Ảnh hưởng của cường độ ánh sáng lên sinh trưởng, hàm lượng protein và lipid của tảo spirulina platensis geitler, 1925 nuôi trong nước mặn - Trần Thị Lê Trang

Tạp chí Khoa học - Công nghệ Thủy sản Số 2/2016 124 • TRƯỜNG ĐẠI HỌC NHA TRANG THOÂNG BAÙO KHOA HOÏC ẢNH HƯỞNG CỦA CƯỜNG ĐỘ ÁNH SÁNG LÊN SINH TRƯỞNG, HÀM LƯỢNG PROTEIN VÀ LIPID CỦA TẢO Spirulina platensis Geitler, 1925 NUÔI TRONG NƯỚC MẶN EFFECT OF LIGHT INTENSITY ON GROWTH, PROTEIN AND LIPID CONTENTS OF Spirulina platensis (Geitler, 1925) CULTURED IN SEAWATER Trần Thị Lê Trang1 Này nhận bài: 18/01/2016; Ngày phản biện thông qua: 03/3/2016; Ngày duyệt đăng: 15/6/2016 TÓM TẮT Thí nghiệm được thực hiện để đánh giá ảnh hưởng của cường độ ánh sáng lên sinh trưởng, hàm lượng protein và lipid của tảo Spirulina platensis. Tảo được nuôi trong bình 500ml với độ mặn 30 – 32‰, ở 5 mức cường độ ánh sáng: 1.000, 2.000, 3.000, 4.000 và 5.000 lux. Kết quả cho thấy: Cường độ ánh sáng ảnh hưởng lên sinh trưởng của tảo, ở 1.000, 2.000, 3.000, 4.000 và 5.000 lux đạt mật độ cực đại lần lượt là 1,23 OD; 1,36 OD; 1,64 OD; 0,95 OD và 0,84 OD (P<0,05), trong đó mức 3000 lux đạt mật độ cực đại cao nhất ở ngày nuôi thứ 13. Cường độ ánh sáng cũng ảnh hưởng lên hàm lượng protein và lipid của tảo, ở 1000 lux hàm lượng protein và lipid lần lượt đạt 51,09% và 8,28%, ở 2000 lux (đạt 60,14% và 10,05%), đạt cao nhất ở 3000 lux (67,78% và 13,15%), 4000 lux (đạt 45,22%; 6,81% ) và 5000 lux (đạt 38,71%; 5,65%) (P<0,05). Từ đó, có thể nuôi tảo S. platensis trong nước mặn ở cường độ ánh sáng 3000 lux là thích hợp. Từ khóa: Cường độ ánh sáng, hàm lượng protein và lipid, mật độ cực đại, sinh trưởng, tảo Spirulina platensis ABSTRACT This research was conducted in order to estimate the effect of light intensity on growth, protein and lipid contents of Spirulina platensis. Algae were cultured in Erlenmeyer fl ask in volume of 500ml in 5 levels of 1.000, 2.000, 3.000 and 5.000 lux with the salinity between 30 – 32‰. The results showed that, light intensity effected on the growth of S. platensis. In which, 1.000, 2.000, 3.000, 4.000 and 5.000 lux had the maximum density of 1.23 OD, 1.36 OD, 2.64, 0.95 and 0.84 OD, respectively, (P<0.05). Specifi cally, 3000 lux gave the highest maximum density on the day 13. Similarly, light intensity also effected on the protein and lipid contents of S. platensis. In 1000 lux, the protein and lipid contents of algae cells were 51.09% and 8.28%, in 2000 lux these value were 60.14% and 10.05%, in 3000 lux the highest results were 67.78% and 13.15% (P<0,05). Meanwhile, the protein and lipid contents of S. platensis cultured in 4000 and 5000 lux were 45.22%, 6.81% and 38.71%, 5.65%. In summary, it can be cultured S. platensis in seawater at 3.000 lux was the most suitable light intensity. Keywords: Growth, light intensity, maximum optical density, protein and lipid contents, Spirulina platensis 1 Viện Nuôi trồng thủy sản – Trường Đại học Nha Trang Tạp chí Khoa học - Công nghệ Thủy sản Số 2/2016 TRƯỜNG ĐẠI HỌC NHA TRANG • 125 I. ĐẶT VẤN ĐỀ Spirulina là loài tảo lam rất giàu dinh dưỡng với hàm lượng protein chiếm tới 56 – 77% khối lượng khô, giàu vitamin, chất khoáng, axít amin và các axít béo thiết yếu [6]. Bên cạnh đó, khả năng thích ứng tốt với yếu tố môi trường, điều kiện và kỹ thuật nuôi đơn giản cũng là một trong những lợi thế trong nuôi sinh khối loài tảo này [4]. Do đó, tảo Spirulina đã được nghiên cứu, sản xuất và ứng dụng trong nhiều lĩnh vực của đời sống; làm thực phẩm chức năng, nguồn dinh dưỡng bổ sung thiết yếu, thuốc chữa bệnh (ung thư, HIV/AIDS, viêm gan, tiểu đường,), mỹ phẩm (chăm sóc da và tóc), thức ăn chăn nuôi và xử lý nước thải [1]. Tảo Spirulina nuôi trong môi trường nước mặn có giá trị dinh dưỡng vượt trội hơn so với nuôi trong nước ngọt thể hiện ở số lượng chất có hoạt tính sinh học cao (polysaccharides, inositol và phycocyanin), các nguyên tố vi lượng, hàm lượng protein, lipid, các axít béo thiết yếu (DHA, EPA, ARA, LA, LOA,) [10]. Ngoài giá trị dinh dưỡng cao, nuôi tảo Spirulina trong nước mặn còn góp phần tiết kiệm một lượng lớn các chất khoáng đa lượng, vi lượng bổ sung và tận dụng tốt tiềm năng diện tích nước mặn sẵn có ở nước ta. Tuy nhiên, chưa có bất kì công trình nghiên cứu nào ở nước ta đề cập đến việc nuôi tảo Spirulina trong nước mặn. Chính vì vậy, nghiên cứu được thực hiện nhằm xác định cường độ ánh sáng thích hợp cho nuôi tảo Spirulina platensis trong nước mặn ở điều kiện thí nghiệm, là cơ sở để thiết lập quy trình công nghệ nuôi sinh khối loài tảo này ở quy mô công nghiệp phục vụ nhu cầu thị trường trong nước và xuất khẩu. Ánh sáng là nguồn năng lượng chính cho quá trình quang hợp, góp phần vào việc sản xuất nguồn sinh khối cho vi tảo. Trong đó, cường độ ánh sáng là yếu tố có ảnh hưởng trực tiếp đến cường độ quang hợp của tảo nhất là trong điều kiện mật độ cao [11]. Theo Lavens & Sorgeloos (1996) [12] cường độ ánh sáng thích hợp cho hầu hết các loài tảo nằm trong khoảng từ 2.500-5.000 lux ở quy mô phòng thí nghiệm và từ 20-30 klux ở quy mô ngoài trời. Việc xác định cường độ sáng thích hợp cho từng loài tảo, mật độ ban đầu, thể tích nuôi và độ sâu tầng nước nhằm nâng cao năng suất, tiết kiệm được nguồn năng lượng điện và rút ngắn thời gian nuôi, đem lại hiệu quả kinh tế cho người nuôi [8, 14]. Tuy nhiên, cho đến nay các nghiên cứu về ảnh hưởng của cường độ ánh sáng lên sinh trưởng của tảo Spirulina trong môi trường nước mặn vẫn chưa hề được đề cập. Nghiên cứu này nhằm xác định cường độ ánh sáng tối ưu cho nuôi tảo Spirulina nước mặn trong điều kiện thí nghiệm, là một trong những tiền đề để thiết lập quy trình công nghệ nuôi sinh khối loài tảo này ở quy mô công nghiệp phục vụ nhu cầu cho con người. II. VẬT LIỆU VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 1. Vật liệu nghiên cứu Đối tượng nghiên cứu là tảo Spirulina platensis được thu thập từ tự nhiên, có nguồn gốc nước ngọt (2‰) và đã được thuần hóa trong môi trường nước mặn (30 - 32‰). Nghiên cứu được thực hiện tại Phòng Vi tảo thuộc Viện Nuôi trồng thủy sản, Trường Đại học