Tóm tắt Luận án Tiến sĩ Sinh học: Xác định thành phần loài và khả năng sinh độc tố cylindrospermopsin của vi khuẩn lam trong một số thủy vực ở Đắk Lắk

ĐẠI HỌC HUẾ VIỆN CÔNG NGHỆ SINH HỌC NGÔ THỊ DIỄM MY XÁC ĐỊNH THÀNH PHẦN LOÀI VÀ KHẢ NĂNG SINH ĐỘC TỐ CYLINDROSPERMOPSIN CỦA VI KHUẨN LAM TRONG MỘT SỐ THỦY VỰC Ở ĐẮK LẮK TÓM TẮT LUẬN ÁN TIẾN SĨ SINH HỌC Chuyên ngành: Sinh học Mã số: 9420101 Người hướng dẫn khoa học: PGS.TS NGUYỄN THỊ THU LIÊN PGS.TS TƠN THẤT PHÁP HUẾ, 2022 Cơng trình hồn thành tại: Viện Cơng nghệ Sinh học, Đại học Huế Người hướng dẫn khoa học: PGS TS Nguyễn Thị Thu Liên PGS TS Tôn Thất Pháp Phản biện …………………………………………………………………… …………………………………………………………………… …………………………………………………………………… Phản biện …………………………………………………………………… …………………………………………………………………… …………………………………………………………………… Phản biện …………………………………………………………………… …………………………………………………………………… …………………………………………………………………… Luận án bảo vệ Hội đồng chấm luận án cấp Đại học Huế, họp quan Đai học Huế, vào hồi…….giờ………… ngày…… tháng…… năm…… Có thể tìm hiểu luận án thư viện: Thư viện quốc gia Việt Nam Trung tâm học liệu Đại học Huế Thư viện Viện Công nghệ Sinh học, Đại học Huế MỞ ĐẦU Đắk Lắk mệnh danh “Xứ sở hồ” với phần lớn số chúng hồ chứa Bên cạnh vai trò tự nhiên hồ điều hịa khí hậu, điều tiết dịng chảy, hồ nguồn cung cấp nước mặt chủ yếu cho hoạt động sống như: cung cấp nước uống, nước sinh hoạt, chăn nuôi, trồng trọt, nuôi trồng thủy sản dịch vụ du lịch (Sở NN&PTNN Đắk Lắk, 2018) Gần đây, biến đổi khí hậu, Đắk Lắk xuất tượng thời tiết cực đoan như: mưa lớn thời gian ngắn, khô hạn kéo dài khắc nghiệt làm giảm lượng nước tăng thời gian tồn lưu nước hệ thống hồ chứa Điều thúc đẩy trình phú dưỡng bên hệ thống hồ Bên cạnh đó, việc thay đổi diện tích mục đích sử dụng đất, canh tác nơng nghiệp khơng hợp lí xung quanh vùng lưu vực đưa vào hồ lượng lớn dư lượng phân bón thuốc trừ sâu hóa học Cùng với lượng nước thải sinh hoạt, xem nguyên nhân làm suy giảm chất lượng nước, gây tượng phú dưỡng thủy vực dạng hồ Đắk Lắk Hiện tượng dẫn đến tăng độ đục, tăng hàm lượng dinh dưỡng tăng sinh khối thực vật phù du, đặc biệt nhóm lồi vi khuẩn lam (VKL) độc hại Cylindrospermopsin (CYN) loại độc tố VKL nghiên cứu phổ biến khả phân bố tồn cầu, khả tích lũy sinh học gây độc tính nhiều quan người động vật (Wang cs., 2020) Phần lớn độc tố VKL tồn chủ yếu nội bào giải phóng ngồi tế bào bị vỡ Nhưng riêng với độc tố CYN, phần lớn lượng độc tố giải phóng vào mơi trường nước tế bào nguyên vẹn Bên cạnh đó, CYN có tính ổn định hóa học cao, tan mạnh nước tốc độ phân hủy chậm ảnh hưởng yếu tố phi sinh học tự nhiên (Stefanova cs., 2020) Điều làm tăng nguy tiếp