự phát triển của vi tảo trong hệ th ng PBRs Tác giả thấy rằng nuôi vi tảo trong PB s n n được cung cấp thời gian chiếu sáng, cường độ v ước sóng thích hợp Nếu nh s ng hông đủ có thể dẫn đến hạn chế sự tăng trưởng của vi tảo Jacob-Lopes và ctv (2008) c ng đã đ nh gi ảnh hưởng củ c c chu ỳ sáng/t i khác nhau: 0:24, 2:22, 4:20, 6:18, 8:16, 10:14, 12:12,

14:10, 16:8, 18:6, 20:4, 22:2 và 24:0 h (t i: sáng), tại nhiệt độ 350C đến sự phát triển của

Aphanothece microscopica Nageli Kết quả thu được thời gian chiếu sáng giảm sẽ dẫn

đến ượng sinh kh i tảo thu được giảm ngoại trừ trường hợp chu kỳ chiếu sáng 12:12 (t i: sáng)

Khi nghiên cứu trên vi tảo S platensis việc sử dụng cường độ ánh sáng cao quá trong

quá trình nuôi có thể dẫn đến nh ng tác hại chính sau: ức chế quá trình quang hợp, giảm

t c độ tăng trưởng của tế bào, gây tổn thư ng tế bào nghiêm trọng v trong trường hợp

n ng làm giảm hiệu suất nuôi (Vonshak và ctv, 1994) Theo Pandey và ctv (2010), khi khảo sát ảnh hưởng các mức độ khác nhau củ cường độ ánh sáng: 3; 3,5; 4; 4,5 và 5 Klux

đến sự phát triển của vi tảo S platensis, thì tại cường độ ánh sáng 5 klux thì t i ưu nhất cho

sự phát triển của tảo với tảo đạt 1,7 g/L sinh kh i hô v h m ượng protein 64,3%

Ngo i r cường độ ánh sáng còn ảnh hưởng đến sự tổng polysaccharide trong tảo Friedman và ctv (1991) báo cáo rằng hi cường độ nh s ng tăng từ 75 tới 300 µmol m-2

s-1 th h m ượng po ys cch ri e tăng ,6 n đ i với Porphyridium sp và 3 l n đ i với

Porphyridium aerugineum B n cạnh đó, Tredici và ctv (1991) c ng đã chứng minh rằng

thành ph n c r ohy r te được tổng hợp trong vi tảo S platensis trồng ngoài trời vào

nh ng ngày có nắng c o h n đ ng ể so với vào nh ng ngày có mây

1.3.3 Dinh ƣỡng

Trong việc lựa chọn và thành ph n của một môi trường inh ư ng để nuôi tảo thì

ch đến các yếu t s u đ y Grobbelaar, 2004):

 Nồng độ mu i độ m n) và áp suất thẩm thấu;

 Thành ph n sinh hóa của tế bào;

 Nguồn g c củ nit nitr t, moni c, ur ;

 Nguồn g c của carbon (h u c – HCO3- h y vô c – CO2);

 pH, nhiệt độ, nh s ng

 Yếu t vi ượng, EDTA và vitamin

H u hết sinh kh i tảo được cấu thành bởi sáu yếu t chính: carbon (C), oxy (O),

hy ro H , nit N , ưu huỳnh (S) và ph t pho (P) Ngoài ra còn có canxi (Ca), kali (K), natri (Na), Clo (Cl), magiê (Mg), sắt Fe v si icon Si nhưng với h m ượng t h n B n cạnh đó c n có c c yếu t khác với thành ph n rất ít chúng có vai trò trong các phản ứng

xúc tác Thành ph n môi trường inh ư ng nuôi tảo c ng tư ng tự như thực vật bậc cao Yêu c u thành ph n inh ư ng nuôi tảo thì sử dụng khoảng 30 nguyên t và hợp chất, nhưng h u hết các thành ph n inh ư ng trong môi trường nuôi tảo hiện nay ch chứa là một ph n trong s trên

Tùy thuộc vào từng loài tảo, phư ng ph p nuôi cấy hay mục đ ch ng sinh h i tảo thu được để sản xuất mà thành ph n chất inh ư ng trong môi trường nuôi cấy sẽ khác

nh u iều này có thể được thấy rõ trong việc trồng Dunaliella salina với mục tiêu là dùng

để chiết xuất β-c roten đã được áp dụng công nghệ nuôi cấy h i ph Ph đ u tiên của quá

trình nuôi tảo là nhân nhanh sinh kh i vì vậy, môi trường nuôi tảo c n có h m ượng cao của nit v độ m n thấp Trong pha thứ hai yêu c u môi trường inh ư ng có h m ượng thấp củ nit v độ m n c o, điều này sẽ th c đẩy Dunaliella salina tạo ra nhiều β-caroten

h n Gro e r, 4 i tảo tạo ra một ượng lớn các hợp chất chuyển hóa thứ cấp đ c biệt trong nh ng điều kiện khắc nghiệt như hạn chế về h m ượng nit , độ m n c o, cường

