Bài tiểu luận cá nhân sự phát triển của vi tảo nước ngọt trong phơi nhiễm với astrazine và cadimi

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH ---o0o---MÔN HỌC : ỨNG DỤNG THỐNG KÊ TRONG QUẢN LÝ TÀI NGUYÊN & MÔI TRƯỜNG BÀI TIỂU LUẬN CÁ NHÂN Sự phát triển của vi tảo nước ngọt trong

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH

-o0o -MÔN HỌC : ỨNG DỤNG THỐNG KÊ TRONG QUẢN LÝ TÀI NGUYÊN

& MÔI TRƯỜNG

BÀI TIỂU LUẬN CÁ NHÂN

Sự phát triển của vi tảo nước ngọt trong phơi nhiễm

với Astrazine và Cadimi

Họ và tên: Nguyễn Minh Hoàng MSSV: 1852384

GVHD: PGS.TS.Lê Văn Trung

Ho Chi Minh City , Jan 2023

MỤC LỤC

CHƯƠNG 1: GIỚI THIỆU 1

1.1 Tính cấp thiết cả đề tài 1

1.2 Giới thiệu Astrazine , Cd và 1 số nghiên cứu 2

1.3 Mục tiêu nghiên cứu 6

1.4 Phạm vi nghiên cứu 6

1.5 Nội dung nghiên cứu 6

1.6 Vật liệu và phương pháp 6

1.6.1 Đối tượng nghiên cứu 6

1.6.2 Thiết kế thí nghiệm 6

1.6.3 Xử lý số liệu 9

CHƯƠNG 2: CƠ SỞ KHOA HỌC 12

2.1 Cơ sở lý thuyết 12

2.1.1 Đặc tính sinh học của vi tảo 12

2.1.2 Đặc điểm sinh thái của vi tảo 13

2.1.3 Ứng dụng vi tảo 15

2.1.4 Tổng quan hiện trạng ô nhiễm kim loại nặng ở Việt Nam và Thế giới 16

2.1.5 Cơ chế hập phụ/hấp thụ của vi tảo 18

CHƯƠNG 3: KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 26

3.1 Sự phát triển của P mucicola và S quadricauda trong phơi nhiễm với atrazine 26

3.2 Sự phát triển củaS protuberans và P duplex trong phơi nhiễm với cadimium 26

CHƯƠNG 4 : KẾT LUẬN 32

REFERENCES 34

ii

iii

M C L C NH Ụ Ụ Ả

Ảnh 1.1: Buồng đếm Sedgewick Rafter counter ((PYSER-SGI, UK) 7Ảnh 2.1: Sơ đồ hoạt động của Vi tảo 8Ảnh 2.2: Ứng dụng công nghệ sinh học của vi tảo 11Ảnh 3.1: Đường cong tăng trưởng của Pseudanabaena mucicola (a) và Scenedesmusquadricauda (b) trong phơi nhiễm với atrazine ……….16Ảnh 3.2: Tốc độ phân chia của Pseudanabaenamucicola (a) và Scenedesmus quadricauda(b) trong phơi nhiễm với atrazine……… 18Ảnh 3.3: Đường cong tăng trưởng của Scenedesmus protuberans (a) và Pediastrum duplex(b) trong phơi nhiễm với Cd 20Ảnh 3.4: Tốc độ phân chia của Scenedesmus protuberans (a) và Pediastrum duplex (b) 21

iv

CHƯƠNG 1: GIỚI THIỆU1.1 Tính cấp thiết của đề tài

Kể từ cuộc cách mạng công nghiệp, ô nhiễm kim loại và ô nhiễm nước ngày càng gia tăng

do việc thải các nguyên tố này qua nước thải của một số cơ sở công nghiệp Các phươngpháp hóa lý hiện có để thu hồi các chất ô nhiễm kim loại (ví dụ: kết tủa hóa học, oxy hóahoặc trao đổi ion vật lý) đều tốn kém hoặc không hiệu quả khi chúng có mặt ở nồng độ rấtthấp Bên cạnh đó, xử lý bằng thực vật đã được áp dụng rộng rãi để loại bỏ kim loại trongnước thải bị ô nhiễm và các vùng nước bị ô nhiễm

