Bài giảng công nghệ sinh học vi tảo và rong biển đại học thủy lợi

TRƢỜNG ĐẠI HỌC THỦY LỢI KHOA: HĨA - MƠI TRƢỜNG BỘ MÔN: CÔNG NGHỆ SINH HỌC CÔNG NGHỆ SINH HỌC VI TẢO VÀ RONG BIỂN GS TS NCVCC Đặng Diễm Hồng Email: ddhong@tlu.edu.vn; ddhong@ibt.ac.vn ddhong60vn@yahoo.com ĐT: 091 534 3660; Hà Nội, 2.2020 TRƢỜNG ĐẠI HỌC THỦY LỢI KHOA: HÓA - MÔI TRƢỜNG BỘ MÔN: CÔNG NGHỆ SINH HỌC Bài giảng CÔNG NGHỆ SINH HỌC VI TẢO VÀ RONG BIỂN Hà Nội, 2.2020 CHƢƠNG 1: MỞ ĐẦU CHƢƠNG I: MỞ ĐẦU - Vai trò tảo hệ sinh thái, đời sống ngƣời + Vi tảo sống quang tự dƣỡng + Vi tảo sống dị dƣỡng + Vi tảo sống tạp dƣỡng - Ƣu tảo so với thực vật: phát triển đơn giản, vòng đời ngắn, suất cao, hệ số sử dụng lƣợng ánh sáng cao, thành phần sinh hoá dễ đƣợc điều khiển tuỳ điều kiện nuôi cấy nhờ kỹ thuật di truyền, ni trồng đơn giản, thích hợp với qui mơ sản xuất công nghiệp CHƢƠNG 1: MỞ ĐẦU I VÀI NÉT VỀ ĐẶC ĐIỂM SINH HỌC ĐẶC ĐIỂM VỀ TAXONOMY - Tảo thực vật bậc thấp, nghĩa thực vật bào tử có tản (cơ thể khơng phân chia thành thân, rễ, lá), tế bào chứa diệp lục sống chủ yếu nƣớc - Tảo nhóm thể khơng đồng cấu tạo nguồn gốc: TV bậc thấp có diệp lục, sống chủ yếu nƣớc chiếm tới 1/3 sinh khối thực vật trái đất - Ngồi ra, tảo cịn thể sống dị dƣỡng - Căn vào màu sắc, ngƣời ta phân chia tảo thành 10 ngành sau đây: Vi khuẩn lam Cyanophyta Tảo Nâu Phaeophyta Tảo Giáp Pyrrophyta Tảo Đỏ Rhodophyta Tảo Vàng ánh Chrysophyta Tảo mắt Euglenophyta Tảo Silic Bacillariaphyta Tảo Lục Chlorophyta Tảo Vàng Xanthophyta 10 Tảo Vòng Charophyta - Chỉ tiêu phân loại: sử dụng có mặt chất dự trữ, thành phần vỏ, cấu tạo nhân tế bào - Xếp Vi khuẩn lam vi khuẩn vào nhóm thể tiền nhân (procaryota) (vì chƣa có nhân điển hình gần với cấu trúc VK) - Nội cộng sinh tiến hố chìa khố để hiểu cách đầy đủ q trình tiến hố đa dạng tảo + Nội cộng sinh thứ phát sinh thực vật sơ cấp + Nội cộng sinh thứ hai phát sinh dòng tảo nhân chuẩn (bao gồm Apicomplexa) - Đây kết cách mạng sinh học phân tử, tích luỹ nhanh chóng trình tự gen, hệ gen hoàn chỉnh sinh vật, đặc biệt sinh vật đơn bào hoàn toàn đƣợc thay đổi  Tảo xem tập hợp nhóm sinh vật nhiều nguồn gốc, có sắc tố quang thải oxy, bao gồm VKL nhân sơ nhóm nhân chuẩn (viz Glaucophyta, Rhodophyta, Chlorophyta, Cryptophyta, Heterokontophyta, Haptophyta, Dinophyta, Euglenophyta Chlorarachniophyta) đƣợc qui cho bậc phân loại - Những khám phá nội cộng sinh thứ hai tiến quan trọng khoa học thực vật sinh học tiến hoá kỷ XX Nó đƣa quan điểm tiến hoá đa dạng thực vật đặt cho phải nhìn nhân lại phân loại tảo nhân chuẩn - Vậy nội cộng sinh thứ hai có bao nhiêu? Có khoảng 10-12 siêu nhóm nhân chuẩn, chia thành tập hợp lớn: bikont unibikont, amoeloozoa, opisthokonta bikont Trong tranh lớn tảo xuất rải rác siêu nhóm bikont, gồm thực vật (plants): Chlorophyta, Rhodophyta, Glaucophyta, Stramenopiles (Heterokontophyta), Alveolate (Dinophyta Apicomplexa); Cercozoa (Chlorarachniophyta) Discicristates (Euglenophyta) Trong vị