1
LỜI CẢM ƠN
Trước tiên, tôi xin gửi lời cảm ơn chân thành và sâu sắc tới TS. Đặng Diễm Hồng – Trưởng Phòng Công nghệ Tảo đã tận tình hướng dẫn và truyền đạt những kinh nghiệm quý báu cho tôi trong suốt quá trình thực tập và làm luận văn tốt nghiệp.
Để hoàn thành luận văn này, tôi đã nhận được rất nhiều sự giúp đỡ, hướng dẫn của học viên cao học Đinh Thị Ngọc Mai, ThS. NCS. Ngô Thị Hoài Thu, KS. Đinh Đức Hoàng cùng tập thể cán bộ Phòng Công nghệ Tảo, Viện Công nghệ sinh học – Viện Khoa học và Công nghệ Việt Nam.
Đồng thời, tôi xin bày tỏ lòng biết ơn chân thành đến tập thể thầy cô giáo Khoa Môi trường, Trường Đại học Khoa học tự nhiên – Đại học Quốc gia Hà Nội đã truyền thụ những kiến thức quý báu cho tôi trong suốt quá trình học tập.
Tôi xin gửi lời cảm ơn đến Ban lãnh đạo Viện Công nghệ sinh học – Viện Khoa học và Công nghệ Việt Nam đã tạo điều kiện thuận lợi cho tôi có thể hoàn thành luận văn tốt nghiệp này.
Cuối cùng, tôi xin cảm ơn gia đình, bạn bè, những người đã quan tâm giúp đỡ và động viên, khuyến khích tôi trong suốt thời gian qua để tôi hoàn thành luận văn được tốt hơn.
Hà Nội, tháng 12 năm 2010 Học viên cao học
2
CÁC CHỮ VIẾT TẮT TRONG LUẬN VĂN
ADN Axit deoxyribonucleotit
BOD Biological oxygen demand
COD Chemical oxygen demand
CFU Colony Form Unit
Nitơ tổng số Nts
OD Optical density
PHA Poly-3-hydroxyalkanoates
Photpho tổng số Pts
TLK Trọng lượng khô Spirulina platensis S. platensis
3 MỤC LỤC
MỞ ĐẦU ...1
CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN TÀI LIỆU ...4
1.1 Điều kiện tự nhiên, kinh tế xã hội vùng nghiên cứu ...4
1.1.1 Điều kiện tự nhiên ...4
1.1.2 Đặc điểm kinh tế xã hội ...4
1.1.3 Công nghệ sản xuất bún truyền thống tại làng bún Phú Đô ...5
1.2 Nước thải và phương pháp xử lý nước thải bằng bùn hoạt tính ...6
1.2.1 Phân loại nước thải và các chất gây ô nhiễm trong nước thải ...6
1.2.2 Hệ vi sinh vật trong nước thải ...8
1.2.3 Cơ sở sinh học của quá trình làm sạch nước thải ... 9
1.2.4 Cơ chế phân giải tinh bột nhờ vi sinh vật ... 11
1.2.5 Xử lý nước thải bằng phương pháp bùn hoạt tính... 12
1.3 Nghiên cứu khả năng xử lý nước ô nhiễm bằng vi tảo ...15
1.4 Giới thiệu chung về tảo lam Spirulina ...17
1.4.1 Đặc điểm hình thái và cấu trúc tế bào của tảo lam Spirulina ...17
1.4.2 Đặc điểm sinh lý, sinh hóa và thành phần dinh dưỡng của tảo lam Spirulina ...18
1.4.3 Tình hình nghiên cứu tảo lam Spirulina ...23
1.5 Giới thiệu chung về chất dẻo sinh học và PHAs ...28
1.5.1 Giới thiệu chung về chất dẻo sinh học ...28
1.5.2 Giới thiệu về PHAs ...30
CHƯƠNG 2. VẬT LIỆU VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU ...34
2.1 Vật liệu nghiên cứu ...34
2.2 Phương pháp nghiên cứu ...37 2.2.1 Phương pháp xác định số lượng các nhóm VSV trong nước thải và trong
4
bùn hoạt tính ...37
2.2.2 Phương pháp nuôi tạo bùn hoạt tính ...40
2.2.3 Phương pháp xác định các thông số xử lý nước thải tối ưu ...41
2.2.4. Xác định tốc độ sinh trưởng phát triển của tảo lam Spirulina platensis bằng phương pháp đo mật độ quang học (OD) tại bước sóng 420 nm ...43
2.2.5. Xác định hiệu quả xử lý nước thải sau từng giai đoạn ...43
2.2.6. Phương pháp xác định hàm lượng PHA của tảo Spirulina platensis ...45
CHƯƠNG 3. KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN ...46
3.1 Kết quả đánh giá hiện trạng và đặc trưng của nước thải sản xuất bún tại làng bún Phú Đô ...46
3.2 Kết quả xác định thời gian lắng tối ưu cho VSV phát triển ...48
3.3 Kết quả nuôi tạo bùn hoạt tính từ nước thải sản xuất bún ...50
3.4 Kết quả xác định hàm lượng bùn hoạt tính tối ưu cho quá trình xử lý ...52
3.5 Kết quả xác định nồng độ Nitơ và Photpho tối ưu ...53
3.5.1 Kết quả xác định nồng độ Nitơ tối ưu ...53
3.5.2 Kết quả xác định nồng độ Photpho tối ưu ...54
3.6 Kết quả xác định thời gian sục tối ưu đối với nước thải ...55
3.7 Kết quả về sự thay đổi các thông số đặc trưng của nước thải và VSV phân giải tinh bột trong các giai đoạn xử lý nước thải sản xuất bún Phú Đô ...56
3.8 Sinh trưởng của tảo lam Spirulina platensis CNTĐB thu được trong nước thải làng nghề bún Phú Đô ...61
3.9 Kết quả phân tích hàm lượng PHA ở chủng Spirulina platensis CNT và CNTĐB ...63
3.9.1 Kết quả phân tích hàm lượng PHA tích lũy ở chủng Spirulina platensis CNT dưới điều kiện tạp dưỡng và chiếu tia UV ...63
3.9.2 Xác định hàm lượng PHA trong sinh khối tảo Spirulina thu được sau 20 ngày nuôi cấy trong môi trường nước thải sản xuất bún ...66
3.10 Đánh giá sơ bộ hiệu quả xử lý nước thải sản xuất bún...66
5
Kết luận ...68
Kiến nghị ...69
TÀI LIỆU THAM KHẢO ...71
6
DANH MỤC BẢNG BIỂU VÀ HÌNH DANH MỤC BẢNG
Bảng 1. Quần thể VSV trong bùn hoạt tính ... 14 Bảng 2. Tính chất vật lý của một vài dạng PHA và polypropylene ... 31 Bảng 3. Thành phần môi trường SOT ...36 Bảng 4. Bảng tra MPN dùng cho loạt 3 ống nghiệm ở 3 nồng độ pha loãng liên tiếp ...39 Bảng 5. Đặc trưng của nước thải sản xuất bún tại hệ thống cống chung cuối làng Phú Đô ...47 Bảng 6. Sự biến động về thành phần VSV tổng số trong nước thải được lấy từ hệ thống cống chung cuối làng ...48 Bảng 7. Thành phần và số lượng VSV trong bùn hoạt tính đã nuôi được
(CFU/ml) ...50 Bảng 8. VSV tổng số có mặt trong nước thải được bổ sung bùn hoạt tính nuôi tạo được ở các nồng độ khác nhau ...52 Bảng 9. Số lượng VSV phân giải tinh bột có trong nước thải sau khi được bổ sung phân đạm có nồng độ khác nhau ...54 Bảng 10. Số lượng VSV phân giải tinh bột có trong nước thải sau khi được bổ sung phân lân có nồng độ khác nhau ...55 Bảng 11. Sự thay đổi VSV tổng số phân giải tinh bột theo thời gian sục ở nước thải được bổ sung 5% bùn hoạt tính, phân đạm là 100 mg/l và phân lân là
80 mg/l ...56 Bảng 12. Quy trình xử lý nước thải sản xuất bún tại hệ thống cống chung cuối làng bún Phú Đô bằng bùn hoạt tính và chủng tảo lam Spirulina platensis CNTĐB ...57 Bảng 13. Sự thay đổi các thông số COD, BOD5, Nts, Pts và VSV phân giải tinh bột
trong các giai đoạn xử lý nước thải sản xuất bún Phú Đô ...60 Bảng 14. Hàm lượng PHAs tích lũy ở S. platensis CNT khi môi trường được bổ sung các nguồn cácbon khác nhau ...64
7
Bảng 15. Hiệu quả xử lý nước thải sản xuất bún bằng bùn hoạt tính và chủng tảo
lam Spirulina platensis CNTĐB ...67
DANH MỤC HÌNH Hình 1A. Hình ảnh về Spirulina platensis ...18
Hình 1B. Hình ảnh về Spirulina maxima ...18
Hình 2. Hình ảnh về Spirulina platensis trên thị trường dưới dạng dược phẩm...23
Hình 3. Cấu trúc của PHAs ...31
Hình 4. Hình thái chủng tảo lam Spirulina platensis CNTĐBđược nuôi trong môi trường SOT ...34
Hình 5. Sơ đồ thí nghiệm xử lý nước thải sản xuất bún ở làng nghề bún Phú Đô bằng bùn hoạt tính và tảo lam Spirulina platensis CNTĐB ...44
Hình 6A. Địa điểm thu mẫu nước thải tại cống chung thứ nhất cuối làng ...46
Hình 6B. Nước thải tại cống chung thứ nhất cuối làng ...46
Hình 6C. Địa điểm thu mẫu nước thải tại cống chung thứ hai cuối làng ...46
