CHƯƠNG I TỔNG QUAN TÀI LIỆU
1.3. NGUỒN CO2 TỪ KHÍ THẢI ĐỐT THAN CHO SINH TRƯỞNG
1.3.1. Vi tảo và nguồn cácbon vô cơ
1.3.1.1. Vi tảo và nguồn cacbon vơ cơ
Vi tảo có khả năng sử dụng ánh sáng mặt trời để quang hợp và cố định các bon cao gấp 5 đến 20 lần so với thực vật trên cạn, khơng địi hỏi diện tích đất trồng trọt lớn [73]. Các bon chiếm gần 50% trọng lượng khô của vi tảo nên trong quá trình sinh trưởng vi tảo đòi hỏi các bon vơ cơ hịa tan để tổng hợp tế bào. Chính vì vậy các bon vơ cơ hịa tan đóng vai trị quan trọng trong quá trình tăng trưởng của vi tảo [74]. Vi tảo nói chung sống trong mơi trường nước trong đó các bon vơ cơ tồn tại ở dạng CO2 hòa tan, ion HCO3- và CO32-. Nồng độ của các dạng hợp chất các bon này cũng như sự cân bằng các dạng này phụ thuộc vào pH môi trường [75].
Đã có rất nhiều nghiên cứu xác định các dạng hợp chất các bon vô cơ được vận chuyển vào tế bào vi tảo làm nguồn các bon cho quang hợp. Theo Trần Văn Tựa, 1993 thì phần lớn các tác giả cho rằng CO32- khơng thể là nguồn các bon trực tiếp cho quang hợp do nồng độ CO32- cao gây độc đối với thực vật và màng tế bào không thấm CO32- [76]. Wouters, 1969 cho biết khi pH > 11, các bon vô cơ chủ yếu ở dạng CO32- khi đó tảo sinh trưởng rất kém và ngừng sinh trưởng [77]. Nghiên cứu của Miller và cs (1980) chỉ bàn đến giữa HCO3- và CO32- dạng nào được vận chuyển tích cực vào tế bào mà khơng bàn đến khả năng sử dụng CO32- của tế bào tảo. Điều này gián tiếp nói lên sự thống nhất của các tác giả về ion CO32- không thể làm nguồn các bon cho quang hợp [78].
Vậy CO2 hay HCO3- trong nước là chất nền cho sự phát triển của vi tảo? Vấn đề này là mối quan tâm lâu dài đối với các nhà sinh lý học thực vật và các nhà khoa học thực vật.
Theo Longmuir và cs (1966), quá trình vận chuyển HCO3- cùng với sự đồng hoá CO2 cung cấp đầy đủ lượng CO2 cho các vị trí chuyển hóa các bon trong quang
hợp thơng qua chu trình Calvin là một cơ chế chung để đảm bảo cung cấp đầy đủ lượng khí CO2 khi tổng lượng các bon vơ cơ bị hạn chế. Các mơ hình vật lý của các quá trình này đã được chứng minh cả ở các pha lỏng và màng nhân tạo lỏng. Đóng vai trị quan trọng trong quá trình vận chuyển này là enzim CA, xúc tác cả hai phản ứng (1.30) và (1.31) [79].
k1
H+ + HCO3- H2CO3 CO2 + H2O (1.30)
k2
HCO3- CO2 + OH-
(1.31) Enzim CA thường có mặt trong chất nguyên sinh của vi tảo. Berry và cs (1976) đã chứng minh rằng trong tế bào vi tảo được ni ở mơi trường sục khơng khí lượng enzim này được tìm thấy với số lượng lớn hơn các tế bào được ni ở mơi trường giàu khí CO2 1-5%, điều này cho thấy vai trò của enzim này trong các trường hợp thiếu các bon vô cơ [80].
Theo Zarouk (1966) đã báo cáo rằng, vào năm 1958 Steemann-Nielsen và
Jeneen đã chỉ ra 3 chủng Chlorella có khả năng quang hợp ở pH 11 khi có KHCO3
trong dung dịch này và nồng độ CO2 chỉ gần 10-5 – 10-6 M/lít [75].
Năm 1976, Beardall và cs đã nghiên cứu con đường các bon trong quang hợp của
Skeletonema costatum, Phaedodactylum tricornutum, Dunaliella tertiolecta…Kết quả
nghiên cứu cho rằng enzim ribulozodiphotphat carboxylaza xúc tác sử dụng CO2 và enzim photphoenolpyruvat carboxylaza xúc tác sử dụng HCO3-[81].
