Luận văn Thạc sĩ Sinh học: Khảo sát ảnh hưởng của pH đến sự sinh trưởng và sinh lý của tảo silic Entomoneis sp.

Chia sẻ: _ _ | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:83

Thêm vào BST

Báo xấu

34
lượt xem 4
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Đề tài nghiên cứu cách chiết ADN tổng số tảo silic Entomoneis sp., sử dụng gen chỉ thị rbcL-3P, xây dựng và phân tích cây phát sinh loài; xây dựng đường cong tăng trưởng, tốc độ tăng trưởng, năng suất sinh khối của tảo silic Entomoneis sp. với các mật độ ban đầu khác nhau; khảo sát ảnh hưởng của các giá trị pH khác nhau đến mật độ tế bào, hiệu suất lượng tử tối đa của quang hệ II (Fv/ Fm).

Chủ đề:

Bình luận(0) Đăng nhập để gửi bình luận!

Lưu

Nội dung Text: Luận văn Thạc sĩ Sinh học: Khảo sát ảnh hưởng của pH đến sự sinh trưởng và sinh lý của tảo silic Entomoneis sp.

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH Nguyễn Huỳnh Như KHẢO SÁT ẢNH HƯỞNG CỦA pH ĐẾN SỰ SINH TRƯỞNG VÀ SINH LÝ CỦA TẢO SILIC Entomoneis sp. LUẬN VĂN THẠC SĨ SINH HỌC Thành phố Hồ Chí Minh - 2019
BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH Nguyễn Huỳnh Như KHẢO SÁT ẢNH HƯỞNG CỦA pH ĐẾN SỰ SINH TRƯỞNG VÀ SINH LÝ CỦA TẢO SILIC Entomoneis sp. Chuyên ngành: Sinh thái học Mã số: 8420120 LUẬN VĂN THẠC SĨ SINH HỌC NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: TS. NGUYỄN ĐỨC HƯNG Thành phố Hồ Chí Minh - 2019
LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan đây là đề tài nghiên cứu do chính bản thân tôi thực hiện, các số liệu, kết quả trình bày trong luận văn là hoàn toàn chính xác, trung thực và chưa từng có ai công bố. Tôi xin hoàn toàn chịu trách nhiệm về những kết quả đã nêu trong luận văn này. Tác giả Nguyễn Huỳnh Như
LỜI CẢM ƠN Để có được kết quả như ngày hôm nay, trước tiên tôi xin gửi lời cảm ơn chân thành tới Ban chủ nhiệm Khoa cùng các quý thầy cô trong Khoa Sinh học - Trường Đại học Sư phạm Tp. Hồ Chí Minh đã giúp đỡ tôi hoàn thành chương trình học và thực hiện công tác nghiên cứu. Tôi xin bày tỏ lòng biết ơn đến TS Nguyễn Đức Hưng - người đã tận tình hướng dẫn tôi trong suốt quá trình thực hiện đề tài. Đồng thời, tôi xin chân thành cảm ơn đến em Nguyễn Văn Duy cùng các em sinh viên ở phòng thí nghiệm Sinh học - Khoa Sư phạm Khoa học Tự nhiên - Trường Đại học Sài Gòn đã hết lòng giúp đỡ và chuẩn bị dụng cụ thí nghiệm cho tôi thực hiện đề tài. Cuối cùng, tôi xin bày tỏ lòng biết ơn tới tất cả những người thân trong gia đình, bạn bè cùng lớp đã giúp đỡ, động viên tôi về mặt vật chất cũng như tinh thần để tôi có thể hoàn thành đề tài của mình. TP. Hồ Chí Minh, tháng 3 năm 2019 HỌC VIÊN Nguyễn Huỳnh Như
MỤC LỤC Trang phụ bìa Lời cam đoan Lời cảm ơn Mục lục Danh mục từ viết tắt Danh mục hình MỞ ĐẦU .......................................................................................................................1 Chương 1. TỔNG QUAN ............................................................................................4 1.1. Tổng quan về tảo silic.............................................................................................4 1.1.1. Đặc điểm về hình thái và cấu tạo tế bào .......................................................4 1.1.2. Đặc điểm sinh trưởng ....................................................................................5 1.1.3. Các hình thức sinh sản ..................................................................................8 1.1.4. Sự thích ứng phù du của tảo silic ................................................................10 1.1.5. Tính sinh thái của một số tảo silic tiêu biểu ...............................................10 1.1.6. Vai trò của tảo silic .....................................................................................11 1.2. Một số yếu tố môi trường ảnh hưởng đến sinh trưởng và phát triển của tảo silic .......12 1.2.1. Ánh sáng .....................................................................................................12 1.2.2. Nhiệt độ .......................................................................................................12 1.2.3. Thành phần dinh dưỡng ..............................................................................13 1.2.4. Độ mặn ........................................................................................................14 1.2.5. Yếu tố pH ....................................................................................................15 1.3. Tổng quan về chi tảo Entomoneis ........................................................................16 1.3.1. Vị trí phân loại chi tảo Entomoneis ............................................................16 1.3.2. Lược sử nghiên cứu về vi tảo ......................................................................17 1.3.3. Ứng dụng thực tiễn của một số loài thuộc chi tảo Entomoneis ..................20 Chương 2. VẬT LIỆU VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU ..............................21 2.1. Thời gian, địa điểm và vật liệu nghiên cứu ..........................................................21 2.1.1. Thời gian nghiên cứu ..................................................................................21 2.1.2. Địa điểm nghiên cứu ...................................................................................21 2.1.3. Vật liệu nghiên cứu .....................................................................................21 2.2. Phương pháp nghiên cứu ......................................................................................22
2.2.1. Sơ đồ khối nội dung nghiên cứu .................................................................22 2.2.2. Chuẩn bị dụng cụ thí nghiệm, môi trường và nguồn giống ........................22 2.2.3. Định danh phân tử tảo Entomoneis sp. bằng mã vạch ADN ......................23 2.2.4. Xác định mật độ tế bào tảo silic Entomoneis sp. ........................................26 2.2.5. Xác định thời gian thế hệ và tốc độ tăng trưởng .........................................28 2.2.6. Đo hiệu suất lượng tử tối đa của quang hệ II ..............................................29 2.2.7. Xác định pH của dịch nuôi tảo....................................................................30 2.2.8. Bố trí thí nghiệm .........................................................................................30 2.2.9. Phương pháp xử lý số liệu ..........................................................................31 Chương 3. KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN ................................................................32 3.1. Kết quả phân tích trình tự vùng gen rbcL-3P của Entomoneis sp. .......................32 3.1.1. Kết quả tách chiết ADN tổng số và khuếch đại vùng gen rbcL-3P bằng kĩ thuật PCR ...............................................................................................32 3.1.2. Kết quả phân tích trình tự sau khi hiệu chỉnh .............................................33 3.1.3. Xây dựng cây phát sinh chủng loài đối với trình tự rbcL-3P .....................35 3.2. Ảnh hưởng của mật độ ban đầu đến sự sinh trưởng của tảo silic Entomoneis sp. trong môi trường F/2 ............................................................................36 3.2.1. Đường cong tăng trưởng của tảo silic Entomoneis sp. ...............................36 3.2.2. Màu sắc dịch nuôi tảo silic Entomoneis sp. trong môi trường F/2 .............39 3.2.3. Tốc độ tăng trưởng, năng suất sinh khối của Entomoneis sp. ....................40 3.3. Ảnh hưởng của pH đến sự sinh trưởng và sinh lý của Entomoneis sp. ................42 3.3.1. Ảnh hưởng của pH đến sự sinh trưởng của Entomoneis sp. .......................42 3.3.2. Sự biến thiên pH qua các ngày với giá trị pH ban đầu khác nhau ..............48 3.3.3. Ảnh hưởng của pH đến hiệu suất lượng tử tối đa của Entomoneis sp. .......49 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ .....................................................................................52 TÀI LIỆU THAM KHẢO ...........................................................................................53 PHỤ LỤC
DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT STT Ký hiệu Tiếng Anh Tiếng Việt 1 BM Biomass productivity Năng suất sinh khối 2 bp Base pair Cặp Base Thời gian phân chia mỗi 3 Dd Division per day ngày Variable chlorophyll fluorescence/ Hiệu suất lượng tử tối đa 4 Fv/ Fm maximal chlorophyll fluorescence của quang hệ II 5 N Ngày 6 OD Optical density Mật độ quang 7 PSII Photosystem II Quang hệ II 8 SD Standard Deviation Độ lệch chuẩn 9 SEM Scanning Electron Microscopy Kính hiển vi điện tử quét 10 td Doubling time Thời gian thế hệ 11 tb Tế bào 12 μ Growth rate Tốc độ tăng trưởng