Vi tảo là một ví dụ về các vi sinh vật phù hợp để thu hồi kim loại và có thể đạt được phầntrăm loại bỏ đáng chú ý Khả năng liên kết kim loại tương đối cao của chúng phát sinh từthành phần nội tại của thành tế bào, chứa các nhóm chức tích điện âm Do đó, các tế bào vitảo đặc biệt hiệu quả trong việc hấp thụ các chất gây ô nhiễm ở mức độ thấp

Công nghệ sinh học của vi tảo đã trở nên phổ biến do nhu cầu ngày càng tăng đối với cáccông nghệ môi trường mới và sự phát triển của sản xuất hàng loạt sáng tạo Yêu cầu tăngtrưởng không tốn kém (ánh sáng mặt trời và CO2), và lợi thế của việc được sử dụng đồngthời cho nhiều công nghệ (ví dụ: giảm thiểu carbon, sản xuất nhiên liệu sinh học và xử lýsinh học làm cho vi tảo trở thành ứng cử viên phù hợp cho một số công nghệ thân thiện vớimôi trường Sự hấp thu kim loại nặng của vi tảo được khẳng định là vượt trội so với cácquá trình hóa lý phổ biến được sử dụng trong việc loại bỏ các kim loại nặng độc hại Vi tảo

đã phát triển một loạt các cơ chế (ngoại bào và nội bào) để đối phó với độc tính kim loạinặng Sự xuất hiện phổ biến của chúng cùng với khả năng phát triển và cô đặc kim loạinặng, xác định tính phù hợp của chúng trong các ứng dụng thực tế của xử lý sinh học nướcthải

Nhiều nghiên cứu về sự hấp thu etal của vi tảo đã được tiến hành trong điều kiện phòng thínghiệm trên thế giới Đã có một số nghiên cứu về loại bỏ kim loại bằng vi tảo nước ngọt ởViệt Nam Các tác giả tập trung nghiên cứu các kim loại nặng như đồng, kẽm, chì, niken,cadium và crom.Nhiệm vụ của đề tài là tìm hiểu sự phát triển của Bốn loài vi tảo nước ngọtbao gồm Pseudanabaena mucicola, Pediastrum duplex, Scenedesmus protuberans vàScenedesmus quadricauda phơi nhiễm với chất ô nhiễm (Cd, atrazine)

1

1.2 Giới thiệu Astrazine , Cd và 1 số nghiên cứu

Atrazine là một trong những loại thuốc bảo vệ thực vật (BVTV) bán chạy đứng đầu trênthế giới và được sử dụng chủ yếu trong nông nghiệp, thậm chí trong lâm nghiệp Mỗi nămước tính có đến 36 x106 kg atrazine được sử dụng tại các tiểu bang chuyên canh trồng câyngô như Nebraska, Iowa, Hoa Kỳ Bên cạnh đó, atrazine rất dễ dàng được phát tán và rửatrôi theo nước mưa Hàng năm, khoảng 2,3x105 kg atrazine được trở lại môi trường từnhững cơn mưa và băng tuyết tại Mỹ nhờ quá trình bay hơi và ngưng tụ Một nghiên cứutại Mỹ và Châu Âu đã xác định rằng atrazine có thể phát tán xa gần 600 dặm tính từ vị trí

mà nó được sử dụng và tồn tại trong môi trường với thời gian dài (chu kì bán rã > 200ngày) Trong hơn 3 thập niên gần đây, thuốc BVTV được sử dụng phổ biến và gia tăng vềhàm lượng trong nông nghiệp Việt Nam Nồng độ thuốc BVTV tìm thấy trong môi trường

ở đồng bằng sông Cửu Long hơn 11 µg/L trong nước và hơn 520 µg/kg lắng đọng trongnền trầm tích Atrazine có khả năng hòa tan vào nước ở nồng độ 33 mg/L và trên thế giớinồng độ của hợp chất này trong môi trường đã từng được ghi nhận lên đến 691 µg/L Cadimium (Cd) là nguyên tố thường có trong nguồn nước thải của hoạt động công nghiệp(điện, chế tạo pin, nhuộm), nông nghiệp (phân bón), một số nguồn phát thải khác (in ấn) vàđược đánh giá là không có vai trò cần thiết trong quá trình trao đổi chất của thực vật ỞViệt Nam, theo nghiên cứu của Bùi Thị Nga và Nguyễn Văn Tho (2009), hàm lượng Cdtrong trầm tích ở Cà Mau dao động trong khoảng 0,023 – 0,06 mg/kg vào mùa khô, và từ0,027 – 0,093 mg/kg vào mùa mưa Theo Hà Mạnh Thắng và cộng sự (2013), đối vớivùng đất bị ảnh hưởng của nước rỉ rác thì hàm lượng Cd trung bình từ 0,45 – 0,59 mg/kg

