CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN NGHIÊN CỨU
1.2. TỔNG QUAN VỀ VI TẢO CHLORELLA VULGARIS VÀ VI KHUẨN AZOSPIRILLUM BRASILENSE
1.2.1. Sơ lược về vi tảo Chlorella vulgaris
C. vulgaris là loài tảo xanh lá cây, thuộc về phân loại khoa học sau đây: tên miền: Eukaryota, giới: Protista, ngành: Chlorophyta, lớp:
Trebouxiophyceae, bộ: Chlorellales, họ: Chlorellaceae, chi: Chlorella, loài: Chlorella vulgaris (C. vulgaris) (Safi et al., 2014).
9
Hình 1.1: Vi tảo C. vulgaris (Lim et al., 2010)
C. vulgaris được một nhà nghiên cứu Hà Lan tên Martinus Willem Beijerinck phát hiện vào năm 1890. Chlorella xuất phát từ “Cholos” có nguồn gốc tiếng Hy Lạp, có nghĩa là màu xanh và hậu tố “ella” tiếng La Tinh nghĩa là có kích thước nhỏ. Đây là loài vi tảo đơn bào phát triển trong nước ngọt và có mặt từ thời kỳ tiền Cambri cách ngày nay 2,5 tỷ năm.
b. Đặc điểm hình thái
C. vulgaris là một loại tảo đơn bào cú đường kớnh từ 2-10 àm, không có tiêm mao và không có khả năng di động chủ động, có dạng hình cầu hoặc hình oval.
Thành tế bào: Có vách cellulose bao bọc, chịu được những tác động cơ học nhẹ. Nó thay đổi theo từng giai đoạn tăng trưởng. Thành tế bào của tế bào con tăng dần độ dày cho đến khi nó đạt 17-21nm sau khi trưởng thành. Trong giai đoạn trưởng thành, độ dày thành tế bào và thành phần tế bào không thay đổi theo điều kiện khác nhau của môi trường (Yamamoto et al., 2004; 2005).
Tế bào chất: Giống như gel bị nhốt trong hàng rào của màng tế bào bao gồm nước, protein hòa tan và chất khoáng. Là nơi lưu trữ các cơ
10
quan nội tạng của C. vulgaris như ty thể, nhân, không bào (Kuchitsu K et al., 1987), một lục lạp đơn và bộ máy Golgi (Solomon EP and Berg LR., 1999).
c. Sinh sản
Dưới những điều kiện sống tối ưu: nhiều ánh sáng, nước trong, không khí sạch Chlorella sinh sản với tốc độ vô cùng lớn. Quá trình sinh sản nói chung được chia thành nhiều bước: Sinh trưởng - trưởng thành - thành thục phân chia.
Tảo Chlorella sinh sản rất nhanh, trong ba giờ có khả năng tăng gấp đôi mật độ. Tảo Chlorella không có sự sinh sản hữu tính. Quá trình sinh sản được tiến hành nhờ tạo nên trong cơ thể mẹ các tự bào tử. Tùy theo loài tảo và điều kiện môi trường mà số lượng các tự bào tử có thể là 2, 4, 8, 16, 32 (thậm chí có trường hợp tạo ra 64 tự bào tử) sau khi kết thúc sự phân chia, tự bào tử tách khỏi cơ thể mẹ bằng cách xé màng tế bào mẹ. Các tế bào trẻ này sẽ lớn lên và phát triển đến giai đoạn chín, có khả năng sinh sản, toàn bộ chu trình lập lại từ đầu.
d. Các giai đoạn phát triển của quần thể tảo
Tamiya (1963) trong nghiên cứu về vòng đời của tảo Chlorella đã chia vòng đời của tảo thành 4 giai đoạn:
Giai đoạn tăng trưởng: Ở giai đoạn này các bào tử tăng nhanh về kích thước nhờ các sản phẩm sinh tổng hợp.
Giai đoạn bắt đầu chín: Tế bào mẹ chuẩn bị quá trình phân chia.
Giai đoạn chín mùi: Tế bào nhân lên trong điều kiện có ánh sáng hoặc trong bóng tối.
Giai đoạn phân cắt: Màng tế bào mẹ vỡ ra, các bào tử được phóng thích ra ngoài.
Theo nghiên cứu với chế độ dinh dưỡng phù hợp và điều kiện lý học thuận lợi, quá trình sinh dưỡng của tảo trải qua các pha sau:
11
Pha chậm: Do sự giảm trao đổi chất của tảo giống, tế bào tảo gia tăng kích thước nhưng không có sự phân chia.
Pha tăng trưởng: Tế bào phân chia rất nhanh và liên tục tùy thuộc vào kích thước tế bào, cường độ ánh sáng, nhiệt độ…
Pha tăng trưởng chậm: Sự sinh trưởng của tảo bị ức chế do sự thay đổi của yếu tố nào đó.
