ứng dụng của công nghệ sinh học thực vật vào vấn đề năng lượng

+ Phân bố tổng tiêu thụ các dạng năng lượng toàn cầu 2010:  Nhiên liệu khoáng: 0,06 %  Năng lượng tái sinh: 16,7 %  Năng lượng hạt nhân: 2,7 % + Tăng trưởng các dạng NLTT, Việt Nam l

TRƯỜNG ĐẠI HỌC NHA TRANG

VIỆN CNSH & MT

GVHD: Phạm Thị Minh Thu Học phần: Công Nghệ Sinh Học Thực Vật Lớp: 56Sh1

Nhóm: 5

A KHÁI QUÁT THỰC TRẠNG NGUỒN NĂNG LƯƠNG:

BĐ 1: Nhu cầu năng lượng trên thế giới

BĐ 2: Tiêu thụ các loại năng lượng trên thế giới

BĐ 3: Tăng trưởng NLTT và nhiên liệu sinh học trên thế giới, năm 2011

(Tính bình quân hàng năm từ năm 2007-2012)

+ Năm 2012, điện từ NLTT trên thế giới đạt 1,470 gigawatt (GW) TrungQuốc, Mỹ, Đức và Tây Ban Nha là những nước dẫn đầu về khả năng phát điện

từ NLTT Với công suất thủy điện 229 GW cộng với 90 GW từ các loại NLTTkhác (chủ yếu từ gió) cung cấp gần 20% nhu cầu điện đã đưa Trung Quốc vào vịtrí dẫn đầu thế giới về điện từ NLTT; còn ở Mỹ, tỷ trọng công suất điện từNLTT là: 15%; Đức, NLTT đáp ứng 12,6% nhu cầu năng lượng; Tây Ban Nha

NLTT đáp ứng 32% nhu cầu điện Các nước phát triển cũng đang cố gắngnghiên cứu và đầu tư tăng nguồn NLTT nhằm bổ sung thêm nguồn năng lượng.Đồng thời, tạo thêm việc làm cho người lao động (Bảng 1,2,3).

Bảng 1: Công suất điện từ nguồn NLTT trên thế giới, năm 2012

Bảng 2: Phát triển NLTT trên thế giới

(*): Dữ liệu đầu tư từ Bloomberg New Energy Finance, bao gồm: Sinh khối, địanhiệt, năng lượng gió với các dự án hơn 1 MW; thủy điện từ 1 – 50 MW; nănglượng mặt trời; và các dự án nhiên liệu sinh học với sản lượng mỗi năm 1 triệulít hơn

Bảng 3: Công việc tạo ra từ công nghiệp NLTT trên toàn cầu

+ Hiện nay hầu hết các nước trên thế giới đều quan tâm đến phát triểnNLTT Đi trước và có tỷ trọng NLTT cao là các nước Âu Mỹ Tại châu Á, TrungQuốc nổi lên là nước sớm ban hành luật NLTT đã tạo ra động lực để phát triển

mạnh việc sử dụng các nguồn NLTT như năng lượng gió, điện mặt trời trongnhững năm gần đây.

+ Phân bố tổng tiêu thụ các dạng năng lượng toàn cầu (2010):

 Nhiên liệu khoáng: 0,06 %

 Năng lượng tái sinh: 16,7 %

 Năng lượng hạt nhân: 2,7 %

+ Tăng trưởng các dạng NLTT, Việt Nam là quốc gia xuất khẩu chủ yếunăng lượng (dầu thô, than), nhưng nếu so sánh với các quốc gia giàu các nguồnnăng lượng hóa thạch thì trữ lượng các dạng năng lượng đó của chúng ta chỉđứng ở vị trí rất khiêm tốn

+ Vấn đề phát thải dioxide carbon của nước ta cũng chưa phải nghiêmtrọng, tuy nhiên lượng khí phát thải đang ngày càng tăng và chúng ta cũng phải

có trách nhiệm cùng với toàn thế giới tìm cách giảm tỉ lệ lượng khí phát thải sovới tăng trưởng năng lượng trong tiến trình phát triển kinh tế - xã hội

