Tài liệu Bài báo cáo thực tập-ứng dụng công nghệ vi tảo trong cuộc sống sử dụng vi tảo trong đời sống con người và động vật

MỞ ĐẦU Trong những năm cuối cùng của thế kỉ 20, các nhà sinh học đã cố gắng tìm kiếm những cơ chế đặc thù của các quá trình sinh học cơ bản nhất nhằm chi phối toàn bộ thế giới sinh vật. Đồng thời phát hiện ra các nhóm sinh vật có tốc độ sinnh trưởng nhanh. Vi tảo (Microalgae)là những sinh vật bậc thấp có trong sự chú ý đó vì chúng không chỉ có những cơ chế đặc thù mà còn sinh trưởng và phát triển cực kì nhanh. Hàng năm có đến 200 tỉ tấn chất hữu cơ được tạo thành trên toàn thế giới. Trong số đó 170 - 180 tỉ tấn là do tảo tạo thành. Vi tảo chiếm 1/3 sinh khối của thực vật trên trái đất. Ngày nay công nghệ sinh học phát triển nhanh tạo một cuộc cách mạng trong nông nghiệp, công nghiệp thực phẩm, dược phẩm, vật liệu mới và bảo vệ môi trường. Ỏ phạm vi hẹp hơn chúng ta đang chứng kiến sự phát triển nhanh của công nghiệp sản xuất vi tảo trên thế giới do nhiều ưu thế của cơ thể so với thực vật bậc cao như vòng đời ngắn, năng suất cao, hiệu số sử dụng ánh sáng cao, công nghệ sản xuất không phức tạp, thích hợp với quy mô sản xuất công nghiệp. Cho đến ngày nay hàng loạt các công nghệ nuôi trồng, thu hoạch chế biến sinh khôi vi tảo. các loại công nghệ này đang không ngừng được hoàn thiện hạ giá thành và nâng cao chất lượng sinh khối. mặt khác sử dụng vi tảo đang được mở rộng trong các lĩnh vực như dùng làm thức ăn bổ dưỡng cho người và thức ăn cho động vật, đặc biệt là các ngành nuôi trồng thủy sản, nguồn phân bón sinh học, năng lượng sạch, nguồn các hóa chất trong công nghiệp và dược phẩm, sử lí môi trường. 1 NỘI DUNG I. Lịch sử công nghệ sản xuất vi tảo đại trà Vào đầu những năm 1940 ở Đức bắt đầu có những thực nghiệm nuôi trồng đại tà Chlorella sau khi nguồi ta thấy tế bào tảo này có tới 50% protein trong sinh khối khô và có khả năng tăng sinh khối gấp nhiều lần trong ngày Đầu những năm 1950 các nhà khoa học Mĩ, chất lượng chất béo và protein trong tế bào Chlorella có thể điều khiển bằng các thay đổi điều kiện sống 1 số filốt, nuôi đại trà tảo này được xây dựng tại đây. Năm 1957, Tamiya và công sự đã công bố các công trình liên quan tới nuôi trồng Chlorella, Ở Nhật Bản là một trong những quốc gia hàng đầu sản xuất và kinh doanh Chlorella dưới dạng thức ăn bổ dưỡng ( heath - food) và tác nhân kích thích sinh trưởng. Vào đầu năm 1953, các nhà khoa học Đức đã nghiên cứu khả năng dùng CO2, phế thải của vùng công nghiệp Rhur để nuôi trồng Chlorella, Scenedesmus. Nghiên cứu này được giáo sư Soeder và cộng sự được tieps tục tiến hành trong nhiều năm sau đó . Đầu những năm 1970, Chính phủ Đức đã tài trợ 3 dự án lớn về nuôi trồng Scenedesmus tại Ấn Độ, Pêru, Thái Lan. Năm 1960 tại Tiệp Khắc các nhà khoa học đã xây dựng một mô hình nuôi đại trà Scenedesmus trên nền bể có độ nghiêng 3 0 và tạo dòng chảy nhờ bơm kĩ thuật Cascade. Mô hình bể này được ứng dụng thành công tại Rupite, Bungart – 1 địa danh có suối nước nóng nổi tiếng để sản xuất đại trà tảo lục Chlorella va Scenedesmus. Đầu những năm 1960, vi khuẩn lam Spirulina lần đầu tiên được phát hiện tại hồ Tchad, Châu Phi và nhanh chóng được các nhà khoa học Pháp đưa vào nuôi đại trà tại Texcoco, Mehico. Hiện nay Spirulina được nuôi đại trà ở nhiều nơi trên thế giới trong đó có Việt Nam. Một số vi tảo khác như Dunaliella (có nguồn caroten và gliceron) Porphyridium (là nguồn polisaccarit và phycoerythrin) được đưa vào nuôi trồng muộn hơn và quy mô nhỏ hơn. 2 Có thể nói rằng hiện nay, tảo được khai thác dưới góc độ là nguồn thức ăn dinh dưỡng cho người và thức ăn cho động vật, nguồn hóa chất và dược liệu nguồn phân bón sinh học và đối tượng sinh học để sử lí môi trường.  