độ ánh sáng cao hay nhiệt độ thấp Ngo i r đôi hi tảo c ng tiết ra nhiều chất có nh ng

đ c tính ch ng oxy hó như po yuns tur te , protein Pulz và Gross, 2004)

 Carbon

Carbon là yếu t quan trọng nhất được hấp thụ bởi tảo Nó chiếm 46- 50% sinh kh i khô của tảo (Grobbelaar, 2004) Tùy thuộc vào hình thức inh ư ng của tảo mà nguồn cung cấp carbon ở dạng khí ho c h u c i với sinh vật quang tự ư ng hấp thu CO2 để tạo ra hợp chất h u c thông qu qu tr nh qu ng hợp, với hình thức dị ư ng thay vì hấp thụ CO2 thì tảo sử dụng các chất h u c như c c oại đường đ n giản như g ucose, ci

h u c xit xetic, xit ctic , rượu ho c các axit amin (Kawietniewska và ctv, 2012)

 Nitrogen

Nitrogen được tảo sử dụng để tạo ra các amino acid, acid nucleic, chlorophyll và các hợp chất h u c chứ nit h c Nit chiếm 1 -10% sinh kh i khô của tế bào tảo Tùy thuộc vào loài tảo v điều kiện nuôi cấy hi m h m ượng nit bị thiếu th nó thường được biểu hiện thông qua sự th y đổi màu sắc củ môi trường nuôi cấy chuyển sang màu vàng cam Nguyên nhân là do sự sụt giảm chlorophyll và sự gi tăng về h m ượng carotenoids thứ cấp và bởi sự t ch y c c hợp chất h u c như c r ohydrate hay chất béo (Grobbelaar,

4 i với vi tảo S platensis trong điều kiện thiếu N thì sẽ làm giảm khả năng c định

cacbon ngay cả hi được sục với khí CO2 cao (Juneja và ctv, 2013)

Nitrogen được tảo hấp thụ ưới nh ng dạng sau:

 Nitrates (NO3-), nitrites (NO2-): Khi 2 nguồn nit n y được tảo hấp thụ thì pH của môi trường inh ư ng sẽ tăng;

 Ammonium (NH4+): Khi ion NH4+ được tảo hấp thụ thì pH củ môi trường sẽ giảm do

sự tăng nồng độ ion H+ C n chú ý ở đ y ion NH4+ có thể biến đổi thành NH3 dạng khí và dễ dàng thoát kh i môi trường inh ư ng

 Urea: Các loài tảo phát triển t t h n trong môi trường có sự hiện diện của nitrogen ưới dạng ure h n nitrogen ưới hình thức nitrat hay ammonium Một trong nh ng giả thuyết giải th ch cho cho điều đó tảo không ch hấp thu nit m c n hấp thu carbon chứa trong phân tử urê

c ng tư ng tự như thiếu N, bên cạnh đó hi thiếu P còn xuất hiện thêm sự ức chế tổng hợp phycobilisomes (Hu, 2004) Các yếu t inh ư ng như nit N v ph t pho (P) cung cấp cho quá trình nuôi cấy tảo có thể được lấy từ phân bón nông nghiệp, đ y được xem là một c ch đ n giản đ n giản, dễ kiếm nhưng có thể m tăng chi ph nuôi trồng tảo Có nhiều lựa chọn nguồn cung cấp nit N v ph t pho (P) rẻ h n đó việc sử dụng nước thải ao nuôi cá (Aresta và ctv, 2005) h y nước thải từ chuồng nuôi heo (Olguín và ctv, 2003) hay là các chất inh ư ng có được từ sự thu hồi ư ượng chất thải của các quy trình công nghệ ví dụ lên men kỵ khí ho c q trình khí hóa

 C c ho ng đa và vi lƣợng

Kho ng vi ượng có trong tế bào tảo với s ượng rất nh (<4 ppm) Sắt (Fe), mangan (Mn), coban (Co), kẽm Zn , đồng (Cu) và nickel (Ni) là sáu kim loại vi ượng quan trọng nhất để đảm bảo cho tảo thực hiện chức năng chuyển hóa (Bruland và ctv, 1991) Sự thiếu hụt các kim loại vi ượng dẫn đến hạn chế sự phát triển của tảo, trong

trường hợp khi nồng độ kim loại qu c o tr n ngư ng độc tính) có thể ức chế sự tăng trưởng, giảm quang hợp, phá hủy chất ch ng oxy hóa và làm tổn thư ng m ng tế bào Sắt

là một kim loại quan trọng cho sự phát triển nh thường, hoạt động của quang hợp và hô hấp trong tảo Nó đóng v i tr như chất xúc tác oxy hóa khử trong quá trình quang hợp, đồng hó nit v m trung gi n phản ứng vận chuyển điện tử trong các sinh vật quang