Năm 1978, Lehman sử dụng phương pháp các bon phóng xạ 14C – một phương pháp chính xác cho phép nhận những bằng chứng thuyết phục để chứng minh cả HCO3- và CO2 đều được vận chuyển qua màng tế bào đến chloroplast trong
tảo xanh Chlamydomonas reinhardii [82].
Hai năm sau, nhóm nghiên cứu của Miller và cs (1980) đã nghiên cứu khả năng vận chuyển HCO3- ở Cocochloris peniocystis bằng phương pháp các bon
phóng xạ 14C. Kết qủa nghiên cứu đã xác định được HCO3- là nguồn các bon cho quang hợp của loài tảo này [78]. Cũng trong năm 1980, Sikes và cs sử dụng kỹ thuật tương tự và thấy rằng CO2 là chất nền cho quang hợp của Coccolithus huxley; nhưng HCO3- được sử dụng trực tiếp trong sự hình thành tế bào vi tảo [83].
Amoroso và cs (1998) đã sử dụng phương pháp phân tích cân bằng khối lượng phổ để nghiên cứu sự hấp thụ CO2 và vận chuyển HCO3- trong tế bào và lục lạp của
các loài vi tảo Dunaliella tertiolecta và Chlamydomonas reinhardtii, được nuôi trồng
trong mơi trường sục khơng khí giàu CO2 5% hoặc khơng khí xung quanh. Kết quả
nghiên cứu cho thấy, trong các tế bào của D. tertiolecta, HCO3- là dạng các bon vô cơ
chiếm ưu thế, trong khi đó C. reinhardtii lại sử dụng HCO3- và CO2 [84].
Klinthong và cs (2015) đã báo cáo rằng vi tảo có khả năng sử dụng ba con đường hấp thu các bon vơ cơ khác nhau: (1) đồng hóa trực tiếp CO2 qua màng tế bào; (2) sử dụng bicác bonat bằng enzyme các bonic anhydrase, chuyển đổi HCO3- thành CO2; và (3) vận chuyển trực tiếp bicác bonat qua màng tế bào (Bảng 1.1) [85].
Bảng 1. 1. Con đường đồng hóa cacbon vơ cơ của một số lồi vi tảo [85]
Loài vi tảo CO2 (con đường 1) CA (con đường 2) HCO3- (con đường 3) Chlamydomonas reinhardtii + + + Dunaliella terteolecta + + + Scenedesmus obliquus + + + Chlorella saccharophila + + + Chlorella ellipsoidea + - + Chlorella kesslerii + - + Navicula pelliculosa + - + Phaeodactylum tricornutum + + + Cyclotella sp. + + + Ditylum brightwellii + - + Skeletonema costatum + - + Chaetoceros calcitrans + - +
Thalassiosira punctigera + - n/a
Thalassiosira pseudonanna n/a + +
Porphyridium cruentum + + +
Emiliania huxleyi + + n/a
Dicrateria inornata + + +
Isochrysis galbana + + +
Nannochloropsis gaditana - - +
Nhìn chung, các nghiên cứu trước đây đều thấy rằng các loài vi tảo hấp thu các bon vô cơ bao gồm CO2 và HCO3- như là một phần của cơ chế tập trung các bon (CCM). Đồng thời cơ chế CCM này đã được nghiên cứu như là một chiến lược đối với vấn đề giảm lượng CO2 và tăng O2 trong khí quyển trong thời gian dài [86],[87]. CCM trong vi tảo giúp cho nồng độ CO2 trong nội bào cao, tránh được sự ức chế bởi oxy gây ra sự cạnh tranh với CO2 tại các vị trí hoạt động của Rubisco. Cơ chế này bao gồm sự khuếch tán CO2 vào tế bào tảo, vận chuyển tích cực lượng CO2 và/hoặc HCO3- và chuyển đổi ngoại bào từ HCO3- thành CO2 do các bonic anhydrase xúc tác trước khi đồng hóa [88].
1.3.1.2. Vi tảo và nguồn CO2 từ khí thải đốt than
Trong những năm gần đây, một hướng nghiên cứu nhằm giảm phát thải khí CO2 vào khí quyển là việc biến loại khí này thành nguồn các bon để sản xuất các loại vi tảo giàu dinh dưỡng – đây là một phương pháp rất thân thiện với mơi trường, có giá trị về kinh tế và thương mại (Hình 1.3).