Tình hình nuôi trồng đại trà vi tảo trên thế giới trong giai đoạn 1996 – 1997/ Theo Yuan – Kun Lee, 1997 Khu vực Tảo được sản xuất Diện tích Sản lượng Ứng dụng (ha) (tấn/năm) Nhật Bản Chlorella -1100 và Thuốc bổ nhập 943 dưỡng, thức ăn cho thuỷ sản Trung Spirulina 199,6 2798 Dinh dưỡng và Quốc xuất khẩu Đài Loan Chlorella và 24 1600 và 460 Xuất khẩu Spirulina Triều Tiên Chlorella và 1 số 2480 400 Cho người và loài tảo khác thuỷ sản Ấn Độ Spirulina 12,2 258,5 Cho người và động vật Thái Lan Spirulina 2 170 Cho người và động vật Việt Nam Spirulina 0,5 8 Xuất khẩu Inđônêxia Chlorella -150 Xuất khẩu Hoa Kì Spirulina 75 380 Cho người va Nitzschia -động vật Mehico Sprulina -500 Cho người và động vật CuBa Spirulina -30 Cho người và động vật Úc -40 Cho người Dunaliella và động vật Nhìn qua bảng trên ta có thể nhận xét kết quả tình hình sản xuất đại trà vi tảo trên thế giới như sau: + Đã có hàngcác công nghệ sản xuất, thu hoạch, chế biến sinh khối vi tảo chăn nuôi. Những chi tảo được xem là đối tượng được chủ yếu cho sản xuất đại trà là Chlorella, Spirulina, Niztchia, Haematococus, Scenedesmus... 3 Dunaliella, Tetraselmis, + Spirulina được xem là chất bổ dưỡng và là nguồn thu Phycobiliprotein, Dunaliella là nguồn β- carotene tự nhiên rất quan trọng. Trong nhiều trường hợp sản xuất đại trà vi tảo đi kèm với mục đích sử lí nước thải. + Bình diện ứng dụng vi tảo còn hạn hẹp trong khi công nghệ sản xuất đại trà đang phải đương đầu với nhiều thử thách và cần tiếp tục hoàn thiện hơn. II. Ứng dụng công nghệ vi tảo trong cuộc sống Sử dung vi tảo trong đời sống con người và động vật 2.1.1 Sử dụng cho con người a. Thử nghiệm độc tố các sản phẩm từ vi tảo Bất cứ một loài protein đơn bào nào cũng phải trải qua thử nghiệm nghiêm túc trên động vật trước khi trở thành sản phẩm thức ăn của con người và động vật. Ví dụ: Sinh khối tảo Spirulina đã được Chamorro (1980) tiến hành thử nghiệm độc tố ngắn hạn và trường diễn, nghiến cứu ảnh hưởng đến sinh sản, sinh trưởng, khả năng điều tiết sữa, đột biến gây quái thai, Lượng tảo thử nghiệm tăng dần từ 10% - 30% khẩu phần ăn hàng ngày, sau 13 tuần thí nghiệm việc xét nghiệm mô học không cho thấy sự khác biệt giữa các nhóm thí nghiệm và đối chứng. Theo dõi trong 80 tuần lien tục, sau đó 2 năm theo dõi khả năng tiết sữa và sinh sản ở động vật ăn tảo spirulina người ta không nhận thấy. Nhiều nghiên cứu độc tố cấp và độc tố trường diễn đối với các loài tảo khác như Scenedesmus, Micractinium, Chlorella... cũng không tìm thấy bằng chứng nào về khả năng hạn chế việc sử dụng sinh khối trong dinh dưỡng. b. Sử dụng vi tảo trong dinh dưỡng và dược liệu Nguồn protein đơn bào giá trị và hàm lượng protein trung bình 50-60 % trong lượng khô, thổ dân Kanembeu sống quanh hồ Chad ở Châu phi và người Aztec ở Mehico đã sử dụng tảo Spirulina hàng thế kỉ nay. Sinh khối tảo khô Chrorella được đóng viên và sử dụng như một loại thức ăn bổ dưỡng, sinh khối Spirulina với các tên Linagreen, Spirulina Kayaky, Spirulina – C, Professiol,... 4 Ý tưởng dùng vi tảo làm thức ăn và trao đổi khí hô hấp trong chuyến bay vũ trụ cũng kích thích các nhà nghiên cứu sử dụng vi tảo cho dinh dưỡng của người. Tuy vậy cho đến nay có ít thông tin về thử nghiệm dinh dưỡng tảo trên người nên khó có được kết luận tổng quát. 2.1.2 Sử dụng vi tảo cho động vật Do thành phần dinh dưỡng quí, vi tảo được xem là nguồn thức ăn bổ dưỡng song có giá trị cho chăn nuôi và thuỷ sản. Những vi tảo được ứng dụng trong phạm vi này như Chrorella, Spirulina, Micratimium, Scenedesmus, Oocystis... Ở Việt Nam dùng Spirulina bổ sung vào thức ăn cho cá mè trắng, cá mè hoa, cá trắm cỏ, rô phi với tỉ lệ 5% làm tỉ lệ sống và tốc độ tăng trưởng của cá tăng lên. Một hướng khác sử dụng sinh khối vi tảo làm nguồn bổ sung dinh dưỡng triển vọng vào nguồn nuôi tôm nhuyễn thể vì vi tảo là mắt xích đầu tiên của chuỗi dinh dưỡng của thuỷ sản, do đó việc sản xuất tảo luôn là thác tác không thể thiếu của các trại nuôi thuỷ sản. Ví dụ năm 1939, Bruce và cộng sự đã phân lập và nuôi tảo đơn bào Isochrysis galbana và Pyramimonas grossin để nuôi ấu trùng hầu. Sớm hơn nữa năm 1910, Allen và Nelson đã dùng tảo silic làm thức ăn cho một số động vật không xương sống, việc nuôi trồng vi tảo ở diện tích lớn làm thức ăn cho trai, sò có tiềm năng