3. NUÔI VI TẢO NANNOCHLOROPSIS OCULATA THU LIPID NHẰM
3.2. xuất mô hình thí nghiệm nghiên cứu sự tích lũy lipid theo điều kiện
kiện môi trƣờng ở Nannochloropsis oculata
3.2.1. Yếu tố nhiệt độ
3.2.1.1. Nghiên cứu của Attilio Converti, 2009
Attilio Converti và các cộng sự đã làm một nghiên cứu về sự ảnh hƣởng của nhiệt độ lên mức độ sinh trƣởng và hàm lƣợng lipid đối với
Nannochloropsis oculata nhằm ứng dụng cho việc nuôi cấy loài vi tảo này phục vụ cho sản xuất biodiesel. Trong nghiên cứu này, Attilio Converti và các cộng sự đã thiết lập các thí nghiệm nuôi cấy N. oculata tại các nhiệt độ
15, 20 và 250C trong môi trƣờng f/2 của Guillard, sử dụng nguồn cung cấp
- 5 10 15 20 25 30 35 40 45 C14:0 C16:0 C16:1 C18:0 C18:1 C18:2 C18:4 C20:4 C20:5 % w /w li p id t ổ n g Lipid tổng Lipid trung tính Galactolipid Phospholipid
28
carbon là CO2 có sẵn trong không khí với tốc độ sục khí khoảng 300ppm, và nguồn cung cấp nitrogen là NaNO3. Các mẻ nuôi cấy tự dƣỡng thực hiện trong 14 ngày dƣới ánh sáng liên tục có mật độ dòng photon là 70µE/m2
s. Mỗi thí nghiệm lập lại hai lần [5].
- Mức độ sinh trƣởng và sự sản xuất lipid
Thay đổi điều kiện sinh trƣởng tối ƣu của N. oculata (200C) dẫn đến kết quả làm biến đổi đáng kể mức độ sinh trƣởng của loài vi tảo này.
Bảng 3. 1: Sự sinh trƣởng và sản xuất lipid của N. oculata tại các nhiệt độ khác nhau [5] Nhiệt độ (0C) µ - Tốc độ sinh trƣởng đặc trƣng (1/ngày) Sản lƣợng lipid (glipid/100gsinh khối khô)
Năng suất lipid (mglipid/L.ngày) 15 0.06 ± 0.00 14.92 ± 0.82 9.11 ± 0.30
20 0.13 ± 0.00 7.90 ± 0.21 10.01 ± 0.22
25 0.07 ± 0.01 13.89 ± 0.61 10.10 ± 2.09
Khi nhiệt độ dƣới mức tối ƣu, mức độ tăng trƣởng giảm hơn một nửa, từ 0.13 giảm còn 0.06/ngày. Sự giảm rõ nét này cũng đƣợc ghi nhận khi nuôi cấy ở nhiệt độ cao, 250
C [5]. Sự giảm thiểu đáng kể này chứng tỏ rằng N. oculata mặc dù có thể thích nghi trong một phổ rộng nhiệt độ nhƣ nêu trong phần trên, nhƣng là một loài khá nhạy cảm khi sinh trƣởng tại các nhiệt độ khác nhau. Vì vậy, nếu nhiệt độ càng hạ thấp hoặc càng tăng cao thì mức độ sinh trƣởng của loài vi tảo này càng bị hạn chế.
Sự thay đổi nhiệt độ lại có ảnh hƣởng tích cực lên sự tích lũy lipid đối với N. oculata. Nhiệt độ tối ƣu cho sự sinh trƣởng của loài vi tảo này là 200C, nhƣng khi tăng hoặc giảm nhiệt độ nuôi cấy, sản lƣợng lipid tích lũy trong vi tảo tăng lên đáng kể, gần nhƣ gấp đôi so với ở 200C [5].
Nhiệt độ thay đổi ảnh hƣởng không tốt đến mức độ sinh trƣởng đặc trƣng nhƣng lại có tác động tích cực lên sự tổng hợp và tích lũy lipid trong tế bào vi tảo. Chính vì thế năng suất lipid của N. oculata khi nuôi cấy tại các nhiệt độ khác nhau lại gần nhƣ tƣơng đƣơng nhau, không hơn kém nhau nhiều lắm. Kết quả cho thấy, tại 250C, năng suất lipid của N. oculata đạt giá trị cao nhất, có thể lên đến 12.19mg/L.ngày [5].
