Tiểu luận Khảo sát môi trường tăng trưởng tối ưu và kiểm tra định tính lipid của vi tảo Tetraselmis

TỔNG LIÊN ĐOÀN LAO ĐỘNG VIỆT NAM TRƯỜNG ĐẠI HỌC TÔN ĐỨC THẮNG KHOA KHOA HỌC ỨNG DỤNG LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP KHẢO SÁT MÔI TRƯỜNG TĂNG TRƯỞNG TỐI ƯU VÀ KIỂM TRA ĐỊNH TÍNH LIPID CỦA VI TẢO TETRASELMIS Ngành : CÔNG NGHỆ SINH HỌC Sinh viên thực hiện : CAO HOÀNG SƠN Giáo viên hướng dẫn : ThS. LÊ THỊ MỸ PHƯỚC Niên khóa : 2004 - 2009 TP. HỒ CHÍ MINH, 08/2010 LỜI CẢM ƠN Để hoàn thành luận văn này, em xin gởi lời cảm ơn chân thành tới toàn thể các thầy cô trong bộ môn Công Nghệ Sinh Học, các thầy cô trong khoa Khoa Học Ứng Dụng trường ĐH Tôn Đức Thắng, đã tận tình dạy dỗ giúp đỡ em trong suốt quá trình học tập tại trường. Em xin gửi đến cô, ThS. Lê Thị Mỹ Phước , lời cảm ơn sâu sắc nhất. Cô đã truyền đạt cho em những kiến thức, hướng dẫn và tạo điều kiện thuận lợi nhất để em hoàn thành luận văn này. Xin chân thành cảm ơn anh Trương Huy Hoàng, người đã trực tiếp hướng dẫn và tận tình chỉ bảo trong suốt quá trình thực hiện luận văn Chân thành cảm ơn Các anh chị trong phòng thí nghiệm chuyển hóa sinh học - Đại học Khoa Học Tự Nhiên đã tận tình góp ý, chỉ bảo và tạo điều kiện thuận lợi cho em từ khi mới vào phòng cho đến lúc hoàn thành luận văn. Con xin cảm ơn ba mẹ, cảm ơn dì Minh cùng đại gia đình đã là nguồn động viên tinh thần lớn giúp con vượt qua giai đoạn khó khăn này. Tôi xin gửi lời cảm ơn đến: Các bạn lớp 08SH và các em lớp 09SH đã quan tâm, ủng hộ, hỗ trợ và đóng góp ý kiến trong quá trình thực hiện luận văn. Chân thành cảm ơn bạn Lê Ngọc Tuấn đã đồng hành cùng tôi trong suốt thời gian qua! Mặc dù đã nỗ lực, cố gắng hoàn thiện đề tài nhưng không tránh khỏi những sai sót. Rất mong sẽ nhận được những lời góp ý từ quý thầy cô, các anh chị và các bạn để đề tài được hoàn chỉnh hơn. Xin chân thành cảm ơn! Tp. Hồ Chí Minh, tháng 08 năm 2010 Cao Hoàng Sơn Luận văn tốt nghiệp đại học khóa 08 SVTH: Cao Hoàng Sơn Ngành công nghệ sinh học nông nghiệp i MỤC LỤC Trang Mục lục ........................................................................................................................... i Danh mục bảng .................................................................................................................... v Danh mục hình..................................................................................................................... vi Danh mục biểu đồ .............................................................................................................. vii CHƯƠNG 1: MỞ ĐẦU 1.1. Đặt vấn đề ............................................................................................. 1 1.2. Mục tiêu đề tài...................................................................................... 2 CHƯƠNG 2 : TỔNG QUAN TÀI LIỆU 2.1. Giới thiệu chung về tảo ................................................................................ 3 2.1.1. Các dạng cấu trúc cơ thể. ............................................................................. 3 2.1.1.1. Cấu trúc đơn giản............................................................................................ 3 2.1.1.2. Cấu trúc amíp.................................................................................................. 4 2.1.1.3. Cấu trúc palmella ............................................................................................ 4 2.1.1.4. Cấu trúc hạt ..................................................................................................... 4 2.1.1.5. Cấu trúc dạng sợi ............................................................................................ 4 2.1.1.6. Cấu trúc dạng bản ........................................................................................... 5 2.1.1.7. Cấu trúc ống (siphon) ..................................................................................... 5 2.1. 2. Thành phần cấu tạo. ..................................................................................... 5 2.1.2.1. Màng tế bào .................................................................................................... 