CHƯƠNG I TỔNG QUAN TÀI LIỆU
1.3. NGUỒN CO2 TỪ KHÍ THẢI ĐỐT THAN CHO SINH TRƯỞNG
1.3.1.3. Vi tảo và ảnh hưởng của khí đồng hành
Bên cạnh các nghiên cứu về khả năng chịu đựng nồng độ CO2 cao trong khí thải của vi tảo, trong những năm gần đây nghiên cứu về tác động ảnh hưởng của thành phần khí thải đã được nhiều tác giả quan tâm.
Khí SO2
Sự hiện diện của SO2 ức chế mạnh sự phát triển của vi tảo. Khi nồng độ SO2 vượt quá 100 ppm, gần như các loài vi tảo khơng thể sinh trưởng [101]. Một số lồi vi tảo sinh trưởng khó khăn trong điều kiện có nồng độ SO2 cao do chúng có pha lag trễ hơn so với khi khơng có SO2. Nồng độ SO2 làm tăng sự ức chế sinh trưởng
của vi tảo, giảm mạnh sự cố định các bon và sản xuất sinh khối. Ví dụ, Chlorella
sp. KR-1 – lồi vi tảo có khả năng sống cao cũng khơng thể sống sót trong điều kiện
150 ppm SO2 với 15% CO2 [102]. SO2 có thể khơng trực tiếp ức chế sự phát triển vi tảo [103]. Tác dụng ức chế của SO2 đối với sự phát triển của vi tảo có thể là do tính axit tăng lên. Ion H+ sinh ra do quá trình thủy phân của SO2 dẫn đến sự gia tăng tính axit của mơi trường nuôi cấy [104]. Khi pH nhỏ hơn 3,0 kéo theo các tế bào vi tảo ngừng phát triển. Tuy nhiên, nếu độ pH của mơi trường ni cấy được trung hịa, thì năng suất của vi tảo khơng giảm [91].
Khí NOx
Bên cạnh khí SO2, khí NOx cũng là một thành phần đáng kể của khí thải từ nhà máy đốt than. Cũng như SO2, NOx có thể ảnh hưởng đến pH của môi trường nuôi tảo, nhưng ở mức độ thấp hơn. Người ta đã chứng minh vi tảo có thể sinh trưởng tốt trong môi trường chứa tới 240 ppm NOx [91]. Negoro và cs (1991) thấy rằng tảo NANNO 02 phát triển được ở nồng độ 300 ppm NO sau pha tiềm sinh [93].
Một điều lí thú là NO có thể coi như nguồn dinh dưỡng Nitơ cho tảo. NO được hấp thụ vào môi trường và chuyển thành dạng NO2 với sự có mặt của ơxy [93]. Lượng ôxy càng nhiều khả năng tạo NO2 càng lớn và năng suất tảo cũng gia tăng [105]. Tuy nhiên, nếu lượng ôxy quá dư sẽ dẫn đến quang hô hấp làm ức chế tăng trưởng của tảo.
Các tác giả còn nhận thấy một số lồi vi tảo có khả năng chống chịu với 13,6% CO2, 200 ppm SO2 và 150 ppm NO [105]. Matsumoto và cs (1995) đã xác
định tảo Tetraselmis sp. được nuôi với khí thải chứa 14,1% CO2 ; 1,3% O2 ; 185
ppm SOx và 135 ppm NOx [103]. Một số lồi tảo khác cũng có khả năng chống chịu tương tự với CO2 và NOx, nhưng chống chịu kém với SO2 [91]. Người ta cũng xác định được rằng nếu nồng độ bụi than là 200.000 mg/m3 (0,2 g/L) sẽ ảnh hưởng đến năng suất của tảo.
Các thông tin nêu trên cho thấy tính cần thiết phải lưu ý tới các khí đồng hành với CO2 khi khai thác khí này cho sản xuất sinh khối vi tảo.
1.3.2. Vi khuẩn lam – Spirulina platensis và nguồn CO2 từ khí thải đốt than
Spirulina là các vi sinh vật procaryot, hình xoắn sống trong nước với lồi điển
hình là Spirulina platensis. Spirulina thuộc ngành Vi khuẩn lam (Cyanophyta),
thuộc giới sinh vật có nhân sơ hay nhân nguyên thủy (Prokaryotes).