và đối với vùng đất bị ảnh hưởng của công nghiệp hóa chất thì hàm lượng Cd có xu hướngtích lũy cao hơn, từ 0,61 –2,29 mg/kg đất Khi tiến hành nghiên cứu phản ứng của một sốloài tảo nước ngọt với atrazine, Lockert và cộng sự (2006) đưa ra nhận định rằng không cóảnh hưởng đáng kể nào lên sự phát triển của tảo (Ankistrodesmus falcatus, Chlorellavulgaris ) ở nồng độ 10 µg/L5 Bên cạnh đó, các loài tảo khác nhau sẽ có khả năng chịuđựng khác nhau đối với atrazine (tại thử nghiệm, EC50 trong 96 giờ của các loài tảoChlorella vulgaris, Pseudokirchneriella subcapitata, Scenedesmus acutus, Ankistrodesmusformosa, Navicula accomoda và Nitzschia sp khi phơi nhiễm với atrazine được ghi nhậnlần lượt là 172 µg/L, 118 µg/L, 45 µg/L, 261 µg/L, 164 µg/L và 412 µg/L) Trên thế giới,nhiều nghiên cứu về khả năng chịu đựng của vi tảo trong phơi nhiễm với kim loại, bao

2

gồm Cd đã được thực hiện Cụ thể trong nghiên cứu của Costa và cộng sự (2003) đã chothấy Cd ở nồng độ 10 mg/L làm giảm 60% mật độ tảo Tetraselmischuii, trong khi Cd vớinồng độ 1,2 mg/L làm giảm 30% mật độ Spirulina maxima Ngoài ra, kết quả của một sốnghiên cứu đã cho thấy khả năng sử dụng một số vi tảo như đối tượng xử lý, cải thiện sựnhiễm bẩn kim loại trong môi trường bằng thực vật (phytoremediation) Thí dụ hai loài vikhuẩn lam Microcystis aeruginosa và Spirulina sp lần lượt có khả năng loại bỏ khoảng90% và 3,7% Cd trong môi trường nước hoặc loài tảo lục Cladophora fracta có khả năngtích tụ 4.090 mg Cd/g sau 8 ngày phơi nhiễm với 8 mg Cd/L Ở Việt Nam, nghiên cứu vềphản ứng của vi tảo nước ngọt có nguồn gốc trong nước, đối với kim loại còn chưa nhiều.Theo nghiên cứu của Đào Thanh Sơn và cộng sự (2017) về ảnh hưởng riêng lẻ của Cu và

Cr (mỗi kim loại ở nồng độ 5 và 50 µg/L) lên loài vi tảo lục (Scenedesmus acuminatus v.biseratus) cho thấy sự kìm hãm của hai kim loại này lên sự phát triển của vi tảo Trái lại,loài vi khuẩn lam Pseudanabaena mucicola phân lập từ miền Nam Việt Nam lại có khảnăng chịu đựng và hấp thu kim loại Cr khỏi môi trường nước với tỷ lệ rất khả quan, 71% Nghiên cứu này được tiến hành nhằm đánh giá tiềm năng sử dụng vi tảo nước ngọt cónguồn gốc từ Việt Nam để xử lý các chất ô nhiễm trong môi trường nước, cụ thể là atrazine

và Cd

1 số nghiên cứu ở thế giới và Việt Nam:

