Tổng quan nghiên cứu

Ngành nuôi trồng thủy sản toàn cầu đang phát triển nhanh chóng, dự kiến cung cấp khoảng 60% lượng cá cho con người vào năm 2030. Tại Việt Nam, với hơn 3000 km đường bờ biển, sản lượng thủy sản duy trì tăng trưởng bình quân 9,07%/năm trong 17 năm qua, đóng góp quan trọng vào nền kinh tế quốc dân. Nhu cầu con giống ngày càng tăng cao, đồng thời việc tìm kiếm nguồn protein thay thế bền vững là cấp thiết nhằm giảm phụ thuộc vào protein truyền thống và đảm bảo phát triển bền vững ngành nuôi trồng thủy sản.

Vi khuẩn tía quang hợp (VKTQH) không lưu huỳnh được xem là nguồn protein đơn bào tiềm năng với hàm lượng protein cao (50-74%), cùng các thành phần dinh dưỡng như carbohydrate, lipid và khoáng chất. VKTQH có khả năng sinh trưởng linh hoạt trên nhiều nguồn carbon hữu cơ, đồng thời có thể được nuôi cấy trong điều kiện kỵ khí hoặc vi hiếu khí dưới ánh sáng. Ứng dụng VKTQH làm thức ăn cho con giống hai mảnh vỏ đã được thử nghiệm thành công, cho kết quả về độ biến thái và tỷ lệ sống sót tương đương với vi tảo.

Tuy nhiên, chế phẩm VKTQH dạng dịch hiện tại gặp khó khăn trong vận chuyển và phân phối do tính chất lỏng, đặc biệt với địa hình ven biển trải dài của Việt Nam. Do đó, nghiên cứu tạo chế phẩm VKTQH dạng lỏng sệt nhằm tăng độ đậm đặc, thuận tiện vận chuyển và giảm chi phí là rất cần thiết. Mục tiêu nghiên cứu là tạo ra chế phẩm VKTQH dạng lỏng sệt làm thức ăn cho con giống hai mảnh vỏ, tối ưu nguồn carbon bổ sung, hoàn thiện kỹ thuật sản xuất sinh khối ngoài tự nhiên, lựa chọn phương pháp thu sinh khối và quy trình tạo chế phẩm dạng lỏng sệt phù hợp.

Phạm vi nghiên cứu tập trung vào các chủng VKTQH không lưu huỳnh phân lập từ vùng ven biển Việt Nam, nghiên cứu trong giai đoạn 2019-2021 tại Viện Công nghệ sinh học, Viện Hàn lâm Khoa học và Công nghệ Việt Nam. Nghiên cứu có ý nghĩa lớn trong việc phát triển nguồn protein đơn bào thay thế, góp phần nâng cao hiệu quả nuôi trồng thủy sản và phát triển kinh tế vùng ven biển.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Nghiên cứu dựa trên các lý thuyết và mô hình sau:

  • Sinh thái học vi khuẩn tía quang hợp (VKTQH): VKTQH là nhóm vi khuẩn quang dưỡng, có khả năng sinh trưởng trong điều kiện kỵ khí hoặc vi hiếu khí dưới ánh sáng, sử dụng các nguồn carbon hữu cơ hoặc vô cơ khác nhau. Chúng chứa sắc tố bacteriochlorophyll (Bchl) đặc trưng, có vai trò quan trọng trong chuỗi thức ăn thủy sinh.

  • Mô hình trao đổi chất của VKTQH không lưu huỳnh: VKTQH không lưu huỳnh có khả năng sử dụng nhiều hợp chất hữu cơ như malate, glutamate, succinate làm nguồn carbon, với các con đường trao đổi chất trung tâm linh hoạt, cho phép sinh trưởng quang dị dưỡng hoặc hóa dị dưỡng.

  • Protein đơn bào (Single Cell Protein - SCP): VKTQH được xem là nguồn SCP tiềm năng với hàm lượng protein cao (50-74%), giàu axit amin thiết yếu, có thể thay thế protein truyền thống trong thức ăn chăn nuôi và nuôi trồng thủy sản.

  • Ứng dụng carrageenan và các polysaccharide làm chất tạo gel: Carrageenan, CMC và tinh bột biến tính được sử dụng làm chất tạo gel, giúp tạo chế phẩm dạng lỏng sệt, tăng độ đậm đặc và ổn định của chế phẩm vi khuẩn.

