CHƢƠNG 2 : TỔNG QUAN TÀI LIỆU CÁC VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU
2.3.TỔNG QUAN VỀ TẢO
Tảo (algae) là những thực vật bậc thấp (thực vật có bào tử, cơ thể không phân chia thành thân, lá, rễ). Trong tế bào tảo có chứa diệp lục và chúng sống chủ yếu ở nƣớc.
Vi tảo (microalgae) là những loại tảo có kích thƣớc hiển vi. Chúng có vai trị rất quan trọng trong tự nhiên và trong đời sống của con ngƣời. Trong các thủy vực tảo cung cấp oxy là những mắt xích đầu tiên trong chuỗi thức ăn của thủy vực, cung cấp hầu hết thức ăn sơ cấp cho cá cũng nhƣ các động vật thủy hải sản khác (Bashan,1986).
2.3.1 Tảo Chlorella spp.
Đặc điểm phân loại
Bảng 2.10: Bảng phân loại khoa học tảo Chlorella
Hình thái cấu tạo:
Hình 2.22: Hình thái và cấu tạo của Chlorella spp.
Giới Plantae Ngành Chlorophyta Lớp Chlorophyceae Bộ Chlorococales Họ Chlorellaceae Chi Chlorella
74
Chlorella spp. là tảo đơn bào, khơng có tiêm mao, khơng có khả năng di động. Tế bào hình cầu hay oval có kích thƣớc từ 3 – 5 μm tùy loài, tùy điều kiện môi trƣờng sống và tùy các giai đoạn phát triển. Màng tế bào có vách cellulose bao bọc, chịu đƣợc những tác động cơ học nhẹ. Theo Zelitch (1971), Chlorella spp. có hiệu suất quang hợp cao, Chlorella spp. có màu xanh lá cây nhờ sắc tố quang hợp chlorophyll – a và b trong lục lạp. Thông qua quang hợp chúng phát triển nhanh chóng chỉ cần lƣợng khí carbon dioxide, nƣớc, ánh sang mặt trời, và một lƣợng nhỏ các khoáng chất để tái sản xuất. Sự thay đổi các điều kiện môi trƣờng nhƣ ánh sáng, nhiệt độ, thành phần các chất hóa học trong mơi trƣờng sẽ ảnh hƣởng đến hình thái và chất lƣợng của tế bào tảo (TrầnVăn Vĩ, 1995).
Sinh sản:
Tảo Chlorella spp.sinh sản rất nhanh, trong 3h Chlorella spp. có khả năng tăng gấp đơi mật độ. Tảo Chlorella spp.khơng có sự sinh sản hữu tính. Q trình sinh sản đƣợc tiến hành nhờ tạo nên các bào tử trong cơ thể mẹ. Tùy theo từng lồi và điều kiện mơi trƣờng mà số lƣợng các bào tử có thể là 2, 4, 8, 16, 32 (thậm chí có trƣờng hợp tạo ra 64 bào tử) sau khi kết thúc quá trình phân chia, các bào tử tách khỏi cơ thể mẹ bằng cách phá vỡ màng tế bào mẹ. Các tế bào này lớn lên và phát triển đến giai đoạn trƣởng thành tồn bộ chu trình lập lại từ đầu (Trần Văn Vĩ, 1995).
Sinh trư ng:
Chu trình sinh trƣởng gồm 5 giai đoạn:
Pha gia tốc dƣơng: trong giai đoạn này vi tảo bắt đầu có sự tiếp xúc và dần thích nghi với mơi trƣờng sống. Cơ thể tiến hành hấp thu các chất dinh dƣỡng và phân cắt tế bào. Ở mơi trƣờng thuận lợi và có dinh dƣỡng phong phú thì quần thể có tốc độ sinh trƣởng nhanh. Do số lƣợng tảo giống ít nên số lƣợng vi tảo tăng trong một đơn vị thời gian là không lớn, nên sinh trƣởng quần thể chậm.
Pha logarit: sau pha gia tốc dƣơng, quần thể vi tảo đã đạt đến một mật độ nhất định, mơi trƣờng dinh dƣỡng cịn thuận lợi, vi tảo đẩy mạnh quá trình hấp thu 5 dƣỡng chất, đẩy nhanh tốc độ tăng trƣởng. Mật độ và sinh khối tế bào ở giai đoạn này tăng lên với tốc độ nhanh nhất.
