Nghiên cứu ảnh hưởng của ánh sáng đến sự sinh trưởng và tích lũy β carotene ở vi tảo dunaliella salina 1

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG NGUYỄN THỊ THIỀM NGHIÊN CỨU ẢNH HƯỞNG CỦA ÁNH SÁNG ĐẾN SỰ SINH TRƯỞNG VÀ TÍCH LŨY β CAROTENE Ở VI TẢO DUNALIELLA SALINA Chuyên ngành Sinh học thực nghiệm Mã số 8[.]

NGUYỄN THỊ THIỀM

NGHIÊN CỨU ẢNH HƯỞNG CỦA ÁNH SÁNG ĐẾN SỰ SINH TRƯỞNG VÀ TÍCH LŨY β-CAROTENE

Ở VI TẢO DUNALIELLA SALINA

Chuyên ngành: Sinh học thực nghiệm

Mã số: 8420114

TÓM TẮT LUẬN VĂN THẠC SĨ

SINH HỌC THỰC NGHIỆM

Đà Nẵng – Năm 2022

Người hướng dẫn khoa học: TS Trịnh Đăng Mậu

Phản biện 1: TS Vũ Thị Bích Hậu

Phản biện 2: TS Phạm Thị Mỹ

Luận văn sẽ được bảo vệ trước Hội đồng chấm Luận văn tốt nghiệp thạc sĩ sinh học thực nghiệm họp tại Trường Đại học Sư phạm Đà Nẵng vào ngày 25 tháng 6 năm 2022

Có thể tìm hiểu luận văn tại:

− Thư viện trường Đại học Sư phạm, ĐHĐN

− Phòng đọc Khoa Sinh Môi trường, ĐHSP

MỞ ĐẦU

1 Tính cấp thiết của đề tài

β-carotene là đồng phân quan trọng của carotenoid, thuộc nhóm các sắc tố hữu cơ tự nhiên β-carotene có thể chuyển hóa thành vitamin A trong cơ thể và được xem là tiền chất tốt nhất của vitamin

A trong các loại carotenoid Nhiều nghiên cứu đã cho thấy rằng carotene là một sắc tố tự nhiên có khả năng chống oxy hóa rất cao, kích thích tế bào miễn dịch, phối hợp với các chất chống oxy hoá khác như vitamin C và vitamin E làm giảm các nguy cơ nhiễm trùng, làm chậm quá trình lão hóa, giảm tác hại của ánh sáng mặt trời, cũng như giảm nguy cơ một số bệnh về tim mạch và ngăn ngừa một số bệnh ung thư (Huỳnh Hiệp Hùng & cs., 2013) Trong những năm gần đây, khi thu nhập của người dân đã được cải thiện và họ rất quan tâm đến việc chăm sóc sức khoẻ cho bản thân nên sự gia tăng nhu cầu sử dụng carotenoid cho việc chăm sóc sức khỏe, mỹ phẩm hay dược phẩm (Lamers & cs., 2008; Tsai & cs., 2012) từ các nguồn tự nhiên là rất lớn nên đã thúc đẩy nhiều nỗ lực để cải thiện sản xuất β-carotene

β-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

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 ở vi tảo Dunaliella salina phụ thuộc vào

nhiều yếu tố như nồng độ muối, điều kiện dinh dưỡng, cường độ ánh sáng hay chế độ chiếu sáng, các phổ ánh sáng và các nguyên tố vi lượng Để thu được β-carotene đảm bảo về mặt chất lượng và số lượng thì các nhà khoa học tập trung nghiên cứu phát triển cả về

mật độ lẫn tăng cường tích lũy β-carotene (Mojaat & cs., 2008; Zhe

Wu & cs., 2016; Hamed & cs., 2020) 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 & Holwerda, 2004)