DANH MỤC HÌNH Hình 1.1. Cấu trúc vỏ tảo silic .....................................................................................4 Hình 1.2. Các pha tăng trưởng của tảo.........................................................................6 Hình 1.3. Sơ đồ biểu diễn sự thay đổi huỳnh quang ....................................................8 Hình 1.4. Vòng đời của tảo silic với sinh sản vô tính và hữu tính ...............................9 Hình 2.1. Hình thái tảo Entomoneis sp., thanh thước tỉ lệ ứng với 10 μm ................21 Hình 2.2. Sơ đồ mô tả các bước nghiên cứu trong đề tài ...........................................22 Hình 2.3. Thiết bị thu sinh khối tảo ...........................................................................23 Hình 2.4. Sơ đồ thiết kế mồi để khuếch đại trình tự gen rbcL-3P .............................24 Hình 2.5. Thiết bị buồng đếm hồng cầu xác định mật độ tảo ....................................27 Hình 2.6. Mối tương quan tuyến tính giữa mật độ tế bào và độ hấp thụ ...................28 Hình 2.7. Thiết bị đo hiệu suất lượng tử tối đa của quang hệ II ................................30 Hình 2.8. Thiết bị đo pH ............................................................................................30 Hình 3.1. Kết quả kiểm tra độ tinh sạch của ADN bằng Nanodrop ............................32 Hình.3.2 Kết quả điện di sản phẩm PCR vùng rbcL-3P của tảo silic Entomoneis sp. (1) và thang ADN chuẩn (2) ...........................................33 Hình 3.3. Kết quả tra cứu bằng kĩ thuật BLAST trên GenBank ................................ 34 Hình 3.4. Mô hình cây phát sinh của Entomoneis sp. phân tích bằng trình tự vùng gen rbcL-3P trong nghiên cứu này .................................................36 Hình 3.5. Đường cong tăng trưởng của Entomoneis sp. ở các mật độ ban đầu khác nhau .................................................................................................38 Hình 3.6. Màu sắc dịch nuôi Entomoneis sp. từ ngày 1 đến ngày 14 ........................ 40 Hình 3.7. Màu sắc dịch nuôi qua các ngày dưới ảnh hưởng của các mức pH khác nhau (từ trái sang phải mức pH tăng dần từ 6,0 - 8,5) ....................44 Hình 3.8. Đường cong sinh trưởng của tảo Entomoneis sp. với các giá trị pH khác nhau .................................................................................................45 Hình 3.9. Tốc độ tăng trưởng và năng suất sinh khối của Entomoneis sp. dưới các giá trị pH ban đầu khác nhau .............................................................47 Hình 3.10. Giá trị pH thay đổi qua các ngày .............................................................. 49 Hình 3.11. Chỉ số Fv/ Fm thay đổi qua các ngày ....................................................... 51
DANH MỤC BẢNG Bảng 1.1. Danh sách các chất dinh dưỡng cần thiết cấu tạo nên tảo silic ...................14 Bảng 2.1. Các thành phần có trong phản ứng khuếch đại trình tự rbcL-3P ................25 Bảng 2.2. Chu kì nhiệt khuếch đại trình tự rbcL-3P .................................................. 25 Bảng 3.1. Kết quả BLAST vùng gen rbcL-3P các mẫu tương đồng trên cơ sở dữ liệu của ngân hàng gen quốc gia Hoa Kì ............................................35 Bảng 3.2. Mật độ tế bào tảo silic Entomoneis sp. dưới ảnh hưởng của các mật độ ban đầu khác nhau...............................................................................37 Bảng 3.3. Mật độ tế bào cực đại của tảo silic Entomoneis sp. trong môi trường DAM và F/2 .............................................................................................39 Bảng 3.4. Tốc độ tăng trưởng, thời gian phân chia mỗi ngày, thời gian thế hệ và năng suất sinh khối của Entomoneis sp. ở các mật độ khác nhau .......40 Bảng 3.5. Mật độ tế bào của Entomoneis sp. với các giá trị pH khác nhau ................42 Bảng 3.6. Tốc độ tăng trưởng, năng suất sinh khối và thời gian phân chia của tảo silic Entomoneis sp. dưới tác động của pH khác nhau ......................46 Bảng 3.7. Giá trị pH biến thiên qua các ngày..............................................................48 Bảng 3.8. Chỉ số Fv/ Fm thay đổi qua các ngày với pH ban đầu khác nhau...............50
