Nghiên Cứu Ảnh Hưởng Của Cường Độ Và Bước Sóng Đèn Led Đến Khả Năng Xử Lý Nước Thải Bằng CHLORELLA VULGARIS

HỌC VIỆN NÔNG NGHIỆP VIỆT NAM
KHOA MÔI TRƯỜNG
----------------

KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP
TÊN ĐỀ TÀI:

NGHIÊN CỨU ẢN HƯỞNG CƯỜNG ĐỘ VÀ BƯỚC SÓNG
ĐÈN LED ĐẾN KHẢ NĂNG XỬ LÝ NƯỚC THẢI BẰNG
CHLORELLA VULGARIS

Người thực hiện

: PHẠM ĐÌNH NGHĨA

Lớp

: MTD

Khóa

: 57

Chuyên ngành

: MÔI TRƯỜNG

Giáo viên hướng dẫn

: TS. ĐỖ THỦY NGUYÊN

Hà Nội - 2016


HỌC VIỆN NÔNG NGHIỆP VIỆT NAM
KHOA MÔI TRƯỜNG
----------------

KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP
TÊN ĐỀ TÀI:

NGHIÊN CỨU ẢNH HƯỞNG CƯỜNG ĐỘ VÀ BƯỚC SÓNG
ĐÈN LED ĐẾN KHẢ NĂNG XỬ LÝ NƯỚC THẢI BẰNG
CHLORELLA VULGARIS

Người thực hiện

: PHẠM ĐÌNH NGHĨA

Lớp

: MTD-K57

Khóa

: 57

Chuyên ngành

: MÔI TRƯỜNG

Giáo viên hướng dẫn

: TS. ĐỖ THỦY NGUYÊN

Hà Nội - 2016


MỤC LỤC
MỤC LỤC............................................................................................................................................i
DANH MỤC BẢNG.............................................................................................................................iii
DANH MỤC HÌNH..............................................................................................................................iv
PHẦN I: ĐẶT VẤN ĐỀ..........................................................................................................................1
1.1. Tính cấp thiết của đề tài.........................................................................................................1
PHẦN 2. TỔNG QUAN TÀI LIỆU..........................................................................................................4
2.1. Tổng quan về tảo Chlorella.....................................................................................................4
2.1.1. Đặc điểm phân loại..........................................................................................................4
2.1.2. Hình thái, cấu tạo.............................................................................................................4
2.1.3. Quá trình sinh sản............................................................................................................5
2.1.4.Quá trình sinh trưởng, phát triển của tảo.........................................................................5
2.1.5. Quá trình quang hợp của tảo...........................................................................................6
2.2. Các yếu tố ảnh hưởng đến tảo Chlorella...............................................................................10
2.2.1. Ánh sáng.......................................................................................................................10
2.2.2. Nhiệt độ.........................................................................................................................11
2.2.3. Dinh dưỡng....................................................................................................................11
2.3. Vai trò của ánh sáng đến sự sinh trưởng của tảo..................................................................14
2.3.1. Vai trò của ánh sáng tự nhiên........................................................................................14
2.3.2. Ứng dụng của ánh sáng nhân tạo trong nuôi cấy tảo.....................................................17
2.4. Ứng dụng ánh sáng đèn LED trong công nghệ xử lí nước thải..............................................18
PHẦN 3: ĐỐI TƯỢNG, PHẠM VI, NỘI DUNG VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU...............................22
3.1. Đối tượng nghiên cứu...........................................................................................................22

3.2. Phạm vi nghiên cứu..............................................................................................................22
3.3. Nội dung nghiên cứu............................................................................................................22

i


3.4. Phương pháp nghiên cứu.....................................................................................................22
3.4.1.Phương pháp thu thập dữ liệu thứ cấp và sơ cấp...........................................................22
3.4.2. Phương pháp bố trí thí nghiệm:.....................................................................................22
3.4.3. Phương pháp lấy mẫu và bảo quản mẫu.......................................................................26
3.4.4. Phương pháp xử lý số liệu.............................................................................................27
3.4.5. Phương pháp đánh giá kết quả......................................................................................28
PHẦN 4. KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU VÀ THẢO LUẬN.............................................................................29
4.1. Diễn biến sinh trưởng của tảo trong nước thải....................................................................29
4.2. So sánh hiệu quả trong các thí nghiệm sử dụng đèn LED.....................................................38
PHẦN 5: KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ....................................................................................................55
5.1. Kết luận.................................................................................................................................55
5.2. Kiến nghị...............................................................................................................................56
TÀI LIỆU THAM KHẢO......................................................................................................................57

ii


DANH MỤC BẢNG
Bảng 2.1. Các trị số năng lượng của ánh sáng..................................................................14
Bảng 2.2. Hiệu quả của bước sóng tới sự thay đổi sinh khối tảo.....................................20
Bảng 4.1. Sự biến động các thông số môi trường (nhiệt độ, pH và DO)...........................30
Bảng 4.2. Sự biến động của mật độ tảo và nồng độ Chlorophyll - a theo thời gian.........32
Bảng 4.3 : Biến động nồng độ NO3- và NH4+ trong thời gian nghiên cứu.......................35
Bảng 4.4 : Biến động nồng độ PO43- trong thời gian nghiên cứu....................................37