Vị trí phân loại của Spirulina platensis [106] như sau: Loài Spirulina
(Arthrospira) platensis thuộc:
- Chi Spirulina (Arthrospira)
- Họ Oscillatoriceae
- Bộ Oscillatoriales
- Lớp Cyanophyceae - Ngành Cyanophyta
Spirulina là một loại VKL màu xanh lam, có dạng hình xoắn lị xo, khơng
phân nhánh, khơng có tế bào dị hình, khơng có bao. Sợi tảo có 5 – 7 vịng xoắn đều nhau (đường kính xoắn khoảng 35-50 µm, bước xoắn khoảng 60µm) phân chia thành những tế bào với vách ngăn và có thể xoay trịn xung quanh trục của nó. Tùy thuộc vào chu kì sinh dưỡng và phát triển mà hình dạng có thể xoắn kiểu chữ C, S…Các dạng này có chiều dài khác nhau, ngay trong một dạng, chiều dài mỗi sợi cũng khác nhau [76].
Spirulina platensis là VKL giầu dinh dưỡng, đặc biệt là giàu protein và vitamin.
Thành phần hóa học của tế bào Spirulina platensis bao gồm (% trọng lượng khô) :
Protein: 60 – 70% ; Lipit: 4,0 – 8,0 % ; Tro: 6,7 – 7,7 % ; Độ ẩm: 3 – 6 % ; Axit nucleic 4,2 % ; Carotenoit: 0,45 – 0,48 % ; Diệp lục: 1,2 – 1,3 % ; Vitamin B1, B2, B6, B12, H, PP, E… ; Các nguyên tố khoáng: K, Na, Mg, Ca, Fe, Zn, Mn, Cu,… [106].
Các nghiên cứu tiền lâm sàng và lâm sàng cho thấy Spirulina có tác dụng điều
bảo vệ bức xạ, giảm tăng lipid máu và béo phì [107]. Trần Văn Tựa (1993) cũng
nhận định với các thành phần dinh dưỡng làm cho Spirulina trở thành thực phẩm
nhiều mục đích và có phép màu kỳ lạ trong việc điều trị nhiều loại bệnh hiểm nghèo, đồng thời góp phần thúc đẩy việc nghiên cứu, sản xuất và ứng dụng sinh
khối tảo Spirulina [76].
Để đảm bảo sinh trưởng của Spirulina platensis, quá trình ni cần đảm bảo
một số yếu tố như nhiệt độ, cường độ chiếu sáng, pH và các bon vô cơ. Pandey và
cs (2010) báo cáo rằng Spirulina platensis nuôi trong điều kiện chiếu sáng 5000 lux
cho khối lượng khô là 0,85g / 500ml, hàm lượng protein và chlorophyll a lần lượt là 64,3% và 9,8 mg/gm, tương ứng [108]. Kumar và cs (2011) cho biết nhiệt độ thích
hợp cho sinh trưởng của Spirulina platensis nằm trong khoảng 25 – 30 oC [109].
pH cũng đóng vai trị quan trọng trong hoạt động trao đổi chất của Spirulina
platensis. Ogbonda và cs (2007) cho thấy sinh khối và protein của Spirulina đạt giá
trị cao nhất là 4,9 mg/ml và 48,2g/100g, tương ứng tại 30 oC và pH 9,0 [110].
Pandey và cs (2010) cũng chỉ ra rằng pH tối ưu cho sự sinh trưởng của Spirulina
platensis là 9,0 [108]; Vincent và Silvester (1979) cho biết Spirulina có khả năng
sinh trưởng ở các giá trị pH giữa 9 - 11[111].
Binh và Bruce, 2015 nhận định rằng các bon vơ cơ hịa tan (DIC) và pH là các yếu tố chìa khóa kiểm sốt tốc độ phát triển của vi tảo quang tự dưỡng [112]. Hai yếu tố này có mối quan hệ mật thiết với nhau. Một số nghiên cứu đã báo cáo rằng, pH là một thành phần quan trọng của dung dịch đệm bicác bonat và có ảnh hưởng trực tiếp đến các dạng các bon vơ cơ có sẵn trong mơi trường nuôi vi tảo [113],[114].
