MỞ ĐẦU 1. Tính cấp thiết của đề tài Carotenoid được biết đến như là một hợp chất chống oxy hóa mạnh, hỗ trợ trong việc ngăn ngừa các tế bào bình thường chuyển thành các tế bào gây ung thư, làm chậm lại sự phát triển của các khối u. Ngoài ra, carotenoid còn giúp ích trong điều trị các bệnh về tim mạch, viêm thấp khớp và một số rối loạn về thần kinh. β-carotene là đồng phân quan trọng của carotenoid, thuộc nhóm sắc tố cam, có thể chuyển hóa thành vitamin A trong cơ thể và có thể kết hợp với vitamin E hay vitamin C giúp ngăn ngừa các bệnh về ung thư, giảm nhiễm trùng (Huynh và c., 2013) β-carotene tự nhiên không chứa các chất bảo quản hay các thành phần nhân tạo, còn β-carotene hóa học có chứa chất bảo quản và tồn đọng một số hợp chất dùng để tổng hợp.
Với lý do như vậy nên Viện Y tế quốc tế khuyến cáo nên sử dụng các β-carotene tự nhiên (Kulshreshtha và c. Trong những năm gần đây, sự gia tăng nhu cầu sử dụng carotenoid cho việc chăm sóc sức khỏe, mỹ phẩm hay dược phẩm (Lamers và c., 2012) từ các nguồn tự nhiên đã thúc đẩy nhiều nỗ lực lớn để cải thiện sản xuất β-carotene từ các nguồn sinh học, do đó mở ra cơ hội phát triển các chủng vi tảo có khả năng sản xuất hợp chất này. Hiện nay, Dunaliella salina được xem là nguồn sản xuất β-carotene tự nhiên tốt nhất có giá trị kinh tế cao, chiếm tới 14% trọng lượng khô (Jin & Melis, 2003). Nhiều nghiên cứu đã chứng minh rằng quá trình sinh trưởng và sinh tổng hợp β-carotene phụ thuộc vào nhiều yếu tố như nồng độ muối, điều kiện dinh dưỡng, cường độ ánh sáng hay stress bởi nồng độ các kim loại trong môi trường.
Để thu nhận β-carotene đảm bảo về mặt số lượng và chất lượng, các nhà khoa học đã nghiên cứu phát triển cả về mật độ lẫn tăng cường tích lũy β-carotene (Hamed và c. Trên thế giới, việc làm tăng tích lũy β-carotene trong sinh khối của D. salina đã được nghiên cứu trên quy mô phòng thí nghiệm và sản xuất thương mại (Hejazi và c. Các nghiên cứu hiện nay chủ yếu tập trung vào phân lập, tìm hiểu đặc điểm sinh học của chúng và một số loài họ hàng trong chi Dunaliella, một vài nghiên cứu ảnh hưởng của nồng độ muối hay các điều kiện dinh dưỡng, điều kiện vật lý đến sự tích lũy β-carotene.
Trong nước, các hướng nghiên cứu về loài này vẫn còn hạn chế bởi các chủng giống của loài này chưa phong phú và đa số đều tìm hiểu ảnh hưởng của nồng độ muối đối với tích lũy ở vi tảo D. salina như Võ Hồng Trung và cộng sự đã nghiên cứu kết hợp cường độ ánh sáng với nồng độ H2O2 và nồng độ muối cho tích lũy hàm lượng carotenoid cao (Trung và c. Trong môi trường dinh dưỡng cho tảo cần có một số các vi lượng. Thiếu hụt vi lượng có thể ảnh hưởng đến các quá trình trao đổi hay sinh tổng hợp các chất cần thiết, có thể làm chậm quá trình phát triển cũng như sinh sản của tế bào tảo.
Song song với đó là hàm 1 lượng β-carotene trong tế bào cũng giảm theo vì trong suốt quá trình sinh trưởng tế bào, vi tảo D. salina luôn có β-carotene mặc dù với hàm lượng ít để bảo vệ tế bào khỏi cường độ ánh sáng mạnh hay các yếu tố stress khác. Một số nghiên cứu đã cho thấy rõ ràng rằng các yếu tố vi lượng có những ảnh hưởng đáng kể đến sinh trưởng và tích lũy ở vi tảo D.salina như nghiên cứu của Shaker và cộng sự về nồng độ của 2 kim loại sắt và magie (Shaker và c. Tuy nhiên, số nghiên cứu về chủ đề này vẫn còn khá hạn chế và hiện nay, vẫn chưa có nghiên cứu nào về ảnh hưởng của các yếu tố vi lượng đến sinh trưởng và sinh tổng hợp β-carotene đối với chủng D.