Bảng 4.5 : Nồng độ và hiệu suất loại bỏ thông số dinh dưỡng NH4 +, NO3-, PO43- trong
các công thức từ ngày thứ nhất đến ngày thứ 9..............................................................44
Bảng 4.6 : Nồng độ và hiệu suất loại bỏ thông số dinh dưỡng N tổng và P tổng trong các
công thức từ ngày thứ nhất đến ngày thứ 9....................................................................45

iii


DANH MỤC HÌNH
Hình 2.1. Tảo Chlorella...................................................................................................4
Hình 2.2. Các giai đoạn phát triển đặc trưng của tảo.....................................................6
Hình 2.3. Cơ chế quang hợp của tảo............................................................................10
Hình 2.4. Độ sâu truyền quang của các bước sóng khác nhau.....................................16
Hình 2.5. Hiệu quả loại bỏ COD và dinh dưỡng ở đèn LED đỏ tại các cường độ chiếu
sáng 2000μmol/m2/s. a: Nước thải giàu C; b: nước thải giàu N..................................20
Hình 2.6. Hiệu quả loại bỏ dinh dưỡng ở đèn LED đỏ tại các cường độ chiếu sáng. a:
Nước thải giàu C; b: nước thải giàu N..........................................................................21
Hình 3.1: Sơ đồ mặt cắt ngang các bể thí nghiệm với đèn LED lam.............................23
Hình 3.2: Bố trí thí nghiệm với đèn LED lam...............................................................24
Hình 3.3: Sơ đồ mặt cắt ngang các bể thí nghiệm với đèn LED đỏ...............................24
Hình 3.4: Bố trí thí nghiệm với đèn LED đỏ..................................................................25
Hình 3.5: Sơ đồ mặt cắt ngang các bể thí nghiệm với đèn LED lục...............................26
Hình 3.6: Bố trí thí nghiệm với đèn LED lục..................................................................26
Hình 4.1. Diễn biến pH của công thức đèn LED đỏ (bước sóng 120µmol/m2/s)..........31
Hình 4.2. Diễn biến DO của công thức đèn LED đỏ (bước sóng 120 µmol/m2/s)........31
Hình 4.3. Sự thay đổi của mật độ tảo theo thời gian giữa các công thức thí nghiệm...34
Hình 4.4. Sự thay đổi của Chlorophyll-a theo thời gian giữa các công thức thí nghiệm
.....................................................................................................................................35
Hình 4.5. Diễn biến nồng độ nitrat theo thời gian giữa các công thức.........................36
Hình 4.6. Diễn biến nồng độ amoni theo thời gian giữa các công thức.......................37

Hình 4.7. Diễn biến nồng độ photphat theo thời gian giữa các công thức...................38
Hình 4.8. So sánh mật độ tảo giữa các công thức trong thời gian thí nghiệm 9 ngày. .40
Hình 4.9. So sánh mật độ tảo giữa các công thức từ ngày thứ 3 đến ngày thứ 9.........40
Hình 4.10. So sánh mật độ tảo giữa các công thức từ ngày 5 đến ngày 9....................41

iv


Hình 4.11. So sánh nồng độ Chlorophyll-a giữa các công thức trong thời gian thí
nghiệm 9 ngày..............................................................................................................42
Hình 4.12. So sánh nồng độ Chlorophyll-a giữa các công thức từ ngày 3 đến ngày 9. .42
Hình 4.13. So sánh nồng độ Chlorophyll-a giữa các công thức từ ngày 6 đến ngày 9. .43
Hình 4.14: Hiệu suất loại bỏ dinh duỡng NO3- của các công thức...............................47
.....................................................................................................................................48
Hình 4.15: Hiệu suất loại bỏ dinh duỡng NH4+ của các công thức...............................48
.....................................................................................................................................49
Hình 4.16: Hiệu suất loại bỏ dinh dưỡng PO43- của các công thức.............................49
.....................................................................................................................................50
Hình 4.17: Hiệu suất loại bỏ N tổng của các công thức................................................50
.....................................................................................................................................50
Hình 4.18: Hiệu suất loại bỏ P tổng của các công thức................................................50
Hình 4.19: Mối tương quan giữa mật độ và các thông số dinh dưỡng.........................51
Hình 4.20: Công thức mô hình hàm hồi quy đa biến giữa mật độ tảo và hàm lượng
dinh dưỡng..................................................................................................................52
Hình 4.21: Mối tương quan giữa Chlorophyll-a và các thông số..................................53
dinh dưỡng..................................................................................................................53
Hình 4.22: Công thức mô hình hàm hồi quy đa biến giữa Chlorophyll-a và các thông số
dinh dưỡng..................................................................................................................54

v

PHẦN I: ĐẶT VẤN ĐỀ
1.1. Tính cấp thiết của đề tài
Nước thải sinh hoạt thường chứa hàm lượng cao các chất dinh dưỡng
vô cơ và hữu cơ. Nồng độ các chất trong nước thải sinh hoạt thông thường
dao động trong khoảng: Chất rắn tan (350-1200 mg/l), cặn không tan (100350 mg/l), BOD (110-400 mg/l), TOC (80-240 mg/l), COD (250-1000 mg/l),
N-tổng (20-85 mg/l), NH3-N (12-50 mg/l), P-tổng (4-15 mg/l), P-hữu cơ (1-5
mg/l), P-vô cơ (3-10 mg/l).
Nước thải được thải ra môi trường không qua xử lý, xử lý không đúng
quy cách và tích tụ lâu ngày trong các thủy vực tiếp nhận sẽ là một gánh nặng
to lớn với môi trường (Phan Thị Công và cộng sự, 2012). Để đảm bảo nước
thải đầu ra phù hợp với quy chuẩn môi trường cần phải có các biện pháp xử lí
phù hợp.
Để hạn chế các ảnh hưởng bất lợi do nước thải, nhiều kỹ thuật xử lý đã
được nghiên cứu phát triển. Các giải pháp công nghệ xử lý nước thải giàu
dinh dưỡng đã được thử nghiệm. Tại Singapore mấy năm gần đây đã có các
công nghệ xử lí nước thải như: Công nghệ lọc Ultra (UF), công nghệ lọc thẩm
thấu ngược (RO) hay ở Israel, nước thải công nghiệp và sinh hoạt đều được
thu gom vào các hệ thống xử lý tập trung. Ở các hệ thống này sử dụng các
giải pháp xử lý dựa vào từ tính (sử dụng thanh nam châm để tách các chất hữu
cơ độc hại như dầu, chất tẩy rửa, hóa chất nhuộm và kim loại nặng trong nước
thải); xử lý bằng phương pháp kết đông điện từ (xử lý loại bỏ kim loại nặng
trong nước bằng việc đưa hyđrôxyt kim loại trùng hợp, là phương pháp dùng
để xử lý nước thải công nghiệp và đô thị); xử lý bằng cách làm lắng đọng
(nước được làm sạch bằng việc lắng chất bẩn có thể được sử dụng trong nông
nghiệp)…Các công nghệ này cho hiệu quả xử lý cao, tuy nhiên chi phí đầu tư,
vận hành cao, đòi hỏi xử lý tập trung, điều này dẫn tới không khả thi trong