Phương pháp nghiên cứu

  • Nguồn dữ liệu: Các chủng VKTQH Rhodopseudomonas sp. NDT6, Rhodobacter sp. 86 và Rhodopseudomonas sp. 517 được phân lập từ vùng ven biển Nam Định và Thanh Hóa. Môi trường nuôi cấy DSMZ 27 cải tiến với bổ sung các nguồn carbon khác nhau (malate, glutamate, rỉ đường, succinate).

  • Phương pháp chọn mẫu: Lựa chọn các chủng có giá trị dinh dưỡng cao, khả năng sinh trưởng tốt trên các nguồn carbon khác nhau. Mẫu được nuôi cấy trong điều kiện kỵ khí hoặc vi hiếu khí dưới ánh sáng, theo dõi sinh trưởng qua độ hấp thụ quang học OD800 và đếm khuẩn lạc CFU/ml.

  • Phương pháp phân tích: Định lượng protein bằng phương pháp Bradford sử dụng Coomassie Brilliant Blue G-250, đo hấp thụ tại bước sóng 595 nm. Phân tích thống kê sử dụng phần mềm Excel và kiểm định ANOVA với mức ý nghĩa α=0,05.

  • Timeline nghiên cứu: Thí nghiệm nuôi cấy và đánh giá sinh trưởng kéo dài 5-10 ngày cho mỗi điều kiện. Nghiên cứu tối ưu hóa nguồn carbon, điều kiện nuôi cấy, phương pháp thu sinh khối và tạo chế phẩm dạng lỏng sệt được thực hiện trong giai đoạn 2019-2021.

  • Phương pháp thu sinh khối: So sánh hiệu quả ly tâm (3000-8000 vòng/phút), đông tụ hóa học (nhôm polyclorua, nhôm sulfate, sắt sulfate) và đông tụ sinh học bằng chitosan. Lựa chọn phương pháp tối ưu dựa trên hiệu suất thu hồi và khả năng phục hồi sinh trưởng.

  • Phương pháp tạo chế phẩm dạng lỏng sệt: Sử dụng tinh bột biến tính, CMC và carrageenan ở các nồng độ khác nhau để tạo gel, bổ sung sinh khối VKTQH thu được, theo dõi mật độ tế bào trong 7 ngày.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

  1. Tối ưu nguồn carbon cho sinh trưởng VKTQH: Hỗn hợp VKTQH sinh trưởng tốt trên nhiều nguồn carbon với ∆OD800 dao động 1,5-2,5. Nguồn malate, glutamate, rỉ đường và succinate cho kết quả sinh trưởng và tích lũy sinh khối cao nhất (∆OD800 khoảng 2,5-2,7). Hàm lượng protein thô trong tế bào đạt từ 61,4% đến 68,9%, cao nhất ở malate, glutamate và succinate (khoảng 68-69%).

  2. Hiệu quả sử dụng nguồn carbon hỗn hợp: Nuôi cấy trên môi trường chứa hỗn hợp glutamate và malate (1,4 g và 0,6 g/l) cho sinh trưởng cao nhất (∆OD800 ~2,7) và hàm lượng protein thô đạt 70%, cao hơn so với nguồn carbon đơn lẻ.

  3. Điều kiện nuôi cấy ngoài tự nhiên: VKTQH sinh trưởng tốt ở điều kiện kỵ khí và vi hiếu khí dưới ánh sáng, với mức tích lũy sinh khối tương đương (∆OD800 ~1,8 sau 9-10 ngày). Nuôi trong bể thủy tinh cho sinh trưởng nhanh hơn bể nhựa, do khả năng hấp thụ ánh sáng tốt hơn.

  4. Phương pháp thu sinh khối: Ly tâm ở 4000 vòng/phút trong 10 phút đạt hiệu suất thu hồi sinh khối gần 90-95%, đồng thời đảm bảo khả năng phục hồi sinh trưởng cao (∆OD800 ~2,5 sau 5 ngày). Đông tụ bằng chitosan ở nồng độ 150-200 mg/l đạt hiệu suất lắng tủa trên 90%, thân thiện môi trường hơn so với các chất đông tụ hóa học như nhôm polyclorua (PAC) cần nồng độ cao (>3000 mg/l) gây ô nhiễm thứ cấp.

  5. Tạo chế phẩm dạng lỏng sệt: Sử dụng carrageenan ở nồng độ 0,5-1% và CMC 2-3% tạo gel ổn định, duy trì mật độ tế bào VKTQH cao (khoảng 10^14 CFU/ml) trong 7 ngày. Tinh bột biến tính ở tỷ lệ 2-3% cũng tạo được chế phẩm dạng lỏng sệt phù hợp.

