1.3.1. Đặc điểm sinh thái
Các loài thuộc chi Schizochytrium là những sinh vật có kiểu sống dị dưỡng và được phân lập từ nhiều vùng sinh thái khác nhau: vùng cửa sông, đáy biển sâu hoặc những nơi nước đọng. Chúng thường tập trung nhiều trên các xác của thực vật bản địa hoặc trên tảo lớn, lá cây đước bị chìm trôi dạt bờ (Goldstein, 1973; Moss, 1986; Poster, 1990; Raghukumar, 2002). Chi Schizochytrium cũng có loài ưa lạnh. Ulken (1968) đã thông báo một chủng thuộc loài S. aggregatum có thể phát triển tốt nhất ở khoảng 5-10oC.
Chi Schizochytrium cũng như một số chi khác thuộc họ Thraustochytriidae
khác có các enzyme cho phép chúng sử dụng nhiều loại polysaccharide như dextran, laminarin, mannan và tinh bột (Bahnweg, 1979). Các yếu tố của mạng lưới ngoại chất của chúng có thể xuyên thủng lớp sporopollenin của phấn thông mặc dù đây là một dạng polymer khó bị phân hủy bởi vi sinh vật (Perkins, 1973; Chamberlain & Moss 1988). Các thử nghiệm với S. mangrovei trên mảnh vụn lá cây đước cho thấy rằng loài này có thể sản xuất ra enzyme xenlulose, amylase, xylanase, protease và pectinase (Raghukumar, 2002). Ngoài vai trò quan trọng như các sinh vật phân hủy nhờ tác dụng của việc sản xuất ra các enzyme ngoại bào thì chi Schizochytrium có thể đóng vai trò rất quan trọng trong việc khoáng hóa các mảnh vụn hữu cơ ở đáy đại dương.
Nhiều bằng chứng thực nghiệm đã cho thấy chi Schizochytrium phát triển rất ít trên bề mặt của tảo và những thực vật bậc cao còn sống bởi các thực vật này có thể chứa các hợp chất fenola, hoặc kháng sinh… có hoạt tính ức chế sự phát triển của chúng cũng như sự bám dính của vi khuẩn (Raghukumar, 2002).
1.3.2. Ảnh hưởng của một số yếu tố lên sinh trưởng, tích lũy lipit và -3 PUFA ở Schizochytrium Schizochytrium
1.3.2.1. Ảnh hưởng của nguồn C và N
Đối với một chủng mới được phân lập, điều kiện về dinh dưỡng luôn cần được tối ưu nhằm đạt giá trị cao nhất về sinh trưởng, hàm lượng lipit và PUFA
(Shene và cs, 2010). Ảnh hưởng của các nguồn C lên sinh trưởng, tích lũy lipit và các PUFA ở chi Schizochytrium đã được nghiên cứu khá kĩ. Nhiều loài thuộc họ Thraustochytriidae trong đó chi Schizochytrium có khả năng sử dụng nhiều nguồn C và N khác nhau. Mặc dù một số chủng có thể sử dụng maltose và tinh bột nhưng glucose vẫn là nguồn C ưa thích (Raghukumar, 2008). Glucose là nguồn C được sử dụng phổ biến trong nuôi cấy vi sinh vật vì đây là nguồn C tương đối rẻ tiền và dễ sử dụng (Singh và cs, 1996; Puri và cs, 2011). Ở S. mangrovei SR21, Sk-2 và S.
aureum, các loại đường đơn như glucose và fructose cho sinh trưởng và sản lượng
DHA cao trong khi đó sinh trưởng của các loài thuộc chi Schizochytrium trên các loại đường đôi hoặc polysaccharide lại rất thấp (Yokochi và cs, 1998; Unagul và cs, 2005).
Glycerol thải từ quá trình sản xuất diesel sinh học hoặc được thu hồi từ các nhà máy sản xuất xà phòng có thể được sử dụng cho nuôi trồng Schizochytrium spp. (Ethier và cs, 2011; Wang và cs, 2001). Vai trò quan trọng của glycerol trong ngành vi sinh công nghiệp đã được thảo luận rất kĩ (da Silva và cs, 2009). Nhiều nghiên cứu cũng đã sử dụng glycerol (Chi và cs, 2007; Pyle và cs, 2008; Ethier và cs, 2011) để nuôi cấy S. limacinum SR21 cho sản xuất DHA (Liang và cs, 2010). Mặc dù glycerol có thể cho hàm lượng DHA cao hơn so với nguồn C khác nhưng do tốc độ hấp thu glycerol chậm dẫn đến sản lượng DHA tính trên đơn vị thể tích sẽ thấp. Đây là một bất lợi chính đối với quá trình sản xuất thương mại khi sử dụng nguồn C này (Sijtsma & de Swaaf, 2004).
