CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN TÀI LIỆU 1. Giới thiệu về vi tảo Tảo là một nhóm thực vật lớn và đa dạng, bao gồm các sinh vật thông thường là tự dưỡng, gồm một hay nhiều tế bào có cấu tạo đơn giản, có màu khác nhau, luôn có chất diệp lục nhưng chưa có rễ, thân, lá [36]. Hầu hết tảo sống trong nước. Tảo là những sinh vật quang hợp phân bố phổ biến ở các môi trường sống dưới nước, bao gồm ao, hồ, sông, suối, đại dương và thậm chí cả trong nước thải.
Chúng có thể chịu đựng được các ngưỡng nhiệt độ, độ mặn, pH, dinh dưỡng và cường độ ánh sáng khác nhau. Dựa vào kích thước, tảo được phân ra hai loại là tảo lớn (macro- algae) và vi tảo (micro-algae). Vi tảo là những sinh vật bậc thấp, chúng không chỉ có những cơ chế đặc thù mà còn sinh trưởng và phát triển cực kì nhanh. Vi tảo là vi sinh vật nhân sơ và nhân thực có khả năng quang hợp, là cơ sở hoặc khởi đầu của chuỗi thức ăn thủy sản do hoạt động quang hợp của chúng.
Vi tảo thường được gọi là thực vật phù du. Dựa trên kích thước của thực vật phù du được phân thành nhóm picoplankton (<2 μm), nannoplankton (2- 20 μm), microplankton (20- 200 μm) và makroplankton (> 200 μm). Ngoài kích thước, hình dạng và sự hiện diện của vi tảo nước rất khác nhau tùy thuộc vào loài mikroalganya. Vi tảo có một số hình dạng như hình tròn, hình elip, hình chữ nhật, hình thang, hình que, hình trụ, hình sao và dạng tổ hợp.
Hàng năm có 200 tỉ tấn chất hữu cơ được tạo thành trên toàn thế giới, trong số đó 170- 180 tỉ tấn là do tảo tạo thành. Vi tảo chiếm 1/3 sinh khối của thực vật trên trái đất. Vi tảo dễ nuôi trồng, ít cạnh tranh với đất nông nghiệp và không cần nguồn nước sạch; tốc độ sinh trưởng nhanh, năng suất thu sinh khối cao hơn các loài thực vật khác, thân thiện với môi trường; có thể tận dụng CO 2 từ khí thải công nghiệp và nước thải để nuôi trồng vi tảo; góp phần bảo vệ môi trường nuôi thủy sản bằng cách tiêu thụ bớt lượng muối khoáng dư thừa. Trong các thủy vực nước ngọt, vi tảo cung cấp oxy và thức ăn sơ cấp cho cá và các động vật thủy sinh khác.
4 Vi tảo chứa khoảng 50- 70% protein, 30% lipid, hơn 40% glycerol, 8- 10% carotene và các loại vitamin B1, B2, B3, B6, B12, E, K, D,.…nên được sử dụng trong nhiều lĩnh vực và đang được quan tâm nghiên cứu để nuôi trồng và khai thác. Vì vậy, vi tảo gần đây đã thu hút được sự quan tâm đáng kể trên toàn thế giới, do tiềm năng ứng dụng rộng rãi của chúng trong các ngành như năng lượng sinh học, dược phẩm, thực phẩm và phân bón sinh học [33]. Vi tảo tạo ra nhiều loại sản phẩm sinh học, bao gồm polysaccharid, lipid, sắc tố, protein, vitamin, các hợp chất hoạt tính sinh học và chất chống oxy hóa có khả năng sử dụng cao. Vi tảo được quan tâm nghiên cứu như một nguồn nguyên liệu tái tạo và bền vững cho sản xuất nhiên liệu sinh học và các ngành chế biến sinh học.
Gần đây, vấn đề ô nhiễm nước thải rất báo động, vì vậy sử dụng tảo để xử lý nước thải rất được quan tâm. Vai trò của vi tảo Hiện nay, vi tảo đã được quan tâm nhiều trong nghiên cứu và sử dụng rộng rãi trong đời sống. Với khả năng thích ứng cao, nhu cầu sử dụng nước ít hơn cây trồng cạn, tăng sinh nhanh, năng suất sinh khối cao hơn các loài thực vật khác và thân thiện với môi trường, vi tảo có tiềm năng trong nhiều lĩnh vực khác nhau như làm thực phẩm, dược phẩm, nhiên liệu sinh học. Các nghiên cứu đã chỉ ra rằng, vi tảo có hàm lượng dinh dưỡng cao và tốt hơn so với thực vật, với protein chiếm 12- 35%, lipid chiếm 7- 23% và carbonhydrate chiếm 4- 23%.