Spirulina platensis là VKL giàu protein (65-70%) tuy nhiên về thành phần
nguyên tố thì các bon lại chiếm khoảng 50% [115]. Chính vì vâỵ, vấn đề sử dụng
nguồn các bon vô cơ trong môi trường nuôi Spirulina platensis là điều khá lý thú. Trong q trình quang hợp, Spirulina chuyển đổi các bon vơ cơ thành các bon hữu
cơ với sự trợ giúp của năng lượng ánh sáng. Nguồn các bon vơ cơ có thể sử dụng là NaHCO3 hay khí CO2 [116],[117].
Zarrouk, 1966 cho biết Spirulina có khả năng quang hợp cực đại ở pH 8 – 10 và ở
pH cao lồi tảo này có thể sử dụng trực tiếp ion HCO3- [75]. Wouters, 1969 cũng cho
rằng Spirulina platensis có khả năng sinh trưởng trong môi trường kiềm giàu bicác
Hình 1. 4. Sự tham gia của CA trong vận chuyển cacbon vô cơ của tế bào Spirulina platensis [76]
Tại Việt Nam, Trần Văn Tựa (1993) đã nghiên cứu dinh dưỡng các bon của
Spirulina platensis. Bằng phương pháp 14C đánh dấu, tác giả cho thấy ion HCO3- là nguồn các bon chủ yếu được vận chuyển vào tế bào làm nguồn các bon cho quang hợp. Kết quả nghiên cứu đường cong ánh sáng quang hợp của tảo được sục khí bằng khơng khí thường và khơng khí có 2% CO2 cho thấy một phần CO2 đã được sử dụng như nguồn các bon cho quang hợp. Điều này chỉ ra tính đa dạng và khả
năng thích nghi của Spirulina platensis trong q trình đồng hóa các bon. Đóng vai
trị quan trọng trong quá trình này là enzim CA để biến đổi HCO3- thành CO2 làm chất nền cho RiDP-carboxylaza. Qúa trình vận chuyển các bon vô cơ của tế bào
Spirulina platensis được tác giả mơ tả trong hình 1.4 [76].
Do nhu cầu về sử dụng các bon vô cơ cao nên trong sản xuất đại trà Spirulina
platensis hầu hết các nhà sản xuất sử dụng môi trường Zarrouk làm nguồn dinh
dưỡng cho quá trình ni tảo. Như đã biết trong nuôi S. platensis, mơi trường
Zarrouk có hàm lượng bicác bonat rất cao (16,8 g NaHCO3/L), chiếm 60% trong tổng chi phí dinh dưỡng. Nồng độ này xét về mặt sản xuất có ảnh hưởng rất lớn đến giá thành sinh khối Vi khuẩn lam đầu ra. Do vậy, việc giảm hàm lượng bicác bonat ban đầu là 16,8 g/l, như của Zarrouk, là một trong những nỗ lực nhằm giảm giá
thành môi trường nuôi và dẫn đến giảm giá thành sinh khối Spirulina platensis. Tuy
nhiên, câu hỏi đặt ra là làm thế nào để vẫn duy trì năng suất cũng như chất lượng
sinh khối Spirulina platensis khi giảm hàm lượng bicác bonat so với ban đầu? Một
tảo nuôi trồng được là giảm hàm lượng bicác bonat trong môi trường nuôi và kết hợp với cơng nghệ sục CO2 một cách có hiệu quả để vẫn thu được sinh khối tảo có năng suất và chất lượng cao, góp phần giảm đáng kể giá thành.
Kim và cs (2004) đã nghiên cứu ảnh hưởng của các nồng độ CO2 khác nhau
đến sinh trưởng và quang hợp của Spirulina platensis NIES 46 đã được kiểm tra về
tăng trưởng tế bào và các thông số quang hợp. Dưới nồng độ 0,01% CO2, tăng trưởng của Vi khuẩn lam dừng lại do hàm lượng các bon vơ cơ hịa tan giảm và năng suất tế bào thấp. Tốc độ tăng trưởng của các tế bào phát triển ở 0,07% CO2 khơng có sự thay đổi khi so sánh với điều kiện CO2 0,03%, tuy nhiên năng suất tế bào tăng từ 1,2 đến 3,6 g/1. Các tế bào trong điều kiện dưới 1% CO2 cho thấy sinh trưởng thấp nhất, mặc dù các bon vô cơ vẫn ở mức 50-60 mg /L và pH 7,5-8,0 [118].
