Tài liệu Sử dụng tảo Chlorella sp. để xử lý nước thải ao nuôi cá Tra trong điều kiện phòng thí nghiệm

Ket-noi.com NGUYỄN HÂN NHI LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC CHUYÊN NGÀNH KHOA HỌC MÔI TRƢỜNG SỬ DỤNG TẢO CHLORELLA SP. ĐỂ XỬ LÝ NƢỚC THẢI AO NUÔI CÁ TRA TRONG ĐIỀU KIỆN PHÕNG THÍ NGHIỆM CÁN BỘ HƢỚNG DẪN TRẦN CHẤN BẮC Cần Thơ, 2012 XÁC NHẬN LUẬN VĂN CỦA HỘI ĐỒNG Luận văn kèm theo đây, với tựa đề tài là “Sử dụng tảo Chlorella sp. để xử lý nước thải ao nuôi cá tra trong điều kiện phòng thí nghiệm”, do Nguyễn Hân Nhi thực hiện và báo cáo đã được hội đồng luận văn thông qua. Ths. Trần Chấn Bắc TS. Nguyễn Văn Công Ths. Nguyễn Thị Như Ngọc ii LỜI CẢM TẠ ……. Xin tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến:  Thầy Trần Chấn Bắc đã nhiệt tình hướng dẫn và giúp đỡ cho em trong suốt quá trình thực hiện luận văn tốt nghiệp.  Cố vấn học tập cô Trương Thị Nga đã hết lòng giúp đỡ để em có thể hoàn thành chương trình đào tạo trong 4 năm học.  Thầy Nguyễn Văn Công và cô Nguyễn Thị Như Ngọc đã chia sẽ những ý kiến để đề tài của em được hoàn chỉnh hơn. Xin chân thành cảm ơn:  Quý Thầy Cô Bộ Môn Khoa Học Môi Trường – Khoa Môi Trường & Tài Nguyên Thiên Nhiên – Trường Đại Học Cần Thơ đã tận tình truyền đạt kiến thức cho em trong 4 năm học tại trường và tạo mọi điều kiện cho em thực hiện đề tài.  Xin trân trọng ghi nhớ sự nhiệt tình, cảm thông và giúp đỡ của tất cả các bạn lớp Khoa Học Môi Trường khóa 34 trong suốt thời gian cùng ngồi chung giảng đường đại học.  Cuối cùng, xin cảm ơn gia đình tôi đã tạo mọi điều kiện để tôi được học tập trong khoa Môi Trường và Tài Nguyên Thiên Nhiên, đồng thời ủng hộ tôi về vật chất cũng như động viên về tinh thần để tôi có thể hoàn thành luận văn tốt nghiệp. Xin chân thành cảm ơn! Nguyễn Hân Nhi iii TÓM LƢỢC Đề tài “Sử dụng tảo Chlorella sp. để xử lý nước thải ao nuôi cá tra trong điều kiện phòng thí nghiệm” được thực hiện từ tháng 12 năm 2011 đến cuối tháng 04 năm 2012 tại phòng thí nghiệm thuộc khoa Môi Trường và Tài Nguyên Thiên Nhiên trường đại học Cần Thơ. Nước thải cá tra được lấy trực tiếp từ ao nuôi của nhà ông Trương Văn Bình số nhà 62/4 tổ 4 khu vực Bình Yên B, Quận Bình Thủy, Thành phố Cần Thơ để làm thí nghiệm. Thí nghiệm được bố trí với 6 nghiệm thức, trong đó 2 nghiệm thức chứa nước thải ao nuôi cá tra với tỉ lệ 75%, 100%, hai nghiệm thức nước thải khác chứa 100% nước thải nhưng một nghiệm thức được lọc loại bỏ tảo, một nghiệm thức nước thải loại bỏ tảo mang đun sôi, một nghiệm thức đối chứng, một nghiệm thức nuôi trong môi trường Wanle. Theo dõi trong 10 ngày đo đạc các chỉ tiêu: nhiệt độ, pH, DO mỗi ngày, thu mẫu phân tích các chỉ tiêu: N-NO3-, N-NH4+, P-PO43-, Chlorophyll_a với chu kì theo các ngày 1, 3, 5, 7, 9. Việc bố trí các tỉ lệ nước thải khác nhau nhằm tìm ra tỉ lệ nước thải cho tảo phát triển và hấp thu dinh dưỡng tốt nhất. Kết quả cho thấy nghiệm thức chứa 100% nước thải có tảo sau 3 ngày tăng trưởng đã đạt được giá trị sinh khối cao nhất và hàm lượng dinh dưỡng của nước thải được tảo hấp thụ tốt nhất trong thời gian này. Tuy nhiên giá trị đạt sinh khối cao nhất trong thí nghiệm là nghiệm thức tảo nuôi trong môi trường wanle. iv MỤC LỤC  XÁC NHẬN LUẬN VĂN CỦA HỘI ĐỒNG ........................................................... i LỜI CẢM TẠ ............................................................................................................. ii TÓM LƢỢC ..............................................................................................................iii MỤC LỤC ................................................................................................................. iv DANH SÁCH BẢNG ................................................................................................ vi DANH SÁCH HÌNH ................................................................................................ vii I. MỞ ĐẦU ................................................................................................................ 1 II. LƢỢC KHẢO TÀI LIỆU .................................................................................... 3 2.1. Tổng quan về Chlorella ....................................................................................... 3 2.1.1. Đặc điểm phân loại ............................................................................................ 3 2.1.2. Hình thái cấu tạo ................................................................................................ 