1
MỞ ĐẦU
Trong những năm gần đây, hai vấn đề quan trọng đang được nhiều người
quan tâm đến đó là ô nhiễm môi trường và khủng hoảng năng lượng. Chúng ta đều
biết rằng sử dụng nhiên liệu hoá thạch chính là nguyên nhân gây ra sự nóng dần lên
của trái đất, đang và sẽ ảnh hưởng đến nhiều khía cạnh khác nhau của nhân loại và
môi trường. Tìm kiếm những nguồn nguyên liệu sạch và có khả năng tái sinh là một
trong những vấn đề thách thức nhất mà con người đang đối mặt trong hiện tại lẫn về
lâu dài [20].
Trong khi các nguồn nguyên liệu sản xuất nhiên liệu sinh học thông thường
như dầu thực vật, mỡ động vật và nguồn dầu mỡ phế thải đều tỏ ra không thể đáp
ứng được nhu cầu nhiên liệu sinh học trên toàn thế giới, vi tảo lại thể hiện là một
đối tượng rất tiềm năng cho lĩnh vực này nhờ vào khả năng sản xuất sinh khối lớn
và nguồn lipid thu nhận từ các loài vi tảo cũng khá phù hợp để điều chế nhiên liệu
sinh học. Tuy nhiên, giá thành sản xuất lipid từ tảo vẫn còn quá đắt, phần lớn là do
sản lượng lipid của nuôi cấy tảo thấp [87]. Nhưng mặt khác, tảo có thể được nuôi
cấy trên các môi trường sửa đổi để nâng cao năng suất lipid phục vụ cho sản xuất
nhiên liệu sinh học [73].
Vi khuẩn lam là một nhóm vi tảo có tiềm năng trong việc sử dụng làm
nguồn nguyên liệu để sản xuất nhiên liệu sinh học. Kết quả thăm dò hàm lượng
lipid ở một số chủng vi khuẩn lam thuộc các chi Oscillatoria, Nostoc, Microcystis,
… bằng phương pháp Soxhlet đã xác định được các chủng vi khuẩn lam chứa một
hàm lượng lipid từ 10,55 – 28,15% [83]. Sự tích lũy lipid ở vi khuẩn lam xảy ra khi
cơ thể bị stress hoặc tăng trưởng ở giai đoạn tĩnh, đồng thời năng suất lipid có thể
được tăng trong điều kiện môi trường biến đổi [73]. Với khả năng quang hợp cao, vi
khuẩn lam có thể chuyển đổi đến 10% năng lượng mặt trời thành năng lượng sinh
khối so với 1% ở các cây năng lượng truyền thống như ngô, mía hoặc 5% ở các loài
tảo khác. Đồng thời, chúng phát triển với mật độ cao và có năng suất cao. Nhu cầu
phát triển của vi khuẩn lam tương đối đơn giản, chúng không cạnh tranh với nguồn
2
nước ngọt và đất canh tác [61]. Ngoài sản xuất năng lượng sinh học, vi khuẩn lam
Chúng có chứa ribosome 70 S [72].
Hầu hết các bộ phận bên trong tế bào vi khuẩn lam là thylakoid. Các túi
thylakoid xếp chồng lên nhau tạo thành cấu trúc grana. Trên màng thylakoid chứa
các sắc tố chlorophyll α, β-carotene và xanthophyll, chúng thực hiện các chức năng
của ăng-ten thu nhận ánh sáng. Ngoài ra, vi khuẩn lam còn chứa enzyme RuBisCo
là enzyme chịu trách nhiệm cho việc cố định CO
2
trong chu trình Calvin [63].
1.1.1.2. Hình thái học vi khuẩn lam
Vi khuẩn lam đơn bào sống tự do hoặc đính kèm trong một bao nhầy. Sau đó
tiến hóa dẫn đến hình thành một chuỗi các tế bào được gọi là trichome. Khi
trichome được bao quanh bởi vỏ bọc, cấu trúc được gọi là một filament. Có thể có
nhiều trichome trong filament [18].