Hình 6D. Nước thải tại cống chung thứ hai cuối làng ...46
Hình 7A. Hình ảnh khuẩn lạc vi khuẩn có mặt trong nước thải sau 6 giờ ...50
Hình 7B. Hình ảnh khuẩn lạc nấm men có mặt trong nước thải sau 18 giờ. ...50
Hình 7C. Hình ảnh khuẩn lạc nấm mốc có mặt trong nước thải sau 18 giờ ...50
Hình 7D. Hình ảnh khuẩn lạc nấm mốc có mặt trong nước thải sau 24 giờ ...50
Hình 8A. Vi khuẩn phân giải tinh bột có mặt trong bùn hoạt tính ...51
Hình 8B. Nấm men phân giải tinh bột có mặt trong bùn hoạt tính ...51
Hình 8C. Nấm mốc phân giải tinh bột có mặt trong bùn hoạt tính ...52
Hình 8D. Xạ khuẩn phân giải tinh bột có mặt trong bùn hoạt tính ...52
Hình 9A. Thí nghiệm trước khi bổ sung tảo ...58
Hình 9B. Thí nghiệm sau 1 ngày nuôi cấy tảo trong nước thải ...58
Hình 9C. Thí nghiệm sau 6 ngày nuôi cấy tảo trong nước thải ...59
Hình 9D. Thí nghiệm sau 20 ngày nuôi cấy tảo trong nước thải ...59 Hình 10. Sinh trưởng của chủng tảo lam Spirulina platensis CNTĐB qua các ngày nuôi cấy trong nước thải sản xuất bún đã qua giai đoạn xử lý bằng bùn hoạt tính và
8
sục khí ...62 Hình 11A. Hình thái sợi tảo chủng CNTĐB trước khi nuôi trong nước thải ...63 Hình 11B. Hình thái sợi tảo chủng CNTĐB sau khi nuôi trong nước thải
20 ngày ...63
MỞ ĐẦU
Nền kinh tế xã hội nông nghiệp ở nước ta đã hình thành và phát triển từ rất lâu đời cùng với lịch sử lâu dài dựng nước và giữ nước của dân tộc. Trong suốt tiến trình phát triển lâu dài ấy, các làng nghề truyền thống cũng đã hình thành và phát triển trong nông thôn Việt Nam và đóng một vai trò quan trọng trong nền kinh tế. Sự phát triển của các làng nghề không những góp phần giải quyết việc làm cho nhiều lao động, nâng cao thu nhập cho người dân địa phương nói riêng mà còn góp phần vào sự phát triển nền kinh tế của cả nước nói chung. Đặc biệt, trong nền kinh tế thị trường với chính sách phát triển kinh tế nhiều thành phần ở nước ta hiện nay, các làng nghề truyền thống vẫn đang phát triển mạnh mẽ.
Sự phát triển của làng nghề đem lại nhiều lợi ích kinh tế nhưng song song với nó là tiềm ẩn những nguy cơ gây ô nhiễm môi trường. Thực trạng ô nhiễm môi trường trong các làng nghề truyền thống và các cơ sở ngành nghề nông thôn ngày nay đang ngày càng gia tăng. Do ý thức bảo vệ môi trường còn thấp của con người trong quá trình sản xuất, các loại chất thải được thải ra môi trường sống xung quanh mà không được thu gom và xử lý triệt để nên tình trạng ô nhiễm môi trường đã và đang xảy ra rất nghiêm trọng ở các làng nghề truyền thống ở Việt Nam.
Là một trong những làng nghề truyền thống vốn có từ lâu đời của thành phố Hà Nội, làng nghề sản xuất bún Phú Đô cũng đang phải đối mặt với vấn đề ô nhiễm môi trường nghiêm trọng. Từ trước tới nay, nước thải của làng nghề này vẫn được xả trực tiếp xuống một con mương chung của làng mà không qua bất kỳ một hệ
9
thống xử lý nước thải nào. Vì vậy, nước thải của làng nghề bún Phú Đô luôn trong tình trạng bị ô nhiễm hữu cơ nặng nề với nồng độ nitơ, photpho và hàm lượng BOD5, COD trong nước thải rất lớn. Do đặc thù của nước thải sản xuất bún là ô
nhiễm chất hữu cơ dễ phân hủy sinh học nên việc áp dụng các biện pháp sinh học nói chung hay xử lý bằng bùn hoạt tính nói riêng để xử lý nước thải là hoàn toàn phù hợp. Việc kết hợp sử dụng các loài tảo cùng các vi sinh vật (VSV) để xử lý nước thải ô nhiễm hữu cơ được coi là một giải pháp khá hợp lý do trong nước thải, hàm lượng nitơ và photpho là nguồn dinh dưỡng rất tốt cho sự sinh trưởng và phát triển của tảo. Ngoài ra, việc thu hồi sinh khối tảo trong nước thải sau xử lý có thể thực hiện một cách dễ dàng và thuận tiện bằng cách vớt hay lọc bằng lưới, góp phần làm giảm giá thành xử lý.
Chất dẻo sinh học (bioplastic) là một loại vật liệu mới đang ngày càng thu hút sự quan tâm nghiên cứu của nhiều nhà khoa học trên thế giới. Không giống như các chất dẻo thông thường khác, chất dẻo sinh học là loại vật liệu “xanh” thân thiện môi trường với thời gian phân hủy ngắn do chúng có nguồn gốc chủ yếu từ thực vật và các loại VSV. Sự ra đời của chất dẻo sinh học có thể được coi là cuộc cách mạng quan trọng trong công nghệ chất dẻo và được xem như một giải pháp nhằm giảm dần sự lệ thuộc vào dầu mỏ đang có nguy cơ cạn kiệt, đồng thời góp phần bảo vệ môi trường. Là một trong những chất dẻo sinh học, poly-3-hydroxyalkanoates – PHA được tìm thấy trong cơ thể các VSV và vi tảo, trong đó có vi tảo lam Spirulina.
Việc kết hợp sử dụng các VSV và vi tảo lam Spirulina trong xử lý nước thải giàu hữu cơ tại làng nghề bún Phú Đô và thu nhận chất dẻo sinh học từ sinh khối tảo mang ý nghĩa về mặt khoa học và thực tiễn cao. Do vậy, chúng tôi đã tiến hành thực hiện đề tài: “Nghiên cứu ứng dụng vi sinh vật và vi tảo lam Spirulina trong xử lý nước thải làng nghề bún Phú Đô” với các nội dung sau:
- Đánh giá hiện trạng và xác định đặc trưng của nước thải sản xuất bún tại làng nghề bún Phú Đô;
10
- Nghiên cứu xác định các thông số tối ưu cho quá trình xử lý nước thải sản xuất bún, gồm các thông số sau: thời gian lắng tối ưu, nồng độ bùn hoạt tính tối ưu, nồng độ nitơ, nồng độ photpho và thời gian sục khí tối ưu cho quá trình xử lý;
- Dựa vào kết quả nghiên cứu xác định các thông số tối ưu cho quá trình xử lý nước thải, đưa ra được quy trình xử lý nước thải sản xuất bún Phú Đô bằng VSV và vi tảo lam Spirulina platensis;
- Đánh giá khả năng sinh trưởng và phát triển của chủng tảo lam Spirulina platensis qua các ngày nuôi cấy trong nước thải;
- Xác định hàm lượng PHA trong sinh khối tảo Spirulina thu được sau xử lý; - Sơ bộ đánh giá hiệu quả xử lý nước thải làng bún Phú Đô bằng bùn hoạt tính
11
CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN TÀI LIỆU 1.1 Điều kiện tự nhiên, kinh tế xã hội vùng nghiên cứu 1.1.1 Điều kiện tự nhiên
Làng bún Phú Đô thuộc xã Mễ Trì, huyện Từ Liêm, ở cách trung tâm thành phố Hà Nội khoảng 10 km về phía Tây Nam. Vị trí ranh giới cụ thể của làng bún Phú Đô như sau:
- Phía Bắc giáp xã Mỹ Đình;
- Phía Nam giáp đường cao tốc Láng -Hoà lạc;
- Phía Đông giáp thôn Mễ Trì Thượng (thuộc xã Mễ Trì); - Phía Tây giáp với sông Nhuệ.
Tổng diện tích tự nhiên của làng nghề là 258,6 ha, trong đó đất nông nghiệp là 164,6 ha [79].
Bao quanh phía Bắc của làng nghề sản xuất bún Phú Đô có một con mương tiêu nước chảy qua và chảy vào sông Nhuệ. Tình trạng ô nhiễm môi trường xảy ra nghiêm trọng khi vào mùa mưa, lưu lượng nước lớn gây ra tình trạng ngập úng do nước thải sản xuất bún hòa trộn cùng toàn bộ nước thải sinh hoạt và chăn nuôi từ các chuồng trại của các hộ gia đình đều đổ ra kênh dẫn. Nước thải sản xuất bún cùng nước thải sinh hoạt và nước thải chăn nuôi đều chưa qua xử lý mà xả thải trực tiếp vào hệ thống cống chung cuối làng. Sau đó, nước được thải trực tiếp xuống con mương chảy ra sông Nhuệ, gây ô nhiễm môi trường nghiêm trọng, ảnh hưởng đến đời sống của người dân trong vùng.
