CHƯƠNG I TỔNG QUAN TÀI LIỆU 1. Đặc điểm sinh học của tảo Haematococcus pluvialis 1. Vị trí phân loại Vị trí của Haematococcus pluvialis trong hệ thống phân loại như sau (Smith, 1950): Ngành: Chlorophyta Lớp: Chlorophyceae Bộ: Volvocales Họ: Chlamydomonadales Giống: Haematococcus Loài: Haematococcus pluvialis 1. Đặc điểm hình thái Haematococcus pluvialis (H.
pluvialis) là một loài vi tảo lục, nước ngọt, đơn bào thuộc nhóm tảo lục hai roi và có khả năng chuyển động ở giai đoạn sinh dưỡng (Riley và ctv, 1983). Sinh sản vô tính bằng cách nhân đôi. Hình thái tế bào của H. pluvialis có sự biến đổi khác nhau trong chu trình sống của chúng.
Tế bào có hai dạng, tương ứng với đặc điểm sinh trưởng: tế bào sinh dưỡng và nang bào tử (cyst). Tế bào sinh dưỡng: màu xanh, dạng cầu hoặc elip với đường kính khoảng 10 - 20 μm, có thể chuyển động nhờ hai roi. Trong điều kiện thuận lợi, phần lớn tế bào ở dạng sinh dưỡng, có hàm lượng chlorophyll a, b và tiền carotenoit, đặc biệt là β- carotene và lutein cao. Sinh trưởng quang tự dưỡng khi có ánh sáng (Bubrick, 1991) và dị dưỡng trong tối (Riley và ctv, 1983).
Nang bào tử: khi gặp điều kiện bất lợi (cạn kiệt dinh dưỡng, cường độ ánh sáng cao, nhiệt độ cao, stress muối,…) tế bào sẽ hình thành nang bào tử và hình thái thay đổi sang dạng cyst. Tế bào dạng hình cầu, mất roi, không còn khả năng di động. Thành tế bào dày lên, đường kính của tế bào tăng lên đột ngột tới 40 – 50 μm (Lorenz và ctv, 2000). Ngoài ra, những tế bào nang này có hàm lượng carotenoid thứ cấp như echinenone, canthaxanhthin và astaxanthin cao trong khi đó hàm lượng chlorophyll và tiền carotenoid lại giảm (Droop, 1994).
Tốc độ sinh trưởng của H. pluvialis ở giai đoạn này giảm, tế bào tích lũy một lượng lớn astaxanthin. Ban đầu, 3 astaxanthin chủ yếu được hình thành tập trung quanh nhân và quá trình được tiếp diễn tới khi toàn bộ tế bào chuyển sang màu đỏ (Lee và Soh, 1991). Các tế bào dạng cyst có hàm lượng astaxanthin đạt khoảng 5% trọng lượng khô (Renstrom và ctv, 1981).
Thời gian chuyển pha mất khoảng vài tuần dưới điều kiện quang tự dưỡng (Droop, 1995). Cùng lúc với sự thay đổi hàm lượng sắc tố và protein nội bào, trong đó diễn ra sự tích lũy astaxanthin cao. Theo một số công bố cho thấy hàm lượng chlorophyll không thay đổi trong suốt quá trình tích lũy astaxanthin (Hagen và ctv, 1993) nhưng trong nghiên cứu của Spery (1970) lại cho rằng hàm lượng này có xu hướng giảm đi. Nhiều công trình nghiên cứu trên thế giới về vòng đời của vi tảo H.
pluvialis đã chỉ ra rằng sinh trưởng của loài tảo này trải qua 4 giai đoạn với hình thái, kích thước tế bào, hàm lượng sắc tố và proetin nội bào khác nhau. Theo Kobayashi và ctv vòng đời của H. pluvialis trải qua các giai đoạn như sau: Hình 1. Sự thay đổi hình thái trong vòng đời của H.
pluvialis (I) Giai đoạn tế bào sinh dưỡng: tế bào hình elip, chuyển động bằng hai roi, phân chia tế bào để gia tăng số lượng. Hàm lượng carotenoid trong tế bào thấp. (II) Giai đoạn tế bào nang: các tế bào sinh dưỡng chuyển sang dạng màu nâu, hình khối cầu, mất hai roi. Trong suốt giai đoạn nang bào, mức độ sinh tổng hợp carotenoid và protein tăng lên (Kobayashi và ctv, 1997).