4
Thông thường hình thái của vi khuẩn lam thuộc vào hai loại tổ chức: đơn bào
hoặc tập đoàn và dạng sợi (hình 1.2).
Hình 1.1. Cấu trúc tế bào vi khuẩn lam (theo Koning, Ross E., 1994) [42]
A B C
Hình 1.2. Hình thái vi khuẩn lam [63]
A. Dạng đơn bào (Aphanothece) B. Dạng tập đoàn (Microcystis)
C. Dạng sợi (Aphanizomenon)
Đơn bào và tập đoàn
Đơn bào là dạng đơn giản và chiếm phần lớn của vi khuẩn lam. Dạng đơn bào
thường hình cầu, hình bầu dục hoặc hình trụ. Tập đoàn có thể dạng hình cầu, dạng
khối, dạng ống, dạng sợi phân nhánh hoặc không phân nhánh với sự sắp xếp một lớp
hoặc nhiều lớp; sợi có thể có các tế bào dị hình hoặc bào tử vỏ dày. Một vài dạng phù
màng
thylakoid
ribosome
tinh bột
được tạo nên bởi một hàng tế bào duy nhất như trong Haphalosiphon hoặc nhiều
hàng tế bào như trong Stigonema. Phân nhánh này tạo ra bởi sự hình thành của
nhánh thật bên, cũng như trichome chính trở thành có răng như răng cưa. Nhánh
thật hình thành theo chiều dọc hoặc đôi khi xiên chéo. Chúng phát sinh bởi sự phân
chia tế bào theo phương vuông góc với trục chính của sợi [18], [98].
6
Một số filament hình thành các tế bào đặc trưng gọi là tế bào dị
hình(heterocyst), có chức năng cố định nitrogen tự do trong không khí. Tế bào dị
hình thường trong suốt, có thể lớn hơn tế bào dinh dưỡng, có vách tế bào dày với
các nốt u ở hai cực tế bào nối liền tế bào dị hình với tế bào dinh dưỡng [14].
1.1.1.3. Sinh lý học vi khuẩn lam
Vi khuẩn lam có khả năng hấp thụ ánh sáng mặt trời nhờ sự có mặt của các
sắc tố quang hợp, gồm một hoặc hai loại diệp lục cùng với carotene và phycobilin.
Các sắc tố quang hợp ở trên thylakoid nằm trong tế bào chất.
Chất diệp lục
Chất diệp lục là một thành phần sinh hóa quan trọng trong bộ máy quang
hợp, trong đó năng lượng từ ánh sáng mặt trời được sử dụng để sản xuất oxygen
duy trì sự sống. Do có sự hiện diện của chất diệp lục nên vi khuẩn lam có đặc tính
quang hợp giống thực vật. Một trong những đặc tính để phân biệt vi khuẩn lam với
các vi khuẩn quang hợp khác đó là chúng sở hữu một sắc tố khác là
bacteriochlorophyll. Chất diệp lục là sắc tố quang hợp quan trọng, trong khi những
sắc tố khác (carotenoid và phycobilin) là sắc tố phụ [47].
Chất diệp lục b có ở một số chi như Prochloron, Prochlorococcus và
Prochlorothrix được coi là một sắc tố phụ bởi vì nó mở rộng phạm vi của ánh sáng
có thể được sử dụng trong quang hợp, và chuyển năng lượng ánh sáng hấp thu đến
chất diệp lục [47].
Phycobilin
Vi khuẩn lam không sản xuất chất diệp lục b thường có sắc tố phycobilin hòa
tan trong nước, có thể hấp thụ các bước sóng ánh sáng cần cho quang hợp và
chuyển giao năng lượng cho chlorophyll a.
đơn bào, tảo cát, tảo lục, thực vật có mạch hay cộng sinh với nấm trong địa y [81].