ư ng (Terry và Abadía, 1986) rong điều kiện giới hạn nồng độ sắt gây ức quá trình vận chuyển điện tử, kết quả là giảm sự hình thành NADPH Nồng độ cao của sắt trong

môi trường nuôi Chlorella vulgaris sẽ m tăng h m ượng lipid, giảm h m ượng sắt thì

sẽ giảm h m ượng carotenoid tạo thành Trong khi có một s kim loại không c n thiết như C , P v Cr có thể ức chế nhiều qu tr nh tr o đổi chất thậm chí với s ượng nh một s kim loại như Zn v Cu m hi nồng độ quá cao thì có thể gây ngộ độc (Juneja và ctv, 2013)

 Nồng độ CO 2 /O 2

M c dù CO2 hòa tan t t trong nước nhưng với h m ượng CO2 thấp trong khí quyển , % hông đảm bảo tảo tăng trưởng t i ưu Gro e r, 4 vậy, trong mô hình nuôi tảo, CO2 sẽ được b m ổ sung ở c c nồng độ h c nh u rong qu tr nh nuôi cấy, cacbon ở dạng khí được hấp thụ bởi tảo theo phản ứng sau:

2HCO3-  CO32- + H2O + CO2HCO3-  CO2 + OH-

CO32- + H2O  CO2 + OH-

Theo phản ứng trên chúng ta có thể thấy, thông thường tảo Spirulina sử dụng các bon

ở dạng HCO

-3 và hình thành các ion OH-, CO32- dẫn tới việc pH trong dịch huyền phù luôn

có xu hướng tăng lên và có thể n đến giá trị pH = Phư ng ph p t t nhất điều ch nh pH

là cung cấp liên tục CO2 hay bổ sung acid acetic vào dịch tảo thì pH sẽ giảm xu ng (Grobbelaar, 2004) Việc m CO2 không ch là giải pháp t t để điều ch nh pH mà nó còn ngăn ngừa sự lắng đọng của các tế bào tảo v o đ y ể nuôi thông qua hiệu ứng khuấy đảo trong bể nuôi Aresta và ctv (2005 đ nh giá ảnh hưởng của 5 mức nhiệt độ (25, 27, 29 và ˚C , mức nồng độ CO2 (2, 4, 6%), 5 mức nồng độ O2 (10, 20, 30, 40, 50%) và 6 mức cường độ chiếu sáng (từ 20 - 200 µmol/m2/s đến sự phát triển của Euglena gracilis Kết

quả ở nhiệt độ từ 27-31°C, nồng độ CO2 (4%), nồng độ O2 (20%) và cường độ chiếu sáng

(100 μmo /m2/s) thì tảo phát triển t t nhất Một nghiên cứu khác trên vi tảo S platensis đã

đ nh gi được khi nồng độ CO2 cao dẫn đến làm giảm h m ượng protein và các sắc t trong tế o nhưng tăng h m ượng carbohydrate Sự th y đổi n y o theo năng suất sinh

kh i giảm (Gordillo và ctv, 1998)

 pH

M c dù có một s loài tảo có khả năng chịu được phạm vi pH rất rộng (pH 6 - 11) Tuy nhiên, phạm vi pH thích hợp cho sự phát triển của h u hết các loài tảo là 7 - 9, t i ưu

là 8,2 - 8,7 i với vi tảo S platensis có thể s ng và phát triển nh nh trong môi trường

gi u ic r onic v độ kiềm c o độ pH từ 8,5 - 11) Nếu pH tăng c o th nó sẽ đóng v i trò hoạt động như một chất ức chế sự tăng trưởng của tế bào, vì vậy việc kiểm so t độ pH

củ môi trường nuôi cấy là rất c n thiết (Richmond, 2000) Theo Pandey và ctv (2010) thì

tại giá trị pH 9, vi tảo S platensis có h m ượng sinh kh i khô 1,82 g/l và protein cao nhất 64,3% Ở pH = 12 thì vi tảo S platensis hông sinh trưởng phát triển được m c dù

tảo có thể thích nghi với môi trường th y đổi pH, tuy nhiên sự th y đổi này xảy r đột ngột sẽ dẫn đến sự phá hủy tế o, điều này xảy r đ i với môi trường có dung dịch đệm không t t Dung dịch đệm được sử dụng là 0,2 M NaHCO3 (Zarrouk, 1996) Sự hấp thu ion NO-3 sẽ dẫn đến sự tăng pH củ môi trường v ngược lại sự hấp thu NH4+ sẽ làm giảm pH Trong quá trình nuôi cấy mật độ tảo càng cao thì sự th y đổi pH trong ngày càng lớn, thấp nhất vào sáng sớm và cao nhất vào lúc xế chiều