(III) Giai đoạn tế bào nang hoàn chỉnh: tế bào nang đã hoàn chỉnh, bất động, tích lũy hàm lượng carotenoid cao nhất. 4 (IV) Giai đoạn nảy mầm: xảy ra sự tổng hợp chlorophyll và protein xuất hiện sự phân giải carotenoid. Trong vòng đời của tảo, tế bào sinh dưỡng chứa hàm lượng cao chlorophyll và protein nhưng hàm lượng carotenoid rất thấp. Khi quá trình bao nang kèm theo việc giảm sút hàm lượng chlorophyll và protein.
Tế bào trưởng thành và tăng quá trình sinh tổng hợp carotenoid, giảm protein. Sự nảy mầm cùng với tổng hợp chlorophyll, protein và giảm carotenoid. Sự bao nang, trưởng thành và chín thường được quan sát dưới kính hiển vi. Sự tích lũy carotenoid/chlorophyll được thể hiện qua các thông số để phân biệt giữa các tế bào sinh dưỡng (lục), các tế bào còn non (nâu) và tế bào chín (đỏ).
Tỷ lệ astaxanthin/chlorophyll a vào khoảng 0,5; 1,0 và 7,0 trong tế bào sinh dưỡng, non và chín. Sinh trưởng Sinh trưởng là sự gia tăng về số lượng so với số lượng nuôi cấy ban đầu (pelczar và ctv, 1977; trích bởi Pinij Kungvankij, 1988). Sinh trưởng của tảo nuôi trong điều kiện vô trùng được đặc trưng bởi năm pha sau: Hàm tăng trưởng của tảo 1. Pha ngừng tăng trưởng tương đối 4.
Pha ổn định 5. Pha suy tàn Thời gian nuôi Hình 1. Năm pha tăng trưởng trong nuôi vi tảo (Lavens và Sorgeloos, 1996). Pha gia tốc dương Tế bào tích cực hoạt động để gia tăng kích thước đến kích thước bình thường của chúng.
Dù môi trường thuận lợi, dinh dưỡng phong phú, song số lượng vi tảo còn ít 5 và cần thời gian cho sự thích nghi sinh lý của sự chuyển hóa tế bào để phát triển, như các mức enzyme, các chất chuyển hóa liên quan đến sự phân chia tế bào và sự cố định cacbon, cho nên cuối phase này mỗi sinh vật mới bắt đầu phân chia. Sự gia tăng số lượng vi tảo trên một đơn vị thời gian không lớn, tảo tăng trưởng chậm. Pha logarite Môi trường còn thuận lợi cho tảo phát triển, tảo hấp thu dinh dưỡng mạnh hơn, sinh sản với tốc độ nhanh hơn. Số lượng tế bào tăng theo cấp số nhân, số lượng quần thể vi tảo đạt đến một giá trị nhất định.
Pha gia tốc âm Số lượng vi tảo lớn nên các yếu tố dinh dưỡng, ánh sáng, pH, CO2, hay các yếu tố lý hóa khác bắt đầu hạn chế sinh trưởng. Mặc dầu có giảm so với phase logarit nhưng tốc độ sinh trưởng của quần thể vẫn còn nhanh. Pha cân bằng Yếu tố hạn chế và tốc độ tăng trưởng của tảo cân bằng nhau làm số lượng tảo sinh ra và số lượng tảo chết đi cân bằng nhau. Số lượng quần thể đạt cực đại.
Pha tàn lụi Sau khi đạt giá trị cực đại, chất lượng nước xấu đi và dinh dưỡng suy kiệt đến mức không thể duy trì tăng trưởng. Khả năng sinh sản của tảo mất dần, mật độ tế bào giảm nhanh và cuối cùng sụt giảm. Các yếu tố ảnh hưởng đến tốc độ sinh trưởng của H. pluvialis Ánh sáng là nguồn cung cấp năng lượng chính điều khiển phản ứng quang hóa của vi tảo.
Vì vậy, các khía cạnh như cường độ, chất lượng quang phổ và chu kỳ sáng cần được xem xét. Cường độ ánh sáng đóng một vai trò quan trọng, nhưng yêu cầu về cường độ ánh sáng thay đổi rất lớn theo độ sâu của môi trường nuôi và mật độ nuôi tảo: ở độ sâu lớn và nồng độ tế bào cao thì cường độ ánh sáng phải tăng để có thể xuyên qua được môi trường nuôi (1000lux là thích hợp với các bình erlenmeyer, 5000 – 10000lux cho các dung tích lớn hơn). Có thể là ánh sáng tự nhiên hay ánh sáng của đèn huỳnh quang. Cường độ ánh sáng quá lớn có thể ức chế sự quang hợp (Lavens và Sorgeloos, 1996).