Ngược lại, Ravelonandro và cs (2011) cho thấy khơng có sự khác biệt đáng kể trong các thông số sinh trưởng được quan sát ở nồng độ CO2 1% đến CO2 2% khi
nuôi A. platensis trong môi trường Zarrouk chứa 10 g NaHCO3, nhiệt độ 30◦C,
cường độ chiếu sáng 1200 lux, thể tích ni 2,5 L, tốc độ sục khí CO2 là 4mL/s, nồng độ CO2 khảo sát là 0; 0,5; 1 và 2% (v/v). Nhóm nghiên cứu báo cáo rằng bổ sung CO2 vào môi trường nuôi cho phép điều chỉnh pH trong khoảng 9,5–10; pH càng thấp hơn khi nồng độ CO2 càng cao. Trong khi, ở các thực nghiệm không bổ sung CO2, pH tăng lên 11,5 dẫn đến Vi khuẩn lam ngừng tăng trưởng [119].
Kết quả nghiên cứu của Shabani và cs (2016) lại chỉ ra rằng Spirulina platensis
có khả năng sinh trưởng tốt ở các nồng độ 2%; 5% và cao hơn so với môi trường bổ sung 0,03% CO2. Điều này thể hiện ở các thông số sinh trưởng và hiệu quả hấp thu CO2 ở các nghiệm thức nghiên cứu khơng có sự khác biệt [120]. Một số nghiên cứu cũng báo cáo rằng, nồng độ CO2 tối ưu cho sinh trưởng của vi tảo là 5% [121].
Xianhai Zeng và cs (2012) đã nuôi S. platensis trong mơi trường Zarrouk có
16,8 g/L NaHCO3, nồng độ sinh khối ban đầu là 0,18 g/L, chu kỳ sáng/tối là 14/10,
nhiệt độ nuôi cấy 30 ± 0,5 ◦C. Spirulina được ni trong các bình phản ứng quang
sinh với đường kính trong 3,4 cm và chiều dài 30 cm. Các tác giả đã báo cáo rằng trong điều kiện khơng sục khí CO2 nồng độ sinh khối cực đại đạt được là 3,20 g/L, trong điều kiện sục 20 mM CO2/L/ngày sinh khối cực đại đạt 5,96 g/L và khi kết hợp sục khơng khí liên tục 0,1 L/ phút với 20 mM CO2/L/ngày sinh khối cực đại đạt 6,71 g/L. Như vậy, vi khuẩn lam ni trong điều kiện sục khí CO2 kết hợp với sục
khơng khí mơi trường xung quanh cho sinh trưởng tốt hơn khi chỉ sục khơng khí hoặc chỉ sục CO2 [122].
Costa và cs (2015) đã tiến hành nuôi Spirulina sp. LEB 18 trong môi trường
Zarrouk chứa 16,8 g NaHCO3/L, kết hợp với khí thải đốt than có chứa CO2 với nồng độ 102 g/L trong bình phản ứng quang sinh có thể tích 5L, nhiệt độ 14 và 28°C trong 40 ngày, cường độ chiếu sáng 32,5 µmol/ m2/s, thời gian chiếu sáng12 h, nồng độ sinh khối ban đầu 0,15 g/L. Nghiên cứu của nhóm tác giả cho thấy sinh khối khô cực đại
của S. platensis LEB 18 đạt 0,78 g/L khi ni trong mơi trường bổ sung khí thải, cao
hơn khi so sánh với kết quả nuôi trong điều kiện chỉ sử dụng môi trường Zarrouk và CO2 tự do (0,57 g/L). Mặc dù tốc độ tăng trưởng và sinh khối của Vi khuẩn lam tăng, nhưng nhóm tác giả cũng báo cáo rằng một số hợp chất có trong khí thải như CO, NOx có ảnh hưởng đến hiệu quả hấp thu CO2 cũng như chất lượng sinh khối của
Spirulina LEB 18. Điều này thể hiện ở chỗ sinh khối LEB 18 được ni với khí thải
chỉ chứa 46,8% protein và 4,8% lipit [123]. Trong khi một số nghiên cứu khác báo cáo
rằng 57,61% protein và 8,16% lipit trong sinh khối Spirulina khi trồng ở môi trường
Zarrouk khơng bổ sung khí thải [124]. Kết quả nghiên cứu cho thấy việc cần thiết phải làm sạch CO2 từ khí thải đốt than trước khi đưa vào môi trường nuôi.