1.1.1.5. Dinh dưỡng
Phần lớn vi khuẩn lam là các sinh vật quang tự dưỡng hiếu khí. Đời sống của
chúng cần có nước, CO
2
, chất vô cơ và ánh sáng. Quang hợp là quá trình chính của
8
trao đổi chất và năng lượng. Tuy nhiên, trong tự nhiên một số loài có thể tồn tại
hoàn toàn trong bóng tối một thời gian dài. Hơn nữa, một số vi khuẩn lam còn có
khả năng dinh dưỡng dị dưỡng [21].
- Dinh dưỡng carbon
Vi khuẩn lam có khả năng sử dụng các chế độ khác nhau của quá trình trao
đổi carbon. Quang hợp, quá trình sản xuất các chất hữu cơ từ CO
2
và H
2
O trong
điều kiện ánh sáng là phương pháp chính của dinh dưỡng carbon (autotrophy).
Tuy nhiên, khi được cung cấp với các hợp chất hữu cơ để bổ sung CO
2
, nhiều vi
khuẩn lam sử dụng carbon hữu cơ để tổng hợp. Có vài loài có thể phát triển trong
bóng tối với nguyên liệu nguồn carbon hữu cơ (heterotrophy).
- Dinh dưỡng nitrogen
Vi khuẩn lam có thể dễ dàng sử dụng các hợp chất nitrogen vô cơ như muối
nitrate, nitrite và amoni. Một số loài cũng có thể đồng hóa phân tử nitrogen từ bầu khí
quyển (loài cố định N
2
), và một số loài có thể sử dụng các hợp chất nitrogen hữu cơ.
Amoni-nitrogen là nguồn cung cấp nitrogen thuận lợi nhất, nhưng chúng thường
ngoại sinh. Bào tử được hình thành từ những tế bào sinh dưỡng và thường lớn hơn
những tế bào này, có màng dày bảo vệ, tránh những điều kiện bất lợi bên ngoài. Bào
tử vừa là cơ quan sinh sản vừa là giai đoạn nghỉ của vi khuẩn lam. Khi gặp điều
kiện thuận lợi, bào tử nảy mầm thành cơ thể mới.
1.1.2. Ứng dụng của vi khuẩn lam
1.1.2.1. Các hợp chất hoạt tính sinh học
Vi khuẩn lam đã được xác định là một nguồn các hợp chất hoạt tính sinh học
mới và phong phú. Hợp chất phân lập được thuộc nhóm polyketide, amid, alkaloid,
acid béo, indole và lipopeptide [5]. Các tài liệu cho thấy, đến nay đã có 19 chủng vi
khuẩn lam sản xuất được hơn 20 hợp chất hoạt tính sinh học khác nhau. Hầu hết các
hợp chất hoạt tính sinh học phân lập từ vi khuẩn lam có bản chất lipopeptide. Phạm vi
hoạt động sinh học của các chất chuyển hóa thứ cấp phân lập từ vi khuẩn lam bao gồm
kháng khuẩn, kháng nấm, kháng tảo, kháng động vật nguyên sinh, và các hoạt động
chống virus [6].
10
Ví dụ, vi khuẩn lam Phormidium sp. có thể ức chế sự sinh trưởng của các
chủng vi khuẩn Gram dương và Gram âm, nấm men và nấm. Lyngbya majuscula
sản xuất nhiều hợp chất bao gồm các hợp chất chứa nitrogen, polyketide,
lipopeptide, peptide cyclic và nhiều hợp chất khác. Các hoạt tính sinh học của hợp
chất này cũng đa dạng, bao gồm hoạt hóa protein kinase C và khởi động khối u, các
chất ức chế microtubulin, các hợp chất kháng khuẩn, kháng nấm và thuốc chặn kênh
natri [6].