ứng dụng trong tương lai. Tại Nhật Bản, việc nuôi tảo Silic skeletonema sp à Chaetoceros sp làm thức ăn là điều kiện tiên quyết đối với việc nuôi ấu trùng tôm ở giai đoạn Nauplius tới giai đoạn Postlaivae tại Thái Lan, Malaixia, Đài Loan. Làm thức ăn tươi sống cho ấu trùng tôm, bao gồm vi tảo và Nauplius của Artemia. Cho đến nay chế độ thức ăn ở hầu hết các trại nuôi và sản xuất thuỷ sản là sự phối hợp thức ăn tươi sống như vi tảo và Artemia. Bên cạnh đó nhiều loài được sử dụng dưới dạng sinh khối tươi và khô để làm thức ăn cho ấu trùng tôm, cá con, nhuyễn thể: Skeletonema costatum, Chaetocerospsis, Nanochaloropsis, 5 Isocrysis, Spirulina. Có thể nói thức ănbtaor là điều kiện tiên quyết cho nghề nuôi trồng thuỷ sản. 2.1.3. Nghiên cứu sinh học và kĩ thuật nuôi trồng vi tảo và tảo biển ở Việt Nam * Nghiên cứu cấu trúc và chức năng của bộ máy quang hợp Sự thay đổi cấu trúc và chức năng bộ máy quang hợp của tảo dưới các điều kiện môi trường bất lợi như nhiệt độ tới hạn, muối cao, khô hạn. Chế chống chịu và bảo vệ của tảo dưới các điều kiện bất lợi của môi trường. Giám sát in vivo trạng thái sinh lí của tảo dưới các điều kiện môi trường bất lợi. 6 * Nghiên cứu sinh học và kĩ thuật nuôi trồng vi tảo và tảo biển ở Việt Nam Nâng cao các đặc tính di truyền của tảo bằng việc nuôi cấy mô tế bào trong điều kiện phòng thí nghiệm. Áp dung một số phương pháp nghiên cứu dựa trên các kỹ thuật sinh học phân tử (như RAPD, AFLP, đọc trình tự các đoạn gen 16S, 18S, ITS-1-5,8SITS2, phương pháp PCR đi từ 1 tế bào (Single – Cell PCR method), Real-Time PCR, điện di nồng độ gel biến tính, lai ADN hay lai RNA bằng phóng xạ hoặc huỳnh quang, kháng thể đơn dòng và đa dòng v..v.) trong việc hỗ trợ định tên khoa học nhanh chóng và nghiên cứu tính đa dạng di truyền của các loài tảo Việt Nam. 7 * Nghiên cứu cấu trúc và chức năng quần thể tảo trong các hệ sinh thái khác nhau đặc biệt là hệ sinh thái nước ngọt và biển Khảo sát thực vật phù du và sự xuất hiện và tồn tại của tảo độc và tảo lam và thiết lập mối quan hệ giữa sự nở hoa của nước và các yếu tố môi trường khác nhau (pH, nhiệt độ, cường độ ánh sáng, thành phần dinh dưỡng, nước thải công nghiệp và nước thải dân dụng, thành phần dinh dưỡng của môi trường biển); Nghiên cứu và phân tích độc tố tảo bằng phương pháp thử nghiệm sinh học trên chuột, thử nghiệm liên kết với chất nhận, ELISA, HPLC; Nghiên cứu thành phần loài, xác định và định tên nhanh chóng các loài tảo độc, hại ở các ao hồ và vùng biển Việt Nam dựa trên các đặc điểm hình thái và các phương pháp sinh học phân tử như đọc và so sánh trình tự nucleotit của một số gen 18SrRNA, 16S rRNA, ITS1-5,8S-ITS2, 28S rRNA, 26S rRNA…và phương páp Single – Cell PCR 8 * Phát triển các kĩ thuật trong việc xử lí nước thải Sử dụng các chất hấp thụ sinh học có sẵn ở Việt Nam để loại bỏ các kim loại nặng trong nước thải công nghiệp; Áp dụng các phương pháp sinh học trong việc xử lí nước thải giàu N và P. Xử lý sinh học môi trường (Bioremediation) của bùn hoạt tính và nước thải nuôi trồng thuỷ sản; Nghiên cứu sử dụng vi tảo trong xử lý nước thải ở các làng nghề truyền thống như làng bún Phú Đô, sản xuất tinh bột sắn, miến, rong… theo định hướng sản xuất nguyên liệu cho công nghiệp như chất dẻo sinh học bioplastic; Nghiên cứu sử dụng tảo biển Kappaphycus alvarezii, Gracilaria v.v… trong xử lý nước thải nuôi thuỷ sản tập trung và trong việc làm sạch nước thải sau quá trình đã nuôi trồng thuỷ sản. 9 *Nghiên cứu cơ sở sinh lý, sinh hoá và các kĩ thuật nuôi sinh khối một số loài vi tảo (Spirulina, Chlorella, Dunalliella, Chaetoceros, Skeletonema, Labyrinthula, Thraustochytrium, Schizochytrium …) làm thuốc, thực phẩm chức năng và thức ăn tươi sống và nhân tạo cho nuôi trồng thuỷ sản. Xây dựng một tập đoàn giống vi tảo (biển và nước ngọt) phân lập tại Việt Nam theo định hướng ứng dụng chúng trong thực phẩm chức năng cho người, làm thuốc chữa bệnh, phục vụ trong nuôi trồng thuỷ sản, khai thác các chất có hoạt tính sinh học, phục vụ cho xử lý