Nha Trang. Nguồn nước biển sử dụng cho nghiên cứu này được xử lý bằng Chlorine 25 ppm trong 2 ngày, sau đó phơi nắng và trung hòa bằng Natrithiosulfate với tỷ lệ 1:1. Trước khi thí nghiệm, các bình thủy tinh với thể tích 500 ml được đưa vào hấp tiệt trùng ở 121oC, 1 atm trong 15 phút. 2. Bố trí thí nghiệm Nghiên cứu ảnh hưởng của cường độ ánh sáng được tiến hành ở 5 mức cường độ ánh sáng khác nhau gồm: 1.000, 2.000, 3.000, 4.000 và 5.000 lux. Ánh sáng được bố trí bằng Tạp chí Khoa học - Công nghệ Thủy sản Số 2/2016 126 • TRƯỜNG ĐẠI HỌC NHA TRANG các bóng đèn huỳnh quang, ánh sáng trắng có công suất từ 30 – 60W. Tảo giống sử dụng cho thí nghiệm đang ở giai đoạn tăng trưởng (cuối pha logarit) với mật độ ban đầu là 0,4 OD được nuôi trong môi trường dinh dưỡng f/2 (Guillard, 1975). Mỗi nghiệm thức được thực hiện với 3 lần lặp cùng thời điểm. Các yếu tố môi trường được duy trì trong phạm vi thích hợp với sinh trưởng của tảo S. platensis: nhiệt độ phòng 25oC, pH: 8, chế độ chiếu sáng 16 giờ sáng: 8 giờ tối, sục khí liên tục, độ mặn 30‰. 3. Phương pháp thu thập và xử lý số liệu 3.1. Phương pháp xác định sinh trưởng của tảo Theo Coutteau (1996) [9]: Sinh trưởng của tảo được xác định thông qua mật độ quang (optical density-OD), bằng cách lấy 5 ml dung dịch tảo đưa vào máy đo quang phổ (Spectrophotometer CECIL/CE 1011, 101S, 120554) ở bước sóng 560 nm. 3.2. Phương pháp phân tích hàm lượng protein và lipid Để phân tích làm lượng protein và lipid, các mẫu tảo được thu tại thời điểm cuối pha tăng trưởng (pha logarit), khi tảo đạt sinh khối cực đại. Các mẫu tảo được tách ly tâm khỏi môi trường nuôi bằng máy ly tâm có tốc độ quay 7.500 vòng/phút trong thời gian 10 phút, sử dụng máy ly tâm Hereaus Suprafuge 22. Mẫu tảo sau đó được sấy khô ở nhiệt độ 55°C trong 2 giờ, lưu giữ ở nhiệt độ âm 20°C trước khi thực hiện các phân tích hóa sinh. Hàm lượng lipid trong mẫu tảo khô được phân tích theo phương pháp của Bligh và Dyer (1959) [7] sử dụng hỗn hợp tách chiết chứa chloroform và methanol với tỷ lệ thể tích là 2 : 1. Khoảng 120 ml của hỗn hợp này được sử dụng để tách chiết mỗi gam tảo khô. Các chất rắn được phân tách bằng cách sử dụng giấy lọc chuyên dụng 2 lớp của Nhật Bản. Các chất hòa tan và dung môi được làm bay hơi trong máy hút chân không ở nhiệt độ 60°C. Quá trình tách chiết được thực hiện 3 lần cho đến khi thu được toàn bộ lượng lipid thô trong mẫu tảo. Protein thô được phân tích bằng phương pháp Kjeldahl của AOAC (1998) [5]. Quá trình phân tích được tiến hành tại Viện Công nghệ sinh học và Môi trường – Trường Đại học Nha Trang. 3.3. Quản lý các yếu tố môi trường Các yếu tố môi trường được xác định 2 ngày/lần. Nhiệt độ đo bằng nhiệt kế rượu (độ chính xác 10C). pH được đo bằng máy đo pH (Hanna pH Meter, độ chính xác 0,1). Độ mặn được đo bằng khúc xạ kế (Refractometer, độ chính xác 0,5‰). Cường độ ánh sáng được đo bằng máy đo Hanna Digital Illuminometer - Đài Loan (độ chính xác ± 6% giá trị đọc được). 