Khảo sát môi trường tăng trưởng tối ưu và kiểm tra định tính lipid của vi tảo Tetraselmis

Mục lục .i Danh mục bảng . v Danh mục hình . .v i Danh mục biểu đồ . vii CHƯƠNG 1: MỞ ĐẦU 1.1. Đặt vấn đề . .1

TRƯỜNG ĐẠI HỌC TÔN ĐỨC THẮNG

ƯU VÀ KIỂM TRA ĐỊNH TÍNH LIPID

Sinh viên thực hiện : CAO HOÀNG SƠN

Giáo viên hướng dẫn : ThS LÊ THỊ MỸ PHƯỚC

Để hoàn thành luận văn này, em xin gởi lời cảm ơn chân thành tới toàn thể các thầy cô trong bộ môn Công Nghệ Sinh Học, các thầy cô trong khoa Khoa Học Ứng Dụng trường ĐH Tôn Đức Thắng, đã tận tình dạy dỗ giúp đỡ em trong suốt quá trình học tập tại trường

Em xin gửi đến cô, ThS Lê Thị Mỹ Phước , lời cảm ơn sâu sắc nhất Cô đã

truyền đạt cho em những kiến thức, hướng dẫn và tạo điều kiện thuận lợi nhất để em hoàn thành luận văn này

Xin chân thành cảm ơn anh Trương Huy Hoàng, người đã trực tiếp hướng dẫn

và tận tình chỉ bảo trong suốt quá trình thực hiện luận văn

Chân thành cảm ơn Các anh chị trong phòng thí nghiệm chuyển hóa sinh học - Đại học Khoa Học Tự Nhiên đã tận tình góp ý, chỉ bảo và tạo điều kiện thuận lợi cho em từ khi mới vào phòng cho đến lúc hoàn thành luận văn

Con xin cảm ơn ba mẹ, cảm ơn dì Minh cùng đại gia đình đã là nguồn động viên tinh thần lớn giúp con vượt qua giai đoạn khó khăn này

Tôi xin gửi lời cảm ơn đến:

Các bạn lớp 08SH và các em lớp 09SH đã quan tâm, ủng hộ, hỗ trợ và đóng góp ý kiến trong quá trình thực hiện luận văn

Chân thành cảm ơn bạn Lê Ngọc Tuấn đã đồng hành cùng tôi trong suốt thời gian qua!

Mặc dù đã nỗ lực, cố gắng hoàn thiện đề tài nhưng không tránh khỏi những sai sót Rất mong sẽ nhận được những lời góp ý từ quý thầy cô, các anh chị và các bạn để đề tài được hoàn chỉnh hơn

Xin chân thành cảm ơn!

Tp Hồ Chí Minh, tháng 08 năm 2010

Cao Hoàng Sơn

2.1.3.3 Sinh sản hữu tính 8

2.1.4 Dinh dưỡng ở tảo 10

2.1.4.1 Dinh dưỡng carbon 11

2.1.4.2 Dinh dưỡng nitơ 13

2.1.4.3 Dinh dưỡng phốt pho 16

2.1.4.4 Dinh dưỡng vi lượng 16

2.1.5 Ảnh hưởng của một số yếu tố ngoại cảnh đến sinh trưởng và phát triển của tảo 17

2.3.3.3 Phương pháp tạo bông 29

2.3.4 Sấy sinh khối 30

2.3.4.1 Phương pháp sấy phun 30

2.3.4.2 Sấy mặt trời 31

2.3.4.3 Phương pháp sấy đông khô 31

2.4 Sơ lược về nhiên liệu sinh học 31

2.4.1 Định nghĩa 31

2.4.2 Phân loại nhiên liệu sinh học 31

2.4.3 Biodiesel 32

2.4.3.1 Biodiesel là gì? 32

2.4.3.2 Lịch sử phát triển của Biodiesel 32

2.4.3.3 Ưu và nhược điểm của Biodiesel 33

2.4.3.4 Những nguồn nguyên liệu để sản xuất Biodiesel ở Việt Nam 35

CHƯƠNG 3: VẬT LIỆU VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 3.1 VẬT LIỆU VÀ MÔI TRƯỜNG 36

3.1.1 Đối tượng nghiên cứu 36

3.1.2 Địa điểm thí nghiệm 36

3.1.3 Hóa chất 36

3.1.4 Thiết bị 36

3.1.5 Môi trường 37

3.1.5.1 Môi trường F/2 37

3.1.5.2 Môi trường Walne 38

3.1.5.3 Môi trường Walne TM 40

4.1.1 Phương trình đường tuyến tính giữa mật độ và độ hấp thu 49

4.1.2 Tăng trưởng của tảo tetraselmis trên các môi trường thử nghiệm 50

4.1.3 So sánh tăng trưởng của tảo tetraselmis trên 4 môi trường 54

4.1.4 Thảo luận 55

4.2 Thí nghiệm 2: Kiểm tra định tính lipid 56

CHƯƠNG 5: KẾT LUẬN VÀ ĐỀ NGHỊ Kết Luận 58

Đề nghị 58

TÀI LIỆU THAM KHẢO Tài liệu tiếng Việt 60

Tài liệu tiếng anh 60

Tài liệu Internet 60

PHỤ LỤC Phụ lục 62

DANH MỤC BẢNG

Trang

Bảng 2.1 Danh mục một số nguyên tố cần cho sinh trưởng của tảo 11

Bảng 2.2 Một số phương pháp sấy sinh khối tảo 30

Bảng 3.1 Thành phần dinh dưỡng của môi trường F/2 37

Bảng 3.2 Thành phần khóang vi lượng đậm đặc của môi trường F/2 37

Bảng 3.3 Thành phần vitamin đậm đặc của môi trường F/2 38

Bảng 3.4 Thành phần khoáng vi lượng đậm đặc của môi trường Walne 38

Bảng 3.5 Thành phần vitamin đậm đặc môi trường Walne 39

Bảng 3.6 Thành phần dinh dưỡng đậm đặc môi trường Walne 39

Bảng 3.7 Thành phần dinh dưỡng môi trường Walne 40

Bảng 3.8 Thành phần dinh dưỡng môi trường Walne TM 40

Bảng 3.9 Thành phần môi trường TT3 41

Hình 2.5 Sinh sản hữu tính ở Dunaliella 8

Hình 2.6 Tế bào tảo Tetraselmis dưới vật kính dầu 21

Hình 2.7 Quy trình công nghệ sản xuất đại trà vi tảo 25

Hình 2.8 Hệ thống bể dài (rayceways) 26

Hình 2.9 Mô hình bể nghiêng kiểu shetlik 27

Hình 2.10 Mô hình bể phản ứng quang sinh dạng ống 27

Hình 2.11 Mô hình sản xuất tảo sạch vi khuẩn trong hệ thống kín 28

Hình 3.1 Địa điểm thí nghiệm 42

Hình 3.7 Công thức Nile Blue A 47

Hình 3.8 Sơ đồ quang học của máy phân tích hùynh quang 47

Hình 4.1 Tetraselmis sau 1 tuần nuôi 55

Hình 4.2 Định tính lipid trong tetraselmis 57

Hình 4.3 Mẫu đối chứng 57

Hình 4.4 Quy trình sản xuất Biodiesel từ tảo 61

DANH MỤC BIỂU ĐỒ

Biểu đồ 4.1 Đường tuyến tính giữa độ hấp thu ánh

sáng và mật độ của tảo Tetraselmis 49

Biểu đồ 4.2 Đường cong tăng trưởng của Tetraselmis trên môi trường F/2 50

Biểu đồ 4.3 Đường cong tăng trưởng của Tetraselmis trên môi trường TT3 51

Biểu đồ 4.4 Đường cong tăng trưởng của Tetraselmis trên môi trường Walne 52

Biểu đồ 4.5 Đường cong tăng trưởng của Tetraselmis trên môi trường Walne TM 53

Biểu đồ 4.6 Đường cong tăng trưởng của Tetraselmis trên 4 môi trường 54

CHƯƠNG 1: MỞ ĐẦU

CHƯƠNG 1: MỞ ĐẦU 1.1 Đặt vấn đề

Tetraselmis hay còn gọi là platymonas, được biết đến đầu tiên là loài vi tảo biển dùng làm thức ăn có chất lượng cao cho ấu trùng các loài nhuyễn thể như trai, sò, ngao, hàu,…Ngày nay, tảo Tetraselmis được biết đến như là nguồn lipid tự nhiên, với

hàm lượng lipid khá lớn, rất thuận lợi để sản xuất nhiên liệu sinh học

Trong bối cảnh hiện nay, cùng với sự phát triển như vũ bão của quá trình công nghiệp hóa là sự khai thác quá mức những nguồn tài nguyên thiên nhiên, đặc biệt là nguồn nhiên liệu hóa thạch, điều đó đã khiến cho nguồn năng lượng truyền thống (dầu mỏ, than đá, khí thiên nhiên) ngày càng cạn kiệt Cụ thể theo thông tin của EU (tháng 1/2007), tiêu thụ năng lượng toàn cầu sẽ tăng lên gấp đôi từ 10 tỉ tấn quy ra dầu / năm thành 22 tỉ tấn quy ra dầu / năm đến năm 2050 Giáo sư Nghê Duy Đấu, viện sĩ công trình đại học Thanh Hoa (Bắc Kinh) cho biết theo bộ năng lượng Mỹ và ủy ban năng lượng thế giới dự báo nguồn năng lượng hóa thạch không còn nhiều: dầu mỏ còn 39 năm, khí thiên nhiên 60 năm, than đá 111 năm