Cường độ ánh sáng tối ưu cho sinh trưởng của H. pluvialis dao động từ 2 - 24 klux (Fan và ctv, 1994; Garcia Malea và cvt, 2006; Kang và ctv, 2007). 6 Nhiệt độ tối ưu đối với phiêu sinh thực vật thường từ 200 đến 240C, mặc dù nhiệt độ này có thể thay đổi theo thành phần của môi trường nuôi, các loài và các dòng nuôi. Hầu hết các loài vi tảo nuôi trồng phổ biến có thể chịu được nhiệt độ trong khoảng 160C - 270C.
Nhiệt độ thấp hơn 160C sẽ làm chậm sinh trưởng, trong khi nhiệt độ cao hơn 350C sẽ gây chết một số loài (Lavens và Sorgeloos, 1996). Nhiệt độ tối ưu cho sự phát triển của H. pluvialis dao động từ 15 - 270C (Lee và Soh, 1991; Smith, 1950). pH là yếu tố quan trọng đối với hoạt động của tảo.
Sự biến động pH trong thủy vực phụ thuộc rất lớn vào quá trình quang hợp và hô hấp của tảo. Qua quang hợp, tảo hấp thu CO2 mạnh nên làm tăng pH lên rất cao; khi hô hấp, vi tảo thải CO2 nhiều vào môi trường làm pH giảm (Trịnh Trường Giang, 1997; Nguyễn Trọng Nho, 2002; trích bởi Phạm Thị Diệu Thơm, 2008). Tỷ lệ hàm lượng CO2, CO32-, HCO3- trong môi trường dinh dưỡng xác định giá trị pH của môi trường. Mỗi giống loài tảo sinh trưởng tốt trong một môi trường có trị số pH nhất định, pH môi trường quá cao hay quá thấp đều làm chậm tốc độ tăng trưởng của tảo.
pH tối ưu cho sự phát triển của H. pluvialis nằm trong khoảng từ 6,5 - 8. Nguồn dinh dưỡng bao gồm đa lượng và vi lượng. Dinh dưỡng đa lượng phải được cung cấp với lượng lớn (carbon, nitơ, phospho, canxi,…).
Tốc độ sinh trưởng của H. pluvialis cao khi nồng độ nitơ và phospho cao. Các nguyên tố vi lượng chỉ cần cung cấp với hàm lượng thấp, dao động từ mức μm/l đến mg/l. Một số dinh dưỡng vi lượng cần thiết cho sinh trưởng của tảo đã được biết gồm sắt, boron, mangan, đồng và các vitamin,… (Kang và ctv, 2007).
Tổng quan về astaxanthin Astaxanthin (3, 3’- dihydroxy β, β carotene- 4,4 - dione) là một sắc tố, dẫn xuất của β-carotene, có giá trị kinh tế cao được sử dụngphổ biến trong nuôi trồng thủy sản giúp tăng chất lượng và màu sắc thịt cá hồi, làm cá cảnh có màu sắc rực rỡ. Bên cạnh đó astaxanthin còn ứng dụng trong công nghiệp thực phẩm, thực phẩm chức năng. Hoạt tính chống oxy hóa của chúng cao hơn gấp 10 lần so với các loại carotenoit khác như β- carotene, zeaxanthin, lutein, canthaxanthin và cao hơn gấp 500 lần so với α-tocopherol (Suh và ctv, 2006). Ngoài ra, do khả năng ngăn chặn một số loại ung thư, kích thích hệ thống miễn dịch cao hơn so với β-carotene và α- 7 tocopherol nên hiện nay, ứng dụng của astaxanthin còn được mở rộngtrong lĩnh vực y dược học (Lorenz và Cysewski, 2000;Miki 1991; Suh và ctv, 2006).
Mặc dù một số loài vi sinh vật như nấm men Phaffiarhodozyma có khả năng tổng hợp astaxanthin nhưng hàm lượng astaxanthin nội bào của chúng rất thấp (Bon và ctv, 1997; Chumpolkukwong và ctv, 1997). Trong khi đó, vi tảo lục Haematococcus pluvialis có khả năng tích lũy astaxanthin lên tới trên 4% sinh khối khô (Hata và ctv, 2001). Vì vậy, hiện nay sản xuất astaxanthin từ loài vi tảo này đang được đặc biệt quan tâm nghiên cứu. Nguồn cung cấp astaxanthin 1.
Astaxanthin tổng hợp hóa học Astaxanthin tổng hợp hóa học có cấu trúc tương tự như cấu trúc tự nhiên. Đó là nguồn carotenoid được sử dụng rộng rãi trong ngành công nghiệp nuôi trồng thủy sản (NTTS).