29
Hình 3. 2: Phần trăm các loại FAME trên tổng lƣợng FAME (g/100gFAME)
của N. oculata tại các nhiệt độ khác nhau [A4]
(FAME: fatty acid methyl ester) Qua đồ thị trên ta thấy, tại 150
C, hàm lƣợng C16:0 và C18:3 khá cao. Còn hàm lƣợng C18:1 lại rất thấp. Khi nhiệt độ tăng lên 250
C, hàm lƣợng C18:1 tăng lên nhiều (khoảng 20%), trong khi đó C16:0 và C18:3 lại có xu hƣớng giảm [5].
3.2.1.2. Nghiên cứu của Hanhua Hu và Kunshan Gao, 2006
Hanhua Hu và Kunshan Gao cũng đã khảo sát sự sinh trƣởng và thành phần lipid của Nannochloropsis sp. tại ba mức nhiệt độ khác nhau: 140C, 220C và 300C. Trong nghiên cứu của mình, Hanhua Hu và Kunshan Gao đã thiết lập thí nghiệm nuôi cấy Nannochloropsis sp. tại các điều kiện nhƣ sau: môi trƣờng nuôi cấy f/2 nƣớc biển nhân tạo (f/2AW: f/2 artificial seawater), mức độ sục khí 200mL/phút với hàm lƣợng CO2 cao (2800µL/L), mức độ chiếu sáng 50µmol/m2s, thu mẫu vào ngày thứ 10 sau khi cấy giống vào môi trƣờng. Mỗi thí nghiệm lập lại 3 lần [31].
- Mức độ sinh trƣởng và thành phần hợp chất hóa học trong tế bào
Nannochloropsis sp. có khả năng sinh trƣởng tốt trong khoảng nhiệt độ
14-300C [31]. Sản lƣợng sinh khối khô (mg/L) của cả ba chế độ nhiệt không có sự thay đổi đáng kể, ngoại trừ ở 300C mức sinh trƣởng có sự giảm nhẹ so với nhiệt độ tối ƣu là 220C [31].
Khi nhiệt độ môi trƣờng thay đổi ra khỏi khoảng nhiệt độ tối ƣu, dù cao hơn hay thấp hơn đều cho kết quả hàm lƣợng lipid tổng tăng đáng kể. Cụ thể là ở 220C, hàm lƣợng lipid trong tế bào vi tảo chỉ đạt 9%, trong khi ở 140
30
và 300C hàm lƣợng lipid lần lƣợt đạt 19% và 15%. Hàm lƣợng carbohydrate và protein cũng có sự thay đổi nhẹ [31].
- Thành phần các acid béo trong tế bào vi tảo
Khi nhiệt độ tăng, tỷ lệ acid palmitic tăng đáng kể, tuy nhiên hàm lƣợng EPA giảm. Dƣới các điều kiện stress nhiệt độ (nhiệt độ cao hoặc thấp), vi tảo đều đáp ứng gia tăng hàm lƣợng TFA. Nhƣng hàm lƣợng của các PUFA giảm dần khi nhiệt độ môi trƣờng tăng, cụ thể là hàm lƣợng các PUFA lần lƣợt đạt 40%, 35% và 27% tƣơng ứng với các nhiệt độ 14%, 22% và 30% [31].
Trong khi đó, tại cả 3 chế độ nhiệt khác nhau, hàm lƣợng các acid palmitoleic (C16:1) và acid oleic (C18:1) thay đổi không đáng kể. Đây là hai loại acid béo lý tƣởng sản xuất biodiesel. Vấn đề chính là lựa chọn chế độ nhiệt độ nuôi cấy sao cho các loại acid béo khác chiếm tỷ lệ phù hợp với tiêu chuẩn biodiesel. Hàm lƣợng acid palmitic quá cao sẽ làm tăng điểm đông đặc của biodiesel, còn hàm lƣợng EPA quá cao sẽ làm cho biodiesel dễ bị oxy hóa.