Hình 1. 3. CO2 từ khí thải làm nguồn cacbon cho vi tảo
Trong đó, khí thải CO2 từ các nhà máy nhiệt điện, nhà máy hóa chất, thép, xi măng, lị gạch, ...có thể được thu hồi để sản xuất sinh khối vi tảo có giá trị kinh tế. Một điều thuận lợi cơ bản trong quá trình sản xuất sinh khối vi tảo là các hệ thống bể ni tảo có thể xây dựng đơn giản trên những vùng đất khơng có khả năng canh tác.
Sử dụng phương pháp sinh học trong giảm thiểu CO2 sau khi đốt than đã thu hút sự chú ý vì lợi thế của nó là sản xuất nhiên liệu sinh học/sinh khối. Sự gắn kết sinh học của CO2 bao gồm sự cố định trong thực vật và vi tảo. Các lồi vi tảo có những thuận lợi đặc biệt cho việc giảm thiểu các bon. Vi tảo là vi sinh vật quang hợp nhân sơ hoặc có nhân có thể phát triển nhanh và sống trong những hồn cảnh khắc nghiệt hơn nhiều so với thực vật trên cạn do chúng có cấu trúc đa bào hoặc đơn bào. Ví dụ về các vi sinh
hình là vi tảo, ví dụ tảo xanh (Chlorophyta) và tảo cát (Bacillariophyta) [89]. Trong
quang hợp, vi tảo sử dụng CO2 từ khí quyển như một nguồn các bon để sinh trưởng. Tế bào vi tảo chứa gần 50% các bon, trong đó 1,8 kg CO2 được cố định có thể sản xuất 1 kg sinh khối vi tảo. Hiệu quả cố định CO2 của vi tảo cao hơn khoảng 10 – 50 lần so với các loài thực vật trên cạn [90].
Vi tảo có mặt trong tất cả các hệ sinh thái trên trái đất. Người ta ước tính có hơn 50.000 lồi, nhưng chỉ khoảng 30.000, đã được nghiên cứu và phân tích [89]. Nhiều lồi vi tảo nhân chuẩn và vi khuẩn nhân sơ cyanobacteria đã được xác định là có khả năng cố định các bon vơ cơ hịa tan và CO2 trong môi trường nước. Hầu hết các loài này được phân lập từ các dòng suối, hồ hoặc đại dương tự nhiên có khả năng thích nghi với mơi trường sống thơng qua việc thuần hoá nhân tạo. Chúng đã được sử dụng thành công để cố định CO2 trong khí quyển. Tuy nhiên, khơng giống như khơng khí, có hàm lượng CO2 thấp (khoảng 0,038%), khí thải sau khi đốt than thường có nồng độ CO2 4-14% hoặc nhiều hơn và có thể có các hợp chất độc hại (SOx, NOx và một số chất khác) với tốc độ dòng cao, nhiệt độ cao (80-120 °C hoặc cao hơn). Điều này có nghĩa là các lồi vi tảo cần phải có khả năng chịu được điều kiện khí thải khắc nghiệt để thu giữ CO2 [91].
Một số nghiên cứu đã được tiến hành để xác định khả năng chịu đựng nồng độ CO2 cao có trong khí thải của vi tảo cũng như khả năng chịu đựng các khí độc đồng hành SOx và NOx. Vì vậy, nhiều nghiên cứu đã tiến hành lựa chọn các chủng vi tảo có khả năng phù hợp với mục đích này [92]. Một số lồi vi tảo có thể được thích nghi để chịu đựng các điều kiện khí khắc nghiệt và tiếp tục phát triển. Rất ít lồi vi tảo có thể chịu đựng được nồng độ CO2 lên đến 70%, pH thấp hơn 3,5 và 100 ppm SO2 và NOx. Ảnh hưởng của nguồn dinh dưỡng, cường độ ánh sáng và nhiệt độ nuôi cấy lên sự phát triển của vi tảo phụ thuộc vào từng loài. Các phạm vi hoặc giá trị tối ưu của các thông số này để đạt được tỷ lệ cố định CO2 và sinh khối cao thường khác nhau đối với từng loài vi tảo.