3

Các thí nghiệm ở quy mô phòng thí nghiệm được mô tả đặc trưng cho sự hấp thu kim loạinặng của đồng và kẽm bởi hai chủng vi tảo: Chlorella Vulgaris, Spirulina maxima Các thửnghiệm được tiến hành bằng cách sử dụng nước thải thứ cấp chưa được xử lý và hấp khửtrùng làm chất nền Trong thử nghiệm nước thải thứ cấp không được xử lý, vi tảo đã loại

bỏ tới 81,7% đồng, đạt nồng độ cuối cùng thấp nhất là 7,8 ppb sau 10 ngày Kẽm đã giảmtới 94,1%, đạt 0,6 ppb sau 10 ngày Tỷ lệ loại bỏ thay đổi đáng kể với chủng vi tảo Hiệuquả loại bỏ kim loại nặng cao hơn thu được trong nước thải thứ cấp được hấp khử trùng sovới nước thải thứ cấp không được xử lý, cho thấy các vi sinh vật đã có trong nước thải thứcấp góp phần tiêu cực và cạnh tranh với vi tảo để lấy chất dinh dưỡng, cản trở sự phát triểncủa vi tảo và sự hấp thu kim loại nặng Các mẫu được cấy cho thấy nồng độ kim loại nặnggiảm trong vòng 6 giờ kể từ khi cấy ban đầu, cho thấy vi tảo không cần thời gian dài để đạtđược sự hấp thụ sinh học các kim loại nặng

Kẽm và đồng đã được loại bỏ khỏi tảo lục Desmodesmus communis và Monoraphidiumlatexillum trong một nghiên cứu Nồng độ kẽm là 0,2 và 0,8 mg/L đã tăng cường đáng kể

sự phát triển của các tế bào Desmodesmus communis (P < 0,05) Không có sự thay đổiđáng kể về số lượng cá thể nuôi cấy được xử lý bằng 1,0–1,4 mg/L kẽm giữa đối chứng và1,0–1,4 mg/L kẽm Các cá nhân ít hơn đáng kể (P <0,05) khi sử dụng 2,0 mg/L kẽm Liềulượng đồng 0,2 và 0,8 mg/L không có ảnh hưởng đáng kể đến sự phát triển của môi trườngnuôi cấy Desmodesmus communis khi so sánh với đối chứng, nhưng số lượng cá thể thấphơn đáng kể (P < 0,01) trong môi trường nuôi cấy được xử lý so với đối chứng khi nồng độđồng là 1,0 mg/L đã được sử dụng Sự tăng sinh gần như bị ức chế hoàn toàn ở nồng độđồng 1,0 mg/L (ức chế 80% hoặc cao hơn) Nói chung, chất lượng và nồng độ ban đầu củakim loại quyết định phương pháp loại bỏ, điều này có thể quan trọng khi xác định thời gianlưu giữ sau xử lý hoặc các hoạt động sau xử lý đối với sinh khối được sử dụng trong quátrình xử lý nước thải (Novak và cộng sự, 2020)

1 nghiên cứu của Phát và các cộng sự vào năm 2018 là tìm hiểu xem kim loại cadmium(Cd) ảnh hưởng như thế nào đến sự sinh trưởng và phát triển của hai loại vi tảo làScenedesmus protuberans và Pediastrum duplex Người ta thấy rằng sự sinh trưởng và pháttriển của P duplex không bị ảnh hưởng bởi nồng độ Cd trong nước từ 17 đến 143 µg/L.Vào ngày thứ 6–10 của thí nghiệm, nồng độ 46–123 µg Cd/L làm cho S protuberans pháttriển nhanh hơn S protuberans (nồng độ 46–123 µg Cd/L) và P duplex (nồng độ 17–143

µg Cd/L) tăng trưởng với tốc độ tương tự như ở nhóm đối chứng Điều này khiến tốc độtăng trưởng của hai loại vi tảo lục này khác nhau ở nhóm đối chứng (0,103 lần/2 ngày đối

4

với S protuberans và 0,109 lần/2 ngày đối với P duplex) và các lô tiếp xúc (0,076–0,095lần/2 ngày đối với S protuberans, 0,105 – 0,127 lần/2 ngày đối với P duplex).

Trong nghiên cứu của Phat vào năm 2019, hai loài vi tảo lục S protuberans và P duplexsinh trưởng bình thường (so với đối chứng) ở nồng độ Cd lên đến 143 µg/L Ngoài ra, hailoài vi tảo có nguồn gốc từ Việt Nam là P duplex và Scenedesmus acuminatus có thể tồntại ổn định khi tiếp xúc với kim loại Cr ở nồng độ tương ứng lên tới 224 và 500 µg/L (Son

và cộng sự, 2017) Ngoài ra, chủng vi khuẩn lam Pseudanabaena mucicola phân lập từ hồDầu Tiếng, tỉnh Tây Ninh đã cho thấy khả năng chống chịu Cr ở nồng độ trên 1000 µg/L

và có thể hấp thụ Cr lên đến 71%

Trong nghiên cứu đánh giá sự phát triển của hai loài tảo lục Schroederia setigera vàSelenastrum bibraianum khi tiếp xúc với Ni, Zn và Cd ở nồng độ 5 - 200 µg/L trong điềukiện phòng thí nghiệm, hiệu quả loại bỏ kim loại nặng của S setigera đã được thử nghiệm

