Giới thiệu

Vi tảo có nhiều ứng dụng hữu ích như nguồn thức ăn dồi dào trong nuôi trồng thủy sản, xử lí môi trường, sản xuất nhiên liệu sinh học, cung cấp các dưỡng chất làm thực phẩm chức năng,... Tốc độ tăng trưởng nhanh, sinh khối cao, không đòi hỏi nhiều diện tích đất nuôi cấy, phát triển trên các nguồn nước khác nhau nước ngọt, nước lợ, nước mặn, nước ô nhiễm,… nên vi tảo đang dần được quan tâm ứng dụng, trong đó có vi tảo Scenedesmus.

Vi tảo Scenedesmus thuộc ngành Chlorophyta, là một trong những loài tảo nước ngọt được phân bố rộng khắp nơi trên thế giới (Canter-Lund và Lund, 1995; Trainor, 1998) và đóng vai trò quan trọng trong hệ sinh thái thủy vực. Scenedesmus có các tế bào màu xanh lá, gồm 2, 4 hoặc 8 tế bào thậm chí có thể đạt 16 đến 32 tế bào. Tế bào hình elip, hình bầu dục, tròn, với phần cuối của tế bào tròn hoặc nhọn xếp thẳng hàng hoặc so le dính với nhau, có roi hoặc không có roi. Các tế bào Scenedesmus có một nhân và lục lạp chứa một pyrenoid. Mỗi tế bào có kích thước chiều dài lên tới 20 µm (Vuuren, Taylor, Ginkel và Gerber, 2006).

Scenedesmus được xem là nguồn thức ăn có dinh dưỡng cao cho động vật thủy sản và là nguồn thức ăn quan trọng trong quá trình sản xuất giống (Phạm Thị Lam Hồng, 2018). Ngoài ra, vi tảo Scenedesmus có khả năng sản sinh lipid làm nguồn nguyên liệu sản xuất nhiều loại nhiên liệu sinh học như dầu diesel sinh học, bioethanol và nhiên liệu thả dầu (Logan Christenson và Ronald Slims, 2011). Đây có thể được xem là nguồn nguyên liệu dồi dào cho việc sản xuất nhiên liệu sinh học thế hệ 3 thay thế các nguồn nhiên liệu hóa thạch, khi mà cả thế giới phải đối mặt với biến đổi khí hậu ngày càng diễn ra nghiêm trọng. Từ những lợi ích trên, nghiên cứu “Ảnh hưởng của chu kì sáng tối đến tiềm năng sinh khối vi tảo Scenedesmus sp.” đã thực hiện và thu được một số kết quả.

Nguyên liệu và phương pháp nghiên cứu

Nguyên liệu

Hóa chất, dụng cụ và thiết bị thí nghiệm

Một số hóa chất sử dụng như NaNO3, NaCl, MoO3, EDTA, H3BO3, máy sụt khí model ACO-006, Trung Quốc; máy đo pH, pH 7310, Đức; máy đo mật độ quang V730ST, Nhật Bản,…

Vi tảo Scenedesmus sp.

Vi tảo Scenedesmus sp. được phân lập từ ao nuôi cá tra tại xã Bình Hòa, huyện Châu Thành, tỉnh An Giang. Vi tảo Scenedesmus sp. nuôi cấy trên môi trường Bold’s Basal Medium (BBM) (Bischoff và Bold, 1963), có bổ sung agar 18 g/L, thanh trùng ở 1210C, 15 phút, được cấy trên đĩa môi trường petri, dưới điều kiện chiếu sáng liên tục, cường độ ánh sáng 47 µmol.photons.m-2. s-1, ủ ở nhiệt độ phòng. Sau đó, vi tảo được tăng sinh nhân giống cấp 1, cấp 2 để làm nguồn giống chủng cho nghiên cứu.

Phương pháp nghiên cứu

Chuẩn bị nguồn giống chủng cấp 1

150 mL môi trường BBM lỏng chứa trong bình tam giác có thể tích 250 mL, điều chỉnh pH ở 8.0-8.2, thanh trùng ở 1210C, 15 phút và để nguội ở nhiệt độ phòng. Dùng que cấy thu 10 khuẩn lạc có đường kính 0,9-1,1 mm cho vào bình chứa môi trường BBM lỏng, lắc trên máy lắc với vận tốc 200 vòng/phút, tăng sinh trong 12 ngày, ở nhiệt độ phòng và thời gian chiếu sáng 24 giờ, cường độ chiếu sáng 47 µmol.photons.m-2. s-1.