Một số nhóm vi tảo như Chlorella, Arthrospira, Dunaliella. chứa rất nhiều polysaccharides quan trọng, như alginate, heteroglycan, galactan được sulfat hóa và β-glucan. Tảo cũng được coi là nguồn cung cấp vitamin và các chất chống oxy hóa quan trọng. Điển hình như Tetraselmis suecica, Isochrysis galbana.
chứa rất nhiều nhóm vitamin tan trong lipid (vitamin A và E) và vitamin nhóm B (B1, B2, B6, B12). Chính vì vậy, tảo được xem như một nguồn thực phẩm giàu dinh dưỡng cho người và có thể làm nguyên liệu bổ sung trong chế biến thức ăn chăn nuôi hoặc chế phẩm vi sinh cho cây trồng [30]. Một số loài vi tảo được xem là nguồn nguyên liệu cho sản xuất nhiên liệu sinh học do chúng tăng trưởng nhanh, ít bị phụ thuộc vào mùa vụ, khí hậu, trong khi tích lũy một lượng dầu rất lớn trong tế bào. Cụ thể, dầu tách từ sinh khối tảo thường đạt 20-50% sinh khối khô (như ở Spirulina có thể đạt 41%, Scenedesmus đạt 24-45%), 5 đặc biệt loài Botryococcus braunii có thể tạo ra lượng dầu đạt 80% sinh khối khô.
Tảo Scenedesmus có giá trị dinh dưỡng cao với hàm lượng protein chiếm 57% và lipid là 26% có khả năng thích ứng cao trong môi trường nuôi sinh khối, làm giảm 23% nitrogen và 82% phospho trong nước thải [9]. Một đặc điểm thú vị là thành tế bào của một số loài tảo xanh chứa các heteropolysaccharide cho phép liên kết với các kim loại nặng, từ đó có thể loại bỏ chúng khỏi nguồn nước. Chlamydomonas reinhardtii, Chlorella vulgaris có khả năng loại bỏ đồng, mangan, kẽm. Ngoài ra, vi tảo cũng có thể được sử dụng để hấp thụ các tồn dư phospho trong môi trường.
Vì vậy, xử lý nước thải, làm giảm thiểu hàm lượng kim loại nặng hay các chất độc trong nước cũng được xem là một vai trò rất quan trọng của vi tảo. Bên cạnh đó, nuôi trồng tảo còn được chứng minh có thể làm giảm thiểu khí nhà kính trong khí quyển, giảm lượng CO2 sinh ra từ canh tác nông nghiệp, giúp ổn định khí hậu toàn cầu. Ngoài ra, mới đây các nhà khoa học đã tìm ra một số hoạt chất có lợi giúp ngăn chặn sự lão hóa da, giảm thiểu hoạt động của enzyme phân giải cấu trúc collagen từ vi tảo biển, gợi mở một hướng mới cho sản xuất tảo biển hiện nay. Cho đến nay, nhiều nghiên cứu nhằm tối ưu hóa các loài vi tảo phục vụ các mục tiêu cụ thể như làm thực phẩm, nhiên liệu sinh học và bảo vệ môi trường đã được thực hiện thành công như: Spirulina platensis và Chlorella vulgaris được nuôi cấy phổ biến nhằm khai thác hàng loạt các hợp chất quan trọng như carotenoid, astaxanthin, phycocyanine, β-carotene, chất chống ôxy hóa, acid béo làm thực phẩm, mỹ phẩm và nhiên liệu sinh học; Prototheca spp.
và Chlorella spp. được lên men trong các bình bioreactor kín (lên men không quang hợp) để sản xuất dầu ăn, Omega- 3 PUFA, dầu cho mỹ phẩm và sinh khối tảo. Đặc biệt, các nhà khoa học đã thành công trong đồng nuôi cấy vi tảo nhằm lợi dụng mối quan hệ cộng sinh như lượng lipid (%) khi đồng nuôi cấy Chlorella sp. đạt 47,8% sinh khối khô, cao hơn so với khi chỉ nuôi Chlorella sp.