Bảng 3. 2: Thành phần acid béo (%w/w acid béo tổng) của Nannochloropsis sp. vào ngày thứ 10 tại các nhiệt độ khác nhau [31]
Nhiệt độ (0C) 14 22 30 TFA (mg/g DW) 88 ± 1.3 64 ± 1.7 143 ± 3.7 Acid béo C14:0 4.7 ± 0.7 4.1 ± 0.2 5.5 ± 0.5 C16:0 23.3 ± 0.9 25.4 ± 0.6 40.1 ±1.4 C16:1 21.3 ± 1.1 25.6 ± 0.6 20.5 ± 1.3 C18:0 Tr Tr 1.0 ± 0.2 C18:1 8.4 ± 0.4 7.1 ± 0.3 4.2 ± 0.2 C18:2 4.3 ± 0.1 4.8 ± 0.1 6.8 ± 0.4 C20:1 1.3 ± 0.1 1.2 ± 0.1 Tr C20:4 3.2 ± 0.6 3.4 ± 0.7 2.7 ± 0.4 C20:5 31.7 ± 1.8 25.3 ± 1.0 16.4 ± 0.4 C22:6 Tr 1.4 ± 0.2 Tr Các loại khác Tr 1.4 ± 0.2 1.7 ± 0.3
31
Bảng 3. 3: Sản lƣợng sinh khối và thành phần hợp chất hóa sinh của
Nannochloropsis sp. vào ngày thứ 10 tại các nhiệt độ khác nhau [31]
Nhiệt độ (0C)
Sinh khối khô
(mg/L) Lipid (%w/w) Carbohydrate (%w/w) Protein (%w/w) 14 388 ± 17.8 19 ± 0.8 12 ± 0.9 55 ± 4.1 22 403 ± 15.2 9 ± 0.5 11 ± 1.0 41 ± 2.9 30 318 ± 10.8 15 ± 0.7 11 ± 0.5 44 ± 2.7
3.2.1.3. Liên hệ mục tiêu sản xuất biodiesel
Nguyên liệu trong sản xuất biodiesel chính là lipid từ vi tảo. Do đó năng suất lipid là mục tiêu chính khi nuôi cấy N. oculata cho mục đích sản xuất biodiesel. Ngoài ra, thành phần các acid béo trong nguồn lipid sản xuất biodiesel là rất quan trọng. Tỷ lệ acid béo bão hòa nhiều sẽ làm cho biodiesel dễ bị lắng cặn do acid béo bão hòa có khả năng xoắn cuộn và tạo thành kết tủa, do đó nhiệt độ đông đặc của biodiesel giàu acid béo bão hòa sẽ cao. Còn khi tỷ lệ acid béo chƣa bão hòa mang nhiều nối đôi cao, biodiesel lại dễ bị oxy hóa làm thay đổi tính chất của biodiesel. Hai loại acid béo lý tƣởng nhất để sản xuất biodiesel chính là C16:1 và C18:1.
Chính vì vậy trong thí nghiệm của Attilio, khi nuôi cấy N. oculata ở 250 C, ta thấy hàm lƣợng acid béo bão hòa và acid béo chƣa bão hòa mang nhiều nối đôi có xu hƣớng giảm, trong khi C18:1 là một nguyên liệu rất phù hợp để sản xuất biodiesel thì lại tăng lên nhiều. Thêm vào đó, tại 250C, năng suất lipid của
N. oculata tuy không khác biệt đáng kể so với mức 150C và 200C, nhƣng vẫn là đạt giá trị năng suất cao nhất.
Còn trong thí nghiệm của Hanhua Hu và Kunshan Gao, ta thấy sản lƣợng sinh khối ở cả 3 nhiệt độ nuôi cấy không có sự khác biệt đáng kể, nhƣng hàm lƣợng lipid tổng khi nhiệt độ cao hay thấp thì tăng gần nhƣ gấp đôi so với ở 220
C. Hàm lƣợng acid béo bão hòa tăng nhẹ khi nhiệt độ từ 140C tới 220C, nhƣng tăng mạnh khi nhiệt độ tăng từ 220
C tới 300C và hàm lƣợng acid béo mang nhiều nối đôi giảm đáng kể.
Vì vậy khi kết hợp kết quả của 2 thí nghiệm, ta thấy cần tăng nhiệt độ để giảm hàm lƣợng EPA trong tế bào Nannochloropsis oculata, tuy nhiên không nên tăng nhiệt độ quá cao so với nhiệt độ tối ƣu để hàm lƣợng C16:0 chỉ tăng một lƣợng nhỏ. Do đó, điều kiện nhiệt độ thích hợp nuôi cấy N. oculata nhằm sản xuất biodiesel chính là ở 250C – 270C.
32