Chuẩn bị nguồn giống chủng cấp 2

Hút 30 mL vi tảo giống cấp 1 cho vào bình chứa 500 mL môi trường BBM lỏng, pH 8.0-8.2 để nhân giống cấp 2. Hệ thống sục khí liên tục với lưu lượng không khí cung cấp 15 L/phút, trong thời gian 10 ngày ở nhiệt độ phòng và thời gian chiếu sáng 24 giờ với cường độ chiếu sáng 47 µmol.photons.m-2.s-1. Sau thời gian 10 ngày, giống được chuyển tiếp vào bình 2.000 mL và tiến hành nghiên cứu. Lưu ý, các thao tác và dụng cụ được khử trùng và thực hiện trong buồng cấy vô trùng.

Ảnh hưởng thời gian chiếu sáng có kiểm soát đến khả năng tăng trưởng sinh khối của vi tảo Scenedesmus sp.

Chuẩn bị 9 bình chứa 2 L môi trường BBM lỏng, pH 8.0-8.2. Hút 50 mL nguồn giống cấp 2 cho vào bình môi trường. Mẫu sẽ được tăng sinh khối với hệ thống sục khí liên tục lưu lượng khí 15 L/phút, trong thời gian 25 ngày, ở nhiệt độ phòng và thời gian chiếu sáng là 24 giờ, 18 giờ và 12 giờ, cường độ chiếu sáng 47 µmol.photons.m-2. s-1. Giá trị mật độ quang (OD optical density) của vi tảo Scenedesmus sp. đo ở bước sóng l =750 nm (Nguyễn Thị Mỹ Lan và cs., 2014) trong 25 ngày, lấy chỉ tiêu cứ mỗi 3 ngày.

Đo mật độ quang: Hút 2 mL dịch huyền phù cho vào cuvett đo ở bước sóng l = 750 nm, ly tâm ở 10.000 rpm, trong 15 phút, loại bỏ phần nước trong, thu sinh khối, rửa sinh khối tảo bằng nước cất vô trùng, sau đó bổ sung 2 mL nước cất vô trùng vào sinh khối và vortex hòa tan sinh khối tảo, đo mật độ quang.

Xác định khối lượng khô (dry weight): Hút 20 mL dịch huyền phù cho vào cốc nung đã sấy khô và cân trọng lượng. Tiến hành sấy ở nhiệt độ 1050C, sấy qua đêm để loại bỏ nước, cân khối lượng vi tảo đến giá trị không đổi (g/L).

Sự tăng trưởng sinh khối vi tảo Scenedesmus sp. ở các thời gian chiếu sáng được xác định bởi đường chuẩn theo phương trình tuyến tính giữa giá trị mật độ quang ODl=750 nm và khối lượng sinh khối khô của vi tảo được sấy ở nhiệt độ 1050C, đến trọng lượng không đổi.

Ảnh hưởng thời gian chiếu sáng tự nhiên đến khả năng tăng trưởng sinh khối vi tảo Scenedesmus sp.

Vi tảo Scenedesmus sp. được nuôi cấy trong 3 bình thủy tinh trong suốt có chứa 10 L môi trường BBM lỏng, pH 8 - 8,2, hệ thống sục không khí liên tục có lưu lượng khí 15 L/phút ở nhiệt độ phòng, pha sáng và pha tối theo chu kỳ chiếu sáng tự nhiên. Chi tiêu mật độ quang thu mỗi ngày.

Xử lí số liệu: Phần mềm microsoft Excel và SAS 9.1.

Kết quả

Ảnh hưởng thời gian chiếu sáng có kiểm soát đến khả năng tăng trưởng sinh khối của vi tảo Scenedesmus sp.

Ngoài các yếu tố pH, nhiệt độ, nguồn dinh dưỡng,... ánh sáng là một trong những yếu tố ảnh hưởng đến khả năng tăng trưởng sinh khối của tảo, vì nó là nguồn năng lượng chính cho quá trình quang hợp. Ảnh hưởng của ánh sáng đến sự tăng trưởng của vi tảo được thể hiện ở chất lượng ánh sáng, cường độ chiếu sáng và thời gian chiếu sáng (Bosence, 1976; Qin, 2005). Ảnh hưởng thời gian chiếu sáng đến khả năng tăng trưởng sinh khối của vi tảo Scenedesmus sp. được khảo sát và ghi nhận kết quả ở Hình 1.