5 2.1.2.2. Chất nguyên sinh ............................................................................................ 6 2.1.2.3. Thể màu và chất dự trữ ................................................................................... 6 2.1.2.4. Không bào....................................................................................................... 6 2.1.2.5. Roi .................................................................................................................. 7 2.1.2.6. Điểm mắt. ...................................................................................................... 7 2.1.3 Sinh sản ......................................................................................................... 7 2.1.3.1 Sinh sản sinh dưỡng. ....................................................................................... 7 2.1.3.2. Sinh sản vô tính .............................................................................................. 8 Luận văn tốt nghiệp đại học khóa 08 SVTH: Cao Hoàng Sơn Ngành công nghệ sinh học nông nghiệp ii 2.1.3.3. Sinh sản hữu tính ........................................................................................... 8 2.1.4. Dinh dưỡng ở tảo .......................................................................................... 10 2.1.4.1. Dinh dưỡng carbon ......................................................................................... 11 2.1.4.2. Dinh dưỡng nitơ .............................................................................................. 13 2.1.4.3. Dinh dưỡng phốt pho ...................................................................................... 16 2.1.4.4. Dinh dưỡng vi lượng ...................................................................................... 16 2.1.5. Ảnh hưởng của một số yếu tố ngoại cảnh đến sinh trưởng và phát triển của tảo ............................................................................................................... 17 2.1.5.1. Ánh sáng ......................................................................................................... 17 2.1.5.2. Nhiệt độ ......................................................................................................... 18 2.1.5.3. Độ mặn ........................................................................................................... 18 2.1.5.4. Ảnh hưởng của pH. ......................................................................................... 19 2.1.6. Phân bố .......................................................................................................... 20 2.2. Giới thiệu chung về tảo Tetraselmis ........................................................... 21 2.2.1. Vị trí phân loại ................................................................................................ 21 2.2.2. Đặc điểm sinh học ......................................................................................... 21 2.3. Sơ lược về công nghệ sản xuất đại trà vi tảo .............................................. 24 2.3.1. Lịch sử nghiên cứu ......................................................................................... 24 2.3.2. Các kiểu bể nuôi trồng tảo .............................................................................. 25 2.3.2.1. Hệ thống bể nông (shallowponds) ................................................................. 26 2.3.2.2. Hệ thống bể dài (Rayceways) ........................................................................ 26 2.3.2.3. Hệ thống nghiêng (cascade) .......................................................................... 27 2.3.2.4. Hệ thống bể phản ứng quang sinh dạng ống ................................................. 27 2.3.2.5. Hệ thống bể lên men ...................................................................................... 28 2.3.3. Tách sinh khối .............................................................................................. 