CHƯƠNG 1. Tổng quan về bèo tấm 1. Mô tả thực vật Bộ: Alismatales Họ: Araceae Chi: Lemna Loài: Lemna minor Tên khoa học Lemna minor. Bèo tấm Lemna minor 1.
Nguồn gốc và phân bố Bèo tấm có nguồn gốc ở hầu hết khắp châu Phi, châu Á, châu Âu và Bắc Mỹ. Những nơi có ao nước ngọt và các dòng chảy chậm, ngoại trừ vùng khí hậu Bắc cực và cận cực. Bèo tấm là nhóm thực vật một lá mầm thủy sinh có phổ phân bố rất rộng cùng với tốc độ sinh trưởng nhanh. Hiện nay, phân họ Bèo tấm (Lemnoideae) có 37 loài thuộc 5 chi: Spirodela, Landoltia, Lemna, Wolffiella và Wolffia.
Dễ dàng thấy rằng, từ cách đây 30 năm, các nhà khoa học đã phát hiện ra sự có mặt của bèo tấm ở tất cả các châu lục, trừ các địa cực. Bèo tấm thường xuất hiện ở các khu vực nước đọng hoặc có dòng chảy chậm. Sự tăng trưởng nhanh thường được ghi nhận ở các ao hồ nhỏ, đầm lầy vì đây là những khu vực có nguồn dinh dưỡng dồi dào1. Đặc biệt, ở khu vực có cá sấu sinh sống thì tốc độ tăng trưởng của bèo tấm là cực đại.
Một vài loài cũng tồn tại trong môi trường nước nhiễm mặn (tối đa 2,5% NaCl đối với Lemna minor), tuy nhiên chúng không tích lũy ion Na+ trong quá trình sinh trưởng. Ở điều kiện sinh trưởng tối 3 ưu (về nhiệt độ nước, pH, chiếu sáng, nguồn dinh dưỡng), bèo tấm có thể tăng gấp đôi sinh khối trong vòng 16-24 giờ. Theo tính toán lý thuyết, với tốc độ sinh trưởng như vậy thì chỉ sau 50 ngày, bèo tấm có thể mọc kín 1 ha nuôi trồng với lượng ban đầu chỉ 10 cm2 và sau 60 ngày thì sẽ phủ kín toàn bộ diện tích 32 ha2. Việc nuôi trồng bèo tấm ở Việt Nam thường được thực hiện ở quy mô gia đình.
Phân của vật nuôi được thu nhận trong một cái bể nhỏ, sau đó lượng nước chảy ra từ bể này được đưa vào trong 1 bể lớn hơn, tại bể này người dân nuôi 1 lớp mỏng bèo tấm ở trên mặt. Bèo được thu hoạch hàng ngày và trộn với phế phụ phẩm nông nghiệp để làm thức ăn cho vịt. Các hướng nghiên cứu ứng dụng trên bèo tấm Sử dụng bèo tấm để sản xuất bioethanol và biobutanol Có nhiều nghiên cứu tập trung vào việc gia tăng hàm lượng tinh bột trong bèo tấm dùng cho sản xuất nhiên liệu sinh học. Có hai quá trình tác động tới sự tích lũy tinh bột trong sinh khối bèo tấm, đó là quá trình quang hợp để hình thành tinh bột và sự tiêu hao tinh bột trong các quá trình trao đổi chất.
Với các kỹ thuật nuôi trồng bèo tấm hiện nay, hàm lượng tinh bột được tổng hợp nhờ quá trình quang hợp là rất lớn, vì thế các nghiên cứu chủ yếu tập trung vào việc hạn chế các quá trình phân giải tinh bột. Các nghiên cứu chính bao gồm: (1) Sự thiếu hụt P, K và N là nguyên nhân làm giảm quá trình dị hóa, từ đó gia tăng hàm lượng tinh bột tích lũy trong cây. Năm 2009, Cheng và Stomp đã nghiên cứu và thấy rằng khi cấy chuyển bèo tấm từ môi trường giàu dinh dưỡng sang môi trường chỉ có nước máy thì hàm lượng tinh bột tích lũy trong S. polyrhiza tăng lên từ 20-45,8% sau 5 ngày.