1.1.2.2. Nguồn thực phẩm lành mạnh
Các chi Spirulina, Anabaena và Nostoc được sử dụng làm thức ăn cho con
người ở nhiều quốc gia bao gồm Chile, Mexico, Peru và Philippines. Arthrospira
platensis được trồng ở quy mô lớn bằng cách sử dụng ao ngoài trời hoặc các lò phản
ứng quang sinh học phức tạp. Trên thị trường chúng ở dạng bột, mảnh, viên nén và
viên nang, được sử dụng như là một thực phẩm bổ sung vì giàu chất dinh dưỡng và
giúp tiêu hóa. Chúng chứa trên 60% protein, chứa nhiều thiamine, β-carotene,
riboflavin, đồng thời được coi là một trong những nguồn giàu vitamin B
hình được biết đến với khả năng cố định nitrogen trong khí quyển. Sự màu mỡ của
nhiều vùng đất trồng lúa nhiệt đới có được chủ yếu là do hoạt động cố định đạm của
vi khuẩn lam. Một ước tính cho thấy rằng hơn 18 kg N/ ha/ năm được bổ sung vào
đất nhờ vi khuẩn lam [101].
Gần đây, vi khuẩn lam cố định đạm đã được báo cáo thống trị lớp vỏ sa mạc
trên toàn thế giới. Đây được coi là sự đóng góp đáng kể vào độ màu mỡ của đất sa
mạc và cuối cùng có thể tạo điều kiện thuận lợi cho thảm thực vật của sa mạc [29].
1.1.2.5. Chất nhũ hóa
Vi khuẩn lam ưa mặn chứa số lượng lớn exopolysaccharide (EPS), có thể
liên quan đến khả năng phục hồi dầu bằng cách giảm sức căng bề mặt, tăng dần độ
hòa tan và linh động của nó. EPS trong điều kiện kiềm được sử dụng để loại bỏ
thuốc nhuộm từ nước thải dệt may. Vi khuẩn lam sản xuất EPS là các Anabaena sp.
ATCC 33047 và Synechococcus sp. chịu kiềm [53].
1.1.2.6. Sản xuất năng lượng bền vững
Vi khuẩn lam là một nhóm lớn các vi khuẩn quang tự dưỡng oxygen, có thể
cố định CO
2
thông qua chu trình Calvin-Benson và chuyển đổi nó thành các hợp
chất hữu cơ. Chúng là những nhà sản xuất quan trọng chủ yếu của vật liệu hữu cơ
và đóng vai trò ý nghĩa trong chu trình sinh địa hoá của carbon, nitrogen và oxygen.
12
Thông qua khả năng quang hợp, vi khuẩn lam có vai trò quan trọng trong quá trình
tiến hóa và thay đổi sinh thái trong suốt lịch sử của trái đất, và chúng tiếp tục đóng
góp một phần lớn trong quang hợp khai thác năng lượng mặt trời và đồng hóa CO
2
thành các hợp chất hữu cơ. Hàng năm, vi khuẩn lam sản xuất khoảng 30% oxygen
trên Trái đất [39].
Vi khuẩn lam không chỉ được xem như là một chất xúc tác sinh học của ánh
sáng mặt trời, chúng cũng có tính chất bổ sung khác cho phép trở thành ứng viên lý
tưởng cho sự phát triển của thế hệ năng lượng sinh học thân thiện. Do có khả năng
với môi trường tự nhiên, hiệu quả, có khả năng tái sinh và không có khí thải CO
2
trong
quá trình sản xuất và sử dụng nó. Sản phẩm hydrogen của vi khuẩn lam như là một
sản phẩm phụ của cố định đạm, khi vi khuẩn lam mang tế bào dị hình chứa
nitrogenase được nuôi cấy trong điều kiện thiếu nitrogen, hoặc bằng cách hồi phục
hoạt động các enzyme hydrogenase. Vi khuẩn lam có tế bào dị hình sản xuất hydrogen
hiệu quả hơn so với các loại loài không có tế bào dị hình. Trên 14 chi thuộc vi khuẩn
lam bao gồm cả Anabaena, Calothrix, Oscillatoria, Cyanothece, Nostoc,
Synechococcus, Microcystis, Gloeobacter, Aphanocapsa, Chroococcidiopsis và
Microcoleus được biết đến với khả năng sản xuất khí hydrogen trong các điều kiện
nuôi cấy khác nhau. Anabaena spp. có thể sản xuất một lượng đáng kể hydrogen.