các loại hình nước thải khác nhau và trong thời gian tới được sử dụng cho việc làm nguyên liệu sản xuất nhiên liệu sinh học, chất dẻo sinh học (thân thiện với môi trường và dễ phân huỷ) Nghiên cứu sử dụng vi tảo biển (quang tự dưỡng và dị dưỡng) làm thực phẩm chức năng cho người Nghiên cứu và đưa vào ứng dụng tại các trại nuôi trồng Thuỷ sản miền Bắc (Hải Phòng, Quảng Ninh, Nam Định, Thái Bình v.v…) qui trình công nghệ nuôi trồng một số loài tảo biển chính như Isochrysis, Chaetoceros, Nannochloropsis, Tetraselmis, Chlorella, Chroomonas... làm thức ăn tươi sống cho các đối tượng thuỷ hải đặc sản trong nuôi trồng thuỷ sản như: cá, tôm, ngao, cua, tu hài … 10 * Nghiên cứu, khai thác và ứng dụng các chất có hoạt tính sinh học từ vi tảo và tảo biển Việt Nam Nghiên cứu và khai thác các chất có hoạt tính sinh học từ tảo biển như chất kháng viêm, chất chống bám, các axit béo không bão hoà đa nối đôi (EPA, DHA, n6DPA) Nghiên cứu sử dụng sinh khối tảo biển sau khi đã chiết rút các chất có hoạt tính (như agar, alginate, làm giấy …) để sản xuất Ethanol và dầu Diessel sinh học; nghiên cứu quá trìnhchuyển hoá sinh khối vi tảo biển tự dưỡng và dị dưỡng giàu hydrate carbon, lipit và PUFAs làm nguyên để sản xuất nhiên li 2.2. Ứng dụng trong y học và công nghệ thực phẩm Trong tương lai y dược và những sự tìm kiếm trong y dược bao gồm cả việc nghiên cứu và trong thực nghiệm các tảo có thể kể ra như việc tìm kiếm các thuốc chữa bệnh ung thư, dị ứng, tảo tiết chất kháng sinhcos thể thay thế cho Penixiline (Prescott, 1969). Trong tương lai sẽ có môn chữa bệnh bằng tảo (Algotherapia hay Phycotheraphia) (Gorunov và cộng sự 1969) Ở bệnh viện Paris khi chữa bệnh các vết thương phần mêm nhiều thuốc kinh điển của Pháp đều vô hiệu hoá nhưng khi điều trị bằng các loài tảo Lam thuộc chi 11 Oscillatoriales đã cho kết quả rất khả quan (Lefevre, 1964). Sản phẩm chế từ Spirulina được xem là chất bổ dưỡng cho người già và người dinh dưỡng, tảo Spirulina còn có tác dụng tăng khả năng tiết sữa ở phụ nữ cho con bú. Một số hoạt chất Spirulina (Phycobilin) có tác dụng chống ung thư và 1 số bệnh khác. Nhiều sản phẩm được chế từ tảo Spirulina dùng làm mĩ phẩm và công nghệ thực phẩm. 2.2.1. Khai thác các hoạt chất - Vitamin Nhiều vitamin hòa tan trong nước (B12, B6, B1, Biotin, C) được tìm thấy trong dịch nuôi tảo lam, tảo lục và tảo silic. Những loại vitamin khác được phát hiện dưới dạng các chất trao đổi trung gian như α-, β-, γ- tocopherol (vitamin E) ở tảo lam; α- tocopherol và vitamin K ở Porphyridium cruentum. Hàm lượng vitamin trong sinh khối tảo phụ thuộc vào kiếu gen, chu trình sinh trưởng, điều kiện nuôi trồng và các thao tác di truyền. Hiện tại ở Đài Loan và Nhật Bản các chủng tảo Chlorella và Porphyridium được nuôi trồng tạp dưỡng trong hệ thống kín để sản xuất vitamin, hàm lượng vitamin trong một số loại tảo đang là đối tượng sản xuất đại trà. Khi so sánh hàm lượng vitamin trong sinh khối tảo với rau Spinach và gan bê. Ta thấy hàm lượng Vitamin phụ thuộc nhiều vào thành phàn loài. Do các chủng loại vitamin còn chưa được đánh giá toàn diện và có hệ thống nên chưa có cơ sở để đánh giá loài tảo nào cho hàm lượng vitamin nhiều nhấtvaf điều kiện nào sản xuất vitamin là cao nhất. Tảo xoắn (Spirulina) là một loại vi tảo dạng sợi xoắn màu xanh lục, chỉ có thể quan sát thấy hình xoắn sợi do nhiều tế bào đơn cấu tạo thành dưới kính hiển vi. Tảo Spirulina đã được nghiên cứu từ nhiều năm nay. Chúng có những đặc tính ưu việt và giá trị dinh dưỡng cao. Các nhà khoa học trên thế giới đã coi tảo Spirulina là sinh vật có ích cho loài người. Loại tảo này do tiến sĩ Clement người Pháp tình cờ phát hiện vào những năm 1960 khi đến hồ Tchad ở Trung Phi. Nhà khoa học này không khỏi kinh ngạc khi vùng đất cằn cỗi, đói kém quanh năm nhưng những thổ dân ở đây rất cường tráng và khỏe mạnh. Khi Clement tìm hiểu về thức ăn của họ, bà phát hiện trong mùa không săn bắn, họ chỉ dùng một loại bánh màu xanh mà nguyên liệu chính là thứ họ vớt lên từ hồ. Qua phân tích, bà phát hiện ra loại bánh có tên Dihe này chính là tảo Spirulina. 