 Khuấy trộn

Thời gian khuấy trộn được định nghĩ thời gian c n thiết để đảm bảo hỗn hợp

đồng nhất Khuấy trộn có vai trò quan trọng giúp tảo ửng trong nước tránh lắng xu ng

đ y, m tảo có c hội tiếp x c đều với ánh sáng và chất dinh ư ng, loại b oxy được tạo ra trong quá trình quang hợp, hạn chế hiện tượng ức chế quang hợp ồng thời, sục khí hạn chế sự phân t ng nhiệt độ, sự kết tủa của kim loại c ng như sự lắng xu ng đ y của các kim loại n ng (Janvanmardian và Palsson, 1991) Hiện nay có nhiều nghiên cứu

đã chứng minh được ở cùng một điều kiện nuôi cấy thì t c độ tăng trưởng của tảo ở điều kiện nuôi có khuấy trộn sẽ phát triển nh nh h n so với điều kiện nuôi không có khuấy trộn Tùy thuộc vào chủng tảo và hệ th ng nuôi cấy tảo mà chọn thiết bị khuấy trộn phù hợp i với các hệ th ng nuôi hở như c c ể nuôi tảo ngoài trời th thường sử dụng hệ

th ng cánh khuấy để khuấy trộn (Hase và ctv, 2000), còn với các PBRs sử dụng nh ng động c để khuấy trộn

 M t độ nuôi cấy an đầu

Mật độ b n đ u là một trong nh ng yếu t có liên quan mật thiết đến sinh kh i và thời gian tảo đạt cực đại Tuỳ loài tảo khác nhau mà mật độ gieo cấy n đ u c ng h c nhau Theo Nguyễn Thanh Mai và ctv (2009) th c c o i tảo đều phát triển theo qui luật: Khi mật độ gieo cấy n đ u cao, t c độ sinh trưởng của tảo nhanh, sinh kh i cao và thời

gi n đạt cực đại càng ngắn Tuy nhiên, khi mật độ n đ u quá cao thì mật độ đạt cực đại lại hông c o h n Sự khác nhau về mật độ gieo cấy n đ u ảnh hư ng quyết định đến

s ượng tế bào tham gia phân chia bởi vậy s ượng tế bào sinh ra trong từng thời điểm

c ng h c nh u S ượng tế bào tham gia phân chia càng nhiều, mật độ tăng c ng nh nh

v ngược lại Song cùng với sự tăng nh nh về s ượng tế bào tảo, các yếu t môi trường

h c c ng nh nh chóng th y đổi theo: Lượng mu i inh ư ng giảm nh nh, pH tăng, hả năng nhận ánh sáng của tế bào giảm iều này rất có nghĩ trong thực tế sản xuất

1.4 Đặc tính và l nước thải chăn nu i h o

1.4.1 Đặc tính của nước thải chăn nu i h o

Nước thải chăn nuôi hỗn hợp bao gồm nước thải gi s c, nước vệ sinh gia súc, chuồng trại, nước ăn u ng và phân l ng hòa tan Nhiều loại ph n động vật có thành ph n inh ư ng tư ng tự như th nh ph n củ môi trường nuôi cấy vi tảo và nó hỗ trợ t t cho

sự tăng trưởng của một s chủng vi tảo (Zhou và ctv, 2014) Thành ph n củ nước thải chăn nuôi heo gi u nguồn carbon h u c , đường và các chất inh ư ng h c như nit (N) và ph t pho P , đ y được xem là một nguồn phân bón tuyệt vời trong nông nghiệp Dạng chính củ nit h t n trong ph n heo moni (NH+4 -N), đ y nguồn dinh

ư ng phù hợp cho tảo đồng hó để xây dựng tế bào Theo Hu và ctv (2013), ngoài ượng lớn N v P, th trong nước thải chăn nuôi heo có chứ h m ượng acid béo dễ bay

h i với h m ượng 677 mg/ , o gồm ci xetic, ci propionic v ci utyric Bảng

5 y được coi là nguồn cacbon h u c h t n tiềm năng trong nuôi trồng vi tảo

Bảng 1.5 Đặc tính của nước thải chăn nu i h o trước và sau quá trình ủ kỵ khí

Thông s

Nước thải chăn nuôi heo trước Nước thải chăn nuôi heo s u

ph oãng nước thải với nước, y t m để loại b chất rắn h y nước thải được được xử lý bằng h m phân hủy yếm khí (h m biogas) Qúa trình ủ kỵ h th c đẩy quá trình chuyển hóa nh ng chất h u c th nh nguồn cacbon mà tảo có thể sử dụng được

