Tối ưu điều kiện nuôi loài vi tảo lục Haematococcus Pluvialis trong hệ thống photobioreactor kín ở quy mô dung tích 20L

Luận văn Thạc sĩ Sinh học Nguyễn Thị Thu Thủy-CHK14 Viện Sinh thái và Tài nguyên sinh vật iv BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO VIỆN KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ VIỆT NAM VIỆN SINH THÁI VÀ TÀI NGUYÊN SINH VẬT *** NGUYỄN THỊ THU THỦY TỐI ƯU ĐIỀU KIỆN NUÔI LOÀI VI TẢO LỤC HAEMATOCOCCUS PLUVIALIS TRONG HỆ THỐNG PHOTOBIOREACTOR KÍN Ở QUY MÔ DUNG TÍCH 20L LUẬN VĂN THẠC SĨ SINH HỌC Hà Nội, 2012 1Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn Luận văn Thạc sĩ Sinh học Nguyễn Thị Thu Thủy-CHK14 Viện Sinh thái và Tài nguyên sinh vật v BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO VIỆN KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ VIỆT NAM VIỆN SINH THÁI VÀ TÀI NGUYÊN SINH VẬT *** NGUYỄN THỊ THU THỦY TỐI ƯU ĐIỀU KIỆN NUÔI LOÀI VI TẢO LỤC HAEMATOCOCCUS PLUVIALIS TRONG HỆ THỐNG PHOTOBIOREACTOR KÍN Ở QUY MÔ DUNG TÍCH 20L Chuyên ngành: Khoa học sinh học thực nghiệm Mã số: 60. 42. 30 LUẬN VĂN THẠC SĨ SINH HỌC NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC PGS. TS. Đặng Diễm Hồng Hà Nội, 2012 2Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn Luận văn Thạc sĩ Sinh học Nguyễn Thị Thu Thủy-CHK14 Viện Sinh thái và Tài nguyên sinh vật i LỜI CẢM ƠN Luận văn được tiến hành dưới sự hỗ trợ của đề tài: “Nghiên cứu công nghệ nuôi trồng vi tảo Haematococcus pluvialis và công nghệ chiết xuất astaxanthin” do ThS. Ngô Thị Hoài Thu, phòng Công nghệ Tảo, Viện Công nghệ sinh học làm chủ nhiệm. Đề tài cấp Nhà nước thuộc Chương trình Đề án phát triển Công nghệ sinh học trong nuôi trồng thủy sản do Bộ Nông nghiệp và Phát triển Nông thôn quản lý 2010-2012. Trước hết, tôi xin bày tỏ lòng cảm ơn sâu sắc tới PGS.TS. Đặng Diễm Hồng, trưởng phòng Công nghệ Tảo, Viện Công nghệ sinh học đã hướng dẫn, giúp đỡ, tạo điều kiện và dạy bảo tận tình cho tôi trong suốt thời gian học tập và hoàn thành luận văn. Tôi xin gửi lời cảm ơn đến Ban Lãnh đạo Viện Công nghệ Sinh học, Ban lãnh đạo Viện Sinh thái và Tài nguyên sinh vật, Ban giám hiệu Trường Đại học Thái Nguyên, cùng các thầy cô giáo tham gia giảng dạy đã tạo mọi điều kiện giúp đỡ cho tôi trong suốt quá trình công tác, học tập và nghiên cứu. Bên cạnh đó, tôi cũng đã nhận được sự ủng hộ nhiệt tình và các ý kiến đóng góp của các anh chị, các bạn đồng nghiệp của phòng Công nghệ Tảo. Nhân dịp này, tôi xin chân thành cảm ơn sự giúp đỡ quý báu đó. Tôi cũng xin gửi lời cảm ơn tới Bộ Nông nghiệp và Phát triển Nông thôn đã cấp kinh phí cho đề tài “Nghiên cứu công nghệ nuôi trồng vi tảo Haematococcus pluvialis và công nghệ chiết xuất astaxanthin” do ThS. Ngô Thị Hoài Thu làm chủ nhiệm đã hỗ trợ cho tôi trong quá trình thực hiện luận văn. Tôi cũng xin cảm ơn chủ nhiệm đề tài và các thành viên tham gia đã tạo điều kiện giúp tôi trong quá trình thu thập số liệu. Cuối cùng, tôi xin gửi lời cảm ơn đến gia đình, bạn bè và người thân