Pha gia tốc âm: số lƣợng vi tảo lớn, môi trƣờng đã bắt đầu bất lợi cho tảo phát triển nhất là yếu tố dinh dƣỡng nên tốc độ sinh trƣởng của quần thể chậm hơn nhiều so với pha logarit.
75
Pha cân bằng: sốlƣợng quần thể đạt đến cực đại, số lƣợng vi tảo sinh ra và chết đi gần bằng nhau.
Pha tàn lụi: số lƣợng vi tảo giảm đi một cách rõ rệt do khả năng sinh sản của vi tảo mất dần sau khi đạt giá trị cực đại.
Một số yếu tố ảnh hư ng đến sinh trư ng và phát triển của tảo Chlorella spp
Cũng nhƣ các loài thực vật khác, tảo cũng cần ánh sang cho quá trình quang tổng hợp vật chất hữu cơ từ carbon dioxide và nƣớc. Cƣờng độ ánh sang thích hợp tùy theo các điều kiện ni, với dung tích nhỏ nhƣ bình thuỷ tinh cần cƣờng độ ánh sang khoảng 1.000 lux, với bể nuôi lớn cƣờng độ ánh sang cũng lớn khoảng 5.000- 10.000 lux. Sử dụng ánh sang nhân tạo thì thời gian chiếu sang ít nhất 18 giờ/ngày.
Hầu hết các lồi tảo ni có thể sống trong khoảng pH = 7–9, đối với tảo Chlorella spp. pH thích hợp từ 6-8,5 .Nếu pH thay đổi lớn có thể làm cho tảo bị tàn lụi (Trần Thị Thủy, 2008). Ở mỗi lồi tảo có một khoảng nhiệt độ tối ƣu khác nhau. Nhƣng nhìn chung, nhiệt độ tối ƣu để ni tảo dao động trong khoảng 23 –300C tuỳ theo từng loài (Trƣơng Sĩ Kỳ, 2004). Tuy nhiên, nhiệt độ thích hợp cho tảo Chlorella spp. Là 25-350C và chúng có thể chịu đựng nhiệt độ 370C (Trần Thị Thủy, 2008; Liao et al, 1983). Theo Persoon (1980), giữa các chế độ sục khí liên tục, bán liên tục và khơng sục khí đã nhận thấy năng suất của bể sục khí cao hơn 30% so với bể khơng sục khí (Persoone, 1986).
Dinh dƣỡng là một yếu tố quan trọng cho hầu hết các loài sinh vật, ở tảo cũng vậy chúng cần nhiều vật chất dinh dƣỡng để tổng hợp chất hữu cơ và sinh trƣởng, trong số các nguyên tố cần thiết cho thực vật thì trong nƣớc chỉ có vài nguyên tố có thể đáp ứng đủ nhu cầu (O2 và H2), các ngun tố cịn lại đều có hàm lƣợng rất thấp so với nhu cầu của chúng. Do đó, tảo thƣờng tăng cƣờng hấp thu và dự trữ các ngun tố đó để phục vụ cho q trình sinh trƣởng cũng nhƣ tổng hợp chất hữu cơ. Bên cạnh carbon, nitơ và phosphate là hai nguyên tố cần thiết cho quá trình phát triển của tảo và tỷ lệ N:P thƣờng đƣợc đề nghị là 6:1(Valeros S.G.et al,1081). Theo Iriarte (1991), Chlorella spp. sử dụng nguồn nitơ là muối amonium, nitrate và urea trong đó amonium cho kết quả tốt nhất. Trƣờng hợp nguồn nitơ có đồng thời amonium, nitrate và urea thì Chlorella spp. sẽ sử dụng ammonium trƣớc cịn nitrate và urea sẽ đƣợc tảo chuyển hóa thành ammonium. Việc bổ sung thêm ammonium vào môi trƣờng nuôi tảo khi tảo đang hấp thu nguồn nitơ là nitrate thì ngay lập tức
76
quá trình hấp thu nitrate bị ngừng lại chuyển sang sử dụng amonium.Chlorella spp có thể sử dụng nguồn urea khi nó là nguồn cung cấp đạm duy nhất (Wong et al, 2000). Khi chuyển N – NO3- thành N – NH4+ đòi hỏi nguồn năng lƣợng và enzyme khử nitrate. Tƣơng tự theo nghiên cứu của Ojeda (1986) về sự phát triển và thành phần hóa học của 3 loài tảo sử dụng 4 nguồn nitơ khác nhau. Ông nhận thấy tảo Chlorella spp. Có tốc độ phát triển cao giai đoạn tăng trƣởng khi sử dụng