1.4.2 Một số nghiên cứu l nước thải chăn nu i h o cứu s dụng vi tảo S

platensis

Sử dụng nước thải để nuôi vi tảo là một tưởng đ c biệt hấp dẫn vì khả năng qu ng hợp củ ch ng để chuyển đổi năng ượng m t trời thành sinh kh i kết hợp với việc sử dụng các chất inh ư ng như nit v ph t pho trong nước thải, là nguyên nhân gây ra hiện tượng ph ư ng (De laNoue và De Pauw, 1988) Ý tưởng hấp dẫn n y đã được đề

xuất ởi Osw v Got s 957 v đã được thử nghiệm ở nhiều nước trong nhiều năm qua (Oswald và Gotaas, 1957; Goldman, 1979; Shelef và ctv, 1980)

Nh ng nghiên cứu sâu về nguồn cacbon cho quang hợp của Spirulina và công nghệ

sử dụng CO2 trực tiếp (không qua ph i trộn h đã được thử nghiệm có kết quả tại h i c

sở nuôi trồng mới là Bến re v ồng N i C c nghi n cứu đã tiến hành hàng loạt công

trình nghiên cứu nhằm đ nh gi tổng qu t h m ượng các chất trong sinh kh i Spirulina,

nhấn mạnh tới các chất có hoạt tính sinh học Khả năng ch ng chịu mu i NaCl của

Spirulina ước đ u được nghiên cứu nhằm tận dụng nguồn nước biển, nước lợ cho khả

năng sản xuất Spirulina trong tư ng i Nh ng nghiên cứu tận dụng nguồn nước thải

ư m t tằm; nước thải củ nh m y ph n đạm; nước thải từ h m biogas; phế thải CO2 của công nghiệp sản xuất i , rượu và kể cả r đường củ nh m y đường để nuôi trồng và

tăng sinh h i Spirulina c ng đã được thực hiện Tr n ăn ự v ăn ụ, 1994)

Xử lý chất thải chăn nuôi heo ằng hệ th ng biogas nh ôn và ctv, 2008) cho thấy nồng độ chất ô nhiễm trong chất thải chăn nuôi giảm đ ng ể, đ c biệt là các ch tiêu BOD5 v COD trong nước thải Cụ thể, BOD5 trong nước thải ở chuồng heo nái giảm 75,0

- 80,8%, ở chuồng heo thịt giảm 75,89 - 80,36%; COD ở chuồng heo nái giảm 66,85%, ở chuồng heo thịt giảm 64,94 - 69,73% Hồ Bích Liên và ctv (2016) xây dựng hệ th ng đất ngập nước kiến tạo để giảm thiểu ô nhiễm môi trường o nước thải chăn nuôi s u iog s gây ra, hệ th ng xây dựng tại một hộ chăn nuôi heo ở thị xã Tân Uyên (t nh B nh Dư ng dựa trên các thông s kỹ thuật và bản thiết kế Hệ th ng được vận hành với ưu ượng đ u vào là 1m3/ngày cho hiệu suất xử lý nhu c u oxy hóa học (COD), nhu c u oxy sinh học (BOD5), chất rắn ửng (SS), tổng nit , tổng photpho, Coliforms l n ượt 99, ; 97,8;

89, ; 88, ; 99,6; v 99,9% Nước thải sau xử đ p ứng cột A QCVN 40:2011/BTNMT

Theo Lê Hoàng Việt và ctv (2017), nghiên cứu trên hai mô hình ao thâm canh

Spirulina sp xử nước thải heo từ h m ủ iog s Nước thải từ h m ủ iog s được lắng 30

phút, pha loãng với nước máy ở t lệ : để giảm bớt nồng độ chất ô nhiễm v độ màu trước hi đư v o o tảo Ở thời gi n ưu 5 ng y, ết quả phân tích cho thấy nồng độ BOD5, COD, Nts, Pts, N-NH4 và tổng Co iform trong nước thải đ u ra sau khi thu sinh kh i tảo giảm l n ượt là 73,8; 74,1; 95,7; 83,1; 99,4 và  % rong hi đó ở thời gi n ưu ngày thì BOD5, COD, Nts, Pts, NH4 và tổng Coliform giảm 61,7; 61,8; 95,1; 67,4; 98,4 và