3 2.1.3. Thành phần hóa học của Chlorella .................................................................... 3 2.1.4 Một số đặc tính của tảo chlorella ........................................................................ 4 2.1.5 Sinh sản............................................................................................................... 5 2.1.6 Một số yếu tố ảnh hưởng đến sinh trưởng và phát triển của tảo ........................ 6 2.1.7 Khả năng sử dụng tảo Chlorella. ........................................................................ 9 2.1.8 Ứng dụng tảo Chlorella .................................................................................... 10 2.1.9 Công nghệ nuôi tảo Chlorella trên thế giới ...................................................... 11 2.2 Tổng quan về nước thải cá tra. ............................................................................ 11 2.2.1 Một số nguyên nhân gây ô nhiễm nguồn nước từ việc nuôi cá tra .................. 11 2.2.2 Biến động môi trường nước trong hệ thống nuôi cá tra thâm canh .................. 12 III. PHƢƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU .................................................................. 14 3.1 Thời gian địa điểm nghiên cứu. .......................................................................... 14 3.1.1. Thời gian .......................................................................................................... 14 3.1.2. Địa điểm .......................................................................................................... 14 3.2. Phương tiện nghiên cứu ...................................................................................... 14 3.2.1 Dụng cụ............................................................................................................. 14 3.2.2 Hóa chất ............................................................................................................ 14 3.2.3 Nguồn giống ..................................................................................................... 14 3.3. Phương pháp nghiên cứu .................................................................................... 14 3.3.1 Chuẩn bị thí nghiệm ......................................................................................... 14 3.3.2 Nguồn nước thải và cách xử ký ........................................................................ 15 3.3.3 Bố trí thí nghiệm ............................................................................................... 15 3.3.4 Thu mẫu ............................................................................................................ 16 3.3.5 Phương pháp phân tích ..................................................................................... 16 3.3.6 Xử lý số liệu ..................................................................................................... 18 IV. KẾT QUẢ- THẢO LUẬN ................................................................................ 19 v 4.1 Sự biến động của nhiệt độ, pH, DO theo thời gian ............................................. 19 4.1.1 Sự biến động của nhiệt độ ................................................................................ 19 4.1.2 Sự biến động của pH theo thời gian ................................................................. 20 4.1.3 Sự biến động của DO theo thời gian ................................................................ 23 4.2 Sự biến động các chỉ tiêu N-NO3, N-NH4+, P-PO43- ........................................... 25 4.2.1 Sự biến động của chỉ tiêu N-NO3- .................................................................... 25 4.2.2 Sự biến động của chỉ tiêu N-NH4+.................................................................... 29 4.2.3 Sự biến động của chỉ tiêu P-PO43- .................................................................... 31 4.3 Sự biến động của mật độ tảo và sinh khối tảo theo thời gian .............................. 33 4.3.1 Sự biến động của mật độ tảo ............................................................................ 33 4.3.2 Sự biến động của sinh khối tảo......................................................................... 36 IV. KẾT LUẬN VÀ ĐỀ XUẤT .............................................................................. 39 5.1 Kết luận .......................................................................................................... 