Nghiên cứu của Yokochi và cộng sự (1998) cho thấy S. limacinum SR21 cũng có thể sinh trưởng tốt khi bổ sung axít oleic hoặc dầu hạt lanh vào môi trường nuôi nhưng sản lượng DHA trong trường hợp này thấp hơn nhiều so với khi sử dụng glucose. Các nguồn C này dường như không phải là tiền chất phù hợp để tổng hợp DHA (Yokochi và cs, 1998).
Nguồn N tốt nhất cho sản xuất sinh khối Schizochytrium là các loại peptone. Ngoài ra, Yokochi và cộng sự (1998) đã sử dụng cao ngô (corn steep liquor) để nuôi
đạt được cao nhất. So với cao nấm men, hàm lượng lipit tích lũy ở chủng này khi nuôi cấy bằng cao ngô đạt cao hơn. Điều này có thể là do hàm lượng nitơ (5,5%), dịch chiết nấm men (10%) trong cao nấm men thấp hơn so với hàm lượng các chất này ở cao ngô (Yokochi và cs, 1998).Bên cạnh nguồn N hữu cơ, một số ít chủng có thể sử dụng nitơ vô cơ như amoni, nitrat rất hiệu quả còn lại hầu hết các nguồn N vô cơ khác đều không cho kết quả tốt. So với các nguồn N hữu cơ thì N vô cơ rẻ hơn rất nhiều. Do vậy, nếu chọn được chủng có khả năng sinh trưởng trên nguồn N vô cơ thì có thể giảm giá thành khi nuôi trồng trên quy mô lớn (Raghukumar, 2008).
Tỷ lệ C/N thích hợp là yếu tố cần thiết để tạo sản lượng sinh khối cực đại, lượng nitơ thấp sẽ dẫn đến giảm sinh khối (Yokochi và cs, 1998). Tỷ lệ C/N khoảng 10,4 là tối ưu để Schizochytrium sinh trưởng (Raghukumar, 2008). Ngược lại, tích lũy lipit và DHA trong họ Thraustochytriidae nói chung đòi hỏi một tỷ lệ C/N cao. Khi hàm lượng nitơ giảm, các tế bào không thể tiếp tục phân chia, các quá trình tổng hợp axit nucleic, protein và khi môi trường nuôi có hàm lượng nitơ bị hạn chế thì quá trình chuyển hóa các nguồn C vào lipit dự trữ sẽ được tăng cường (Yokochi và cs, 1998; Bowles và cs, 1999; Ratledge, 2004; Burja và cs, 2006). Tuy nhiên, một số chủng có thể bị ức chế khi lượng đường cao. Nồng độ glucose vào khoảng 6- 10% dẫn đến sự tổng hợp DHA cao hơn trong khi nếu nồng độ này lớn hơn 10% lại làm chậm quá trình sinh trưởng của các chủng nghiên cứu (Yokochi và cs, 1998; Gupta và cs, 2012).
1.3.2.2. Ảnh hưởng của độ mặn
Chi Schizochytrium được phân lập từ môi trường biển nên yêu cầu đối với
Na+ là bắt buộc. Hầu hết các thí nghiệm nuôi trồng được tiến hành trong môi trường muối biển nhân tạo với các thành phần tương tự với nước biển tự nhiên. Trong đó hàm lượng NaCl chiếm khoảng 90%. Độ mặn tối ưu và mức độ chịu đựng về độ mặn ở các chủng là rất khác nhau, một số có thể sinh trưởng ở nơi có độ mặn thấp thậm chí tới 0%. Các chủng được phân lập từ các môi trường rừng ngập mặn có độ mặn dao động rất lớn sẽ có khả năng chịu đựng độ mặn rộng hơn (Unagul và cs, 2006; Raghukumar, 2008). Nhìn chung, chi Schizochytrium sinh trưởng tốt trong
khoảng 15–30 g muối biển/l (15–30 psu) cũng đã quan sát được ở rất nhiều loài/chủng thuộc loài S. mangrovei, S. limacinum (Bowles, 1997; Yokochi và cs, 1998; Fan và cs, 2002)
Do muối clorua có thể ăn mòn kim loại, do đó, nồng độ muối biển cần giảm ở mức tối thiểu. Điều này sẽ mang lại những lợi ích kinh tế như giảm giá thành môi trường nuôi cũng như việc xử lý nước thải sau này (Unagul và cs, 2006). Do đó, việc tìm kiếm các nguồn natri thay thế rất được quan tâm. Tuy nhiên, Unagul và cộng sự (2005) cũng đã tiến hành thay thế muối biển bằng muối NaCl hoặc các muối natri khác đã nhận thấy sinh khối tảo bị giảm đáng kể. Tác giả nêu trên đã cho rằng ngoài natri thì các thành phần khác có trong nước biển cũng có thể ảnh hưởng đáng kể trong việc sản xuất sinh khối.