Thảo luận kết quả

Kết quả cho thấy VKTQH không lưu huỳnh có khả năng sinh trưởng linh hoạt trên nhiều nguồn carbon hữu cơ, đặc biệt là các axit cacboxylic 4 carbon như malate và succinate, phù hợp với các nghiên cứu trước đây về trao đổi chất của nhóm vi khuẩn này. Việc sử dụng hỗn hợp nguồn carbon giúp tăng hiệu quả sinh trưởng và hàm lượng protein, đồng thời giảm chi phí khi lựa chọn glutamate và malate thay vì succinate đơn lẻ.

Điều kiện nuôi cấy ngoài tự nhiên với ánh sáng tự nhiên và vi hiếu khí cho phép sản xuất sinh khối quy mô lớn, giảm chi phí so với điều kiện kỵ khí tuyệt đối trong phòng thí nghiệm. Vật liệu bể nuôi ảnh hưởng đến hiệu quả hấp thụ ánh sáng, bể thủy tinh ưu việt hơn bể nhựa.

Phương pháp thu sinh khối bằng ly tâm và đông tụ sinh học bằng chitosan được đánh giá cao về hiệu suất và tính thân thiện môi trường, phù hợp cho sản xuất quy mô pilot và công nghiệp. Các chất đông tụ hóa học tuy hiệu quả nhưng gây ô nhiễm và ảnh hưởng chất lượng sinh khối.

Việc tạo chế phẩm dạng lỏng sệt bằng carrageenan, CMC và tinh bột biến tính giúp tăng độ đậm đặc, ổn định chế phẩm, thuận tiện vận chuyển và sử dụng làm thức ăn cho con giống hai mảnh vỏ. Mật độ tế bào duy trì cao trong 7 ngày cho thấy chế phẩm có tính ổn định tốt.

Dữ liệu có thể được trình bày qua biểu đồ sinh trưởng (∆OD800 theo thời gian), biểu đồ hàm lượng protein theo nguồn carbon, và bảng so sánh hiệu suất thu sinh khối theo phương pháp ly tâm và đông tụ.

Đề xuất và khuyến nghị

  1. Áp dụng nguồn carbon hỗn hợp glutamate (1,4 g/l) và malate (0,6 g/l) trong quy trình nuôi cấy VKTQH nhằm tối ưu sinh trưởng và hàm lượng protein, giảm chi phí sản xuất. Thời gian thực hiện: ngay trong giai đoạn sản xuất pilot.

  2. Sử dụng điều kiện vi hiếu khí dưới ánh sáng tự nhiên cho nuôi cấy quy mô lớn để giảm chi phí và tăng hiệu quả sinh khối, ưu tiên bể thủy tinh hoặc bể nhựa có bổ sung hệ thống chiếu sáng ban đêm. Thời gian triển khai: 6-12 tháng.

  3. Ưu tiên phương pháp thu sinh khối bằng ly tâm ở 4000 vòng/phút trong 10 phút kết hợp đông tụ sinh học bằng chitosan (150-200 mg/l) để đạt hiệu suất thu hồi cao, thân thiện môi trường và đảm bảo chất lượng sinh khối. Chủ thể thực hiện: các cơ sở sản xuất chế phẩm vi sinh.

  4. Phát triển và ứng dụng chế phẩm VKTQH dạng lỏng sệt sử dụng carrageenan (0,5-1%) hoặc CMC (2-3%) để tăng độ đậm đặc, ổn định và thuận tiện vận chuyển, phân phối đến các vùng nuôi trồng thủy sản. Thời gian thực hiện: 12 tháng.

  5. Xây dựng quy trình sản xuất và phân phối chế phẩm VKTQH dạng lỏng sệt đồng bộ từ nuôi cấy, thu sinh khối đến đóng gói và vận chuyển nhằm đáp ứng nhu cầu thực tế của người nuôi trồng thủy sản ven biển Việt Nam. Chủ thể thực hiện: Viện Công nghệ sinh học phối hợp doanh nghiệp.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

  1. Các nhà nghiên cứu và sinh viên ngành sinh học thực nghiệm, công nghệ sinh học môi trường: Nghiên cứu về vi sinh vật quang hợp, protein đơn bào, kỹ thuật nuôi cấy và ứng dụng vi khuẩn trong nuôi trồng thủy sản.

