Trong những thập niên gần đây, nhiều vùng miền trên thế giới đối mặt với nhiều khó khăn thách thức như vấn đề bệnh tật, kinh tế, an ninh lương thực, nhu cầu năng lượng và nước ngọt. Mặc dù trữ lượng nước trên trái đất không thay đổi trong suốt lịch sử hình thành của nó, lượng nước ngọt (tỷ lệ khiêm tốn) trong các thủy vực đang suy giảm về trữ lượng và chất lượng. Hơn nửa thế kỷ qua, nhân loại đang bị đe dọa bởi các vấn đề liên quan đến chất lượng môi trường nước do gia tăng dân số, đô thị hóa nhanh chóng, phát thải từ nhiều loại hoạt động khác nhau của con người và cuộc khủng hoảng liên quan đến biến đổi khí hậu ngày càng gia tăng. Theo dự báo, đến năm 2030, với hiện trạng sử dụng nước trên toàn cầu, có thể bị thiếu hụt 40% nước. Ước tính, mỗi năm có khoảng 80% nước thải đô thị (hình 1) chưa qua xử lý được đưa vào môi trường tự nhiên. Khai thác khoáng sản (kim loại), luyện kim, sản xuất hóa chất, in ấn, sản xuất vải (dệt may), hoạt động công nghiệp (hình 1), nông nghiệp là những nguồn phát thải nhân sinh làm gia tăng hàm lượng kim loại tích lũy trong môi trường. Bên cạnh đó, nhiều sản phẩm phục vụ đời sống con người có chứa kim loại khi sản xuất như là vật liệu chính hoặc phụ gia (động cơ, thiết bị điện, pin, đồ nội thất, sản phẩm gỗ, vải, bao bì, nhựa…) đã góp phần không nhỏ trong việc phát thải vào môi trường khi sản phẩm không còn được sử dụng nữa. Những điều này sẽ dẫn đến sự hủy hoại môi trường và rủi ro cho sức khỏe con người nếu không được xử lý đúng cách và đúng mức.
Hình 1. Nước thải chứa nhiều hợp chất hữu cơ (trái), kim loại (giữa) và vi tảo lục Scenedesmus phân lập được từ Việt Nam (phải).
Mực nước biển và độ mặn của nước vùng cửa sông, ven biển gia tăng là một trong những hệ quả của biến đổi khí hậu. Theo thống kê, từ năm 1961-2003, băng tan làm mực nước biển trung bình toàn cầu tăng với tốc độ trung bình 1,8 mm/năm. Điều này sẽ thúc đẩy nhanh hơn sự khủng hoảng toàn cầu liên quan đến chất lượng và nguồn nước ngọt, kèm theo những tác động xấu đến sức khỏe con người. Cùng với ô nhiễm môi trường nước do các hợp chất dinh dưỡng, kim loại nặng, sự gia tăng độ mặn làm thay đổi môi trường sống một cách tiêu cực, ảnh hưởng lên thủy sinh vật, giảm đa dạng sinh học và dịch chuyển cân bằng của hệ sinh thái thủy vực. Đối với con người, nếu uống nước nhiễm các chất ô nhiễm, kim loại nặng, hoặc nhiễm mặn thường xuyên và lâu dài, sẽ đối mặt với những vấn đề sức khỏe rất quan ngại, bao gồm bệnh nan y và tử vong.