đã luôn ở bên cạnh chia sẻ, động viên, giúp đỡ và tạo điều kiện tốt nhất cho tôi học tập, nghiên cứu và hoàn thành luận văn của mình. Mặc dù tôi đã có nhiều cố gắng hoàn thiện luận văn bằng sự nhiệt tình và năng lực của mình, tuy nhiên không thể tránh khỏi những thiếu sót, rất mong nhận được những đóng góp của quý thầy cô và các bạn để tôi có thể hoàn thành luận văn được tốt hơn. Tôi xin chân thành cảm ơn! Hà Nội, tháng 11 năm 2012 Học viên Nguyễn Thị Thu Thủy 3Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn Luận văn Thạc sĩ Sinh học Nguyễn Thị Thu Thủy-CHK14 Viện Sinh thái và Tài nguyên sinh vật ii LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan số liệu và kết quả nghiên cứu trong luận văn này là hoàn toàn trung thực và không trùng lặp với các đề tài khác. Tôi cũng xin cam đoan rằng mọi sự giúp đỡ cho việc thực hiện luận văn này đã được cảm ơn và các thông tin trích dẫn trong luận văn đã được chỉ rõ nguồn gốc. Hà Nội, tháng 11 năm 2012 Học viên Nguyễn Thị Thu Thủy 4Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn Luận văn Thạc sĩ Sinh học Nguyễn Thị Thu Thủy-CHK14 Viện Sinh thái và Tài nguyên sinh vật iii DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT STT Từ viết tắt Viết đầy đủ 1 ASC Ánh sáng cao 2 AST Astaxanthin 3 Chl a Chlorophyll a 4 cs Cộng sự 5 Ib đơn vị Pound, 1 Ib ≈ 0.45359237 kg 6 NA Nanno Aqua 7 OD Optical Density, mật độ quang 8 RM Rudic’s medium 9 SK Sinh khối 5Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn Luận văn Thạc sĩ Sinh học Nguyễn Thị Thu Thủy-CHK14 Viện Sinh thái và Tài nguyên sinh vật iv DANH MỤC CÁC BẢNG Trang Bảng 1. Các thành phần cơ bản của vi tảo lục H. pluvialis 8 Bảng 2. Sinh trưởng của tảo H. pluvialis trong hệ thống kín và hệ thống hở 43 Bảng 3. Hàm lượng Astaxanthin (Ast), Chlorophyll a (Chl a), tỷ lệ Ast/Chla, sinh khối tươi (SKT), sinh khối khô (SK khô), protein và lipid của tảo H. pluvialis nuôi trong hệ thống kín 20L 57 Bảng 4. Sinh trưởng của tảo H. pluvalis trong hệ thống kín 20L 64 6Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn Luận văn Thạc sĩ Sinh học Nguyễn Thị Thu Thủy-CHK14 Viện Sinh thái và Tài nguyên sinh vật v DANH MỤC CÁC HÌNH Trang Hình 1. Vòng đời của vi tảo H. pluvialis 6 Hình 2. Một số mô hình hệ thống kín nuôi trồng tảo cơ bản 22 Hình 3. Sự phân bố ánh sáng trong lòng ống 28 Hình 4. Đồ thị biểu diễn mối tương quan giữa mật độ tế bào và giá trị OD 680 44 Hình 5. Sự thay đổi mật độ tế bào của H. pluvialis ở hệ thống kín và hở 45 Hình 6. Hiện tượng tảo bị bám thành ống của hệ thống kín sau 24 giờ 45 Hình 7. Tình trạng tảo H. pluvialis trong hệ thống kín có tốc độ sục khí bề mặt khác nhau sau 2 ngày vận hành 46 Hình 8. Sinh trưởng của H. pluvialis trong hệ thống kín 20L với tốc độ sục khí bề mặt 45 cm/s sau 2 ngày nuôi 47 Hình 9. Sinh trưởng của tảo H. pluvialis trong hệ thống kín có bổ sung môi trường khác nhau với mật độ ban đầu 0,10 – 0,15 x 10 6 tế bào/mL 48 Hình 10. Sinh trưởng của H. pluvialis trong hệ thống kín 20L