amonium. Tuỳ thuộc từng loại Chlorella spp. mà có sự tích lũy acid béo hoặc tinh bột khác nhau: C. Ellipsoidea SK và C. Pyrenoidosa 82 sẽ tăng tích luỹ acid béo trong khi Chlorella spp. chỉ tăng tích luỹ về carbonhydrate và C. Vulgaris tăng tích luỹ cả về carbon và acid béo.Sự thay đổi quá trình trao đổi chất kết hợp với tốc độ phát triển của tế bào tảo giảm trong điều kiện thiếu nitơ. Theo Round (1965), khi bất kỳ một nhóm tảo nào phát triển chiếm ƣu thế đều liên quan đến khả năng dự trữ nitơ và phosphate, tỷ lệ số lƣợng của các dinh dƣỡng cho sinh khối tảo cũng đƣợc Round xác định và đƣợc xem là một tỷ lệ thực ghiệm tốt C:H:O:N:P bằng 42:8,5:57:7:1 (Round et al., 1965)
Ngoài những chất đa lƣợng cần thiết cho quá trình phát triển của tảo thì các yếu tố vi lƣợng cũng rất cần thiết mà điển hình là Vitamin B12, theo Isao Maruyama (1980), nghiên cứu về khả năng hấp thu vitamin B12 của tảo Chlorella spp.nƣớcngọt bằng cách điều chỉnh điều kiện nuôi cấy, cho thấy rằng tảo Chlorella Vulgaris K – 22 tích trữ B12 trong cấu trúc tế bào với lƣợng từ 0, 2 – 1100 µg/100g. Vitamin B12 có thể đƣợc giữ lại trong tế bào tảo đến 30 ngày trong điều kiện lạnh và 3 ngày nếu giữ tảo trong nƣớc biển nhân tạo (Isao Maruyama et al., 1980).
77
2.3.2. Tảo Spirulina spp.
Đặc điểm và phân loại
Bảng 2.11: Bảng phân loại khoa học tảo Spirulina spp.
Hình thái, cấu tạo
Hình 2.23: Hình thái và cấu tạo của Spirulina spp
Tảo Spirulina spp. là một loại vi khuẩn lam có dạng xoắn lị xo, màu xanh lam có kích thƣớc khoảng 0,25mm, chúng có khả năng vận động tiến về phía trƣớc hoặc phía sau. Vận động này đƣợc thực hiện bởi các lông ở sƣờn bên cơ thể (fimbria) – là các sợi có đƣờng kính 5 - 7 nm và dài 1 - 2 micromet nằm quanh cơ thể. Các lông này hoạt động nhƣ tay chèo giúp cho Spirulina spp. hoạt động. Chúng sống trong môi trƣờng giàu bicarbonat (HCO3-) và kiềm cao (pH từ 8,5 – 9,5).
Tên gọi Spirulina spp. là do nhà tảo học Deurben (ngƣời Đức) đặt vào năm 1927, dựa trên hình thái của tảo là dạng sợi xoắn ốc (Spiralis) (Vũ Thành Lâm, 2006). Sợi Spirulina spp. là một chuỗi gồm nhiều tế bào hình trụ kết hợp với nhau tạ nên hay còn đƣợc gọi là trichome. Mỗi tế bào này dài 5μm, rộng 2 μm. Sợi Spirulina spp. đƣợc bảo vệ bằng một lớp vỏ bao bên ngoài. Bề rộng (chiều dài) của
Ngành Cyanophyta (tảo lam)
Lớp Hormogoiophyceae
Bộ Oscillatoriales
Họ Oscillatoriaseae
78
trichome khoảng 500μm, trong một số trƣờng hợp chiều dài của sợi tảo có thể đạt đến xấp xỉ 1mm.
Vách tế bào của Spirulina spp. đƣợc tạo thành bởi 4 lớp LI, LII, LIII và LIV theo thứ tự từ trong ra ngoài. Tất cả các lớp này đều rất yếu, ngoại trừ lớp LII đƣợc tạo thành bởi peptidoglycan, một chất làm cho vách tế bào cứng hơn. Lớp LY chứa β – 1.2 – glucan, một loại polysaccharide khó tiêu nhƣng chất này chiếm tỉ lệ rất thấp (<1%), mỏng (12nm). Lớp LII với bản chất là protein và lipopolysaccharide chúng dễ dàng đƣợc tiêu hóa. Trong tế bào S.platensis cũng nhƣ các vi khuẩn lam khác chƣa có nhân điển hình, vùng nhân khơng rõ, chứa DNA trong khi tế bào thực vật bậc cao có nhân thực (Lê Văn Lăng, 1999).
