Vi tảo một giải pháp tiềm năng cho các vấn đề môi trường

https://doi.org/10.37550/tdmu.VJS/2020.03.036 VI TẢO – MỘT GIẢI PHÁP TIỀM NĂNG CHO CÁC VẤN ĐỀ MÔI TRƯỜNG Nguyễn Thanh Tuyền(1) (1) Trường Đại học Thủ Dầu Một Ngày nhận 20/02/2020; Ngày gửi phản biện 28/02/2020; Chấp nhận đăng 25/05/2020 Liên hệ email: tuyennt@tdmu.edu.vn https://doi.org/10.37550/tdmu.VJS/2020.03.036 Tóm tắt Vi tảo có tiềm lớn làm nguồn ngun liệu cho q trình trích ly hợp chất có giá trị sinh học sản xuất nhiên liệu sinh học, phân bón sinh học, giúp giảm lượng khí CO2 khí xử lý nước thải Bài tổng quan nhằm giới thiệu tiềm vi tảo việc xử lý nguồn nước thải khác bao gồm nước thải chăn nuôi, nước thải ngành dệt, nước thải ngành công nghiệp dược phẩm nước thải có chứa kim loại nặng Vi tảo cịn nguồn sinh khối có giá trị việc sản xuất nhiên liệu sinh học, phân bón sinh học giúp làm giảm phát thải khí gây hiệu ứng nhà kính ứng phó với bối cảnh biến đổi khí hậu – nước biển dâng Từ khóa: phương pháp sinh học, vi tảo, xử lý nước thải Abstract MICROALGAE - A POTENTIAL SOLUTION FOR ENVIRONMENTAL ISSUES Microalgae have potential not only as a raw source for the extraction of bioactive compounds but also as a potential material for the production of biofuel, reducing the carbon dioxide concentration in the atmosphere, bio-fertilizer as well as in the treatment of pharmaceutical wastewater, heavy metal containing wastewater, textile dyes wastewater, livestock wastewater and livestock wastewater In this review, we aim to introduce the potential of microalgae to treat various wastewater sources including livestock wastewater, textile wastewater, pharmaceutical industry wastewater and heavy metal - containing wastewater In addition, the potential of microalgae is considered a valuable biomass source in fuel production and bio-fertilizer which is intended to lower emissions of greenhouse gases in the context of climate change - sea level rise Giới thiệu Tình hình gia tăng dân số hậu trở thành mối quan tâm to lớn cộng đồng quốc tế Dân số tăng kéo theo nhiều vấn đề đặt 72 Tạp chí Khoa học Đại học Thủ Dầu Một Số 3(46)-2020 tình trạng thiếu lương thực thực phẩm, cạn kiệt nguồn tài nguyên thiên nhiên đặc biệt làm nhiễm mơi trường Vì vậy, việc tìm kiếm nguồn ngun liệu khơng cạnh tranh với lương thực cần thiết, vi tảo với mạnh tăng sinh khối nhanh xem lựa chọn chiến lược cho việc sản xuất nhiên liệu sinh học đồng thời ứng phó với bối cảnh biến đổi khí hậu – nước biển dâng Bên cạnh đó, chất thải từ hoạt động sản xuất người công nghiệp, nông nghiệp, sản xuất nguồn gây nhiễm lớn đến mơi trường Đã có nhiều nghiên cứu tập trung vào việc xử lý nước thải trước thải môi trường tự nhiên Trong việc sử dụng công nghệ xử l truyền thống để loại bỏ chất ô nhiễm đ i hỏi chi ph vận hành phức tạp tạo sản phẩm phụ không mong muốn (Christenson Sims, 2011; Ruiz ctv, 2012) Phương pháp sử dụng vi tảo để xử lý chất ô nhiễm từ nước thải áp dụng rộng rãi tr n giới đạt hiệu cao, chi phí thấp lại an tồn với mơi trường (Christenson Sims, 2011; Hoffmann, 1998) Đặc biệt, ô nhiễm nước thải gây ph dư ng cho hệ sinh thái thu sinh ch ng nguồn dinh dư ng quan trọng cung cấp dinh dư ng cho công nghệ vi tảo Tiow- uan nthony 988; evrin- eyssac 998 Trong công nghệ vi tảo tảo sử dụng lượng ánh sáng mặt trời đồng thời hấp thụ chất dinh dư ng từ nước