Các quốc gia trên thế giới đang tập trung vào việc cải thiện kỹ thuật xử lý nước thải, đặc biệt là khi nói đến việc xử lý chất ô nhiễm có trong nước thải. Các hợp chất nitơ (N) và photpho (P) là thành phần tự nhiên của môi trường nước và một lượng thích hợp để các chất dinh dưỡng này là cần thiết cho hoạt động bình thường của các sinh vật sống trong môi trường tự nhiên. Việc loại bỏ N và P dư thừa ra khỏi nước thải một cách hiệu quả là rất quan trọng để ngăn chặn hiện tượng phú dưỡng hóa và phục hồi chất lượng môi trường nước. Vi tảo (microalgae) là nhóm sinh vật sản xuất của chuỗi thức ăn, có vai trò rất quan trọng trong các chu trình sinh địa hóa của các nguyên tố cơ bản trong môi trường và trong việc giữ cân bằng và sức khỏe của hệ sinh thái thủy vực. Những nghiên cứu về hấp thu chất dinh dưỡng và kim loại trong môi trường nước, và tích lũy kim loại nặng của vi tảo có ý nghĩa thực tiễn về sử dụng nhóm sinh vật này trong cải thiện, xử lý môi trường nước bị nhiễm bẩn chất hữu cơ hay ô nhiễm kim loại nặng một cách thân thiện với môi trường và an toàn trong hệ sinh thái. Gần đây, phương pháp xử lý sinh học dựa trên vi tảo là một giải pháp đầy hứa hẹn để xử lý nước thải vì hiệu quả cao, chi phí tối thiểu, một cách tiếp cận bền vững về kinh tế và thân thiện với môi trường. Trong nhiều năm qua, nhiều loài vi tảo khác nhau đã được thử nghiệm để khám phá tiềm năng của chúng trong việc cải thiện chất lượng môi trường nước. Hiệu quả khả năng xử lý các chất ô nhiễm cũng như loại bỏ các chất dinh dưỡng, kim loại của vi tảo trong các môi trường nước khác nhau đã được nghiên cứu. Tuy nhiên, những nghiên cứu liên quan tại Việt Nam và đặc biệt sử dụng vi tảo được phân lập ở Việt Nam còn rất khiêm tốn và rời rạc. Việc sử dụng những loài tảo hiện diện tại Việt Nam cho cải thiện môi trường nước sẽ có nhiều khả thi hơn so với việc sử dụng các chủng vi tảo nhập từ nước ngoài về. So với loài vi tảo nhập từ nước ngoài về, loài vi tảo ở Việt Nam đã quen và sống tốt trong điều kiện môi trường đang có tại Việt Nam, đồng thời nó góp phần khai phá những tiềm năng của nguồn tài nguyên sinh học nước nhà. Với định hướng này, nhóm nghiên cứu thuộc Trường Đại học Bách khoa, Đại học Quốc gia TP Hồ Chí Minh đã thực hiện nghiên cứu ở mức độ phòng thí nghiệm, để trả lời hai câu hỏi khoa học: i) Vi tảo lục nước ngọt phân lập tại Việt Nam (Scenedesmus sp., hình 1) có thể sống được trong điều kiện độ mặn của nước tăng lên; ii) Loài vi tảo lục có thể hấp thu các hợp chất dinh dưỡng và kim loại (với nghiên cứu điển hình với nhôm - Al) trong môi trường nước và hiệu quả hấp thu như thế nào?
Thực nghiệm để trả lời hai câu hỏi khoa học nêu trên được thiết kế và những đo đạc/phân tích liên quan được tiến hành theo hướng dẫn của những tài liệu quốc tế đã được ban hành hoặc công bố. Loài vi tảo lục Scenedesmus sp. được phân lập từ sông Sài Gòn và nuôi giữ trong môi trường nhân tạo ở điều kiện phòng thí nghiệm. Hàm lượng dinh dưỡng (hợp chất nitrate, hợp chất phosphate) và kim loại (Al) được bổ sung vào trong môi trường nhân tạo. Nồng độ của chúng (N, P, Al) được xác định thông qua phân tích hóa học định lượng vào ngày bắt đầu, trong thời gian thí nghiệm và khi kết thúc thí nghiệm.
Sau 14 ngày thí nghiệm, vi tảo Scenedesmus sp. sinh trưởng tốt trong môi trường nhân tạo với độ mặn 0, 2 và 4‰ (hình 2). Điều này cho thấy, loài vi tảo này dễ dàng thích nghi với môi trường nước lợ với nồng độ muối NaCl 2‰. Tuy nhiên, mật độ vi tảo khi nuôi trong môi trường có độ mặn 2 và 4‰, không cao và phát triển nhanh như trong nồng độ 0‰. Mặc dù vậy, kết quả nghiên cứu cho thấy vi tảo Scenedesmus sp. có thể thích nghi và phát triển trong môi trường nước lợ với các độ mặn 2 và 4‰. Trong nghiên cứu này, chúng tôi ghi nhận vi tảo Scenedesmus sp. không thích nghi và không phát triển được ở độ mặn 8‰.
Hình 2. Sự phát triển của vi tảo Scenedesmus sp. trong điều kiện các độ mặn từ 0 (nước ngọt), 2, 4 và 8‰.