28 2.3.3.1. Phương pháp li tâm ........................................................................................ 28 2.3.3.2. Phương pháp lọc ............................................................................................. 29 2.3.3.3 Phương pháp tạo bông .................................................................................... 29 2.3.4. Sấy sinh khối ................................................................................................. 30 2.3.4.1. Phương pháp sấy phun .................................................................................... 30 2.3.4.2. Sấy mặt trời..................................................................................................... 31 Luận văn tốt nghiệp đại học khóa 08 SVTH: Cao Hoàng Sơn Ngành công nghệ sinh học nông nghiệp iii 2.3.4.3. Phương pháp sấy đông khô ............................................................................. 31 2.4. Sơ lược về nhiên liệu sinh học ...................................................................... 31 2.4.1. Định nghĩa ..................................................................................................... 31 2.4.2. Phân loại nhiên liệu sinh học ....................................................................... 31 2.4.3. Biodiesel ......................................................................................................... 32 2.4.3.1. Biodiesel là gì? ............................................................................................... 32 2.4.3.2. Lịch sử phát triển của Biodiesel ..................................................................... 32 2.4.3.3. Ưu và nhược điểm của Biodiesel .................................................................... 33 2.4.3.4 Những nguồn nguyên liệu để sản xuất Biodiesel ở Việt Nam ....................... 35 CHƯƠNG 3: VẬT LIỆU VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 3.1. VẬT LIỆU VÀ MÔI TRƯỜNG .................................................................. 36 3.1.1. Đối tượng nghiên cứu ................................................................................... 36 3.1.2. Địa điểm thí nghiệm .................................................................................... 36 3.1.3. Hóa chất ......................................................................................................... 36 3.1.4. Thiết bị ........................................................................................................... 36 3.1.5. Môi trường .................................................................................................... 37 3.1.5.1. Môi trường F/2 ............................................................................................... 37 3.1.5.2. Môi trường Walne .......................................................................................... 38 3.1.5.3. Môi trường Walne TM ................................................................................... 40 3.1.5.4. Môi trường TT3 .............................................................................................. 41 3.2. Phương pháp nghiên cứu ............................................................................. 41 3.2.1. Chuẩn bị các dụng cụ thí nghiệm ................................................................ 41 3.2.2. Bố trí thí nghiệm ........................................................................................... 41 3.2.2.1. Thí nghiệm 1 ................................................................................................... 41 3.2.2.2. Thí nghiệm 2 ................................................................................................... 45 3.3. Phương pháp xác định các chỉ tiêu ............................................................. 45 3.3.1. Xác định mật độ tế bào................................................................................. 45 3.3.2. Xác định độ mặn ........................................................................................... 46 3.3.3. Phương pháp định tính lipid........................................................................ 