Negoro và cs (1991) đã lựa chọn được lồi vi tảo biển có thể sử dụng tốt CO2 ở nồng độ 15%. Mặc dù cần phải xác định rõ hơn nữa ảnh hưởng của các khí thải đồng hành khác với CO2 như là NOx và SOx lên sinh trưởng của tảo nhưng việc sử
dụng hỗn hợp khí để ni Chlorella sp. HA-1 cũng vẫn cho thấy rõ tiềm năng của
Scenedesmus và Chlorella đã có thể sinh trưởng trên mơi trường có đến 50% CO2
[94]. Hirata và cs (1996) đã nuôi thành công Chlorella vulgaris dưới điều kiện 3%
CO2 trong 8 ngày và tốc độ cố định CO2 là 865mg/l ngày [95].
Cheng và cs (2006) đã sử dụng vi tảo Chlorella vulgaris để nuôi trong các hệ
thống bể phản ứng quang sinh có gắn màng cho thấy tốc độ sinh trưởng của tảo tốt trong vùng CO2 là 1 % [96]. Loài tảo lam Aphanothece microscopic Nagelii (RSMan92) được nuôi trong bể phản ứng quang sinh hình ống với CO2 được bổ sung ở các nồng độ khác nhau từ 3, 15, 25, 50 và 62 %; cường độ ánh sáng thay đổi từ 960, 3000, 6000, 9000 và 11000 lux; nhiệt độ thay đổi từ 21,5, 25, 30, 35 và 38,5oC nhằm tìm ra điều kiện tối ưu, động học quá trình hấp thụ cao nhất có thể có của hàm lượng CO2 đối với loài tảo lam này[97].
De Morais và cs (2007) đã phân lập được 2 loài tảo Scenedesmus obliquus và
Chlorella kesleri từ nguồn nước thải của nhà máy nhiệt điện sử dụng than đá ở
Brazil. Cả hai lồi vi tảo này đều có khả năng sử dụng nguồn CO2 từ 6-12% , trong
đó, chủng Chlorella vulagris có tốc độ sinh trưởng đặc trưng µ max là 0,267/ngày
với năng suất sinh khối đạt cực đại (Pmax) là 0,087 g/l/ngày ở nồng độ 6% CO2. Còn
đối với S. obliquus, sinh khối khô đạt cực đại là 1,14 g/l ở 12% CO2. Cả hai lồi này
đều có thể sinh trưởng tốt dưới điều kiện CO2 có nồng độ 18% khi tảo được nuôi trồng trong các hệ thống bể quang sinh kín có thể tích 2 lít với lượng mơi trường chiếm đến 1,8 lít, nhiệt độ là 300C, ánh sáng 3200 lux, đèn nê ơng 40W, có chu kỳ sáng: tối 12:12, tốc độ dịng khí là 0,540 l/phút có bổ sung CO2 với nồng độ 6, 12 và 18%; mật độ ban đầu của tảo đạt 0,15 g/l tính theo sinh khối khơ [98].
Yoo và cs (2010) cũng đã thông báo sàng lọc được các lồi vi tảo có sinh khối
và hàm lượng lipit cao, trong đó lồi Botrycoccus braunii, Chlorela vulgaris và
Scenedesmus sp. có khả năng sinh trưởng tốt dưới điều kiện CO2 đến 10%. Khi đó
sinh khối tảo và hàm lượng lipit của Scenedesmus sp. đạt 217,50 và 20,65 mg/l ngày (chiếm 9% sinh khối) trong khi đó B. braunii là 26,55 và 5,51 mg/l ngày (chiếm 21% sinh khối). Với loài Scenedesmus sp. và Botrycoccus braunii, sản lượng lipit
tăng cao hơn 1,9 lần (39,44 mg/L ngày) và 3,7 lần (20,55 mg/L ngày), tương ứng, trong đó, axit oleic là thành phần axit béo chính chiếm đến 55% tổng số axit béo. Các kết quả nghiên cứu thu được cho thấy ở nồng độ CO2 5,5% B. braunii và
Sydney và cs (2010) đã công bố khả năng cố định CO2 cao nhất ở loài B.
braunii, tiếp sau là Spirulina platensis, Dunaliella tertiolecta, Chlorella vulgaris
theo trật tự 496,98; 318,61; 272,4 và 251,64 mg/L ngày, tương ứng [100].
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