BÁO CÁO KHOA HỌC VỀ NGHIÊN CỨU VÀ GIẢNG DẠY SINH HỌC Ở VIỆT NAM HỘI NGHỊ KHOA HỌC QUỐC GIA LẦN THỨ 5 DOI 10 15625/vap 2022 0055 ẢNH HƯỞNG CỦA NANO OXALATE ĐẾN SINH TRƯỞNG CỦA VI TẢO Haematococcus pluv[.]
BÁO CÁO KHOA HỌC VỀ NGHIÊN CỨU VÀ GIẢNG DẠY SINH HỌC Ở VIỆT NAM - HỘI NGHỊ KHOA HỌC QUỐC GIA LẦN THỨ DOI: 10.15625/vap.2022.0055 ẢNH HƯỞNG CỦA NANO OXALATE ĐẾN SINH TRƯỞNG CỦA VI TẢO Haematococcus pluvialis Đỗ Thị Yến 1, Đinh Công Duy Hiệu 2, Trần Nguyễn Quỳnh Anh1,2, Trịnh Đăng Mậu1,2,* 0F 1F Tóm tắt Vi tảo Haematococcus pluvialis báo cáo nguồn sản xuất astaxanthin tự nhiên Mơi trường BBM tiêu chuẩn xử lý với nồng độ khác hạt nano oxalate (Fe, Zn, Cu) sử dụng để đánh giá mức độ sinh trưởng vi tảo ngày Nano oxalate thúc đẩy tốc độ sinh trưởng vi tảo H pluvialis nồng độ phù hợp Hiệu kích thích sinh trưởng cao đạt nghiệm thức bổ sung nano Fe 54 µM với tốc độ sinh trưởng lên đến 0,288 ± 0,027/ngày trì nồng độ 18 µM 90 µM với khác biệt không đáng kể Tốc độ sinh trưởng H pluvialis cải thiện nồng độ thấp nano Zn (15 - 30 µM) nano Cu 3,12 µM Bổ sung nano Cu 3,12 µM kích thích sinh trưởng tảo đạt 0,253 ± 0,002/ngày Nồng độ tối ưu nano Zn cho sinh trưởng tảo 30 µM với tốc độ sinh trưởng tương ứng đạt 0,275 ± 0,003/ngày Kết cho thấy tiềm việc sử dụng hạt nano oxalate nuôi cấy H pluvialis nhằm sản xuất thương mại astaxanthin – hợp chất sinh học có hoạt tính chống oxy hóa cao Từ khóa: Astaxanthin, Haematococcus pluvialis, nano, sinh trưởng ĐẶT VẤN ĐỀ Haematococcus pluvialis vi tảo lục sống thủy vực nước Trong số điều kiện stress định, chúng có khả tích lũy lượng lớn sắc tố astaxanthin hợp chất chống oxy hóa mạnh có giá trị thương mại cao (Boussiba, 2000) Tốc độ sinh trưởng chậm vấn đề q trình sản xuất astaxanthin từ vi tảo Haematococcus pluvialis Vi tảo ghi nhận có tốc độ sinh trưởng mật độ tế bào cuối tương đối thấp điều kiện tăng trưởng tối ưu (Fàbregas et al., 2000) Hạt nano hạt với kích thước 100 μM) Trên đối tượng H pluvialis, Djearamane & cs (2019) phát hạt nano ZnO làm giảm khả sống tế bào, sinh khối tảo sắc tố quang hợp H PHẦN NGHIÊN CỨU ỨNG DỤNG SINH HỌC PHỤC VỤ ĐỜI SỐNG VÀ PHÁT TRIỂN XÃ HỘI 507 pluvialis với tất nồng độ thử nghiệm hạt nano ZnO (123 – 2469 μM) Tuy nhiên, mức khảo sát thấp không tiến hành nghiên cứu Kết nghiên cứu cho thấy ức chế sinh trưởng lên vi tảo H pluvialis xảy nồng độ nano Zn thấp (90 μM) Một số chứng hấp phụ tập hợp hạt nano gây tổn thương học tế bào tảo q trình giải phóng ion Zn2+ chế gây nên độc tính hạt nano ZnO (Chen & cs., 2012; Franklin & cs., 2007; Manzo & cs., 2013) Các hạt nano ZnO (50 nm) với kích thước lớn lỗ thành tế bào (5 - 20 nm) tìm thấy bên tế bào chất H pluvialis chứng tỏ chúng có khả xâm nhập nội bào (Djearamane & cs., 2019) Vì vậy, chế gây độc hạt nano Limbach & cs (2007) đưa đề cập “con ngựa thành Troy” Các hạt nano ZnO xâm nhập vào tế bào, giải phóng ion kim loại làm gia tăng gốc oxy hóa (ROS) nội bào dẫn đến phá hủy màng bào quan tảo Đây nguyên nhân dẫn đến suy giảm tốc độ sinh trưởng H pluvialis mà ghi nhận nồng độ 90 – 150 μM Ảnh hưởng nano Cu đến sinh trưởng vi tảo Haematococcus pluvialis Tương tự nano Zn, ghi nhận hiệu tích cực nano Cu sinh trưởng H pluvialis nồng độ thấp (Hình 3, Bảng 3) Bổ sung nano Zn 3,12 μM thúc đẩy tốc độ sinh trưởng H pluvialis đạt tối đa (0,253 ± 0,002/ngày) Tuy nhiên, tốc độ sinh trưởng vi tảo giảm dần với gia