1

điều kiện thực tế. Do vậy, việc nghiên cứu tìm ra giải pháp xử lý hiệu quả, chí
phí thấp và phù hợp là rất cần thiết. Hiện nay thì giải pháp sử dụng công nghệ
sinh học trong xử lý nước thải đang được các nước vô cùng quan tâm và ưu
tiên thực hiện. Công nghệ sinh học vừa mang lại lợi ích cho kinh tế, vừa mang
lại lợi ích cho xã hội lẫn môi trường. Ứng dụng công nghệ sinh học như một
vòng tuần hoàn tự nhiên khép kín, xử lý nước thải hiệu quả mà không mang
lại ảnh hưởng xấu hoặc biến đổi bất lợi khác cho môi trường. Chất lượng
nước đầu ra sạch hơn và có tính chất như nước tự nhiên.
Gần đây tại một số nước phát triển như Nhật Bản, Trung Quốc, Mỹ,
Anh , Singapore…, công nghệ nuôi tảo hiệu suất cao đã và đang được sử
dụng cho mục đích xử lý nước thải. Liang Wang và cộng sự (2009) đã nghiên
cứu sử dụng tảo Chlorella xử lý nước thải sinh hoạt, tổng N và tổng P giảm
được trong nghiên cứu lần lượt là 76% và 65%, Liandong Zhu và cộng sự
(2013) cũng nghiên cứu với nước thải chăn nuôi cho thấy giá trị này lần lượt
là 76% và 65%.
Nguyên lý chung của công nghệ nhằm mục đích tăng sinh khôi tảo,
việc phát triển sinh khối của tảo đồng nghĩa với việc loại bỏ các thành phần ô
nhiễm (N và P) có trong nước thải. Việc phát triển công nghệ xử lý đưa vào
thực tiễn cần phải tiến hành các thí nghiệm trong phòng để khống chế các yếu
tố ảnh hưởng tới quá trình xử lý. Trong công nghệ nuôi tảo hiệu suất cao, có
các yếu tố như: Ánh sáng, nhiệt độ, hàm lượng CO2 hoà tan trong nước, và
dinh dưỡng (N và P). Trong các yếu tố giới hạn kể trên thì ánh sáng đóng vai
trò quan trọng đối với quá trình quang hợp của tảo (Laura Barsanti, 2006), do
đó tôi kiểm soát ánh sáng để kích thích sự phát triển của chúng theo không
gian và trong một khoảng thời gian nhất định.
Đề tài này đã sử dụng ánh sáng nhân tạo từ đèn LED giúp cung cấp ánh
sáng một cách chủ động, điều chỉnh bước sóng và cường độ phù hợp để theo
dõi sự sinh trưởng của tảo và khả năng xử lý nước thải của chúng.

2


Chính vì vậy, tôi lựa chọn thực hiện đề tài: “Nghiên cứu ảnh hưởng
cường độ và bước sóng đèn LED đến khả năng xử lý nước thải bằng
Chlorella vulgaris”

3


PHẦN 2. TỔNG QUAN TÀI LIỆU
2.1. Tổng quan về tảo Chlorella
2.1.1. Đặc điểm phân loại
Giới: Plantae
Ngành: Chlorophyta
Lớp: Chlorophyceae
Bộ: Chlorococales
Họ: Chlorellaceae
Giống: Chlorella (Bold và Wynne, 1978)

Hình 2.1. Tảo Chlorella
2.1.2. Hình thái, cấu tạo
Chlorella là loại tảo đơn bào, không có tiêm mao, không có khả năng di
động chủ động. Tế bào có dạng hình cầu hoặc hình oval. Kích cỡ tế bào từ 3 5µm, hay ngay cả 2 - 4µm tùy loài, tùy điều kiện môi trường và giai đoạn
phát triển. Màng tế bào có vách cellulose bao bọc, 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 của tế bào tảo (Trần Văn Vĩ,1995).

4


2.1.3. Quá trình sinh sản
Dưới những điều kiện sống tối ưu: nhiều ánh sáng, nước trong, 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
rất nhanh, trong ba giờ có khả năng tăng gấp đôi mật độ. Tảo Chlorella không
có sự sinh sản hữu tính. Quá trình sinh sản được tiến hành nhờ tạo nên trong
cơ thể mẹ các tự bào tử. Tùy theo loài tảo và điều kiện môi trường mà số
lượng các tự bào tử có thể là 2, 4, 8, 16, 32 (thậm chí có trường hợp tạo ra 64
tự bào tử) sau khi kết thúc sự phân chia, tự bào tử tách khỏi cơ thể mẹ bằng
cách xé màng tế bào mẹ. Các tế bào trẻ này sẽ lớn lên và phát triển đến giai
đoạn chín, có khả năng sinh sản, toàn bộ chu trình lập lại từ đầu (Trần Văn
Vĩ, 1995).
2.1.4.Quá trình sinh trưởng, phát triển của tảo
Tamiya, 1963 (trích bởi Sharma, 1998) trong khi nghiên cứu vòng đời
của Chlorella ellipsoidea chia làm 4 giai đoạn:
Giai đoạn tăng trưởng: ở giai đoạn này các tự bào tử sẽ tăng nhanh về
kích thước nhờ các sản phẩm sinh tổng hợp.
Giai đoạn bắt đầu chín: tế bào mẹ chuẩn bị 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: màng tế bào mẹ bị vỡ ra, các tự bào tử được
phóng thích ra ngoài.
Theo Trần Thị Thanh Hiền và cộng sự (2003), với chế độ dinh dưỡng
thích hợp và điều kiện lý học thuận lợi quá trình sinh trưởng của tảo trải qua
các pha sau:

5

Hình 2.2. Các giai đoạn phát triển đặc trưng của tảo
Pha chậm: Do sự giảm trao đổi chất của tảo giống, tế bào gia tăng kích
thước nhưng không có sự phân chia.
Pha tăng trưởng: tế bào phân chia rất nhanh và liên tục, tùy thuộc vào
kích thước tế bào, cường độ ánh sáng, nhiệt độ…
Pha tăng trưởng chậm: sự sinh trưởng của tảo bị ức chế do sự thay
đổi một yếu tố nào đó. 11 Pha quân bình: Sự cân bằng được tạo ra giữa
tốc độ tăng trưởng và các nhân tố giới hạn.
Pha suy tàn: do dinh dưỡng cạn kiệt, tảo bị suy tàn.
2.1.5. Quá trình quang hợp của tảo
2.1.5.1. Các nhóm sắc tố quang hợp của tảo
Các sắc tố hấp thụ năng lượng ánh sáng sử dụng cho quá trình quang
hợp. Chúng định vị trong các lục lạp của thực vật hoặc phân tán trong chất tế
bào của sinh vật nhân sơ. Tất cả các sinh vật quang hợp đều chứa chlorophyl
và carotenoid. Một số khác còn chứa phycobilin. Chlorophyl a là sắc tố chính
vì năng lượng do nó hấp thụ được sử dụng trực tiếp cho các phản ứng sáng
của quang hợp. Các sắc tố còn lại là các sắc tố phụ vì năng lượng ánh sáng mà
chúng hấp thụ được đều phải truyền cho chlorophyl a.

6


- Chlorophyll (chất diệp lục)
Nhóm sắc tố quang hợp ở thực vật và một số vi sinh vật quang hợp.
Chất diệp lục hấp thụ ánh sáng vùng đỏ và vùng xanh tím để lại vùng xanh
lục tạo nên màu xanh lục của lá cây. Phân tử diệp lục gồm có phần đầu thích
nước là một vòng porphyrin chứa nhân Mg và một cái đuôi hydrat carbon dài
kỵ nước (rượu phytol). Nhóm chất diệp lục ở vi khuẩn quang hợp về mặt cấu

trúc đều giống với nhóm chất diệp lục ở thực vật, nhưng hấp thụ ánh sáng ở
các bước sóng dài hơn và như vậy các vi sinh vật quang hợp đã sử dụng cả
ánh sáng đỏ xa và ánh sáng hồng ngoại trong quá trình quang hợp của mình.
Trong dải bước sóng của ánh sáng nhìn thấy (400-700nm) có 2 vùng hấp thụ
của chlorophyll là xanh lam (430nm) và đỏ (622nm) (Vũ Văn Vụ, Vũ Thanh
Tâm, Hoàng Minh Tấn, 2005).
- Carotenoids
Carotenoid (C40H56) được cấu tạo từ gốc isopren, không tan trong
nước, tan trong dung môi hữu cơ, hấp thụ bước sóng 446-476 nm (Bài giảng
những sắc tố quang hợp, 2008). Carotenid là sắc tố màu vàng, da cam hoặc
đỏ; có mặt ở tất cả các sinh vật quang hợp, trong đó có các nhóm tảo.
Carotenoid được coi là tiền Vitamin A.
- Xanthophyll
Xanthophyll (C40H56On) là những carotenoid chứa oxy, chúng là dẫn
xuất của carotenoid, hấp thụ ánh sáng có bước song trong khoảng 451-481 nm
(Vũ Văn Vụ, Vũ Thanh Tâm, Hoàng Minh Tấn, 2005), thường có mặt ở cây
bậc cao và các loài tảo. Xanthophyll được coi là yếu tố không thể thiếu với
carotenoid (Bài giảng những sắc tố quang hợp, 2008), thường cứ 1 phân tử
carotenoid thì có 2 phân tử xanthophyll.
- Phycobilins
Nhóm sắc tố quang hợp phụ chỉ có trong vi khuẩn lam (cyanobacteria),
trong tảo đỏ (rhodophyta). Về mặt hoá học chúng là tetrapyron mạch thẳng,

7


khác với chlorophyll, là tetrapyrron mạch vòng. Phycobilin hấp thụ ánh sáng
ở phần trung gian của quang phổ - nơi chlorophyll không hấp thụ. Chúng có
vai trò quan trọng đối với các thực vật sống trong nước sâu hoặc sống dưới
tán rừng - nơi mà ánh sáng xanh tím và ánh sáng đỏ bị hấp thụ ngay trên tầng

bề mặt. Phycobilin gồm phycoerithrin và phycoxianin. Quang phổ hấp thụ
cực đại trong dung dịch clorophooc của phycoerithrin ở 550nm và
phycoxianin ở 612nm (Vũ Văn Vụ, Vũ Thanh Tâm, Hoàng Minh Tấn, 2005).
2.1.5.2.Cơ chế quang hợp của tảo Chlorella
Cũng như các loài thực vật khác, tảo tổng hợp cacbon vô cơ thành các
vật chất hữu cơ nhờ quá trình quang hợp do đó ánh sáng đóng vai trò quan
trọng trong quá trình này. Cường độ ánh sáng cần thiết cho nuôi cấy tảo thay
đổi tùy theo mật độ tảo, độ sâu nước nuôi, dụng cụ nuôi cấy. Quá trình quang
hợp của tảo sẽ gia tăng khi cường độ bức xạ mặt trời gia tăng và sẽ giảm khi
cường độ bức xạ mặt trời giảm (Trương Quốc Phú, 2006). Tảo sử dụng chất
Chlorophyll và một số chất màu quang hợp để hấp thụ ánh sáng mặt trời để
biến đổi năng lượng hóa học dự trữ trong ATP và một số chất khử khác (Lê
Văn Cát, 2006). Năng lượng mà tảo hấp thu được chuyển hóa từ dạng carbon
vô cơ ( khí CO2, độ kiềm HCO3 - thành dạng carbon hữu cơ ở dạng đơn giản
nhất là đường đơn qua quá trình quang hợp. Theo Graham và cộng sự, (2000)
tảo có đặc điểm hiệu ứng lại với sự tăng lên của cường độ ánh sáng.
2.1.5.2.1.Pha sáng quang hợp
Quang hoá là giai đoạn chuyển hoá năng lượng của các điện tử ở hai
tâm quang hợp đã được làm giàu bởi năng lượng ánh sáng thành năng lượng
của các hợp chất giàu năng lượng là ATP và NADPH.
Quang hoá được thực hiện tại hai tâm quang hợp với sự tham gia của
hai hệ thống quang hoá I và II (PSI và PSII). Hoạt động chính của giai đoạn
quang hoá là quá trình quang phân ly nước và quá trình photphoryl hoá.

