CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN TÀI LIỆU 1. ĐẶC ĐIỂM SINH HỌC CỦA VI NẤM BIỂN Vi nấm là một nhóm vi sinh vật nhân thực dị dưỡng, không quang hợp, có kích thước rất nhỏ từ 2 đến 500 μm và được bao bọc bởi thành tế tào chitin. Các loài vi nấm thường sinh trưởng và phát triển bằng cách hấp thụ các chất dinh dưỡng từ môi trường sống xung quanh [23,24].
Vi nấm biển được phân loại là vi nấm biển bắt buộc hoặc không bắt buộc: vi nấm biển bắt buộc là những loài có khả năng sinh trưởng và hình thành bào tử trong môi trường biển hoặc cửa sông, trong khi đó vi nấm biển không bắt buộc là những loài có nguồn gốc từ nước ngọt hoặc trên cạn có thể phát triển và/hoặc sinh bào tử ở trong môi trường biển. Nói một cách tổng quát hơn về phân loại những sinh vật này, thuật ngữ “vi nấm có nguồn gốc từ biển” thường được sử dụng cho hầu hết các loại vi nấm sống trong môi trường biển bắt buộc hoặc không bắt buộc [25, 26]. Nhiều nghiên cứu khác nhau trên toàn cầu công nhận đây là một nhóm vi nấm cốt lõi được phân lập lặp đi lặp lại từ các tầng nền khác nhau trong môi trường sống ở biển. Vì vậy, định nghĩa vi nấm biển đã thay đổi khi nghiên cứu về sinh lý học biển trở nên tiến bộ hơn.
Pang và cộng sự (2016) đã đưa ra định nghĩa rằng vi nấm biển là vi nấm được thu nhận nhiều lần từ môi trường biển vì: (1) chúng có khả năng sinh trưởng và/hoặc sinh bào tử trong môi trường biển; (2) chúng hình thành các mối quan hệ cộng sinh với các sinh vật biển khác; hoặc (3) chúng được chứng minh là thích ứng và tiến hóa ở cấp độ di truyền hoặc có hoạt động chuyển hóa trong môi trường biển. Định nghĩa này được xem là hoàn chỉnh nhất hiện nay vì nó kết hợp khía cạnh di truyền và chức năng bằng cách đề cập đến vai trò hiện diện của chúng trong các mối quan hệ cộng sinh và hoại sinh, trong khi không dựa hoàn toàn vào hệ thống phân loại vì sự hiểu biết của chúng ta về mối quan hệ tiến hóa của vi nấm biển chưa đầy đủ [27, 28]. Vi nấm biển đóng một vai trò quan trọng trong hệ sinh thái biển như sinh vật hoại sinh, ký sinh, sinh vật cộng sinh hoặc sinh vật tương hỗ [25, 26], là một nguồn cung cấp các vitamin và sterol khác nhau và các hợp chất hoạt tính sinh học mới [28]. Vi nấm biển đóng vai trò quan trọng trong các chu trình dinh dưỡng gồm phân hủy các chất hữu cơ trong hệ sinh thái biển và tái tạo chất Luan van 6 dinh dưỡng nên chúng rất cần thiết cho mạng lưới thức ăn biển.
Nhiều nghiên cứu chỉ ra rằng, vi nấm biển có liên quan đến quá trình tổng hợp carbohydrate, axit amin và lipid, đồng thời phân hủy nhiều chất hữu cơ trong trầm tích biển (Hình 1. Điều này chứng tỏ rằng vi nấm biển rất cần thiết đối với hệ sinh thái biển [27], [29, 30]. Các nhà khoa học ước tính rằng có đến 10.000 loài vi nấm biển tồn tại, tuy nhiên tiềm năng sinh học của vi nấm biển chưa được điều tra đầy đủ. Trong đó có một lượng đáng kể các loài vi nấm phân lập đã được sàng lọc để tìm các sản phẩm tự nhiên tạo ra các chất chuyển hóa thứ cấp mới [31].