trong điều kiện bổ sung môi trường và chế phẩm NA với mật độ tế bào ban đầu 0,30 x 10 6 tế bào/mL 49 Hình 11. Dịch nuôi tảo H. pluvialis trong hệ thống kín 20L trong các ngày khác nhau 50 Hình 12. Sinh trưởng của H. pluvialis trong hệ thống kín sau 10 ngày nuôi với môi trường 10RM-4X với mật độ ban đầu 0,5 x 10 6 tế bào/mL 51 Hình 13. Đồ thị tối ưu sinh trưởng của vi tảo H. pluvialis trong hệ thống kín 20L 52 7Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn Luận văn Thạc sĩ Sinh học Nguyễn Thị Thu Thủy-CHK14 Viện Sinh thái và Tài nguyên sinh vật vi Hình 14. Tốc độ sinh trưởng đặc trưng (µ) của H. pluvialis trong hệ thống kín 20L ở hai điều kiện nhiệt độ 27-29 và 33-35 0 C 54 Hình 15. Sinh trưởng của tảo H. pluvialis sau 16 ngày nuôi ở hệ thống kín 20L 56 Hình 16. Hàm lượng Astaxanthin (Ast), Chlorophyll a (Chl a), tỷ lệ Ast/Chl a và protein của tảo H. pluvialis nuôi trong hệ thống kín 20L 58 Hình 17. Hình thái tế bào của H. pluvialis trong hệ thống kín 20L chụp dưới kính hiển vi quang học và kính hiển vi huỳnh quang sau khi nhuộm Nile Red 60 Hình 18. Sinh trưởng của tảo H. pluvialis trong hệ thống kín 20L với chế độ chiếu sáng ASC + UV và quang chu kỳ sáng: tối là 16:8 giờ 62 Hình 19. Ảnh hưởng của các điều kiện chiếu sáng, mật độ ban đầu và chế độ bổ sung môi trường lên sinh trưởng của H. pluvialis trong hệ thống kín 20L 63 8Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn Luận văn Thạc sĩ Sinh học Nguyễn Thị Thu Thủy-CHK14 Viện Sinh thái và Tài nguyên sinh vật vii MỤC LỤC Trang MỞ ĐẦU 1 CHƯƠNG 1 3 TỔNG QUAN TÀI LIỆU 3 1.1. Đặc điểm sinh học và tình hình nghiên cứu, nuôi trồng loài vi tảo lục Haematococcus pluvialis 3 1.1.1. Lịch sử nghiên cứu, đặc điểm phân loại, hình thái và phân bố của loài vi tảo H. pluvialis 3 1.1.2. Thành phần dinh dưỡng và giá trị sử dụng 7 1.1.3. Các nhân tố ảnh hưởng đến sinh trưởng, phát triển của vi tảo H. pluvialis 11 1.1.4. Tình hình nuôi trồng loài vi tảo H. pluvialis ở trên thế giới và Việt Nam 16 1.2. Hệ thống kín 19 1.2.1. Tình hình nghiên cứu và ứng dụng hệ thống kín trong nuôi trồng vi tảo 19 1.2.2. Các hệ thống photobioreactor trong nuôi trồng vi tảo, ưu và nhược điểm 19 1.2.3. Các thông số đánh giá hệ thống kín 23 1.2.4. Các yếu tố ảnh hưởng (nhiệt độ, ánh sáng, nồng độ oxy hòa tan, chế độ sục khí…) 24 1.2.5. Triển vọng ứng dụng hệ thống kín trong nuôi trồng vi tảo 32 CHƯƠNG 2 34 VẬT LIỆU VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 34 2.1. Vật liệu, địa điểm, thời gian nghiên cứu 34 2.2. Chuẩn bị giống ban đầu cho nuôi trong hệ thống kín 34 2.3. Tối ưu các điều kiện nuôi trồng H. pluvialis trong hệ thống kín 20 lít 35 2.3.1. Đánh giá sinh trưởng của tảo H. pluvialis trong hệ thống kín 20 lít 35 2.3.2. Ảnh hưởng của tốc độ sục khí bề mặt lên tính bám của tảo H. pluvialis 35 9Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn Luận văn Thạc sĩ Sinh học Nguyễn Thị Thu Thủy-CHK14 Viện Sinh thái và Tài nguyên sinh vật viii 2.3.3. Ảnh hưởng của mật độ ban đầu và