8


2.1.5.2.2. Pha tối quang hợp
Sau khi pha sáng tạo ra ATP và NADPH2, giai đoạn tiếp theo của
quang hợp là sử dụng ATP. NADPH 2 để khử CO2, tạo nên các sản phẩm của

quang hợp. Quá trình này xảy ra không cần sử dụng năng lượng ánh sáng mà
chỉ dùng sản phẩm của pha sáng là ATP, NADPH 2 nên được gọi là pha tối
quang hợp. Pha tối là một chuỗi phản ứng hoá sinh được thực hiện nhờ hệ
enzyme xúc tác.
Chu trình Calvin – Benson: xảy ra theo 3 giai đoạn là giai đoạn tiếp
nhận CO2, giai đoạn khử APG và giai đoạn tái tạo C5.
-Giai đoạn tiếp nhận CO2: Ở giai đoạn này CO2 bị khử để hình thành
nên sản phẩm đầu tiên của quang hợp là acid photphoglixeric (APG)
-Giai đoạn khử APG: Ở giai đoạn này acid diphotphoglixeric (ADPG) bị
khử để tạo thành aldehyt photphoglixeric (ALPG) với sự tham gia của NADPH2
-Giai đoạn tái tạo C5:

Kết quả chung của chu trình:
Kết hợp với pha sáng ta có:

Sản phẩm chu trình Calvin là C6H12O6, từ C6H12O6 sẽ tạo nên tinh bột,
các hợp chất hữu cơ khác. Có thể nói mọi chất hữu cơ có trong cây đều được
tạo ra từ quang hợp.

9


Hình 2.3. Cơ chế quang hợp của tảo
2.2. Các yếu tố ảnh hưởng đến tảo Chlorella
2.2.1. Ánh sáng
Ánh sáng là nguồn năng lượng chính trong giai đoạn tăng trưởng quang
tự dưỡng của vi tảo. Để cho tảo phát triển cần một mức độ nhất định về cường
độ ánh sáng, tuy nhiên nếu ánh sáng quá mạnh vượt mức độ bão hòa sẽ gây ra
hiện tượng photoinhibition - hiện tượng ức chế ánh sáng. Điều này có thể làm
bất hoạt các enzym tham gia vào quá trình cố định CO2, dẫn đến sẽ hạn chế sự

phát triển của tảo (Iqbal và cộng sự, 102). Ở điều kiện thiếu ánh sáng trong
thời gian dài chúng sẽ thích nghi bằng cách tăng hàm lượng Chlorophyll trong
cơ thể. Đặc tính ánh sáng khác nhau sẽ tạo ra Chlorophyll khác nhau và cũng
ảnh hưởng đến quang hợp của tảo, mặt khác nó còn ảnh hưởng đến sinh
trưởng và tỷ lệ sinh khối ( Hu, 2003). Cường độ ánh sáng thích hợp thay đổi
rất lớn tùy theo điều kiện nuôi. Nuôi trong bình thủy tinh, dung tích nhỏ cần
cường độ ánh sáng khoảng 1.000 lux, với bể nuôi lớn cường độ ánh sáng cũng
lớn khoảng 5.000 – 10.000 lux. Sử dụng ánh sáng nhân tạo thì thời gian chiếu
sáng ít nhất 18 giờ/ngày. Nuôi tảo Chlorella trong quy trình nước xanh cải
tiến bằng cá rô phi, cường độ ánh sáng cần khoảng 4.000 – 30.000 lux

10


(Nguyễn Thanh Phương và cộng sự, 2003). Ngoài cường độ ánh sáng, chu kỳ
ánh sáng và các thành phần quang phổ của ánh sáng cũng tác động tới sự phát
triển của tảo. Trong điều kiện cường độ ánh sáng cao, hiệu quả sử dụng ánh
sáng có thể được tối ưu hóa bằng cách kéo dài thời gian tối. Điều này cho
phép bộ máy quang hợp trong tế bào tảo sử dụng được hết các photon hấp thụ
được và chuyển chúng thành năng lượng hóa học, do vậy tránh được ảnh
hưởng của photoinhibition. Theo Emerson và cộng sự , (1943), ánh sáng màu
xanh lam (456 nm) và ánh sáng màu đỏ(660 nm) có hiệu quả nhất đối với sự
quang hợp của tảo Chlorella vulgaris.
2.2.2. Nhiệt độ
Mỗi loài tảo cần nuôi ở một khoảng nhiệt độ nước thích hợp, ngoài
ngưỡng nhiệt độ tảo sẽ không phát triển và có thể bị chết. Nhìn chung nhiệt
độ tốt nhất cho sự phát triển của tảo nằm trong khoảng 23 – 30 0C tùy loài, ở
400C tế bào tảo sẽ bị tổn hại ( Richmond, 1986 ). Tuy nhiên nhiệt độ tối ưu cho
tảo Chlorella Vulgaris là 250C, nhưng có thể chịu đựng được nhiệt độ 370C
(Liao,1983)