1 MỞ ĐẦU 1. Lí do chọn đề tài Vi tảo ở biển là những loài tảo đơn bào sống trôi nổi trong nước, có khả năng quang hợp tạo ra chất hữu cơ. Vì vậy, vi tảo được xem là một mắt xích quan trọng trong chuỗi thức ăn tự nhiên và giữ vai trò như hệ thống lọc sinh học giúp ổn định các thông số môi trường. Trong nuôi trồng thủy sản, vi tảo vô cùng quan trọng bởi nó là nguồn thức ăn cho động vật phù du, các loại ấu trùng, động vật thân mềm ăn lọc, cá bột và một số loài cá trưởng thành. Nếu thiếu vi tảo, mọi nguồn lợi hải sản không thể tồn tại vì không có nguồn thức ăn hữu cơ ban đầu [1]. Ngoài ra, nó còn góp phần bảo vệ môi trường nuôi thủy sản bằng cách tiêu thụ bớt lượng muối khoáng dư thừa hoặc được nuôi trồng công nghiệp để tạo ra nguồn thức ăn nuôi tôm hay thuốc bổ trợ giàu protein, vitamine, carotenoid, astaxanthine, các acid béo không bão hòa và vi khoáng dùng cho người,… Trong số các loài vi tảo biển, tảo silic chiếm khoảng 60% - 70% về thành phần loài và sinh khối [1]. Vì vậy, sự phân bố của tảo silic thường phản ánh khá đầy đủ xu thế chung của toàn bộ sinh vật phù du. Vỏ silic của tảo rất bền và không bị phân hủy sau khi tảo chết, số lượng lớn các mảnh vỏ này dần tích lũy ở đáy các thủy vực tạo thành lớp diatomid dày. Diatomid là loại nguyên liệu xốp, nhẹ, mịn được khai thác và sử dụng trong vận chuyển chất lỏng nitroglycerin, làm vật liệu lọc, xử lý ô nhiễm môi trường, vật liệu cách nhiệt, làm chất phụ gia trong sản xuất kem đánh răng, xi măng, phân bón,…[2]. Các tầng diatomid còn là cơ sở để xác định tuổi của lớp địa tầng và lịch sử của vỏ Trái đất từ cuối kỷ Jura cho đến nay. Ngày nay, vật liệu từ tảo silic cung cấp nhiều mặt hàng khác nhau từ sơn móng tay, vật liệu xây dựng, nhiên liệu sinh học và kiểm soát dịch hại. Ngoài ra, tảo silic còn nhiều ứng dụng khác như khám phá dầu, kiểm tra pháp y, chỉ thị môi trường, tạo mô hình sinh học, kiểm tra độc tính và dinh dưỡng của các hệ sinh thái dưới nước [3]. Đặc biệt, các loài trong chi tảo Entomoneis có giá trị kinh tế lớn, ứng dụng trong ngành dược phẩm, thực phẩm và được chứng minh có nguồn acid eicosapentaenoic (EPA) và acid arachidonic (ARA, 20:4ω6) cao [4]. Vì vậy, chi
2 tảo này rất có tiềm năng trong sản xuất EPA và ARA nhưng hiện nay có rất ít tài liệu nghiên cứu về các loài trong chi này. Từ lâu, nhiều tác giả trên thế giới cũng như Việt Nam đã quan tâm đến sự phân bố và phân loại tảo silic phù du ở biển. Có rất nhiều công trình nghiên cứu về sự sinh trưởng, hoạt động sinh lý, sinh khối, thành phần dinh dưỡng cũng như các yếu tố lí học ảnh hưởng đến sự sinh trưởng của tảo silic. Ngày nay, việc đốt nhiên liệu hóa thạch cũng như thay đổi mục đích sử dụng đất đã làm tăng khoảng 30% lượng khí carbon dioxide. Khí này vào đại dương kết hợp với nước làm tăng nồng độ ion hydro và đại dương trở nên có tính acid hơn. Vào năm 2100, giá trị pH có thể giảm 0,5 đơn vị. Acid hóa đại dương có thể gây nhiều tác động lớn đến vòng đời của một số loài cá, các loài động vật có vỏ, gây thiệt hại kinh tế toàn cầu và có thể gây xáo trộn toàn bộ hệ thống sinh học biển [5]. Nhìn chung, khi giá trị pH giảm thì độ phong phú của loài cũng giảm và thành phần loài có nhiều thay đổi sâu sắc. Từ những lí do trên, luận văn “Khảo sát ảnh hưởng của pH đến sự sinh trưởng và sinh lý của tảo silic Entomoneis sp.” được thực hiện. 2. Đối tượng nghiên cứu Tảo silic Entomoneis sp. được phân lập ở rừng ngập mặn Cần Giờ và đang lưu giữ tại phòng thí nghiệm Sinh học - Khoa Sư phạm Khoa học Tự nhiên - Trường Đại học Sài Gòn. Loài này đã được nuôi cấy trên môi trường nước biển nhân tạo (DAM), được khảo sát ảnh hưởng của chất kháng sinh - kháng nấm đến sự sinh trưởng [6]. 3. Mục tiêu nghiên cứu 1. Định danh tảo silic Entomoneis sp. 2. Khảo sát được ảnh hưởng của mật độ ban đầu đến sự sinh trưởng và sinh lý của tảo silic Entomoneis sp. 3. Xác định được giá trị pH thích hợp cho sự sinh trưởng và sinh lý của tảo silic Entomoneis sp. 4. Nội dung nghiên cứu 1. Tách chiết ADN tổng số tảo silic Entomoneis sp., sử dụng gen chỉ thị rbcL-3P, xây dựng và phân tích cây phát sinh loài. 2. Xây dựng đường cong tăng trưởng, tốc độ tăng trưởng, năng suất sinh khối
3 của tảo silic Entomoneis sp. với các mật độ ban đầu khác nhau. 3. Khảo sát ảnh hưởng của các giá trị pH khác nhau đến mật độ tế bào, hiệu suất lượng tử tối đa của quang hệ II (Fv/ Fm). 5. Đóng góp của luận văn Cung cấp dẫn liệu về sự sinh trưởng, sinh lý cũng như ảnh hưởng của pH đến tảo silic Entomoneis sp. phục vụ cho việc học tập, nghiên cứu cơ bản và nuôi trồng thủy sản. Cung cấp những tài liệu cần thiết để tiến hành các nghiên cứu di truyền sâu hơn về tảo silic Entomoneis sp.