Hình 1. Giá trị OD750nm của vi tảo Scenedesmus sp. ở các thời gian chiếu sáng khác nhau

Ở điều kiện chiếu sáng liên tục suốt 24 giờ trong ngày, mật độ quang của vi tảo đạt giá trị cao nhất so với các mức chiếu sáng khác đạt 0,08 ngày-1, ở 18 giờ và 12 giờ chiếu sáng lần lượt là 0,06 ngày-1; 0,05 ngày-1. Điều này cho thấy, thời gian chiếu sáng liên tục làm tăng nhanh khả năng quang hợp, chuyển hóa và tạo diệp lục tố dẫn đến mật độ quang của các mức độ chiếu sáng khác nhau.

Sự gia tăng mật độ quang có mối tương quan đến sự tăng trưởng và phát triển tế bào vi tảo. Để xác định rõ mối tương tác giữa mật độ quang và sinh khối vi tảo ta cần dựng đường chuẩn giữa mật độ quang và khối lượng từ đó xác định được sự phát triển của sinh khối theo thời gian. Thời gian chiếu sáng khác nhau, thì mật độ quang và khối lượng sinh khối vi tảo khác nhau. Kết quả ghi nhận mối tương quan giữa mật độ quang và khối vi tảo ở thời gian chiếu sáng khác nhau theo phương trình tuyến tính y = ax.

Thay x là giá trị OD750 nm sau khoảng thời gian 30 ngày nuôi cấy của từng mẫu vi tảo Scenedesmus sp. ở các thời gian chiếu sáng, từ đó xác định được khối lượng khô vi tảo theo đồ thị Hình 2.

Hình 2. Khối lượng sinh khối khô của vi tảo Scenedesmus sp. ở các thời gian chiếu sáng  24, 18, 12 giờ. 

Tăng trưởng vi tảo được biểu diễn theo phương trình (1):

xt = x0eµt (1)

Trong đó: xt: Sinh khối tảo sau thời gian t (g); x0: sinh khối ban đầu (g); t: thời gian nuôi cấy (ngày); µ: Tốc độ tăng trưởng đặc biệt (ngày-1).

Kết quả hình 4, với thời gian chiếu sáng liên tục 24 giờ, tốc độ tăng trưởng sinh khối của vi tảo Scenedesmus sp. đạt giá trị cao nhất 0,46 g/L tảo khô, tiếp theo chiếu sáng 18 giờ có giá trị 0,31 g/L tảo khô và thấp nhất 0,1 g/L tảo khô với thời gian 12 giờ chiếu sáng. Điều này cho thấy khi ánh sáng được cung cấp liên tục thì khả năng hấp thụ quang năng để chuyển hóa thành năng lượng, sử dụng cho phát triển sinh khối đã xảy ra trong nghiên cứu này. Điều này cũng đúng với nghiên cứu sự ảnh hưởng của chu kỳ sáng tối (12: 12, 18: 6, 24: 0 giờ) đối với việc loại bỏ nitrate và phosphate từ nước thải tổng hợp dựa trên môi trường BG11 ở vi tảo Scenedesmus sp. của tác giả Habibi và cs. (2019) thì chu kỳ sáng tối tốt nhất để loại bỏ nitrate, phosphate và tăng trưởng sinh khối của vi tảo Scenedesmus sp. là 24 giờ chiếu sáng.

Thời gian chiếu sáng liên tục 24 giờ giúp đẩy nhanh quá trình phát triển tế bào vi tảo và tăng nhanh sinh khối. Sinh khối khô của vi tảo đạt 0,31 g/L ở thời gian chiếu sáng 18 giờ cần đến 30 ngày nuôi cấy, trong khi với chiếu sáng liên tục 24 giờ ta chỉ cần 20 ngày nuôi cấy. Như vậy, với thời gian chiếu sáng liên tục 24 giờ đã giúp vi tảo tăng nhanh sinh khối và rút ngắn thời gian tăng trưởng so với các nghiệm thức còn lại. Tuy nhiên, điều này cũng đòi hỏi chi phí cao cho việc cung cấp năng lượng liên tục trong suốt 24 giờ. Trong chu trình carbon, một số sinh vật quang dưỡng cần pha sáng để chuyển hóa năng lượng mặt trời thành năng lượng sinh học từ đó giúp phân chia tế bào, tăng trưởng sinh khối vừa cần pha tối để chuyển hóa và tổng hợp nên các sản phẩm phụ như carbohydrate. Do đó, tùy vào mục đích sản xuất sinh khối hay thu sản phẩm phụ mà lựa chọn thời gian chiếu sáng phù hợp, vừa rút ngắn thời gian nuôi cấy, vừa giảm được chi phí sản xuất.