12 Tổ chức Y tế thế giới (WHO) công nhận tảo Spirulina là thực phẩm bảo vệ sức khỏe tốt nhất của loài người trong thế kỉ 21. Cơ quan quản lí thực phẩm và dược phẩm Hoa Kì (FDA) công nhận nó là một trong những nguồn protein tốt nhất. Hàm lượng protein trong Spirulina thuộc vào loại cao nhất trong các thực phẩm hiện nay, 56%-77% trọng lượng khô, cao hơn 3 lần thịt bò, cao hơn 2 lần trong đậu tương. Hàm lượng vitamin rất cao. Cứ 1 kg tảo xoắn Spirulina chứa 55 mg vitamin B1, 40 mg vitamin B2, 3 mg vitamin B6, 2 mg vitamin B12, 113 mg vitamin PP, 190 mg vitamin E, 4.000 mg caroten trong đó β-Caroten khoảng 1700 mg (tăng thêm 1000% so với cà rốt), 0,5mg axít folic,inosit khoảng 500-1.000 mg. Hàm lượng khoáng chất có thể thay đổi theo điều kiện nuôi trồng, thông thường sắt là 580-646 mg/kg(tăng thêm 5.000% so với rau chân vịt), mangan là 23-25 mg/kg, Mg là 2.915-3.811/kg, selen là 0,4 mg/kg, canxi, kali, phốtpho đều khoảng là 1.000-3.000 mg/kg hoặc cao hơn (hàm lượng canxi tăng hơn sữa 500%). Phần lớn chất béo trong Spirulina là axít béo không no, trong đó axít linoleic 13.784 mg/kg, γ-linoleic 11.980 mg/kg. Đây là điều hiếm thấy trong các thực phẩm tự nhiên khác. Hàm lượng cacbon hydrat khoảng 16,5%, hiện nay đã có những thông tin dùng glucoza chiết xuất từ tảo Spirulina để tiến hành những nghiên cứu chống ung thư * Tảo Spirulina có chứa phong phú các axít amin cần thiết như lysin, threonin...rất quan trọng cho trẻ, đặc biệt là trẻ thiếu sữa mẹ. Hàm lượng khoáng chất và các nguyên tố vi lượng phong phú có thể phòng tránh bệnh thiếu máu do thiếu dinh dưỡng một cách hiệu quả, và cũng là nguồn bổ sung dinh dưỡng rất tốt cho trẻ lười ăn. * Trong tảo Spirulina có chứa nhiều loại chất chống lão hóa như β-caroten, vitamin E, axít γ-linoleic. Những chất này có khả năng loại bỏ các gốc tự do thông qua tác dụng chống ôxi hóa, làm chậm sự lão hóa của tế bào, đồng thời sắt, canxi có nhiều trong tảo vừa dễ hấp thụ vừa có tác dụng phòng và hỗ trợ điều trị các bệnh thường gặp ở người già như thiếu máu, xốp xương. Các nhà khoa học người Nhật nghiên cứu cho rằng người trung niên và người già dùng tảo Spirulina và chịu khó vận động là bí quyết trường thọ của con người. Ý nghĩa bảo vệ sức khỏe của tảo Spirulina là ở chỗ sau khi dùng, tất cả các loại dinh dưỡng mà cơ thể cần đều được bổ sung cùng một lúc, có lợi cho việc trao đổi chất, đồng hóa tổ chức, tăng cường sức đề kháng từ đó đạt được mục đích phòng chống bệnh tật và thúc đẩy phục hồi sức khỏe. Ở Nhật Bản, người già không coi tảo 13 Spirulina là một biện pháp bảo vệ sức khỏe tạm thời mà là để bảo vệ sức khỏe lâu dài để hạn chế chi phí thuốc men và viện phí. * Dinh dưỡng chuẩn, khả năng chống ung thư, chống HIV/AIDS * Sản phẩm chống suy dinh dưỡng rất tốt cho trẻ em, người già và một số đối tượng khác như người bệnh sau phẫu thuật, thiểu năng dinh dưỡng * có thể dùng tảo Spirulina hỗ trợ trong điều trị bệnh viêm gan, suy gan, bệnh nhân bị cholesterol máu cao và viêm da lan tỏa, bệnh tiểu đường, loét dạ dày tá tràng và suy yếu hoặc viêm tụy, bệnh đục thủy tinh thể và suy giảm thị lực, bệnh rụng tóc * Các nhà nghiên cứu đã chứng minh tảo Spirulina làm tăng sức đề kháng với nghịch cảnh và tăng sức dẻo dai trong vận động. * Với liều dùng vừa phải, Spirulina làm cân bằng dinh dưỡng, tổng hợp các chất nội sinh, tăng hormon và điều hòa sinh lý, khiến cho người đàn ông có một "sức mạnh" tự nhiên, bền vững * Khi dùng Spirulina, các hoạt chất của nó sẽ điều hòa hormon, làm cân bằng cơ thể, khiến người phụ nữ trở nên "ướt át" hơn, cơ thể sẽ trẻ ra, biểu hiện rõ nhất trên làn da. Ngoài ra tảo Spirulina có những tác dụng đã và đang được các nhà khoa học nghiên cứu như tác dụng kích thích tế bào tủy xương, hồi phục chức năng tạo máu, chức năng giảm mỡ máu, giảm huyết áp, dưỡng da, làm đẹp. 14 Lipid Vi tảo chứa nhiều chất béo và lượng dầu tương tự thành phần dầu thực vật. Trong một số điều kiện nhất