ở nồng độ 537 µg Ni/L, 734 µg Zn/L, và 858 µg Cd/L Người ta thấy rằng việc tiếp xúc vớicác kim loại nặng này đã gây ra sự ức chế đối với sự phát triển của S bibraianum Tuynhiên, Zn và Cd ở nồng độ 200 µg/L không ức chế sự phát triển của S setigera trong 18ngày tiếp xúc S setigera cũng phát triển tốt trong 8 ngày tiếp xúc với Ni ở cùng nồng độ.Trong 8 ngày thí nghiệm đầu tiên, tốc độ sinh trưởng trung bình của S setigera ở đốichứng là 0,5 lần/ngày Tuy nhiên, ở 3 lần tiếp xúc với kim loại đều từ 0,54 - 0,61 lần/ngày,cao hơn rõ rệt so với đối chứng Qua 16 ngày thí nghiệm là giai đoạn S setigera phát triển

ổn định, tốc độ sinh trưởng của S setigera ở đối chứng là 0,32 lần/ngày tương đương vớitốc độ sinh trưởng ở 100 µg Zn/L và 200 µg Zn/L µg Cd/L, nhưng thấp hơn tốc độ tăngtrưởng trong 5 µg Cd/L và cao hơn tốc độ tăng trưởng đó trong các nghiệm thức khác (100

µg Ni/L, 200 µg Ni/L, và 200 µg Zn/L) so với xử lý kim loại còn lại Tốc độ tăng trưởngcủa S bibraianum qua 16 ngày thử nghiệm ở đối chứng cao hơn so với nghiệm thức 100

µg Ni/L, tương đương với nghiệm thức 200 µg Zn/L và 2 Cd, và thấp hơn so với nghiệmthức 200 µg Ni/L và 100 µg Zn/L

1.3 Mục tiêu nghiên cứu

-Khảo sát sự phát triển của bốn loài vi tảo nước ngọt bao gồm Pseudanabaena mucicola,Pediastrum duplex, Scenedesmus protuberans và Scenedesmus quadricauda phơi nhiễmvới chất ô nhiễm (Cd, atrazine)

1.4 Phạm vi nghiên cứu

- Thí nghiệm được thiện hiện ở điều kiện phòng thí nghiệm

5

1.5 Nội dung nghiên cứu

- Khái quát đặc điểm sinh học, sinh thái của vi tảo

- Khảo sát phản ứng của vi tảo ở một số nồng độ Cd và atrazine khác nhau

1.6 Vật liệu và Phương pháp

1.6.1 Đối tượng nghiên cứu

Bốn loài vi tảo nước ngọt bao gồm Pseudanabaena mucicola, Pediastrum duplex,Scenedesmus protuberans và Scenedesmus quadricauda (Hình 1) có nguồn gốc từ sông SàiGòn, đã được phân lập, nuôi trong môi trường Z816, và dùng cho phơi nhiễm với chất ônhiễm (Cd, atrazine) Các loài vi tảo được nuôi trong điều kiện phòng thí nghiệm dưới ánhsáng có cường độ khoảng 3000 Lux, chu kỳ sáng tối 12 h : 12 h, và nhiệt độ 27 ± 1ºC17.Nhiệt độ trong phòng thí nghiệm được kiểm soát bằng máy lạnh (Panasonic, CU/CS-PU18VKH) hoạt động 24 h/24 h và nhiệt độ được ghi chép vào 9 h sáng và 3 h chiều hàngngày, bằng cách đọc nhiệt độ trên nhiệt kế ngâm trong bình chứa nước, để gần các bình tảotrong thí nghiệm Hóa chất tinh khiết atrazine và Cd (dung dịch cadmium nitrate, dùng chothiết bị ICP/MS) được cung cấp bởi nhà sản xuất Merck (Đức) Dung dịch gốc (stock) củahai hóa chất này, trước khi pha loãng vào bình thí nghiệm, có nồng độ lần lượt là 1 g Cd/L

và 1 g atrazine/L

1.6.2 Thiết kế thí nghiệm

Thí nghiệm được tiến hành theo hướng dẫn của Muhaemin (2004) 18 với một thay đổi nhỏ

về thể tích dung dịch tảo trong thí nghiệm Vi tảo được nuôi trong bình có thể tích 250 mLchứa 150 mL môi trường Z8 Ứng với mỗi nồng độ trong thí nghiệm, số lần lặp lại là 3 (n