Theo Trung tâm năng lượng ASEAN nhu cầu tiêu thụ năng lượng của khu vực này năm 2002 là 280 triệu tấn và tăng lên 583 triệu tấn vào năm 2020 Indonesia là nước có nguồn năng lượng hóa thạch lớn nhất trong các nước ASEAN, tuy nhiên hiện nay dầu mỏ dự trữ của họ chỉ còn trong khoảng 25 năm, khí đốt 60 năm và than đá 150 năm

Trước tình hình đó, thì nhiên liệu sinh học được xem như một dạng năng lượng mới đầy tiềm năng bởi khả năng tái tạo của nó và hơn hết đây là nguồn năng lượng “sạch”, không độc hại và dễ dàng phân hủy trong tự nhiên Có nhiều dạng nhiên liệu sinh học khác nhau, trong đó, tảo nổi lên như một nguyên liệu có triển vọng nhất để sản xuất nhiên liệu sinh học nhờ những đặc điểm nổi bật sau:

- Tảo không cạnh tranh với đất trồng cho thực vật

- Vòng đời ngắn, năng suất cao, khả năng chuyển hóa cao - Thích hợp với quy mô công nghiệp

- Tảo có thể tồn tại ở bất cứ nơi nào có đủ ánh sáng, kể cả vùng hoang hóa, nước mặn, nước thải, lại có khả năng làm sạch môi trường nước thải

- Tảo có hàm lượng dầu cao, dùng vi tảo có lợi hơn các loại cây lấy dầu khác do năng suất dầu cao gấp 19 – 23 lần trên cùng một diện tích đất trồng

- Phần sinh khối sau khi chiết lấy dầu là nguồn lợi kinh tế rất lớn

Vì vậy, việc tìm ra môi trường giúp nhân nhanh sinh khối tảo Tetraselmis để

sản xuất đại trà là rất cần thiết và đề tài “khảo sát môi trường tăng trưởng tối ưu và kiểm tra định tính lipid của vi tảo Tetraselmis” được tiến hành Đây là một phần của đề

tài trọng điểm ĐHQG của phòng thí nghiệm chuyển hóa sinh học do cô Ths Lê Thị Mỹ Phước làm chủ nhiệm

1.2 Mục tiêu đề tài

- khảo sát một số môi trường giúp tăng sinh sinh khối tảo tetraselmis Nhằm xác định

môi trường tốt nhất để nuôi trồng tảo tetraselmis phục vụ công tác giữ giống, nghiên cứu loài tảo này trong phòng thí nghiệm và dần tiến xa hơn đến việc nuôi trồng đại trà với quy mô lớn

- Xác định định tính lượng lipid có trong tảo tetraselmis Nhằm tạo tiền đề cho các đề tài kế tiếp trong việc tạo stress giúp tăng lượng lipid, phục vụ cho đề tài nghiên cứu cấp nhà nước về chiết xuất dầu từ tảo để sản xuất nhiên liệu sinh học (bio diesel)

CHƯƠNG 2:

CHƯƠNG 2: TỔNG QUAN TÀI LIỆU 2.1 Giới thiệu chung về tảo

Tảo (algae) là một nhóm sinh vật thuộc vào giới thực vật, rất đa dạng, khó định nghĩa một cách thật chính xác Tảo là những thực vật bậc thấp, nghĩa là những thực vật bào tử, có tản (cơ thể chưa phân thành thân, lá, rễ) tế bào của chúng chứa diệp lục và sống chủ yếu ở trong nước

Tảo có cấu trúc hết sức đa dạng, bao gồm những dạng đơn bào, tập đoàn và đa bào với những loài kích thước lớn và có cấu tạo khác nhau , ví dụ một số lớn tảo nâu

(Phaeophycota)có thể đạt kích thước tương đương với một cây nhỏ Tuy là những sinh vật tương đối đơn giản nhưng ngay trong những tế bào nhỏ nhất cũng có thể thấy sự thể hiện hoàn hảo ở cấp độ tế bào

Khả năng sinh sản và cấu tạo cơ quan sinh sản rất sai khác Màu sắc của tảo cũng không giống nhau, bởi vì ngoài diệp lục, tảo còn mang nhiều loại chất màu và che khuất diệp lục

Những tảo đang tồn tại không phải là nhóm cơ thể đồng đều, thống nhất về cơ thể và nguồn gốc Hiện nay tảo được xác nhận là tập hợp của một số ngành thực vật đặc biệt, độc lập về nguồn gốc và tiến hóa Mỗi một ngành tảo trong hệ thống phân loại tương ứng với ngành vi khuẩn hay ngành nấm

Như vậy, từ “tảo” có ý nghĩa sinh học lớn, bao gồm các thực vật bậc thấp có diệp lục, sống chủ yếu ở trong nước [3]

2.1.1 Các dạng cấu trúc cơ thể

Cơ thể của tảo rất đa dạng, khác nhau về hình thái và kích thước chỉ ở tảo nâu và tảo hồng, cơ quan dinh dưỡng của chúng có cấu trúc phức tạp , còn các ngành tảo khác cơ thể của chúng rất đơn giản Trong quá trình của chủng loại phát sinh luôn luôn có sự lặp lại của những dạng cấu trúc đơn giản, chỉ rõ sự tiến hóa của tảo đi từ đơn giản đến phức tạp

2.1.1.1 Cấu trúc đơn giản (mônat) (từ chữ la tinh monas có nghĩa là đơn độc)

Có đặc điểm ở chỗ tế bào có roi Phần lớn tế bào thường có hai roi (ít khi 1 hay 4 hay nhiều hơn) nên có khả năng di chuyển tế baò có hình trái xoan thuôn, hình quả lê hay gần như tròn, các dạng khác ít hơn Tảo có thể là đơn bào hay tập đoàn, được cấu thành từ một số hay nhiều tế bào hầu như giống nhau về hình dạng và chức phận

cấu trúc monas này quan sát thấy trong suốt cả quá trình dinh dưỡng của những tảo đơn giản , còn ở những tảo có tổ chức cao hơn thường chỉ có ở những giai đoạn sinh sản vô tính (như động bào tử) hay sinh sản hữu tính (giao tử) [3]

2.1.1.2 Cấu trúc amip

Một số tảo đơn giản có cấu trúc dạng amip, chúng thiếu màng tế bào cứng, không có roi và chuyển động bằng các chân giả có hình dạng khác nhau (dầy và ngắn hoặc mảnh dài) giống như amip Kiểu cấu trúc này chỉ có ở một số ít tảo có tính vĩnh viễn hay tạm thời nhiều nhà tảo học cho rằng cấu trúc amip mang tính chất thứ sinh, phát triển từ dạng monas Điều đó hoàn toàn có thể chấp nhận được đối với hàng loạt dạng sống hiện nay Tuy nhiên có điều là ở những giai đoạn sớm nhất của sự hình thành chất sống ở trên trái đất thì cấu trúc amip là dạng có trước, còn dạng monas được phát triển muộn hơn từ dạng amip ban đầu, sau này tạo nên roi, điểm mắt và một số có khả năng chuyển động nhanh hơn [3]

2.1.1.3 Cấu trúc Palmella

Cấu trúc palmella là sự liên kết của một số hay nhiều tế bào được bao bởi một bao nhầy chung, không có sự phụ thuộc giữa cái nọ và cái kia Cấu trúc này cũng như cấu trúc ở trên có thể ổn định mãi hay tạm thời trong chu trình phát triển của tảo [3]

2.1.1.4.Cấu trúc hạt

(Từ chữ la tinh coccos có nghĩa là hạt) là những tế bào không chuyển động, có hình dạng khác nhau, đơn độc hay liên kết trong tập đoàn có hình dạng khác nhau (không phải là dạng sợi) phân bố rộng rãi [3]

2.1.1.5 Cấu trúc dạng sợi

Phân bố rất rộng rãi, đặc trưng bởi đặc điểm các tế bào (không chuyển động) liên kết thành sợi, có cấu tạo từ một hay một số dãy tế bào, đơn trục hay phân nhánh Tế bào hình sợi phần lớn giống nhau hay đôi khi một số (ở gốc hay ở ngọn) tế bào có