Spirulina spp. có khả năng tạo ra các không bào khí nhỏ có đƣờng kính cỡ 70nm và đƣợc cấu trúc từ các sợi protein bện lại. Khơng bào khí sẽ nạp đầy khí khi sợi Spirulina spp. muốn nổi lên trên bề mặt để nhận ánh sang và để tiến hành quang hợp. Đến cuối ngày là lúc tế bào tạo ra một lƣợng lớn carbonhydrate, lúc đó các tế bào tụ lại và tạo ra một áp suất thẩm thấu cao bên trong cơ thể, sau đó các khơng bào khí sẽ khơng thể duy trì áp suất thẩm thấu lâu bên trong tế bào và chúng sẽ vỡ, giải phóng các khí đƣợc nén rồi khí đó đƣợc hấp thụ bởi các dịch xung quanh. Bây giờ, khơng bào khí hoạt động giống một quả bong thu nhỏ hoặc quả khí cầu bị vỡ, các sợi chìm xuống đáy và tại đây xảy ra q trình chuyển hóa carbonhydrate thành protein. Có hai phƣơng thức vận động của Spirulina spp. giúp cho chúng chống lại tác động của ánh sang mặt trời trong cùng thời điểm chúng phải hấp thụ ánh sang cần thiết bằng cách nổi lên hoặc chìm xuống trong khối cột nƣớc và bằng cách bơi trong dòng nƣớc.
Sinh sản:
Tảo Spirulina spp. có hình thức sinh sản: vơ tính (phân chia từ một sợi tảo mẹ trƣởng thành). Từ một sợi tảo mẹ, hình thành nên những đoạn Necridia (gồm các tế bào chuyên biệt cho sự sinh sản). Trong các Necridia hình thành các đĩa lõm ở hai mặt và sự tách rời tạo thành các hormogonia bởi sự chia cắt tại vị trí các đĩa này. Tiếp tục phát triển, dần dần phần đầu tiêu giảm, 2 đầu hormogonia trở nên trịn nhƣng vách tế bào vẫn có chiều dài khơng đổi. Các hormogonia phát triển, trƣởng thành và chu kì sinh sản đƣợc lặp đi lặp lại một cách ngẫu nhiên, tạo nên vòng đời của tảo. Trong thời kì sinh sản tảo Spirulina spp. nhạt màu ít sắc tố xanh hơn bình
79
thƣờng. Trong điều kiện tối ƣu (ni trong phịng thí nghiệm) vịng đời khoảng 1 ngày. Ở điều kiện tự nhiên là khoảng 3-5 ngày (Lê Văn Lăng, 1999)
Hình 2.24: Vịng đời của tảo Spirulina spp.
Môi trường sống
Spirulina spp. là sinh vật phiêu sinh sống trong môi trƣờng ƣa kiềm (pH 8,5 – 9,5). Trong tự nhiên chúng sống trong các hồ, suối khoáng ấm áp. Các vi phiêu sinh này lơ lửng ở độ sâu có thể tới 50cm và trong môi trƣờng nhân tạo thƣờng nuôi ở mức nƣớc 10-30cm (nuôi hồ hở), hoặc có thể trong hồ đáy sâu 1-1,5m (sục khí) nhƣng phải đảm bảo tảo nhận đƣợc ánh sáng. Tảo có phạm vi phân bố rộng: Châu Phi, Châu Mỹ, Châu Á, Châu Âu…(Lê Văn Lăng, 1999).
Đặc điểm dinh dưỡng:
Spirulina spp. là vi sinh vật quang dƣỡng bắt buộc. Chúng không thể sống hồn tồn khi khơng có ánh sang do đó cần phải đảm bảo các chỉ tiêu ánh sáng, nhiệt độ, pH, điều kiện khuấy trộn…Môi trƣờng dinh dƣỡng gồm có: carbon, nitơ, các khống chất đa lƣợng và vi lƣợng…Tảo Spirulina spp. đồng hóa carbon chủ yếu ở dạng vô cơ, tốt nhất là bicacbon (HCO3-), thông qua quá trình quang hợp.