12 1.1.2 Đặc điểm kinh tế xã hội
Theo số liệu thống kê năm 1999, cả làng nghề bún Phú Đô có 1.113 hộ với 5.111 nhân khẩu. Trong số đó có 700 hộ gia đình với 1.600 lao động hành nghề làm bún. Hàng năm, làng nghề Phú Đô sản xuất được khoảng 5.000 tấn bún, cung cấp bún cho khoảng 50% thị trường bún ở Hà Nội [87]. Sau hơn 5 năm, tính đến năm 2004, làng Phú Đô có khoảng 5.600 người, với 1.068 hộ gia đình. Trung bình mỗi hộ có khoảng 4,5 người. Mật độ dân số khoảng 202 người/ha. Trong làng, số hộ làm bún chiếm khoảng 50%, còn lại 10% số hộ sản xuất phục vụ làng nghề như: sản xuất công cụ làm bún (cơ khí); xay xát gạo; cung cấp than củi; 20% số hộ làm dịch vụ thương mại cho nhân dân trong thôn và các khách nơi khác đến; 20% số hộ còn lại làm các nghề khác [12]. Tuy nhiên, những năm gần đây, ở Phú Đô, số gia đình làm bún đã giảm nhiều do phần lớn chuyển sang buôn bán, kinh doanh. Từ gần ngàn hộ gia đình, nay chỉ còn khoảng vài trăm hộ vẫn còn theo nghề làm bún. Trình độ văn hóa của người dân trong làng không cao. Trong số lao động chuyên nghiệp làm bún ở Phú Đô hiện nay, chỉ có khoảng 30% tốt nghiệp phổ thông trung học, còn lại chỉ đạt trình độ văn hoá phổ thông cơ sở [87]. Trong thời đại công nghiệp hóa với sự phát triển mạnh mẽ của nhiều phương tiện sản xuất hiện đại, nghề làm bún ngày nay đã được cơ giới hoá với các máy xay bột, đánh bột, góp phần nâng cao sản lượng sản xuất bún trong làng.
1.1.3 Công nghệ sản xuất bún truyền thống tại làng bún Phú Đô
Nguyên liệu sản xuất bún là gạo. Công đoạn đầu tiên trong quy trình sản xuất bún là gạo được sát trắng. Sau đó, gạo được vo kỹ và được ngâm trong nước. Sau khi ngâm trong nước khoảng 10 giờ, gạo được xóc sạch và đưa vào cối xay nhuyễn tạo thành bột gạo dẻo, trắng mịn.
Công đoạn tiếp theo là ủ bột và chắt bỏ nước chua và tiến hành nhào bột. Bột sau khi được nhào và đưa qua màn lọc sạn sẽ được đưa vào khuôn để vắt bột.
Khuôn bún được làm bằng chất liệu dạng ống dài, phía đầu khuôn có một miếng kim loại đục các lỗ tròn. Để tiến hành vắt bột phải chuẩn bị một nồi nước khá
13
lớn, rộng miệng đặt trên bếp than hồng để đun sôi. Bột bún được cho vào chiếc khăn vải thô rộng, ở giữa khăn có khoét một khoảng hình tròn để khâu vào miệng khuôn bún có nhiều lỗ nhỏ. Bột bún sau đó được vắt mạnh cho chảy thành dòng qua khuôn xuống nồi nước đang sôi tạo thành sợi bún. Sau khi luộc khoảng vài ba phút, sợi bún trong nồi sẽ được vớt ra và đem tráng qua nước lạnh cho khỏi bết dính và trở nên săn chắc. Công đoạn cuối cùng là vớt bún trong nồi nước tráng. Sau khi vớt ra khỏi nồi nước tráng, bún thành phẩm được đặt trên các thúng bằng tre có lót sẵn lá chuối xanh rồi mới được đem ra chợ bán [79].
Như vậy, quy trình sản xuất bún tiêu thụ một lượng nước khá lớn. Hầu hết các công đoạn như vo gạo, ngâm gạo, vắt bột, luộc bột…đều thải ra một lượng nước thải giàu tinh bột đáng kể. Chính vì vậy, đặc thù của nước thải sản xuất bún là giàu chất hữu cơ dễ phân hủy sinh học.
1.2 Nước thải và phương pháp xử lý nước thải bằng bùn hoạt tính 1.2.1 Phân loại nước thải và các chất gây ô nhiễm trong nước thải
Nước thải là nước đã qua sử dụng vào các mục đích như sinh hoạt, dịch vụ, tưới tiêu, thủy lợi, chế biến công nghiệp, chăn nuôi... Dựa vào nguồn gốc phát sinh, nước thải có thể phân thành các loại chính sau đây:
+/ Nước thải sinh hoạt: là nước thải từ các khu vực dân cư bao gồm nước sau khi sử dụng từ các hộ gia đình, bệnh viện, khách sạn, trường học, cơ quan, khu vui chơi giải trí. Đặc trưng của nước thải sinh hoạt thường chứa các chất hữu cơ dễ phân hủy sinh học (cacbonhydrat, protein, lipit), các chất vô cơ dinh dưỡng (nitơ, photpho). Các VSV trong nước thải sinh hoạt phần lớn ở dạng các vi khuẩn gây bệnh như vi khuẩn tả, lỵ, thương hàn và một số loài kí sinh trùng như trứng giun, sán…Ngoài ra, trong nước thải còn chứa các chất như H2S, NH3 gây mùi khó chịu.
+/ Nước thải công nghiệp: Nước thải từ các cơ sở sản xuất công nghiệp, tiểu thủ công nghiệp, giao thông vận tải gọi chung là nước thải công nghiệp. Nước thải công nghiệp không có đặc điểm chung mà phụ thuộc vào đặc điểm của từng ngành sản xuất. Nước thải của xí nghiệp làm acquy có nồng độ axit và chì cao, nước thải của nhà máy thuộc da chứa nhiều kim loại nặng và sunfua, nước thải từ các cơ sở
14
sản xuất chế biến nông sản, thực phẩm (đường, sữa, bột, tôm, cá, bia rượu) chứa các chất hữu cơ dễ phân hủy sinh học. Nói chung, nước thải của các ngành công nghiệp hoặc các xí nghiệp khác nhau có thành phần hóa học và hóa sinh rất khác nhau [15]. +/ Nước thải nông nghiệp: Nước thải nông nghiệp là nước thải ra trong quá trình canh tác nông nghiệp, thường chứa hàm lượng phân hóa học cao và các hóa chất bảo vệ thực vật. Nước thải nông nghiệp bị ô nhiễm làm cho đất bị thoái hóa, các tài nguyên sinh vật bị suy giảm, gây hậu quả nghiêm trọng đến môi trường. Các chất độc còn tồn dư trong nước thải nông nghiệp gây tác động xấu đến sức khỏe con người [6].
Các chất gây ô nhiễm môi trường nước có nhiều loại, chúng thường được xếp thành 9 loại như sau:
+/ Các chất hữu cơ bền vững, khó bị phân hủy;
+/ Các chất hữu cơ dễ bị phân hủy; chủ yếu do tác nhân sinh học (VSV); +/ Các kim loại nặng;
+/ Các ion vô cơ;
+/ Dầu mỡ và các chất hoạt động bề mặt; +/ Các chất có mùi hoặc màu;
+ Các chất rắn;
+/ Các chất phóng xạ; +/ Các VSV.
Dựa vào đặc điểm dễ hay khó bị phân hủy bởi VSV có trong nước thải mà các chất hữu cơ gây ô nhiễm trong nước thải có thể được chia thành hai loại:
+/ Các chất hữu cơ dễ bị phân hủy sinh học: Nhóm các chất hữu cơ dễ bị phân hủy gồm các chất protein, cacbonhydrat, các chất béo có nguồn gốc động và thực vật. Các chất gây ô nhiễm này thường có trong nước thải sinh hoạt, nước thải từ các xí nghiệp chế biến nông sản, thực phẩm, thủy sản…Trong thành phần các chất hữu cơ từ nước thải ở các khu dân cư có khoảng 40 – 60% protein, 25 – 50% cacbonhydrat, 10% chất béo. Các hợp chất này chủ yếu làm suy giảm oxy hòa tan trong nước dẫn đến suy thoái tài nguyên thủy sản và làm giảm chất lượng nước cấp sinh hoạt. Trong
15
thực tế, người ta thường áp dụng các biện pháp sinh học để xử lý nước thải bị ô nhiễm bởi các chất hữu cơ dễ bị phân hủy sinh học.