chế độ bổ sung môi trường lên sinh trưởng và trạng thái tế bào của H. pluvialis trong hệ thống kín 20 lít 35 2.3.4. Ảnh hưởng của nhiệt độ lên sinh trưởng của tảo H. pluvialis 36 2.3.5. Ảnh hưởng của chế độ chiếu sáng lên sinh trưởng của loài vi tảo H. pluvialis trong hệ thống kín 20 lít 37 2.4. Phương pháp nghiên cứu 37 2.4.1. Phương pháp xác định sinh trưởng của tảo 37 2.4.2. Tách chiết lipid 38 2.4.3. Phương pháp nhuộm lipid bằng Nile Red (Doan và Obbard, 2011) 39 2.4.5. Phương pháp xác định hàm lượng protein nội bào 40 2.4.6. Phương pháp xác định tốc độ sục khí bề mặt 41 2.4.7. Phương pháp xử lý số liệu 41 CHƯƠNG 3 43 KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 43 3.1. Đánh giá sinh trưởng của tảo H. pluvialis trong hệ thống kín 20 lít 43 3.2. Tối ưu các điều kiện nuôi trồng H. pluvialis trong hệ thống kín 20 lít 45 3.2.1. Ảnh hưởng của tốc độ sục khí bề mặt lên tính bám của H. pluvialis 45 3.2.3. Ảnh hưởng của nhiệt độ lên sinh trưởng của tảo H. pluvialis 53 3.2.4. Ảnh hưởng của chế độ chiếu sáng lên sinh trưởng của H. pluvialis trong hệ thống kín 20 lít. 55 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 66 KẾT LUẬN 66 KIẾN NGHỊ 66 DANH SÁCH CÁC CÔNG TRÌNH ĐÃ ĐƯỢC CÔNG BỐ 67 TÀI LIỆU THAM KHẢO 68 10Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn [...]... nghệ Tảo, Vi n Công nghệ sinh học về tối ưu môi trường, điều kiện nuôi trồng tối ưu ở các quy mô bình tam giác 250, 500 và 1000 mL và hệ thống nuôi 1,5 và 10 lít Đề tài được tiến hành với mục tiêu đánh giá các yếu tố ảnh hưởng đến sinh trưởng và năng suất vi tảo H pluvialis trong hệ thống kín 20 lít nhằm có được những cơ sở khoa học để phát triển quy mô nuôi trồng loài vi tảo này thành công trong hệ. .. được giữ trong các bảo hộ sáng chế Do vậy, để nuôi trồng loài vi tảo này thành công và có hiệu quả cũng như quản lý được quy trình một cách nghiêm ngặt thì cần phải thiết lập mô hình nuôi phù hợp với điều kiện tự nhiên, kinh tế-xã hội của nước ta Vì vậy, chúng tôi tiến hành đề tài Tối ưu điều kiện nuôi loài vi tảo lục Haematococcus pluvialis trong hệ thống photobioreactor kín ở quy mô dung tích 20... thống kín 1.2.1 Tình hình nghiên cứu và ứng dụng hệ thống kín trong nuôi trồng vi tảo Các hệ thống nuôi trồng tảo được nghiên cứu từ rất sớm Nuôi tảo trong các bể hở và các hệ thống khác đã được nghiên cứu và ứng dụng trong công nghiệp sản xuất sinh khối tảo từ những năm 1950 Năm 1951, với nghiên cứu tại Arthur D Little Inc ở Massachusset cho thấy, hệ thống nuôi bể hở dễ thiết lập và tiến hành còn hệ thống. .. Nhiệt độ tối thích tùy thuộc vào từng loài và mục đích nuôi cấy Trong nuôi tảo quang tự dưỡng ở các hệ thống kín, nhiệt độ là yếu tố giới hạn quan trọng Nguồn nhiệt tạo ra trong hệ thống chủ yếu là do máy bơm và hệ thống đèn chiếu sáng trong đó, nhiệt độ máy bơm cơ học sản sinh ra là chủ yếu do đây là hệ thống bơm tuần hoàn khép kín Chính vì vậy, trong các hệ thống kín ở quy mô nhỏ thường là tích hợp... trong điều kiện nuôi này, loài vi tảo này lại giữ nguyên trạng thái sinh dưỡng cho đến khi thu hoạch (Gong, 1997) Đây là những hạn chế rất lớn của vi c nuôi loài vi tảo này trong hệ thống bể hở để thu astaxanthin Các mô hình nuôi loài vi tảo này đã được các nhóm tác giả ở Tây Ban Nha và Nhật Bản nghiên cứu từ khá lâu và đã được thương mại hóa, nhất là từ năm 2000 trở lại đây Haematococcus đã được nuôi. .. 