tăng nồng độ thử nghiệm từ 6,29 μM đến 31,5 μM Tốc độ sinh trưởng tảo nghiệm thức bổ sung nano Zn tiêu chuẩn (6,29 μM) đối chứng khơng có khác biệt đáng kể Ở nồng độ thử nghiệm cao 31,45 μM, tốc độ sinh trưởng tảo đạt 0,170 ± 0,012/ngày Bảng Tốc độ sinh trưởng (/ngày) H pluvialis nồng độ nano Cu khác Nồng độ (μM) Tốc độ sinh trưởng (/ngày) 3,12 0,253 ± 0,002 6,29 0,211 ± 0,007 18,87 0,175 ± 0,014 31,45 0,170 ± 0,012 6,29* 0,199 ± 0,004 (*) Nghiệm thức đại diện cho nồng độ muối tan tương ứng môi trường đối chứng Kết tương đồng với công bố Mykhaylenko & Zolotareva (2017), việc bổ sung 0,67 – mg/L nano đồng cacboxylate có tác động tích cực đến phát triển Chlorella vulgaris đồng thời cải thiện hiệu phản ứng quang hóa hệ thống quang hợp PSII Tuy nhiên, nồng độ dao động từ 20 đến 40 mg/L ức chế mạnh phát triển tảo sau 12 ngày nuôi Sự ức chế sinh trưởng tương tự ghi nhận Chlorella sp với gia tăng nồng độ nano Cu (10 – 160 μM) (Wang et al., 2013) Nghiên cứu Wong et al (2019) hạt nano Cu (10 – 200 ppm) hạn chế tốc độ tăng trưởng H pluvialis Ở mức nồng độ thấp (3,12 – 6,29 μM), hạt nano Cu dễ dàng hịa tan giải phóng lượng ion Cu2+ tương đương với muối đồng mơi trường dinh dưỡng BBM Vì vậy, tốc độ sinh trưởng H pluvialis nghiệm thức bổ sung nano Cu với lượng tiêu chuẩn khơng có khác biệt đáng kể so với đối chứng Đồng kim loại chuyển tiếp sản sinh ROS thơng qua phản ứng Fenton, phân hủy chất diệp lục, cản trở phân bào, ức chế vận chuyển điện tử hệ thống quang hợp PSI PSII (Stauber 508 BÁO CÁO KHOA HỌC VỀ NGHIÊN CỨU VÀ GIẢNG DẠY SINH HỌC Ở VIỆT NAM & Florence, 1987; Guo et al., 2021) Wang et al (2019) kết luận Haematococcus nhạy cảm với Cu2+ với nồng độ ức chế nửa IC50 = 16,9 μM mức này, tăng trưởng quang hợp vi tảo bị ức chế rõ ràng Nano Cu với nồng độ 3,12 μM giải phóng lượng ion đồng thấp giảm bớt căng thẳng tạo kim loại nặng kích thích sinh trưởng vi tảo lên đến 0,253 ± 0,002/ngày Hình Tốc độ sinh trưởng (/ngày) H pluvialis nồng độ khác nano Cu (* nghiệm thức đại diện cho nồng độ muối tan tương ứng môi trường đối chứng) Nguyên nhân ức chế sinh trưởng gây hạt nano Cu vấn đề tranh cãi Một số tác giả báo cáo độc tính hạt nano Cu Cu2+ giải phóng từ hạt (Müller et al., 2015; Aruoja et al., 2009) Tuy vậy, nghiên cứu đối tượng mức nồng độ khác cho thấy ion Cu2+ nguyên nhân gây nên độc tính hạt nano Cu mà trình gắn kết hạt nano – tảo, hấp thụ nội bào hạt nano tàn phá bào quan (Wang et al., 2013; Xiao et al., 2015; Zhao et al., 2016) Trong nghiên cứu chúng tôi, khác biệt khả sinh trưởng tảo nồng độ 18,87 – 31,45 μM khơng có ý nghĩa mặt thống kê Trên sở đó, chúng tơi suy đốn giải phóng ion đồng từ hạt nano chế gây độc tính hạt nano đồng oxalate H pluvialis Lượng ion Cu2+ giải phóng từ mức nồng độ nguyên nhân khiến tốc độ sinh trưởng tảo giảm ghi nhận với giá trị tương đương KẾT LUẬN Các hạt nano oxalate (Fe, Zn, Cu) thúc đẩy tốc độ sinh trưởng vi tảo Haematococcus pluvialis nồng độ phù hợp Hiệu kích thích sinh trưởng cao đạt nghiệm thức bổ sung nano Fe 54 μM với tốc độ sinh trưởng lên đến 0,288 ± 0,07 /ngày trì nồng độ 18 μM 90 μM với khác biệt không đáng kể Tương tự, tốc độ sinh trưởng H pluvialis cải thiện nồng độ thấp nano Zn (15 - 30 μM) nano Cu 3,12 μM Nano Zn 30 μM nano Cu 3,12 μM nồng độ tối ưu cho sinh trưởng tảo với tốc độ sinh trưởng đạt 0,275 ± 0,003 /ngày 0,253 ± 0,002 /ngày Tóm lại, hạt