+/ Các chất hữu cơ khó bị phân hủy sinh học: Nhóm các chất hữu cơ khó bị phân hủy sinh học gồm các chất thuộc dạng chất hữu cơ có vòng thơm (cacbuahydro của dầu khí), các chất đa vòng ngưng tụ, các hợp chất clo hữu cơ, photpho hữu cơ. Trong đó, có nhiều chất là các chất hữu cơ tổng hợp và có độc tính cao đối với con người và động thực vật. Hàng năm, trên thế giới có khoảng 60.106 tấn các chất hữu
cơ tổng hợp khó phân hủy sinh học được sản xuất trên thế giới như các chất màu, chất hóa dẻo, thuốc trừ sâu...[2]. Trong tự nhiên, các chất hữu cơ khó bị phân hủy sinh học khá bền vững, có khả năng tích lũy và lưu giữ lâu dài trong môi trường và cơ thể sinh vật, làm ảnh hưởng xấu đến hệ sinh thái và sức khỏe con người. Các chất này thường có trong nước thải công nghiệp và nguồn nước ở các vùng nông, lâm nghiệp sử dụng nhiều thuốc trừ sâu, thuốc kích thích sinh trưởng cây trồng, các chất làm rụng lá, thuốc diệt cỏ...[16].
1.2.2 Hệ vi sinh vật trong nước thải
VSV là những sinh vật có kích thước vô cùng nhỏ bé. Tế bào của chúng không thể nhìn thấy được bằng mắt thường mà phải sử dụng kính hiển vi với độ phóng đại từ 400 đến 1000 lần.
Số lượng và chủng loại VSV trong nước phụ thuộc vào nhiều yếu tố như: các chất hữu cơ hòa tan trong nước, pH môi trường, các chất độc, tia tử ngoại... Mỗi loại nước thải có hệ VSV đặc trưng. Nước thải sinh hoạt và nước thải của các xí nghiệp chế biến nông sản, thực phẩm rất giàu các chất hữu cơ, vì vậy số lượng VSV trong các loại nước này là rất lớn và chủ yếu là vi khuẩn. Những thủy vực tiếp nhận nguồn nước thải công nghiệp chứa nhiều axit như nước thải ngành công nghiệp mạ thường làm tiêu diệt các nhóm VSV ưa trung tính có trong thủy vực.
Các VSV trong nước thải rất phong phú, bao gồm các loại vi khuẩn, vi rút, xạ khuẩn, nấm men, nấm mốc. Trong số đó, vi khuẩn chiếm tỉ lệ cao nhất. Nước thải ở các nhà máy thải ra nhiều xenluloza và nhà máy chế biến thực phẩm thường có nhiều vi khuẩn Sphaerptilus natans. Loại vi khuẩn này trước đây thường hay bị nhầm
16
với vi nấm trong nước thải do nó phủ lên bề mặt tế bào một lớp nước cực bẩn, thường tạo thành các sợi, khi vỡ ra sẽ trôi nổi đầy trên mặt nước. Nhóm vi khuẩn này phát triển mạnh ở nước nhiều oxygen. Ngoài ra, trong nước thải còn có các vi khuẩn phân giải đường như: Clostridium, Micrococcus urea, Cytophaga sp.; các vi khuẩn gây thối: Pseudomonas fluorecens, Proteus vulgaris, Bacillus cereus; các vi khuẩn oxy hóa lưu huỳnh: Thiobacillus, Thiothrix, Beggiatoa; vi khuẩn phản nitrat hóa: Thiobacillus denitrificans, Micrococcus denitrificans. Trong nước thải chứa dầu người ta tìm thấy vi khuẩn phân giải cacbonhydrat: Pseudomonas, Nocardia... [18].
Ngoài vi khuẩn, trong nước thải còn có nhiều loại nấm, nhất là nấm men như: Saccharomyces, Candia, Cryptococcus, Rhodotorula, Leptomitus lacteus, Fusarium aquaeducteum....[18]. Trong đó, nấm Leptomitus lacteus có khả năng phát triển thành khối nhầy cùng vi khuẩn Sphaerptilus natans trong 90 – 120 phút và có thể bịt kín hoàn toàn các song chắn rác làm cản trở dòng chảy, gây phiền hà trong việc thải nước. Leptomitus lacteus có thể sống quanh năm ở sông hồ và phát triển mạnh vào mùa đông [15].
1.2.3 Cơ sở sinh học của quá trình làm sạch nước thải
Các quá trình vật lý, hóa học như sự sa lắng và sự oxy hóa giữ vai trò quan trọng trong quá trình làm sạch nước thải. Tuy nhiên, đóng vai trò quyết định trong làm sạch nước thải vẫn là các quá trình sinh học. Tại chỗ nước thải đổ ra, thường tụ tập các loại chim, cá. Chúng sử dụng các phế thải từ đồ ăn và rác làm thức ăn. Tiếp sau đó là các động vật bậc thấp như ấu trùng của côn trùng, giun và nguyên sinh động vật. Chúng sử dụng các hạt thức ăn cực nhỏ làm nguồn dinh dưỡng. Song cần phải nhấn mạnh vai trò quyết định của các VSV trong quá trình làm sạch nước thải. Cơ chế của quá trình làm sạch nước thải do các VSV bao gồm ba giai đoạn sau:
+/ Các hợp chất hữu cơ tiếp xúc với bề mặt tế bào VSV;
+/ Quá trình khuyếch tán và hấp thụ các chất ô nhiễm nước qua màng bán thấm vào trong tế bào VSV;
+/ Chuyển hóa các chất ô nhiễm trong nội bào để sinh ra năng lượng và tổng hợp vật liệu mới cho tế bào VSV.
17
Cả ba giai đoạn này có mối liên quan rất chặt chẽ với nhau làm nồng độ các chất gây ô nhiễm trong nước giảm dần.
Theo phương thức dinh dưỡng, các VSV được chia làm hai nhóm chính: - Nhóm VSV tự dưỡng: Nhóm VSV này có khả năng oxi hóa chất vô cơ để thu năng lượng và sử dụng CO2 làm nguồn cacbon cho quá trình sinh tổng hợp. Trong
nhóm này có các vi khuẩn nitrat hóa, vi khuẩn sắt, vi khuẩn lưu huỳnh...
- Nhóm VSV dị dưỡng: Nhóm VSV này sử dụng các chất hữu cơ làm nguồn cacbon dinh dưỡng và nguồn năng lượng để sinh trưởng, xây dựng tế bào và phát triển. Các VSV dị dưỡng có thể chia thành ba nhóm nhỏ dựa theo hoạt động sống của chúng đối với nhu cầu oxy:
+/ Nhóm VSV hiếu khí: là nhóm VSV cần oxy để sống, giống như quá trình hô hấp ở động vật bậc cao. Sự phân hủy các chất hữu cơ ở điều kiện hiếu khí thể hiện ở phản ứng sau:
VSV hiếu khí
Chất hữu cơ + O2 CO2 + H2O + sinh khối VSV + năng lượng
+ NH4+ + H2S + NO3- + SO42-
Sản phẩm của quá trình phân hủy hiếu khí bao gồm khoảng 40% là sinh khối VSV và gần 60% là CO2 + H2O.
+/ Nhóm VSV kỵ khí: là nhóm VSV có thể sống và hoạt động ở điều kiện kị khí (không cần có oxy của không khí). Các VSV này có khả năng sử dụng oxy trong những hợp chất nitrat, sunfat để oxy hóa các chất hữu cơ. Sự phân hủy các chất hữu cơ ở điều kiện kị khí được thể hiện ở các phản ứng sau:
VSV kị khí
Chất hữu cơ + NO3- + SO42- CO2 + H2O + CH4 + N2 + H2S + NH4+
+ axit hữu cơ + CH4 + sinh khối VSV + năng lượng
+/ VSV tùy nghi hay còn gọi là VSV kỵ khí tùy tiện: Nhóm VSV này có thể sinh trưởng trong điều kiện có hoặc không có oxy. Chúng luôn có mặt trong nước thải. Năng lượng được giải phóng ngoài một phần thoát ra ở dạng nhiệt, phần còn lại được sử dụng cho việc sinh tổng hợp hình thành tế bào mới [15].
18
Trong số các nhóm VSV làm sạch nước thải, vi khuẩn có số lượng nhiều nhất và cũng đóng vai trò quan trọng nhất. Ngoài ra, cũng có các nhóm VSV khác như nấm men, nấm mốc, xạ khuẩn nhưng số lượng ít hơn vi khuẩn. Những nhóm này là các VSV dị dưỡng hiếu khí. Nhiều loại nấm, kể cả nấm độc có khả năng phân hủy xenlulozơ, hemixenlulozơ và đặc biệt là lignin. Tuy nhiên, vai trò của nấm, kể cả nấm mốc, nấm men, cũng như xạ khuẩn trong quá trình xử lý nước thải không quan trọng bằng vi khuẩn [16].
1.2.4 Cơ chế phân giải tinh bột nhờ vi sinh vật
Nước thải của các cơ sở sản xuất lương thực, đặc biệt là nước thải từ các làng nghề sản xuất bún, bánh phở, miến....có hàm lượng tinh bột rất cao. Tinh bột bao gồm các mạch amilo và amilopectin. Amilo là những chuỗi không phân nhánh bao gồm hàng trăm đơn vị glucoza liên kết với nhau bằng dãy nối 1,4 glucozit. Amilopectin là các chuỗi phân nhánh, các đơn vị glucoza liên kết với nhau bằng liên kết 1,4 và 1,6 glucozit. Cơ chế quá trình phân giải tinh bột nhờ VSV được mô tả như sau:
VSV phân giải tinh bột có khả năng tiết ra môi trường hệ enzym amilaza bao gồm 4 enzym:
+/ α – amilaza có khả năng tác động vào bất kỳ mối liên kết 1,4 glucozit nào trong phân tử tinh bột. Bởi vậy, α – amilaza còn được gọi là endoamilaza. Dưới tác động của α – amilaza, phân tử tinh bột được cắt thành nhiều đoạn ngắn gọi là sự dịch hóa tinh bột. Sản phẩm của sự dịch hóa thường là các đường 3 cacbon gọi là mantotrioza.