39 5.2 Đề xuất .......................................................................................................... 39 TÀI LIỆU THAM KHẢO PHỤ LỤC vi DANH SÁCH BẢNG Trang Bảng 2.1 Thành phần hóa học của Chlorella ............................................................... 4 Bảng 4.1 Sự biến động nhiệt độ của các nghiệm thức (TB)...................................... 19 Bảng 4.2 Sự biến động pH của các nghiệm thức (TB). ............................................. 20 Bảng 4.3 Sự biến động DO (mg/L) của các nghiệm thức (TB) ................................ 23 Bảng 4.4 Sự biến động chỉ tiêu NO3- (mg/L) của các nghiệm thức .......................... 26 Bảng 4.5: Sự biến động chỉ tiêu NH4+ (mg/L) của các nghiệm thức ........................ 29 Bảng 4.6: Sự biến động chỉ tiêu PO43- (mg/L) của các nghiệm thức ........................ 31 vii DANH SÁCH HÌNH Trang Hình 2.1: Hình thái cấu tạo của Chlorella .............................................................. 3 Hình 2.1: Các giai đoạn phát triển của tảo (Coutteau, 1996). ................................ 6 Hình 3.1: Sơ đồ bố trí thí nghiệm ......................................................................... 15 Hình 4.1: Sự biến động của mật độ tảo ................................................................ 33 Hình 4.2: Chu trình oxy và sản xuất tảo trong nước thải ..................................... 34 Hình 4.3: Sự biến động của sinh khối tảo ............................................................ 36 viii CHƢƠNG I MỞ ĐẦU Ngày nay, để đáp ứng nhu cầu về nguyên vật liệu cũng như nguồn thực phẩm cho con người, hàng loạt các ngành công nghiệp, nông nghiệp, nuôi trồng và chế biến thủy sản,… đã phát triển một cách nhanh chóng. Trong đó, ngành nuôi trồng và chế biến thủy sản đang phát triển rất mạnh ở vùng đồng bằng sông Cửu Long và đã có những đóng góp quan trọng trong tăng trưởng kinh tế của vùng. Các loài thủy sản nước ngọt như: cá tra, cá trê, cá sặc rằn,… được nuôi với số lượng rất lớn và nước thải từ các ao nuôi này chứa hàm lượng dinh dưỡng rất cao khi thải ra sông rạch mà không qua xử lý sẽ gây ô nhiễm môi trường nước một cách trầm trọng, ảnh hưởng đến sự đa dạng sinh học của các thủy vực, gây mất cân bằng sinh thái, ảnh hưởng đến đời sống và sức khỏe con người. Vấn đề đặt ra là phải tìm những biện pháp xử lý nguồn nước thải này một cách có hiệu quả nhất. Bên cạnh các phương pháp xử lý: lý học, hóa học, thì phương pháp sinh học là biện pháp có chi phí xử lý thấp, đạt hiệu quả cao và cải thiện được môi trường, như việc nghiên cứu sử dụng tảo Spirulina để xử lý nước thải từ các ao nuôi cá trê, cá sặc rằn của những đề tài trước được thực hiện rất thành công. Trong những thập niên gần đây cùng với sự nổi bật của tảo Spirulina về vấn đề xử lý nước thải và thu sinh khối, tảo Chlorella cũng đang được sự quan tâm nghiên cứu của các nhà khoa học. Một số đề tài nghiên cứu sử dụng Chlorella để xử lý nước thải từ hầm ủ Biogas và những công trình nuôi Chlorella để thu sinh khối với kỹ thuật nuôi đơn giản và ít tốn kém đã được thực hiện rất thành công. Vì Chlorella là loài tảo giàu protein, vitamin (A, C, B2, B6,…) và các khoáng chất (phosphor, canxi, kẽm, iod, magie, sắt, đồng,…) nên được dùng làm thực phẩm, dược phẩm, mỹ phẩm phục vụ cho con người (Trần Đình Toại và Châu Văn Minh, 2005). Để góp phần thúc đẩy thế mạnh của tảo Chlorella ở nhiều lĩnh vực khác, đặc biệt là trong xử lý nước thải thủy sản. Đề tài “Sử dụng tảo Chlorella sp. để xử lý nƣớc thải ao nuôi cá tra trong điều kiện phòng thí nghiệm” được thực hiện. * Mục tiêu tổng quát: Đánh giá khả năng xử lý nước thải ao cá tra của tảo Chlorella sp. * Mục tiêu cụ thể: - Xác định sinh khối tảo và tìm ra tỷ lệ nước thải thích hợp để Chlorella sp. phát triển đạt sinh khối tối ưu nhất. - Phân tích các chỉ tiêu lý, hóa nhằm đánh giá khả năng hấp thu chất dinh dưỡng của tảo. * Nội dung thực hiện: - Nhân giống tảo Chlorella sp. 1 - Tiến hành nuôi tảo Chlorella sp. trên 6 nghiệm thức, mỗi nghiệm thức được bố trí với 3 lần lặp lại. - Tiến hành thu mẫu: khảo sát mật độ tảo, sinh khối tảo. - Phân tích các chỉ tiêu nhiệt độ, pH, DO, N-NO3-, N-NH4+, P-PO43-. 