4 Chương 1. TỔNG QUAN 1.1. Tổng quan về tảo silic 1.1.1. Đặc điểm về hình thái và cấu tạo tế bào Tảo silic là loại tảo đơn bào cỡ hiển vi, ở nhiều loài các tế bào nối với nhau thành chuỗi dài, một số sống riêng lẻ, một số ít loài dùng chất keo tiết ra bám vào các vật thể khác sống cố định, do tác động cơ học bị đứt gãy trôi đi sống phù du [1]. Các loài tảo silic khác biệt nhau bởi hình dạng và kết cấu hoa vân trên vỏ do đó căn cứ vào đặc điểm này chia nó thành hai nhóm: nhóm tảo silic trung tâm và nhóm tảo silic lông chim. Nhóm tảo silic trung tâm (Centrales): Vân hoa trên mặt vỏ tế bào sắp xếp theo dạng tỏa tia từ một điểm hoặc nhiều điểm làm trung tâm, không di động. Nhóm tảo silic lông chim (Pennales): Vân hoa trên mặt vỏ tế bào sắp xếp theo dạng đối xứng hai bên đối với trục dài hoặc tuyến giữa của mặt vỏ như dạng lông chim, có hoặc không có khả năng di động [1]. Tảo silic có nhiều hình dạng khác nhau: hình hộp tròn, hình trụ, hình trứng, hình que, hình cong chữ S,…Vỏ của tảo như cái hộp gồm hai nắp úp lồng vào nhau. Vỏ trên (Epitheca) lớn, vỏ dưới (Hypotheca) nhỏ. Mặt của vỏ trên và dưới là mặt vỏ (Valve). Phần vỏ thân của hộp là vòng vỏ (Girdle), phần vỏ trên và vỏ dưới lồng vào nhau là đai nối (Connesting band) hoặc đai vòng (Hình 1.1) [1]. Hình 1.1. Cấu trúc vỏ tảo silic [1] Tùy theo từng loài, tế bào có mặt vỏ hình tròn, hoặc hình bầu dục,…và do đó có ba trục khác nhau:
5 - Trục dài (Apical axis) còn gọi là trục đỉnh là chiều dài của mặt vỏ. Tế bào có mặt vỏ hình tròn thì trục dài cũng là đường kính, tế bào có mặt vỏ hình bầu dục thì trục dài là chiều dài của hình bầu dục. - Trục rộng (Transapical axis) còn gọi là trục cắt đỉnh là chiều rộng của mặt vỏ. Tế bào có mặt vỏ hình tròn thì trục rộng và trục dài bằng nhau và bằng đường kính, tế bào có mặt vỏ hình bầu dục thì trục rộng là chiều rộng của hình bầu dục. - Trục cao (Pervalvar axis) còn gọi là trục xuyên là chiều cao từ mặt vỏ trên tới mặt vỏ dưới của tế bào. Vỏ tế bào tảo silic được cấu tạo bởi hợp chất silic và pectin. Tùy theo mức độ nhiều hay ít của hợp chất silic mà vỏ tế bào dày cứng như ở những loài sống sát đáy hoặc vỏ tế bào mỏng manh như ở các loài hoàn toàn sống phù du. Hầu như vỏ tế bào của các loài tảo silic đều có cấu tạo hoa vân rất tinh vi, dưới dạng những lỗ nhỏ và những buồng nhỏ [1]. Thành phần các chất trong tế bào tảo silic gồm nhân (nucleus) thường nằm ở trung tâm tế bào. Trong tế bào tảo silic còn có trung thể (centrosome) do H L Smith quan sát thấy đầu tiên ở chi tảo Surirella là một hạt nhỏ, đường kính 1,5 - 2µm, nằm ở phần lõm của nhân hình thận. Chất nguyên sinh của tế bào tảo silic thường là khối lớn ở giữa tế bào, từ đó các sợi nối lớp chất nguyên sinh ở sát thành vỏ tế bào. Xen kẽ giữa các sợi chất nguyên sinh có thể thấy những hạt dầu nhỏ và không bào. Thể sắc tố thường phân bố ở sát mặt vỏ hoặc mặt vòng vỏ tế bào. Hình dáng và số lượng của chúng khác nhau tùy từng loài. Thông thường ở những tế bào tảo silic đang sống có màu nâu vàng do những sắc tố chlorophyll, phycoxanthin, phaeophin và diatomin tạo nên [1]. 1.1.2. Đặc điểm sinh trưởng - Sự sinh trưởng của tảo silic được nuôi cấy trong điều kiện thực nghiệm thường chia thành 5 pha (Hình 1.2) [7]