(2) Năm 2011, Cui và cộng sự đã công bố điều kiện nhiệt độ thấp và thời gian chiếu sáng kéo dài sẽ gia tăng sự tích lũy tinh bột ở S. Cụ thể, khi nhiệt độ ban ngày không thay đổi thì nhiệt độ thấp vào ban đêm sẽ kích thích sự tích lũy tinh bột. Ngược lại, hàm lượng tinh bột không khác biệt trong điều kiện thay đổi nhiệt độ ban ngày và giữ nguyên nhiệt độ ban đêm. (3) Năm 1976, McLaren và Smith đã nghiên cứu và thấy rằng: sau 6 ngày nuôi cấy L.
minor trong môi trường có mặt 10-6M ABA thì trọng lượng tươi giảm 60% nhưng sinh khối khô tăng 220% và tinh bột trong sinh khối khô tăng gần 500%. Đặc biệt, Su và cộng sự đã chỉ ra rằng bèo tấm là một cơ chất có tiềm năng trong quá trình lên men vì dưới tác động của nấm men chúng không những được chuyển hóa thành ethanol mà còn tạo ra các alcohol cao năng lượng khác để sản xuất nhiên liệu 4 sinh học. Bên cạnh đó, việc thử nghiệm sản xuất sinh khối trên quy mô lớn cũng đã được thực hiện. Năm 2011, Xu và cs đã xây dựng hệ thống nuôi và thu sinh khối bèo tấm đầu tiên để sản xuất ethanol tại North Carolina, Mỹ.
Năm 2012, Farrell đã nuôi bèo tấm trong một đầm (phá) rộng 23 ha và thấy rằng trong điều kiện thiếu dinh dưỡng thì hàm lượng tinh bột gia tăng từ >10% lên đến trung bình 19%. Các yếu tố chính cần quan tâm khi nuôi trồng là: mật độ bèo, thời gian thu hoạch và bổ sung dinh dưỡng. Sử dụng bèo tấm để sản xuất khí sinh học (biogas) Sử dụng quá trình lên men kỵ khí các chất thải nông nghiệp và chăn nuôi để sản xuất khí sinh học đã được nghiên cứu từ nhiều năm nay. Clack đã thấy rằng bổ sung thêm bèo tấm trong giá thể lên men đã làm gia tăng đáng kể lượng khí sinh học tạo ra (hơn 44% so với đối chứng).
Triscari và cộng sự cho thấy chỉ cần bổ sung 0,5- 2,0% bèo tấm thì tổng lượng khí sinh học và methanol gia tăng rất lớn, nhưng nếu bổ sung hơn 2% thì sự gia tăng không còn tiếp tục. Nguồn thực phẩm cho con người và thức ăn chăn nuôi Dân số thế giới tăng gần gấp đôi trong giai đoạn 1950-2000 (từ 2,7 đến 6 tỷ người) nhưng nhu cầu về thịt lại tăng gấp 5 lần (từ 45 triệu tấn lên 233 triệu tấn/năm). Tổ chức Lương thực và Nông nghiệp Thế giới (FAO, ước tính đến năm 2050) dự đoán rằng khi dân số tăng lên 9 tỷ người thì sản lượng thịt phải đạt 410 triệu tấn/năm. Trong khi đó, nguồn protein từ thịt chỉ mới đáp ứng được 40% nhu cầu về protein hàng ngày của con người.
Do vậy, vấn đề đảm bảo nguồn thực phẩm đáp ứng cho nhu cầu của con người là một vấn đề vô cùng cấp bách. Nguồn cung cấp protein động vật truyền thống chính cho con người là thịt, cá, trứng, sữa và protein thực vật chủ yếu là đậu nành, lúa mì, khoai tây, rau xanh… Tuy nhiên, ngày nay nhiều nguồn cung cấp protein khác cũng được chú ý đến như côn trùng (dế hay một số loài ấu trùng), tảo và vi tảo (Spirulina, Arthrospira…), rong biển (Ulva. Monostroma, Laminaria…), cải dầu và bèo tấm 3…. Trên khắp thế giới, đặc biệt là ở châu Á, người dân thường thu hoạch các thực vật thủy sinh tự nhiên như rau diếp biển (Pistia), bèo tây (Eichhcornia), bèo dâu (Azolla) và bèo tấm (Lemna) để làm thức ăn chăn nuôi, phân chuồng và cả thực phẩm cho con người.
Bèo tấm tích lũy một lượng rất lớn protein (từ 6,8-45% trọng lượng khô tùy theo loài) và gần như tương đương với đậu tương. Các nhóm hoạt chất sinh học và tiềm năng làm dược liệu của L. minor cũng đã được khảo sát. Hơn nữa, Rusoff et al.