3.4. Phương pháp xử lý số liệu Các số liệu sau khi thu thập được phân tích bằng phép phân tích phương sai một yếu tố (ANOVA) trên phần mềm SPSS 16.0. Khi có sự khác biệt giữa các giá trị trung bình về mật độ cực đại hay hàm lượng protein và lipid của các nghiệm thức, phép kiểm định Duncan’s Test được sử dụng để xác định sự khác biệt có ý nghĩa thống kê với mức ý nghĩa P < 0,05. Tất cả số liệu trong thí nghiệm được trình bày dưới dạng Trung bình (Mean) ± Sai số chuẩn (SE). III. KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU VÀ THẢO LUẬN 1. Sinh trưởng của tảo Kết quả cho thấy, cường độ ánh sáng có ảnh hưởng rõ rệt đến sinh trưởng, mật độ cực đại và thời gian đạt mật độ cực đại của tảo S. platensis, với xu hướng chung là cường độ ánh sáng ở mức thấp tốt hơn ở mức cao. Đặc biệt tảo được nuôi ở cường độ ánh sáng 3.000 lux cho mật độ cực đại lớn nhất ở ngày nuôi thứ 13 và khác biệt so với các mức còn lại (P<0,05) (hình 1). Tạp chí Khoa học - Công nghệ Thủy sản Số 2/2016 TRƯỜNG ĐẠI HỌC NHA TRANG • 127 Tảo được nuôi ở cường độ ánh sáng tăng dần từ 1.000, 2.000 và 3.000 lux cho mật độ cực đại tăng dần (1,23 ± 0,03 OD; 1,36 ± 0,02 OD và 1,64 ± 0,03 OD); ở các mức cao (4.000 và 5.000 lux) mật độ cực đại của tảo giảm mạnh (0,95 ± 0,04 OD và 0,84 ± 0,03 OD) (P<0,05). Các mức cường độ ánh sáng khác nhau cũng ảnh hưởng đến thời gian duy trì quần thể của tảo. Trong đó, tảo được nuôi ở cường độ ánh sáng thấp (1.000, 2.000 và 3.000 lux) thời gian duy trì quần thể là 23 – 25 ngày so với nhóm có cường độ ánh sáng cao (4.000 và 5.000 lux) thời gian duy trì quần thể là 15 ngày (P<0,05). Các quan sát thêm còn cho thấy, tảo S. platensis được nuôi ở các mức cường độ ánh sáng cao (4.000 và 5.000 lux) có màu sắc bị biến đổi, từ màu xanh đậm chuyển sang xanh nhạt hoặc vàng úa sau 1-2 ngày nuôi. Cường độ ánh sáng cao còn gây ra hiện tượng tảo chết, bám vào thành bình thành từng mảng từ ngày nuôi thứ 2 trở đi cho đến khi tàn lụi. Cường độ ánh sáng được xem là yếu tố quyết định đến cường độ và tốc độ quang hợp của tảo. Trong giới hạn ngưỡng, cường độ ánh sáng tỉ lệ thuận với cường độ quang hợp; trái lại, nếu vượt quá ngưỡng thì cường độ ánh sáng lại tỉ lệ nghịch với cường độ quang hợp [15]. Khi cường độ ánh sáng tăng sẽ thúc đẩy quá trình quang hợp và phân chia tế bào diễn ra mạnh mẽ, kết quả là sinh khối tảo tăng lên nhanh chóng [14]. Điều này lí giải tại sao trong thí nghiệm này, tảo được nuôi trong khoảng từ 1.000 – 3.000 lux cho mật độ cực đại tăng dần và đạt cao nhất ở ngưỡng tối ưu 3000 lux. Ngược lại, mức cường độ ánh sáng cao 4.000- 5.000 lux là nguyên nhân làm ức chế quá trình quang hợp và trao đổi chất trong tế bào, thậm chí làm chết tế bào. Nghiên cứu của Tôn Nữ Mỹ Nga (2006) [2] trên tảo Chaetoceros gracilis và Phan Văn Xuân (2010) [3] ở tảo Thalassiosira sp. cũng cho thấy, ngưỡng ánh sáng tối ưu cho 2 loài tảo này nằm trong khoảng từ 3.000-3.500 lux. 2. Hàm lượng protein và lipid của tảo Cường độ ánh sáng có ảnh hưởng lớn đến hàm lượng protein và lipid của tảo S. platensis nuôi trong nước mặn ở điều kiện thí nghiệm (hình 2). Tảo được nuôi