 Chính vì vậy, song song với việc sử dụng tiết kiệm và ít gây ô nhiễm hơn cácdạng năng lượng hóa thạch, Việt Nam cũng đã bước vào nhóm các nước tìmkiếm và sử dụng các dạng NLTT

- Không chỉ dừng lại ở đó, tương lai CNSH TV có thể làm được nhiều hơn thế.Không chỉ là làm nguồn nguyên liệu để tạo ra nhiên liệu cho con người dùnghằng ngày; mà với ứng dụng làm nguồn nguyên liệu tạo ra năng lượng sống

Ứng dụng của CNSH TV để tạo ra năng lượng sống:

- Dựa trên các phỏng đoán của các nhà khoa học về thời gian tồn tại của TráiĐất (có thể kéo dài được vài triệu năm nữa); cộng hưởng với thực trạng hiệnnay như: Ô nhiễm môi trường ngày một nghiêm trọng, sự nóng dần lên củaTrái Đất khiến băng ở hai cực dần tan,… kéo theo hàng loạt các vấn đề khác

đã dẫn đến sự ảnh hưởng của sự sống nói chung

- Điều đó đặt ra câu hỏi liệu sự sống trên Trái Đất có thể kéo dài đến bao giờkhi mà con người đang dần dần phá hủy đi những gì vốn có và ngoài Trái Đất

ra thì liệu còn có hành tinh nào khác có thể có sự sống hay có điều kiện cho sựsống có thể phát triển

- Các nhà khoa học đã tiến hành hàng loạt các nghiên cứu, dự án để trả lời chocâu hỏi đó Các vụ phóng tên lửa để đưa robot hay các nhà du hành vũ trụ lêncác hành tinh khác để thu thập thông tin, lấy mẫu, nghiên cứu để tìm kiếm dấuhiệu của sự sống hay điều kiện mà ở đó sự sống có thể tồn tại

- Theo các nghiên cứu gần đây của NASA thì rất có thể Sao Hỏa là hành tinh

có sự sống tồn tại trước đây Các hình ảnh chụp từ vệ tinh gửi về cộng với việc

sử dụng các thuật toán đã đưa ra giả thuyết là trên bề mặt của Sao Hỏa có sựtồn tại của nước (một trong những điều kiện để sự sống tồn tại) Từ đó đã đặt

ra các giả thuyết về sự sống trên Hỏa Tinh

- Theo hiểu biết của chúng ta về sự sống thì những điều kiện mà để cho sựsống có thể tồn tại đó là nước, O2,… Để giải quyết một trong những điều kiệntiên quyết đó thì CNSH TV đóng vai trò quan trọng trong việc tạo ra nguồnnguyên liệu (thực vật) từ đó cung cấp O2 cho sự sống Chúng ta đều biết sựthực vật đã tồn tại từ trước khi các loài động vật xuất hiện Thực vật cung cấpmột lượng O2 khổng lồ để sự sống có thể duy trì và phát triển

- Chỉ có tiến hành nuôi cấy in vitro với các điều kiện khác nghiệt của Sao Hỏathì ta mới có thể tạo ra thực vật để cung cấp đủ lượng cho sự sống tồn tại Ở

đó các nhà khoa học sẽ biến đổi mẫu thực vật có thể tồn tại được dưới môitrường nhân tạo sao cho giống với Sao Hỏa nhất để từ đó làm cơ sở thửnghiệm trên Hỏa Tinh

 Với sự tiến bộ của khoa học công nghệ của con người thì rất có thể Sao Hỏa

sẽ là ngôi nhà thứ hai của con người và đó sẽ là một món quà có ý nghĩa vôcùng to lớn đến nhân loại Nhưng trước mắt chặn đường để con người có thểđịnh cư trên Hỏa Tinh sẽ là rất lâu nữa