1.3.2.3. Ảnh hưởng của nhiệt độ
Nhiệt độ được xem như là một yếu tố quan trọng đối với quá trình tổng hợp PUFA. Do PUFA tham gia vào các thành phần cấu trúc như màng tế bào, nên hàm lượng PUFA sẽ tăng lên khi nhiệt độ giảm vì khi đó chúng giúp cho việc duy trì tính linh động của màng (Cossins và cs, 2002).
Nhìn chung, nhiệt độ từ 25-30oC là tối ưu cho sự sinh trưởng và tổng hợp DHA ở chi Schizochytrium (Yokochi và cs, 1998; Unagul và cs, 2005; Raghukumar 2008). Nhiệt độ thấp kích thích tổng hợp DHA nhưng lại không tốt cho sự phát triển. Kết quả là sản lượng DHA tổng thể lại thấp. Các chủng Schizochytrium spp. ban đầu có thể được nuôi ở nhiệt độ cao hơn để kích thích sinh trưởng và sau đó được đưa vào điều kiện nhiệt độ thấp nhằm nâng cao sản lượng DHA (Singh và cs, 1996; Sakata và cs, 2000). Jain và cộng sự đã giữ sinh khối thu hoạch ở 10oC trong 24-48 giờ để làm tăng hàm lượng DHA. Hàm lượng DHA cũng được tăng lên khi làm tăng nhẹ độ nhớt của môi trường bằng việc sử dụng polyvinyl pyrrolidone. Sản lượng DHA tăng cao trong các trường hợp này có thể do hàm lượng lipit cao trong khi phần trăm DHA trên TFA có thể vẫn không đổi hoặc ngược lại (Jain và cs, 2004). Hàm lượng cao PUFA khi nuôi cấy ở nhiệt độ thấp có thể được giải thích là do PUFA tham gia vào thành phần cấu trúc màng tế bào. Vì ở nhiệt độ thấp, tế bào
cần phải tổng hợp nhiều PUFA để giúp cho việc duy trì tính linh động của màng (Cossins và cs, 2002).
Giới hạn trên về nhiệt độ cho sinh trưởng của chi Schizochytrium chưa được xác định rõ ràng. Leano và cộng sự (2003) đã quan sát thấy ở nhiều chủng
Schizochytrium spp. khác nhau, sinh trưởng và tổng hợp PUFA xảy ra khá tốt ở
35oC. Ngược lại Yokochi và cộng sự lại nhận thấy lượng sinh khối giảm tới 80% khi tăng nhiệt độ nuôi cấy S. limacinum SR21 từ 30 lên 35oC (Yokochi và cs, 1998), và chủng G13 hoàn toàn ngừng sinh trưởng ở nhiệt độ 37oC (Bowles, 1997). Nhìn chung, 37oC được xem là ngưỡng nhiệt độ tối đa cho sinh trưởng của
Schizochytrium spp.., mặc dù đối với chủng Sk2, ngưỡng này có thể là 39–40oC
(Unagul và cs, 2005). Bên cạnh nhiệt độ, pH và oxy hòa tan cũng là nhân tố quan trọng ảnh hưởng đến nuôi trồng dị dưỡng vi tảo. Chi Schizochytrium có thể sinh trưởng tốt trong khoảng pH 5-8. Khi nuôi trồng trong các bể lên men có sự thông khí và khuấy đảo môi trường liên tục sẽ giúp cho sinh trưởng của loài vi tảo này đạt tối ưu. Bảng 1.3 và 1.4 là bảng tóm tắt một số điều kiện quan trọng cho sự tổng hợp DHA cũng như một số nguồn C, N đã được sử dụng để sản xuất -3 PUFA ở chi
Schizochytrium.
Bảng 1.3. Tóm tắt một số điều kiện quan trọng cho sự tổng hợp DHA ở
Schizochytrium (Raghukumar, 2008)
Thông số Nhu cầu Nguồn C Glucose, fructose, glycerol
Nguồn N Muối amoni, các hợp chất nitơ hữu cơ (pepton, glutamate) Đa lượng Nước biển hoặc muối Na+
, các cation và anion khác trong nước biển, KH2PO4
Vi lượng Các loại nguyên tố ở dạng vết có trong nước biển Tỷ lệ C/N Tỷ lệ thấp cho sinh trưởng và tỷ lệ cao cho tích luỹ lipit Nhiệt độ 25-300C cho sinh trưởng, khoảng 150
C cho tích luỹ lipit Độ mặn 50-100% nước biển (1,5-3,0% NaCl)
pH 5-8