47 CHƯƠNG 4: KẾT QUẢ VÀ BIỆN LUẬN 4.1. Thí nghiệm 1.................................................................................................. 49 Luận văn tốt nghiệp đại học khóa 08 SVTH: Cao Hoàng Sơn Ngành công nghệ sinh học nông nghiệp iv 4.1.1. Phương trình đường tuyến tính giữa mật độ và độ hấp thu ..................... 49 4.1.2. Tăng trưởng của tảo tetraselmis trên các môi trường thử nghiệm .......... 50 4.1.3. So sánh tăng trưởng của tảo tetraselmis trên 4 môi trường ..................... 54 4.1.4. Thảo luận ...................................................................................................... 55 4.2. Thí nghiệm 2: Kiểm tra định tính lipid ...................................................... 56 CHƯƠNG 5: KẾT LUẬN VÀ ĐỀ NGHỊ Kết Luận ....................................................................................................... 58 Đề nghị ........................................................................................................... 58 TÀI LIỆU THAM KHẢO Tài liệu tiếng Việt .......................................................................................... 60 Tài liệu tiếng anh .......................................................................................... 60 Tài liệu Internet ............................................................................................ 60 PHỤ LỤC Phụ lục .......................................................................................................... 62 Luận văn tốt nghiệp đại học khóa 08 SVTH: Cao Hoàng Sơn Ngành công nghệ sinh học nông nghiệp v DANH MỤC BẢNG Trang Bảng 2.1. Danh mục một số nguyên tố cần cho sinh trưởng của tảo .............................. 11 Bảng 2.2 Một số phương pháp sấy sinh khối tảo ........................................................... 30 Bảng 3.1 Thành phần dinh dưỡng của môi trường F/2 .................................................. 37 Bảng 3.2 Thành phần khóang vi lượng đậm đặc của môi trường F/2 ............................ 37 Bảng 3.3 Thành phần vitamin đậm đặc của môi trường F/2 .......................................... 38 Bảng 3.4 Thành phần khoáng vi lượng đậm đặc của môi trường Walne....................... 38 Bảng 3.5 Thành phần vitamin đậm đặc môi trường Walne ........................................... 39 Bảng 3.6 Thành phần dinh dưỡng đậm đặc môi trường Walne ..................................... 39 Bảng 3.7 Thành phần dinh dưỡng môi trường Walne ................................................... 40 Bảng 3.8 Thành phần dinh dưỡng môi trường Walne TM ............................................ 40 Bảng 3.9 Thành phần môi trường TT3 .......................................................................... 41 Luận văn tốt nghiệp đại học khóa 08 SVTH: Cao Hoàng Sơn Ngành công nghệ sinh học nông nghiệp vi DANH MỤC HÌNH Trang Hình 2.1. Cấu trúc mônát dạng đơn bào ......................................................................... 4 Hình 2.1. Cấu trúc dạng hạt ............................................................................................ 4 Hình 2.3 Tảo Chaetophora ............................................................................................. 5 Hình 2.4. Tảo Bryopsis ................................................................................................... 5 Hình 2.5 Sinh sản hữu tính ở Dunaliella ....................................................................... 8 Hình 2.6. Tế bào tảo Tetraselmis dưới vật kính dầu ...................................................... 21 Hình 2.7 Quy trình công nghệ sản xuất đại trà vi tảo .................................................... 25 Hình 2.8. Hệ thống bể dài (rayceways) .......................................................................... 26 Hình 2.9. Mô hình bể nghiêng kiểu shetlik .................................................................... 27 Hình 2.10 Mô hình bể phản ứng quang sinh dạng ống .................................................... 27 Hình 2.11. Mô hình sản xuất tảo sạch vi khuẩn trong hệ thống kín ................................. 