B NĂNG LƯỢNG SINH HỌC :

1. Khái niệm: Năng lượng sinh học là năng lượng tái tạo sinh ra từ các vật liệu

2.2 Thế hệ thứ 2:

- Nhiên liệu sinh học thế hệ 1 bị hạn chế bởi khả năng mở rộng diện tích đấttrồng trọt hiện nay để trồng các loại cây thích hợp là có hạn và các công nghệtruyền thống sử dụng để chuyển đổi các nguồn nguyên liệu này thành NLSHcòn bị hạn chế bởi hiệu quả và phương pháp xử lý

- Vì vậy người ta đã hướng tới nhiên liệu sinh học thế hệ 2 Loại NLSH nàyđược sản xuất từ nguồn nguyên liệu sinh khối, qua nghiền sấy rồi lên menthành nhiên liệu sinh học Các nguyên liệu này được gọi là “sinh khốixenluloza” có nguồn gốc từ chất thải nông nghiệp, chất thải rừng, chất thải rắn

đô thị, các sản phẩm phụ từ quá trình chế biến thực phẩm hoặc loại cỏ sinh

2.3 Thế hệ thứ 3:

Nhiên liệu sinh học thế hệ thứ ba được chế tạo từ các loài vi tảo trong nước, trênđất ẩm, sinh ra nhiều năng lượng (7-30 lần) hơn nhiên liệu sinh học thế hệ trướctrên cùng diện tích trồng Sản lượng dầu trên một diện tích 0,4 ha tảo là từ20.000 lít/năm đến 80.000 lít/năm Ngoài ra, loài tảo bị thoái hóa sinh họckhông làm hư hại môi trường xung quanh Theo ước tính của Bộ Năng Lượng

Mỹ, nước này cần một diện tích đất đai lớn độ 38.849 km2 để trồng loại tảothay thế tất cả nhu cầu dầu hỏa hiện nay trong nước

3 Ứng dụng CNSH thực vật vào sản xuất năng lượng:

Ứng dụng CNSH thực vật vào nuôi cấy mô cây dầu mè (Jatropha curcas.L)

(Nguồn: Nguyễn Văn Hạnh, Đại học Nông Lâm TP.Hồ Chí Minh, Tháng

8/2007, giáo viên hướng dẫn: PGS.TS Trần Văn Minh, đề tài được thực hiện tại phòng thí nghiệm phía nam về công nghệ tế bào thực vật, viện sinh học nhiệt đới tại thành phố Hồ Chí Minh) để sản xuất dầu diesel sinh học.

3.1 Mục đích nghiên cứu: Nhân giống nhanh cây dầu mè (Jatropha curcas.L)

invitro nhằm tạo nguồn giống cây ban đầu sạch bệnh có tính đồng nhất về mặt

di truyền đáp ứng yêu cầu cây giống với số lượng lớn phục vụ cho nhu cầu sảnxuất

3.2 Lý do chọn cây dầu mè:

- Cây dầu mè có thể phát triển trong các điều kiện khí hậu khô cằn Điều kiệnthích hợp nhất cho cây phát triển là mưa ít (200mm) nhưng cây vẫn có thể sốngđược ở nơi có lượng mưa cao lên đến 1200mm Khi gặp hạn hán, cây thích ứngbằng cách rụng hầu hết lá để làm giảm sự thoát hơi nước Nhiệt độ thích hợpcho cây là 18 – 28,5ºC Điều kiện để hạt nẩy mầm là khí hậu nóng ẩm Hoa nởtrong mùa mưa và tạo quả trong mùa đông và Việt Nam có đủ các điều kiện đó

- Tính về phương diện sản xuất dầu sinh học thì cây dầu mè cho hiệu quả kinh

tế lớn hơn rất nhiều các cây có hoạt tính sinh dầu diesel khác bởi cây dầu mè là

cây lâu năm có thể tạo quả trong nhiều thập niên, cây có thể phát triển màkhông cần phải chăm sóc nhiều trên những vùng đất khô cằn.