6 Hình 1.2. Các pha tăng trưởng của tảo [7] + Pha tiềm phát: Tảo thích nghi dần với môi trường, enzyme cảm ứng được hình thành cùng với các chất chuyển hóa liên quan đến sự phân chia và cố định carbon nên tốc độ tăng trưởng của quần thể diễn ra chậm. + Pha lũy thừa: Tảo hấp thụ chất dinh dưỡng mạnh, số lượng tảo silic tăng rất nhanh, tỉ lệ thuận với thời gian và tăng theo hàm logarit: Ct = C0.emt Ct: số lượng tế bào tại thời điểm t C0: số lượng tế bào tại thời điểm 0 m: tốc độ tăng trưởng t: thời gian + Pha giảm tốc độ tăng trưởng: Tốc độ tăng trưởng của quần thể tảo vẫn diễn ra nhưng chậm lại khi chất dinh dưỡng cạn kiệt và các yếu tố bên ngoài như ánh sáng, pH, CO2 không còn phù hợp. + Pha cân bằng: Tốc độ tăng trưởng của quần thể tảo được cân bằng, mật độ tế bào đạt cực đại và số lượng tương đối ổn định. + Pha suy vong: Tảo không thể duy trì sự tăng trưởng và mật độ tế bào giảm nhanh vì chất lượng nước suy giảm và chất dinh dưỡng cạn kiệt.
7 Do đó, để thu được sinh khối cao và chất lượng cần duy trì môi trường trong giai đoạn tăng trưởng theo cấp số nhân. Hơn nữa, giá trị dinh dưỡng của tảo thấp hơn khi nuôi cấy vượt quá ba pha do giảm khả năng tiêu thụ chất dinh dưỡng, thành phần dinh dưỡng của môi trường không đủ và các chất chuyển hóa độc hại được tạo ra. - Sự sinh trưởng của tảo liên quan chặt chẽ đến quá trình quang hợp. Định vị trên màng thylacoit có những phân tử sắc tố có khả năng điều khiển quá trình quang hợp, phát lại nhiệt hay phát huỳnh quang. Huỳnh quang chủ yếu được phát ra từ chlorophyll a của PSII. Huỳnh quang diệp lục đã được sử dụng để đánh giá thực trạng cấu trúc và chức năng của màng thylacoit. Nó phản ánh hoạt động của các quá trình khởi nguyên như sự hấp thụ ánh sáng, sự phân bố và vận chuyển năng lượng cũng như phản ánh trực tiếp hiệu suất của phản ứng quang hóa trong PSII. Các phản ứng quang hóa này phụ thuộc vào trạng thái oxi hóa khử của chất nhận điện tử đầu tiên của PSII và của các phức hệ vận chuyển điện tử khác của màng [8]. Để nghiên cứu ảnh hưởng của pH lên hoạt động của bộ máy quang hợp của Entomoneis nuôi ở các giá trị pH khác nhau, tác giả sử dụng phương pháp đo huỳnh quang diệp lục. Huỳnh quang phát ra bởi PSI khá nhỏ. Tuy nhiên, ở Cyanobacteria sự phát huỳnh quang của PSI và phycobilisomes thì nhiều hơn [9]. Phân tử chlorophyll hấp thụ ánh sáng chuyển sang trung tâm phản ứng (P680) sau đó truyền điện tử cho Quinnone A (QA) và trung tâm phản ứng bị oxi hóa. Huỳnh quang nhỏ nhất được xác định (Fo). Khi các trung tâm phản ứng đóng lại, chất nhận điện tử (QA) bị khử hoàn toàn và huỳnh quang lớn nhất được xác định (Fm). Huỳnh quang biến thiên (Fv) được sử dụng để đánh giá hiệu suất lượng tử của phản ứng quang hóa trong quá trình quang hợp. Giá trị Fv/ Fm được xác định bằng cách đo hiệu suất huỳnh quang tăng từ huỳnh quang tối thiểu đến huỳnh quang tối đa và giá trị này thường giảm với các stress môi trường (Hình 1.3). Mức độ stress cũng như khả năng phục hồi của bộ máy quang hợp phụ thuộc vào từng loài, trạng thái sinh lý và điều kiện môi trường.