Tuy nhiên, sự đa dạng của vi nấm trong môi trường biển cho đến nay vẫn chưa được thể hiện đầy đủ trong các nghiên cứu về các sản phẩm tự nhiên biển. Mặc dù hoạt tính sinh học của các chất chuyển hóa thứ cấp từ vi nấm biển được đánh giá có giá trị y dược [32]. Phần lớn các loài vi nấm được phân lập từ môi trường biển thuộc các ngành nấm chính như Ascomycota, Basidiomycota và Chytridiomycota. Cho đến nay, chỉ có một số ít trình tự gen của vi nấm biển thuộc ngành Zygomycota được công bố và hầu như rất ít ghi nhận về các chủng vi nấm biển đại diện cho các ngành Glomeromycota, Blastocladiomycota, và Neocallimastigomycota [33].
Sự đa dạng và vai trò của vi nấm trong hệ sinh thái biển [27]. Nghiên cứu đã cho thấy rằng các môi trường biển khác nhau sẽ hình thành nên các quần thể vi nấm có đặc tính sinh học riêng biệt. Vi nấm có thể Luan van 7 được tìm thấy từ đại dương sâu thẳm, vùng ven biển đến đầm lầy ngập mặn và cửa sông với độ mặn thấp. Theo một số công bố, môi trường sống đóng vai trò quan trọng trong việc xác định thành phần quần thể vi nấm trong đại dương.
Ngoài ra, các nghiên cứu còn cho thấy thành phần của quần thể vi nấm được điều khiển bởi vị trí địa lý, nhiệt độ và độ mặn của nước biển [23]. Mặc dù vi nấm biển được phân bố rộng rãi, nhưng gần như rất ít tài liệu công bố chi tiết về cấu trúc địa lý sinh học, hoặc các ảnh hưởng của vị trí địa lý lên đặc điểm sinh học của chúng [30]. Vi nấm biển thường phát triển mạnh trong môi trường giàu dinh dưỡng như các sinh vật chủ, trầm tích và các mảnh vụn phân hủy từ xác động vật, thực vật. Đây là nơi các vi nấm có thể bám dính vào chất nền, tiết ra enzyme, phá vỡ các polymer sinh học phức tạp và thu nhận chất dinh dưỡng.
Với cấu trúc thành tế bào giàu chitin nên vi nấm dễ dàng thu nhận các chất dinh dưỡng bằng cách thẩm thấu. Đặc điểm này đã thúc đẩy tỷ lệ trao đổi chất cao, tăng trưởng nhanh và hiệu quả ở vi nấm. Các loài vi nấm biển cũng được đánh giá là không đa dạng ở tầng nước bề mặt do môi trường ở tầng nước này thường có ít chất dinh dưỡng cùng với sự khuếch tán nhanh nên các enzyme do vi nấm tiết ra và các chất dinh dưỡng thu nhận dễ bị mất đi [23]. Độ mặn là một trong những yếu tố ảnh hưởng đến sự đa dạng của vi nấm.
Nhiều nghiên cứu về sinh lý đã chứng minh nhu cầu độ mặn của vi nấm ảnh hưởng đến sự tăng trưởng [34, 35]. Cụ thể, độ mặn thích hợp cho sự phát triển của vi nấm biển sống trong gỗ thay đổi từ 3-17‰ đối với các loài vi nấm Dendryphiella salina, Asteromyces cruciatus, Corollospora maritima, Zalerion maritimum, Halosphaeriopsis mediosetigera và Sporidesmium salinum. Đối với vi nấm Trichocladium achrasporum (Culcitalna achraspora) thì độ mặn thích hợp 20-34‰ [35]. Theo kết quả nghiên cứu của Jennings và cộng sự (1983) đã cho rằng các loài vi nấm thuộc ngành Basidiomycota đặc biệt nhạy cảm với độ mặn, trong khi các loài thuộc ngành Ascomycota có khả năng chịu mặn tốt hơn nhiều [36].
Yokochi và cộng sự (1998) cho rằng các loài thuộc chi Schizochytrium được phân lập từ rừng ngập mặn phát triển ở độ mặn thấp. Trong khi chi Halophytophthora có khả năng chịu mặn ở phạm vi rộng 10 – Luan van 8 30‰ [35]. Hyde và cộng sự (1992) đã phát hiện 19 loài vi nấm sống ở rừng ngập mặn Kampong Tutong, Brunei, nơi có độ mặn dao động trong khoảng 3- 24‰. Điều này cho thấy các loài vi nấm này có thể chịu được sự thay đổi lớn về độ mặn của nước [34].