Các tế bào Anabaena cylindrica thiếu nitrogen sản xuất lượng hydrogen cao nhất
(30 mLH
2
/L/giờ). Gloeocapsa alpicola tăng sản xuất hydrogen khi thiếu lưu huỳnh
trong khi S. platensis có thể sản xuất hydrogen trong điều kiện tối hoàn toàn [24].
Sản xuất ethanol
Ethanol được sản xuất từ các nguồn tài nguyên năng lượng tái tạo là một
nguồn năng lượng hấp dẫn, do thực tế nó có thể được trộn với diesel hiện có và
được sử dụng mà không cần có bất kì sự sửa đổi nào của các động cơ diesel. Hiện
nay, ethanol sinh học được sản xuất bởi sự lên men của cây trồng nông nghiệp, chủ
yếu là mía ở Brazil hoặc ngô ở Mỹ. Do sản xuất quy mô lớn từ cây trồng nông
nghiệp, nó vẫn còn là một lựa chọn gây tranh cãi với nhiên liệu hóa thạch bởi tác
động tiêu cực của nó lên nguồn lương thực. Lợi thế mà vi khuẩn lam có được hơn
các loại cây trồng năng lượng truyền thống trong sản xuất ethanol là chúng lên men
tự nhiên mà không cần bổ sung môi trường lên men. Đặc trưng này làm cho vi
khuẩn lam là một ứng cử viên đầy hứa hẹn cho việc sản xuất ethanol [41], [73].
Để nghiên cứu khả năng lên men của vi khuẩn lam, Heyer và cs kiểm tra 37
chủng và phân tích khả năng lên men của chúng cùng các sản phẩm tiết của lên
như nồng độ nitrate và phosphate, oxygen hòa tan, nồng độ sắt và độ mặn của môi
trường xung quanh.
1.1.3.1. Ánh sáng
Ảnh hưởng của ánh sáng lên sự phát triển của vi khuẩn lam đã được nghiên
cứu rộng rãi. Tốc độ tăng trưởng tương quan với cường độ ánh sáng. Chiếu sáng 16
giờ sáng: 8 giờ tối không cho năng suất tốt hơn so với chiếu sáng liên tục và vi
khuẩn lam đã không yêu cầu thay đổi luân phiên ngày đêm của chu kỳ sáng
15
tối để đạt được một tốc độ tăng trưởng tối ưu. Thành phần quang phổ của ánh sáng
không quan trọng cho tăng trưởng, nhưng nó có thể có tác dụng nổi bật trên sắc tố
và sản xuất các độc tố [25].
1.1.3.2. Nhiệt độ
Nhiệt độ của môi trường nuôi cấy cũng đã được chứng minh có ảnh hưởng
đến tốc độ sinh trưởng và năng suất sinh khối của vi khuẩn lam. Phạm vi nhiệt độ
thích hợp cho sự sinh trưởng phụ thuộc vào từng loài. Sự đa dạng này được minh
họa bằng những loài sống ở nhiệt độ lên đến 73°C và không thể tồn tại ở nhiệt độ
dưới 50°C, chẳng hạn như vi khuẩn lam ưa nhiệt Synechococcus. Các loài khác
thích nghi với nhiệt độ thấp, chẳng hạn như những loài sinh sôi nảy nở ở Bắc Cực
và Nam Cực. Nói chung, vi khuẩn lam phù du sống ở khu vực ôn đới nhiệt độ từ
15°C đến 35°C cho sinh trưởng tối ưu [25], [51], [64].
1.1.3.3. Các chất dinh dưỡng
Hàm lượng dinh dưỡng của môi trường tự nhiên xung quanh hoặc môi
trường nuôi cấy tương quan với tốc độ tăng trưởng và sự gia tăng sinh khối của vi
khuẩn lam. Mỗi loài có một hàm lượng dinh dưỡng tối ưu, phần lớn các nghiên cứu
tham gia vào điều tra những ảnh hưởng của các biến đổi ở nồng độ nitrate và
phosphate, hai nguyên nhân quan trọng gây ra hiện tượng nở hoa nước. Loài này
cũng thường có một tỉ lệ N: P tăng trưởng tối ưu [64].
