CHƢƠNG 2 VẬT LIỆU VÀ PHƢƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU
2.2. PHƢƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU
2.2.1. Phƣơng pháp xây dựng mơ hình
a. Các giả thiết của mơ hình
- Mơi trƣờng ni đƣợc xáo trộn hồn tồn và liên tục, các chất dinh dƣỡng và các tế bào vi tảo đƣợc phân bố đồng đều ở mọi vị trí.
- Các điều kiện ngoại cảnh ảnh hƣởng đến tốc độ sinh trƣởng của vi tảo chỉ bao gồm dinh dƣỡng trong môi trƣờng nuôi và cƣờng độ ánh sáng, nhiệt độ của bể nuôi.
- pH đƣợc duy trì ở khoảng có thể chống chịu đƣợc của vi tảo trong suốt q trình ni.
- Thể tích mơi trƣờng ni khơng đổi trong suốt quá trình.
b. Mơ hình khái niệm
Sự thay đổi về mật độ của vi tảo đƣợc ni cấy trong bể (bình) phản ứng dƣới ảnh hƣởng của các yếu tố chính đƣợc mơ tả ở Hình 2.1.
Hình 2.1. Mơ hình lý thuyết tăng trƣởng vi tảo
Vi tảo có sự sinh trƣởng nhanh, vịng đời ngắn, dự trữ dinh dƣỡng trong tế bào với hàm lƣợng ít, thƣờng sử dụng ngay dinh dƣỡng hấp thụ đƣợc cho sự tăng trƣởng và sinh sản (sinh trƣởng dạng cơ hội) nên loại mơ hình đƣợc chọn trong nghiên cứu này là mơ hình quần thể, đơn vị chính của mơ hình là đơn vị mật độ của tảo, tức là gam sinh khối khơ trong một lít thể tích [gskk/l], trong bài này đƣợc ký hiệu ngắn gọn là [g/l].
Cụ thể:
- Sự sinh trƣởng của vi tảo thể hiện bằng sự tăng lên của mật độ trong môi trƣờng nuôi cấy.
- Mật độ tảo giảm xuống do quá trình phân giải tảo chết nếu vi sinh vật có mặt trong mơi trƣờng, hoặc do thu hoạch.
- Tốc độ sinh trƣởng phụ thuộc vào nồng độ dinh dƣỡng, cƣờng độ ánh sáng và nhiệt độ.
c. Xây dựng mơ hình động học
Các biến trong mơ hình
Biến trạng thái là đối tƣợng chúng ta quan tâm, thƣờng là sinh khối, mật độ của sinh vật hoặc nồng độ chất dinh dƣỡng, hợp chất hóa học và nó thay đổi theo thời gian (Karline Soetaert, 2008).
Các biến trạng thái trong mơ hình đƣợc trình bày ở Bảng 2.1.
Bảng 2.1. Các biến trạng thái trong mơ hình Biến trạng
thái
Kí hiệu Đơn vị Mô tả
Mật độ tảo sống
TAOSONG g/l Lƣợng sinh khối tảo sống trên 1 đơn vị thể tích
Mật độ tảo chết
TAOCHET g/l Lƣợng sinh khối tảo chết trên 1 đơn vị thể tích
Nồng độ
Nitơ
NITO molN/l Lƣợng Nitơ tổng số – đại diện cho nồng độ dinh dƣỡng trong môi trƣờng
Các biến mật độ tổng và sinh khối tổng của vi tảo đƣợc tính nhƣ sau:
MATDO = TAOSONG + TAOCHET [g/l]
SINHKHOI = MẬT ĐỘ * V [g]
Trong đó V (l) là thể tích bình ni Cân bằng mơ hình:
Giá trị các biến trạng thái đƣợc xác định dựa trên các quá trình đầu vào và đầu ra (nhƣ đƣợc mơ tả ở hình 2.1.) của biến đó theo thời gian, cụ thể:
dTAOSONG/dt = Sinhtruong – Tuvong– Thuhoach [g/l] dTAOCHET/dt = Tuvong– Phangiai – Thuhoach [g/l] dNITO/dt = Bosung – Sinhtruong * p.BIO.NIT [molN/l]
Với Sinhtruong, Tuvong, Thuhoach, Phangiai, Bosung là các quá trình trong mơ
hình, p.BIO.NIT [molN/g] là một hằng số thể hiện nồng độ nitơ tiêu thụ để tạo ra 1g sinh khối.