+/ β - amilaza chỉ có khả năng cắt đứt mối liên kết 1,4 glucozit ở cuối phân tử tinh bột, bởi thế còn gọi là exoamilaza. Sản phẩm của β - amilaza thường là đường disaccarit mantoza.
+/ Amilo 1,6 glucosidaza có khả năng cắt đứt mối liên kết 1,6 glucozit tại những chỗ phân nhánh của amilopectin.
+/ Glucoamilaza phân giải tinh bột thành glucoza và các oligosaccarit. Enzym này có khả năng phân cắt cả hai loại liên kết 1,4 và 1,6 glucozit.
19
Dưới tác động của 4 loại enzym trên, phân tử tinh bột được phân giải thành đường glucoza.
VSV có hệ amilaza rất phong phú và đa dạng. Rất nhiều nhóm VSV ở trong đất và nước thải như: vi khuẩn, nấm mốc, nấm men, xạ khuẩn có khả năng sinh amilaza.
Những vi khuẩn hiếu khí có khả năng sinh amilaza cao phần lớn thuộc loài Bacillus subtilis, B. lichenifomic, B. Circulan chịu nhiệt cao và nhóm vi khuẩn Cytophaga. Nhóm vi khuẩn kị khí sinh amilaza thường gặp là Clochidium thermosulfurrogens và Thermoanaerobacter, Pyrococceus thuộc vi khuẩn cổ.
Các loài nấm mốc sinh amilaza thường gặp là Aspergillus niger, A. awamori, Rizopus niveus, Chalara paradoxa, còn nấm men thường gặp loài Cryptococcus spp., Endomycopsis fibulegera, Lipomyces spp.. Xạ khuẩn cũng có một số chi có khả năng phân hủy tinh bột.
Trong các loại VSV kể trên thì các vi khuẩn nhóm Bacillus có khả năng sinh amilaza mạnh nhất. Một số VSV có khả năng tiết ra môi trường đầy đủ các loại enzym trong hệ enzym amilaza nhưng một số loài khác chỉ có thể tiết ra một hoặc vài enzyme trong hệ đó, các nhóm này cộng tác với nhau trong quá trình phân hủy tinh bột thành đường [24].
1.2.5 Xử lý nước thải bằng phương pháp bùn hoạt tính
Có nhiều phương pháp khác nhau để xử lý nước thải nhưng có thể chia thành các phương pháp chính sau: cơ học, hoá lý, hoá học và sinh học. Trong đó, phương pháp sinh học được sử dụng chủ yếu để xử lý nước thải chứa hàm lượng chất hữu cơ cao. So với biện pháp vật lý và hóa học, phương pháp sinh học có ưu điểm hơn cả là giá thành thiết bị không đắt tiền, nguyên liệu xử lý dễ kiếm lại không gây tái ô nhiễm môi trường. Phương pháp xử lý nước thải bằng bùn hoạt tính là một trong những phương pháp sinh học điển hình được áp dụng để xử lý nước thải giàu hữu cơ.
Trong nước thải luôn tồn tại các chất rắn lơ lửng khó lắng. Trong quá trình sinh trưởng và phát triển trong nước thải, các tế bào VSV sẽ dính vào các hạt lơ
20
lửng này và phát triển thành các hạt bông cặn có hoạt tính phân hủy các chất hữu cơ gây nhiễm bẩn nước và được lớn dần lên do hấp phụ nhiều hạt chất rắn lơ lửng nhỏ khác. Khi ngừng thổi khí hoặc các chất hữu cơ làm cơ chất dinh dưỡng cho VSV trong nước thải cạn kiệt, những hạt bông này sẽ lắng xuống đáy bể hoặc hồ tạo thành bùn. Bùn này được gọi là bùn hoạt tính. Nhờ bùn hoạt tính mà lượng chất ô nhiễm trong nước giảm, các chất huyền phù lắng xuống cùng với bùn và nước được làm sạch.
Bùn hoạt tính là tập hợp các VSV khác nhau có mặt trong nước thải, chủ yếu là vi khuẩn, kết lại thành dạng hạt bông với trung tâm là các hạt chất rắn lơ lửng ở trong nước. Các bông cặn này có khả năng hấp thu và phân hủy chất hữu cơ. Màu sắc của các bông cặn thường là màu vàng nâu. Các bông cặn dễ lắng có kích thước từ 3- 150 μm, gồm các VSV sống và cặn rắn (chiếm khoảng 30 – 40% thành phần cấu tạo bông). Các bông cặn này có khả năng hấp thu và phân hủy chất hữu cơ. Bùn hoạt tính lắng xuống là “bùn già”, hoạt tính giảm. Nếu được hoạt hóa (trong môi trường thích hợp có sục khí) sẽ sinh trưởng trở lại và hoạt tính được phục hồi.
Quần thể VSV trong bùn hoạt tính rất phong phú với các loại vi khuẩn, nấm men, nấm mốc, xạ khuẩn, động vật nguyên sinh. Số lượng vi khuẩn trong bùn hoạt tính dao động trong khoảng 108 – 1012 trong 1 mg chất khô. Phần lớn chúng là Pseudomonas, Achomobacter, Alcaligenes, Bacillus, Micrococcus, Flavobacterium…Trong khối nhầy có các loài Zooglea, đặc biệt là Zooglea ramigola, rất giống Pseudomonas, chúng có khả năng sinh ra một bao nhầy xung quanh tế bào. Bao nhầy này là một polyme sinh học, thành phần là polysaccarit, có tác dụng kết các tế bào vi khuẩn lại thành các hạt bông [16]. Ngoài ra, trong bùn hoạt tính còn có mặt các vi khuẩn phân hủy các polyme, vi khuẩn phản nitrat hóa, vi khuẩn khử sunfat. Một số giống vi khuẩn điển hình có mặt trong bùn hoạt tính được thể hiện trên bảng 1.
21
Bảng 1. Quần thể VSV trong bùn hoạt tính
TT Vi khuẩn Chức năng
1 Pseudomonas Phân huỷ cacbonhydrat, protein, các hợp chất hữu cơ và phản nitrat hóa
2 Arthrobacter Phân huỷ cacbonhydrat
3 Bacillus Phân huỷ cacbonhydrat, protein 4 Cytophaga Phân huỷ các polyme
5 Zooglea Tạo thành chất nhầy, hình thành các chất keo tụ 6 Acinetobacter Tích luỹ polyphotphat, phản nitrat
7 Nitrobacter Nitrat hoá
8 Sphaerotilus Sinh nhiều tiên mao, phân hủy các chất hữu cơ 9 Acaligenes Phân hủy protein, phản nitrat hóa
10 Flavobacterium Phân hủy protein 11 Acinetobacter Phản nitrat hóa 12 Hyphomicrobium Phản nitrat hóa
13 Desulfovibrio Khử sunfat, khử nitrat
Các động vật nguyên sinh cũng có mặt trong bùn hoạt tính và tham gia vào quá trình làm sạch nước thải. Chúng ăn các vi khuẩn già hoặc đã chết, tăng cường loại bỏ vi khuẩn gây bệnh, làm đậm đặc màng nhầy nhưng lại làm xốp khối bùn, kích thích VSV tiết enzyme ngoại bào để phân hủy chất hữu cơ nhiễm bẩn và làm kết lắng bùn nhanh.
Để xử lý nước thải bằng bùn hoạt tính có hiệu quả, cần sử dụng nhiều biện pháp khác nhau để tạo bùn hoạt tính nhằm tăng số lượng cũng như hoạt lực của các
22
VSV có trong đó như: lấy bùn hoạt tính ở nơi xử lý khác có tính chất giống như nước thải nghiên cứu, hồi lưu bùn đã dùng ở những bể xử lý nước thải trước trở lại các bể sục khí. Ngoài ra, cần chú ý đến các yếu tố ảnh hưởng đến sinh trưởng và phát triển của VSV có trong bùn hoạt tính như:
- Nhiệt độ của nước thải: Nếu nhiệt độ cao thì phải có thiết bị hạ nhiệt độ xuống khoảng 25 – 300C;
- pH của nước thải: cần phải điều chỉnh pH của nước thải đạt khoảng 6,5 – 7,5; - Các nguyên tố có tính độc có thể tiêu diệt hoặc kìm hãm sinh trưởng của VSV. Nước thải có chứa các độc tố đặc biệt này cần phải có biện pháp xử lý riêng trước khi được xử lý bằng bùn hoạt tính;
- Tỷ số BOD5: N: P: Đây là các chỉ số cần được quan tâm khi cân bằng dinh
dưỡng cho VSV trong nước thải. Tỷ lệ BOD5: N: P được đề xuất tối ưu là 100: 5: 1.