 100% Gi a hai thời gi n ưu nước, nồng độ các ch tiêu BOD5, COD và Pts trong nước

thải đ u ra khác biệt có nghĩ ; c n c c ch tiêu Nts, NH4 và tổng Coliform không khác biệt có nghĩ 5% X t về m t sinh kh i, h m ượng Chlorophyll trong ao thời gi n ưu 5

ng y 69, 8 mg/L c o h n so với ao thời gi n ưu ng y đạt 1.078,68 mg/L

Nguyễn Hoài Châu và Tr n Mạnh Hải (2010) nghiên cứu xử nước thải chăn nuôi heo sau biogas bằng phư ng ph p ọc sinh học nh giọt với nguồn nước thải sau biogas tại trang trại chăn nuôi gi đ nh ở xã ông Hưng, ĩnh Y n, ĩnh Ph c ằng công nghệ thiếu khí - lọc sinh học nh giọt - hồ sinh học Nghiên cứu được thực hiện với ưu ượng 0,2 m3 /giờ, thời gi n ưu nước tại bể thiếu khí là 4 giờ, tại hồ sinh học là 10 ngày, diện tích bể lọc sinh học nh giọt 1m2 Chất ượng nước thải chứa TSS, COD, BOD5, NH4+,

Nts và Pts tư ng ứng đ u v o v đ u ra l n ượt là 1228; 1195; 534; 405; 518 và 67 mg/L

v ; 9; 7; 7; 86 v mg/L, tư ng ứng với hiệu suất xử lý l n ượt là 90; 80; 78; 71; 64 và 66 %

Việc sử dụng nước thải để nuôi tảo là một phư ng ph p t t n kém, nguồn dinh

ư ng trong nước thải thông qu qu tr nh đồng tảo S platensis tr n môi trường có bổ sung nước thải chăn nuôi heo s u iog s Kết quả cho thấy Spirulina đạt được năng suất

t i thiểu 3,6 g/ m2/ng y ở điều kiện nhiệt độ 220C, cường độ ánh sáng là 245µE/m2/s và năng suất t i đ ,9 g/m2

/ ngày tại nhiệt độ 5°C, cường độ ánh sáng lớn nhất 618µE/m2/s rong một nghi n cứu h c, Linco n v ctv 996 đã ết hợp bổ sung NaHCO3 với nước thải chăn nuôi s u iog s để đ nh gi hả năng sinh trưởng củ vi tảo

S platensis Kết quả cho thấy vi tảo S platensis phát triển t t tr n môi trường nước thải

s u iog s có ổ sung NaHCO3 và hiệu quả loại b N cao Sau 7 ngày nuôi thì hiệu quả loại b ammonia khá cao: giảm từ 100mg/L xu ng còn 1mg/L T c độ loại b t i đ đạt 24mg/L/ngày

Borges và ctv (2013) đã sử dụng nước thải chăn nuôi s u ph n hủy kỵ h để nuôi

Spirulina sp LEB-18 Mục đ ch của nghiên cứu đ nh gi sự phát triển c ng như th nh

ph n acid béo của Spirulina sp LEB- 8 được nuôi cấy trong môi trường Zarrouk chuẩn

(NaHCO3 6,8g/L v môi trường Z rrou được thay thế bằng nước thải 20% (v/v) với nồng độ NaHCO3 giảm từ 5,3 xu ng 2,8g/L Việc sử dụng nước thải với nồng độ thấp

h n của HCO3- được xem là một giải pháp thay thế để giảm chi phí sản xuất Spirulina

Kết quả cho thấy không có sự khác biệt đ ng ể về t c độ tăng trưởng v năng suất sinh

kh i của Spirulina gi môi trường Zarrouk chuẩn (NaHCO3 6,8g/L v môi trường

Z rrou được thay thế bằng nước thải 20% (v/v) với sự th y đổi nồng độ NaHCO3; Hàm ượng ipi o động từ 4,9 đến 5, %; Môi trường có nước thải th h m ượng axit ino eic c o h n so với môi trường Zarrouk chuẩn

Nghi n cứu củ Ch i h n v ctv đã so sánh hiệu quả sinh kh i Spirulina ở

4 môi truường h c nh u: môi trường Zarrouk cải tiến có chứa 8 g/l NaHCO3 đ i chứng ; môi trường chứ % nước thải chăn nuôi heo s u iog s với ổ sung ,5 g/L NaHCO3 v , g/L ph n ure 46: : , N:P:K ; môi trường chứ % nước thải chăn nuôi heo s u iog s với ổ sung 4,5 g/L N HCO3 v , g/L ph n ure ; môi trường chứa % nước thải chăn nuôi heo s u iog s với ổ sung ,5 g/L N HCO3 v , g/L ph n NPK với t ệ 6: 6: 6 Kết quả cho thấy môi trường chứa 2 % nước thải có ổ sung 4,5 g/L NaHCO3 và 0,2 g/L urea cho kết quả t t nhất Tính chi phí cho quá trình nuôi

Spirulina th môi trường chứ % nước thải chăn nuôi heo s u iog s rẻ h n 4,4 n so

với môi trường Zarrouk cải tiến Sinh kh i Spirulina thu được có chứa 57,9% protein,