Cơng thức tốn học của các q trình:
+ Sinh trƣởng:
Trong mơ hình này, sự sinh trƣởng đƣợc mô tả đơn giản là sự tăng lên của mật độ tảo sống (do phân chia tế bào) trong mơi trƣờng ni cấy, do đó, nó tỉ lệ thuận với mật độ tế bào sống sẵn có trong mơi trƣờng và tốc độ sinh trƣởng của tảo.
Sinhtruong = TAOSONG * tocdo.sinhtruong
Trong đó, tốc độ sinh trƣởng của tảo phụ thuộc vào dinh dƣỡng, ánh sáng, nhiệt độ, chất thải (do sự bài tiết các chất ngoại bào và sinh khối tảo chết) và sức chứa của môi trƣờng.
tocdo.sinh truong = max.sinhtruong * f(Dinhduong) * f(Anhsang) * f(Nhietdo) * f(Succhua) * f(Chatthai)
- Yếu tố giới hạn dinh dƣỡng:
Hai chất dinh dƣỡng quan trọng nhất đối với sự sinh trƣởng của vi tảo là nitơ và photpho (Juneja và cs, 2013). Trong nghiên cứu này, nồng độ nitơ tổng sẽ đƣợc chọn làm đại diện cho dinh dƣỡng của môi trƣờng nuôi cấy. Mối tƣơng quan giữa chất dinh dƣỡng này với tốc độ sinh trƣởng đƣợc thể hiện bằng công thức Michelis Menten (Monod). Cụ thể, ở nồng độ nitơ và photpho thấp, tốc độ sinh trƣởng của vi tảo tăng gần nhƣ tuyến tính với sự tăng lên của nồng độ và đạt giá trị cực đại tại nồng độ bão hòa. Việc tiếp tục tăng nồng độ lên cao hơn nồng độ bão hịa sẽ khơng làm thay đổi đáng kể tốc độ sinh trƣởng của vi tảo (hình 2.2.).
* Hệ số giới hạn = 1: Tốc độ sinh trưởng đạt tối đa Hệ số giới hạn = 0: Khơng có sinh trưởng
(Áp dụng cho tất cả các hình)
Hình 2.2. Ảnh hƣởng của nồng độ dinh dƣỡng đến tốc độ sinh trƣởng tối đa
- Yếu tố giới hạn nhiệt độ:
Vi tảo cũng nhƣ các sinh vật khác thƣờng sinh trƣởng tốt trong một khoảng cực thuận, ngoài khoảng cực thuận, tốc độ sinh trƣởng của tảo là rất hạn chế hoặc. Ở nhiệt độ cao hơn nhiệt độ tối ƣu (Topt), tốc độ sinh trƣởng của tảo giảm rất nhanh đến một nhiệt độ chết (Tlet). Mối tƣơng quan giữa nhiệt độ và tốc độ sinh trƣởng này đƣợc thể hiện bằng công thức đƣợc đề xuất bởi (Slegers và cộng sự., 2013):
Trong đó: Tlet là nhiệt độ chết, Topt là nhiệt độ tối ƣu cho sinh trƣởng, Tw là
nhiệt độ của môi trƣờng, là hằng số điều chỉnh đƣờng cong biểu hiện quan hệ giữa nhiệt độ – hệ số giới hạn giới hạn bởi nhiệt độ.