trong điều kiện cường độ ánh sáng thấp (1.000 – 3.000 lux) cho hàm lượng protein và lipid cao hơn so với nuôi trong ở cường độ ánh sáng cao (4.000 – 5.000 lux) (P<0,05). Hàm lượng protein và lipid trong tế bào tăng nhanh theo các mức cường độ ánh sáng Hình 1. Ảnh hưởng của cường độ ánh sáng lên sinh trưởng của tảo Tạp chí Khoa học - Công nghệ Thủy sản Số 2/2016 128 • TRƯỜNG ĐẠI HỌC NHA TRANG 1.000 lux (51,09 ± 1,12% và 8,28 ± 0,58%), 2000 lux (60,14 ± 2,45% và 10,05 ± 0,65%) và đạt cao nhất ở 3000 lux (67,78 ± 1,08% và 13,15 ± 0,94%). Tảo được nuôi ở mức cường độ ánh sáng cao (4.000 và 5.000 lux) cho hàm lượng protein và lipit tích lũy trong tế bào tảo là thấp nhất, lần lượt là 45,22 ± 2,13%; 6,81 ± 0,88% và 38,71 ± 1,88%; 5,65 ± 0,72%) (P<0,05). Hình 2. Ảnh hưởng của cường độ ánh sáng lên hàm lượng protein và lipid của tảo Các ký tự a, b, c khác nhau trên các cột thể hiện sự khác biệt thống kê (P<0,05) Thời gian chiếu sáng, cường độ và chất lượng ánh sáng là 3 thành tố quyết định đến quá trình sinh trưởng và phát triển của các sinh vật quang hợp nói chung và các loài tảo nói riêng. Trong đó, cường độ ánh sáng được xem là yếu tố đầu tiên ảnh hưởng trực tiếp đến sự tổng hợp các thành phần trong tế bào [13]. Nhiều nghiên cứu đã chỉ ra rằng: sự tổng hợp protein, lipid và carbonhydrat ở tế bào tảo diễn ra mạnh mẽ nhất trong điều kiện cường độ ánh sáng đạt ngưỡng tối ưu. Ngược lại, sự tổng hợp các chất này sẽ bị đình trệ trong trường hợp cường độ ánh sáng vượt quá ngưỡng, tùy theo loài tảo, mật độ nuôi, thể tích nuôi và độ sâu tầng nước [8, 9, 14]. Như vậy trong nghiên cứu này, cường độ ánh sáng 3.000 lux là mức thích hợp cho tảo S. platensis nuôi trong nước mặn ở điều kiện thí nghiệm nhằm đạt được các thông số tối ưu về sinh trưởng, mật độ cực đại, hàm lượng protein và lipid . IV. KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 1. Kết luận Tảo được nuôi ở cường độ ánh sáng từ 1.000, 2.000 và 3.000 lux cho mật độ cực đại tăng dần (1,23 ± 0,03 OD; 1,36 ± 0,02 OD và 1,64 ± 0,03 OD) và đạt cao nhất ở cường độ 3.000 lux ở ngày nuôi thứ 13 (P<0,05). Cường độ ánh sáng 4.000 và 5.000 lux cho mật độ cực đại rất thấp (0,95 ± 0,04 OD và 0,84 ± 0,03 OD) (P<0,05). Thời gian duy trì quần thể của tảo ở mức 1.000 – 3.000 lux là 23 – 25 ngày dài hơn so với mức 4.000 – 5.000 lux (15 ngày) (P<0,05). Hàm lượng protein và lipid tích lũy trong tế bào tăng dần theo cường độ ánh sáng 1.000 lux (51,09 ± 1,12% và 8,28 ± 0,58%), 2.000 lux (60,14 ± 2,45% và 10,05 ± 0,65%) và đạt cao nhất ở 3.000 lux (67,78 ± 1,08% và 13,15 ± 0,94%) (P<0,05). Mức cường độ ánh sáng cao 4.000 và 5.000 lux cho hàm lượng protein và lipid rất thấp, lần lượt là 45,22 ± 2,13%; 6,81 ± 0,88% và 38,71 ± 1,88%; 5,65 ± 0,72%) (P<0,05). Tạp chí Khoa học - Công nghệ Thủy sản Số 2/2016 TRƯỜNG ĐẠI HỌC NHA TRANG • 129 2. Kiến nghị Cần tiến hành các nghiên cứu sâu hơn về ảnh hưởng của các cường độ ánh sáng khác nhau lên thành phần và tỷ lệ các axít béo không no, hàm lượng sắc tố chlorophyl có trong tế bào tảo S. platensis nuôi trong nước mặn. TÀI LIỆU THAM KHẢO Tiếng Việt: 1. Dương Thị Hoàng Oanh, Vũ Ngọc Út, Nguyễn Thị Kim Liên (2011). Nghiên cứu khả năng xử lý nước thải của tảo Spirulina platensis. Kỷ yếu Hội nghị khoa học Thủy sản lần IV. Trường Đại học Cần Thơ. Tr. 15 – 27. 