xúc hấp thụ độc tố loài sinh vật thủy sinh, gây nhiều rủi ro tiềm ẩn khó khăn việc sử dụng quản lý nguồn nước Gần đây, tượng nước đổi màu, xuất mùi khó chịu thường xuyên xảy vào mùa khô số hồ chứa địa bàn tỉnh Đắk Lắk Bên cạnh đó, xuất nhóm lồi VKL sinh độc tố CYN quan sát thấy số hồ chứa nơi chưa có liệu độc tố (Lê Thương, 2010) Những thủy vực địi hỏi chương trình giám sát sinh học hiệu Tuy nhiên, nghiên cứu trước chủ yếu tập trung vào điều tra thành phần loài thực vật phù du; biến động cấu trúc quần xã thực vật phù du (Lê Thương, 2010; Dao, 2016) Chưa có cơng trình nghiên cứu nhóm lồi VKL độc khả sinh độc tố CYN nhóm lồi thủy vực Đắk Lắk Vì vậy, “Xác định thành phần lồi khả sinh độc tố cylindrospermopsin vi khuẩn lam số thủy vực Đắk Lắk” bên cạnh cung cấp thành phần lồi VKL có khả sinh độc tố CYN, kết làm sở cho việc dự báo nguy ô nhiễm, rủi ro tiềm ẩn loài VKL độc vấn đề sử dụng quản lý nguồn nước Mục tiêu nghiên cứu Đánh giá đa dạng thành phần loài VKL VKL có khả sinh độc tố CYN hồ Ea Nhái hồ Buôn Phong Đắk Lắk Đánh giá rủi ro tiềm ẩn nhóm lồi VKL có khả sinh độc tố CYN thơng qua đánh giá biến động thể tích sinh học hàm lượng độc tố CYN môi trường tự nhiên khả sinh độc tố CYN chủng VKL phân lập hồ Ea Nhái hồ Buôn Phong Đắk Lắk Xác định nhân tố môi trường chủ đạo ảnh hưởng đến biến động quần thể lồi VKL có khả sinh độc tố CYN hàm lượng độc tố CYN hồ Ea Nhái hồ Buôn Phong Nội dung nghiên cứu Xác định thành phần lồi VKL VKL có khả sinh độc tố CYN hồ Ea Nhái hồ Bn Phong Đắk Lắk Phân tích biến động theo mùa thể tích sinh học nhóm lồi VKL có khả sinh độc tố CYN hàm lượng độc tố CYN hồ Ea Nhái hồ Buôn Phong Phân lập xác định khả sinh độc tố CYN chủng thông qua xác định diện gen liên quan đến sinh tổng hợp độc tố CYN hàm lượng độc tố chủng VKL phân lập hai hồ nghiên cứu Xác định mối tương quan điều kiện môi trường tự nhiên diện lồi VKL có khả sinh độc tố CYN hồ Ea Nhái hồ Buôn Phong Đắk Lắk Ý nghĩa khoa học thực tiễn Cung cấp danh lục thành phần lồi VKL VKL có khả sinh độc tố CYN hai hồ Ea Nhái hồ Bn Phong Đắk Lắk, góp phần bổ sung vào danh lục thành phần loài VKL VKL có khả tạo độc tố thủy vực Việt Nam Đánh giá biến động quần thể VKL sinh độc tố CYN hàm lượng độc tố CYN hai hồ Từ xác định yếu tố mơi trường chủ đạo kiểm sốt sinh trưởng quần thể VKL sinh độc tố CYN tự nhiên để có biện pháp kiểm sốt kiềm chế phát triển bùng phát nhóm lồi VKL độc Kết làm sở cho việc dự báo nguy ô nhiễm đề xuất biện pháp quản lý nhóm lồi VKL độc hại, góp phần bảo vệ nguồn tài nguyên nước, bảo vệ sức khoẻ cộng đồng Những điểm luận án Là công trình nghiên cứu cơng bố thành phần lồi VKL có khả sinh