Nitrate
Để dự đoán ảnh hưởng của nồng độ nitrate lên vi khuẩn lam, dựa vào đặc
điểm một số loài có khả năng cố định nitrogen, trong khi các loài khác thiếu khả
Lipid là ester của axit béo và rượu, chúng bao gồm một nhóm lớn các hợp chất
hữu cơ có cấu trúc khác nhau như chất béo, sáp, phospholipid, glycolipid …[ 13].
Vi khuẩn lam có chứa nhiều acid béo. Các acid béo có thể là bão hòa hay
không bão hòa. Một số vi khuẩn lam dạng sợi có xu hướng có số lượng lớn (25-
60% tổng số) đa acid béo không bão hòa [60].
17
Hình 1.3. Lipid ở vi khuẩn lam (theo Nichols B. W., 1970) [57]
Triacylglycerol (TAG) là chất béo dự trữ phổ biến nhất và có thể tạo thành
80% lipid tổng số của vi khuẩn lam. Chúng bao gồm một phân tử glycerol liên kết
với ba acid béo, hoặc hai acid béo với vị trí thứ ba là nhóm phosphate
(phospholipid) hoặc carbohydrate (glycolipid). Acid béo bao gồm một chuỗi carbon
dài không phân nhánh. Bên cạnh đó có các lipid trung tính khác như
sulphoquinovosyl diglyceride, monogalactosyl diglyceride, digalactosyl diglyceride
và phosphatidyl glycerol [31], [91].
1.2.2. Quá trình tổng hợp lipid
Lipid tổng hợp dựa trên các hợp chất carbon tạo ra từ CO
2
bằng quá trình
quang hợp, cũng như các hợp chất cao năng (ATP và NAD(P)H). Sau phản ứng sáng,
CO
2
được hấp thụ qua trung gian của chu trình Calvin trong phản ứng tối của quang
hợp. Đầu ra của chu trình Calvin là một hợp chất ba carbon (glyceraldehyde 3-
phosphate), được chuyển đổi thông qua quá trình glycolysis thành acetyl CoA. Việc
chuyển đổi của acetyl CoA thành malonyl CoA là bước đầu tiên trong quá trình sinh
tổng hợp lipid [48].
18
Bảng 1.1.Thành phần các acid béo trong vi khuẩn lam [91]
Acid béo Vị trí của liên kết đôi Tỷ lệ % của các acid béo tổng số
14:0 - 40
nước [65]. Vi tảo được đề xuất là ứng cử viên tiềm năng cho sản xuất nhiên liệu
sinh học bởi một số lí do:
Vi tảo có hiệu suất dầu cao nhất trong số các cây trồng lấy dầu đa dạng khác.
Có thể trồng được vi tảo một cách dễ dàng trong nước biển, nước lợ và đất
không canh tác. Chúng không cạnh tranh với các nguồn tài nguyên nông nghiệp
truyền thống. Vi tảo canh tác không cần thuốc diệt cỏ hoặc thuốc trừ sâu.
Vi tảo phát triển rất nhanh chóng và nhiều loài tảo có lượng dầu phong phú.
Mức dầu 20 – 50% là phổ biến ở vi tảo. Trong điều kiện phòng thí nghiệm, lượng
dầu lí tưởng có thể đạt 56 – 60% tổng sinh khối khô bằng kỹ thuật di truyền hoặc kỹ
thuật nuôi cấy dị dưỡng [38].
Vì vậy, việc sử dụng các vi tảo có thể là một sự thay thế phù hợp vì tảo sản
xuất dầu sinh học hiệu quả nhất trên hành tinh, là một nguồn sinh khối linh hoạt và
có thể sớm trở thành một trong những cây trồng nhiên liệu tái tạo quan trọng nhất
của trái đất [45].