2. Tôn Nữ Mỹ Nga, 2006. Nghiên cứu ảnh hưởng của một số yếu tố sinh thái lên sự phát triển của quần thể tảo Chatoceros gracilis Pantocsek 1892 (Shütt) nhập nội. Luận án Thạc sĩ. Khoa Nuôi trồng thủy sản. Trường Đại học Thủy sản. 3. Phan Văn Xuân, 2010. Nghiên cứu các yếu tố sinh thái ảnh hưởng đến sự phát triển của quần thể tảo Thlassiosira sp. nhập nội và thử nghiệm nuôi sinh khối. Luận văn Thạc sĩ. Khoa Nuôi trồng thủy sản. Trường Đại học Nha Trang. Tiếng Anh: 4. Ahsan M., Habib B., Parvin M., Huntington TC., Hasan MR. (2008). A review on culture, production and use of Spirulina as food for humans and feeds for domestic animals and fi sh. FAO Fisheries and Aquaculture Circular No. 1304. Fima/C1034 (En). FAO. Food and Agriculture Organization of The United Nations, Rome. 5. AOAC (1998). Offi cial methods of analysis. Association of Offi cial Analytical Chemists. Arlington. VA. 6. Belay A. (2002). The potential application of Spirulina (Arthrospira) as a nutritional and therapeutic supplement in health management. The Journal of the American Nutraceutical Association. 5 (2): 1 – 24. 7. Bligh, EG., and Dyer, WJ. (1959). A rapid method of total lipid extraction and purifi cation. Can. J. Biochem. Physiol. 37. 911 – 917. 8. Choong – Jae Kim, Yun-Ho Jung and Hee-Mock Oh (2007). Factors indicating culture status during cultivation of Spirulina (Arthrospira) platensis. The Microbiological Society of Korea. The Journal of Microbiology. 122 – 127. 9. Coutteau P. (1996). Microalgae. Manual on the production and use of live food for aquaculture. FAO Fisheries Technical. 7 – 47. 10. Falquet J., 1997. The nutritional aspects of Spirulina. Antenna Technology. 11. na.ch/en/documents/AspectNut_UK.pdf (accessed on 7 Dec., 2012). 12. Guillard. R. R. L. (1975). Culture of phytoplankton for feeding marine invertebrates. Plemm Publishing Corporation. Massachusetts. 29 – 60. 13. Lavens P., and P. Sorgeloos (Eds). (1996). Manual on the production and use of live food for aquaculture. FAO Fisheries Technical Paper No. 361. Rome. FAO. 14. Renaud. S. M., Parry D. L., L. V. Thinh., Kuo. C., Padovan. A. and Sammy. N. (1991). Effect of light intensity on the proximate biochemical and fatty acid composition of Isochrysis sp. and N. occulata for use in tropical aquaculture. Journal of Applied Phycology. Kluwer Academic Publishers. Belgium. 15. U. K. Chauhan and Neeraj Pathak (2010). Effect of different conditions on the production of chlorophyll by Spirulina platensis. Journal of Algal Biomass. 1 (4): 89 – 99. 16. Vonshak A., Kancharaksa N., Bunnag B. and Tanticharoen M. (1996). Role of light and photosynthesis on the acclimation process of the cyanobacterium Spirulina platensis to salinity stress. J. Applied phycol. 8: 119 – 124.