(1980) báo cáo rằng thành phần axit amin của protein bèo tấm đáp ứng nhu cầu dinh dưỡng của con người 4. Gần đây, nghiên cứu thành phần axit 5 béo của 30 loài khác nhau của bèo tấm. Họ báo cáo bão hòa, không là bao gồm các acid bão hòa đơn và không bão hòa đa axit béo trong các loài, trong đó có thể được sử dụng để đánh giá giá trị dinh dưỡng cũng như trong thức ăn của con người 5. Trong bài báo mới nhất, một cách tiếp cận tổng thể hơn đã được sử dụng, điều tra các thành phần khác nhau trong chế độ ăn của con người về bèo tấm: hàm lượng protein (20- 35% trọng lượng khô) và thành phần axit amin, hàm lượng chất béo (4 - 7%) và thành phần axit béo, tinh bột (4 - 10%).
Các protein chứa khoảng 5% lysin, 3% methionin + cysteine (lưu huỳnhcó chứa các axit amin) và 8% phenylalanine + tyrosine. Tất cả các axit amin quan trọng này được WHO khuyến cáo dinh dưỡng cho con người. Chất béo chứa từ 48 đến 71% axit béo không bão hòa đa và tỷ lệ axit béo omega-6 với omega-3 ở mức độ 0,5 hoặc thậm chí ít hơn 6. Thành phần và hàm lượng các hợp chất hữu cơ có trong bèo tấm Thành phần Hàm lượng (%trọng lượng chất khô) Protein 6,8 - 45 Lipid 1,8 – 9,2 Xơ 5,7 – 16,2 carbohydrate 14,1 – 43,6 Tro 12-27,6% Nguồn Landolt and Kandeler (1987) 1.
Tình hình nghiên cứu ở Việt Nam về bèo tấm Việc sử dụng bèo tấm làm đối tượng nghiên cứu tại Việt Nam còn chưa thu được nhiều sự quan tâm. Đa phần các nghiên cứu tập trung vào những ứng dụng bèo tấm trong sản xuất nông nghiệp. Ví dụ, khi sử dụng bèo tấm trong khẩu phần ăn của vịt thịt và vịt sinh sản thì mức tăng trọng của vịt thịt, tỷ lệ đẻ và tỷ lệ trứng có phôi của vịt sinh sản đều tương đương với vịt được bổ sung bột đậu nành và bột cá. Bên cạnh đó bèo tấm còn được biết đến như một vị thuốc.
Vị cay, tính hàn, có ứng dụng phát tán phong nhiệt, trừ phong chống ngứa, lợi tiểu, tiêu thũng. Nghiên cứu sinh học phân tử trên bèo tấm ở Việt Nam phải kể đến các nghiên cứu thuộc đề tài “Nghiên cứu tạo giống bèo tấm mang gen kháng nguyên H5N1 phòng chống bệnh cúm ở gia cầm” của PGS.TS Lê Huy Hàm (Viện Di truyền nông nghiệp). Các yếu tố điều khiển biểu hiện gen ubiquitin từ hai loài bèo tấm L. aequinoctialis DB1 và S.
polyrhiza DB2 đã được phân lập 7. Vũ Văn Tiến và cộng sự đã xây dựng thành công quy trình nuôi cấy callus của L. aequinoctialis, đồng thời khảo sát khả năng sử dụng Agrobacterium để thực hiện chuyển gen vào đối tượng nào. Một số kết quả có tiềm năng ứng dụng để sản xuất vaccine phòng cúm từ bèo tấm cũng đã 6 được công bố.
Tình hình nghiên cứu ở nước ngoài về bèo tấm Các nhà khoa học Pháp và Tây Ban Nha mới đây đã tiết lộ rằng họ có khả năng biến bèo tấm thành protein để giải quyết cuộc khủng hoảng lương thực. Theo các nhà khoa học, bèo tấm có thể không ngon miệng nhưng nó có tỉ lệ protein rất cao, thậm chí còn cao hơn tỉ lệ protein có trong đậu nành (45% so với 36%). Vì vậy, trong một hội nghị về công nghệ thực phẩm tại Chicago (Mỹ), các nhà khoa học Pháp và Tây Ban Nha đã tiết lộ phương pháp làm khô bèo tấm và nghiền nó thành bột protein.