Hình 2.1 cấu trúc mônat dạng đơn bào Vi tảo Phacotus [15]

Hình 2.2 Cấu trúc dạng hạt Vi tảo Asterococcus [15]

Nhiều tảo dạng sợi có cấu trúc sợi nằm ngang trên bề mặt giá thể và từ đó tỏa ra các sợi thẳng đứng (gọi là cấu trúc dị sợi: heterotrichales:heteros – khác, trichos – lông) [3]

2.1.1.6 Cấu trúc dạng bản

Gồm những tảo có dạng bản hình lá rộng hay hẹp chúng được hình thành từ cấu trúc dạng sợi trong cá thể phát sinh của chúng ở đây các tế bào phân chia theo chiều ngang và chiều dọc, kết quả tạo nên dạng bản nhiều tảo nâu và tảo hồng ở biển có cấu trúc này

Tản dạng bản có chiều dày gồm hai lớp tế bào đôi khi hình thành dạng ống [3]

2.1.1.7 Cấu trúc ống (siphon)

Thường gặp ở một số tảo mà cơ thể dinh dưỡng của chúng chỉ là một tế bào khổng lồ có kích thước tới hàng chục centimet, chứa một lượng lớn nhân và không có vách ngăn thành các tế bào riêng rẽ

Cấu tạo tế bào [3]

Nhiều loài thuộc các nhóm phân loại khác nhau, màng được che phủ bằng một lớp chất nhầy mang tính ổn định hay chỉ có trong một thời kỳ nhất định của chu trình sống chất nhầy hình thành bằng con đường thay đổi hình dạng lớp bề ngoài của màng hay là thoát ra từ chất nguyên sinh qua các lỗ đặc biệt trên màng Vai trò sinh học của chất nhầy rất đa dạng chúng có tác dụng bảo vệ màng của tế bào khỏi bị ảnh hưởng

Hình 2.3 Tảo Chaetophora [15]

Hình 2.4 Tảo Bryopsis [15]

của sự khô hạn hoặc những tác động cơ học thành phần hóa học của chất nhầy chủ yếu là nước và chất hữu cơ: polysaccarit, homosaccarit và heterosaccarit

Ngoài lớp chất nhầy kể trên, ở một số tảo, màng có thể có những thay đổi khác Đôi khi màng bị cutin hóa (đặc biệt ở tế bào nghỉ), lớp ngoài của màng được ba o phủ bởi lớp cuticun, giống với chất suberin ở một số tảo, lớp mặt của tế bào được phủ đá vôi (CaCO3) và có khi bởi lớp ô xít sắt màng tế bào tảo silic và tảo vàng ánh thường nhiễm chất silic (SiO2.nH2O) [3]

2.1.2.2 Chất nguyên sinh

Chất nguyên sinh phủ kín tế bào hay là ở đa số loài nó phân bố thành lớp nằm sát màng, phần lớn tế bào có một hoặc hai không bào lớn hoặc nhiều không bào nhỏ hơn với dịch tế bào nối với chất nguyên sinh Tế bào thường có một hoặc nhiều nhân trong chất nguyên sinh có những bản chứa chất diệp lục và các chất màu khác mà ở tảo được gọi là thể màu (chromatophore) [3]

2.1.2.3 Thể màu và chất dự trữ

Thể màu có hình dạng khác nhau như dạng bản, băng xoắn, hình sao, hình mạng lưới, hình đĩa, hình hạt thể màu ổn định với những chi riêng rẽ hay với nhóm phân loại lớn, tăng số lượng bằng cách phân chia

Trong thể màu có các thể đặc biệt gọi là hạch tạo bột hay pyrenoid thường chỉ thấy ở đa số tảo và rêu Anthoceros Đó là những thể protein hình cầu hay hình có góc, xung quanh sắp xếp các hạt tinh bột hay hydratcacbon Chất dự trữ của hầu hết tảo lục là tinh bột dạng hạt xếp xung quanh perynoid hay không trực tiếp trên thể màu, còn ở tảo khác là hydratcacbon và mỡ [3]

2.1.2.4 Không bào

Đối với tảo có cấu trúc monas, trong tế bào của chúng chứa đầy chất nguyên sinh và chứa không bào với dịch tế bào Với các loài sống ở nước ngọt, trong chất nguyên sinh ở phần cuối tế bào chứa một hay một vài không bào co bóp, mở ra và bóp lại theo nhịp điệu chúng làm nhiệm vụ thải ra ngoài tế bào các sản phẩm không cần thiết của quá trình trao đổi chất đồng thời chúng cũng làm chức phận điều chỉnh sự thẩm thấu đưa ra khỏi tế bào phần nước thừa do ở môi trường nước ngọt, lượng muối thấp nên tế bào phải hấp thu một lượng nước lớn [3]

2.1.2.5 Roi

Tảo có cấu trúc monas còn có đặc điểm đặc trưng là mang roi và có điểm mắt màu đỏ Roi thường có 1 - 2, ít khi là 4 hay nhiều hơn, xuất phát từ phần gốc phía trước của tế bào Dọc theo trục của roi có sợi đàn hồi bao quanh bằng chất nguyên sinh Roi là một bó 11 sợi với 2 sợi ở giữa và 9 sợi ở xung quanh

Roi được xuất phát từ thể gốc dạng hạt nằm trong chất nguyên sinh, ở nhiều loài, hạt gốc này có liên hệ với nhân tế bào bằng sợi trong phần lớn trường hợp roi đều hướng về phía trước theo sự chuyển động của tế bào Tuy nhiên, ở tảo giáp peridinium, sự chuyển động của roi phức tạp hơn Chúng uốn theo hình sóng theo hướng từ đầu roi tự do tới gốc roi làm cho tế bào chuyển động quay tròn [3]

2.1.2.6 Điểm mắt

Ta thường thấy ở đầu cùng tế bào của đa số tảo có cấu trúc monas một chấm đỏ gọi là điểm mắt (stigma) Màu đỏ hay nâu của điểm mắt liên quan tới chất màu ataxantin Điểm mắt gồm hai phần: phần không màu và phần cò màu Phần không màu có dạng lồi ở hai đầu, phần có màu có dạng hình chén và phần lõm hướng vào phần không màu, bao gồm nhiều hạt nhỏ có màu Điểm mắt là cơ quan thụ cảm với kích thích của ánh sáng, trong đó, phần không màu giữ vai trò là một thấu kính tập trung ánh sáng [3]

2.1.3 Sinh sản

Tảo cũng rất đa dạng trong sinh sản nhìn chung, tảo có ba phương thức sinh sản: sinh sản sinh dưỡng, sinh sản vô tính, sinh sản hữu tính, nhiều tảo còn có sự xen kẽ thế hệ

Một đặc điểm phân biệt tảo với các thực vật không có hoa khác là tảo thiếu một thành đa bào quanh túi bào tử (ngoại trừ túi tinh ở Charophyceae) [3]

2.1.3.1 Sinh sản sinh dưỡng

Sinh sản sinh dưỡng của tảo thực hiện bằng những phần riêng rẽ (đa bào hay đơn bào) của cơ thể, thường không chuyên hóa về chức phận sinh sản Tảo đơn bào sinh sản bằng cách phân chia tế bào Tảo tập đoàn phân tách thành các tập đoàn nhỏ hay hình thành tập đoàn mới bên trong tế bào mẹ (Volvocales, Protococcales) Sinh sản sinh dưỡng của tảo dạng sợi bằng sự tách sợi ra thành các đoạn hay bằng đoạn đứt

ngẫu nhiên của sợi một số ít tảo tạo thành cơ quan chuyên hóa của sinh sản sinh dưỡng như hình thành chồi ở Chara [1], [3]

2.1.3.2 Sinh sản vô tính

Sinh sản vô tính là hình thức sinh sản phổ biến của tảo thực hiện bằng sự hình thành các bào tử chuyên hóa Ở đa số tảo, bào tử này chuyển động, có cấu trúc monas, không có màng tế bào và gọi là động bào tử, phần lớn ít có sai khác nhau, đôi khi có sai khác chút ít so với tế bào sinh dưỡng

Động bào tử bơi lội một thời gian ngắn, tạo vỏ bọc và nẩy mầm thành cơ thể mới

Ở hàng loạt tảo, bào tử của sinh sản vô tính không chuyển động và được gọi là bào tử bất động (aplanospore) Tùy theo từng trường hợp mà có những tên gọi khác nhau [1], [3]