Tại Việt Nam, Spirulina đã được nghiên cứu từ những năm 1970 của thế kỷ
trước. Viện Sinh vật học nay là Viện Công nghệ sinh học dưới sự chỉ đạo khoa học của Giáo sư Nguyễn Hữu Thước đã tiến hành nghiên cứu ảnh hưởng của điều kiện
ngoại cảnh lên sinh trưởng và phát triển của tảo Spirulina. Môi trường nuôi và một
quy trình cơng nghệ đơn giản cho ni lồi tảo này đã được đưa ra và áp dụng thành công cho nuôi trồng trên quy mô 5000 m2 tại Thuận Hải nay là tỉnh Bình Thuận trên cơ sở tận dụng nguồn nước khống Vĩnh Hảo có chứa hàm lượng natri bicác bonat cao, cho phép giảm giá thành môi trường nuôi một cách đáng kể [125]. Năng suất nuôi tại Vĩnh Hảo đạt khoảng 8-10g/m2 ngày, giá thành dưới 1.000.000 đồng/1 kg sinh khối khô. Hiện nay, sinh khối vi khuẩn lam này chủ yếu được dùng làm thuốc, thực phẩm chức năng cho người và động vật ni, nước giải khát [126]. Ngồi ra, một số cơ sở sản xuất đều nhập sinh khối tảo khô từ Trung Quốc để sản xuất, phục vụ cho nhu cầu tiêu dùng trong nước ngày càng tăng cao, đặc biệt trong một vài năm trở lại đây.
Cũng như nhiều nước đang phát triển khác, ở Việt Nam việc tìm kiếm các giải
Đặng Đình Kim và cs (1992) đã tiến hành thực nghiệm nuôi Spirulina
platensis trong nước thải từ hầm biogas có chứa CO2 thu từ Trung tâm năng lượng
mới, Đại học Bách Khoa Hà Nội, kết hợp bổ sung một lượng nhỏ chất khống. Thí nghiệm tiến hành trong điều kiện chiếu sáng 3000 lux, chu kỳ sáng tối 12/12, 1L môi trường pha loãng chứa 2 g NaHCO3, 5 g NaCl, 0,05 g K2HPO4. Kết quả nghiên cứu cho thấy năng suất và hàm lượng protein nuôi trong môi trường nước thải không thua kém so với tảo nuôi trên môi trường Zarrouk [127].
Đặng Đình Kim và cs (1994) đã sử dụng nước khoáng thiên nhiên giàu bicác bonat kết hợp sục hỗn hợp khơng khí có chứa 1-3% CO2 để ni S. platensis. Trong thực
nghiệm này, S. platensis sinh trưởng tốt ở cả 2 điều kiện ni tĩnh và ni có sục hỗn hợp
khơng khí bổ sung 1-3% CO2 khi dùng nước khống Đắc Min. Chất lượng vi khuẩn lam (xét về hàm lượng protein) là tốt trong tồn bộ các cơng thức thí nghiệm [128].
Nghiên cứu điều kiện dinh dưỡng các bon của tảo S. platensis của Trần Văn
Tựa (1993) cho thấy khi các bon vô cơ được bổ sung thường xuyên thông qua việc đưa CO2 vào môi trường và duy trì pH thích hợp thì có thể giảm đáng kể (trên ¾) lượng NaHCO3 mà khơng ảnh hưởng tới năng suất của tảo [76].
Nhìn chung, các nghiên cứu tận dụng khí CO2 trong sản xuất sinh khối
Spirulina platensis ở Việt Nam cịn rất ít ỏi, mới chỉ dừng lại ở qui mơ phịng thí