2.2.3. Dinh dưỡng
Qúa trình quang hợp tảo cần nhiều vật chất dinh dưỡng để tổng hợp
chất hữu cơ và sinh trưởng, trong số các nguyên tố cần thiết cho tảo thì trong
nước chỉ có vài nguyên tố có thể đáp ứng đủ nhu cầu (O2 và H2), các nguyên
tố còn lại đều có hàm luợng rất thấp so với nhu cầu của tảo. Do đó, tảo
thường tăng cường hấp thu và dự trữ các nguyên tố đó để phục vụ cho quá
trình sinh trưởng cũng như tổng hợp chất hữu cơ. Bên cạnh cacbon, nitơ và
photpho là 2 nguồn dinh dưỡng cần thiết cho quá trình phát triển của tảo
(Valero, 1981).
2.2.3.1. Nitơ
Đối với Chlorella nguồn nitơ sử dụng là muối amonium, nitrate và urea
trong đó amonium cho kết quả tốt nhất (Iriarte, 1991). Trường hợp nguồn nitơ

11


có đồng thời amonium, nitrate và urea thì Chlorella sẽ sử dụng amonium
trước còn nitrate và urea sẽ được tảo 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 nitrate thì lập tức hạn chế hoàn toàn quá trình này. Sự hấp thu
amonium là nguyên nhân kìm chế enzym hấp thu nitrate. Amonium không
ảnh hưởng đến sự tổng hợp tiền thể của enzym nitrate nhưng amonium hoặc
các sản phẩm chuyển hóa của nó dường như ngăn cản kết nối tiền thể protein
vào trong enzym hoạt hóa bằng cách hạn chế quá trình tổng hợp protein cần
thiết cho sự kết nối này (Oh – Hama và cộng sự, 1986). Chlorella có thể sử
dụng nguồn urea khi nó là nguồn cung cấp nitơ duy nhất (Roon, 1968 trích
bởi Oh – Hama, 1986). Khi chuyển N – NO3 - thành N – NH4+ đòi hỏi nguồn
năng lượng và enzym khử nitrate. 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
nitrogen khác nhau. Ông nhận thấy tảo phát triển tốt ở giai đoạn cuối khi sử

dụng nguồn nitrate là urea trong khi Chlorella có tốc độ phát triển cao giai
đoạn tăng trưởng khi sử dụng amonium. Tùy loài Chlorella mà có sự tích lũy
acid béo hoặc tinh bột khác nhau: C. Ellipsoidea SK và C. Pyrenoidosa sẽ
tăng acid béo trong khi Chlorella chỉ tăng về carbonhydrate và C. Vulgaris
tăng cả về carbon và acid béo. Sự thay đổi quá trình trao đổi chất kết hợp với
tốc độ phát triển của tế bào tảo giảm dưới điều kiện thiếu nitrogen (Oh –
Hama, 1986).
2.2.3.2. Photpho
Photpho là một trong những nhân tố chính trong thành phần của tảo.
Photpho có vai trò chính trong đa số các quá trình xảy ra trong tế bào đặt biệt
là quá trình chuyển hoá năng lượng và tổng hợp acid nucleic. Giống như nitơ,
photpho cũng là yếu tố giới hạn sinh trưởng của tảo. Tảo sử dụng chủ yếu là
photpho vô cơ. Photpho hữu cơ thường được thuỷ phân bởi các enzym ngoại
bào như phosphoesterase, phosphatase để chuyển sang dạng photpho vô cơ dễ

12


tiêu. Việc hấp thu photpho ở tảo được kích thích bởi ánh sáng. Photpho
thường tồn tại ở hai dạng photphat hữu cơ ( DIP) hoặc photpho vô cơ hoà tan
( DOP). Hầu hết photpho hoà tan là DOP. DIP thường ở dạng Orthophosphat
(PO43- ) và một ít Monophosphat ( HPO4 2- ) và Dihydrogen phosphat
(H2PO4-). Tảo chỉ có thể sử dụng photphat hữu cơ hoà tan. Khi môi trường
thiếu photphat hữu cơ hoà tan, tảo có thể tiết ra enzym alkaline phosphatase,
đây là một loại enzym ngoại bào có khả năng giải phóng photphat trong phạm
vi chất hữu cơ. Hơn nữa, khi hàm lượng photphat hữu cơ hoà tan biến động
trong khoảng thời gian ngắn thì tảo có thể hấp thu và dự trữ photphat trong tế
bào. Trong thời gian biến động, một tế bào tảo có thể dự trữ photphat đủ cho
sự phân chia 20 tế bào (Graham, 2000). Một số nghiên cứu đã chỉ ra rằng,
trong môi trường tự nhiên, phốtpho là yếu tố giới hạn đối với sự phát triển của

tảo (Borchardt và cộng sự, 1968).
2.2.2.3. Cacbon
Cacbon cũng là một trong những chất dinh dưỡng quan trọng cần phải
được cung cấp trong quá trình sinh trưởng của tảo. Nó là yếu tố cần thiết cho
quang hợp và sinh sản. Tỷ lệ cố định cacbon thấp sẽ làm giảm tốc độ tăng
trưởng của tảo. Cacbon có thể được sử dụng dưới các hình thức của cacbonat
hoặc bicacbonat. CO2 trong nước có thể có mặt ở bất kỳ hình thức nào tùy
thuộc vào pH, nhiệt độ và hàm lượng dinh dưỡng. Ở những giá trị pH cao,
lượng cacbonat tăng và bicacbonat giảm (Chen và cộng sự, 1994). Ở những
giá trị pH trung bình (pH=8.2), 90% cacbon hiện diện trong HCO 3-, chỉ có 1%
tồn tại như CO2 phân tử và phần còn lại là bicacbonat. (Eshaq và cộng sự,
2010). Khi hàm lượng CO2 quá cao có thể làm giảm nồng độ tương đối của
protein và các sắc tố trong tế bào nhưng làm gia tăng hàm lượng
carbohydrate. Sự thay đổi trong thành phần tế bào này làm giảm năng suất
sinh khối tối đa ( Gordillo và cộng sự, 1998)