2.1.3.3 Sinh sản hữu tính

Hình 2.5 Sinh sản hữu tính ở Dunaliella

Sinh sản hữu tính của tảo thực hiện bằng những tế bào chuyên hóa, đó là các giao tử (gamet) kèm theo quá trình hữu tính Với tảo chưa tiến hóa (volvocales) quá trình hữu tính tiến hành bằng sự kết hợp toàn vẹn của cả cơ thể (hologamy – toàn giao) Đại đa số tảo, quá trình hữu tính gồm có sự tiếp hợp của cả hai tế bào sinh sản hữu tính trần (gọi tên chung là giao tử) thành một tế bào gọi là hợp tử (zygote) Hợp tử này (cũng như ở toàn giao) tiến hành sự tiếp hợp chất nguyên sinh của hai giao tử và kết hợp nhân Hợp tử bao phủ bởi màng, thường rất dầy và nhanh chóng nẩy mầm (ở nhiều tảo biển) hay là chuyển sang trạng thái nghỉ (chủ yếu ở tảo nước ngọt), sau đó nẩy mầm thành động bào tử, hay trực tiếp thành một cây mới

Nếu như hai giao tử kết hợp giống nhau về hình dạng và kích thước, ta gọi là đẳng giao tử (isogamet), còn quá trình hữu tính gọi là đẳng giao (isogamy) Nếu như trong hai giao tử có một giao tử lớn hơn giao tử còn lại, ta gọi là dị giao tử (heterogamet) và quá tình hữu tính gọi là dị giao (heterogamy) Giao tử lớn hơn được gọi là giao tử cái, còn giao tử nhỏ hơn gọi là giao tử đực

Tế bào, trong đó hình thành đẳng hay dị giao tử gọi là túi giao tử (gametangium) Nếu như các giao tử kết hợp được phát triển trên một cá thể, tản như vậy được gọi là đồng tản (homothalle) Nếu như các giao tử kết hợp được hình thành trên các cá thể khác nhau, tản như vậy được gọi là dị tản (heterothalle)

Hình thức sinh sản hữu tính cao nhất ở tảo là noãn giao (oogamy) Trong trường hợp này, giao tử nhỏ chuyển động được gọi là tinh trùng (spermatozoid) Tinh trùng thụ tinh với noãn cầu (oogone) không chuyển động và có kích thước lớn hơn Tế bào tảo, trong đó hình thành tinh trùng gọi là túi tinh (antheridium) còn tế bào chứa noãn cầu (một hay rất ít khi một vài) gọi là túi noãn (oogonium), ở tảo hồng gọi là carpogone

Ngoài ra, ở tảo còn có quá trình sinh sản hữu tính đ ặc biệt theo lối tiếp hợp (zygonamy) Hai tế bào liên kết với nhau bằng những mấu lồi, không có vách ngăn và kết hợp chất nguyên sinh, không có roi và không có sự phân hóa bên ngoài thành các giao tử đực và cái

Sự kết hợp nhân trong quá trình sinh sản hữu tính làm tăng gấp đôi số lượng nhiễm sắc thể trong hợp tử Số lượng nhiễm sắc thể gấp đôi lên gọi là lưỡng bội (diploid), số lượng nhiễm sắc thể nhỏ hơn hai lần gọi là đơn bội (haploid)

Sự chuyển nhiễm sắc thể từ lưỡng bội sang đơn bội ở thực vật bậc cao tiến hành trong thời gian phân chia sinh sản trước khi hình thành bào tử Còn ở thực vật bậc thấp và ở tảo, sự phân chia giảm nhiễm tiến hành trong các thời gian khác nhau của chu trình sinh sản của chúng Ở mỗi loài có sự luân phiên chính xác của thể bào tử (sporophyte) và thể giao tử (gametophyte) với sự phân chia giảm nhiễm tiến hành như ở thực vật bậc cao, trước khi hình thành bào tử ra thể bào tử (sporophyte) và từ bào tử phát triển ra thể giao tử (gametophyte) Ở rất nhiều tảo, sự phân chia nhân lần đầu tiên trong hợp tử được giảm nhiễm và tất cả chu trình sống của tảo tiến hành trong giai đoạn đơn bội hợp tử chỉ là đơn bội và rất khó coi hợp tử là thế hệ những tảo như vậy không có sự luân phiên thế hệ mà chỉ có sự luân phiên giai đoạn nhân

Khi đời sống của tảo tiến hành trong pha lưỡng bội (diploid) và pha đơn bội (haploid) chỉ có ở giao tử, trước khi hình thành giao tử có sự giảm nhiễm

Đa số tảo là sinh vật quang dưỡng, tất cả đều có chlorophyll a và có sản phẩm cuối cùng là carbonhydrat và protein tương tự như những thực vật bậc cao hơn Vì vậy, nhiều tảo là sinh vật thí nghiệm lý tưởng nhờ vào kích thước nhỏ của chúng và dễ thao tác trong môi trường lỏng Chúng có thể được nghiên cứu dưới những điều kiện được kiểm soát trong phòng thí nghiệm [3]

2.1.4 Dinh dưỡng ở tảo

Phương thức dinh dưỡng của vi tảo được phân thành hai loại chính: tự dưỡng (autotrophy) và dị dưỡng (heterotrophy) Dạng trung gian của hai hình thức trên là tạp dưỡng (mixotrophy) ở dạng tạp dưỡng, quang hợp vẫn là quá trình cơ bản để tạo chất hữu cơ nhưng trong một số trường hợp, tảo sử dụng được các hợp chất hữu cơ có sẵn cần lưu ý là thuộc phương thức dị dưỡng ở tảo còn tồn tại dạng khuyết dưỡng (auxotrophy): để sinh trưởng bình thường, tế bào tảo cần một lượng rất nhỏ chất hữu cơ quan trọng, ví dụ: vitamin Sau đây là bảng khái quát về nhu cầu dinh dưỡng của tảo:

Bảng 2.1 Danh mục một số nguyên tố cần cho sinh trưởng của tảo

(S.Aaronson, 1973) Nguyên

N N2, NH4+, NO3-, NO2-, acid amin,

2.1.4.1 Dinh dưỡng carbon - carbon vô cơ

Trong môi trường nước, carbon vô cơ có thể ở dạng H2CO3, CO2, HCO3-, CO3, phụ thuộc vào giá trị pH (xem hình)

2-Nhiều nhà nghiên cứu cho rằng CO2 là dạng duy nhất được tảo trực tiếp sử dụng trong quá trình quang hợp như enzyme RubPase carbon dưới dạng HCO3- xâm nhập vào tế bào tảo nhờ chuyển vận tích cực hoặc nhờ tác động của cacboanhydrase (CA) phân hủy HCO3- thành CO2 và H2O

Enzyme CA xúc tác phản ứng thuận nghịch:

Cho nên enzyme này là tác nhân điều khiển nồng độ CO 2, H+, HCO3- và CO3trong tế bào Có thể tóm tắt vai trò được giả thiết của CA như sau:

2 vận chuyển CO2đến lục lạp và trung tâm cacboxyl hóa

- Cung cấp chất nền cho RiDP- carboxylase thông qua tăng cường quá trình cố định CO2khi tăng ái lực của enzyme cacboxyl hóa đối với CO2

- Giúp CO2vượt qua màng lục lạp (giảm trở ngại khuếch tán) - Là bơm carbonat

Trong nuôi trồng đại trà vi tảo, giá trị pH cần được giữ ở mức tối ưu cho từng loài và hạn chế tối đa việc mất mát carbon Điều này được thực hiện nhờ đưa thêm vào môi trường CO2 hoặc NaHCO3 Nếu tất cả HCO3- và CO2- đều chuyển sang dạng CO2

và OH- thì pH môi trường có thể đạt tới giá trị 14 tr ong khi pH = 10 – 12 đã ức chế sinh trưởng của tảo Trong điều kiện pH môi trường cao như vậy thì carbon vô cơ hầu như không được tảo sử dụng Hiện tại công đoạn bổ sung CO2 cho nuôi trồng đại trà tảo đang được các nhà khoa học tiếp tục cải tiến nhằm giảm tối đa mất mát CO2 ra ngoài không khí [1]

- Carbon hữu cơ

Ngoài nguồn carbon vô cơ, trong quá trình sinh trưởng, tảo có khả năng đồng hóa cả carbon hữu cơ dưới dạng acetat, đường saccharose, glucose, fructose, galactose, fumarat, malat, ethanol, butyrat, … phương thức dinh dưỡng carbon hữu cơ trong trường hợp này rất đa dạng và phụ thuộc vào từng loài tảo cũng như điều kiện sống cụ

CO2 + H2O H2CO3 H+ + HCO3

-tảo chlorella và Scenedesmus Một ví dụ điển hình của dinh dưỡng carbon hữu cơ là nguồn acid acetic được cung cấp thường xuyên cho tảo Chlorella sản xuất tại Đài Loan Trong trường hợp này acid acetic vừa là nguồn carbon vừa là yếu tố điều chỉnh pH của môi trường nuôi trồng.[1]