thải để cố định nguồn cacbon tạo sinh khối điều không làm giảm chất gây nhiễm nước thải mà cịn tạo nguồn sinh khối có giá trị, giảm phát thải khí gây hiệu ứng nhà kính giúp cho việc chống biến đổi khí hậu tồn cầu Tiềm vi tảo cho vấn đề môi trường 2.1 Vi tảo xử lý nước thải Hiện nay, bên cạnh phương pháp xử l nước thải truyền thống dùng hóa chất, lắng, lọc… phương pháp xử l nước thải vi tảo áp dụng rộng rãi nghiên cứu nửa k So với phương pháp xử l nước thải truyền thống, việc sử dụng vi tảo để xử l nước thải có lợi ích quan trọng chi ph thấp để loại bỏ hợp chất phosphat hợp chất N mầm bệnh Không tiêu tốn lượng mà lại sản xuất ôxy cần thiết cho vi khuẩn hiếu kh Hơn sở xử l nước thải vi tảo tạo bùn sinh khối vi tảo với hàm lượng lượng cao, tận dụng để sản xuất phân bón nhiên liệu sinh học Đặng Diễm Hồng, 2019) Công nghệ xử l nước thải vi tảo không sử dụng hóa chất tồn quy trình xử l đơn giản, tạo lượng bùn mức tối thiểu giải phóng carbonic nhỏ nhiều so với lượng carbonic mà vi tảo tiêu thụ, nhờ tồn quy trình xử lý vi tảo khơng phát sinh mà tiêu thụ carbonic Đồng thời tạo nguồn sinh khối có giá trị sử dụng làm thức ăn chăn ni phân bón nguồn ngun liệu cho trình sản xuất nhiên liệu sinh học (Hình 1) (Wang ctv, 2016) 73 https://doi.org/10.37550/tdmu.VJS/2020.03.036 Hình Sử dụng hệ thống nuôi vi tảo - vi khuẩn để loại bỏ chất dinh dưỡng/COD (COD: Chemical oxygen demand) (Wang ctv, 2016) Các ti u ch để lựa chọn chủng tảo sử dụng xử l nước thải sản xuất nhiên liệu sinh học bao gồm: tốc độ tăng trưởng mạnh hàm lượng lipid suất cao; khả dung nạp tốt chất gây ô nhiễm ion kim loại, hợp chất độc hại, hấp thụ nồng độ cao NH4+, tốc độ tạo oxy sử dụng CO2 cao đặc biệt có khả sinh trưởng phát triển tốt điều kiện mơi trường khác (hình 2) Hình Các chủng vi tảo sử dụng xử lý nguồn nước thải khác (Wang ctv, 2016) 74 Tạp chí Khoa học Đại học Thủ Dầu Một Số 3(46)-2020 Tùy thuộc vào đặc tính nước thải vùng hay ngành nghề khác mà tiêu chí vi tảo chọn phù hợp để chúng phát triển xử l nước thải cách hiệu Một số chủng vi tảo Chlorella sp., Scenedesmus sp., Desmodesmus sp., Neochloris sp., Chlamydomonas sp., Nitzschia sp., Cosmarium sp (Wang ctv, 2016; Xiong ctv, 2016) nuôi thành công sử dụng nguồn nước thải khác nguồn cung cấp chất dinh dư ng cho vi tảo điều kiện nuôi khử trùng không khử trùng kết hợp với sản xuất nhiên liệu sinh học Trong số Chlorella, Scenedesmus số vi khuẩn lam chủng vi tảo có tốc độ tăng trưởng cao, khả th ch nghi với môi trường tốt hàm lượng lipid t ch lũy tinh bột cao Đây xem chủng tiềm việc xử l nhiều nguồn nước thải khác (Kim ctv, 2016; Wang ctv, 2015) Nước thải chăn nuôi: Việc sử dụng vi tảo trình xử l nước thải góp phần loại bỏ N, P, kim loại nặng giảm COD BOD nước Nếu nguồn nước thải không xử lý gây ô nhiễm nguồn nước mặt gây cân sinh thái Nhiều nghiên cứu nước thải nguồn dinh dư ng tốt cho vi tảo phát triển (Choudhary ctv, 2017; Xu ctv, 2017; Hu ctv, 2013; Zhou ctv, 2014; Nam ctv, 2017) Theo Zhou ctv (2014), nhiều loại phân động vật có thành phần dinh dư ng tương tự thành phần môi trường nuôi cấy vi tảo hỗ trợ tốt cho tăng trưởng số chủng vi tảo (Zhou ctv, 2014) Trong đáng ch thành phần nước thải chăn nuôi heo giàu nguồn carbon hữu đường chất dinh dư ng khác nitơ phốt (P), xem nguồn phân bón tuyệt vời nơng nghiệp Dạng nitơ h a tan phân heo amoni (NH+4 -N) nguồn dinh dư ng phù hợp cho vi tảo đồng hóa để xây dựng tế bào Theo Hu ctv 20 ngồi lượng lớn nước thải chăn ni heo có chứa hàm lượng acid béo dễ bay với hàm lượng 6773mg/l, bao gồm acid axetic, acid propionic acid butyric (Bảng 1) Đây coi nguồn carbon hữu h a tan tiềm nuôi trồng vi tảo Bảng Đặc tính nước thải chăn ni heo trước sau q trình ủ kỵ khí (Hu ctv, 2013) Thơng số ước thải chăn nuôi heo trước ủ kỵ khí pH COD (mg/L) NH3-N (mg/ L) 75 ước thải chăn ni heo sau ủ kỵ khí 7,45 ± 0,31 8,31 ± 0,29 20.820 ± 45,1 7.752 ± 24,1 5.190 ± 9,2 1.576 ± 6,0 https://doi.org/10.37550/tdmu.VJS/2020.03.036 tổng số mg 6.880 ± 6,1 2.140 ± 4,2 tổng số mg 367 ± 1,5 604 ± 2,4 Đã nhiều nghiên cứu cho thấy vi tảo loại bỏ N, P, CO2, COD, BOD nước Mulbry Wilkie 200 sử dụng công nghệ ATS (algal turf scrubber để đánh giá khả xử l nước thải sinh khối vi tảo sử dụng nước thải chăn nuôi thô chưa phân hủy kỵ kh nước thải sau biogas để nuôi vi tảo Kết cho thấy với thành phần N nước thải ban đầu từ 0,6 - 0,96g ngày cho suất sinh khối tảo đạt 5g/m2/ngày Thành phần sinh hóa tảo thu có chứa 1,5 - 2% P, - 7% N Hiệu loại bỏ N, P 34,3 100% Johnson Wen 20 sử dụng nước thải chăn nuôi b sữa để nuôi thu sinh khối Chlorella Kết cho thấy sau 10 ngày ni hiệu loại bỏ N, P 61-79% 62-93% Nước thải từ ngành công nghiệp dược phẩm: Các hợp chất có hoạt t nh dược phẩm Pharmaceutically active compounds- PhACs) chủ yếu diện mơi trường nước ch ng có ảnh hưởng nghi m trọng đến sức khỏe người đến hệ sinh thái Đến nay, nhà nghi n cứu phát 200 h C khác có môi trường nước Trong số loại thuốc thường thấy thuốc chống vi m không steroid non-steroidal anti-inflammatory drugs IDs ibuprofen diclofenac thuốc kháng sinh (erythromycin, roxithromycin, ketoco-nazole, quinolones, fluoroquinolones), thuốc ức chế beta propranolol thuốc chống trầm cảm thuốc chống co giật động kinh (carbamazepine) (Petrie ctv, 2015) Vi tảo nhà máy sản xuất chuỗi thức ăn thủy sản chúng xem sinh vật thị để đánh giá chất lượng nước độc tính sinh thái chất ô nhiễm (Stevenson Graham, 2014) Carbamazepine (CBZ) hợp chất nghiên cứu nhiều ngành công nghiệp dược phẩm xử lý sinh học thành công vi tảo Xiong ctv (2016) đánh giá độc tính, stress tế bào khả phân hủy carbamazepine (CBZ) loài vi tảo Chlamydomonas mexicana Scenedesmus obliquus nổng độ CBZ khác Kết cho thấy phát triển S obliquus bị ức chế đáng kể (gần 97% C mexicana bị ức chế 30% nồng độ 200mg CBZ/l, hiệu suất phân hủy CBZ C mexicana S obliquus đạt tối đa 35% 28% (Xiong ctv, 2016) (Bảng 2) Các PhAC (bao gồm CBZ) làm giảm mạnh hoạt động tổng hợp ATP vi tảo, can thiệp vào tải nạp lượng ty thể lục lạp vi tảo (Vannini ctv, 2011) Gần Matamoros ctv 20 cho tập đoàn vi tảo bao gồm Chlorella sp Scenedesmus sp loại bỏ thành cơng 20% CBZ từ nước thải thị (Bảng 2) 76 Tạp chí Khoa học Đại học Thủ Dầu Một Số 3(46)-2020 Bảng Vi tảo sử dụng xử lý chất thải dược phẩm Chủng vi tảo Chất thải dược phẩm Hiệu suất phân hủy (%) Chlamydomonas mexicana Carbamazepine 35 Xiong ctv (2016) Scenedesmus obliquus Carbamazepine 28 Xiong ctv (2016) Tập đoàn nhiều vi tảo 4-octylphenol, galaxolide, tributyl phosphate 90 Tập đoàn nhiều vi tảo Caffeine 17 Tập đoàn vi khuẩn - vi tảo Caffeine 99 Tập đoàn nhiều vi tảo Ibuprofen 15 Tập đoàn vi khuẩn - vi tảo Ibuprofen 60 Tập đoàn vi khuẩn - vi tảo Carbamazepine tris(2chloroethyl) phosphate