Vi nấm sống trong môi trường siêu kiềm chịu được độ mặn cao hơn nhiều so với các loài vi nấm biển khác. Chúng có thể chịu được độ mặn từ 0 đến trên 15% NaCl. Cụ thể, vi nấm Aureobasidium pullulans phát triển tốt nhất ở nồng độ muối 0% NaCl, nhưng có thể chịu được độ mặn đến 18% NaCl, các loài vi nấm Wallemia muriae, W. werneckii là loài ưa mặn và cần ít nhất 10% NaCl để tăng trưởng [35].
Những phát hiện này chứng minh rằng độ mặn là một trong những yếu tố ảnh hưởng đến sự tăng trưởng và đa dạng của các loài vi nấm. Vi nấm biển có khả năng tăng trưởng tốt trong phạm vi nhiệt độ khá rộng 10-35°C. Các chủng vi nấm có thể được phân chia theo khả năng thích nghi với nhiệt độ của chúng, bao gồm vi nấm chịu lạnh, ưa lạnh, trung tính, ưa nhiệt và chịu nhiệt. Mỗi loài có nhiệt độ tối ưu để phát triển và sinh tổng hợp chất chuyển hóa khác nhau [23].
Cụ thể, Pang và cộng sự (2020) đã nghiên cứu ảnh hưởng nhiệt độ lên sự phát triển của 10 loài vi nấm thuộc các chi Aspergillus, Penicillium, Fodinomyces, Microascus, Trichoderma, Verticillium được phân lập từ trầm tích biển. Hầu hết các chủng vi nấm biển đều phát triển và sản sinh chất chuyển hóa tối ưu trong khoảng nhiệt độ trung bình từ 25 đến 30oC. Ở một số trường hợp, vi nấm yêu cầu nhiệt độ cao hơn như chủng Aspergillus terreus NTOU4989 chỉ phát triển ở nhiệt độ 45oC [37]. Trong khi đó, một số loài vi nấm biển được phân lập từ vùng biển Nam Cực như Thraustochytrium antarticum, Leucosporidium anatartica, và Spathulospora antartica lại có khả năng phát triển ở nhiệt độ rất thấp, dưới 10oC [23].
Singh và cộng sự (2010) đã cho rằng vi nấm ở biển sâu có khả năng thích ứng với nhiệt độ thấp như các loài vi nấm thuộc chi Sagenomella và Aspergillus phân lập ở biển sâu phát triển tốt ở nhiệt độ 5oC [35]. Như vậy, nhiệt độ là một trong những yếu tố then chốt quyết định sự phân bố theo địa lý và ảnh hưởng đáng kể đến sự phát triển của hầu hết các loại vi nấm [37]. Luan van 9 Bên cạnh đó, nồng độ pH trong môi trường cũng ảnh hưởng đến sự phát triển của vi nấm. Nhu cầu pH axit hay kiềm cho sự phát triển của vi nấm khá rộng, dao động từ pH 2 đến pH 9, trong đó phạm vi phát triển tối ưu ở pH từ 5- 7.
Nghiên cứu cho thấy phần lớn các chủng vi nấm có khả năng sinh tổng hợp các chất kháng sinh trong môi trường có pH dao động từ 5,0 đến 8,5. Nhìn chung, các loài Aspergillus có khả năng chịu pH kiềm cao hơn trong khi các loài Penicillium tỏ ra chịu đựng tốt hơn với pH axit [38, 39]. Curran và cộng sự (1980) đã cho rằng các loài vi nấm Zalerion maritimum, Dendryphiella salina và Monodictys pelagica ưa thích pH có tính axit hơn kiềm. Kohlmeyer và cộng sự (1979) đã nghiên cứu và phát hiện các loài vi nấm Asteromyces cruciatus, Dendryphiella salina, Corollospora cristata và Lulworthia sp.
có thể phát triển tối ưu ở pH từ 6,0–6,6 và 7,0–8,0. Nhóm vi nấm Thraustochytrids cũng có khả năng phát triển trong giới hạn pH rộng từ 5-8 [35]. Vi nấm biển có khả năng đồng hóa hầu hết các nguồn carbon và nitơ. Tuy nhiên, tùy từng chủng vi nấm mà có thể sử dụng các nguồn nitơ, carbon khác nhau [40].