nano oxalate vật liệu tiềm nuôi cấy vi tảo H pluvialis cần có thêm nghiên cứu để ứng dụng hiệu thực tế PHẦN NGHIÊN CỨU ỨNG DỤNG SINH HỌC PHỤC VỤ ĐỜI SỐNG VÀ PHÁT TRIỂN XÃ HỘI 509 Lời cảm ơn: Nghiên cứu tài trợ Quỹ Khoa học Công nghệ thành phố Đà Nẵng đề tài mã số 35/HĐ-SKHCN TÀI LIỆU THAM KHẢO Abu-Rezq, T.S., Al-Musallam, L., Al-Shimmari, J and Dias, P., 1999 Optimum production conditions for different high-quality marine algae Hydrobiologia, 403, pp.97-107 Adhikari, T., Kundu, S., Biswas, A.A., Tarafdar, J.C and Subba Rao, A., 2014 Effect of Zinc, Copper and Calcium Phosphate Nano Particles on Growth of Spirulina platensis National Academy Science Letters, 37(3), pp.207-212 Aruoja, V., Dubourguier, H.C., Kasemets, K and Kahru, A., 2009 Toxicity of nanoparticles of CuO, ZnO and TiO2 to microalgae Pseudokirchneriella subcapitata Science of the total environment, 407(4), pp.1461-1468 Boussiba, S., 2000 Carotenogenesis in the green alga Haematococcus pluvialis: cellular physiology and stress response Physiologia plantarum, 108(2), pp.111-117 Chen, H., 2018 Metal based nanoparticles in agricultural system: behavior, transport, and interaction with plants Chemical Speciation & Bioavailability, 30(1), pp.123-134 Chen, P., Powell, B.A., Mortimer, M and Ke, P.C., 2012 Adaptive interactions between zinc oxide nanoparticles and Chlorella sp Environmental Science & Technology, 46(21), pp.12178-12185 Djearamane, S., Lim, Y.M., Wong, L.S and Lee, P.F., 2019 Cellular accumulation and cytotoxic effects of zinc oxide nanoparticles in microalga Haematococcus pluvialis PeerJ, 7, p.e7582 Fábregas, J., Dominguez, A., Regueiro, M., Maseda, A and Otero, A., 2000 Optimization of culture medium for the continuous cultivation of the microalga Haematococcus pluvialis Applied Microbiology and Biotechnology, 53(5), pp.530-535 Franklin, N.M., Rogers, N.J., Apte, S.C., Batley, G.E., Gadd, G.E and Casey, P.S., 2007 Comparative toxicity of nanoparticulate ZnO, bulk ZnO, and ZnCl2 to a freshwater microalga (Pseudokirchneriella subcapitata): the importance of particle solubility Environmental Science & Technology, 41(24), pp.8484-8490 Guo, H., Li, T., Zhao, Y and Yu, X., 2021 Role of copper in the enhancement of astaxanthin and lipid coaccumulation in Haematococcus pluvialis exposed to abiotic stress conditions Bioresource Technology, 335, p.125265 He, M., Yan, Y., Pei, F., Wu, M., Gebreluel, T., Zou, S and Wang, C., 2017 Improvement on lipid production by Scenedesmus obliquus triggered by low dose exposure to nanoparticles Scientific reports, 7(1), pp.1-12 Hee, C.W., Shing, W.L., Tian, L.M., Yoke, C.M and Hock, O.G., 2020 Effects of silver nanoparticles on the carotenoid production from Haematococcus pluvialis EnvironmentAsia, 13(1) ... tối đa H pluvialis đạt với bổ sung nano Fe ( 18 – 90 μM) Nano Fe 18 μM; 54 μM 90 μM kích thích tốc độ sinh trưởng tăng lên đến 0,2 58 ± 0,006/ngày; 0, 288 ± 0,027/ngày 0,263 ± 0,004/ngày Tuy nhiên,... 18 μM; 54 μM; 90 μM khơng có ý nghĩa thống kê Bảng Tốc độ sinh trưởng (/ngày) H pluvialis nồng độ nano Fe khác Nồng độ (μM) Tốc độ sinh trưởng (/ngày) 0,195 ± 0,033 18 0,2 58 ± 0,006 54 0, 288 ... Fe ban đầu ( 18? ?M FeSO4.7H2O) thay nano Fe nồng độ 9; 18; 54 90 μM Tương tự, nguồn Zn (30 μM ZnSO4.7H2O) Cu (CuSO4.5H2O) thay nano Zn (15; 30; 90 150 μM) nano Cu (3,12; 6,29; 18, 87; 31,45 μM)