13


2.3. Vai trò của ánh sáng đến sự sinh trưởng của tảo
2.3.1. Vai trò của ánh sáng tự nhiên
Ánh sáng mặt trời là nguồn năng lượng vô tận cung cấp cho nhu
cầu của quang hợp. Một đặc tính quan trọng của ánh sáng là mang năng
lượng. Năng lượng của ánh sáng được tính theo phương trình của Einstein:
E = hγ = hC / λ
Trong đó:

E: năng lượng của Photon (eV) hay của Einstein (Kcalo)
h: hằng số Planck (6,625.10-34 J.s)
γ: tần số ánh sáng

λ: bước sóng ánh sáng (nm)
C: tốc độ ánh sáng (3.1010 cm/s)

Từ công thức trên, chúng ta có thể tính được năng lượng của
các tia sáng khác nhau. Năng lượng được tính theo đơn vị eV hay Kcalo.
Bảng 2.1. Các trị số năng lượng của ánh sáng
TT

Bước sóng

Tần số (γ

E/Photon

E/Einstein

Photon

1
2
3
4

λ (nm)
400
500
600
700

= c/ λ)

760
600
500
428

(eV)
3,12
2,50
2,08
1,78

(Kcalo)
71
57
48
42

/Kcalo
0,83.1023
1,05.1023
1,25.1023
1,44.1023

Qua Bảng 2.1 cho thấy năng lượng của ánh sáng tỷ lệ với λ. Trong
vùng ánh sáng sinh lý (380-800 nm), tia đỏ có năng lượng bé nhất, ngược lại
số Photon/Kcalo lại lớn nhất. Một tính chất rất quan trọng khác của ánh sáng
là nhờ mang năng lượng nên ánh sáng có tính chất quang hoá. Đó là khả năng
gây ra những biến đổi lý hoá của các chất khi các phân tử hấp thu được các
Photon. Các phân tử khi nhận năng lượng từ Photon truyền cho sẽ chuyển
sang trạng thái giàu năng lượng hơn - đó là trạng thái hoạt hoá hay trạng thái

kích động điện tử (excited). Từ trạng thái hoạt hoá các phân tử mới thực hiện

14


các biến đổi tiếp theo.
Trong đó:

A là trạng thái không hoạt động
A* là trạng thái kích thích

Bức xạ quang hợp (photosynthetic radiation) có bước sóng từ 400 nm
đến 700 nm (bức xạ ánh sáng nhìn thấy) có hiệu quả đối với quang hợp. Theo
lý thuyết, hiệu quả này từ 19 – 32%, nhưng thực tế chỉ từ 1,5 – 5%.
Năng lượng sóng ánh sáng có thể được chuyển hóa thành năng lượng
tiềm tàng thông qua chu trình sinh hóa như quang hợp. Ánh sáng cũng có thể
bị hấp thụ và biến đổi thành nhiệt bởi các hạt lơ lửng và các chất hòa tan trong
nước. Nước hấp thụ mạnh đối với bước sóng hồng ngoại (>750 nm), giảm đi
đối với dải bước sóng nhìn thấy (750-350 nm) và tiếp tục giảm với bước sóng
tử ngoại (<350 nm). Tính theo độ sâu từ bề mặt, khả năng truyền quang của
ánh sáng đỏ (680 nm) trong nước cất giảm dần trong vài mét đầu tiên; tiếp
đến là ánh sáng cam có khả năng truyền nhỏ hơn 20m. Chỉ 5% ánh sáng vàng
(580 nm), 46% ánh sáng xanh lục (520 nm) và gần 70% ánh sáng xanh lam
được duy trì ở độ sâu 70 m (Christer Brönmark and Lars-Anders Hansson,
2005) (Hình 2.4). Nhìn chung, hơn 50% tổng năng lượng ánh sáng được hấp
thụ ở độ sâu 1m tính từ tầng mặt. Độ sâu mà ánh sáng có thể xuyên qua phụ
thuộc vào lượng chất hòa tan và lơ lửng trong nước. Ánh sáng giảm theo cấp
số nhân theo độ sâu, ánh sáng giảm theo một tỷ lệ cố định ở mỗi mức tăng
chiều sâu.

15


(Nguồn: Christer Brönmark and Lars-Anders Hansson, 2005)
Hình 2.4. Độ sâu truyền quang của các bước sóng khác nhau
Năng lượng ánh sáng được tảo sử dụng thông qua quang hợp để tổng
hợp nên sinh khối tế bào từ CO 2 và nước. Ở nhóm tảo bậc cao (nhân thực) có
cơ quan chuyên biệt làm nhiệm vụ hấp thụ ánh sáng đó là lục lạp (chứa nhiều
sắc tố quang hợp). Đối với tảo lam do không có lục lạp nên các các sắc tố
quang hợp được phân bố khắp nguyên sinh chất. Nồng độ và thành phần sắc
tố quang hợp khác nhau giữa các nhóm tảo, nhưng tất cả các tảo nước ngọt
(bao gồm cả tảo lam) đều chứa chlorophyll-a và β-caroten. Chlorophyll-a hấp
thụ tối đa bước sóng 430-665 nm và là sắc tố quang hợp chính, nó sử dụng
ánh sáng mặt trời để chuyể hóa CO2 và nước thành đường và oxy.
6CO2 + 6H2O → Light → C6H12O6 + 6O2
Ngoài chlorophyll-a, các nguyên tố phụ bao gồm β-caroten,
xanthophylls và chlorophyll-b cũng tham gia phản ứng quang hợp. Các sắc tố
quan hợp này có điểm hấp thụ ánh sáng cực đại ở những bước sóng khác so
với chl-a, do vậy cho phép tảo có thể sử dụng một dải bước sóng rộng hơn.
Khi điều kiện chiếu sáng thay đổi, tảo có thể tối ưu hóa quá trình quang hợp
thông qua việc điều chỉnh lượng chlorophyll cho phù hợp với cường độ ánh