2 CHƢƠNG II LƢỢC KHẢO TÀI LIỆU 2.1 Tổng quan về tảo Chlorella Tảo Chlorella là một trong những loài tảo được phân loại đầu tiên từ năm 1980, trong tự nhiên chúng phân bố ở cả thủy vực nước ngọt và nước lợ. Chlorella là loài tảo có giá trị dinh dưỡng cao thường được sử dụng làm thực phẩm cho con người, trong nuôi trồng thủy sản và chăn nuôi. 2.1.1 Đặc điểm phân loại Theo Bold và Wyne (1978)( trích bởi Sharma, 1998) tảo Chlorella được phân loại như sau: - Ngành: Chlorophyta - Lớp: Chlorophyceae - Bộ: Chlorococales - Họ: Chlorellaceae - Giống: Chlorella 2.1.2 Hình thái, cấu tạo Chlorella là loại tảo đơn bào không có tiêm mao, không có không bào co rút nhưng có nhân nằm ở giữa, không có khả năng di chuyển chủ động. Tế bào có dạng hình oval. Kích cở tế bào từ 2 - 10 µm tùy theo điều kiện môi trường và điều kiện phát triển, tế bào có vách cellulose bao bọc, tế bào lục lạp có dạng hình chén và có một hạt tạo tinh bột, một vài loài không có hạt tạo tinh bột. Tảo chịu được những tác động cơ học nhẹ. Sự thay đổi của các điều kiện môi trường như ánh sáng, nhiệt độ, thành phần các chất hóa học trong môi trường sẽ ảnh hưởng đến hình thái và chất lượng tế bào tảo (Trần Văn Vỹ, 1995). Hình 2.1: Hình thái cấu tạo của Chlorella 2.1.3 Thành phần hóa học của Chlorella Theo Trần Đình Toại và Châu Văn Minh (2005). Chlorella rất giàu protein, vitamin và các khoáng chất. Các protein của loài tảo này có chứa tất cả các amino acid cần thiết cho nhu cầu dinh dưỡng của người và động vật. 3 Rất nhiều vitamin có trong thành của Chlorella pyrenoidosa như: Vitamin C, tiền vitamin A (β caroten), riboflavin (B2), pyridoxine (B6), niacin (vitamin PP), axit panthothenic (vitamin B3), axit folic (vitamin B9), vitamin B12, biotin (vitamin H), choline, vitamin K, axit lipoic và inositol. Các nguyên tố khoáng ở Chlorella pyrenoidosa gồm có: Phosphor, canxi, Kẽm, iod, Magie, sắt và đồng. Ngoài hàm lượng cao các vitamin, amino axit, peptit, protein, đường và axit nucleic. Chlorella pyrenoidosa có chứa một chất tan trong nước được gọi là yếu tố sinh trưởng Chlorella (CFG). CFG chiếm khoảng 5% trọng lượng khô của Chlorella pyrenoidosa, là một hợp chất gồm các amino axit, protein và axit nucleic mà người ta cho rằng nó có nguồn gốc từ nhân của tảo. Bảng 2.1 Thành phần hóa học của Chlorella Số TT Thành phần Hàm lƣợng Đơn vị tính 1 Protein 40 - 60 % 2 Gluxit 25 - 35 % 3 Lipit 10 - 15 % 4 Sterol 0,1 - 0,2 % 5 Sterin 0,1 - 0,5 % 6 β-carotene 0,16 % 7 Chlorophyll_a 2,2 % 8 Chlorophyll_b 0,58 % 9 Axit nucleic 6 % 10 Tro 10 - 34 % 11 Xanthophyll 3,6 - 6,6 % 12 Vitamin B1 18 mg/ gr 13 Vitamin C 0,3 - 0,6 mg/ gr 14 Vitamin K 6 mg/ gr 15 Vitamin B2 3,5 mg/ 100 gr 16 Vitamin B12 7-9 mg/ 100 gr 17 Niacin 25 mg/ 100 gr 18 Axit nicotinic 145 mg/ 100 gr 19 Vitamin B6 2,3 mg/ 100 gr (Theo Trần Đình Toại và Châu Văn Minh, 2005) 2.1.4 Một số đặc tính của tảo Chlorella Tảo Chlorella có những đặc điểm sau : - Sinh sản vô tính, tốc độ sinh sản nhanh. - Điều kiện sống tối ưu: nhiều ánh sáng, nhiệt độ cao, môi trường có tính kiềm và không khí sạch. - Có xu hướng chìm xuống đáy nước. 4 - Có diệp lục, do đó tảo là sinh vật tự dưỡng. - Hiệu quả quang hợp là 8%. - Không bị virut tấn công, môi trường nuôi cấy đơn giản. 2.1.5 Sinh sản Dưới những điều kiện sống tối ưu: nhiều ánh sáng, nước trong và không khí sạch Chlorella sinh sản với tốc độ vô cùng lớn. Quá trình sinh sản nói chung được chia thành nhiều bước: Sinh trưởng - trưởng thành - thành thục - phân chia (Trần Đình Toại và Châu Văn Minh, 2005). Tảo Chlorella sinh sản nhanh, trong 3 giờ có khả năng gấp đôi mật độ. Tảo Chlorella không có hiện tượng sinh sản hữu tính. Quá trình sinh sản được hình thành nhờ sự hình thành trong cơ thể mẹ các bào tử. Tùy theo loài tảo và điều kiện môi trường mà số lượng các loại bào tử có thể là 2, 4, 6, 8, 16, 32 (thậm chí có trường hợp tạo ra 64 tự bào tử ) sau khi kết thúc sự phân chia, bào tử tự tách khỏi cơ thể mẹ bằng cách phá hoại màng tế bào cơ thể mẹ. Các tế bào này lớn lên và phát triển đến giai đoạn chín sinh dục, toàn bộ chu trình lập lại từ đầu (Trần Văn Vỹ, 1995). a. Vòng đời của tảo Chlorella Theo Tamiya (1963)(trích bởi Sharma, 1998) vòng đời của tảo Chlorella chia thành 4 giai đoạn: - Giai đoạn tăng trưởng: ở giai đoạn này các tự bào tử sẽ tăng nhanh về kích thước nhờ sản phẩm sinh tổng hợp. - Giai đoạn bắt đầu chín: tế bào mẹ bắt đầu quá trình phân chia. - Giai đoạn chín mùi: tế bào nhân lên trong điều kiện có ánh sáng hoặc trong bóng tối. - Giai đoạn phân cắt: tế bào mẹ bị phá vỡ ra, các tự bào tử được phóng thích ra ngoài. b. Sự phát triển của quần thể tảo Trong điều kiện nuôi với chất dinh dưỡng thích hợp, sự phát triển của quần thể tảo trải qua 5 giai đoạn (Countteau,1996) ( Hình 2.1) - Giai