Một kiểu đồng nuôi cấy khác rất phổ biến là phối hợp vi tảo với các loài vi khuẩn để hình thành các mảng keo tụ. Một số loài vi khuẩn (Solibacillus silvestris, Bacillus sp.) và nấm (Aspergillus fumigatus) đã được đồng nuôi cấy để keo tụ vi tảo, từ đó dễ dàng thu sinh khối. Tổng quan về nước thải Nước khởi nguồn cho mọi sự sống, nước là một trong trong những nhu cầu không thể thiếu với bất kì loài sinh vật nào kể cả con người. Chất lượng môi trường nước ảnh hưởng trực tiếp lên sức khỏe cũng như sự sống của các loài.
Hiện nay nhu cầu sống đó đang dần bị đe dọa nghiêm trọng. Bên cạnh lượng nước bi thâm hụt do sử dụng nước bừa bãi và không đúng mục đích là chất lượng nước đang suy giảm trầm trọng, mà nguyên nhân chính là do ý thức của chính mỗi con người chúng ta. Hằng ngày một lượng lớn nước thải được xả trực tiếp hoặc gián tiếp ra ngoài môi trường mà chưa qua xử lý gây ô nhiễm nghiêm trọng nguồn nước. Hậu quả trước tiên là gây mất cân bằng sinh thái, một số loài sinh vật bị tuyệt chủng do không thích nghi với nguồn nước bị ô nhiễm.
Tiếp đến là ảnh hưởng đến con người chúng ta. Nước bị ô nhiễm gây các bệnh: da liễu, đường ruột… và hơn nữa là các bệnh mà thế giới cũng chưa có phương thức cứu chữa như: ung thư… Chính vì vậy mà chúng ra cần xử lý nước thải ngay tại nguồn để giảm thiểu những tác hại của nước thải đến môi trường [34]. Nước thải đô thị thường gồm khoảng 50% là nước thải sinh hoạt, 36% là nước thải công nghiệp và 14% là các loại nước thấm [5]. Lưu lượng nước thải đô thị phụ thuộc rất nhiều vào điều kiện khí hậu và các tính chất đặc trưng của thành phố.
Khoảng 65%- 85% lượng nước cung cấp cho một người trở thành nước thải. Lưu lượng và hàm lượng chất thải của nước thải đô thị thường dao động trong phạm vi rất lớn. Lưu lượng và tính chất nước thải đô thị còn thay đổi theo mùa, giữa ngày làm việc và ngày nghỉ trong tuần [5]. Thông thường nước thải được phân loại theo nguồn gốc phát sinh ra chúng.
Đó cũng là cơ sở cho việc lựa chọn các biện pháp hoặc công nghệ xử lý. Theo cách phân loại này, có các loại nước thải dưới đây: Nước thải sinh hoạt: là nước thải từ các khu dân cư, khu vực hoạt động thương mại, công sở, trường học và các cơ sở tương tự khác. Nước thải công nghiệp: là nước thải từ các nhà máy đang hoạt động, có cả nước thải sinh hoạt nhưng trong đó nước thải công nghiệp là chủ yếu. 7 Nước thấm qua: đây là nước mưa thấm vào hệ thống cống bằng nhiều cách khác nhau qua các khớp nối hoặc thành của hố ga.
Nước thải tự nhiên: nước mưa được xem như nước thải tự nhiên. Ở những thành phố hiện đại nước thải tự nhiên được thu gom theo một hệ thống thoát riêng. Nước thải đô thị: là thuật ngữ chung chỉ chất lỏng trong hệ thống cống thoát của một thành phố. Đó là hỗn hợp của các loại nước thải kể trên.
Theo quan điểm quản lý môi trường, các nguồn gây ô nhiễm nước còn được phân thành hai loại: nguồn xác định và nguồn không xác định. Nguồn xác định bao gồm nước thải đô thị và nước thải công nghiệp, các cửa cống xả nước mưa và tất cả các thải vào nguồn tiếp nhận nước có tổ chức qua hệ thống cống và kênh thải.