salina phân lập tại Việt Nam. Dựa trên những cơ sở này, tôi tiến hành đề tài “Nghiên cứu ảnh hưởng của các yếu tố vi lượng trong môi trường đến sinh trưởng và tích lũy β-carotene ở vi tảo Dunaliella salina”. Mục tiêu đề tài Mục tiêu tổng quát Đánh giá được vai trò của các chất vi lượng trong quá trình sinh trưởng và tích lũy β- carotene của vi tảo D. Mục tiêu cụ thể: - Đánh giá được sự ảnh hưởng của các yếu tố vi lượng (nồng độ ion kim loại và vitamin) đến đặc điểm sinh trưởng (mật độ, tốc độ sinh trưởng) ở vi tảo Dunaliella salina.
- Đánh giá được sự ảnh hưởng của các yếu tố vi lượng (nồng độ ion kim loại và vitamin) đến sự tích lũy β-carotene ở vi tảo Dunaliella salina. Ý nghĩa của đề tài Ý nghĩa khoa học Cung cấp những dẫn liệu khoa học trong việc nghiên cứu tăng sinh khối và tích lũy β-carotene ở chủng vi tảo D. Ý nghĩa thực tiễn Ứng dụng vào sản xuất β-carotene ở quy mô công nghiệp có giá trị thương mại cao từ chủng vi tảo D. Nội dung nghiên cứu - Nghiên cứu ảnh hưởng của nồng độ kim loại (Fe, Cu, Mn, Zn) và vitamin đến tốc độ sinh trưởng và mật độ tế bào của vi tảo D.
2 - Nghiên cứu ảnh hưởng của nồng độ kim loại (Fe, Cu, Mn, Zn) và vitamin đến hàm lượng β-carotene tích lũy ở vi tảo D. TỔNG QUAN TÀI LIỆU 1. Giới thiệu về vi tảo Dunaliella salina 1. Vị trí phân loại và phân bố của vi tảo Dunaliella salina Dunaliella salina thuộc ngành Chlorophyta, lớp Chlorophyceae, bộ Chlamydomonadales, họ Dunaliellaceae, chi Dunaliella.
Dunaliella salina là vi tảo lục, đơn bào, ưa mặn. Chúng có mặt ở các môi trường nước biển hay các cánh đồng muối trên thế khắp thế giới. Chúng hiện diện ở đại dương lớn như Đại Tây Dương, Địa Trung Hải hay những nơi có độ mặn cao (trên 15% muối), nhiệt độ cao và ánh sáng mạnh (Jin & Melis, 2003). Một số nơi tập trung nhiều loài Dunaliella như Biển Chết ở Israel, hồ Pink ở Úc hay hồ muối lớn ở Utah, Mỹ (Ben-Amotz và c.
Các nghiên cứu trước đây cho thấy chúng có thể thay đổi hình dạng và thể tích của tế bào để thích nghi với sự thay đổi áp suất thẩm thấu ngoại bào. Nhờ các hợp chất như glycerol giúp giữ độ ẩm cho tế bào, β-carotene giúp chống lại cường độ ánh sáng cao nên D. salina được coi là sinh vật hiếm hoi có thể tồn tại trong môi trường khắc nghiệt với nồng độ muối cao (Nguyễn Thị Hải Thanh, 2014). Ngoài ra, chúng còn chứa nhiều vitamin C và E.
Hình thái và đặc điểm sinh học của vi tảo Dunaliella salina Tế bào của loài tảo này có nhiều hình dạng khác nhau như hình elip, hình tròn, hình quả lê… phụ thuộc vào điều kiện dinh dưỡng và cường độ ánh sáng (Mansour Shariati & Hadi, 2011). Kích thước chiều dài từ 5 – 25 μm và chiều rộng 3 – 15 μm (Hosseini Tafreshi & Shariati, 2009). salina di chuyển bằng 2 roi, không có thành polysaccharide cứng mà chỉ được bao bọc bởi lớp glycoprotein nhầy gọi là glycocalyx (Borowitzka & Borowitzka, 1988). Tế bào có lục lạp lớn được bao bọc quanh bằng tinh bột, nó có thể chứa một lượng lớn carotenoid là cho tế bào có màu cam mà không phải màu xanh như bình thường.