Ngoài chất hữu cơ, nitơ và photpho là hai nguồn dinh dưỡng quan trọng cho sự tạo thành tế bào mới và hoạt động của VSV trong bùn hoạt tính. Ngoài ra, để phát huy được vai trò của bùn hoạt tính đến điều kiện hiếu khí hay nồng độ oxy hòa tan trong nước, chúng ta phải quan tâm trong các quy trình công nghệ xử lý nước thải bằng bùn hoạt tính. Có thể làm tăng nồng độ oxy hòa tan bằng cách tăng mặt thoáng của ao hồ, áp dụng các biện pháp sục khí và khuấy cưỡng bức [16].
- Cách tạo bùn hoạt tính:
+/ Môi trường tạo bùn hoạt tính: là nước thải có cùng hoặc gần giống với phổ nhiễm bẩn của nước thải cần xử lý. Môi trường tạo bùn cần được bổ sung các nguồn dinh dưỡng N, P theo tỉ lệ BOD5: N: P = 100: 5: 1, đường kính (hoặc glucoza,
mantoza) với hàm lượng khoảng 50 g/l môi trường;
+/ Giống VSV: là bùn hoạt tính lấy từ các nơi khác hoặc những bể chứa nước thải cần xử lý đã hình thành bùn ở điều kiện hiếu khí trong các nguồn nước thải giống nhau. Bùn này được cho vào bình tam giác theo tỷ lệ 5 – 10% rồi đặt trên máy lắc có tốc độ 180 – 200 vòng/phút ở 25- 30 0C, trong thời gian từ 24 – 48 tiếng. Sau đó lấy
cặn bùn từ bình tam giác đưa vào các thùng lớn chứa môi trường có sục khí để kích thích sinh trưởng trong điều kiện hiếu khí rồi chuyển sang hệ thống xử lý. Bùn hồi lưu
23
có thể được làm tái sinh hay hoạt hóa để tăng hoạt lực của bùn trong các bể xử lý đã có tỉ lệ môi trường thích hợp và sục khí tích cực trong vài giờ, sau đó bùn được quay trở lại các bể xử lý hiếu khí khác [1].
1.3 Nghiên cứu khả năng xử lý nước ô nhiễm bằng vi tảo
Tảo là thực vật bậc thấp, sống theo kiểu quang tự dưỡng, dị dưỡng hoặc tạp dưỡng. Có loại tảo có cấu trúc đơn bào, có loại mọc nhánh dài. Chúng là thực vật phù du, có thể trôi nổi ở trong nước hay móc vào các giá đỡ (loài thực vật khác). Trong số khoảng 50.000 loài tảo trên thế giới thì vi tảo chiếm đến 2/3 [90]. Nhiều loài tảo, như vi tảo còn được xếp vào nhóm VSV, tảo lam được xếp vào nhóm vi khuẩn lam. Tảo phát triển làm nước có màu sắc, thực chất là màu sắc của tảo (tảo lam Anabaena cylindrica làm cho nước có màu xanh lam, Oscilatoria rubecens làm cho nước ngả màu hồng, các loài khuê tảo Melorisa, Navicula làm cho nước có màu vàng nâu...) [16].
Trong nước thải giàu nguồn N và P là điều kiện tốt cho tảo phát triển. Nguồn CO2 có thể do VSV hoạt động thải ra trong nước, phân hủy các chất hữu cơ tạo
thành và cung cấp cho tảo hoặc từ không khí.
Cơ sở sinh học của việc sử dụng một số loài tảo để xử lý nước thải là dựa vào đặc tính sinh trưởng tự nhiên của chúng. Tảo sử dụng CO2 hoặc bicacbonat làm
nguồn cacbon và nguồn nitơ, photpho vô cơ để cấu tạo tế bào dưới tác dụng của năng lượng ánh sáng mặt trời, đồng thời thải ra khí oxy. Quá trình quang hợp của tảo được biểu diễn như sau:
ánh sáng
CO2 + NH4+ + PO43- Tế bào tảo mới (tăng sinh khối) + O2
Các khí oxy phân tử sinh ra làm giàu thêm hàm lượng oxy hòa tan trong nước, tạo điều kiện thuận lợi giúp vi khuẩn hiếu khí phát triển và thúc đẩy các phản ứng oxy hóa - khử trong quá trình phân hủy hiếu khí các chất hữu cơ xảy ra nhanh hơn.
24
Vai trò chính của tảo và thực vật thủy sinh là khử nguồn amonium hoặc nitrat, cùng nguồn photphat có trong nước. Việc làm giảm các chất hữu cơ ô nhiễm trong nước chủ yếu là nhờ một số loại vi khuẩn, tảo và thực vật khác chỉ sinh oxy và có rễ để vi khuẩn bám vào, cùng tán lá che chắn làm giảm tác động của ánh sáng mặt trời giúp vi khuẩn khỏi chết và tạo điều kiện cho chúng hoạt động tốt hơn.
Các loài vi tảo có thể làm thức ăn tự nhiên trong nuôi trồng thủy sản. Một số loài tảo có khả năng phát triển trên một số loại nước thải đóng vai trò quan trọng trong quá trình làm sạch nước thải. Cùng với các VSV khác, vi tảo giữ vai trò như máy lọc sinh học tự nhiên, trực tiếp hấp thu tất cả những sản phẩm thừa, sản phẩm sau cùng của phân huỷ hữu cơ và chuyển hoá chúng sang dạng ít độc hại hơn hoặc phân giải chúng thành những vật chất khác đơn giản và vô hại. Những loại tảo và vi khuẩn lam nước ngọt được sử dụng phổ biến trong quá trình xử lý nước thải chủ yếu thuộc các chi Chlorella, Spirulina, Scenedessmus…Từ nhiều năm qua đã có nhiều nghiên cứu trong và ngoài nước về việc ứng dụng các loài tảo trong xử lý nước ô nhiễm. Tại Việt Nam, năm 2010, nghiên cứu tại trường Đại học Bách khoa TP. Hồ Chí Minh đã chứng minh loài tảo Tetraselmis sp. có khả năng làm sạch nước thải nuôi tôm sú [80]. Tại Trung Quốc, năm 2009, nghiên cứu của trường Đại học Nanchang cũng đã chứng minh được khả năng xử lý nước thải đô thị rất hiệu quả của loài tảo Chlorella [47]. Năm 2010, các nhà nghiên cứu của Thụy Điển cũng chỉ ra các loài vi tảo có hiệu quả xử lý nitơ và photpho có trong nước thải rất tốt, hiệu suất xử lý nitơ đạt 60 - 80% và photpho đạt từ 60 – 100% trong các tháng của mùa hè [43].
1.4 Giới thiệu chung về tảo lam Spirulina
1.4.1 Đặc điểm hình thái và cấu trúc tế bào của tảo lam Spirulina
Tảo lam được xếp vào nhóm vi khuẩn lam, là loài VSV đầu tiên có khả năng quang hợp và sinh ra khí oxy được phát hiện từ hơn 3,5 tỷ năm trước [39].
Spirulina (Athrospira) platensis thuộc ngành vi khuẩn lam (Cyanophyta), lớp Cyanophyceae, bộ Oscillatoriales, họ Oscillatoraceae, chi Spirulina.
25
Spirulina là tảo đa bào, dạng sợi. Có hai loài quan trọng là Spirulina maxima và Spirulina platensis. Chiều dài sợi tảo Spirulina có thể đạt 250 µm. Spirulina có 5 – 7 vòng xoắn, dạng lò xo không phân nhánh. Bước xoắn có chiều dài khoảng 60 µm, đường kính xoắn khoảng 35 – 50 µm [13]. Sợi tảo có khả năng tự chuyển động theo kiểu thanh trượt quanh trục của sợi. Một số hình ảnh về tảo Spirulina được minh họa trên hình 1. Error! Hình 1A. Hình ảnh về Spirulina platensis [Nguồn: http://erectomaxx.com/ingredients.htm] Hình 1B. Hình ảnh về Spirulina maxima [Nguồn: http://www.naturezadivina.com.br/loja /product_info.php?products_id=56]
Tế bào tảo Spirulina chưa có nhân điển hình, vùng nhân là vùng giàu axit nucleic chưa có màng nhân bao bọc, phân bố trong nguyên sinh chất. Ngoài ra, tế bào Spirulina không có không bào thực, chỉ có không bào chứa khí làm chức năng điều chỉnh tỷ trọng tế bào. Nhờ có không bào chứa khí mà Spirulina có thể nổi lên mặt nước. Mặc dù không có ty thể và mạng lưới nội chất song tế bào Spirulina vẫn có ribosom và một số thể vùi như các hạt polyphotphat, glycogen, phycocyanin, carboxysome và hạt mesosome.
Thành tế bào Spirulina có cấu trúc nhiều lớp, không chứa xenlulo mà chứa mucopolyme pectin và các loại polisaccarit khác. Màng tế bào nằm sát ngay bên dưới thành tế bào và nối với màng quang hợp thylakoid tại một vài điểm. Spirulina
26
không có lục lạp mà chỉ chứa thylakoid quang hợp nằm rải rác trong nguyên sinh chất [7].
