3. NUÔI VI TẢO NANNOCHLOROPSIS OCULATA THU LIPID NHẰM
3.2.2. Yếu tố ánh sáng
Tốc độ sinh trƣởng của tảo tự dƣỡng là một hàm không tuyến tính theo mức độ chiếu sáng. Tại mật độ dòng photon thấp, tốc độ sinh trƣởng gần nhƣ tuyến tính theo mức độ chiếu sáng; tuy nhiên, tại cƣờng độ sáng cao, tốc độ sinh trƣởng trở nên bão hòa (cân bằng) so với mức độ chiếu sáng. Các tế bào sinh trƣởng tại các mức độ chiếu sáng khác nhau có các đặc điểm sinh trƣởng khác nhau và cho thấy có sự thay đổi đáng kể trong thành phần hóa học tổng quát, hàm lƣợng sắc tố và hoạt động quang hợp [23, 65, 59, 76].
Theo kết quả khảo sát của Assaf Sukenik và Yael Carmeli về sự điều hòa hoạt động tổng hợp các thành phần acid béo của Nannochloropsis sp. thông qua chế độ chiếu sáng [77], ta có thể dự đoán rằng khi nuôi tế bào vi tảo
Nannochloropsis oculata ở các điều kiện chiếu sáng khác nhau bao gồm ánh sáng giới hạn sinh trƣởng, ánh sáng bão hòa sinh trƣởng và ánh sáng gây kìm hãm, thành phần các hợp chất hóa học và số lƣợng tế bào trong dịch nuôi cấy cũng sẽ có sự thay đổi.
Trong nghiên cứu của Assaf Sukenik và Yael Carmeli, huyền phù
Nannochloropsis sp. đƣợc nuôi trong môi trƣờng f/2, nƣớc biển thiên nhiên, ở 250
C [29]. Trong suốt phase sinh trƣởng logarith, các mẫu đƣợc lấy để đo mức độ sinh trƣởng và thành phần sắc tố. Cuối phase sinh trƣởng thu mẫu để xác định thành phần lipid. Ảnh hƣởng của mức độ chiếu sáng đƣợc xác định bằng cách duy trì trạng thái ổn định điều kiện môi trƣờng trong thiết bị turbidostat 2.6L (là một thiết bị nuôi cấy liên tục), ánh sáng đƣợc cung cấp thông qua các đèn huỳnh quang trắng ít tỏa nhiệt, 20W (Osram, W. Germany) theo ba mức độ đƣợc ký hiệu là: growth-limiting (GLL) 35µmol /m2s; growth-saturating (GSL) 290 µmol/m2s và photoinhibiting (PIL) 550 µmol /m2s. Assaf Sukenik và Yael Carmeli đã thu đƣợc một số kết quả nhƣ sau [77]:
- Mức độ sinh trƣởng và thành phần nội bào
Mức độ chiếu sáng có mối liên hệ mật thiết với mức độ sinh trƣởng của huyền phù Nannochloropsis sp.. Mức độ sinh trƣởng tế bào sẽ đạt bão hòa khi mật độ dòng photon trên 200 µmol/m2s. Khi ánh sáng vƣợt qua một ngƣỡng nào đó, sẽ trở thành yếu tố ức chế sự sinh trƣởng của tế bào, cụ thể ở
Nannochloropsis sp. là 500 µmol/m2s. Hảm lƣợng chlorophyll nội bào giảm theo hàm số mũ khi mức độ chiếu sáng tăng, đƣợc thể hiện qua đồ thị sau:
33
Hình 3. 3: Ảnh hƣởng của mức độ chiếu sáng trên sự sinh trƣởng của tế bào và hàm lƣợng chlorophyll a [S8]
Mức độ sinh trƣởng của tế bào và hàm lƣợng chlorophyll a đƣợc xác định trong phase sinh trƣởng hàm số mũ, thành phần acid béo đƣợc xác định khi bắt đầu phase cân bằng.
Hàm lƣợng chlorophyll a trong tế bào giảm hơn 85% khi mức độ chiếu sáng tăng 20 lần từ 30 tới 600 µmol/m2
s. Những thay đổi về sắc tố nội bào có mối liên hệ với thành phần acid béo.
Hình 3. 4: Sự phân phối các acid béo chính trong Nannochloropsis sp. đƣợc nuôi cấy theo mẻ dƣới ảnh hƣởng của mức độ chiếu sáng [77]
34
Tuy nhiên, để xác định ảnh hƣởng của mức độ chiếu sáng trên sự hình thành các hợp chất hóa học nội bào, thiết bị nuôi cấy turbidostat cần đƣợc điều chỉnh sao cho chế độ chiếu sáng (bao gồm thời gian chiếu sáng, góc độ chiếu sáng) không gây ảnh hƣởng tới sự sinh trƣởng của tế bào.