Pha bình quân: Do cạn kiệt dinh dưỡng, tảo bị suy tàn.
e. Các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình sinh trưởng của Chlorella
❖ Nhiệt độ
Theo Karin và cs. (2006), các loài vi tảo thường phát triển tốt trong khoảng nhiệt độ từ 15 – 25oC. Nhiệt độ tăng làm tăng sự phát triển của tảo cho đến khi đạt nhiệt độ tối ưu (Soeder, 1981). Tăng nhiệt độ quá mức tối ưu làm giảm khả năng tổng hợp protein do đó làm giảm tốc độ tăng trưởng.
C. vulgaris tăng trưởng tối ưu ở nhiệt độ 25oC (Konopka et al., 1978).
❖ Ánh sáng
Cũng như các loài thực vật khác, tảo cũng cần ánh sáng cho quá trình quang tổng hợp vật chất hữu cơ từ CO2. Không chỉ vậy nó còn là nguồn năng lượng chính trong giai đoạn tăng trưởng quang tự dưỡng.
Các sinh vật sử dụng năng lượng ánh sáng để chuyển đổi CO2 vào các hợp chất hữu cơ trong tế bào. Tảo khắc phục hạn chế ánh sáng bằng cách giảm độ bão hòa của màng lục lạp. Khi cường độ ánh sáng quá cao, vượt mức độ bão hòa sẽ gây ra hiện tượng photoinhibition - hiện tượng ức chế ánh sáng. Điều này có thể làm bất hoạt các enzym tham gia vào quá trình cố định CO2 (Iqbal et al., 2012) Cường độ ánh sáng thích hợp thay đổi rất lớn tuỳ theo điều kiện nuôi cấy, nuôi trong bình thuỷ tinh dung tích nhỏ cần cường độ ánh sáng là 1000 LUX, với bể nuôi lớn cường độ ánh sáng cần cung cấp vào khoảng 5000 – 10000 LUX.
12
❖ pH
Một trong những yếu tố quan trọng nhất trong nuôi cấy tảo là pH vì nó quyết định khả năng hòa tan và hàm lượng sẵn có của CO2 cũng như các chất dinh dưỡng thiết yếu trong môi trường. pH có một tác động đáng kể tới quá trình trao đổi chất của tảo (Chen et al.,1994). Trong quá trình sinh trưởng, tảo hấp thu cacbon vô cơ khiến cho pH tăng lên đáng kể trong suốt quá trình nuôi (Hansen et al., 2002). Mức tăng trưởng tối ưu của tảo đạt được trong khoảng pH trung tính (7 – 7,6).
pH là yếu tố chính chi phối nồng độ tương đối của dạng cacbon trong nước. Ở giá trị pH cao, hàm lượng CO2 có sẵn trong nước nhỏ, làm hạn chế sự tăng trưởng của tảo (Azov et al., 1982). Do pH cao làm tăng tính linh hoạt của thành tế bào mẹ, ngăn ngừa sự phá vỡ của nó và ức chế việc hình thành các tự bào tử, từ đó làm tăng thời gian hoàn thành của chu kỳ tế bào. Ở giá trị pH thấp, điều kiện có tính axit làn thay đổi sự hấp thu chất dinh dưỡng (Gensemer et al., 1993) hoặc làm tăng khả năng phát tán kim loại độc (Sunda et al., 1975) và do đó làm ảnh hưởng tới sự phát triển của tảo.
❖ Sục khí
Theo Person (1980) nhận xét giữa các chế độ sục khí liên tục bán liên tục và không sục khí đã nhận thấy năng suất của bể sục khí cao hơn 30% so với không sục khí. Đối với vi tảo, CO2 đóng vai trò quan trọng đặc biệt trong quá trình quang hợp, nó có thể được cung cấp bởi nguồn CO2
trong khí quyển, từ khói thải của nhà máy, trong các muối carbonate hòa tan như NaHCO3 (Devgoswami et al., 2011). Khi sục khí CO2 ở nồng độ quá lớn cũng có ảnh hưởng ức chế đến quá trình sinh trưởng của tảo.