28 Hình 3.1 Địa điểm thí nghiệm ....................................................................................... 42 Hình 3.2 Sơ đồ bố trí thí nghiệm 1 ................................................................................ 44 Hình 3.3. Nhuộm mẫu tảo với Nile Blue A .................................................................... 45 Hình 3.4. Buồng đếm hồng cầu ..................................................................................... 45 Hình 3.5. Máy đo OD ..................................................................................................... 46 Hình 3.6. Tỷ trọng kế...................................................................................................... 46 Hình 3.7. Công thức Nile Blue A ................................................................................... 47 Hình 3.8. Sơ đồ quang học của máy phân tích hùynh quang ......................................... 47 Hình 4.1 Tetraselmis sau 1 tuần nuôi ............................................................................ 55 Hình 4.2. Định tính lipid trong tetraselmis ..................................................................... 57 Hình 4.3. Mẫu đối chứng ................................................................................................ 57 Hình 4.4. Quy trình sản xuất Biodiesel từ tảo ................................................................ 61 Luận văn tốt nghiệp đại học khóa 08 SVTH: Cao Hoàng Sơn Ngành công nghệ sinh học nông nghiệp vii DANH MỤC BIỂU ĐỒ Biểu đồ 4.1 Đường tuyến tính giữa độ hấp thu ánh sáng và mật độ của tảo Tetraselmis .................................................................................... 49 Biểu đồ 4.2 Đường cong tăng trưởng của Tetraselmis trên môi trường F/2 ...................... 50 Biểu đồ 4.3 Đường cong tăng trưởng của Tetraselmis trên môi trường TT3 .................... 51 Biểu đồ 4.4 Đường cong tăng trưởng của Tetraselmis trên môi trường Walne ................. 52 Biểu đồ 4.5 Đường cong tăng trưởng của Tetraselmis trên môi trường Walne TM .................................................................................................. 53 Biểu đồ 4.6 Đường cong tăng trưởng của Tetraselmis trên 4 môi trường ......................... 54 CHƯƠNG 1: MỞ ĐẦU Luận văn tốt nghiệp đại học khóa 08 SVTH: Cao Hoàng Sơn Ngành công nghệ sinh học nông nghiệp 1 CHƯƠNG 1: MỞ ĐẦU 1.1. Đặt vấn đề Tetraselmis hay còn gọi là platymonas, được biết đến đầu tiên là loài vi tảo biển dùng làm thức ăn có chất lượng cao cho ấu trùng các loài nhuyễn thể như trai, sò, ngao, hàu,…Ngày nay, tảo Tetraselmis được biết đến như là nguồn lipid tự nhiên, với hàm lượng lipid khá lớn, rất thuận lợi để sản xuất nhiên liệu sinh học. Trong bối cảnh hiện nay, cùng với sự phát triển như vũ bão của quá trình công nghiệp hóa là sự khai thác quá mức những nguồn tài nguyên thiên nhiên, đặc biệt là nguồn nhiên liệu hóa thạch, điều đó đã khiến cho nguồn năng lượng truyền thống (dầu mỏ, than đá, khí thiên nhiên) ngày càng cạn kiệt. Cụ thể theo thông tin của EU (tháng 1/2007), tiêu thụ năng lượng toàn cầu sẽ tăng lên gấp đôi từ 10 tỉ tấn quy ra dầu / năm thành 22 tỉ tấn quy ra dầu / năm đến năm 2050. Giáo sư Nghê Duy Đấu, viện sĩ công trình đại học Thanh Hoa (Bắc Kinh) cho biết theo bộ năng lượng Mỹ và ủy ban năng lượng thế giới dự báo nguồn năng lượng hóa thạch không còn nhiều: dầu mỏ còn 39 năm, khí thiên nhiên 60 năm, than đá 111 năm. Theo Trung tâm năng lượng ASEAN nhu cầu tiêu thụ năng lượng của khu vực này năm 2002 là 280 triệu tấn và tăng lên 583 triệu tấn vào năm 2020. Indonesia là nước có nguồn năng lượng hóa thạch lớn nhất trong các nước ASEAN, tuy nhiên hiện nay dầu mỏ dự trữ của họ chỉ còn trong khoảng 25 năm, khí đốt 60 năm và than đá 150 năm. Trước tình hình đó, thì nhiên liệu sinh học được xem như một dạng năng lượng mới đầy tiềm năng bởi khả năng tái tạo của nó và hơn hết đây là nguồn năng lượng “sạch”, không độc hại và dễ dàng phân hủy trong tự nhiên. Có nhiều dạng nhiên liệu sinh học khác nhau, trong đó, tảo nổi lên như một nguyên liệu có triển vọng nhất để