đoạn đầu: Là giai đoạn bắt đầu nuôi cấy. Ở giai đoạn này các tế bào tảo lớn lên về kích thước nhưng không có sự phân chia nên mật độ tế bào không tăng lên hoặc tăng rất ít. Đây là giai đoạn mà sự trao đổi chất của tế bào sẽ thích nghi với các điều kiện vật lý của môi trường để phát triển, sự tăng lên của enzyme và trao đổi chất bao gồm sự phân chia tế bào và cố định carbon. Thời gian giai đoạn này nhanh hay chậm tùy thuộc vào nguồn tảo giống và thành phần môi trường, pha này sẽ không xảy ra nếu tảo giống sử dụng để nuôi cấy đang ở pha tăng trưởng nhanh. - Giai đoạn tăng trưởng nhanh: 5 Mật độ tảo Đây là giai đoạn tế bào phân chia nhanh chóng. Tốc độ này phụ thuộc vào điều kiện môi trường như dinh dưỡng, ánh sáng,… ở giai đoạn này mật độ tảo sẽ phát triển theo phương trình sau: C1= C0.emt Với C1, Co là mật độ tảo tại thời điểm t và 0. m: tốc độ phát triển đặc trưng. Tốc độ này phụ thuộc vào loài tảo, cường độ ánh sáng và nhiệt độ. - Giai đoạn tăng trưởng chậm: Ở giai đoạn này tốc độ của tảo giảm dần khi các điều kiện về dinh dưỡng, ánh sáng, pH, CO2,… trở thành những yếu tố giới hạn. Giai đoạn này sẽ xảy ra nhanh chóng với sự cân bằng bằng của tốc độ phát triển và những yếu tố hạn chế, lúc này sự phát triển của tảo sẽ bước vào giai đoạn cân bằng. - Giai đoạn cố định (cân bằng): Là giai đoạn mật độ tảo không đổi - Giai đoạn suy tàn: Khi chất lượng nước trở nên xấu đi, các chất dinh dưỡng giảm không đủ để tảo phát triển. Mật độ tảo giảm nhanh chóng và suy tàn. Trong thực tế, có nhiều yếu tố có thể ảnh hưởng đến sự suy tàn của tảo như hàm lượng dinh dưỡng trong môi trường nuôi cạn kiệt, không đủ ánh sáng cung cấp, quá nóng hoặc do sự ô nhiễm các loài tảo khác hoặc protozoa. Thời gian nuôi Hình 2.1: Các giai đoạn phát triển của tảo (Coutteau, 1996). 2.1.6 Một số yếu tố ảnh hƣởng đến sự sinh trƣởng và phát triển của tảo a. Ánh sáng Cũng như tất cả các loài thực vật khác, tảo tổng hợp carbon vô cơ thành vật chất hữu cơ nhờ vào quá trình quang hợp trong đó ánh sáng đóng vai trò quan trọng như một nguồn năng lượng cho quá trình quang hợp. Theo Graham và Wilcox (2000), tảo có đặc điểm hiệu ứng lại với sự tăng lên của cường độ ánh sáng. Khi 6 cường độ ánh sáng ở mức thấp thì tỉ lệ quang hợp sẽ cân bằng với tỉ lệ hô hấp, đây gọi là điểm đền bù, khi cường độ ánh sáng lớn hơn điểm đền bù, thì quang hợp sẽ cao hơn so với hô hấp. Nếu tảo ở trong điều kiện ánh sáng thấp nhiều giờ chúng sẽ thích nghi bằng cách tăng hàm lượng chlorophyll trong cơ thể. Khi ánh sáng nằm trong mức giới hạn thì quá trình quang hợp sẽ tăng lên với sự tăng lên của cường độ ánh sáng. Khi ánh sáng tiếp tục tăng lên tốc độ quang hợp giảm và tốc độ quang hợp sẽ ngược với ánh sáng khi vượt qua giới hạn giá trị cao nhất mỗi loài tảo khác nhau sẽ thích hợp với mức ánh sáng khác nhau. Tảo sẽ giảm lượng chlorophyll trong tế bào khi cường độ ánh sáng vượt qua giới hạn thích ứng, khi tảo ở trong điều kiện ánh sáng cao kéo dài sẽ dẫn đến sự tổn hại quá trình quang tổng hợp trong tế bào. Cường độ ánh sáng thích hợp hay không còn tùy thuộc vào điều kiện nuôi. Trong điều kiện bình thủy tinh, dung tích nhỏ cường độ ánh sáng đòi hỏi càng lớn, khoảng 5000 - 10000 lux. Nếu sử dụng ánh sáng nhân tạo thì thời gian chiếu sáng ít nhất 18 giờ/ngày. Trong mô hình nước xanh cải tiến, kết hợp với cá rô phi, cường độ chiếu sáng cho sự phát triển của Chlorella khoảng 4000 - 30.000 lux (Nguyễn Thanh Phương, 2003). b. Nhiệt độ Ảnh hưởng của nhiệt độ đến quang tổng hợp của các tế bào tảo Chlorella khác nhau theo từng loài (Oh-Hama và Miyachi, 1986). Nhiệt độ không chỉ ảnh hưởng trực tiếp hoặc gián tiếp lên quá trình trao đổi chất mà còn tác động lên cấu trúc tế bào (Payer, 1980). Mỗi loài tảo có khoảng nhiệt độ thích hợp khác nhau. Nhưng nhìn chung nhiệt độ tối ưu để nuôi tảo dao động trong khoảng 23 - 30oC tùy theo loài (Trương Sĩ Kỳ, 2004) .Tuy nhiên, nhiệt độ thích hợp cho tảo Chlorella thích hợp là 25 - 35oC nhưng tảo có thể chịu đựng nhiệt độ 37oC (Liao và ctv, 1983). Nhiệt độ dưới 10oC hoặc trên 37oC đều ảnh hưởng đến sự phát triển của tảo. Theo Semenenko (1969)(trích bởi Oh-Hama and Miyachi, 1986) khi quan sát tảo Chlorella cho rằng khi di chuyển từ nhiệt độ 37oC đến 43oC thì tốc độ gia tăng tế bào giảm nhanh chóng khi hoạt động quang tổng hợp vẫn tiếp tục trong một khoảng thời gian nhất định. Đồng thời thành phần sinh hóa của tảo cũng thay đổi rất lớn sinh tổng hợp carbohydrate tăng nhanh làm cho hàm lượng của chúng đạt