= 3; 19) Trong l ô thí nghiệm đối chứng (control), vi tảo được nuôi trong môi trườngkhông chứa chất ô nhiễm (atrazine hoặc kim loại Cd) Trong thí nghiệm phơi nhiễm vi tảo

S quadricauda và P mucicola với atrazine, hóa chất này được pha vào trong môi trườngZ8 với các nồng độ lần lượt là 3; 30 và 300 µg/L (được lần lượt ký hiệu là A3, A30 vàA300) Kim loại (Cd) khi được vào môi trường Z8 để làm thí nghiệm, có thể không chínhxác về nồng độ như mong muốn do một số yếu tố môi trường có ảnh hưởng đến sự hoàntan của kim loại trong nước bao gồm pH, độ cứng, độ kiềm, hàm lượng chất hữu cơ hòatan Do đó, để đảm bảo tính chính xác hơn trong nghiên cứu, chúng tôi đã lấy mẫu (sub-sample) dung dịch tảo đã được pha Cd vào ngày bắt đầu thí nghiệm và tiến hành phân tíchchỉ tiêu Cd2+ để xác định chính xác nồng độ Cd hòa tan trong mẫu Trong thí nghiệm phơi

6

nhiễm vi tảo với Cd, các nồng độ kim loại này được sử dụng (được xác định bằng phântích hóa học với thiết bị AAS, Perkin Elmer, Hoa Kỳ) là 46; 123 và 607 µg Cd /L (được lầnlượt ký hiệu là Cd 46, Cd 123 và Cd 607) đối với S protubenrans và 17; 143 µg Cd /L(được lần lượt ký hiệu là Cd 17, Cd 143) đối với P duplex Mật độ vi tảo trong thí nghiệmđược xác định vào ngày bắt đầu thí nghiệm và định kỳ hai ngày một lần, cho đến khi kếtthúc thí nghiệm, ngày thứ 14 Cụ thể, khoảng 2 mL dung dịch vi tảo được lấy định kỳ, cốđịnh bằng dung dịch Lugol 20 và vi tảo được đếm bằng buồng đếm Sedgewick Rafter(PYSER-SGI, Anh) Riêng loài vi tảo P mucicola được đếm bằng buồng đếm hồng cầu(Neubauer chamber, Đức) do kích thước của loài này khá nhỏ để có thể quan sát rõ ràngvới buồng đếm Sedgwick Rafter (ở phóng đại 100 lần).

Hình 1.1: Buồng đếm Sedgewick Rafter ((PYSER-SGI, UK)

1.6.2.2 Xử lý số liệu

Tốc độ tăng trưởng (µ) của vi tảo được tính toán theo công thức của Lobban (1988) 21 nhưsau: µ = (lnX2 – lnX1 )/ (t2– t1).Trong đó, X1 và X2 là mật độ vi tảo bắt đầu và sau khikết thúc thí nghiệm, t2 và t1 là thời gian bắt đầu và kết thúc thí nghiệm Phương pháp phântích phương sai một nhân tố được sử dụng để kiểm tra sự khác biệt về tốc độ tăng trưởngcủa từng loài vi tảo trong lô đối chứng và phơi nhiễm với Atrazine và Cd bằng phần mềmSigma Plot (phiên bản 12.0)

7

CHAPTER 2: C S KHOA H C Ơ Ở Ọ

2.1 Cơ sở lý thuyết

2.1.1 Đặc tính sinh học của vi tảo

Vi tảo là những sinh vật cực nhỏ sống ở cả nước ngọt và nước mặn Chúng được phân loại

là vi sinh vật nhân chuẩn hoặc vi khuẩn lam nhân sơ (tảo lam lục), với hơn 25.000 loàiđược phân lập cho đến nay Những vi sinh vật này tham gia vào quá trình quang hợp, mộtquá trình tự nhiên quan trọng để giảm hàm lượng CO2 trong khí quyển (Hình 2.1) Ngoài

ra, vi tảo có thời gian sản xuất ngắn và phát triển nhanh chóng trong điều kiện môi trườngphù hợp