Đối với vi khuẩn lam, chúng có các thuộc tính cho phép được xem là một
trong những nguyên liệu có triển vọng cho năng lượng sinh học: chúng chứa một
lượng chất béo đáng kể, mức độ quang hợp và tốc độ tăng trưởng cao hơn so với
các loài tảo khác, phát triển dễ dàng với các yêu cầu dinh dưỡng cơ bản, dó đó canh
tác tương đối đơn giản và không tốn kém [65].
Bảng 1.2. Hàm lượng lipid của một số chủng vi khuẩn lam
Loài Hàm lượng lipid Nguồn
Anabaena cylindrica
Anabaena variabilis
Spirulina maxima
Spirulina platensis
Microcystis aeruginosa
10,7–12,3
22,7
6 -7
9,2
1.2.3.2. Nguồn thực phẩm có giá trị cho người và động vật
Vi khuẩn lam có thể chứa một lượng lipid (chất béo và dầu) đáng kể với các sản
phẩm tương tự như các loại dầu thực vật. Các chất béo của một số loài vi khuẩn lam
cũng rất giàu acid béo thiết yếu như C
18
linoleic (18:02ω6) và y-linolenic (18:03ω3)
và các dẫn xuất của acid C
20
, acid eicosapentaenoic (20:05ω3) và acid arachidonic
(20:04ω6). Những acid béo là thành phần thiết yếu của chế độ ăn uống của con
người và động vật, đồng thời trở thành thức ăn phụ gia quan trọng trong nuôi trồng
thủy sản [13].
21
1.2.4. Một số yếu tố ảnh hưởng đến khả năng tích lũy lipid của vi tảo
Vi tảo có khả năng tồn tại trong những điều kiện đa dạng và khắc nghiệt, đôi
khi lipid tế bào thu được bất thường từ những vi tảo này [79]. Hơn nữa, một số vi
tảo này cũng có thể thay đổi chuyển hóa lipid hiệu quả để đáp ứng với những thay
đổi trong điều kiện môi trường [96].
Hình 1.4. Cảm ứng lipid ở tảo dưới các điều kiện stress
(theo Sharma K., 2012) [84]
Trong điều kiện phát triển tốt nhất, một lượng lớn sinh khối tảo được sản
xuất nhưng với hàm lượng lipid tương đối thấp, trong đó chiếm khoảng 5-20% khối
lượng khô tế bào. Về cơ bản, sinh khối vi tảo và TAG cạnh tranh đồng hóa quang
hợp và lập trình lại các con đường sinh lý cần thiết để kích thích quá trình sinh tổng
hợp lipid. Trong điều kiện không thuận lợi hay stress môi trường, nhiều vi tảo làm
thay đổi con đường sinh tổng hợp lipid của chúng đối với sự hình thành và tích lũy
lipid (20-50% khối lượng khô), chủ yếu trong các TAG, tạo điều kiện để vi tảo có
thể chịu đựng những thay đổi của môi trường (hình 1.4) [84].
Các điều kiện stress gây cảm ứng
lipid:
[71] . Hơn nữa, cường độ và bước sóng ánh sáng khác nhau đã được báo cáo làm
thay đổi sự trao đổi lipid dẫn tới sự thay đổi trong thành phần lipid vi tảo. Cường
độ ánh sáng cao dẫn đến oxy hóa gây thiệt hại đến hàm lượng acid béo không no,
nhưng cũng cần thiết cho sự tổng hợp của C16:1 và làm thay đổi nồng độ acid
béo trong vi tảo [36].
Thông thường, cường độ ánh sáng thấp dẫn đến sự hình thành chất béo phân
cực, đặc biệt là lipid phân cực trên màng liên kết với lục lạp, trong khi cường độ
ánh sáng cao làm giảm hàm lượng lipid phân cực tổng số với một sự gia tăng đồng
thời số lượng chất béo trung tính, chủ yếu là TAG [59].