3.3 Giới thiệu cây dầu mè (Jatropha curcas.L).

+ Nhựa cây: Có màu trắng sữa hay màu vàng nhạt

+ Lá: Rụng sớm, mọc dày ở phần ngọn, có hình ovan, hoặc hình trái tim,

có lá chè thùy với 3 đến 5 thùy, Dài 6 – 40cm, rộng 6 – 35cm, cuống dài 2.5 –7.5cm

+ Hoa: Thường nở vào tháng 4 và tháng 5 tạo thành nhiều chùm có màuvàng nhạt, hình chuông

+ Quả: Hình dạng: Có dạng nang, kích thước: 2.5 – 4cm về chiều ngang

và đường kính Chia thành 3 ngăn, hạt nằm trong các ngăn này Hạt: Hạt câythuôn màu đen kích thước 2x1cm

3.4 Công dụng:

3.3.1 Nhựa mủ:

- Nhựa cây dầu mè có chứa các alkaloid như jatrophine, jatropham, jatrophone

và curcain Đây là những chất có tính kháng bệnh ung thư Lá có chứa apigenin,vitexin và isovitexin Ngoài ra trong lá và cành non có chứa amyrin,

stigmosterol và stigmastenes là những chất có tính kháng khuẩn, chống viêm, chống dị ứng và ôxi hóa Hạt cây: Có chứa chất béo, giàu palmiti, oleic acid và

linoleic acid Hạt cây có tính độc là do thành phần alkaloid curcin của nó

- Nhựa cây: Được dùng để trị các bệnh ngoài da như u nhọt, hắc lào, xuất huyết

da Cành non: Có tác dụng làm sạch răng miệng 2 Lá, vỏ và rễ cây: Lá câyđươc chú ý với khả năng kích thích tạo sữa, gây xung huyết và kháng ký sinhtrùng

3.3.2 Lá, vỏ và rễ cây

- Lá cây được chú ý với khả năng kích thích tạo sữa, gây xung huyết da vàkháng kí sinh trùng Lá được sử dụng để chống ghẻ, thấp khớp, tê liệt, u xơ

- Rễ cây: Có tác dụng tẩy giun sán, chữa rắn cắn

- Vỏ cây có tác dụng tẩy giun sán, chữa rắn cắn

- Nước sắc của vỏ và rễ cây dùng điều trị thấp khớp, bệnh hủi, chứng khó tiêu

và tiêu chảy (NIIR Board of Consultants and Engineers, 2006)

3.3.3 Hạt và dầu:

Hạt cây là loại thuốc trị bệnh phù, bệnh gút (gout), các bệnh về da Dầu cây dầu

mè có tính tẩy rửa

3.3.4 Dầu mè và nguyên liệu sinh học:

- Cây dầu mè được chú ý đặc biệt bởi nó là nguồn nguyên liệu sinh học

(biofuel) Hạt của cây có: Độ ẩm : 6,62%; Protein: 18,2%; Chất béo: 38%;Carrbohydrate: 17,3%; Sợi: 15,5%; Tro: 4,5% Dầu chiếm: 35 – 40% hạt và 50– 60% nhân hạt Trong dầu chứa 21% các acid béo không bão hòa

- Hạt được xay và ép lấy dầu hoặc dầu được tách bằng các dung môi.

- Tên thương mại của loại dầu này là: Jatropha.

- Dầu sau khi lọc được sử dụng ngay như là nguồn nguyên liệu sinh hojv\c ở

dạng bổ sung, dầu Jatropha có thể trộn với dầu thường với tỷ lệ đến 20%

- Đây là nguồn năng lượng mới an toàn, chi phí thấp và là nguồn năng lượng tái

sinh được, hứa hẹn sẽ là nguồn năng lượng thay thế cho thủy điện, dầu diesel,dầu lửa, khí hóa lỏng (lPG), than, củi…

- Dầu Jatropha có thể hoàn toàn thay thế cho dầu lửa để sưởi ấm và nấu ăn.