1.4.2 Đặc điểm sinh lý, sinh hóa và thành phần dinh dưỡng của tảo lam Spirulina
1.4.2.1 Đặc điểm sinh lý
Tảo lam Spirulina có thể phân bố rộng rãi trong đất, nước ngọt, nước lợ, nước mặn và cả trong những suối nước nóng. Ngoài hàm lượng chất dinh dưỡng cần thiết cho tảo là nguồn cacbon và nguồn nitơ, photpho, sinh trưởng của loài tảo này còn chịu ảnh hưởng bởi một số yếu tố vật lý như sau:
+/ Yếu tố nhiệt độ: Sinh trưởng của Spirulina đạt tối ưu ở 35 – 370C trong
điều kiện phòng thí nghiệm. Spirulina phát triển rất chậm dưới 250C. Ở những
nguồn nước có nhiệt độ 450C hay những suối nước nước nóng có nhiệt độ 600C vẫn
thấy sự hiện diện của tảo này [82].
+/ Yếu tố ánh sáng: Tảo Spirulina ít bị chi phối bởi chu kì sáng tối. Cường độ ánh sáng thích hợp nhất cho Spirulina phát triển nằm trong khoảng 25 – 30 klux.
+/ Yếu tố pH: Spirulina phát triển trong khoảng pH từ 8,3 – 11. Tuy nhiên, pH của môi trường tối ưu cho sinh trưởng và phát triển của tảo là từ 8,5 – 9. Tại khoảng pH này, nguồn cacbon vô cơ được đồng hóa nhiều nhất [30].
Chu kì phát triển của tảo Spirulina rất ngắn, thời gian thế hệ chỉ kéo dài trong 24 giờ. Tảo lam Spirulina có hai hình thức sinh sản:
+/ Sinh sản sinh dưỡng: Hình thức sinh sản này được thực hiện bằng cách đứt từng khúc trên sợi tảo;
+/ Sinh sản vô tính: Spirulina sinh sản vô tính bằng cách tạo bào tử khi điều kiện sống không thuận lợi [13].
1.4.2.2 Đặc điểm sinh hóa
Đặc điểm sinh hóa nổi bật của Spirulina là có hàm lượng protein rất cao, chiếm khoảng 50 – 70% trọng lượng của tế bào, trong khi các thực phẩm được coi là giàu đạm như đậu đỗ, thịt, phomat cũng chỉ có 20% đạm. Nhiều nghiên cứu đã chỉ ra rằng đạm trong Spirulina hoàn toàn không có hại. Và cũng khác với các loại
27
đạm khác, đạm trong Spirulina rất dễ hấp thụ do các axit amin hầu như ở dạng tự do. Tỷ lệ hấp thụ đạm trong Spirulina là hơn 90% [73].
Thành phần hóa học của tảo Spirulina so với % trọng lượng khô (TLK) như sau: protein tổng số 50 – 70%; gluxit 13 – 16%; lipit 7 – 8%; axit nucleic 4,29%; chlorophylla 0,76%; carotenoit 0,23%; tro 4 – 5%. Tuy nhiên, thành phần sinh hóa của tảo Spirulina thay đổi tùy thuộc vào điều kiện nuôi trồng [13].
Protein của tảo Spirulina chứa hầu hết các loại axit amin thay thế và không thay thế, tỉ lệ của các axit amin này khá cân đối. Tổ chức lương thực thực phẩm thế giới (FAO) đã công nhận loại tảo này là nguồn thực phẩm chức năng bổ sung cho người rất tốt [17]. Trong số các axit amin trong tảo có 4 loại axit amin không thể thay thế quan trọng sau: lyzin, methionin, phenylanalin, tryptophan (là nguyên liệu gốc để tổng hợp vitamin B3). Không chỉ cung cấp các axit amin không thể thay thế,
tảo Spirulina còn là nguồn cung cấp các axit béo không bão hòa quan trọng mà cơ thể không thể tự tổng hợp được, trong đó đặc biệt quan trọng là các axit γ –linolenic khiến cho Spirulina trở thành một loại thực phẩm có giá trị chống suy dinh dưỡng và chống béo phì. Các carotenoit chính ở Spirulina là oscillaxanthin, mycoxanthophyll, zeaxanthin, hydro-echinenon, β-carotene, β-crytoxanthin, echinenon. Các lipit chủ yếu của Spirulina là mono-di-galactosyldiglycerrid và phosphatidyglycerol [7].
Đặc biệt, tảo Spirulina là loại thực vật chứa hàm lượng β-carotene (tiền Vitamin A) cao nhất, gấp 10 hàm lượng β-carotene có trong cà rốt, được biết đến như loại rau quả thông dụng giàu β-carotene nhất trong thực phẩm hàng ngày [35]. β-carotene trong Spirulina là chất chống ôxy hóa mạnh nhất, giúp tiêu diệt các gốc tự do là nguyên nhân của bệnh tật và gây chết. Dùng liều cao β-carotene trong khẩu phần dinh dưỡng hàng ngày sẽ phòng chống rất hiệu quả các dạng ung thư [42].
Tảo Spirulina còn có vitamin thuộc nhóm B – loại vitamin rất cần thiết cho hoạt động của các cơ, hệ tiêu hóa, rất tốt cho mắt, gan, da, vòm miệng, tóc, giúp điều hòa hệ thần kinh, điều chỉnh lượng cholesterol trong máu. Trong tảo Spirulina còn có sắc tố màu lam phycocyanil, không tồn tại trong bất kỳ thực phẩm nào khác.
28
Phycocyanil giúp ổn định quá trình trao đổi chất và tăng cường hệ miễn dịch, hỗ trợ hoạt động của gan trong các trường hợp phải điều trị bằng nhiều loại thuốc. Kết hợp cùng với các vitamin, phycocyanil được sử dụng trong điều chế các dược phẩm điều trị ung thư [74].
1.4.2.3 Thành phần dinh dưỡng
Năm 1964, nhà thực vật học người Bỉ đã phát hiện ra một bộ tộc thổ dân ở châu Phi có nhiều người già ở tuổi bách niên, hơn nữa họ hầu như không đau ốm, trong khi tuổi thọ trung bình của người dân châu Phi thời đó chỉ là 35. Nguyên nhân là do trong khẩu phần ăn hàng ngày của bộ tộc đó đều có một loại bánh màu xanh, hình thù tương tự như bánh mỳ dẹt. Những chiếc bánh này được làm từ loại rong vớt trên mặt hồ và sau đó được sấy khô dưới nắng. Loại tảo đó chính là Spirulina platensis [72]. Hai mươi năm sau, vào những năm cuối thập kỷ tám mươi thế kỷ 20 - nhiều giá trị dinh dưỡng và chức năng sinh học của tảo Spirulina đã được khám phá và công bố rộng rãi ở nhiều nước khác trên thế giới như Mỹ, Nhật, Canada, Mehico, Đài Loan…
Là một loại tảo quang tự dưỡng, Spirulina sử dụng CO2 và đồng hóa nitơ chủ
yếu ở dạng NO3- và nhiều dạng nitơ khác như NH4+, NO2-, (NH2)CO dưới tác dụng
của ánh sáng mặt trời. Các thành phần dinh dưỡng trong tảo gồm có:
- Dinh dưỡng cacbon: Nguồn cacbon được sử dụng để nuôi cấy tảo Spirulina là CO2
và NaHCO3. Spirulina phát triển thuận lợi ở môi trường có HCO3- hơn CO32-. Khi
tiến hành sục khí CO2 vào môi trường nuôi cần phải kết hợp với cung cấp muối
bicacbonat để tạo pH thích hợp cho tảo phát triển. Trong thực tế nuôi trồng Spirulina, người ta thường bổ sung 16,8g/l NaHCO3 và sục khí CO2 1%, ở nhiệt độ
33-350C, cường độ ánh sáng 25 klux. Ngoài ra, tế bào tảo Spirulina platensis có thể
sinh trưởng theo kiểu tạp dưỡng do có khả năng sử dụng đồng thời cacbon hữu cơ và vô cơ dưới tác dụng của ánh sáng [23].
- Dinh dưỡng nitơ: Các muối nitrat là nguồn nitơ thích hợp cho tảo Spirulina phát triển. Hàm lượng nitrat cho vào môi trường phải lớn hơn 100 mg/l. Urê cũng là nguồn nitơ thông dụng với nồng độ thường được sử dụng là 1,5 mg/l. Ngoài ra, axit
29
nitric cũng được sử dụng làm nguồn nitơ cho tảo Spirulina nhưng ở nồng độ thấp [13].
- Dinh dưỡng photpho: Photpho được tế bào tảo sử dụng để tổng hợp ATP, axit nucleic và các hợp chất cấu tạo khác. Năng suất của tảo Spirulina đạt tối đa ở nồng độ photpho là 90 – 180 mg/l sau 14 ngày [21]. Nếu thiếu hoàn toàn photpho trong môi trường nuôi, quang hợp của tảo Spirulina giảm sau 14 ngày, còn sinh trưởng giảm sau 5 ngày [23].
- Dinh dưỡng khoáng: là nguồn dinh dưỡng đóng vai trò quan trọng cho sự sinh trưởng và phát triển của tảo.
+/ Tảo Spirulina rất ưa muối. Trong môi trường ưu trương, hàm lượng kali có thể lên tới 5 g/l và natri có thể lên tới 18 g/l. Trong nuôi trồng tảo Spirulina, cần chú ý đến tỉ lệ K/Na phải nhỏ hơn 5. Nếu tỉ lệ này lớn hơn 5, tảo sẽ bị chậm phát triển hoặc cấu trúc tảo sẽ bị phá vỡ.