độc tố CYN hồ Ea Nhái, Đắk Lắk Thành phần loài VKL VKL có khả sinh độc tố CYN hồ Bn Phong, Đắk Lắk Lần cung cấp liệu hàm lượng độc tố CYN tự nhiên, hàm lượng độc tố gen sinh tổng hợp độc tố CYN chủng VKL phân lập từ hồ Ea Nhái hồ Buôn Phong Đắk Lắk Xác định nhân tố mơi trường (P-PO4, N-NH4, TP, TN nhiệt độ) ảnh hưởng đến biến động quần thể nhóm lồi VKL có khả sinh độc tố CYN thủy vực CHƯƠNG TỔNG QUAN TÀI LIỆU 1.1 Giới thiệu vi khuẩn lam 1.1.1 Đặc điểm chung vi khuẩn lam VKL sinh vật nhân sơ, xuất dạng đơn bào, tập đoàn đa bào dạng sợi Tế bào VKL có hình cầu, hình elip, hình thùng, hình trụ, hình nón hình đĩa Chúng khơng có roi thành tế bào cấu tạo peptidoglican giống vi khuẩn Ngồi hình thức dinh dưỡng chủ yếu quang tự dưỡng, VKL cịn có khả quang dị dưỡng, dị dưỡng, sử dụng chất hữu có môi trường dạng nguồn lượng bổ sung VKL có khả cố định nitrogen khơng khí thơng qua tế bào dị hình (heterocyte) VKL khơng có sinh sản hữu tính, sinh sản dinh dưỡng phân đơi tế bào hay tảo đoạn sinh sản vơ tính nội bào tử ngoại bào tử Bào tử nghỉ (akinete) hình thành để giúp VKL vượt qua điều kiện bất lợi môi trường 1.1.2 Phân loại vi khuẩn lam Đối với VKL, việc phân loại cịn phức tạp có hai hệ thống danh pháp phân loại khác tồn tại: Bộ luật danh pháp Quốc tế tảo, nấm thực vật (ICN) Bộ luật danh pháp Quốc tế vi khuẩn (ICNB) Ngày nay, hầu hết loài VKL mô tả theo mã danh pháp thực vật dựa đặc điểm hình thái học Do chất nhân sơ VKL, Stainer cs (1978) đề xuất sử dụng phương pháp đa pha để phân loại VKL Phương pháp dựa việc đánh giá đặc điểm hình thái, sinh lý, tế bào học sinh hóa cách sử dụng chủng ni cấy vô khuẩn làm đơn vị phân loại Phân loại dựa kết hợp đặc điểm phân tử, sinh hóa, sinh lý, hình thái, sinh thái gọi phương pháp phân loại đa pha (polyphasic taxonomy), đánh giá di truyền sở kết hợp với đặc điểm phân loại khác từ phân tích hình thái, sinh lý sinh thái (Chorus cs., 2021) Hoffmann cs (2005a, b) giới thiệu hệ thống phân loại VKL Đây hệ thống phân loại tiếp cận theo hướng đa pha dựa kết hợp đặc điểm di truyền, đặc điểm siêu cấu trúc liệu kiểu hình phân loại Tồn hệ thống phân loại VKL tái cấu trúc sửa đổi hệ thống phân loại Komárek cs (2014) dựa danh pháp nhị thức thực vật Hệ thống phần lớn dựa trình tự toàn bộ gen, đặc điểm siêu cấu trúc liệu nhiều phát sinh lồi cơng bố (Komárek cs., 2014) 1.2 Độc tố cylindrospermopsin 1.2.1 Cấu trúc hóa học Cylindrospermopsin loại độc tố dạng vịng hepatotoxic, có cơng thức phân tử C15H21N5O7S trọng lượng 415,43 Dalton Độc tố alkaloid với trung tâm guanidine moiety ba vịng liên kết nhóm sunfat hydroxymethyl uracil Bốn đồng phân CYN tự nhiên xác định: 7-epi