, % γ-linolenic acid và 19,5% phycocyanin Hiệu quả oại b bicarbonate, N tổng và P tổng l n ượt là 380 mg/L/ngày, 34 mg/L/ngày và 4 mg/L/ngày

Cheunbarn và Peerapornpisal (2010) đã đ nh gi t c độ phát triển của vi tảo S

platensis ởi nước thải chăn nuôi heo s u iog s ở các mức pha loãng l n ượt là 0, 10, 20,

40, 60, 80 và 100% Kết quả cho thấy nồng độ phù hợp nhất cho sự tăng trưởng t i đ của

vi tảo S platensis đạt được là 1,09 tại OD556nm với độ ph oãng % v ổ sung 8g/L NaHCO3 v ,5g/L N NO3 sau 12 ngày nuôi Kết quả cho thấy hiệu quả xử lý BOD, NO3-,

NH4+ và PO43- l n ượt là 23, 45, 49, 92 và 67% Sinh kh i vi tảo S platensis thu được

chứa 55,9 % protein/trọng ượng hô, đ y được xem là nguồn th c ăn gi u inh ư ng cho chăn nuôi

CHƯƠNG 2 NỘI DUNG VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU

2.1 V t liệu, h a chất và trang thiết ị ùng nghiên cứu

2.1.1 V t liệu, hóa chất

2.1.1.1 Tảo giống Spirulina platensis

Tảo Spirulina platensis được mua của Viện Thủy Sản 2 Tp.Hồ Ch Minh v được

nhân gi ng tại phòng thí nghiệm, trường H hủ D u Một

Hình 2.1 Vi tảo Spirulina platensis (40X)

2.1.1.2 Nước thải chăn nu i h o sau iogas

Mẫu nước thải chăn nuôi heo s u iog s được lấy tại hộ gi đ nh tại Phường Phú Hòa tr n địa bàn TP Thủ D u Một, t nh B nh Dư ng

Mô hình thí nghiệm được b tr như h nh s u H nh :

Hình 2.2 Mô hình nuôi vi tảo S platensis th o phương ph p VLHT (a) và TCTT (b)

TCTT: Thủy canh truyền thống; VLHT: Vật liệu hỗ trợ

Hình 2.3 V t liệu hỗ trợ: vải 100% cotton

Ánh sáng

VLHT (10cm x 12cm)

có S Platensis ph t triển

Nước thải chăn nu i heo sau biogas

Hộp nhựa chịu nhiệt c đường kính 15cm

Hộp nhựa chịu nhiệt c đường kính 15cm

a

Ánh sáng

Nước thải chăn nuôi heo sau biogas

b

2.2.1 Nội dung 1: Tối ƣu h a điều kiện thích hợp cho quá trình nuôi tảo s dụng

v t liệu hỗ trợ ở điều kiện phòng thí nghiệm

- Thông s nuôi tảo:

 Vật liệu hỗ trợ : vải 100% cotton

 Thời gian nuôi tảo: 7 ngày;

 Cường độ ánh sáng 4000 lux, nhiệt độ nuôi 280

C;

 T c độ sục khí: 2-5 lít/phút; pH:9-11; T lệ gi ng: 20%

- Ch tiêu theo dõi:

 Sinh kh i tảo thu được và các thông s củ môi trường (NH4+, NO3-, PO43-)

 Thí nghiệm 3: nh gi ảnh hưởng củ cường độ chiếu s ng đến sinh kh i và

khả năng xử lý NH4+, NO3-, PO43- của tảo Spirulina platensis

- B trí nghiệm thức: Cường độ nh s ng th y đổi l n ượt là 2000, 3000, 4000,

5000, 6000, 7000 Lux

- Thông s nuôi tảo:

 T lệ nước thải: kết quả t i ưu từ thí nghiệm 2

 Vật liệu hỗ trợ : vải 100% cotton

 Thời gian nuôi tảo: 7 ngày;

 T c độ sục khí: 2-5 lít/phút; pH:9-11; T lệ gi ng: 20%

- Ch tiêu theo dõi:

 Sinh kh i tảo thu được và các thông s củ môi trường (NH4+, NO3-, PO43-)

 Thí nghiệm 4: nh gi ảnh hưởng của t lệ cấy gi ng đến sinh kh i và khả năng

xử lý NH4+, NO3-, PO43- của tảo Spirulina platensis

- B trí nghiệm thức: T lệ cấy gi ng th y đổi l n ượt là 5, 10, 15, 20, 25, 30 %

- Thông s nuôi tảo:

 Vật liệu hỗ trợ : vải 100% cotton

 Thời gian nuôi tảo: 7 ngày;