8 Hình 1.3. Sơ đồ biểu diễn sự thay đổi huỳnh quang [9] 1.1.3. Các hình thức sinh sản Các loài tảo silic thường có vòng đời lưỡng tính và dạng lưỡng bội thường chiếm ưu thế hơn dạng đơn bội. Trong quá trình phân bào, nội chất lớn dần, hai mảnh vỏ tách ra theo trục dọc đường trung tuyến, mỗi nửa nội chất nhận một mảnh vỏ của tế bào mẹ rồi tổng hợp mảnh vỏ thứ hai. Vỏ mới rất mỏng, sau dày dần lên. Sinh sản vô tính bằng hình thức phân đôi sẽ dần dần làm giảm kích thước của tế bào vì sau một lần phân chia thì mỗi tế bào con được thừa hưởng một nắp vỏ của tế bào mẹ [1] (Hình 1.4). Tốc độ phân chia tế bào của tảo silic tùy theo từng loài và phụ thuộc vào môi trường, nhiều loài tế bào thường tiến hành phân chia vào ban đêm, cũng có những loài tế bào phân chia cả vào ban ngày. Trong những điều kiện môi trường thuận lợi đặc biệt, nhất là nhiệt độ và hàm lượng muối dinh dưỡng, mỗi giờ tế bào có thể phân chia xong một lần [1]. Tảo silic có thể tạo ra các giao tử sau khi chúng đạt đến kích thước tối thiểu và chúng lấy lại kích thước tối đa bằng cách hình thành bào tử sinh trưởng. Bào tử sinh trưởng hình thành sau khi hợp nhất tinh trùng và trứng [1][3].
9 Hình 1.4. Vòng đời của tảo silic với sinh sản vô tính và hữu tính [3] Tảo silic cũng hình thành bào tử ngủ để duy trì sự sống trong các điều kiện bất lợi của môi trường như thiếu chất dinh dưỡng, nhiệt độ nước quá cao hoặc quá thấp, muối dinh dưỡng bị thiếu…, nhất là vùng biển gần bờ. Những loài sống ở khu vực biển ấm thường sinh bào tử ngủ vào thời kỳ có nhiệt độ nước thấp [1]. Bào tử ngủ được sinh ra trong tế bào mẹ, thường xuất hiện sau khi tế bào phân chia. Vỏ của bào tử ngủ rất dày, gồm vỏ trên và vỏ dưới, tạo thành một hộp hình cầu hoặc hơi dẹt, trên mặt vỏ có gai hoặc trơn nhẵn. Hình dạng của bào tử ngủ và gai của chúng khác nhau tùy theo loài, do đó trong nhiều trường hợp có thể dùng làm căn cứ để định loại. Sau khi bào tử ngủ đã hình thành hoàn chỉnh, vỏ tế bào mẹ bị phá vỡ, bào tử thoát ra ngoài, chìm dần xuống đáy, khi điều kiện môi trường trở nên thích hợp sẽ phát triển thành tế bào mới [1]. Rất nhiều loài thuộc nhóm tảo silic trung tâm có hình thức sinh sản bằng bào tử nhỏ (microspore), ở nhóm tảo silic lông chim cũng có loài sinh sản bằng hình thức này nhưng vô cùng ít. Trong tế bào nhân phân chia nhiều lần, vỏ tế bào mẹ vẫn giữ nguyên, tạo thành nhiều bào tử nhỏ có dạng gần hình cầu. Số lượng bào tử nhỏ trong tế bào mẹ là số lũy thừa của 2 và ở mỗi loài cũng khác nhau, có thể là 2, 4, 8, 16 cái, thậm chí có trường hợp tới 128 cái như Gran đã thấy trong tế bào của loài tảo rễ ống
10 gai nhọn (Rhizosolenia styliformis). Các bào tử nhỏ có thể di động được nhờ tiên mao như ở loài tảo hình hộp Moobilien (Buddulphia mobiliensis) do Bergon phát hiện. Thường thường quan sát thấy bào tử nhỏ trong thời kì cũng có bào tử sinh trưởng, vì vậy nhiều tác giả đã cho rằng có thể chúng được hình thành do cùng một yếu tố kích thích và đều có quan hệ đến sự nhỏ dần lại của tế bào [1]. 1.1.4. Sự thích ứng phù du của tảo silic Hầu hết các loài tảo silic ở biển đều sống lơ lửng trong nước, đó là đặc điểm cơ bản khác với những thực vật khác. Tỷ trọng cơ thể của chúng hầu như bằng nước biển, hơi cao hơn đôi chút. Các cá thể tảo có xu hướng lắng dần xuống để giữ cho cơ thể luôn lơ lửng trong tầng nước thích hợp đủ ánh sáng, bảo đảm sự quang hợp thuận lợi nó phải tiến hành điều chỉnh tỷ trọng cơ thể [1]. Qua nghiên cứu của nhiều học giả cho thấy trong các tế bào tảo silic có thể hình thành những không bào hoặc những chất dịch có tỷ trọng nhẹ để tế bào