  2. Doanh nghiệp sản xuất chế phẩm sinh học và thức ăn thủy sản: Áp dụng quy trình sản xuất chế phẩm VKTQH dạng lỏng sệt, tối ưu nguồn nguyên liệu và phương pháp thu sinh khối để nâng cao chất lượng sản phẩm.

  3. Người nuôi trồng thủy sản, đặc biệt nuôi giống hai mảnh vỏ: Sử dụng chế phẩm VKTQH làm thức ăn bổ sung protein, cải thiện tỷ lệ sống, tăng trưởng và sức đề kháng cho con giống.

  4. Cơ quan quản lý và phát triển ngành thủy sản: Xây dựng chính sách hỗ trợ phát triển công nghệ sinh học ứng dụng trong nuôi trồng thủy sản, thúc đẩy sản xuất protein đơn bào bền vững.

Câu hỏi thường gặp

  1. VKTQH là gì và tại sao được chọn làm nguồn protein đơn bào?
    VKTQH là vi khuẩn tía quang hợp không lưu huỳnh, có khả năng sinh trưởng linh hoạt trên nhiều nguồn carbon, chứa hàm lượng protein cao (50-74%) và các axit amin thiết yếu, phù hợp làm nguồn protein thay thế trong thức ăn thủy sản.

  2. Nguồn carbon nào tối ưu cho sinh trưởng VKTQH?
    Nguồn carbon hỗn hợp glutamate (1,4 g/l) và malate (0,6 g/l) được chứng minh cho sinh trưởng cao nhất (∆OD800 ~2,7) và hàm lượng protein thô đạt 70%, đồng thời có chi phí hợp lý.

  3. Phương pháp thu sinh khối nào hiệu quả và thân thiện môi trường?
    Phương pháp ly tâm ở 4000 vòng/phút trong 10 phút kết hợp đông tụ sinh học bằng chitosan (150-200 mg/l) đạt hiệu suất thu hồi cao, không gây ô nhiễm thứ cấp như các chất đông tụ hóa học.

  4. Chế phẩm dạng lỏng sệt có ưu điểm gì so với dạng dịch?
    Chế phẩm dạng lỏng sệt có độ đậm đặc cao, ổn định hơn, dễ vận chuyển và bảo quản, giảm chi phí phân phối đến các vùng nuôi trồng thủy sản ven biển.

  5. Ứng dụng của chế phẩm VKTQH trong nuôi giống hai mảnh vỏ như thế nào?
    Chế phẩm VKTQH cung cấp nguồn protein giàu dinh dưỡng, cải thiện tỷ lệ sống, tăng trưởng và sức đề kháng cho con giống hai mảnh vỏ, góp phần nâng cao hiệu quả nuôi trồng thủy sản.

Kết luận

  • VKTQH không lưu huỳnh có khả năng sinh trưởng tốt trên nguồn carbon hỗn hợp glutamate và malate, đạt hàm lượng protein thô lên đến 70%.
  • Điều kiện nuôi cấy vi hiếu khí dưới ánh sáng tự nhiên phù hợp cho sản xuất sinh khối quy mô lớn, giảm chi phí so với kỵ khí tuyệt đối.
  • Phương pháp thu sinh khối bằng ly tâm 4000 vòng/phút trong 10 phút kết hợp đông tụ sinh học bằng chitosan là tối ưu về hiệu suất và thân thiện môi trường.
  • Chế phẩm dạng lỏng sệt sử dụng carrageenan hoặc CMC tạo gel ổn định, duy trì mật độ tế bào cao, thuận tiện vận chuyển và sử dụng làm thức ăn cho con giống hai mảnh vỏ.
  • Nghiên cứu mở ra hướng phát triển bền vững nguồn protein đơn bào cho ngành nuôi trồng thủy sản Việt Nam, góp phần nâng cao giá trị kinh tế và bảo vệ môi trường.

Next steps: Triển khai sản xuất pilot chế phẩm VKTQH dạng lỏng sệt, mở rộng thử nghiệm ứng dụng trong nuôi giống hai mảnh vỏ tại các vùng ven biển.

Call-to-action: Các nhà nghiên cứu và doanh nghiệp trong lĩnh vực sinh học và thủy sản nên hợp tác phát triển công nghệ sản xuất và ứng dụng chế phẩm VKTQH để nâng cao hiệu quả nuôi trồng thủy sản bền vững.