 Cường độ ánh sáng 4000 lux, nhiệt độ nuôi 280C;

 T c độ sục khí: 2-5 lít/phút;

- Ch tiêu theo dõi:

 Sinh kh i tảo thu được và các thông s củ môi trường (NH4+, NO3-, PO43-)

 Thí nghiệm 5: nh gi năng suất của sinh kh i tảo gi a 2 hệ th ng nuôi tảo: sử

dụng vật liệu hỗ trợ và nuôi tảo theo phư ng ph p thủy canh

- Tiến hành nuôi thủy canh ở c ng điều kiện với hệ th ng nuôi tảo sử dụng vật liệu

hỗ trợ

- Ch tiêu theo dõi:

 Sinh kh i tảo thu được và các thông s củ môi trường (NH4+, NO3-, PO43-)

 Thí nghiệm 6: nh gi th nh ph n sinh hóa của sinh kh i tảo thu được theo

phư ng ph p pháp sử dụng vật liệu hỗ trợ

2.2.2 Nội dung 2: Th nghiệm nuôi Spirulina platensis ở quy mô ngoài trời

- Hệ th ng nuôi ngoài trời được thiết kế ở quy mô 5 lít

- Thông s nuôi tảo:

 Các thông s nuôi tảo thì sử dụng kết quả t i ưu thu được từ kết quả của các nghiệm thức nuôi trong phòng thí nghiệm

 Thông s cường độ ánh sáng và nhiệt độ là nhiệt độ và ánh sáng củ môi trường tự nhiên ngoài trời, 2 thông s n y được theo dõi trong su t thời gian nuôi

- Ch tiêu theo dõi:

 Sinh kh i tảo thu được và các thông s củ môi trường ( N-NO3-, N-NH3, PO43-)

2.3 Phương ph p nghiên cứu

2.3.1 Phương ph p thu và c định sinh khối của vi tảo S platensis

2.3.1.1 Phương ph p thu sinh hối vi tảo S platensis

Sinh kh i của vi tảo S platensis sau thí nghiệm gồm 2 ph n:

 Vi tảo S platensis trong ph n nước sau thí nghiệm sẽ được thu sinh kh i bằng ưới vợt

có mắt ưới < 25 µm

 Vi tảo S platensis trên giá thể sau thí nghiệm sẽ được thu sinh kh i bằng cách sử dụng

một ư i dao bằng cao su mềm cạo nhẹ trên bề m t giá thể để thu sinh kh i Sinh kh i

s u đó được rửa 2 l n bằng nước cất rồi sấy hô trước hi đ nh gi năng suất sinh kh i

2.3.1.2 Phương ph p c định sinh hối h của vi tảo S platensis

 Nguyên tắc: Dựa vào sự y h i nước do nhiệt để t nh độ chênh lệch kh i ượng trước và sau khi sấy

 Dụng cụ: Tủ sấy, bình hút ẩm, c n ph n t ch, độ chính xác 0,0001 g

 Cách tiến hành:

 Sấy giấy lọc ở nhiệt độ 70oC qu đ m, để nguội v đem c n, ghi ại trọng ượng G1

 Lấy V ml dịch nuôi, lọc qua giấy lọc Giấy lọc cùng với sinh kh i trên giấy lọc được sấy ở 700C qu đ m

 Làm nguội trong bình hút ẩm v đem c n, ghi ại trọng ượng G2

 Trọng ượng hô DW được t nh theo công thức: DW (g/l) = [(G1 – G2)/V] x 1000 rong đó: : thể tích dịch nuôi (ml);

G2: Là trọng luợng giấy lọc và sinh kh i đã sấy (g);

G1: Là trọng luợng giấy lọc đã sấy (g)

2.3.2 Phương ph p tính năng suất sinh khối và tốc độ sinh trưởng của S platensis

 Năng suất sinh h i củ vi tảo S platensis được t nh theo công thức:

P = (Xt – X0)/t (g/m2/ng y , trong đó:

X0 (g/m2): Là nồng độ sinh kh i ở thời gian bắt đ u nuôi (nồng độ sinh kh i n đ u),

Xt (g/m2): Là nồng độ sinh kh i tại thời gi n t thời gi n nồng độ sinh kh i cao nhất)

t ng y : L thời gi n nuôi

2.3.3 Xây dựng đường cong chuẩn tương quan giữa m t độ quang và sinh khối vi

tảo S platensis

2.3.3.1 Phương ph p đo m t độ quang

Nguyên tắc: Phư ng ph p đo mật độ qu ng ựa vào sự hấp thụ mạnh ánh sáng của một chất ở một ước sóng x c định Khi chiếu ch m ti s ng có cường độ nhất định

qua dung dịch có chứa các tế bào vi tảo S platensis, các tế bào này làm thay đổi cường