nổi lên. Ở một số loài, các tế bào tiết ra chất keo nhẹ, dạng sợi nối các tế bào với nhau thành chuỗi dài. Rất nhiều loài tảo silic có tế bào dẹp, mỏng, rất dài và nối thành chuỗi hoặc các tế bào có phần phụ phức tạp, ở xung quanh mép mặt vỏ hoặc các cực của mép vỏ hình thành những lông gai dài tỏa ra hoặc những u lồi để liên kết với nhau thành chuỗi dài thẳng hoặc cong xoắn. Các lông gai ở các loài to nhỏ khác nhau, rất nhiều trường hợp lông gai rất to và dài, đối với những loài này phần tế bào chính trở thành rất nhỏ. Sự hình thành các phần phụ của tế bào, các tế bào nối thành chuỗi dài chính là làm tăng sự ma sát với nước, làm cho các cơ thể của nó khó lắng chìm [1]. 1.1.5. Tính sinh thái của một số tảo silic tiêu biểu Sự phân bố mặt phẳng và biến đổi sinh khối theo mùa của tảo silic phù du ở các vùng biển Việt Nam phù hợp với quy luật chung của các biển trên thế giới. Vùng biển ven bờ là nơi có độ muối không quá cao, thường thấp hơn 32 ‰, hàm lượng các loại muối dinh dưỡng vô cơ hòa tan thường cao, do đó ở vùng biển này tảo silic phù du thường có mật độ cao từ 1.000 đến 10.000 Tb/ L có khi ở vài nơi trong phạm vi nhỏ đạt tới 100.000 Tb/ L. Vùng biển ngoài khơi xa, độ muối thường lớn hơn 33 ‰, hàm lượng muối dinh dưỡng thấp, mật độ tảo silic cũng thấp, trung bình chỉ 10 Tb/ L hoặc thấp hơn [1].
11 Sự biến đổi sinh khối theo mùa của tảo silic phù du ở các vùng biển Việt Nam tùy theo vĩ độ có những sai khác. Ở vùng biển phía Bắc mang tính chất của vùng biển á nhiệt đới, trong một năm sinh khối của nó có hai đỉnh cao vào mùa xuân và cuối mùa thu đầu mùa đông, hai đỉnh cao này thường chênh lệch nhau khá lớn có khi tới 2-3 lần. Ở vùng biển phía Nam thể hiện tính chất của vùng biển nhiệt đới rõ rệt, biến đổi sinh khối của tảo silic phù du thường chỉ hình thành một đỉnh cao trong năm vào mùa Đông Xuân [1]. Sự phân bố mặt phẳng và biến đổi theo mùa của tảo silic phù du nói trên đều phụ thuộc vào sự sinh sản và phát triển mạnh của một số loài thuộc một số chi. Những chi tảo này ở từng vùng biển cụ thể đều có những chu kỳ sinh trưởng, sinh sản khác nhau và sự thay thế loài của chúng cũng không giống nhau [1]. 1.1.6. Vai trò của tảo silic Trong tự nhiên, tảo silic chiếm 25% sinh khối sinh vật sơ cấp, đóng vai trò quan trọng trong việc tạo ra oxygen và được tìm thấy trong tất cả các hệ sinh thái thủy sinh. Vì sự phong phú và đa dạng trong nhóm tảo nên nó không chỉ kiểm soát các loài tảo độc hại như Microcystis aeruginosa Kutzing mà còn tiêu thụ chất dinh dưỡng dư thừa [10]. Trong nuôi trồng thủy sản, tảo silic được sử dụng làm thức ăn trong giai đoạn sinh trưởng của nhuyễn thể, giai đoạn ấu trùng của một số loài cá và các động vật phù du (động vật chân mái chèo, luân trùng, Artemia). Tại Úc, tảo silic được nhân giống làm thức ăn cho hàu (Crassostrea gigas và Saccostrea commercialis), ngọc trai (Pinctada maxima), tôm sú (Haliotis spp.) tôm (Penaeus spp.) và cá tuyết (Lutes calcarifer) [11]. Tảo silic Skeletonema costatum (Greville) Cleve là nguồn thức ăn phù hợp cho ấu trùng tôm giai đoạn Zoea và Mysis [12]. Ở cửa sông Akkeshi-ko, tỉ lệ tảo silic sống đáy trong ruột hàu chiếm 70% năm 2003 và 67% vào năm 2004 còn trong ruột trai chiếm 78% năm 2003 và 87% năm 2004 [13]. Hơn nữa, tảo silic Navicula spp. và Nitzschia spp. thường được nuôi cấy trên diện rộng làm thức ăn thân mềm hai mảnh, ấu trùng giáp xác, con bào ngư non [14]. Hiện nay, tảo silic được sử dụng phổ biến trong công nghệ nano, sinh học phân tử, điện tử, pin mặt trời, vật liệu quang học, thiết bị phân loại hạt, tụ điện siêu nhỏ và