Khi đƣợc nuôi cấy dƣới mức độ chiếu sáng GLL (35µmol /m2 s), môi trƣờng nuôi cấy Nannochloropsis bị giới hạn về ánh sáng, và mức độ nhân đôi tế bào chỉ đạt 57% so với khi nuôi ở điều kiện ánh sáng bão hòa (GSL, 290 µmol /m2s). Điều kiện ánh sáng PIL (550µmol /m2
s) lại có tác dụng ức chế, gây giảm mức độ nhân đôi của tế bào một phần. Khi mức độ chiếu sáng tăng lên đến 850µmol /m2
s, mức độ nhân đôi tế bào giảm nghiêm trọng. Điều đó cho thấy, Nannochloropsis sp. khá nhạy cảm với dòng photon có mật độ cao. Nồng độ các sắc tố quang hợp giảm đi khi cƣờng độ ánh sáng tăng. Hàm lƣợng carotenoid giảm không tƣơng xứng với lƣợng chlorophyll a. Kết quả là tỷ lệ giữa carotenoid:chlorophyll a tăng lên khi mức độ chiếu sáng tăng. Nồng độ protein vẫn duy trì không đổi, trong khi đó carbohydrate, lipid và các acid béo tăng khi tăng mức độ chiếu sáng. Tỷ lệ khối lƣợng acid béo trong tổng lƣợng lipid tăng khi tế bào đƣợc nuôi ở GSL, điều này cho thấy có sự tăng tƣơng ứng về triacylglycerol. Nhƣng khi nuôi cấy ở chế độ PIL thì hàm lƣợng lipid và các acid béo nội bào không gia tăng thêm nữa so với chế độ GSL.
- Thành phần acid béo
Thành phần acid béo trong Nannochloropsis sp. chủ yếu là C20:5, tiếp theo
là C16:1, nhƣ đã nêu ở phần trên. Các kết quả nghiên cứu khi nuôi cấy theo mẻ cho thấy rằng mức độ chiếu sáng thực sự ảnh hƣởng nhiều đến thành phần acid béo trong tế bào vi tảo. Khi tăng cƣờng độ chiếu sáng, hàm lƣợng các PUFA nhƣ C20:4 và C20:5 giảm theo hàm số mũ, đồng thời hàm lƣợng C16:0 và C16:1 tăng lên. Những kết quả này đã đƣợc kiểm tra thông qua nuôi cấy điều kiện ổn định liên tục ở các mức độ chiếu sáng khác nhau. Khi nuôi ở điều kiện ánh sáng GLL, hàm lƣợng acid béo C20:4 và C20:5 đạt khá cao, lần lƣợt là 7.8 và 37.6%, hàm lƣợng C16:0 và C16:1 thấp. Khi nuôi ở điều kiện ánh sáng GSL và PIL thì hàm lƣợng C16:0 và C16:1 cao hơn, trong khi phần trăm C20:4 và C20:5 giảm mạnh. - Sự tổng hợp lipid
Quá trình đồng hóa CO2 tạo thành các loại lipid trong tế bào vi tảo cũng phụ thuộc nhiều vào mức độ chiếu sáng. Dƣới điều kiện ánh sáng yếu, chỉ có
35
26% là triacylglycerol và tới 40% là các galactolipid, trong đó 26% là monogalactosyl diacylglycerol và 14% là digalactosyl diacylglycerol. Dƣới điều kiện ánh sáng bão hòa (GSL), sự tổng hợp triacylglycerol tăng lên và hàm lƣợng tổng galactolipid giảm xuống. Xu hƣớng này vẫn tiếp tục khi tăng mức độ chiếu sáng đến mức ức chế (PIL), cụ thể là chiếu sáng ở 550µmol /m2s thì
Nannochloropsis sp. sẽ tổng hợp 50% triacylglycerol và chỉ có 24% là galactolipid, trong đó hàm lƣợng digalactosyl diacylglycerol chỉ giảm nhẹ, còn hàm lƣợng monogalactosyl diacylglycerol giảm mạnh. Phần carbon lipid còn lại chiếm khoảng 24-36% hàm lƣợng carbon lipid chính là các phospholipid, sắc tố và một số loại lipid khác chƣa xác định.
Hình 3. 5:Thành phần acid béo của Nannochloropsis sp. khi nuôi cấy trong
điều kiện ổn định liên tục tại ba mức độ chiếu sáng: GLL 35µmol /m2
s, GSL
290µmol /m2s và PIL 550µmol /m2s [S8]
- Liên hệ mục tiêu sản xuất biodiesel
Chất lƣợng của biodiesel có liên quan mật thiết với tính chất nguồn cung cấp lipid. Nhƣ đã nêu ở phần trên, nguồn lipid phù hợp để sản xuất biodiesel là nguồn lipid có thành phần lipid chủ yếu là các triacylglycerol với hàm lƣợng các acid béo C16:1 và C18:1 càng cao càng lý tƣởng, hàm lƣợng các acid béo chƣa no mang nhiều nối đôi nhƣ C20:4 và C20:5 nằm trong một tỷ lệ giới hạn nhất định, thành phần acid béo lại phụ thuộc vào mức độ chiếu sáng. Do đó, khi nuôi cấy Nannochloropsis oculata nhằm mục đích cung cấp lipid sản xuất biodiesel cần phải thiết lâp chế độ chiếu sáng sao cho ánh sáng tối thiểu
36
đạt mức bão hòa sinh trƣởng (GSL). Tại mức độ chiếu sáng GSL (290 µmol /m2s), sinh khối thu đƣợc là hiệu quả nhất, hàm lƣợng C16:1 và C18:1 cao, tuy nhiên triacylglycerol chƣa cao lắm. Nhƣng nếu chiếu sáng ở mức PIL (550 µmol /m2s), ta thấy hàm lƣợng C16:1 và C18:1 có xu hƣớng giảm còn C20:5 lại bắt đầu tăng trở lại mặc dù lƣợng triacylglycerol đƣợc tổng hợp nhiều hơn. Chính vì vậy, để đạt hiệu quả tối ƣu trong nuôi cấy Nannnochloropsis oculata,
hƣớng chiếu sáng đƣợc đề nghị sử dụng là trong khoảng ánh sáng bão hòa cao, gần đạt đến mức ức chế, nghĩa là vào khoảng 400 - 500 µmol /m2s.