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 (Võ Hồng Trung, Bùi Văn Lệ, 2018) Một nghiên cứu của Xu & cs (2019) cho rằng ánh sáng đỏ có thể có giá trị công nghiệp như một nguồn sáng tiết kiệm năng lượng để sản xuất

carotenoid bởi D salina

Theo nghiên cứu của Xi Y & cs (2000) cho rằng sự tích lũy caroten có sự khác nhau dưới các chế độ ánh sáng khác nhau, ánh sáng mạnh theo định kỳ sẽ thuận lợi hơn cho sự tích tụ β-carotene, hơn là ánh sáng mạnh liên tục Như vậy cường độ ánh sáng cao và phổ ánh sáng khác nhau có vai trò quan trọng trong việc tích lũy β-carotene ở tế bào tảo 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

β-lũy β-caroten ở vi tảo D salina

Ngoài ra, việc khảo sát và tối ưu các yếu tố ánh sáng là một việc làm cần thiết để lập nên một quy trình nuôi cấy tối ưu cho năng suất sinh khối và hàm lượng β-carotene cao Phổ ánh sáng, cường độ ánh sáng và chu kỳ chiếu sáng được coi là những yếu tố quan trọng trong việc kích thích khả năng tổng hợp β - carotene của vi tảo Dựa trên những cơ sở này, tôi tiến hành đề tài “Nghiên cứu ảnh hưởng của

ánh sáng đến sinh trưởng và tích lũy β-carotene ở vi tảo Dunaliella salina”

2 Mục tiêu nghiên cứu

2.1 Mục tiêu tổng quát

Đánh giá được vai trò của ánh sáng trong quá trình sinh trưởng

và tích lũy β-carotene của vi tảo D salina

2.2 Mục tiêu cụ thể

- Xác định được phổ chiếu sáng tối ưu cho sự sinh trưởng và

tích lũy β-carotene ở vi tảo Dunaliella salina

- Xác định được cường độ ánh sáng tối ưu cho sự sinh

trưởng và tích lũy β-carotene ở vi tảo Dunaliella salina

- Xác định được chế độ chiếu sáng tối ưu cho sự sinh

trưởng và tích lũy β-carotene ở vi tảo Dunaliella salina

3 Ý nghĩa của đề tài

Ứng dụng vào sản xuất β-carotene ở quy mô công nghiệp có

giá trị thương mại cao từ chủng vi tảo D salina

4 Bố cục đề tài

Đề tài có bố cục 3 chương: Mở đầu

Chương 1: Tổng quan tài liệu

Chương 2: Đối tượng, nội dung, phạm vi và phương pháp nghiên cứu

Chương 3: Kết quả và bàn luận

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN TÀI LIỆU

1.1 GIỚI THIỆU VỀ VI TẢO DUNALIELLA SALINA

Chi (genus) Dunaliella

Loài (species) Dunaliella salina

1.1.2 Đặc điểm hình thái

Tế bào của loài tảo này có nhiều hình dạng khác nhau như hình elip, hình tròn, hình quả lê… sự khác biệt về hình dạng 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) D 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)

1.2.3 Đặc điểm sinh thái

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 cs, 1991) Phạm vi nhiệt độ thích hợp đối

với sự phát triển của hầu hết các vi tảo là 20 – 300C, nhưng D salina

có thể phát triển trong phạm vi nhiệt độ từ 0 – 45o

C

1.2 Β-CAROTENE TRONG VI TẢO DUNALIELLA SALINA

1.2.1 Đặc điểm của β-carotene

1.2.2 Cấu trúc của β-carotene

Hình 1.2 Cấu trúc hóa học của β-carotene (Rodriguez-Amaya, 2001) 1.2.3 Cơ chế tích lũy carotenoid ở Dunaliella

Carotenoid là isoprenoid được tổng hợp bởi tất cả sinh vật quang hợp, một số nấm và vi khuẩn không quang hợp (Cordero & cs., 2011) Ở các sinh vật quang hợp, carotenoid gắn với các protein màng thylakoid nơi mà chúng tham gia vào hấp thụ ánh sáng và bảo

vệ cho bộ máy quang hợp chống lại những tổn thương quang oxy hóa (Cordero & cs., 2011)