2.1.4.2 Dinh dưỡng nitơ

Nitơ chiếm từ 1- 10 % trọng lượng khô tế bào tảo Khả năng cố định N2 chỉ có ở tảo prokaryotae, trong khi hầu hết tảo có thể sử dụng nitơ dưới dạng NO3- và NH4+

Khi a môn được sử dụng như một nguồn nitơ duy nhất cho tảo thì pH môi trường sẽ giảm nhanh gây ra một số hiệu ứng phụ ảnh hưởng tới sinh trưởng của tảo Nitrit cũng được một số tảo dùng nhưng chỉ với nồng độ rất thấp khoảng 1mM

Nhiều vi tảo sử dụng các hợp chất nitơ như amid, urê, glutamin, asparagin, các acid amin như glyxin, serin, alanin, acid glutamic, acid aspatic.[1]

- Cố định nitơ

Một số tảo lam có khả năng cố định nitơ khí quyển quá trình N2 bị khử thành NH4+được xúc tác bởi enzyme nitrogenase Phản ứng theo phương trình sau:

Có thể đơn cử một số loài cố định ni tơ phân tử từ ngành tảo lam như:

- Nhóm Chroococcacean có các chi Aphanothese, Gloeothece, Synechococcus - Nhóm Pleurocapsalean có các chi Dernoocarpa, Xenococcus, Myxosarcina, Chroococcidiopsis, Pleurocapsa

- Nhóm các vi tảo dạng sợi không có tế bào dị hình như Oscil latoria, Pseudoanabaena, Lyngbya, Plectonema, Phormidium

- Nhóm các vi tảo dạng sợi có tế bào dị hình như Anabaena, Anabaenopsis, Aulosira, Calotrix, Cylindrispermum, Fischerella, Nostoc, Tolypothrix

Thống kê trên cho thấy:

- không phải tất cả các loài thuộc Cyanobacteria cố định nitơ

- Cố định ni tơ ở Cyanobacteria được tiến hành trong các cơ thể đơn bào, dạng sợi, có hoặc không có tế bào dị hình.[1]

N2 + 6H+ + 6e- + 12Mg ATP 2NH3 + 12 MgADP +12Pi

- Đồng hóa nitrat và nitrit

Ni tơ được hấp thụ dưới dạng oxy hóa như NO3- và NO2- cần phải được khử trước khi tham gia vào phản ứng với các chất hữu cơ

Những nghiên cứu mới đây cho thấy ở thực vật và tảo, có hai loại enzyme xúc tác cho phản ứng khử hoàn toàn nitrat thành amôn:

Người ta phát hiện được hai dạng nitrate reductase (NR) ở tảo

- dạng thứ nhất tìm thấy trong tảo nhân thực và khá giống với NR của thực vật bậc cao Enzyme này xúc tác phản ứng:

NO3− + NAD(P)H + H+ → NO2− + NAD(P)+ + H+

Dạng NR được làm sạch này chứa Mo-hem và flavo adenin dinucleotide

Dạng thứ hai của NR có trong tảo lam dưới dạng liên kết với cấu trúc hạt mang chlorophyll Phân tử lượng khoảng 7500 có Mo, flavin hoặc cytochrom Enzyme này sử dụng ferredoxin dạng khử như một chất cho điện tử, chứ không phải pyridine nucleotid NR này xúc tác phản ứng:

NO3- + 2e- + Nitrate reductase NO2- + 6e- + Nitrite reductase NH4+

đồng hóa nitơ amôn Quá trình đồng hóa amôn kéo theo việc tiêu tốn carbohydrat dự trữ trong tế bào và amôn được chuyển sang dạng các chất hữu cơ chứa nitơ

Đơn cử một vài enzyme tham gia quá trình đồng hóa amôn ở tảo: - Glutamin dehydrogenase (GDH)

- Glutamin synthase (GS)

- Glutamate synthase (GOGAT):

Có 3 enzyme xúc tác quá trình biến đổi u rê thành NH3

- Urease xúc tác phản ứng thủy phân đơn giản: 3

2OCO(NH ) CO 2NH

- Urea amidolyase xúc tác phản ứng sau:

- Urea carboxylase xúc tác phản ứng hình thành allophanat:

ATPHCO

hoặc dị dưỡng có khả năng sử dụng acid amin và các nguồn ni tơ hữu cơ khác để duy trì sinh trưởng [1]

2.1.4.3 Dinh dưỡng phốt pho

Phốt pho (P) là một trong những nguyên tố chính trong thành phần của tảo P có vai trò chính trong đa số các quá trình xảy ra ở tế bào, đặc biệt là quá trình truyền năng lượng và tổng hợp acid nucleic Vai trò của P đới với trao đổi chất ở tảo là vấn đề được quan tâm nhiều do nó thường là yếu tố giới hạn sinh trưởng trong tự nhiên Mặc dù nồng độ P hữu cơ trong nước tự nhiên thường vượt quá lượng P vô cơ (Pi), nhưng tảo lại sử dụng Pi là chủ yếu Phốt pho hữu cơ thường được thủy phân bởi các enzyme ngoại bào như phosphoesterase, phosphatase để chuyển sang dạng Pi dễ hấp thu

Nói chung, việc hấp thu P ở tảo được kích thích bởi ánh sáng, nồng độ phốt phát trong môi trường, pH, Na+, K+ hoặc Mg2+ Tảo sử dụng một trong ba quá trình sau đây để chuyển hóa orthophosphate sang dạng hữu cơ có năng lượng cao:

- Phosphoryl hóa mức cơ chất - Phosphoryl hóa oxy hóa - Phosphoryl hóa quang hóa

Phản ứng phosphoryl hóa được biểu diễn tổng quát như sau:

Trong hai quá trình đầu tiên, năng lượng được lấy từ việc oxy hóa c ác cơ chất hô hấp hoặc từ hệ thống truyền điện tử của ty thể Quá trình thứ ba là quá trình điển hình đối với thực vật, năng lượng lấy từ nguồn ánh sáng mặt trời

ATP đóng vai trò trung tâm trong trao đổi chất của cơ thể sống vì nó cung cấp năng lượng cho quá trình cố định CO2, hấp thu và chuyển vận ion, hình thành acid nucleic … Pi thường tồn tại trong tảo dưới dạng polyphosphate Đây là dạng chốt phát dự trữ chính cho tế bào [1]

2.1.4.4 Dinh dưỡng vi lượng

Các vi lượng được coi là không thay thế đối với sinh trưởng của tảo là Fe, Mn,

ADP + Pi + Năng lượng ATP

Những vi lượng khác đóng vai trò quan trọng đối với một số nhóm tảo là Co, B, V, Si, I

Fe tham gia quá trình đồng hóa ni tơ vì ferredoxin là chất cho điện tử trong hoạt động của nitrate reductase và nitrite reductase

Fe rất quan trọng đối với quá trình quang hợp vì tác động đến sinh tổng hợp chlorophyll a, C-phycocyanin và cytocrom

Mn và Cu là các yếu tố quan trọng trong hệ truyền điện tử quang hợp và cần cho tất cả các loài tảo Các nguyên tố này cũng tham gia vào hoạt động tế bào với tư cách là thành phần hoặc cofactor của enzyme

B cần cho một số tảo lam và tảo silic, trong khi Mo tham gia quá trình cố định ni tơ và là thành phần của nitrat reductase Vanadi là thành phần không thể thiếu đối với sinh trưởng của một số tảo lục và tảo biển Coban hoặc vitamin B12 chứa Co cần cho sinh trưởng của một số loài tảo Silic có trong thành tế bào của nhiều loài tảo, đặc biệt là tảo silic…

Ngoài ra, còn một số loài tảo có phương thức dinh dưỡng khuyết dưỡng (auxotroph) đối với một số vitamin như B12, B1, Biotin.[1]

2.1.5 Ảnh hưởng của một số yếu tố ngoại cảnh đến sinh trưởng và phát triển của tảo

2.1.5.1 Ánh sáng

- Hiện tượng quang ức chế (mất hoat tính quang hóa)

Sinh trưởng của tảo bị ức chế dưới điều kiện chiếu sáng mạnh là hiện tượng quan sát dễ dàng trong phòng thí nghiệm cũng như ngoài tự nhiên Mức độ quang ức chế phụ thuôc vào cường độ sáng và chất lượng phổ của ánh sáng Mặt khác, ánh sáng có cường độ cao cũng ức chế hô hấp của các tế bào đang quang hợp mạnh.[1]

caroten và zeaxanthin so với hiệu quả nuôi trồng dưới ánh sáng trắng trong cùng điều kiện thí nghiệm.[1]