Nguồn carbon để ni dƣỡng Spirulina spp. ở khoảng 1,2-16,8g NaHCO3/lít. Đồng thời Spirulina spp. có khả năng cố định nitơ, đồng hóa nitơ theo phản ứng khử nhờ enzyme nitrogenase xúc tác khi có ATP, kết quả nitơ đƣợc tổng hợp trở thành
HCO3- + 2H2O (CH2O) + O2 + H2O +
80
protein của chúng. Tảo Spirulina spp. khơng có khả năng sử dụng N2 trong khơng khí mà sử dụng dƣới các dạng nitrat (NO3-
), NH3, (NH4)2SO4, (NH4)2HPO4, (NH2)2CO. Tuy nhiên khi sử dụng nguồn nitơ không phải là nguồn nitrat phải khống chế nồng độ vì dễ suy giảm sinh khối thậm chí có thể gây chết tảo.
Mơi trƣờng thƣờng để ni tảo Spirulina spp. là môi trƣờng Zarrouk nếu môi trƣờng có những khống khác nhƣ: Pb, Cd, Hg… thì Spirulina spp. cũng sẽ hấp thụ điều này gây hại cho tảo. Spirulina spp. cũng chịu tác động của các hormon, giúp tảo tăng trƣởng nhanh nhƣ indol acetic acid (AIA), Gibberelic acid (GA)…
Các yếu tố ảnh hƣởng đến quá trình dinh dƣỡng Cơng thức tổng quát của quá trình quang hợp
Ở Spirulina spp. có tới 15 sắc tố có thể tham gia q trình quang hợp gồm : chlorophyll (a) phycocyanin, betacaroten và 11 carotenoids khác, ngồi ra cịn phycoerythrin. Nhiệt độ và pH tối ƣu cho tảo Spirulina spp. 30oC – 35oC và 8,5 – 9,5.
Ngoài ra tảo Spirulina spp. là một loại thực phẩm mới mang nhiều đặc điểm khác biệt so với các nguồn thức ăn truyền thống khác, chúng có chứa các chất dinh dƣỡng nhƣ: protein, vitamin, acid béo không bão hịa và muối khống, đƣợc sử dụng nhƣ loại thực phẩm ăn liền, liều lƣợng cần thiết là một thìa cà phê trong ngày, thiếu dinh dƣỡng thƣờng liên quan tới sự thiếu calo thông qua việc hấp thụ thực phẩm năng lƣợng nhƣ ngũ cốc, chất béo và dầu, Spirulina spp. có kích thƣớc hiển vi và sinh trƣởng trong điều kiện nƣớc hịa tan muối vơ cơ với độ kiềm cao, ở đó vi khuẩn gây bệnh cho ngƣời khó phát triển, sợi Spirulina spp. có dạng lị xo khơng chứa cellulose trong thành tế bào nên rất dễ dàng tiêu hóa, Spirulina spp. cũng có tác dụng hiệu quả chống lại bệnh anemia vì nó có chứa một hàm lƣợng sắt lớn. Ngồi ra, chúng cịn giết chết nấm gây bệnh Candida albicans, tăng cƣờng hệ thống miễn dịch…(Vũ Thành Lâm, 2006).
2.3.3. Tảo Dunaliella spp.
CO2 + H2O CH2O + O2
81
Đặc điểm, phân loại Dunaliella spp.
Bảng 2.12: Bảng phân loại khoa học tảo Dunaliella spp
Dunaliella là một lồi tảo biển, có khả năng tổng hợp beta- carotene cao (tiền vitamin A), lên tới hơn 10% trọng lƣợng khô của tế bào trong những điều kiện ức chế của một số yếu tốdinh dƣỡng sau: thiếu nitơ, thiếu phospho, lƣợng ánh sáng và nồng độ muối cao. Đạt đƣợc hàm lƣợng sinh khối cao ở môi trƣờng giá thành thấp này là một bƣớc rất cần thiết của hệ thống nuôi hai giai đoạn cho việc sản xuất beta- carotene.
Để cho sự phát triển sản xuất beta-carotene từ Dunaliella ở Việt Nam trong tƣơng lai, bƣớc đầu tiên của chúng tôi nghiên cứu môi trƣờng rẻ tiền sử dụng nƣớc biển tự nhiên bổ sung với phân bón N-P-K hiện có ở Việt Nam. Những kết quả bƣớc đầu cho thấy hàm lƣợng sinh khối, mật độ tế bào, diệp lục tố a cũng nhƣ tốc độ tăng trƣởng có triển vọng khi sử dụng môi trƣờng này cho việc nuôi cấy Dunaliella ở quy mơ cơng nghiệp. Mơi truờng này cũng có thể đƣợc áp dụng nuôi