1.2.4 Các yếu tố ảnh hưởng đến sinh trưởng và tích lũy

β-carotene ở vi tảo Dunaliella salina

1.2.5 Vai trò của β-carotene

1.3 ỨNG DỤNG CỦA VI TẢO DUNALIELLA SALINA TRONG

ĐỜI SỐNG

1.4 TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU VỀ DUNALIELLA SALINA

1.4.1 Nghiên cứu trên thế giới

1.4.2 Nghiên cứu ở Việt Nam

CHƯƠNG 2 ĐỐI TƯỢNG, NỘI DUNG, PHẠM VI VÀ

PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 2.1 ĐỐI TƯỢNG VÀ PHẠM VI NGHIÊN CỨU

2.1.1 Đối tượng nghiên cứu

Vi tảo Dunaliella salina được cung cấp bởi phòng thí

nghiệm công nghệ tảo khoa Sinh - Môi Trường, Trường Đại học Sư Phạm – Đại học Đà Nẵng

2.1.2 Phạm vi nghiên cứu

Thời gian nghiên cứu từ tháng 2/2021 đến tháng 6/2022 Nghiên cứu được thực hiện tại phòng Công nghệ Tảo, khoa Sinh – Môi trường, trường Đại học Sư Phạm – Đại học Đà Nẵng

2.2 NỘI DUNG NGHIÊN CỨU

Nghiên cứu sự ảnh hưởng của phổ chiếu sáng đến sinh

trưởng và khả năng tích lũy β-carotene ở vi tảo Dunaliella salina

Nghiên cứu sự ảnh hưởng của cường độ ánh sáng khác đến

sinh trưởng và khả năng tích lũy β-carotene ở vi tảo Dunaliella salina

Nghiên cứu sự ảnh hưởng của chu kỳ chiếu sáng đến tốc độ

sinh trưởng và khả năng tích lũy β-carotene ở vi tảo Dunaliella salina

2.3 PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU

2.3.1 Bố trí thí nghiệm

D salina được nhân sinh khối với các điều kiện thích hợp

trong môi trường f/2, chiếu sáng dưới ánh sáng đèn LED với cường

độ 33,8 μmolphoton/m2

/s và ở 25oC sau đó được sử dụng cho thí nghiệm Điều kiện thí nghiệm tương tự điều kiện nhân giống

a Nghiên cứu ảnh hưởng của phổ chiếu sáng đến sinh trưởng

và tích lũy β-carotene ở vi tảo Dunaliella salina

b Nghiên cứu ảnh hưởng của cường độ sáng đến sinh trưởng

và tích lũy β-carotene ở vi tảo Dunaliella salina

Bảng 2.3 Bố trí thí nghiệm ảnh hưởng của cường độ ánh sáng

Dunaliella salina được đánh giá sau 6 ngày nuôi

Bảng 2.4 Thông số và tần suất theo dõi ảnh hưởng của cường

Dunaliella salina được đánh giá sau 6 ngày nuôi

Bảng 2.6 Thông số và tần suất theo dõi ảnh hưởng của chu kỳ

Nghiệm thức Thời gian chiếu sáng Số lƣợng mẫu

không có bọt khí, sau đó đặt buồng đếm lên kính hiển vi Điều chỉnh tiêu cự của kính hiển vi quang học và tiến hành quan sát ở vật kính 10X để tìm được buồng đếm trên thị trường, điều chỉnh ốc vi cấp để quan sát tế bào rõ hơn Tiến hành chụp hình và xác định mật độ, kích thước bằng phần mềm IMAGEJ

Tốc độ sinh trưởng: Sự phát triển của vi tảo Dunaliella salina

được đánh giá bằng công thức sau:

Tốc độ sinh trưởng = ln(NN2)−ln(NN1)

t2−t1

Trong đó: NN1 và NN2 lần lượt là mật độ tế bào đạt được của

vi tảo trong ngày trước và ngày sau nuôi cấy ở các mốc thời gian t1, t2 tương ứng

và lắc đều hỗn hợp Li tâm ở 1000 vòng/phút trong 5 phút

Hút dịch chiết ở pha n-hexan, so màu ở bước sóng 450nm Phần dịch được đo OD bằng máy Jasco V750 ở bước sóng 450nm và được tính theo công thức: Hàm lượng β-carotene (µg/ml) = A450 × 25,2

Trong đó: A450 là giá trị OD đo được ở λ = 450 nm

25,2 là hệ số theo phương pháp của Shaish (Shaish

& cs, 1992)

2.3.4 Phương pháp xác định cường độ ánh sáng

Cường độ ánh sáng được xác định bằng máy đo ánh sáng Digital Lux Meter có đơn vị là Lux Sau đó đổi ra đơn vị μmolphoton/m2

/s bằng công thức sau: μmolphoton/m2/s = Lux/ 74

2.3.5 Phương pháp xử lý số liệu

Thống kê mô tả và xử lý số liệu bằng phần mềm R Sự khác biệt có ý nghĩa giữa các giá trị trung bình của các nghiệm thức khác nhau được kiểm tra bằng phân tích phương pháp phương sai một yếu

tố (1 way ANOVA) và kiểm định Tukey

CHƯƠNG 3 KẾT QUẢ VÀ BÀN LUẬN

3.1 ẢNH HƯỞNG CỦA PHỔ CHIẾU SÁNG ĐẾN SINH TRƯỞNG VÀ TÍCH LŨY Β-CAROTENE Ở VI TẢO

DUNALIELLA SALINA

3.1.1 Ảnh hưởng của phổ chiếu sáng đến sinh trưởng ở vi

tảo Dunaliella salina

Kết quả nghiên cứu cho thấy phổ ánh sáng có ảnh hưởng đến

tốc độ sinh trưởng của vi tảo D salina (p-values = 0,002 < 0,05)

(Hình 3.1), (Hình 3.2) (Bảng 3.1)

Hình 3.1 Tốc độ sinh trưởng trung bình của vi tảo D salina ở

các phổ ánh sáng k

Hình 3.2 Mật độ tế bào vi tảo D salina ở các phổ ánh sáng

khác nhau

Bảng 3.1 Mật độ tế bào D salina ở các phổ ánh sáng khác nhau

*Ghi chú: Giá trị trung bình với các chữ cái khác nhau thể hiện

sự khác biệt với p-values < 0,05

Kết quả nghiên cứu này tương tự với nghiên cứu của Sang-Il Han và cộng sự (2019) Ở nghiên cứu này tác giả cho thấy vi tảo

Dunaliella salina sinh trưởng và phát triển tốt nhất ở ánh sáng đỏ

(2418 ± 205 × 103 tế bào/mL) trong khi đó ở ánh sáng trắng và xanh mật độ tế bào chỉ đạt lần lượt là 2233 ± 187 × 103

tế bào/mL và 1670

± 114 × 103 tế bào/mL (Han et al., 2019)

Như vậy cho thấy rằng tốc độ tăng trưởng và sản xuất sinh khối của vi tảo biển có liên quan đến loại bước sóng ánh sáng và còn tuỳ thuộc vào các giống vi tảo khác nhau

3.1.2 Ảnh hưởng của phổ chiếu sáng đến tích luỹ β-carotene ở vi

tảo Dunaliella salina

Kết quả nghiên cứu cho thấy phổ ánh sáng ảnh hưởng không

đáng kể đến khả năng tích luỹ β-carotene ở mỗi tế bào values=0,102 > 0,05) (Hình 3.3), (Hình 3.4), (Bảng 3.2)