- Ánh sáng và vận động của tảo

Có 4 kiểu vận động được ghi nhận: vận động nhờ roi, vận động kiểu amip, vận động do co thắt tích cực va trượt Ánh sáng là một trong những yếu tố quan trọng nhất ảnh hưởng tới vận động của hầu hết các loài tảo chuyển động được

Tảo lam có khả năng nổi hoặc chìm để phản ứng với cường độ sáng nhờ có không bào không khí: khi bị chiếu sáng với cường độ cao, không bào khí xẹp xuống dẫn đến tỉ trọng của tế bào so với nước tăng lên và tảo chìm xuống Người ta cũng xác nhận tảo Oscillatoria điều chỉnh việc chìm nổi dưới tác động của ít nhất 3 yếu tố: chế độ sáng, CO2 và chế độ dinh dưỡng [1]

2.1.5.2 Nhiệt độ

Ảnh hưởng của nhiệt độ có thể giải thích thông qua hai yếu tố: - Nhiệt độ tác động lên cấu trúc tế bào

- Nhiệt độ ảnh hưởng lên tốc độ phản ứng trao đổi chất

Trong điều kiện sản xuất đại trà vi tảo, nhiệt độ đóng vai trò rất quan trọng Chính vì vậy, việc chọn các chủng tảo chịu nhiệt có ý nghĩa lớn đến năng suất tảo Mặt khác, nhiệt độ thấp cũng ảnh hưởng xấu tới sinh trưởng của tảo Ví dụ: Ono và Murata đã giả thiết cơ chế tác động của nhiệt độ thấp ở tảo Anacystis nidulans là do phân rã của lớp lipid kép của màng nguyên sinh chất dẫn đến việc thẩm thấu các ion và các chất hòa tan phân tử lượng thấp ra môi trường Điều này dẫn tới việc làm giảm hoạt tính sinh lý của chính tế bào [1]

2.1.5.3 Độ mặn

Phổ chịu muối của tảo rất rộng Một số loài chỉ có thể chịu được nồng độ vài mM, trong khi một số khác có thể sống ở điều kiện muối bão hòa Để có thể tồn tại trong điều kiện bị sốc muối, tế bào cần có thêm năng lượng để tổng hợp các chất điều hòa thẩm thấu (osmotica), duy trì cân bằng nội môi Sau đây là một số cơ chế thích nghi với nồng độ muối cao của tảo

- Sản sinh glycerol

Đây là phản ứng đặc trưng ở tảo Dunaliella Glycerol là chất điều hòa thẩm thấu và hàm lượng tăng tỉ lệ thuận với tăng nồng độ muối NaCl trong môi trường

- Sản sinh sucrose và prolin

Tảo Chlorella emersonii có khả năng thích ứng với nồng độ muối 50 – 150 mM NaCl nhờ sản sinh Prolin Điều đặc biệt là Prolin tích lũy trong trường hợp này không phải bắt nguồn từ thủy phân protein, vì sự hình thành của Prolin ngoài sáng bị ngừng ngay khi xử lý DCMU – chất ức chế quang hợp, và cả khi đưa tế bào vào tối

- TÍch lũy β- caroten

Để phản ứng với nồng độ NaCl cao, thiếu đạm và nhiệt độ cao, tảo Dunaliella bardawil tích lũy cả glycerol và β- caroten Hàm lượng β- carotentrong trường hợp này có thể tăng lên tới 8 % trọng lượng khô Chính vì vậy, vi tảo Dunaliella đã được sử dụng như một đối tượng sản xuất đại trà để thu β- caroten Hiện tại, Australia là nước có sản phẩm β- caroten thương mại thu từ việc sản xuất đại trà vi tảo Dunaliella

- Ảnh hưởng của độ mặn NaCl lên quang hợp và hô hấp

Cần lưu ý rằng không phải tất cả các thay đổi xảy ra ở tế bào tảo khi bị ảnh hưởng của nồng độ NaCl cao chỉ liên quan tới cơ chế điều hòa áp suất thẩm thấu Độ mặn cao ảnh hưởng trực tiếp tới hoạt tính quang hợp và hô hấp của tế bào tảo đã được chứng minh ở nhiều loài tảo như: Anacystis nidulans, Dunaliella salina, Spirulina platensis…

Người ta cho rằng, giai đoạn tế bào tảo thích ứng với độ mặn cao có thể tách thành hai bước kế tiếp:

- Lúc đầu cường độ quan hợp giảm nhưng không có liên quan với hoạt tính hô hấp

-Sau giai đoạn thích nghi, cường độ quang hợp giảm đi kèm với việc tăng nhanh cường độ hô hấp Vai trò của tăng hô hấp trong trường hợp này là để cân bằng nồng độ Na+

, K+ và tổng hợp các chất tham gia điều hòa áp suất thẩm thấu [1]

2.1.5.4 Ảnh hưởng của pH

Nhiều quá trình sinh học bị tác động bởi gía trị pH Tác động này được quan sát rõ nhất tại các thủy vực có mật độ quần thể sinh vật cao như ao phú dưỡng, ao nuôi

thủy sản tỉ lệ hàm lượng CO2, CO32- và HCO32-trong môi trường dinh dưỡng xác định giá trị pH, mỗi loài tảo lại sinh trưởng tối ưu trong môi trường có giá trị pH nhất định

Giá trị pH ảnh hưởng tới:

- Khả năng phân ly muối và phức chất và như vậy gián tiếp gây độc và tác động ức chế sinh trưởng của tảo

- Tính hòa tan của các muối kim loại

- Hàm lượng độc tố trong một số tảo Ví dụ tảo độc Microcystis aeruginosa sẽ chứa hàm lượng độc tố cao hơn khi pH của môi trường giảm thấp hơn giá trị tối ưu

Những điều nêu trên khẳng định tầm quan trọng của giá trị pH đối với sản xuất đại trà vi tảo [1]

2.1.6 Phân bố

Tảo sống trong nước, trôi nổi tự do trong lớp nước ở trên, có trong thành phần của sinh vật phù du (plankton), những dạng khác có trong thành phần của sinh vật đáy (benthos), sống bám vào đáy hay các giá thể khác ở dưới nước hay nằm tự do ở dưới đáy

Nhiều tảo sống ở chỗ khô, trên thân cây, trên đất Hàng loạt tảo sống ở trong nước, nhưng có thể sống cả ở trong đất hay chỗ khô

Tảo có mặt ở khắp mọi nơi, xuất hiện ở mọi môi trường sống trên trái đất, từ vùng sa mạc nóng và lạnh khắc nghiệt đến vùng đất đá băng tuyết và mọi thủy vực chúng là những sinh vật sản xuất sơ cấp, đóng vai trò chính trong chuỗi thức ăn ở các hệ thủy vực Tuy nhiên, chúng là “những sinh vật phiền toái” trong các hệ thống cung cấp nước cho đô thị và trong các thủy vực dễ bị phú dưỡng Chúng là những sinh vật gây nên hiện tượng nở hoa ở nước (water bloom) gây ô nhiễm môi trường thủy vực và ảnh hưởng đến nghề nuôi trồng thủy sản Đặc biệt một số tảo còn sinh ra độc tố gây ra tác hại cho con người thông qua dây chuyền thức ăn

Nghiên cứu giá trị của tảo, người ta đã nhận thấy một số tảo là nguồn thực phẩm có giá trị cho con người Các chiết xuất hóa học của nhiều loài tảo được sử dụng trong công nghiệp thực phẩm, dược phẩm và nhiều ngành công nghiệp khác Trong tương lai, công dụng của tảo sẽ được nghiên cứu phát triển mạnh trong lĩnh vực năng lượng và sản xuất thực phẩm [1]

2.2 Giới thiệu chung về tảo Tetraselmis

Tetraselmis hay còn gọi là platymonas, là loại vi tao biển được nuôi trồng đ ại trà để làm thức ăn cho động vật thủy sinh

Kích thước trung bình khoảng 10µm x 20µm, chuyển động nhờ 4 roi Lần đầu tiên được nuôi trồng đại trà năm 1980

Tetraselmis là nguồn thức ăn có chất lượng cao cho ấu trùng các loại nhuyễn thể như: trai, sò, ngao, hàu…

Ngày nay, tetraselmis được biết đến là loài tảo có hàm lượng lipid cao, có triển vọng trong ứng dụng sản xuất nhiên liệu sinh học (bio diesel)

2.2.1 Vị trí phân loại [11]

Tetraselmis

Nhóm : Eukaryota Giới : Viridiplantae Ngành : Chlorophyta Lớp : Chlorophyceae Bộ : Volvocales