Sự tăng trưởng vi sinh vật thể hiện ở đường cong tăng trưởng dưới 4 pha (Coutteau, 1996), nhưng với vi tảo Scenedesmus sp. không biểu hiện rõ giữa các pha. Để thu nhận sinh khối, vi tảo Scenedesmus sp. trải qua pha tiềm phát (lag phase) và pha tăng trưởng giữa các khoảng thời gian chiếu sáng và thời gian tiềm phát khác nhau. Đối với thời gian chiếu sáng liên tục 24 giờ và 18 giờ chỉ cần khoảng thời gian 3 ngày, sau đó bước vào pha tăng trưởng (log phase), nhưng với mẫu vi tảo ở thời gian chiếu sáng 12 giờ cần đến 10 ngày để trải qua giai đoạn tiềm phát, nguyên nhân có thể do thời gian chiếu sáng quá ngắn làm cho các tế bào tảo chưa tích lũy được nhiều năng lượng để thực hiện mạnh mẽ quá trình quang hợp, phân chia tế bào và phát triển sinh khối do đó cần nhiều thời gian hơn. Việc khảo sát sự tăng trưởng sinh khối của vi tảo Scenedesmus sp. sẽ được chú trọng hơn ở pha tăng trưởng, biết được thời gian vi tảo sẽ phát triển mạnh nhất và biết được thời gian vi tảo suy giảm để thu nhận sinh khối và chọn bình nuôi cấy thích hợp.

Ảnh hưởng thời gian chiếu sáng tự nhiên đến khả năng tăng trưởng sinh khối của vi tảo Scenedesmus sp.

Với 2 mùa mưa và nắng, miền Nam Việt Nam rất có tiềm năng đế phát triển nguồn sinh khối vi tảo trong những mùa nắng để phục vụ cho các lĩnh vực nghiên cứu tạo ra nguồn nguyên nhiên liệu xanh và sạch cải thiện chất lượng môi trường và sự nóng dần lên của trái đất cũng như thay thế nguồn nhiên liệu hóa thạch đang ngày càng cạn kiệt.

Việc nghiên cứu sự tăng trưởng sinh khối và sinh lipid của vi tảo Scenedesmus sp. ở điều kiện chiếu sáng tự nhiên như một nghiên cứu để tận dụng tối ưu nguồn tiềm năng dồi dào mà thiên nhiên đã ưu đãi, vừa rẻ, sạch, lại vừa tiết kiệm. Và đặc biệt hơn, có thể nuôi sinh khối vi tảo ở quy mô lớn để phục vụ cho các quy trình sản xuất lớn.

Dựa vào kết quả nghiên cứu cho thấy, tốc độ tăng trưởng sinh khối của vi tảo Scenedesmus sp. sau 25 ngày nuôi đạt 1,64 g/L và lượng lipid thu được 0,1 g/L chiếm 6.1% so với sinh khối tảo khô. Theo kết quả từ bài báo khảo sát khả năng tăng trưởng và tích lũy lipid của các chủng vi tảo đã phân lập tại Việt Nam của tác giả Nguyễn Thị Mỹ Lan và cs. (2014), các loài vi tảo Scenedesmus đã phân lập giảm khả năng tăng trưởng sau 33 ngày nuôi ở điều kiện tự nhiên và khả năng tích lũy lipid thấp hơn so với các loài vi tảo Kirneriella obese, Asterococcus limneticus, Coelastrum cambricum, Pediastrum duplex, Cosmarium cf. sumatranum. Tối ưu hóa năng suất sinh khối cũng như hàm lượng lipid thông qua nồng độ các chất bổ sung khác nhau làm cho năng suất lipid của Scenedesmus sau khi tối ưu hóa đã đạt 60% trọng lượng tế bào khô theo kết quả nghiên cứu của các tác giả Mandal và Nirupama Mallick (2009). Từ kết quả ta có thể thấy, khoảng thời gian 2 ngày đầu, vi tảo trải qua giai đoạn tiềm phát (lag phase) để thích nghi với môi trường, từ ngày thứ 3 trở đi vi tảo bước vào pha lũy thừa (log phase) tăng trưởng mạnh. Tuy nhiên, từ ngày 22 khối lượng sinh khối vi tảo không có sự khác biệt so với các ngày 23, ngày 24 và ngày 25, do đó việc thu nhận sinh khối vi tảo có thể dừng lại ở ngày 22 để tiết kiệm được thời gian nuôi cấy, cũng như chi phi sản xuất.