đến 45% trọng lượng khô và hàm lượng protein giảm từ 43% còn 18% trong thời gian 14 giờ. Theo Trần Thị Thủy (2008) nhiệt độ tối ưu cho tảo Chlorella phát triển là 34 oC. c. pH Giới hạn pH cho sự phát triển của các loài tảo từ 7 - 9, nhưng thích hợp trong khoảng từ 8.2 - 8.7. Nếu pH thay đổi lớn có thể làm cho tảo bị tàn lụi (Nguyễn Thanh Phương, 2003). Trong trường hợp nuôi tảo có mật độ cao thì bổ sung CO2 7 nhằm ổn định pH dưới mức 9 trong suốt quá trình phát triển của tảo là cần thiết, pH thích hợp cho tảo Chlorella phát triển tốt nhất từ 8 - 9 (Trần Thị Thủy, 2008). Khi amonium hoặc nitrat được sử dụng như nguồn cung cấp nitơ cho tảo sẽ dẫn đến sự biến đổi pH của môi trường. Sự hấp thụ ion NO3- sẽ dấn đến tăng pH của môi trường ngược lại sự hấp thụ NH4+ sẽ làm giảm pH (Oh-Hama và Myjachi, 1986). Việc sử dụng ure ít làm thay đổi pH của môi trường ngay cả trong điều kiện tự dưỡng và dị dưỡng. d. Sục khí Trong nuôi cấy tảo, việc cung cấp khí có vai trò quan trọng trước mắt là sự đảo trộn để tránh trường hợp để tảo bị lắng xuống đáy. Đảm bảo cho tế bào tảo đều hấp thụ ánh sáng và dinh dưỡng đầy đủ. Mặt khác CO2 trong khí quyển chiếm khoảng 0.03% cần thiết cho quá trình quang hợp cũng như ổn định pH (trong trường hợp nuôi tăng sản lượng với mật độ cao cần bổ sung CO2 ). Hơn nữa, sục khí cung cấp O2 cho quá trình hô hấp của tảo, nó cũng giúp hạn chế sự phân tầng nhiệt độ, sự kết tủa của kim loại nặng cũng như sự lắng đáy và dẫn đến tình trạng thối rữa các hợp chất hữu cơ. Thí nghiệm về sục khí trong bể nuôi Chlorella của Persoone và Pauw (1980), nhận xét giữa các chế độ sục khí kiên tục, bán liên tục và không sục khí đã nhận thấy năng suất tảo của bể sục khí cao hơn 30% so với bể không sục khí. e. Dinh dƣỡng Trong quá trình quang hợp, thực vật cần nhiều chất dinh dưỡng để tổng hợp chất hữu cơ và sinh trưởng, trong số các nguyên tố cần thiết cho thực vật thì có vài nguyên tố có thể đáp ứng đủ nhu cầu (O2 và H2), các nguyên tố còn lại đều có hàm lượng rất thấp so với nhu cầu của thực vật. Do đó, thực vật thường hấp thu và dự trữ các nguyên tố C và O2 để phục vụ cho quá trình sinh trưởng cũng như tổng hợp chất hữu cơ. Bên cạnh carbon, nitơ và phosphor là hai nguồn dinh dưỡng cần thiết cho quá trình phát triển của tảo và tỷ lệ N/P thường được đề nghị là 6/1 (Valero và Abuin, 1981). * Đạm Đối với Chlorella các dạng đạm thường được hấp thu là amonium, nitrat và urea. Trong đó amonium cho kết quả tốt nhất (Iriarte, 1991). Trường hợp môi trường có amonium, nitrat và urea thì Chlorella sẽ sử dụng amonium trước tiên còn nitrat và urea sẽ được chuyển hóa thành amonium trước khi kết hợp vào thành phần hữu cơ. Việc bổ sung amonium vào tế bào tảo khi đang hấp thu nitrat thì lập tức hạn chế hoàn toàn quá trình này. Sự hấp thu amonium là nguyên nhân hạn chế việc hấp thu nitrat. Amonium không ảnh hưởng đến sự tổng hợp tiền thể của enzyme nitrat nhưng amonium và các sản phẩm chuyển hóa của nó dường như ngăn cản kết nối tiền thể protein vào trong enzyme hoạt hóa bằng cách hạn chế quá trình tổng hợp protein cần thiết cho sự kết nối này (Oh-Hama và Myjachi, 1986). 8 Chlorella có thể sử dụng nguồn urea khi nó có thể là nguồn cung cấp đạm duy nhất theo Roon (1968)(trích bởi Oh-Hama 1998) khi chuyển N-NO3- thành NH4+ đòi hỏi nguồn năng lượng và enzyme khử nitrat tương tự theo nghiên cứu của Ojeda (1986), về sự phát triển và thành phần hóa học của 3 loài tảo sử dụng 4 nguồn nitơ khác nhau. Ông nhận thấy khi sử dụng nguồn nitrat là urea trong khi Chlorella có tốc độ phát triển cao ở giai đoạn tăng trưởng khi sử dụng amonium. *Lân Lân là một trong những nguyên tố chính trong thành phần của tảo. Lân có vai trò chính trong đa số các quá trình xảy ra trong tế bào tảo đặc biệt là quá trình chuyển hóa năng lượng và tổng hợp acid nucleic. Giống như đạm, lân cũng là yếu tố giới hạn sinh trưởng của tảo. Tảo sử dụng chủ yếu là phosphor vô cơ, phosphor hữu cơ thường được thủy phân bởi các enzyme ngoại bào như phosphoesterase, phosphatase để chuyển sang dạng phosphor vô cơ dễ tiêu. Việc hấp thu lân ở tảo được kích thích bởi ánh sáng. Lân thường tồn tại ở hai dạng phosphat hữu cơ (DIP) hoặc phosphor vô cơ hòa tan (DOP). Hầu hết phosphor hòa tan là DOP. DIP thường ở dạng orthophosphat (PO43-) một ít monophosphat (HPO42-) và dihydrogen phosphat (H2PO4-). Tảo chỉ có thể sử dụng phosphat hữu cơ hòa tan. Khi môi trường thiếu phosphat hữu cơ hòa tan, tảo có thể tiết ra enzyme alkaline phosphatase, đây là