Hình 2.3. Ảnh hƣởng của nhiệt độ nƣớc đến tốc độ sinh trƣởng tối đa
- Yếu tố giới hạn ánh sáng:
Đƣợc mơ hình hóa dựa trên cơng thức của Steele và Henderson (1981) mô tả sự thay đổi tốc độ sinh trƣởng của vi tảo theo cƣờng độ ánh sáng. Cụ thể, Tốc độ tăng trƣởng của tảo tăng gần nhƣ tuyến tính với cƣờng độ ánh sáng ở mức cƣờng độ thấp, đạt giá trị cực đại tại mức cƣờng độ bão hịa. Bên cạnh đó, sự quang ức chế cũng đƣợc đề cập trong công thức này, thể hiện sự suy giảm tốc độ tăng trƣởng khi tảo tiếp nhận ánh sáng với cƣờng độ quá cao so với mức cực thuận. Công thức dƣới thể hiện các mối quan hệ trên:
Trong đó, Ialà cƣờng độ ánh sáng trung bình trong thể tích bể ni, Is là cƣờng độ ánh sáng bão hịa cho sự sinh trƣởng của vi tảo. Ngồi ra, lƣu ý rằng năng lƣợng của ánh sáng bị phân tán khi càng đi sâu xuống nƣớc và khi độ đục của mơi trƣờng nƣớc càng cao, do đó, cƣờng độ ánh sáng trung bình cịn tùy thuộc vào độ sâu của cột nƣớc (z) và mật độ của vi tảo (MATDO), thể hiện qua cơng thức:
Hình 2.4. Ảnh hƣởng của cƣờng độ ánh sáng đến tốc độ sinh trƣởng tối đa
- Yếu tố giới hạn sức chứa:
Sự sinh trƣởng của vi tảo còn bị giới hạn bởi yếu tố sức chứa, tức là sinh khối khả dĩ tối đa trên một đơn vị thể tích – là giá trị cao nhất có thể đạt đƣợc của mật độ tảo trong môi trƣờng. Càng gần với giá trị tối đa, tốc độ sinh trƣởng của vi tảo là càng chậm do không gian sống hạn chế.
- Yếu tố giới hạn chất thải:
Tảo khi chết sẽ tích tụ ở trong bình (bể) ni cấy. Trong trƣờng hợp có mặt vi sinh vật, tảo sẽ trở thành nguồn thức ăn cho vi sinh vật phát triển. Các sản phẩm phụ đƣợc tạo ra trong q trình phân giải hữu cơ có thể gây độc, làm giảm tốc độ tăng trƣởng của quần thể vi tảo. Ngồi ra, trong q trình sinh trƣởng tảo cũng bài tiết ra các chất thải ngoại bài gây hạn chế tốc độ sinh trƣởng. Quá trình này đƣợc gán kết hợp vào sự hạn chế giới hạn tốc độ gây ra do lƣợng tảo chết.
Hình 2.6. Ảnh hƣởng của chất thải đến tốc độ sinh trƣởng tối đa
Tử vong
Trong tự nhiên, tảo có thể chết do nhiều nguyên nhân khác nhau nhƣ do bị ăn bởi động vật phù du, do nhiễm vi sinh hay do các tác nhân lý hóa khác. Tuy nhiên trong điều kiện nuôi trồng, nguyên nhân chủ yếu của tảo chết là do điều kiện sinh thái không phù hợp, chết theo vòng đời và do nhiễm vi sinh. Các q trình này khá phức tạp để mơ hình nên sự tử vong của tảo thƣờng đƣợc mơ hình tỉ lệ thuận với tảo sống theo một hệ số tử vong là hằng số không thay đổi theo thời gian
Tuvong = heso.tuvong * TAOSONG Phân giải
Quá trình phân giải tảo chết diễn ra khi trong mơi trƣờng ni có sự hiện diện của hệ vi sinh vật thực hiện vai trò phân giải chất hữu cơ, làm giảm mật độ tảo chết. Quá
trình này thƣờng đƣợc mơ hình tỉ lệ với nhiệt độ theo quy luật Q10, tức là tốc độ q trình tăng gấp đơi khi nhiệt độ mơi trƣờng tăng lên 10oC:
Hình 2.7. Ảnh hƣởng của nhiệt độ đến tốc độ phân giải tảo chết
Bổ sung và Thu hoạch
Đây là hai quá trình tự chọn, lƣợng tảo đƣợc thu hoạch đƣợc điều chỉnh tùy mơ hình ni và mục đích ni, tƣơng tự với việc bổ sung nồng độ nitơ trong mơi trƣờng. Vì mơ hình này đƣợc thiết kế để nuôi theo quy mô nhỏ và vừa, việc bổ sung dinh dƣỡng và thu hoạch sinh khối là thủ cơng, nên để đơn giản hóa mơ hình, hai quá trình này đƣợc thể hiện bằng một đại lƣợng tùy chọn và đƣợc nhúng vào mơ hình khi cần thiết.