3.5 Phương pháp nghiên cứu:

3.4.1 Đối tượng thí nghiệm:

Cây dầu mè (Jatropha curcas.L) được trồng tại vườn giống viện sinh học nhiệt

đới thuộc viện khoa học và công nghệ việt nam tại thành phố Hồ Chí Minh

3.4.2 Trang thiết bị và dụng cụ.

- Thiết bị: Tủ vô trùng, nồi hấp, máy đo pH, cân điện tử, máy lạnh, nhiệt kế, ẩm

kế, đặt bình, đèn neon

- Dụng cụ: Pince, kéo, dao cấy, bình thủy tinh 500ml, đĩa, đèn cồn

3.4.3 Môi trường nuôi cấy

- Các môi trường được sử dụng gồm: Môi trường MS, ½ MS, WPM, ½ WPM.Trong đó môi trường ½ MS và ½ WPM là môi trường MS và WPM mà thànhphần đa lượng được giảm đi một nửa

3.4.3.1 Môi trường MS cải tiến (Murashige và Skoog,1962)

- Khoáng đa lượng:

ZNSO4.7H2O 8,6

H3BO3 6,2

NA2MO04.2H20 0,25CUSO4.5H2O 0,025COCL2.6H2O 0,025

THIAMIN(B1) 0,1NICOTINIC ACID 0,5PYRIDOXINE HCL 0,5GLYCINE 2

3.4.3.2 Môi trường WPM (Llooyd và McCown,1981).

- Khoáng đa lượng:

ZNSO4.7H20 8,6

NA2MOO4.2H20 0,25CUSO4.5H20 O,025COCL2.6H20 0,025

- VITAMIN:

Thành phần Nồng độ (mg/l)myo-Inositol 100

- Môi trường được điểu chỉnh về pH=5,8 ± 0,05 (bằng KOH1N và HCL1N)

trước khi hấp khử trùng bằng autoclave ở 1 atm (121ºC) trong 20 phút

3.4.3.3 Điều kiện nuôi cấy in vitro

- Thời gian chiếu sáng: 8 giờ/ngày

+ Hạt được rửa sạch bằng nước, dùng dao cạo bỏ lớp vỏ lụa mềm màuđen bên ngoài hạt, sau đó được rửa bằng xà phòng 0,1% trongg 30 phút và đượcrửa lại bằng nước máy nhiều lần.

- Trong tủ cấy vô trùng

+ Lắc chồi và hạt bằng nước cất vô trùng

+ Lắc cồn 700 trong 30 giây

+ Rửa lại 3 lần bằng nước cất vô trùng

+ Ngâm trong Natri hypochlorit (NAOCL) – nồng độ và thời gian theothí nghiệm

+ Rửa lại 3 lần bằng nước cất vô trùng

3.4.4.2 Cấy mẫu:

Tiến hành cấy mẫu vào các bình môi trường ở nồng độ các chất khác nhau:

- Thí nghiệm 1: Ảnh hưởng của nồng độ chất khử trùng và thời gian khử mẫu

đến tỉ lệ sống của mẫu cây dầu mè

+ Vô trùng mẫu hạt:

Theo kết quả trong bảng 4.1 cho thấy ở cả 3 nồng độ Natri hypochlorit 10%, 15% và 20% tỉ lệ mẫu hạt vô trùng tăng tỉ lệ thuận với thời gian khử mẫu Càng kéo dài thời gian khử mẫu, tỉ lệ mẫu vô trùng càng cao do hạt cây có lớp vỏ cứng nên khi ngâm khử trùng chất khử không ngấm vào trong hạt gây chết mẫu.