Nuôi cấy sinh khối vi tảo ở điều kiện tự nhiên, cường độ ánh sáng là vấn đề cần quan tâm vì cường độ ánh sáng thay đổi liên tục theo mùa trong năm, thay đổi theo thời điểm trong ngày. Hiểu được điều này sẽ giúp thiết kế hệ thống nuôi tảo và chọn thời điểm thích hợp để phát triển sinh khối hay sản phẩm thứ cấp đi kèm. Trong nghiên cứu này, cường độ ánh sáng được đo ở các thời điểm: 9 giờ, 14 giờ và 16 giờ bằng máy đo Data Logger Light Meter ở 4 điểm xung quanh mỗi bình tảo và lấy giá trị trung bình của mỗi giờ đo được.

Qua hình 8, ta thấy cường độ ánh sáng mỗi thời điểm trong ngày khác nhau, giá trị trung bình đạt 53.3 µmol.photons.m-2.s-1 ngày-1, cường độ ánh sáng tăng sẽ thúc đẩy quá trình quang hợp và phân chia tế bào diễn ra mạnh mẽ (Renaud và cs., 1991).

Kết luận

Nghiên cứu đã cho thấy thời gian chiếu sáng có ảnh hưởng đến khả năng tăng trưởng sinh khối của vi tảo Scenedesmus sp. Ở cùng cường độ chiếu sáng và chiếu sáng có kiểm soát, thời gian chiếu sáng càng dài tốc độ tăng trưởng sinh khối của vi tảo càng cao, tốc độ tăng trưởng đặc biệt cao nhất ở 24 giờ chiếu sáng đạt 0.08 ngày-1, sinh khối là 0.46g/L tảo khô. Ở điều kiện chiếu sáng tự nhiên, sau 25 ngày nuôi cấy thì vi tảo Scenedesmus sp. sinh khối là 1,64 g/L tảo khô, tốc độ sinh trưởng đặc biệt đạt 0.06 ngày-1. Ngoài khả năng tăng trưởng sinh khối, vi tảo Scenedesmus sp. có khả năng tạo lipid đạt 0.1g/L chiếm 6,1 % so với khối lượng khô vi tảo, có thể ứng dụng làm thức ăn cho nuôi trồng thủy sản và sản xuất nhiên liệu sinh học.

Tài liệu tham khảo

1. Bischoff, H.W. & Bold, H.C. (1963). Phycological studies. Some soil algae from Enchanted Rock and related algal species. University of Texas publications 6318: 1-95;

2. Canter Lund, H. & Lund, J.W.G. (1995). Freshwater algae. Their microscopic world explored. Biopress Ltd., Bristol, 360 pp;

3. Couteau P. (1996). Microalgae, manual on the production and use of live food for aquaculture. Food and agriculture organization of the United Nation, Rome, 7-48;

4. Logan Christenson & Ronald Slims. (2011). Production and harvesting of microalgae for wastewater treatment, biofuels and bioproducts. Biotechnology Advances, 686-702;

5. Mandal S. & Mallick N. (2009). Microalgae Scenedesmus obliquus as a potential source for biodiesel production. Applied microbiology and biotechnology, 84(2), 281-291;

6. Nguyễn Thị Mỹ Lan, Nguyễn Hoàng Ngọc Phương, Huỳnh Hiệp Hùng, Nguyễn Tiến Thắng, Lê Thị Thanh Loan, Đoàn Thị Mộng Thắm, Phạm Thành Hổ & Lê Thị Mỹ Phước. (2013). Sàng lọc các chủng vi tảo chứa lipid trên một số điểm ở miền Nam Việt Nam. Tạp chí Sinh học, 35(3), 306-312.

ĐOÀN THỊ MINH NGUYỆT, NGUYỄN THÀNH THẠO, VÕ TRUNG KIÊN,

                NGUYỄN THANH NHẬT, NGUYỄN TRẦN NHẪN TÁNH

                Trường Đại học An Giang, Đại học Quốc gia TP. Hồ Chí Minh