cylindro-spermopsin (7-epi-CYN), 7deoxy-cylindrospermopsin (7-deoxy-CYN), 7-deoxydesul-phocylindrospermopsin 7-deoxydesulpho-12-acetylcy-lindrospermopsin (Chorus Welker., 2021) 1.2.2 Tính chất CYN có dạng bột trắng, tan mạnh nước thành dung dịch suốt CYN tan dimethylsulfoxide methanol CYN tương đối ổn định bóng tối tác động ánh sáng mặt trời CYN có tính ổn định hóa học cao, bền vững nhiều điều kiện ánh sáng, nhiệt độ pH khác Tốc độ phân hủy CYN chậm ảnh hưởng yếu tố phi sinh học tự nhiên (Stefanova cs., 2020) 1.2.3 Hàm lượng độc tố CYN thủy vực toàn cầu Nồng độ CYN trung bình 0,54; 0,70; 2,25; 1,12; 2,5 2,35 μg/L nước Châu Âu, Châu Á, Châu Đại Dương, Bắc Mỹ, Nam Mỹ Châu Phi Tổng hàm lượng CYN (dạng hạt hòa tan) cao báo cáo 1050 μg/L từ nguồn cung cấp nước nông trại trung tâm Queensland Các vùng nước có nồng độ CYN lớn μg/L chiếm 40,0%, 39,4%, 68,8%, 52,4%, 66,7% 75% Châu Âu, Châu Á, Châu Đại Dương, Bắc Mỹ, Nam Mỹ Châu Phi (Yang cs., 2021) 1.2.4 Quá trình sinh tổng hợp độc tố CYN Q trình sinh tổng hợp bắt đầu thơng qua việc chuyển nhóm guanidino từ arginine sang glycine xúc tác gen CyrA (AoaA) tạo thành sản phẩm trung gian guanidinoacetate Tiếp theo, gen CyrB (AoaB) nhận guanidinoacetate xúc tác hình thành dị vòng chứa N Bốn gen PKS, từ CyrC – CyrF xúc tác thêm cho kéo dài chuỗi polyketide tạo cấu trúc ba vòng CyrG CyrH xúc tác hình thành vịng uracil Các phản ứng điều chỉnh xúc tác CyrI, CyrJ CyrN để sulfat hóa C12 hydroxyl hóa C7 CyrK giả thuyết chất vận chuyển CYN Hai enzym vận chuyển CyrL CyrM chịu trách nhiệm vận chuyển theo chiều ngang gen cyr CyrO tham gia vào q trình điều hịa phiên mã liên kết ADN cụm gen cyr Ba loại protein định phần khả gây độc chủng (Yang cs., 2021) 1.2.5 Độc tính CYN 1.2.5.1 Độc tính người Các nghiên cứu sâu vào tổn thương hệ gen Sự phân mảnh ADN, hình thành vi nhân đoạn nhiễm sắc thể CYN gây quan sát thấy nhiều dòng tế bào khác nồng độ thời gian tiếp xúc khác Ví dụ: dịng tế bào nguyên bào lympho người WIL2-NS tiếp xúc với nồng đồ 1-10 mg/mL 48 giờ; dòng tế bào Caco-2 tiếp xúc với 0,5-2 mg/mL 24 giờ; dòng tế bào u gan người HepG2 sau 12 tiếp xúc với 0,5 mg/mL 24 với nồng độ thấp 0,01; 0,05 0,1 mg/mL (Poniedziałek cs., 2014) CYN thể độc tính miễn dịch độc tính nội tiết Zegura cs (2011a) chứng minh phơi nhiễm CYN với nồng độ 0,5 mg/mL làm thay đổi biểu gen liên quan đến trình tự chết (BAX BCL-2), phản ứng stress oxy hóa (GPX1, GSR, GCLC SOD1) chuyển hóa độc tố tế bào bạch cầu trung tính Độc tính nội tiết CYN phát nghiên cứu tế bào hạt có nguồn gốc từ thụ tinh ống nghiệm (IVF) người Sau 24 tiếp xúc với g/ml CYN ức chế việc sản xuất progesterone (p