Hàm lượng nitrate (NO3-, nồng độ ban đầu là 387 mg/l) giảm dần theo thời gian ở tất cả các lô thí nghiệm (nghiệm thức) có độ mặn 0, 2 và 4‰ (hình 3). Thời gian càng kéo dài thì hàm lượng nitrate càng giảm xuống trong cả 3 nghiệm thức của thí nghiệm. Sau 20 ngày nghiên cứu, vi tảo trong môi trường nước ngọt (0‰) đã hấp thu 39% (150 mg/l) lượng nitrat, còn trong môi trường nước lợ ở các độ mặn 2 và 4‰, lần lượt giảm 56 (209 mg/l) và 36% (134 mg/l). Tương tự như trong khảo sát về nitrate, hàm lượng phosphate (PO43-, nồng độ ban đầu là 16,95 mg/l) trong cả 3 nghiệm thức thí nghiệm giảm liên tục theo thời gian (5, 10 và 20 ngày). Theo kết quả phân tích, sau 20 ngày, hàm lượng phosphate trong môi trường nước ngọt (độ mặn 0‰) giảm 88% (14,06 mg/l), môi trường với độ mặn 2‰ giảm 75% (12,03 mg/l) và môi trường với độ mặn 4‰ giảm 51% (8,62 mg/l). Kết quả phân tích cho thấy, ở môi trường nước ngọt, hiệu quả xử lý phosphate cao hơn so với ở môi trường nước lợ, do độ mặn là một trong những yếu tố gây bất lợi cho vi tảo nước ngọt, dẫn đến khả năng hấp thu bị suy giảm.
Hình 3. Sự hấp thu dinh dưỡng (nitrate, hình trên; phosphate, hình dưới) của vi tảo Scenedesmus sp. trong các điều kiện độ mặn khác nhau: 0, 2 và 4‰.
Trong thí nghiệm về khả năng loại bỏ Al (nồng độ ban đầu là 1.054 μg/l) bởi vi tảo Scenedesmus sp. với hai mật độ ở ngày mắt đầu thí nghiệm là 10.000 và 100.000 tế bào/ml, nồng độ Al trong môi trường nước được phân tích, đo đạc. Kết quả cho thấy, nồng độ Al trong môi trường, khi kết thúc thí nghiệm, giảm đi 95-98% và đây là kết quả của sự hấp thu Al bởi vi tảo Scenedesmus sp. Trong nghiên cứu hiện tại, chúng tôi không nghiên cứu sâu về cơ chế của hấp thu Al bởi vi tảo. Tuy nhiên, về lý thuyết, một số phản ứng sinh hóa hoặc cấu tạo sinh học của vi tảo với kim loại (bao gồm Al) sẽ làm thay đổi hàm lượng Al hòa tan trong môi trường nước như: tương tác với các gốc COO, SH, amino, phosphate, sulphate, trao đổi ion, phản ứng oxy hóa khử… Trong 6 năm gần đây, nghiên cứu về hấp thu kim loại (Cr, Cu, Cd, Pb, Ni, Zn) của vi tảo phân lập từ Việt Nam đã được thực hiện và số lượng công bố còn khá khiêm tốn và chưa bao gồm Al như nghiên cứu hiện tại. Do đó, kết quả này đóng góp thêm sự hiểu biết và làm giàu thêm thông tin về vi tảo từ Việt Nam và tiềm năng của tài nguyên sinh học nước nhà.
Tóm lại, nghiên cứu đã cho thấy khả năng thích nghi của vi tảo nước ngọt phân lập từ sông Sài Gòn (Scenedesmus sp.) đối với sự gia tăng độ mặn lên đến 4‰. Bên cạnh đó, sự hấp thu dinh dưỡng của vi tảo rất hiệu quả trong môi trường nước ngọt và nước lợ. Lượng nitrate và phosphate được vi tảo Scenedesmus sp. hấp thu ở môi trường nước cao hơn so với các nghiên cứu đã được công bố trước đây. Đặc biệt ở môi trường nước lợ với độ mặn 2‰, nồng độ dinh dưỡng đã được xử lý hiệu quả và cao hơn môi trường nước ngọt khi hấp thu nitrate khoảng 56%. Tuy vậy, ở độ mặn cao hơn là 4‰, hiệu suất xử lý của vi tảo vẫn rất hiệu quả. Điều đó cho thấy, loài vi tảo Scenedesmus sp. có khả năng hấp thu hiệu quả dinh dưỡng trong cả môi trường nước ngọt và nước lợ. Khả năng loại bỏ Al trong môi trường nước với hiệu quả rất cao của vi tảo Scenedesmus sp. là cơ sở khoa học cho nghiên cứu tiếp theo ở mức độ cao hơn (pilot), và khảo sát cho tối ưu hóa trong điều kiện tự nhiên, trước khi xem xét đưa vào ứng dụng cho cải tạo, xử lý môi trường nhiễm bẩn kim loại (Al). Giải pháp dựa vào tự nhiên với việc tìm hiểu và khai thác tài nguyên sinh học (vi tảo) của đất nước là một tiềm năng và những khám phá cũng như khả năng ứng dụng vẫn chưa được hiểu biết và chưa được khai thác một cách đúng mức trong định hướng bền vững và bối cảnh biến đổi khí hậu.