một enzyme ngoại bào có khả năng giải phóng phosphat trong phạm vi chất hữu cơ. Hơn nữa, khi hàm lượng phosphat hữu cơ hòa tan biến động trong khoảng thời gian ngắn thì tảo có thể hấp thu và dư trữ phosphat dưới dạng polyphosphat trong tế bào. Trong thời gian biến động, một tế bào tảo có thể dự trữ phosphat đủ cho sự phân chia 20 tế bào (Graham và Wilcox, 2000). * Vitamin B12 Theo Maruyama (1980), thì khả năng hấp thu B12 của tảo Chlorella nước ngọt phụ thuộc vào điều kiện nuôi cấy. Ở Chlorella vulgaris K-22 tích trữ B12 trong cấu trúc tế bào với trữ lượng từ 0.2 - 1100 µm/100g. Vitamin B12 có thể được giữ lại trong tế bào trong đảm bảo đến 30 ngày trong điều kiện lạnh và 3 ngày nếu giữ tảo trong nước biển nhân tạo. 2.1.7 Khả năng sử dụng tảo Chlorella. a. Nuôi tảo Chlorella thu sinh khối Trong thủy sản và chăn nuôi, chlorella là thức ăn lý tưởng cho luân trùng, có khả năng tăng sinh khối cho luân trùng nhanh trong điều kiện ương nuôi cũng như đảm bảo dinh dưỡng trong luân trùng đầy đủ cho các ấu trùng cá, cua,… khi các khả năng bắt mồi và tốc độ tiêu hóa của ấu trùng Strombus gigas (nhuyễn thể) đối với 8 loài tảo. Theo Aranda và ctv (1994), nhận thấy khả năng bắt mồi của ấu trùng đối với Chlorella cao hơn so với các loài tảo khác như I. aff galbana, D. tertiolecta, Chlamydomonas coccoides, T. fluviatilis và T. suecica. Khả năng tiêu hóa bắt đầu 9 sau khi ăn 1giờ với tốc độ tiêu hóa của Chlorella nhanh hơn D. tertiolecta và T. fluviatilis. Ngoài ra Chlorella còn được sử dụng trong hệ thống nước xanh khi ương nuôi các ấu trùng tôm càng xanh, ấu trùng cua biển, và các ấu trùng các loại cá biển như cá măng (Chanos chanos). Sự bổ sung tảo vào bể ương ấu trùng tôm càng xanh sẽ cung cấp một số thành phần vi lượng hòa tan trong nước những dinh dưỡng cần thiết không có trong thức ăn. Mặt khác hạn chế được khả năng gây bệnh từ vi khuẩn nhờ sự phát triển của tảo trong bể ương. Chlorella với giá trị dinh dưỡng cao có thể sử dụng như một nguồn protein thay thế cho nguồn protein thông thường trong thức ăn cho động vật nuôi. Công nghệ sản xuất đại trà Chlorella: những thực nghiệm nuôi trồng đại trà Chlorella bắt đầu ở Đức vào những năm 1940 sau khi người ta nhận thấy tế bào tảo này có tới 50% protein trong sinh khối khô. Đầu những năm 1950, các nhà khoa học Mỹ cho thấy hàm lượng chất béo và protein trong Chlorella thay đổi theo điều kiện nuôi và môi trường và đã xây dựng một số nơi nuôi đại trà tảo. Năm 1957, Tamiay đã công bố công trình liên quan đến nuôi trồng Chlorella ở Nhật Bản. Nhật Bản được xem như quốc gia đầu tiên sản xuất và khinh doanh Chlorella dưới dạng thức ăn bổ dưỡng và tác nhân kích thích sinh trưởng (Đặng Đình Kim, 1999). b. Nuôi tảo Chlorella để xử lý nƣớc thải Theo Benerman (2009), nuôi tảo Chlorella để phục vụ cho chất đốt sinh học nói chung và sự khai thác dầu nói riêng không phải là một viễn cảnh. Ngoài ra tảo Chlorella cũng có vai trò trong việc xử lý nước thải, tảo sẽ loại bỏ nitơ và phospho ra khỏi môi trường nước. Một số thí nghiệm đã được tiến hành để kiểm tra sự chuyển hóa Đạm (TN) và photpho (TP) ra khỏi môi trường nước thải bằng tảo Chlorella như thí nghiệm của Gozalez (1997)(trích dẫn bởi Trần Sương Ngọc, 2003). Tác giả là người đã phát hiện ra Chlorella vulgaris và Scenedesmus dimorphus hấp thu 95% NH4+ và TP 50% trong nước thải. Tảo được nuôi trong các ống hình trụ và bình tam giác, cho thấy giai đoạn đầu Scenedesmus có hiệu quả xử lý tốt hơn trong loại bỏ dinh dưỡng nhưng thời kỳ cuối thí nghiệm thì tương tự nhau. Thí nghiệm cho thấy có thể dùng tảo Chlorella này để xử lý nước thải trên các sông ở Colombia. Sreesai and Pakpain (2007), đã nghiên cứu khả năng loại bỏ dinh dưỡng ra khỏi nước thải từ tảo Chlorella vulgaris, qua việc đo hàm lượng TN và TP. Sự loại bỏ dinh dưỡng cao nhất ở nghiệm thức nuôi tự nhiên và lượng TN và TP được loại bỏ khỏi môi trường nước lần lượt là 88% và 68%. 2.1.8 Ứng dụng tảo Chlorella - Trong y học. - Làm thực phẩm bổ sung dinh dưỡng và vitamin. - Mỹ phẩm. - Dùng nước thải để sản xuất dầu sinh học. 10 - Sản xuất biodiesel. - Nuôi trồng thủy hải sản (làm thức ăn cho luân trùng). 