Hình 2.1: Sơ đồ hoạt động của Vi tảo

Vi tảo có thể phát triển theo ba cách riêng biệt dựa trên nguồn năng lượng và carbon được

sử dụng trong quá trình trao đổi chất của chúng: tự dưỡng, dị dưỡng hoặc hỗn hợp Vi tảocung cấp chất hữu cơ và năng lượng cần thiết trong quá trình phát triển tự dưỡng bằng cách

sử dụng CO2 làm nguồn carbon và ánh sáng mặt trời làm nguồn năng lượng Các chất hữu

cơ được sử dụng làm nguồn năng lượng và carbon trong quá trình phát triển dị dưỡng Mặc

dù glucose là nguồn carbon được sử dụng thường xuyên nhất, một số vi tảo nhất định có

8

thể phát triển mạnh nhờ glycerol Trao đổi chất hỗn hợp là một quá trình gồm hai giaiđoạn, bắt đầu bằng giai đoạn dị dưỡng xảy ra khi hàm lượng carbon hữu cơ cao và kết thúcbằng giai đoạn tự dưỡng bắt đầu bằng quá trình quang hợp (thường là khi hàm lượngcarbon hữu cơ thấp) Cách tiếp cận này có thể hữu ích trong môi trường có chu kỳ sáng vàtối tự nhiên, nơi vi tảo có thể phát triển tối ưu thông qua quá trình tự dưỡng và dị dưỡng.

Vi tảo có thể tận dụng các khía cạnh tốt nhất của cả hai hệ thống bằng cách sử dụng ánhsáng và carbon hữu cơ làm nguồn năng lượng và CO2 và carbon hữu cơ làm nguồn carbon.Nhược điểm chính của tăng trưởng tự dưỡng và nhu cầu về ánh sáng có thể được khắcphục; (ii) CO2 sinh ra trong quá trình tăng trưởng dị dưỡng có thể giảm đáng kể; và (iii)tăng năng suất sinh khối hàm lượng lipid và có thể đạt được sự tích tụ sắc tố

2.1.2 Đặc điểm sinh thái của vi tảo

Vi tảo là những nhà sản xuất chính quan trọng trong các hồ nước nông, nơi chúng có thểcùng tồn tại bên cạnh các thực vật vĩ mô tùy thuộc vào sự phong phú tương đối của nướctrong và đục Cả vi tảo cột nước (thực vật phù du) và vi tảo liên quan đến trầm tích đềuđóng vai trò sinh thái quan trọng bằng cách đóng vai trò là ống dẫn giữa các hóa chất vô cơ

và chất hữu cơ có thể tiếp cận với các cấp dinh dưỡng cao hơn và các loài săn mồi hàngđầu

Ở các cửa sông nông, đặc biệt là những cửa sông có miệng mở và đóng thường xuyên, sinhkhối vi tảo đáy cao với sản lượng sơ cấp thấp và sinh khối thực vật phù du thấp với tỷ lệsản xuất sơ cấp cao thường được báo cáo Các nguyên nhân có thể bao gồm sau: (a) cảithiện điều kiện ánh sáng trong cột nước so với bề mặt trầm tích; (b) tăng ảnh hưởng chănthả của động vật phù du trong cột nước; và (c) các tế bào thực vật phù du đáp xuống bềmặt trầm tích Các biến thể đáng kể trong cấu trúc quần xã thực vật phù du và năng suất cómối tương quan cao với chu kỳ đóng mở của cửa sông Một nghiên cứu khác đã chỉ ra rằngcác chất dinh dưỡng có thể là yếu tố hạn chế chính đối với sự phát triển của thực vật phù

du trong giai đoạn đóng, trong khi mức độ thâm nhập của ánh sáng thường lớn nhất tronggiai đoạn này Trong khi đó, mức độ ánh sáng thấp có thể hạn chế sự phát triển của thực vậtphù du trong giai đoạn mở khi độ đục và lượng chất dinh dưỡng tăng lên để đáp ứng vớidòng nước ngọt từ đất liền và trao đổi thủy triều với đại dương Trữ lượng thực vật đáy vi

mô cũng dao động đáng kể với các giá trị thấp nhất xảy ra trong thời gian mở Hơn nữa,