Họ : Chlamydomonaceae Chi : Tetraselmis

2.2.2 Đặc điểm sinh học

- Ngành tảo lục – Chlorophyta

Đây là ngành lớn nhất của tảo, hiện đã phát hiện được khoảng 20.000 loài Hình thái cơ thể có tất cả các dạng (trừ dạng amip) : như monas, hạt, tập đoàn, palmella, đa bào dạng sợi, dạng bản, dạng ống và dạng cây Tảo lục phân bố rộng khắp từ nước ngọt nghèo dinh dưỡng đến nước lợ và nước biển một số bộ chỉ sống ở biển, một số sống trên vật ẩm hay sống ngay dưới mặt đất việt nam đã phát hiện được hơn 1000 loài

Hình 2.6 Tế bào tảo Tetraselmis dưới vật kính dầu

Hầu hết các tế bào có một nhân, nhưng nhiều nhân cũng có ở một vài bộ (như caulerpales), một số chi của bộ Chlorococcales (như Hydrodictyon)

Có vách tế bào, trừ polyblepharidaceae và một số tế bào sinh sản vận động của nhóm khác, nguyên sinh chất bao quanh bởi màng sinh chất nhiều trường hợp, tế bào ở tình trạng đang già trong nuôi cấy cạn kiệt ni-tơ thì vách tế bào của chúng dày lên nhiều nhiều cơ thể, vách tế bào có hai lớp rõ rệt dưới kính hiển vi quang học: một lớp cứng hơn ở bên trong và lớp vỏ bên ngoài, chúng có thể xếp thành tầng các lớp này bao quanh tế bào chất, trước đây đã tưởng là bao gồm toàn các polysaccharid, nay đã khám phá ra chứa từ 10 – 69 % protein Ngược lại, Lorch và weber (1972) báo cáo chỉ có 0.32% trọng lượng vách tế bào ở pleorotaenium là ni tơ, 1,7 % lipid và phần còn lại chứa glucose, galactose, xylose, arabinose và các acid glucuronic và galacturonic

Nhiều phân tích hóa sinh vách tế bào tảo lục đã chỉ ra một số có xenluloza, một số lại không có (như chlamydomonas, acetabularia và briopsis) Các polyme này xuất hiện như các sợi dính với nhau thành khối không phải là sợi, khối này (ở một số trường hợp) tạo ra hemi xenluloza

Tảo có màu xanh thuần khiết do diệp lục tố a, b chiếm đa số, (trừ một số sống ở nơi ẩm có màu vàng do chứa nhiều dầu và hematocrom) Ngoài diệp lục còn có µ, β và γ caroten và vài xanthophyll Một số như chlorococcum và spongiochloris cùng với các caroten nguyên sinh có trong suốt hoạt động sinh trưởng của tế bào chúng có thể bị mất các diệp lục và phát triển các caroten thứ cấp như echinenon, canthaxanthin và astacen Sự biến đổi tương tự về sắc tố có thể xảy ra ở hộp tử và bào xác của những loài nhất định và trở thành đỏ Một số (như zygnema ericetorum ) ngoài sắc tố quang hợp còn chứa các sắc tố không bào đỏ thẫm, đó có thể là hợp chất sắt – tanin

Sản phẩm đồng hóa là tinh bột, ít khi là dầu sắc tố tập trung trong cơ quan quang hợp thể màu Thể màu ở tảo lục có hình thái rất đa dạng và thường là đặc điểm quan trọng cho định loại Trong thể màu có các vùng khác biệt gọi là hạch tạo bột, đây có thể là địa điểm cho sự hình thành tinh bột, một hoặc nhiều hạt tinh bột hình thành trong thể màu áp gần bề mặt hạch tạo bột nhiều loài (như scenedesmus) mọi sự tăng trưởng của tinh bột trong thể màu đều liên đới với hạch tạo bột Tuy nhiên, Vai trò của hạch tạo bột trong hình thành tinh bột là không rõ vì nhiều loài hoàn toàn không có hạch tạo bột mà tinh bột vẫn được hình thành (như ở microspora) Khi tế bào phân đôi

trường hợp tế bào phân chia nhanh và thành nhiều tế bào con, thì hạch tạo bột thường biến mất trước khi tế bào mẹ phân chia và lại xuất hiện lại ở tế bào con sau đó

Ngoài hạch tạo bột, trên thể màu của các tảo lục dạng monas và hầu hết các tế bào sinh sản vận động của các tảo lục không phải dạng monas có chứa bào quan sắc tố (đặc biệt là điểm mắt đỏ), chúng được xem là cơ quan cảm nhận ánh sáng Tuy nhiên, những thể đột biến của chlamydomonas không có điểm mắt nhưng vẫn có khả năng theo sáng, tuy có đạt tới chậm hơn dạng hoang dại có điểm mắt

Roi của các tế bào vận động ở tảo lục thường là bằng nhau về độ dài và nhẵn một số cơ thể như ở chlamydomonas reinhardtii, trên dọc roi có các lông mảnh, trong khi ở các chi khác như pyramimonas, prasinocladus và trichosarcina bề mặt roi phủ các vẩy nhỏ

Tế bào tảo lục còn chứa các nội bào quan khác giống các sinh vật có nhân khác như golgi, ty lạp thể, lưới nội chất Nhi ều loài tế bào chất lấp đầy tế bào (chlamy domonas, chlorococcum), trong khi một số khác (spirogira) một không bào lớn chiếm phần lớn khoang tế bào Những tế bào này chuyển động chứa không bào co bóp trong tế bào chất không màu của chúng, loại không bào này không có ở loài sống ở biển, chúng làm nhiệm vụ điều hòa áp suất thẩm thấu

Sinh sản ở tảo lục rất đa dạng, có thể gặp phổ biến cả ba hình thức sinh sản là sinh sản sinh dưỡng, sinh sản vô tính và sinh sản hữu tính Sinh sản vô tính có tất cả các kiểu đẳng giao, dị giao, toàn giao, tiếp hợp, noãn giao với túi noãn và túi tinh đơn bào hoặc đa bào Chu trình sống cũng gặp các kiểu không có giao thế hệ, chỉ đơn bội (trừ hợp tử), gọi là kiểu “H”, “d” (Haplobiontic – chu trình sống chỉ có một kiểu cơ thể và diploid – kiểu khác là hợp tử lưỡng bội) hoặc chỉ lưỡng bội (trừ giao tử ), gọi là kiểu “H”, “h” (H có nghĩa như trường hợp trên và haploid – kiểu khác là giao tử đơn bội) và kiểu giao thế thế hệ đồng hình (Di

, h + d) và giao thế thế hệ dị hình (Dh

, h + d), cả hai kiểu này trong chu trình sống có hai kiểu cơ thể haploid và diploid [2]

- Bộ Volvocales

Tảo sống đơn độc hay tập đoàn Trừ họ Polyblepharidaceae và một loài khác nữa còn đều có màng sinh chất dinh dưỡng tự dưỡng nhờ quang hợp thể màu có nhiều hình dạng tùy loài, trên chúng ít nhất là một hạch tạo bột Tế bào có 1,2,4, hoặc 8 roi, chủ yếu là dạng hai roi, roi có cấu trúc điển hình gồm 9 đôi sợi ngoại biên và một đôi ở trung tâm Điểm mắt nằm trên thể màu Tế bào có một nhân Không có không bào

trung tâm nhưng có một hay nhiều không bào co bóp (trừ loài sống ở nước mặn) Sinh sản vô tính bằng phân chia nguyên nhiễm tế bào bố mẹ diễn ra khá nhanh tạo nên 2,4,8 hoặc nhiều tế bào con trong tế bào mẹ ở loài có màng tế bào, ở những loài không có màng tế bào thì sự phân chia tế bào diễn ra ngay khi tế bào đang chuyển động như Dunaliella, những loài có màng thì hầu hết chuyển sang bất động trong quá trình phân chia Volvocaceae thì hình thành tập đoàn sinh trưởng bằng phân đôi của tất cả (pandorina) hoặc một số volvox tế bào của tập đoàn hình thành tập đoàn phôi thai rồi giải phóng ra khỏi tập đoàn mẹ, lớn lên do tăng kích thước tế bào chứ không phải phân chia thêm

Sinh sản hữu tính là đẳng giao, dị giao hay noãn giao tùy thuộc loài Cả ba kiểu trên xảy ra trong những loài sinh sản hữu tính của chlamydomonas, trong khi mỗi kiểu lại đặc trưng cho vài chi của vollvocales Có thể tất cả có chu trình sống kiểu H, h Họ Chlamydomonadaceae

Cơ thể cũng là đơn bào nhưng khác với họ Polyblepharidaceae bởi tế bào có vách Chúng khác biệt về di truyền bởi số lượng roi và hình dạng tế bào [2]

- Chi Tetaselmis (Carteria)

Có 4 roi, có sự khác biệt về cấu tạo của hạch tạo bột Sinh sản vô tính bằng cách phân chia tế bào và giải phóng ra hai, bốn hoặc tám sản phẩm vận động [2],[11]