Hình 3.3 Hàm lượng β-carotene trong tế bào D salina ở các

phổ ánh sáng khác nhau Bên cạnh đó kết quả nghiên cứu cho thấyphổ ánh sáng có ảnh

hưởng đến năng suất β -carotene của vi tảo D salina (p-values=0,001

< 0,05)(Hình 3.4) (Bảng 3.2)

Hình 3.4 Năng suất β-carotene của vi tảo D salina ở các phổ

ánh sáng khác nhau

Bảng 3.2 Hàm lượng β-carotene và năng suất sản xuất β-carotene

của vi tảo D salina ở các phổ ánh sáng khác nhau

*Ghi chú: Giá trị trung bình với các chữ cái khác nhau thể hiện

sự khác biệt với p-values < 0,05

Như vậy mặc dù hàm lượng β-carotene tích lũy trên một tế bào

ở các nghiệm thức giảm hoặc tăng không đáng kể nhưng năng suất carotene thu được cao nhất ỏ phổ ánh sáng đỏ Kết quả nghiên cứu này tương tự với nghiên cứu của Sang-Il Han và cộng sự (2019) Kết quả này chứng tỏ năng suất β-carotene không chỉ phụ thuộc vào hàm lượng β-carotene tích lũy trên một tế bào mà còn phụ thuộc vào mật

β-độ tế bào Năng suất β-carotene thu được cao nhất ở phổ ánh sáng

đỏ Điều này có thể là do mật độ vi tảo dưới phổ ánh sáng đỏ tăng

cao vì các vi sinh vật quang dưỡng bao gồm vi tảo lục như D salina

chứa chlorophyll-a và chlorophyll-b để quang hợp Như vậy năng suất β-carotene phụ thuộc vào mật độ ở mỗi phổ ánh sáng khác nhau Mật độ càng lớn thì năng suất β-carotene càng cao

Nghiệm

thức

Hàm lƣợng β-carotene tích lũy trong một tế bào (pg/tế bào)

Năng suất sản xuất β-carotene (mg/L/ngày)

Kết quả cho thấy cường độ ánh sáng có ảnh hưởng đến tốc độ

sinh trưởng của vi tảo D salina (p-values= 0,012 < 0,05)(Hình

Bảng 3.3 Mật độ tế bào D salina ở các cường độ ánh sáng khác

/s

27μmolphoton/

m 2 /s

40,5 μmolphoton/m 2 /s

0,15b ± 0,03 0,18ab ± 0,02 0,24a ± 0,01

*Ghi chú: Giá trị trung bình với các chữ cái khác nhau thể hiện

sự khác biệt với p-values < 0,05

Như vậy kết quả nghiên cứu cho thấy cường độ ánh sáng càng

cao thì mật độ vi tảo D salina càng tăng Điều này có thể giải thích

rằng khi cường độ ánh sáng cao thì cung cấp nhiều năng lượng cho các hoạt động sống của tế bào vi tảo giúp tế bào sinh trưởng tốt hơn nên mật độ tế bào nhiều hơn

3.2.2 Ảnh hưởng của cường độ ánh sáng đến tích luỹ β-carotene

ở vi tảo Dunaliella salina

Kết quả nghiên cứu cho thấy cường độ ánh sáng ảnh hưởng

không đáng kể đến khả năng tích luỹ β-carotene ở mỗi tế bào values=0,09 > 0,05) (Hình 3.7)

(p-Hình 3.7 Hàm lượng β-carotene trong tế bào vi tảo D

salina dưới cường độ ánh sáng khác nhau

Mặc dù hàm lượng β-carotene tích lũy trên một tế bào ở các nghiệm thức giảm hoặc tăng nhưng không đáng kể nhưng năng suất

β-carotene thu được ở mỗi nghiệm thức đều có ảnh hưởng values=0,001 < 0,05) (Bảng 3.4).(Hình 3.8)

(p-Hình 3.8 Năng suất β-carotene của vi tảo D salina dưới

cường độ ánh sáng khác nhau