trí Cryptophyta Haptphyta chƣa đƣợc rõ ràng Trích dẫn từ: Đặng Diễm Hồng HTL Anh, 2016 Hình Sự đa dạng sinh vật nhân chuẩn quang hợp thể hạt chúng (Kelling, 2010) Ghi chú: Các thể hạt sơ cấp tìm thấy tập hợp nhỏ sinh vật nhân chuẩn quang hợp, dễ gặp tảo lục Ulva, hay gọi rau diếp biển (a) thực vật cạn có quan hệ gần gũi với chúng Typha- đuôi mèo (b) tảo đỏ Chondra canthus hay gọi khăn xù (c) Các thể hạt thứ cấp biết nhiều dòng khác nhau, bao gồm tảo đa bào lớn tảo bẹ loài liên quan với chúng tảo nâu Fucus (f) Trong số thể hạt thứ cấp, nhân tảo nội cộng sinh giữ lại dạng hình thái nhân- nucleomorph, (d) hình thái nhân từ Partenskyella glossopodia Ở tảo hai roi, thêm lớp nội cộng sinh nội cộng sinh thứ làm cho tế bào trở nên phức tạp hơn, ví dụ (e) Durinskia, có phần khác biệt di truyền từ nội cộng sinh: nhân vật chủ (màu đỏ), nhân sinh vật nội cộng sinh (màu xanh), thể hạt sinh vật nội cộng sinh (màu vàng) ty thể từ vật chủ sinh vật nội cộng sinh (màu tím) (g) Chromera veliais- loại tảo gần cho hạt từ q trình nội cộng sinh thứ cấp (Kelling, 2010) Các vấn đề tồn đọng cần tìm cách giải quyết: - Việc xác định nhanh chóng, xác lồi gây độc hại, đặc biệt phân biệt chủng độc khơng độc lồi, lồi độc hại phân bố vùng địa lý khác - Tìm hiểu cấu trúc, chế tác động độc tố Khả tích luỹ độc tố ĐVTMHMV Các phƣơng pháp phát nhanh có mặt độc tố mẫu mơi trƣờng Mục đích hỗ trợ, rút nhiều học kinh nghiệm cho công tác giám sát, quản lý, dự báo nở hoa tảo độc, hại cảnh báo muộn hay cảnh báo sai gây thiệt hại cho kinh tế sức khoẻ ngƣời Nhƣ vậy, vấn đề mà giới tập trung giải quyết: +Phƣơng pháp xác định nhanh, xác có mặt thành phần tảo gây độc hại thuỷ vực, + Mối quan hệ chủng loại phát sinh lồi độc hại lồi khơng độc hại 10.3.5 Tổng quan xây dựng phát sinh chủng loại phƣơng pháp phân loại tảo độc 10.3.5.1 Tổng quan phát sinh chủng loại - Nghiên cứu phát sinh chủng loại Việc tìm hiểu mối quan hệ phát sinh chủng loại loài sinh vật yêu cầu tất yếu hầu hết nghiên cứu tiến hóa theo hƣớng cho tất loài sinh vật hữu có lịch sử tiến hóa chung thông qua tổ tiên chúng Trƣớc thập kỷ 1970s, việc tái tạo tiến hóa chủ yếu dựa phân tích hình thái đặc tính siêu cấu trúc Sau kết hợp với việc sử dụng kỹ thuật sinh học phân tử để nghiên cứu phát sinh chủng loại Chọn mẫu sinh vật đại diện lồi đại diện cho thể tính đa dạng sinh học tốt Thƣờng chọn lồi đại diện cho nhóm hình thái biết trƣớc rõ, trƣờng hợp lồi hình thái rời rạc khái niệm lồi cịn nghi vấn chọn đại diện cho kết hợp đặc tính hình thái khảo sát Số lƣợng taxon ảnh hƣởng lớn đến kết phân tích Để xác định hƣớng tiến hóa, việc thêm nhóm ngoại (outgroup) có ý nghĩa quan trọng đáng kể Cần kết hợp đặc điểm hình thái kỹ thuật đọc so sánh trình tự nucleotide số gen hệ gen 10.3.5.2 Các phƣơng pháp dùng phân loại tảo học Việc phát loài tảo độc, hại thuỷ vực khâu để hiểu nguyên nhân nở hoa để từ tìm biện pháp ngăn chặn, giám sát giảm thiểu tác hại tảo độc, hại * Phương pháp truyền thống: đặc điểm hình thái * Phương pháp phân loại phân tử Phân loại học phân tử dựa nghiên cứu gen hệ gen nhân, hệ gen ti thể lục lạp sản phẩm gen (protein, enzym) Mỗi loại gen, sản phẩm gen lại phù hợp với đối tƣợng mục đích nghiên cứu khác Do đó, việc lựa chọn gen nào, loại protein có ý nghĩa lớn thành cơng nghiên cứu Có sở xác việc đƣa kết luận phân loại học Cho tới có hàng loạt kỹ thuật sinh học phân tử đƣợc áp dụng phân loại phân tử, bao gồm kỹ thuật sau: - Điện di isozym: - Phân tích ADN dựa tính đa hình chiều dài đoạn cắt giới hạn (Restriction Fragment Length PolymorphismRFLP): Các kỹ thuật dựa sở kỹ thuật PCR nhƣ: + ADN vệ tinh trình tự lặp lại đơn giản (Microsatellite, Simple sequence Repeat - SSR): + Đa hình đoạn nhân ngẫu nhiên (Randomly Amplified polymophic DNA- RAPD): + Đa hình chiều dài đoạn nhân chọn lọc (Amplified Fragment Length Polymorphysim - AFLP): + Lai phân tử (DNA-DNA hybridization): + Phân tích trình tự ADN (ADN sequencing): 10.3.5.3 Gen 18S rADN dùng phân loại phân tử * Thành phần cấu tạo riboxom Riboxom thành phần thiếu đƣợc máy sinh tổng hợp protein tế bào, cấu trúc chúng đƣợc bảo tồn gần nhƣ hoàn toàn q trình tiến hố Bảng 25 Thành phần cấu tạo riboxom Sinh vật Prokaryot Eukaryot Riboxom 70S (2,7 103 kDa 50S (1,8 103 kDa) 30S (0,9 103 kDa) 60S 80S (2,8 103 kDa) (4,2 10 kDa) 40S (1,4 103 kDa) Thành phần ARNr 5S (120 nucleotit) ARNr 23S (3200 nucleotit) 36 phân tử protein ARNr 16S (1540 nucleotit) 21 phân tử protein ARNr 5S (120 nucleotit), ARNr 28S (4700 nucleotit) ARNr 5,8S (1160 nucleotit) 49 phân tử protein ARNr 18S (1900 nucleotit) 33 phân tử protein Gen mã hoá 18S ARNr Gen mã hoá phân tử ARNr 45S coi nhóm hay cụm gen (cluster) Cụm gen gồm đơn vị gen nhỏ (từ 16S tới 18S), đơn vị gen lớn (tử 26S tới 28S) gen 5,8S Giữa đơn vị gen có vùng đệm bảo thủ ITS-1 ITS-2 (ITS - internal Transcribed Spacer) Ở đầu 5’ phân tử ARNr đƣợc phiên mã có đoạn cách vùng phiên mã ETS (ETS - External transcribed Spacer) Sáu thành phần tạo thành nhóm gen Các nhóm gen nhƣ đƣợc lặp lại liên tục (tandemly repeated) từ hàng trăm tới hàng nghìn hệ gen chúng đƣợc ngăn cách với vùng không phiên mã NTS (NTS - Non Transcribed Spacer) NTS ETS 18S ITS - ITS - 5,8S 28S Hình Sơ đồ nhóm gen mã hố rARN sinh vật nhân chuẩn 10.4 Tình hình nghiên cứu tảo độc hại Việt Nam 10.4.1 Thành phần tảo độc hại thủy vực nƣớc nƣớc mặn 10.4.1.1 Thành phần tảo độc hại thủy vực nƣớc Kết nghiên cứu cho thấy, chi tảo gây nở hoa nƣớc thƣờng gặp Microcystis, Oscillatoria, Anabaena, Aphanizomenon, Snowella Gomphosphaeria, lồi xuất nhiều M aeruginosa 10.4.1.2 Thành phần tảo độc hại thủy vực nƣớc mặn * Thành phần loài tảo độc hại vùng ven biển phía Bắc * Thành phần loài tảo độc hại vùng ven biển Thừa Thiên Huế * Thành phần loài tảo độc hại vùng ven biển Khánh Hoà * Thành phần loài tảo độc hại vùng ven biển Nam Bộ 10.4 Tình hình nghiên cứu tảo độc hại Việt Nam 10.4.1 Thành phần tảo