9

cường độ ánh sáng, nhiệt độ, nguồn dinh dưỡng sẵn có, độ mặn và pH đều có ảnh hưởngđáng kể đến quá trình sản xuất sinh khối vi tảo

2.1.2.1 Ánh sáng

Đối với các sinh vật quang tự dưỡng, ánh sáng là nguồn năng lượng chính và cường độ ánhsáng là yếu tố quyết định quan trọng điều chỉnh hoạt động quang hợp Tốc độ tăng trưởngcủa quá trình nuôi cấy vi tảo tăng lên khi cường độ ánh sáng tăng lên cho đến khi thu đượcánh sáng bão hòa Quá bão hòa ánh sáng có thể dẫn đến sự phát triển của các loại oxy phảnứng gây độc cho các tế bào vi tảo (quá trình quang hóa) và làm giảm sản lượng sinh khối

2.1.2.2 Nhiệt độ

Mặc dù vi tảo có thể sống ở nhiều loại nhiệt độ, nhưng phạm vi tăng trưởng tối ưu củachúng chỉ giới hạn trong một phạm vi nhỏ (20–30°C) Nói chung, khi nhiệt độ nằm trongphạm vi nhiệt độ lý tưởng, việc tăng nhiệt độ dẫn đến tăng sản lượng sinh khối vi tảo.Nhiệt độ trong phạm vi tối ưu sẽ ức chế sự phát triển, trong trường hợp cực đoan, giết chếtcác tế bào vi tảo Mặt khác, nhiệt độ thấp dường như làm giảm thiểu sự mất mát sinh khối

do hô hấp gây ra trong thời kỳ tối Do đó, sự tích lũy sinh khối cao có thể được thực hiệnbằng cách tăng nhiệt độ lên mức thích hợp vào buổi sáng (để tối đa hóa sản lượng vào banngày) và hạ nhiệt độ vào ban đêm để giảm thiểu tổn thất sinh khối

2.1.2.3 Các yếu tố môi trường khác

Các thông số môi trường như độ mặn và pH cũng có vai trò trong việc hình thành sinh khối

vi tảo Các loài vi tảo khác nhau có thể tồn tại ở nhiều nồng độ muối khác nhau và độ mặnquá cao sẽ hạn chế quá trình quang hợp làm giảm sản xuất sinh khối Phạm vi pH lý tưởngcho sự phát triển của vi tảo bị hạn chế từ 8,2 đến 8,7 Vào ban ngày, độ pH của môi trườngnuôi cấy vi tảo tăng liên tục do carbon dioxide được hấp thụ bởi quá trình quang hợp.Ngoài ra, độ pH đã được chứng minh là có ảnh hưởng đến sự sẵn có và khả năng hấp thụcác chất dinh dưỡng như sắt và carbon

động vật Vi tảo có thể thu thập một lượng lớn chất béo phù hợp để sản xuất dầu diesel sinhhọc đáp ứng các tiêu chuẩn của phần lớn các quốc gia phát triển Sau khi chiết xuất axitbéo, dư lượng sinh khối có thể được sử dụng để sản xuất dầu sinh học, dầu thô sinh học,ethanol và khí mê-tan Sinh khối vi tảo dường như là một nguồn thực phẩm và dinh dưỡng

có giá trị cho con người và động vật Vi tảo được sử dụng rộng rãi trong mỹ phẩm và dượcphẩm, cung cấp các axit amin quan trọng, chất chống oxy hóa, sắc tố và vitamin Cuốicùng, vi tảo tạo ra các hóa chất có ảnh hưởng đến sự tăng trưởng và phát triển của thực vật:Các yếu tố tăng trưởng, vitamin, axit amin, polypeptide, polyme, hợp chất kháng khuẩn vàkháng nấm là một số trong những hóa chất này Kết quả là, vi tảo có thể góp phần đáng kểvào quá trình thụ tinh sinh học bằng cách kích thích sự phát triển của một số loại thực vật.Hình 2.2 tóm tắt các ứng dụng công nghệ sinh học chính của vi tảo

11