định, tảo có thể chứa lipit tới 85% trọng lượng khô. Nhưng nhìn chung, hàm lượng của lipit trong sinh khối tảo dao động từ 20-40% chất khô. Giá trị dinh dưỡng của vi tảo có thể bị thay đổi rất lớn ở các pha phát triển và dưới các điều kiện nuôi khác nhau (Enright & CTV., 1986; Brown & CTV., 1997). Kết quả nghiên cứu của Renaud, Thinh & Parry (1999) chỉ ra rằng tảo phát triển đến cuối pha logarit thường chứa 30 – 40% protein, 10 – 20 % lipid và 5 – 15 % carbohydrate. Khi tảo được nuôi qua pha cân bằng thì hàm lượng này bị thay đổi rất lớn, ví du như: khi nitrat giảm thì hàm lượng carbohydrate có thể tăng gấp 2 lần hàm lượng protein. Mối liên quan giữa giá trị dinh dưỡng của tảo với hàm lượng lipid tổng cộng, carbohydrat, và protein không được thể hiện rõ (Webb & Chu,1981; Brown, 2002 ), ví dụ 2 loài tảo Phaeodactylum tricornutum và Nannochloris atomus giàu hàm lượng protein và carbohydrate nhưng giá trị dinh dưỡng của chúng lại thấp. Mặt khác thành phần của các amino acid của các protein tương tự giống nhau giữa các loài tảo, tương đối bền vững ở các pha phát triển khác nhau và dưới tác động của các điều kiện ánh sáng. Hơn nữa, hàm lượng các amino acid cần thiết của vi tảo lại gần giống ở ấu trùng hầu (C. gigas; Brown & CTV, 1993). Điều này càng chỉ ra rằng protein không phải là yếu tố xây dựng nên sự khác nhau về giá trị dinh dưỡng của các loài tảo. Tuy nhiên, lipid rất quan trọng trong việc dự trữ năng lượng cho ấu trùng khi sống trong điều kiện thiếu thức ăn (Millar & Scott, 1967), sử dụng tảo có hàm lượng protein cao cho sự phát triển tốt nhất của vẹm giống (Mytilus trossolus; Kreeger & Langdon, 1993) và hầu (Crassostrea gigas; Knuckey et al., 2002), tảo có hàm lượng hydratcarbon cao cho sự phát triển tốt nhất của hầu giống và ấu trùng điệp (Whyte, Bourne & Hodgson, 1989). Thí nghiệm dùng 3 loài tảo Isochrysis galbana, Exuviella sp., Dunaliella teriolecta cho ấu trùng ốc đụn thấy rằng tỷ lệ giữa hàm lượng lipid : protein: hydratcarbon có trong tảo có thể liên quan trực tiếp tới giá trị dinh dưỡng của tảo (Pillsbury, 1983). Phân tích 40 loài tảo thuộc 7 lớp (Bacillariophyceae, Chlorophyceae, Prymnesiophyceae, Cryptophyceae, Eustigmatophyceae, Rhodophyceae, Prasinophyceae) Brown & CTV. (1997) đã xác định rằng trong tảo đơn bào hàm lượng protein dao động từ 6 – 52 %; carbohydrate từ 5 – 23 % và lipid từ 7 – 23 %. Các lớp tảo khác 15 nhau không có sự khác biệt về hàm lượng protein, lipid nhưng các loài trong lớp tảo Chlorophyceae và Prymnesiophyceae giàu hàm lượng carbohydrate hơn các loài thuộc các lớp tảo khác. Các axit béo không no (PUFA) có trong tảo, ví dụ như: docosahecxaenoic acid (DHA), eicosapentaenoic acid (EPA), arachidonic acid (AA) rất cần thiết đối với động vật nuôi thủy sản (McEvoy & Bell, 1997; Brown & CTV, 1997; Vilchis & Doktor, 2001). Hầu hết các loài tảo đều chứa loại acid béo không no EPA ở mức độ từ trung bình tới cao (7 – 34 %). Lớp tảo Bacillariophyceae (Chaetoceros, Thalassiosira, Nitzchia, Skeletonema), Prymnesiophyceae (Isochrysis, Paplova), Cryptophyceae (Rhodomonad, Criptomonad), Rhodophyceae (Rhodosorus), Eustigmatophyceae (Nannochloropsis) rất giàu một hoặc cả hai loại acid beó không no DHA và EPA. Từ 0,2 – 11 % DHA có trong tảo Prymnesiophyceae, trong khi đó Eustigmatophyceae lại có nhiều nhất AA (0 – 4 %). Prasinophyceae (Tetraselmis, Micromonas, Pyramimonas) chứa khoảng 4 – 10 % DHA hoặc EPA, ngược lại Chlorophyceae (Chlorella, Nannochloris, Dunaliella) chỉ có khoảng 0 – 3 %, vì vậy chúng được xem là có giá trị dinh dưỡng thấp. Vi tảo được coi là có giá trị dinh dưỡng tốt cho các đối tượng nuôi nếu hàm lượng PUFA (DHA, EPA) dao động từ 1 – 20 mg/ml tế bào (Thinh, 1999). Hàm lượng trung bình của các acid béo không no có trong một số các loài tảo được thể hiện ở bảng 1. Hàm lượng acid béo không no (DHA + EPA) của một số loài tảo (Brown và CTV, 1989) Loài tảo Chaetoceros calcitrans DHA + EPA (mg/ml tế bào) Pavlova lutheri Thalassiosira pseudonana Chroomonas salina