2.3 Sơ lược về công nghệ sản xuất đại trà vi tảo 2.3.1 Lịch sử nghiên cứu

Lịch sử nuôi trồng đại trà vi tảo khá ngắn, bắt đầu từ những thử nghiệm đầu những năm 1950, ngày nay, sản lượng tảo khô hàng năm trên thế giới sản xuất là khoảng hơn 9000 tấn Sản xuất đại trà tảo Scenedesmus bắt đầu vào những năm 1960 ở

Tiệp Khắc, Đức, Israel, Italia và một số nước Đông Âu Trong khi đó, vi tảo lam Spirulina được nuôi trồng đại trà tại Mehico, Mỹ, Đài Loan, Israel, Trung Quốc, Thái Lan, Ấn Độ và Việt Nam Sản xuất sinh khối Dunaliella – nguồn β – caroten bắt đầu

sản xuất trên diện rộng tại Israel và triển khai mạnh ở Australia Porphyridium – một

loài tảo đỏ, giàu polysaccharid và acid arachidonic được nuôi trồng đại trà tại Pháp

2.3.2 Các kiểu bể nuôi trồng tảo

Việc phát triển công nghệ nuôi trồng vi tảo, đòi hỏi phải giải quyết hàng loạt các vấn đề về sinh học của chủng tảo được chọn, các thông số hóa lý của môi trường, dinh dưỡng, thủy động lực học, các kỹ thuật khuấy, bổ sung CO2, tách, lọc, sấy sinh khối … Điều này liên quan mật thiết tới việc áp dụng các hệ thống nuôi trồng khác nhau

Có thể nuôi trồng công nghiệp vi tảo theo phương pháp quảng canh hoặc thâm canh, trong hệ thống kín hoặc hở, với tảo sạch vi khuẩn hoặc không Rất khó đánh giá được phương pháp nào là ưu việt nhất vì việc chọn hệ thống sản xuất phụ thuộc phần lớn vào các loài tảo và sản phẩm cần khai thác Người ta dùng phương pháp nuôi

Môi trường

Hình 2.7 Quy trình công nghệ sản xuất đại trà vi tảo [1]

quảng canh để sản xuất sinh khối tảo Chlorella, Spirulina, và Scenedesmus với mục

đích nhận protein đơn bào và thức ăn bổ dưỡng, sản xuất Dunaliella để nhận β – caroten Phương pháp nuôi trồng này là đơn giản và rẻ nhất nhưng phải ứng dụng với

môi trường nuôi có chọn lọc Ví dụ Dunaliella salina sinh trưởng trong môi trường có

nồng độ muối tới hơn 20% trong khi tảo Spirulina platensis chịu được pH cao hơn 9

Khi tiến hành thiết kế bể nuôi tảo, người ta phải cân nhắc tới một số yếu tố sau: - Độ sâu tối ưu của dịch tảo có tính tới mức độ ánh sáng mặt trời xuyên xuống - Tốc độ khuấy phù hợp với nhu cầu năng lượng khuấy sục môi trường nhằm khử các không gian chết trong bể và giữ tế bào luôn ở dạng huyền phù mà không làm ảnh hưởng tới hoạt tính sinh lý của tảo

- Vật liệu xây dựng bể

Hệ thống nuôi trồng đại tà vi tảo được chia thành 5 loại (Borowitzka, 1991) [1]

2.3.2.1 Hệ thống bể nông (shallow ponds)

Ưu điểm là vốn đầu tư xây dựng và kinh phí vận hành thấp nhược điểm cơ bản của hệ thống là năng suất thấp và khả năng sản xuất không ổn định, độ tin cậy thấp Hệ thống đòi hỏi diện tích đất lớn Một số ao nông, diện tích rộng hiện nay đang được dùng như dạng ao ổn định để xử lý nước thải Trong hệ thống này, sinh khối tảo chỉ được coi như sản phẩm thứ cấp [1]

2.3.2.2 Hệ thống bể dài (Rayceways)

Là dạng bể thông dụng, ngoài trời và dùng cho nuôi quảng canh Hệ thống được đưa vào sử dụng trong những năm 1960 Thông thường hai đầu bể được vuốt tròn để giản trở lực khi dòng huyền phù vận động tuần hoàn Lúc đầu, nhiều

dạng thiết kế sử dụng bơm đẩy tạo vận tốc của dòng chảy lên tới 30 cm/s Trong những năm 1970, dạng guồng (paddlewheel) đã được đưa vào sử dụng khá hiệu quả vì tiêu tốn năng lượng ít hơn Đôi khi người ta sử dụng phương pháp thổi khí nhờ máy nén khí để tạo dóng chảy Các bể có thể có thành chung để giảm chi phí xây dựng

Hình 2.8 Hệ thống bể dài (rayceways)

Điển hình của dạng bể nảy là dùng cho sản xuất tảo Spirulina tại nhiều nơi trên thế

giới, trong đó có Việt Nam Tại Bình Thuận, dạng bể này được ứng dụng với hệ thống bơm khuấy trục vít Savonius chạy bằng năng lượng gió

Cần lưu ý thêm là hệ thống cần đầu tư tương đối cao và co chi phí vận hành lớn nếu muốn có sinh khối chất lượng cao Ưu điểm là năng suất sinh khối chấp nhận được và hệ thống có tính ổn định cao [1]

2.3.2.3 Hệ thống nghiêng (Cascade)

Trong trường hợp này, dung dịch huyền phù được vận chuyển trên bề mặt bể nghiêng 30 và tuần hoàn nhờ bơm đặt ở phần thấp nhất Kiểu bể này do Shetlik (Tiệp Khắc cũ) thiết kế và ứng dụng thành công tại Bungari với quy mô gần 5000 m2

để sản xuất tảo lục thuộc chi Chlorella và Scenedesmus

Dung dịch tảo vận hành trên bề mặt

nghiêng và phải vượt qua nhiều thanh chắn nhỏ, nằm ngang để tối ưu hóa cho việc trao đổi khí và ánh sáng Mật độ tảo có thể đạt tới 3gr/lít

Ưu điểm cơ bản của hệ thống là năng suất sinh khối cao và khá ổn định Tuy vậy, hệ thống chỉ giới hạn cho việc nuôi trồng vi tảo lục và đòi hỏi chi phí đầu tư ban đầu cũng như vận hành cao [1]

2.3.2.4 Hệ thống bể phản ứng quang sinh dạng ống (tubular photobioreactor)

Các bể này được thiết kế thành công nhất tại Anh và Pháp Đây là dạng hệ thống kín Về cơ bản, hệ thống bể bao gồm:

Một bể phản ứng dạng ống được thiết kế bằng vật liệu cho ánh sáng xuyên qua

Hình 2.9 Mô hình bể nghiêng kiếu shetlik [1]

Hình 2.10 Mô hình bể phản ứng quang sinh dạng ống

Một tháp bổ sung CO2

Thiết bị bơm tạo dòng tuần hoàn của dịch huyền phù tảo

Ưu điểm chính của hệ thống này là giảm bốc hơi nước và giảm khả năng bị lây nhiễm tảo khác Nhược điểm của hệ thống là đầu tư cao, không tận dụng được triệt để ánh sáng tự nhiên và có nguy cơ bị đốt nóng vào mùa hè.Mặc dù có một số ưu điểm quan trọng, hệ thống này cần hoàn thiện một số khâu sau:

Chọn loại bơm sao cho không làm thương tổn tới tế bào tảo Nồng độ O2 cao trong bể kín sẽ ức chế quang hợp của tảo Chọn phương pháp để giảm chi phí vận hành tháp bổ sung CO2

Ví dụ điển hình của hệ thống này là cơ sở sản xuất porphyridium tại Caradache, Pháp

[1]

2.3.2.5 Hệ thống bể lên men

Đây cũng là bể kín cần đầu tư ban đầu và kinh phí vận hành lớn Về nguyên tắc, hệ thống giống như các bể lên men vi sinh vật nhưng phải được trang bị thêm thiết bị chiếu sáng cho tảo quang hợp Nhiều nước sử dụng hệ thống này kèm theo thiết bi điều chỉnh tự động các thông số

môi trường thông qua một máy vi tính Vi tảo nuôi trồng trong hệ thống này là sạch thuần khiết [1]

2.3.3 Tách sinh khối

Thu hoạch tảo là thao tác ảnh hưởng lớn đến giá thành sản xuất cho đến nay, nhiều phương pháp thu sinh khối đã được ứng dụng như li tâm, kết lắng hóa học, kết lắng bằng điện trường, tự kết lắng, lọc trọng trường, lọc chân không … [1]

2.3.3.1 phương pháp ly tâm

Có thể dùng để thu hoạch vi tảo dạng sợi hoặc đơn bào Phương pháp ly tâm có

Hình 2.11 Mô hình sản xuất tảo sạch vi khuẩn trong hệ thống kín [1]