f. Ảnh hưởng của dinh dưỡng đến sự phát triển của vi tảo
Cacbon là một trong những chất dinh dưỡng quan trọng cần phải được cung cấp trong quá trình sinh trưởng của tảo. Nó là yếu tố cần thiết cho quang hợp và sinh sản. Tỷ lệ cố định cacbon thấp sẽ làm giảm tốc độ
13
tăng trưởng của tảo. Cacbon có thể được sử dụng dưới các hình thức của cacbonat hoặc bicacbonat. CO2 trong nước có thể có mặt ở bất kỳ hình thức nào tùy thuộc vào pH, nhiệt độ và hàm lượng dinh dưỡng. Ở những giá trị pH cao, lượng cacbonat tăng và bicacbonat giảm (Chen et al., 1994). Ở những giá trị pH trung bình (pH=8,2), 90% cacbon hiện diện trong HCO3-, chỉ có 1% tồn tại như CO2 phân tử và phần còn lại là bicacbonat (Eshaq et al., 2010). Khi hàm lượng CO2 quá cao có thể làm giảm nồng độ tương đối của protein và các sắc tố trong tế bào nhưng làm gia tăng hàm lượng carbohydrate. Sự thay đổi trong thành phần tế bào này làm giảm năng suất sinh khối tối đa (Gordillo et al., 1998).
Trong thủy vực tảo có khả năng tổng hợp chất vô cơ thành chất hữu cơ cho cơ thể thông qua quá trình quang hợp. Trong các thủy vực tự nhiên sự phát triển của tảo phụ thuộc vào 3 yếu tố chính là nước, ánh sáng và muối vô cơ mà chủ yếu là phốtpho và nitơ. Do đó tại một thời điểm chỉ cần hạn chế một trong ba nhân tố trên là có thể giới hạn sự sinh trưởng của tảo. Tuy nhiên nguồn giới hạn này có thể thay đổi và việc xác định đúng nguồn nhân tố giới hạn từ ba nguồn trên trong điều kiện thực tế của ao nuôi tảo cũng như các nguồn nước thải là điều cần thiết cho việc quản lý sự phát triển của tảo. Theo Round (1975) khi bất kì nhóm tảo nào phát triển chiếm ưu thế, điều này có liên quan đến khả năng dự trữ nitơ và phốtpho trong tế bào tảo.
Nitơ và phốtpho là hai chất dinh dưỡng quan trọng cho sự tăng trưởng và sự trao đổi chất của các tế bào tảo. Tuy nhiên trong nước thải sau khi xử lý bằng các quá trình hiếu khí hoặc yếm khí vẫn còn chứa nhiều Nitrat (NO3-), amoni (NH4+), phốtphat (PO43-), dẫn đến hiện tượng phú dưỡng ở ao hồ gây nở hoa tảo độc hại. Prasad (1982) và Geddes (1984) đã xem xét P và N là chìa khóa của hiện tượng phú dưỡng. Vì vậy, cần nghiên cứu xử lý 2 dinh dưỡng này trong nước để ngăn chặn hiện tượng phú dưỡng nguồn nước (Sawayama et al., 2000). Theo Smith
14
(1982) và Downing (1997) thì N và P là hai chất dinh dưỡng được cho là có ảnh hưởng đến việc hạn chế sinh trưởng, phát triển của thực vật phù du (Klausmeier CA et al., 2004).
Nitơ là một yếu tố dinh dưỡng góp phần quan trọng trong việc sản xuất sinh khối tảo và tham gia vào thành phần của tế bào như axit amin, protein, amino axit… và chiếm 7% đến 20% trọng lượng khô của tế bào (Hu. Q., 2004). Hầu hết các loài vi tảo có khả năng sử dụng nhiều nguồn nitơ gồm có nitơ hữu cơ (ure, glutamin, glyxin,… ) và nitơ vô cơ (amoni, nitrat và nitrit). Các dạng nitơ vô cơ trong nước được tảo hấp thụ và đồng hóa thành các hợp chất sinh hóa trong cơ thể và được các tế bào sử dụng để đáp ứng các thay đổi của nhu cầu sinh lý. Tác động chủ yếu của tình trạng thiếu nitơ trong môi trường nuôi tảo là việc giảm hàm lượng protein (Morris et al., 1997) và tăng khả năng tích tụ các chất béo (Thompson et al., 1996).
Phốtpho là một phần dinh dưỡng chính đóng một vai trò quan trọng trong quá trình trao đổi chất của tế bào như chuyển giao năng lượng, sinh tổng hợp acid nucleic, DNA cần thiết cho sự tăng trưởng và phát triển bình thường của tảo. Phốtpho thường chiếm 1% trọng lượng khô của tảo (Hu.Q., 2004). Một số nghiên cứu đã chỉ ra rằng, trong môi trường tự nhiên, phốtpho là yếu tố giới hạn đối với sự phát triển của tảo (Borchardt et al., 1968). Hàm lượng phốtpho thấp trong môi trường cũng dẫn đến sự tích tụ các chất béo. Tổng litpit trong tảo Scendesmus sp. tăng từ 23% lên 53%, đồng thời với việc giảm nồng độ phốtpho trong nước từ 0,1 – 2,0 mg/L.