Chaetoceros gracilis Isochrysis sp. Skeletonema costatum Nannochloris atomus Tetraselmis suecica 16 Dunaliella tertiolecta 17,8 10,1 7,2 3,9 3,2 2,0 0,8 0,3 0,2 0,0 Đến nay, tất cả các nghiên cứu đều xác định rằng mỗi loài tảo khác nhau thì chúng có giá trị dinh dưỡng khác nhau, một loài tảo có thể thiếu ít nhất là một thành phần dinh dưỡng cần thiết, ví dụ I. Galbana có nhiều DHA, ít EPA nhưng ngược lại khuê tảo chứa nhiều EPA và ít DHA (Leonardos và Lucas, 2000). Vì vậy, việc sử dụng hỗn hợp các loài tảo làm thức ăn cho động vật thuỷ sản sẽ cung cấp chất dinh dưỡng tốt hơn cho chúng. Tuy nhiên, việc kết hợp các loài tảo làm thức ăn phải được hợp lý cả về tỷ lệ và thành phần thích ứng với nhu cầu dinh dưỡng của từng đối tượng nuôi cụ thể thì mới đem lại hiệu quả cao, ví dụ sử dụng đơn loài C. calcitrans cho ấu trùng hầu (Crassostrea gigas) tốc độ sinh trưởng nhanh hơn so với sử dụng hỗn hợp I. Galbana + C. calcitrans (Nasciomento, 1980). Vi tảo là nguồn cung cấp vitamin quan trọng cho các đối tượng nuôi thuỷ sản. Theo thống kê của Brown (2002), hàm lượng acid ascorbic (vitamin C) trong vi tảo có sự khác nhau rất lớn giữa các loài (16 mg/g trọng lượng khô ở tảo C.muelleri; 1,1 mg/g ở tảo T. pseudonana). Còn lại các vitamin khác (thiamin – B1, riboflavin – B2, pyridoxine – B6, cyanocobalamin – B12, biotin, pyridoxine…) chỉ khác nhau từ 2 – 4 lần giữa các loài tảo. Điều này chứng tỏ rằng, việc lựa chọn một cách cẩn thận các loại vi tảo kết hợp với nhau sẽ cung cấp đầy đủ vitamin cho chuỗi thức ăn của động vật nuôi thủy sản. Ngoài ra, các khoáng chất và sắc tố trong tảo cũng đóng góp một vai trò quan trọng trong việc xây dựng nên giá trị dinh dưỡng của một loài tảo (Fabregas & 17 Herrero, 1986). Thành phần chủ yếu của sắc tố là chlorophyll và các loại carotenoid chiếm 0,5 – 5 % trọng lượng khô. Ngoài ra còn có phycoerythin và phycocyanin nhưng chỉ chiếm một lượng nhỏ khoảng 1 % khối lưộng khô. ß-carotene (tiền vitamin A) được xem là rất quan trọng trong chuỗi thức ăn của giáp xác. Nghiên cứu của Ronnestad, Helland & Lie (1998) đã phát hiện ra rằng sắc tố lutein và astaxanthin (có nhiều trong tảo xanh - Tetraselmis spp.) có khả năng chuyển đổi thành vitamin A trong chuỗi mắt xích thức ăn của động vật nuôi thủy sản. Tuy nhiên, không phải lúc nào tảo cũng có lợi cho động vật thủy sản. Trong trường hợp vùng biển bị ô nhiễm bởi các độc tố do sự nở hoa của tảo, động vật thân mềm và một số loài ăn tảo sẽ bị nhiễm độc tố và là nguồn gây bệnh cho con người. Các bệnh thường gặp như: Paralytic Shellfish Poisoning (PSP), Diarhetic Shellfish Poisoning (DSP) và Amnesis Shellfish Poisoning (ASP) đã làm nhiễm độc gần 2.000 trường hợp trên toàn cầu hàng năm (Gustaaf M. Hallegraeff, 1991). Sự không an toàn về thực phẩm như trên có tác hại không nhỏ đối với việc tiêu thụ sản phẩm thủy sản, đặc biệt là các loài hai mảnh vỏ và gây thiệt hại kinh tế đáng kể cho các quốc gia. - Sắc tố: Ngoài Chlorophyll (a, b, c1 và c2), vi tảo còn chứa các sắc tố bổ trợ như phycobiliprotein và carotenoit. Các carotenoit có gam màu từ vàng đến đỏ và có bản chất izoprenoit polyene dẫn xuất từ lycopen. Các loại carotenoit thông thường chiếm tới 0,1% trọng lượng khô vi tảo nhưng ở một số loài, β-caroten chiếm tới 5% trọng lượng khô (Amphidinium carterae), hoặc thậm chí tới 14% (Dunaliella salina). Tảo Haematococcus plyvialis lại tích lũy nhiều astaxanthin. Carotenoit được sử dụng vào nhiều mục đích khác nhau. Ví dụ chúng được coi là chất màu thực phẩm có nguồn gốc tự nhiên, là tác nhân làm tăng màu sắc cho thịt cá hồi và lòng đỏ trứng gà cũng như tăng thể trạng và khả năng sinh sản ở gia súc nuôi nhốt. β-caroten còn được coi là chất kích thích sinh trưởng ngăn ngừa ung thư và làm sáng mắt. Hiện nay chúng ta biết khoảng 400 loại carotenoit, nhưng trong số này chỉ có một ít loại được thương mại hóa dưới dạng chất màu thực phẩm như β-caroten, lycopene, cryptoxanthin… 18 Trong cơ thể tảo, carotenoit đóng vai trò như sắc tố bổ trợ quang hợp và