độc hại thủy vực nƣớc nƣớc mặn 10.4.2 Đặc điểm sinh học chi Prorocentrum chi Alexandrium * Đặc điểm sinh học chi Prorocentrum * Đặc điểm sinh học chi Alexandrium Hình: Một số hình ảnh số lồi thuộc chi Prorocentrum Hình 43: Một số hình ảnh loài Alexandrium tamarense, A affine, A catenella, A, fundyense Ở Việt Nam: Nghiên cứu tảo độc hại nƣớc ta năm 1990 Dải bờ biển rộng lớn suốt chiều dài đất nƣớc sở cho ngành công nghiệp nuôi trồng đánh bắt hải sản, ngành cơng nghiệp có ý nghĩa to lớn kinh tế nƣớc ta Vệ sinh thực phẩm, đặc biệt vệ sinh hải sản xuất đòi hỏi nghiên cứu, phát hiện, giám sát quản lý chặt chẽ chế gây độc nhƣ tảo độc, hại Nghiên cứu tảo độc hại thủy vực nƣớc Việt Nam đƣợc cán Viện Hàn lâm Khoa học Công nghệ Việt Nam bắt đầu vào năm 1997 Việc khảo sát, phát giám sát có mặt loài tảo độc cần thiết, đặc biệt thủy vực đƣợc sử dụng làm hồ dự trữ nƣớc sinh hoạt cho thành phố vùng dân cƣ rộng lớn Việc phát quy luật nở hoa thực vật phù du nói chung tảo độc nói riêng dƣới tác động yếu tố ngoại cảnh sở khoa học quan trọng để khống chế phát triển thể Chính vậy, chƣơng trình nghiên cứu môi trƣờng nƣớc biển, nƣớc lợ hay nƣớc cần phải đề cập đến tảo độc nhƣ yếu tố quan trọng hệ sinh thái KẾT LUẬN CHƢƠNG X -Cần hiểu rõ khái niềm tảo độc hại độc tố tảo, nguyên nhân gây tƣợng thủy triều đỏ -Tảo độc, hại gây ô nhiễm môi trƣờng chứa độc tố gây chết cá hàng loạt, gây thiệt hại kinh tế, ảnh hƣởng đến sức khỏe cộng động - Mỗi quốc gia cần có chiến lƣợc giám sát, quản lý tảo độc, hại số biện pháp phòng ngừa giảm thiểu tác hại tảo độc, hại môi trƣờng, bảo đảm phát triển mơi trƣờng bền vững an tồn thực phẩm biển Bài đọc CHƢƠNG I: MỞ ĐẦU CHƢƠNG II: MỘT SỐ ĐẶC ĐIỂM SINH HỌC CHƢƠNG III: MỘT SỐ KỸ THUẬT PHÕNG THÍ NGHIỆM CHƢƠNG IV: ỨNG DỤNG CỦA TẢO CHƢƠNG V: CÁC LỒI TẢO CĨ Ý NGHĨA KINH TẾ CHƢỜNG VI: THỨC ĂN TỰ NHIÊN TRONG NUÔI TRỒNG THỦY SẢN CHƢƠNG VII: CÔNG NGHỆ SẢN XUẤT ĐẠI TRÀ VI TẢO CHƢƠNG VIII: KỸ THUẬT CỐ ĐỊNH TẾ BÀO VI TẢO CHƢƠNG IX: MỘT SỐ THAO TÁC DI TRUYỀN Ở VI TẢO CHƢƠNG X: NGHIÊN CỨU TẢO ĐỘC, HẠI Của Giáo trình “Cơng nghệ sinh học vi tảo” Đặng Đình Kim, Đặng Hồng Phƣớc Hiền, 1999, Nhà xuất Nông nghiệp Trần Văn Nhị, Ánh sáng thể sống Nhà xuất Quốc gia Hà Nội, 2005 Các tài liệu tham khảo Đặng Thị Sy, Tảo học, Nhà xuất Đại học quốc gia Hà Nội, 2005 CÔNG NGHỆ SINH HỌC VI TẢO VÀ RONG BIỂN ThanksYOU! ... Sy, Tảo học, Nhà xuất Đại học quốc gia Hà Nội, 2005 CÔNG NGHỆ SINH HỌC VI TẢO VÀ RONG BIỂN ThanksYOU! TRƢỜNG ĐẠI HỌC THỦY LỢI KHOA: HÓA - MÔI TRƢỜNG BỘ MÔN: CÔNG NGHỆ SINH HỌC CÔNG NGHỆ SINH HỌC...TRƢỜNG ĐẠI HỌC THỦY LỢI KHOA: HĨA - MƠI TRƢỜNG BỘ MÔN: CÔNG NGHỆ SINH HỌC Bài giảng CÔNG NGHỆ SINH HỌC VI TẢO VÀ RONG BIỂN Hà Nội, 2.2020 CHƢƠNG 1: MỞ ĐẦU CHƢƠNG I: MỞ ĐẦU - Vai trò tảo hệ sinh. .. LỢI KHOA: HĨA - MƠI TRƢỜNG BỘ MƠN: CƠNG NGHỆ SINH HỌC Bài giảng CÔNG NGHỆ SINH HỌC VI TẢO VÀ RONG BIỂN Hà Nội, 2.2020 CHƢƠNG II: MỘT SỐ ĐẶC ĐIỂM SINH HỌC Nuôi trồng Porphyridium sp túi ny lông