salina không có vách giúp tế bào có thể nhanh chóng thay đổi thể tích tế bào để đáp ứng với những thay đổi áp suất thẩm thấu ngoại bào (Ben-Amotz & Avron, 1990). salina sinh sản hữu tính lẫn vô tính, tuy nhiên thì sinh sản hữu tính phổ biến hơn. Hình thái tế bào Dunaliella salina trong các điều kiện nuôi cấy khác nhau. A) Tế bào màu xanh trong môi trường không stress; B) Tế bào bị stress chuyển sang màu cam; C) Tế bào da cam tích lũy β-carotene (Ramos và c.
(Thanh kích thước 10 μm) Ở môi trường với điều kiện nuôi cấy bình thường, tế bào tảo có màu xanh nhưng vẫn có các giọt dầu chứa β-carotene làm tế bào dù có màu xanh nhưng vẫn nhìn thấy những đốm nhỏ màu cam. Khi bị tác động bởi các yếu tố vật lý như cường độ ánh sáng, nhiệt độ., hay các stress môi trường như thiếu hụt dinh dưỡng, độ mặn,. thì tế bào bắt đầu tích lũy nhiều β-carotene hơn bình thường. Lúc này tảo vẫn còn chuyển động được nhờ 2 roi và tế bào bắt đầu chuyển sang màu cam nhiều hơn màu xanh.
Tế bào có màu cam đậm khi tế bào tích lũy lượng lớn β-carotene và lúc này tế bào bị mất roi, không chuyển động và có hình tròn so với hình quả trứng ban đầu. salina yêu cầu độ mặn cao trong môi trường đã làm giảm số lượng vi sinh vật có trong môi trường và dễ dàng nuôi cấy trong điều kiện ngoài trời (Ben-Amotz và c. Độ mặn có ảnh hưởng trực tiếp đến màu sắc của D. Màu tế bào ở vi tảo này chuyển sang màu xanh lục ở độ mặn 2 – 4% và chuyển sang màu cam hoặc đỏ ở độ mặn 6 – 10% (do vượt quá tỉ lệ sắc tố carotenoid với diệp lục) (Al-Muhteseb & Emeish, 2015).
Vi tảo này có nhiều ứng dụng sản xuất các hợp chất quan trọng như β-carotene, glycerol hay các axit béo không no. salina có khả năng tích lũy nồng độ β-carotene cao có thể đạt tới 10 – 14% trọng lượng khô (Hosseini Tafreshi & Shariati, 2009) đặc biệt là khi phát triển dưới stress môi trường chẳng hạn như cường độ ánh sáng cao, độ mặn cao, thiếu hụt dinh dưỡng (nitơ, photphat và sunphat) và nhiệt độ khắc nghiệt (Abd El Baky & El-Baroty, 2013; Tafreshi & Shariati, 2006). Con đường chuyển hóa ở loài tảo này vẫn chưa được xác định chính xác. Lamers đã nghiên cứu và đưa ra giả thuyết có 3 giai đoạn trong quá trình chuyển hóa tạo thành β- carotene: giai đoạn nhận tín hiệu, giai đoạn truyền tin hiệu và cuối cùng là giai đoạn điều hòa sinh tổng hợp β-carotene (Lamers và c.
Bên cạnh đó, ông còn cho rằng trong 5 tế bào D. salina có một tế bào cảm quang tồn tại. Tế bào cảm quang này có vai trò nhận tín hiệu cảm ứng khi cường độ ánh sáng thay đổi. β-carotene trong vi tảo Dunaliella salina 1.
Đặc điểm của β-carotene Carotenoid có cấu trúc polyisoprenoid gồm 40 cacbon liên kết với nhau bằng các liên kết đơn và liên kết đôi xen kẽ. Có đến 90% carotenoid trong thức ăn của con người là β- carotene, α-carotene, lutein, lycopen và cryptoxanthin (Gerster. Đồng phân quan trọng của carotenoid là β-carotene. β-carotene có khối lượng phân tử là 536,9 g/mol, nhiệt độ nóng chảy từ 180 – 183oC.
β-carotene được sinh tổng hợp từ Geranylgeranyl pyrophosphate (Lamers và c. Việc tách β-carotene ra khỏi hỗn hợp các carotenoid khác dựa trên tính phân cực của các hợp chất.