250C, năng suất sinh khối 50 – 90 g/m2 (0,2 - 0,36 g/L; 4 – 19 g/m2/ngày) Khi nghiên cứu sinh trưởng của loài vi tảo này trong hệ thống photobioreactor dạng ống và dạng trụ đứng có cùng dung tích 55L ở điều kiện ngoài trời sau 16 ngày nuôi, loài vi tảo này sinh trưởng trong hệ thống dạng ống tốt hơn ở hệ thống trụ đứng với khối lượng sinh khối tương ứng là 7,0 g/L và 1,4 g/L và hàm lượng carotenoit... theo quy mô thiết kế mà có thể có một hoặc nhiều hệ thống đẩy khí Mô hình này được ứng dụng để nuôi loài này trong pha đầu của quá trình nuôi hai pha Còn ở Israel, Haematococcus được nuôi trong hệ thống kín dạng ống (Del Campo và cs., 2007), các đoạn ống cũng được nối với nhau bằng hệ các đoạn ống nối hình chữ U xếp dần lên cao trong hệ thống nuôi khép kín một quá trình 1.2.3 Các thông số đánh giá hệ thống. .. 0,143% (Nguyễn Thị Hường và cs., 2008) Phòng Công nghệ Tảo, Vi n công nghệ sinh học, Vi n khoa học và công nghệ Vi t Nam cũng đã từng bước tối ưu các điều kiện nuôi trồng trong quy mô từ bình tam giác lên hệ thống kín 1,5 và 10 lít Đinh Đức Hoàng và cs., (2011) cũng đã nghiên cứu vòng đời tự nhiên của loài vi tảo này ở bình tam giác 250 và 500 mL trong môi trường RM và C đã xác định được thời gian và... sau 30 ngày nuôi cấy Trong nuôi cấy ở điều kiện dị dưỡng, sinh trưởng của loài vi tảo này chịu ảnh hưởng của nguồn carbon là acetate Tuy nhiên, trong môi trường nuôi bình thường, hình thái của loài vi tảo này biến đổi từ trạng thái sinh dưỡng sang trạng thái cyst một cách nhanh chóng khi bổ sung thêm acetate kết hợp với Fe2+ (Kobayashi và cs., 1993) H pluvialis là một trong số các loài vi tảo có khả... hơn các hệ thống có quy mô lớn Ở các hệ thống dung tích 2 lít, mật độ tế bào có thể đạt được lên tới 1,1- 2 x 106 tế bào/mL (Vega-Estrada và cs., 2005; Riso, 2005); và lên tới 5-7 x 106 tế bào/mL trong hệ thống 1 lít (Ranjbar, 2008a, b) Nhưng đối với hệ thống dạng này khi nâng quy mô lên 55 lít, sinh khối đạt được thấp hơn 5 lần so với dạng hệ thống dạng ống tròn có cùng dung tích và điều kiện nuôi (Lopez . ban đầu cho nuôi trong hệ thống kín 34 2.3. Tối ưu các điều kiện nuôi trồng H. pluvialis trong hệ thống kín 20 lít 35 2.3.1. Đánh giá sinh trưởng của tảo H. pluvialis trong hệ thống kín 20 lít. ƯU ĐIỀU KIỆN NUÔI LOÀI VI TẢO LỤC HAEMATOCOCCUS PLUVIALIS TRONG HỆ THỐNG PHOTOBIOREACTOR KÍN Ở QUY MÔ DUNG TÍCH 20L LUẬN VĂN THẠC SĨ SINH HỌC Hà Nội, 2012 1Số hóa bởi. hưởng đến sinh trưởng và năng suất vi tảo H. pluvialis trong hệ thống kín 20 lít nhằm có được những cơ sở khoa học để phát triển quy mô nuôi trồng loài vi tảo này thành công trong hệ thống photobioreactor