là tác nhân bảo vệ tế bào khỏi tác hại của cường độ ánh sáng quá cao. Phycobiliprotein là những chất màu tự nhiên có nhiều trong tảo đỏ trong khi tảo lam chứa C-phycocyamin, C-phycocerythrin và allophycocyanin. Đa số các loài tảo này chứa nhiều Phycobiliprotein nhưng hàm lượng của chúng bị phụ thuộc khá nhiều vào yếu tố ngoại cảnh như cường độ và chất lượng ánh sáng, dinh dưỡng Nitơ. Việc ứng dụng khả năng huỳnh quang của các sắc tố này để đánh dấu kháng thể đơn dòng trong nghiên cứu miễn dịch là hướng có triển vọng. Mặt khác phycocyanin và β-caroten được biết đến như những yếu tố nâng cao đề kháng bệnh ung thư. Cùng với một số carotenoit, sắc tố đỏ và lam hiện nay đang được khai thác như những chất màu thực phẩm có giá trị. - Carbonhydrat Vi tảo chứa khối lượng lớn carbonhydrat dưới dạng sản phẩm dự trữ (tinh bột, glycogen) hoặc các chất điều chỉnh thẩm thấu (glyxerol, trehalose…). Chẳng hạn một số loài tảo lam sản xuất trehalose, glucose, sucrose, trong khi một số loài tảo lục lại chứa sucore, glutamate, sorbotol và glyxerol. Một số vi tảo biển khác sản xuất các loại đường mannitol, mannose. - Chất chống oxy hóa Có thể liệt kê một số chất chống oxy hóa có mặt trong sinh khối tảo như carotenoit (sắc tố); tocopherol, vitamin C (vitamin); superoxydismutase, catalase và glutaion peroxydase (enzym). Các vi tảo - nguồn các chất chống oxy hóa có triển vọng đang được khai thác là: - Dunaliella salina: để sản xuất β-caroten, - Haematococcus pluvialis: để sản xuất astaxanthin, - Porphyridium cruentum: để sản xuất Superoxydismutase (SOD). 2.3. Nguồn phân bón sinh học Phân bón chứa nitơ được coi là yếu tố hạn chế trong sản xuất lương thực. Người ta dự báo nhu cầu phân bón của các nước đang phát triển là khoảng gần 100 triệu tấn 19 hàng năm, trong đó 30% là phân nitơ. Với việc cố định nitơ từ không khí, tảo có vai trò rất quan trọng trong chu trình biến đổi nitơ. Tảo lam cố định đạm và tăng dộ phì nhiêu của đất. Hiện nay trên thế giới đang chú ý đến cố định đạm sinh học Rhizobium cộng sinh đã được chú ý cùng với những vi khuẩn sống tự do quanh rễ nhưng không cộng sinh như Pneudomonas, Bacillus, Azotobacter. Mặt khác người ta chú ý đến tảo lam gần một thế kỉ trước đây người ta đã biết đến sự cố định đạm của tảo này nhung đến năm 1928 Drewes mới chứng minh tảo lam thuần khiết (không có vi khuẩn) khả năng cố định đạm tự do. Tuyệt đại đa số nó thuộc họ Nostocacrae, Anabaenacrae, Seytonematacaea, Rivulaviacaea (G.M. Smith 1950) đó là những loài có tế bào dị hình. Những thực nghiệm gần đâycủa Venkataramann ở Ấn Độ đã chỉ ra nhiều tảo Lam không có tế bào dị hình có khả năng tổng hợp cố định đạm như Lyngbya, Oscillatoria, Phormidium. Ở bộ Oscillatoria có khoảng 250 loài có khả năng cố định đạm. Lượng đạm do tảo Lam cố định được rất lớn. Trong một năm trên 1ha được 14,5kg (Prasal, 1949) hoặc đến 22kg (Piocco, 1957). Đôi khi đến 79,3kg (De et Mandal, 1956) Thậm trí ở Califonia đến 53kh/ha/1tháng (Allen, 1956). Một lượng đáng kể, có khi đến 50% đạm cố định được thải ra môi trường dưới dạng chú yếu là polypeptide hoà tan trong nước và một lương nhỏ ammonia. Khả năng của cây trồng đồng hoá đạm do tảo thải là môi trường kém hơn khả năng đồng hoá đạm do sự thối rữa của chính cơ thể tảo tạo nên. Trên các cánh đồng có tảo Lam phát triển, chất hữu cơ được tích luỹ nhiều trong đất, khả năng giữ nước trong nước tăng lên 40% (Singh, 1950). Tảo làm cho muối độc, phèn ở các tầng dưới dâng lên bề mặt chậm hơn. Nhiều tác giả (De Singh, Watanabe, Venkataraman, Dutta, ...) đã chỉ ra rằng: ở các cánh đồng lúa và đất nhiệt độ tảo Lam là yếu tố chủ yếu tạo nên sự cân bằng đạm và sự mầu mỡ của đất đai. Tảo nâng cao hiệu quả của Azotobacter, kích thích sự phát triển của các loài vi khuẩn Azotobacter, Clostridium. Như vậy tảo đã kích thích hệ vi sinh vật cố định đạm. * Tảo lam cố định nitơ: Cho đến nay người ta biết tới 152 loài tảo lam (còn gọi là vi khuẩn lam) có khản năng cố định đạm. Các loài này được xếp vào 4 nhóm chính sau đây: 20