16


sáng (ví dụ khi cường độ ánh sáng yếu thì tăng lượng chlorophyll trong thế
bào). Mặc dù trên thực tế lượng chlorophyll-a trong mỗi tế bào tảo có thể thay
đổi theo cường độ ánh sáng, nhưng nhìn chung chỉ chiếm 2-5 % sinh khối khô
tế bào (Christer Brönmark and Lars-Anders Hansson, 2005). Dựa vào tỷ lệ
không đổi với sinh khối khô, và qua những phương pháp phân tích đáng tin

cậy, chlorophyll-a được sử dụng rộng rãi để ước tính sinh khối tảo.
Ánh sáng đóng vai trò quan trọng đối với sự phát triển của tảo.
2.3.2. Ứng dụng của ánh sáng nhân tạo trong nuôi cấy tảo
2.3.2.1. Ánh sáng trắng (ánh sáng đèn huỳnh quang)
Ánh sáng trắng (ánh sáng đèn huỳnh quang) cho ra ánh sáng rất gần với
ánh sáng mặt trời. Ánh sáng trắng (đa sắc) cho hiệu quả xử lý ở mức trung
bình bởi nó chứa cả những ánh sáng hiệu quả cao và hiệu quả thấp (Chen Yan
et al, 2013). Tuy nhiên, kết quả nghiên cứu của Kim và cộng sự (2012) lại chỉ
ra rằng tốc độ sinh trưởng của tảo khi sử dụng ánh sáng trắng (400 – 700 nm)
tăng 45% so với sử dụng từng ánh sáng đơn sắc (đỏ, xanh lam, xanh lục). Do
vậy, sự kết hợp giữa các bước sóng một cách hợp lý cũng đem lại hiệu quả
cao
2.3.2.2.Ánh sáng ánh sáng đơn sắc ( ánh sáng đèn LED )
Ánh sáng đơn sắc phù hợp có tác dụng kích thích sinh trưởng của tảo.
Trong nghiên cứu của mình, Das P. và cộng sự (2011) đã xác định được tốc
độ tăng trưởng riêng của Nannochloropsis trong điều kiện ánh sáng LED xanh
lam (470nm) là 0.61 (ngày-1). Dưới điều kiện ánh sáng trắng và đỏ, sinh khối
khô tảo C. vulgaris tăng lần lượt gấp 2.5 và 3 lần sau 10 ngày nghiên cứu
(Chen Yan et al, 2013). Trong quá trình sinh trưởng và phát triển, tảo sử dụng
nguồn C, N, P trong nước để tổng hợp sinh khối và các chất cần thiết cho cơ
thể chúng (Munoz and Guieysse, 2006; Kumar et al, 2010), do vậy sự phát
triển của tảo sẽ giúp loại bỏ các chất nhiễm bẩn (dinh dưỡng, chất hữu cơ)
trong nước.

17


2.4. Ứng dụng ánh sáng đèn LED trong công nghệ xử lí nước thải
Hiện nay trên thế giới đã có rất nhiều những công trình nghiên cứu
về việc ứng dụng đèn LED để xử lý nước thông qua hoạt động của thực vật

nổi (vi tảo). Các nghiên cứu đó đã cho thấy sử dụng đèn LED có khả năng
làm thay đổi chất lượng nước hồ thông qua hoạt động của tảo, thể hiện ở
hiệu quả loại bỏ dinh dưỡng, loại bỏ chất hữu cơ cũng như cải thiện oxy
hòa tan trong nước.
Trong các nghiên cứu ứng dụng đèn LED để xử lý nước, khả năng loại
bỏ các chất nhiễm bẩn trong nước rất khả quan. Hiệu quả loại bỏ COD trong
nước của tảo Chlorella vulgaris khi sử dụng đèn LED đỏ đạt 82.19 ± 6.71%
với nước thải giàu C và đạt 74.82 ± 5.26% đối với nước thải giàu N (Chen
Yan et al, 2013).
Trong một nghiên cứu khác Yang và cộng sự (2008) đã xác định được
hiệu quả loại bỏ COD trong quá trình lên men sắn dây bằng C. pyrenoidosa
bằng ánh sáng đa sắc liên tục đạt 71.2%. Hiệu quả loại bỏ Nts và Pts bởi C.
vulgaris trong thí nghiệm của Chen Yan và cộng sự (2013) đạt 69.29 ± 5.17 và
77.24 ± 4.92%, kết quả này cao hơn so với nghiên cứu của Bhatnagar và cộng
sự (2010) khi sử dụng một dòng tảo lục khác là Chlorella minutissima để xử lý
nước thải trong điều kiện ánh sáng tự nhiên, chứng tỏ so với sử dụng ánh sáng
tự nhiên, sử dụng ánh sáng nhân tạo với bước sóng tối ưu đạt hiệu quả cao hơn.
Ảnh hưởng của các bước sóng ánh sáng là khác nhau đối với khả năng
sinh trưởng và xử lý chất nhiễm bẩn trong nước của tảo. Chen Yan và cộng sự
(2013) đã xác định được hiệu quả sinh trưởng và khả năng loại bỏ chất dinh
dưỡng của tảo tại các bước sóng được sắp xếp theo thứ tự giảm dần như sau:
LED đỏ > trắng > vàng > tím > xanh lam > xanh lục, bước sóng đỏ là bước
sóng tối ưu cho sự phát triển của tảo Chlorella vulgaris. Sinh khối khô đạt
mức cao nhất ở công thức sử dụng đèn LED đỏ, đèn LED xanh lục đạt thấp
nhất (Bảng 2.6). Tảo C. vulgaris đạt hiệu quả cao khi hấp thụ ánh sáng đỏ

18