23
1.2.4.3. Nhiệt độ
Nhiệt độ đã được chứng minh có ảnh hưởng lớn đến thành phần acid béo của
vi tảo. Một xu hướng chung theo hướng tăng acid béo bất bão hòa với nhiệt độ giảm
và tăng acid béo bão hòa với nhiệt độ ngày càng tăng đã được quan sát thấy ở nhiều
vi tảo và vi khuẩn lam [70], [78].
Thường được chấp nhận rằng, nhiều thay đổi trong cấu trúc lipid làm thay
đổi tính chất vật lý của màng tế bào để đảm bảo các chức năng bình thường (ví dụ
độ thấm ion, quá trình quang hợp và hô hấp) có thể vẫn tiếp tục được giữ nguyên.
Sự thay đổi thường thấy nhất của lipid màng sau sự thay đổi nhiệt độ là một sự thay
đổi trong acid béo bất bão hòa [93].
1.2.4.4. pH
Biến động của độ pH trong môi trường cũng đã được cho thấy để thay đổi thành
phần lipid của vi tảo. Dựa trên những quan sát hình thái học, pH kiềm đã ức chế sự
tăng trưởng của vi tảo, do đó chuyển hướng năng lượng để tạo thành TAG [32].
1.3. MỘT SỐ NGHIÊN CỨU THĂM DÒ VỀ LIPID VI KHUẨN LAM VÀ CÁC
YẾU TỐ ẢNH HƯỞNG ĐẾN LIPID Ở VI KHUẨN LAM
1.3.1. Các nghiên cứu thăm dò hàm lượng lipid các chủng vi khuẩn lam
Năm 1990, Sallal và cs đã tiến hành nghiên cứu lipid và thành phần acid béo
của một số loài vi khuẩn lam nước ngọt. Nuôi ở nhiệt độ 28
o
Scytonema bohnerii
Oscillatoria chlorina
25,70±0,14
24,65±0,21
18,45±0,07
22,60±0,28
18,10±0,14
26,45±0,21
28,15±0,21
10,55±0,07
14,10±0,14
10,48±0,10
18,63±0,18
22,22±0,32
16,62±0,16
Lipid tổng số của 13 loài vi khuẩn lam nước ngọt phân lập từ môi trường
sống khác nhau của miền Nam Karnataka đã được Sharathchandra và cs (2011) điều
tra với các chi Oscillatoria, Microcystis, Nostoc…. Kết quả xác định được các
chủng vi khuẩn lam chứa một hàm lượng lipid từ 10,55 – 28,15%, trong đó
Microcystis aeruginosa có hàm lượng lipid cao nhất (bảng 1.3) [83].
1.3.2. Các nghiên cứu điều kiện môi trường để gia tăng hàm lượng lipid
1.3.2.1. Ảnh hưởng của thiếu dinh dưỡng
Nguồn và nồng độ nitrogen trong môi trường sinh trưởng ảnh hưởng rất
nhiều đến năng suất lipid vi tảo. Bên cạnh đó, việc gây thiếu nitrogen dễ dàng để
thao tác và giá rẻ. Vì vậy đây là phương pháp được nhiều nhà khoa học nghiên cứu
trên nhiều đối tượng nhằm gia tăng hàm lượng lipid.
25
Năm 1987, de Loura và cs đã nghiên cứu ảnh hưởng của thiếu nitrogen lên
hàm lượng lipid ở 2 chủng Pseudanabaena sp. và Oscillatoria splendida được nuôi
trong môi trường Z8, nhiệt độ 25
điều kiện chiếu sáng liên tục 7 ngày và sau đó ủ tối 7 ngày, còn một lô nuôi ở điều
kiện chiếu sáng liên tục 14 ngày. Kết quả cho thấy, hàm lượng lipid tổng số A.
constricta và P. jenkelianum giảm trong bóng tối, trong khi đó của ba chủng vi
khuẩn lam còn lại là tương đối ít bị ảnh hưởng [9].
Theo Tedesco (1989), hàm lượng lipid tổng số và acid béo của Spirulina
platensis UTEX 1928 là 7,2 và 2,2% khối lượng khô tế bào dưới điều kiện kiểm soát
Copyright: Tài liệu đại học ©