sản xuất nhiên liệu sinh học nhờ những đặc điểm nổi bật sau: - Tảo không cạnh tranh với đất trồng cho thực vật - Vòng đời ngắn, năng suất cao, khả năng chuyển hóa cao - Thích hợp với quy mô công nghiệp. - Tảo có thể tồn tại ở bất cứ nơi nào có đủ ánh sáng, kể cả vùng hoang hóa, nước mặn, nước thải, lại có khả năng làm sạch môi trường nước thải. Luận văn tốt nghiệp đại học khóa 08 SVTH: Cao Hoàng Sơn Ngành công nghệ sinh học nông nghiệp 2 - Tảo có hàm lượng dầu cao, dùng vi tảo có lợi hơn các loại cây lấy dầu khác do năng suất dầu cao gấp 19 – 23 lần trên cùng một diện tích đất trồng. - Phần sinh khối sau khi chiết lấy dầu là nguồn lợi kinh tế rất lớn. Vì vậy, việc tìm ra môi trường giúp nhân nhanh sinh khối tảo Tetraselmis để sản xuất đại trà là rất cần thiết và đề tài “khảo sát môi trường tăng trưởng tối ưu và kiểm tra định tính lipid của vi tảo Tetraselmis” được tiến hành. Đây là một phần của đề tài trọng điểm ĐHQG của phòng thí nghiệm chuyển hóa sinh học do cô Ths. Lê Thị Mỹ Phước làm chủ nhiệm. 1.2. Mục tiêu đề tài - khảo sát một số môi trường giúp tăng sinh sinh khối tảo tetraselmis. Nhằm xác định môi trường tốt nhất để nuôi trồng tảo tetraselmis phục vụ công tác giữ giống, nghiên cứu loài tảo này trong phòng thí nghiệm và dần tiến xa hơn đến việc nuôi trồng đại trà với quy mô lớn. - Xác định định tính lượng lipid có trong tảo tetraselmis. Nhằm tạo tiền đề cho các đề tài kế tiếp trong việc tạo stress giúp tăng lượng lipid, phục vụ cho đề tài nghiên cứu cấp nhà nước về chiết xuất dầu từ tảo để sản xuất nhiên liệu sinh học (bio diesel). CHƯƠNG 2: TỔNG QUAN TÀI LIỆU Luận văn tốt nghiệp đại học khóa 08 SVTH: Cao Hoàng Sơn Ngành công nghệ sinh học nông nghiệp 3 CHƯƠNG 2: TỔNG QUAN TÀI LIỆU 2.1. Giới thiệu chung về tảo Tảo (algae) là một nhóm sinh vật thuộc vào giới thực vật, rất đa dạng, khó định nghĩa một cách thật chính xác. Tảo là những thực vật bậc thấp, nghĩa là những thực vật bào tử, có tản (cơ thể chưa phân thành thân, lá, rễ) tế bào của chúng chứa diệp lục và sống chủ yếu ở trong nước. Tảo có cấu trúc hết sức đa dạng, bao gồm những dạng đơn bào, tập đoàn và đa bào với những loài kích thước lớn và có cấu tạo khác nhau , ví dụ một số lớn tảo nâu (Phaeophycota)có thể đạt kích thước tương đương với một cây nhỏ. Tuy là những sinh vật tương đối đơn giản nhưng ngay trong những tế bào nhỏ nhất cũng có thể thấy sự thể hiện hoàn hảo ở cấp độ tế bào. Khả năng sinh sản và cấu tạo cơ quan sinh sản rất sai khác. Màu sắc của tảo cũng không giống nhau, bởi vì ngoài diệp lục, tảo còn mang nhiều loại chất màu và che khuất diệp lục. Những tảo đang tồn tại không phải là nhóm cơ thể đồng đều, thống nhất về cơ thể và nguồn gốc. Hiện nay tảo được xác nhận là tập hợp của một số ngành thực vật đặc biệt, độc lập về nguồn gốc và tiến hóa. Mỗi một ngành tảo trong hệ thống phân loại tương ứng với ngành vi khuẩn hay ngành nấm. Như vậy, từ “tảo” có ý nghĩa sinh học lớn, bao gồm các thực vật bậc thấp có diệp lục, sống chủ yếu ở trong nước. [3] 2.1.1. Các dạng cấu trúc cơ thể Cơ thể của tảo rất đa dạng, khác nhau về hình thái và kích thước. chỉ ở tảo nâu và tảo hồng, cơ quan dinh dưỡng của chúng có cấu trúc phức tạp , còn các ngành tảo khác cơ thể của chúng rất đơn giản. Trong quá trình của chủng loại phát sinh luôn luôn có sự lặp lại của những dạng cấu trúc đơn giản, chỉ rõ sự tiến hóa của tảo đi từ đơn giản đến phức tạp. 2.1.1.1. Cấu trúc đơn giản (mônat) (từ chữ la tinh monas có nghĩa là đơn độc) Có đặc điểm ở chỗ tế bào có roi. Phần lớn tế bào thường có hai roi (ít khi 1 hay 4 hay nhiều hơn) nên có khả năng di chuyển. tế baò có hình trái xoan thuôn, hình quả lê hay gần như tròn, các dạng khác ít hơn. Tảo có thể là đơn bào hay tập đoàn, được cấu thành từ một số hay nhiều tế bào hầu như giống nhau về hình dạng và chức phận. Luận văn tốt nghiệp đại học khóa 08 SVTH: Cao Hoàng Sơn Ngành công nghệ sinh học nông nghiệp 4 cấu trúc monas này quan sát thấy trong suốt cả quá trình dinh dưỡng của những tảo đơn giản , còn ở những tảo có tổ chức cao hơn thường chỉ có ở những giai đoạn sinh sản vô tính (như động bào tử) hay sinh sản hữu tính (