+/ Mg đóng vai trò tương tự như photpho trong việc tổng hợp các polyphotphat. Canxi không ảnh hưởng rõ đến sinh trưởng của tảo.
+/ Fe ảnh hưởng trực tiếp đến sinh trưởng và hàm lượng protein trong tảo. Tảo Spirulina có thể sinh trưởng bình thường trong giới hạn nồng độ sắt khá rộng, từ 0,55 – 56 mg/l môi trường [21].
+/ Các nguyên tố vi lượng khác như Zn, Cu, Mn….không ảnh hưởng rõ rệt đến hàm lượng protein, nhưng có ảnh hưởng tới một số thành phần vitamin của tảo Spirulina [13].
Nhờ những đặc điểm về sinh hóa và thành phần dinh dưỡng mà tảo Spirulina được coi là nguồn thực phẩm bổ sung rất tốt để chăm sóc và tăng cường sức khỏe cho con người ở mọi lứa tuổi. Bắt đầu từ việc đưa tảo Spirulina vào khẩu phần dinh dưỡng không thể thiếu cho các phi hành gia vũ trụ, các nhà thám hiểm và các lực lượng tác chiến cơ động trong quân đội, từ những năm 1980 đến nay, tảo Spirulina đã trở nên rất thông dụng trên toàn thế giới. Sau hơn 50 năm được sản xuất công nghiệp, Spirulina vẫn được coi là sản phẩm an toàn, sử dụng nhiều nhất trong nhóm bổ sung dinh dưỡng. Loài tảo này đang được nghiên cứu để sử dụng rộng rãi trong
30
công nghiệp thực phẩm làm thức ăn bồi bổ sức khỏe, làm thuốc điều trị suy dinh dưỡng, thực phẩm chống béo phì. Axit béo gamma linolenic (GLA) chứa trong tảo Spirulina rất cần thiết cho sức khỏe. Hiện nay các sản phẩm chứa Spirulina đã có mặt rộng rãi trên thị trường như bột dinh dưỡng Enalac, Linafort, Supermilk…Ngoài dạng thực phẩm quen thuộc, tảo Spirulina còn có mặt trên thị trường dưới dạng dược phẩm như Linavina (Mekophar), viên bọc đường hoặc viên nang dùng bổ sung dinh dưỡng cho những người cần cung cấp protein khi đang điều trị viêm gan, xơ gan, tiểu đường hoặc loét dạ dày. Hình 2 minh họa một vài hình ảnh về Spirulina platensis trên thị trường dưới dạng dược phẩm.
[Nguồn: http://en.wikipedia.org/wiki/Spirulina_(diet ary_supplement)] [Nguồn: http://www.la-boutique-bio.com/specials.php]
Hình 2. Hình ảnh về Spirulina platensis trên thị trường dưới dạng dược phẩm
Theo số liệu của Tổ chức Y tế Thế giới WHO, tảo Spirulina có thể giúp con người phòng chống ít nhất là 70% các loại bệnh. Chính vì vậy, tảo Spirulina đã được EC khuyến cáo, được WHO và Bộ Y tế của nhiều quốc gia trên thế giới công nhận không chỉ là nguồn thực phẩm sạch mà còn là giải pháp cho phòng và điều trị một số bệnh của thế kỉ 21 [88].
1.4.3 Tình hình nghiên cứu tảo lam Spirulina
31
Năm 1974, DIC – một tập đoàn hóa chất lớn của Nhật Bản đã bắt đầu tập trung nghiên cứu tảo Spirulina. Đây là tập đoàn đầu tiên đã thành công trong việc nuôi trồng Spirulina ở qui mô công nghiệp và thương mại hóa tảo Spirulina trên thế giới [35]. Ngày nay, với 3 trang trại nuôi trồng tại Mỹ, Trung Quốc và Thái Lan, tập đoàn DIC đã nuôi trồng và sản xuất tảo Spirulina với sản lượng hàng năm lên đến 900 tấn. Năm 1979, tại Mỹ, tập đoàn Earthrise cũng đã nghiên cứu và đưa Spirulina đến với thị trường thực phẩm thiên nhiên. Sau đó, vào năm 1982, Earthrise xây dựng trang trại nuôi trồng Spirulina đầu tiên tại Mỹ. Cho đến nay đây là trang trại nuôi trồng Spirulina lớn nhất trên thế giới [86].
Không chỉ được biết đến như một nguồn thực phẩm chức năng trên thế giới, khả năng xử lý môi trường của tảo lam Spirulina đã được nghiên cứu tại nhiều nước. Năm 2000, tại Malaysia, Spirulina được ứng dụng trong xử lý nước thải từ nhà máy sản xuất dầu cọ [57]. Năm 2003, tại Thái Lan, khả năng làm sạch nước thải ao nuôi tôm của Spirulina cũng đã được chứng minh [32]. Tại Nhật Bản, cùng với chủng vi khuẩn tía Rhodobacter sphaeroides và một chủng Chlorella sorokiniana, tảo lam Spirulina cũng được nghiên cứu để ứng dụng trong xử lý nước thải giàu hàm lượng hữu cơ. Hiện nay, việc áp dụng kỹ thuật ADN tái tổ hợp và công nghệ gen để chuyển gen vào tảo Spirulina đang được tiến hành ở Nhật Bản nhằm tạo ra những chủng giống tảo có đặc tính mong muốn là một hướng đầy triển vọng trong việc sử dụng tảo này trong xử lý một số loại nước thải [53]. Các nhà khoa học tại Mehico đã nghiên cứu sử dụng Spirulina để loại bỏ NH4+ và PO43- trong nước thải
chăn nuôi lợn có hiệu quả [55]. Năm 2010, Spirulina cũng được các nhà khoa học Tây Ban Nha chứng minh có khả năng xử lý nước thải ô nhiễm nitơ và photpho một cách có hiệu quả [34].
Ngoài ra, cũng có nhiều công trình nghiên cứu về khả năng sử dụng tảo lam Spirulina loại bỏ một số kim loại nặng trong nước thải. Năm 2006, công trình nghiên cứu tại Trường Đại học Goana, Italia về khả năng của tảo lam Spirulina trong việc loại bỏ đồng trong nước thải cũng đã được công bố [62]. Năm 2007, Trường Đại học Iowa, Mỹ cũng đã công bố khả năng hấp thụ thủy ngân của chủng
32
Spirulina platensis [28]. Spirulina cũng được chứng minh có hiệu suất hấp thụ cadimi trong nước rất tốt [60, 51].
1.4.3.2 Tình hình nghiên cứu tảo lam Spirulina tại Việt Nam
Từ cuối những năm 1970, tảo Spirulina được sản xuất đại trà ở một số nước như Mỹ, Nhật Bản, Mêhicô, Trung Quốc, Ấn Độ, Thái Lan, Đài Loan, Cuba và Việt Nam.
Ở nước ta, tảo Spirulina được nhập nội từ Pháp năm 1972. Nó đã trở thành một đối tượng nghiên cứu sinh lý, sinh hoá, tại Viện Sinh Vật học (nay là Viện Công nghệ Sinh học) do cố Giáo sư Nguyễn Hữu Thước chủ trì. Những nghiên cứu về tác động của ánh sáng, nhiệt độ, pH đã cho phép đẩy nhanh quá trình thích ứng của tảo này với điều kiện khí hậu của Việt Nam. Một môi trường dinh dưỡng rẻ tiền, thích hợp cho tảo này cũng đã được đưa ra dựa trên những nghiên cứu về tác động của các nguyên tố khoáng lên sinh trưởng và quang hợp của tảo Spirulina. Sử dụng các môi trường này tảo Spirulina đã được đưa vào nuôi trồng thử nghiệm đại trà tại Hà Nội, Bình Thuận, Bến Tre, Thành phố Hồ Chí Minh với một kỹ thuật bổ sung môi trường trong nuôi trồng đại trà đã được thiết lập [10]. Trong khoảng thời gian 1981 – 1985, nuôi trồng Spirulina ở quy mô lớn tại suối nước khoáng Vĩnh Hảo giàu bicacbonat và các chất khoáng khác, có nhiệt độ cao, gió và ánh sáng quanh năm đã được tiến hành với quy mô ban đầu là 60 bể (mỗi bể 45m3) với năng suất 8 –
10g khô/m2/ngày. Cũng trong thời gian này, hàng loạt nghiên cứu ứng dụng sinh
khối Spirulina cho gia cầm, cá, vịt, ong, tằm cũng đã được thực hiện.
Vào đầu thời điểm những năm 1980s, ở Thuận Hải hai sản phẩm Spirulina - “Linavina” và “Lactogyl” đã có mặt trên thị trường được dùng làm thuốc bổ dưỡng. Các bệnh viện Thống Nhất, Bệnh viện phụ sản Từ Dũ, Bệnh viện tỉnh Thuận Hải, Trung tâm dinh dưỡng trẻ em thành phố Hồ Chí Minh cũng tiến hành thử nghiệm sử dụng sinh khối Spirulina trong phòng chống suy dinh dưỡng ở trẻ em và người già [11, 21]. Trong giai đoạn 1986 – 1990, diện tích nuôi trồng Spirulina ở Thuận Hải