2.1.9 Công nghệ nuôi tảo Chlorella trên thế giới - Nuôi trồng Chlorella đầu tiên được tiến hành vào năm 1890. - Nuôi trồng tảo Chlorella với quy mô lớn bắt đầu vào đầu những năm 1960 tại Nhật Bản. - Đến năm 1980 đã có 46 nhà máy quy mô lớn ở châu Á sản xuất hơn 1000 kg Chlorella khô/tháng. - Tới đầu những năm 60 của thế kỷ XX các sản phẩm từ Chlorella đã được bán rộng rãi trên thị trường. a. Nuôi trong hệ thống hở - Ao hồ tự nhiên. - Hệ thống mặt nghiêng. - Hệ thống bể tròn. - Hệ thống ao nước chảy. b. Hệ thống nuôi kín - Là hệ thống nuôi với tỷ lệ chiếu sáng rất cao (>90%). - Ánh sáng không tác động trực tiếp lên bề mặt tảo nuôi mà phải xuyên qua thành thiết bị nuôi. - Hệ thống này cho phép giới hạn sự trao đổi trực tiếp của không khí và các chất gây ô nhiễm (bụi, vi sinh vật…) giữa tảo nuôi với môi trường ngoài. 2.2 Tổng quan về nƣớc thải cá tra. 2.2.1 Một số nguyên nhân gây ô nhiễm nguồn nƣớc từ việc nuôi cá tra. - Theo Nguyễn Thị Thu Trang (2008), nguyên nhân gây ô nhiễm môi trường của nước thải cá tra là do: (i) Kỹ thuật nuôi cá truyền thống sử dụng nguồn thức ăn tự chế làm cho các vật chất trong ao nuôi ngày càng tăng. (ii) Lượng các hóa chất và kháng sinh sử dụng cho cá trong quá trình nuôi tăng. (iii) Chưa có ao xử lý chất thải trước khi thải ra môi trường chiếm tỷ lệ cao (98% tổng số hộ nuôi). - Những người nuôi cá thường sử dụng các hóa chất vệ sinh cải tạo ao nuôi, các vật tư chuyên dụng như vôi bột, chế phẩm sinh hóa học và các loại thuốc kháng sinh, chất kích thích tăng trưởng cá với số lượng nhiều và gây nguồn nước ngày càng trở nên ô nhiễm (Phạm Đình Đôn, 2008). - Do người nuôi cá không tính kỹ lượng ăn của cá nên dẫn đến dư thừa trong quá trình nuôi. Đây là vấn đề thường thấy ở những người nuôi cá hiện nay (Phạm Đình Đôn, 2008). Bên cạnh đó, Châu Thị Đa và ctv (2008), cho rằng lượng chất thải từ thức ăn dư thừa và sự chuyển hóa chất thải từ của hệ thống nuôi cá sử dụng thức 11 ăn tự chế và thức ăn tươi từ xác cá tra thì rất cao và cao gấp 9 - 10 lần so với hệ thống nuôi sử dụng thức ăn viên. Qua đó cho thấy, sử dụng nguồn thức ăn tự chế trong nuôi cá tra sẽ tăng lượng chất hữu cơ trong đáy ao và nguồn nước trong ao nuôi ô nhiễm nhanh hơn. 2.2.2 Biến động môi trƣờng nƣớc trong hệ thống nuôi cá tra thâm canh. Hàm lượng chất dinh dưỡng và vật chất hữu cơ lơ lững trong nước ao nuôi cá tra thâm canh tăng kéo theo lượng tiêu hao sinh học và ô nhiễm môi trường tăng (Muir, 1992). Theo Veerina (1989), hàm lượng chất dinh dưỡng trong nước thải từ ao nuôi cá thâm canh rất cao và hơn 64% đạm tổng và 77% lân tổng từ thức ăn thất thoát ra môi trường nước (Udomkarm, 1989). Việc nuôi cá da trơn thâm canh trong bè hoặc ao sử dụng hoàn toàn thức ăn chế biến (Nguyễn Thanh Phương, 1998), và sản phẩm thải đi trực tiếp vào nước sông, kênh, rạch... Kết quả là các chất dinh dưỡng, vật chất hữu cơ đã làm giảm chất lượng môi trường nước phía hạ lưu của bè nuôi cũng như xung quanh vùng ao nuôi (Pillay, 1992). Môi trường nước của các ao cá có hàm lượng BOD và phần trăm hàm lượng hữu cơ lơ lững cao. Các muối dinh dưỡng hoà tan như NO3-, PO43- đạt giá trị cao từ tháng nuôi thứ 4 cho đến khi thu hoạch. Hàm lượng COD trong các ao có khuynh hướng tăng dần theo thời gian, khi lượng chất thải của cá và thức ăn dư thừa tích tụ ngày càng nhiều trong ao. Biến động của COD trong ao dao động từ 6.4 – 15.5 ppm trong các tháng của vụ nuôi. Lê Như Xuân (1994), Cho rằng COD thích hợp cho các ao nuôi cá từ 15 - 30 ppm, giới hạn cho phép là 15 - 40 ppm. Kết quả phân tích của Huỳnh Trường Giang (2008), ở An Giang thì hàm lượng BOD trong các ao nuôi cá tra dao động rất lớn từ 1.9 - 23 ppm, DO dao động từ 0.44 – 15.9 ppm. Theo kết quả nghiên cứu của Dương Thúy Yên (2003) thì DO thích hợp cho nuôi cá tra ao là trên 2 ppm. Trương Quốc Phú và Yang Yi (2003), đã công bố rằng phần trăm vật chất hữu cơ lơ lững (OSS) chứa trong tổng vật chất lơ lững (TSS) biến động từ 36.6% đến 48.9% cho thấy các phần tử hữu cơ có nguồn gốc từ thức ăn đã làm tổng vật chất hữu cơ lơ lững tăng lên. Kết quả khảo sát của tác giả cũng cho thấy trên sông Hậu vào các tháng từ 4 - 6 thường xuyên có TSS cao hơn 200 ppm. Kết quả nghiên cứu của Lê Bảo Ngọc (2004), đã báo rằng hàm lượng OSS trong ao nuôi cá tra rất cao và luôn ở mức lớn hơn 100 ppm nhưng cá vẫn sinh trưởng tốt. Dương Nhựt Long và ctv (2003), trong ao nuôi cá tra thâm canh DO dao động ngày đêm lớn từ 1.12 – 7.87 ppm, tỷ lệ sống của cá tra dao động 89 - 95%. Khi nuôi cá ở mật độ cao ao nuôi thường xảy ra thiếu oxy cục bộ do sự gia tăng của hàm lượng CO2 trong nước, pH giảm, NO2 tăng và sự biến động của một số yếu tố môi trường khác. Trong nước mặt tự nhiên hàm lượng lân hoà tan tồn tại từ 0.005 – 0.02 ppm, riêng đối với nuôi thuỷ sản, để quản lý tảo trong ao tốt thì lượng lân hoà tan phải 12