3 nghiệm thức có tỷ lệ mẫu hạt vô sống cao nhất là nghiệm thức 4,8 và 12 trong

đó nghiệm thức 8 đạt tỷ lệ cao nhất 26,79 % Do đó kết luận điều kiện khử mẫu hạt tốt nhất là sử dụng Natri hypochlorit nồng độ 15% và thời gian khử mẫu là

60 phút

+ Vô trùng mẫu chồi:

Xét ở nồng độ 10% tỉ lệ mẫu sống tăng tỉ lệ thuận với thời gian khử mẫu từ 15 phút lên 60 phút tỉ lệ sống tăng từ 0% (nghiệm thức 1) tăng lên 4,9% (nghiệm thức 4) và nghiệm thức đạt cao nhất là nghiệm thức 3 với thời gian khử mẫu 45 phút và tỉ lệ sống 6,3 %.

Nồng độ Natri hypochlorit 15%, tỉ lệ mẫu sống cũng tăng tỉ lệ thuận với thời gian khử mẫu tỉ lệ mẫu sống tăng từ 1,33% (nghiệm thứ 5 ) tăng lên 4,52 % (nghiệm thứ 8 ) Tuy nhiên tỉ lệ sống cao nhất là nghiệm thức 7 chỉ đạt 4,91%

thấp hơn so với nghiệm thức 3 So với nồng độ Natri hypochlorit 10% tỉ lệnhiễm nấm, khuẩn có giảm nhưng tỉ lệ mẫu chết do ngộ độc chất khử trùngtăng

+ Ở nồng độ Natri hypochlorit 20% việc kéo dài thời gian khử trùngmẫu cũng làm tăng tỉ lệ mẫu sống Tuy nhiên, tỉ lệ mẫu sống ở nồng độ 20%thấp hơn so với các nghiệm thức ở các nồng độ 10% và 15% Nồng độ Natrihypochlorit cao tác dụng khử trùng nấm và khuẩn rõ ràng cao hơn, nhưng tác

dụng gây độc với mẫu khử cũng cao Do đó tuy tỉ lệ nghiễm giảm nhưng tỉ lệmẫu chết do ngộ độc cao đặc biệt ở các nghiệm thức 11 và 12.

+ Cách thức khử mẫu thích hợp cho chồi cây dầu mè là ngâm mẫu trongNatri hypochlorit 10% với thời gian 45 phút So với các cây khác, thời gian khửcủa cây dầu mè lâu hơn do chồi non của cây dầu mè có kích thước lớn, mọngnước nên chịu được tác động của chất khử trùng tốt hơn

Kết quả:

- Thí nghiệm 2: Khảo sát môi trường khoáng cơ bản cho môi trường in vitro.

Mẫu khi cấy vào môi trường MS và WPM sau khoảng 1 tuần đều nẩy chồi(100%), trên các môi trường ½ MS và ½ WPM thì chậm hơn 5-6 ngày và tỉ lệnày chồi cũng thấp hơn: ½ MS là 50%; ½ WPM là 67%.

+ Trong khoảng thời gian từ tuần thứ 3 đến tuần thứ 4, trên môi trường ½

MS và ½ WPM các chồi có biểu hiện bị úng ngọn Ngòn dần chuyển sangmàu vàng, lan đỉnh xuống gốc và mẫu chết Hiện tượng này chỉ xuất hiệntrên các môi trường có khoáng đa lượng giảm một nữa chứng tỏ đồi hỏi vềkhoáng của cây cao và các môi trường này không đáp ứng được

+ Khi xem xét gốc của mẫu cấy nhận thấy môi trường WPM và ½ WPMgốc của mẫu cấy phù to Trong khi đó trên môi trường MS và ½ MS gốcmẫu hoàn toàn bình thường không bị phù

+ Từ những kết quả đạt được kết luận môi trường khoáng thích hợp đểnuôi cấy mô cây dầu mè là môi trường MS

Kết quả: