ảnh hưởng một số điều kiện nuôi cấy đến khả năng tích lũy lipid của một số chủng vi khuẩn lam

1
MỞ ĐẦU
Trong những năm gần đây, hai vấn đề quan trọng đang được nhiều người
quan tâm đến đó là ô nhiễm môi trường và khủng hoảng năng lượng. Chúng ta đều
biết rằng sử dụng nhiên liệu hoá thạch chính là nguyên nhân gây ra sự nóng dần lên
của trái đất, đang và sẽ ảnh hưởng đến nhiều khía cạnh khác nhau của nhân loại và
môi trường. Tìm kiếm những nguồn nguyên liệu sạch và có khả năng tái sinh là một
trong những vấn đề thách thức nhất mà con người đang đối mặt trong hiện tại lẫn về
lâu dài [20].
Trong khi các nguồn nguyên liệu sản xuất nhiên liệu sinh học thông thường
như dầu thực vật, mỡ động vật và nguồn dầu mỡ phế thải đều tỏ ra không thể đáp
ứng được nhu cầu nhiên liệu sinh học trên toàn thế giới, vi tảo lại thể hiện là một
đối tượng rất tiềm năng cho lĩnh vực này nhờ vào khả năng sản xuất sinh khối lớn
và nguồn lipid thu nhận từ các loài vi tảo cũng khá phù hợp để điều chế nhiên liệu
sinh học. Tuy nhiên, giá thành sản xuất lipid từ tảo vẫn còn quá đắt, phần lớn là do
sản lượng lipid của nuôi cấy tảo thấp [87]. Nhưng mặt khác, tảo có thể được nuôi
cấy trên các môi trường sửa đổi để nâng cao năng suất lipid phục vụ cho sản xuất
nhiên liệu sinh học [73].
Vi khuẩn lam là một nhóm vi tảo có tiềm năng trong việc sử dụng làm
nguồn nguyên liệu để sản xuất nhiên liệu sinh học. Kết quả thăm dò hàm lượng
lipid ở một số chủng vi khuẩn lam thuộc các chi Oscillatoria, Nostoc, Microcystis,
… bằng phương pháp Soxhlet đã xác định được các chủng vi khuẩn lam chứa một
hàm lượng lipid từ 10,55 – 28,15% [83]. Sự tích lũy lipid ở vi khuẩn lam xảy ra khi
cơ thể bị stress hoặc tăng trưởng ở giai đoạn tĩnh, đồng thời năng suất lipid có thể
được tăng trong điều kiện môi trường biến đổi [73]. Với khả năng quang hợp cao, vi
khuẩn lam có thể chuyển đổi đến 10% năng lượng mặt trời thành năng lượng sinh
khối so với 1% ở các cây năng lượng truyền thống như ngô, mía hoặc 5% ở các loài
tảo khác. Đồng thời, chúng phát triển với mật độ cao và có năng suất cao. Nhu cầu
phát triển của vi khuẩn lam tương đối đơn giản, chúng không cạnh tranh với nguồn
2
nước ngọt và đất canh tác [61]. Ngoài sản xuất năng lượng sinh học, vi khuẩn lam

còn là đối tượng tiềm năng để khai thác nhiều sản phẩm có giá trị khác [6].
Việt Nam có khí hậu nhiệt đới với nhiều ao, hồ, sông ngòi, đây là điều kiện
thuận lợi cho nhiều loài vi khuẩn lam phát triển. Tuy nhiên, những nghiên cứu về vi
khuẩn lam ở Việt Nam chỉ mới tập trung chủ yếu vào đa dạng sinh học, khả năng
sinh độc tố [1], [2], [3], [4].
Xuất phát từ những lý do trên, chúng tôi tiến hành đề tài nghiên cứu: “Ảnh
hưởng một số điều kiện nuôi cấy đến khả năng tích lũy lipid của một số chủng vi
khuẩn lam” được phân lập từ một số thủy vực nước ngọt ở Việt Nam.
Mục tiêu đề tài nhằm tìm kiếm các chủng vi khuẩn lam có khả năng sản sinh
lipid cao và thăm dò điều kiện nuôi cấy thích hợp cho việc tích lũy lipid ở các
chủng này. Kết quả của đề tài sẽ làm cơ sở cho các nghiên cứu sâu hơn nhằm tìm ra
được môi trường tối ưu để các chủng vi khuẩn lam cho hàm lượng lipid cao, đáp
ứng được nhu cầu sản xuất nhiên liệu sinh học.
3
CHƯƠNG 1
TỔNG QUAN TÀI LIỆU
1.1. VI KHUẨN LAM
1.1.1. Sơ lược về vi khuẩn lam
Vi khuẩn lam là một nhóm các sinh vật prokaryote quang tự dưỡng đầu tiên
trong lịch sử tiến hoá. Chúng xuất hiện vào đầu kỉ Cambri, cách đây khoảng 2,5 đến
3 tỉ năm. Ngành có khoảng 150 chi với 2000 loài. Do vị trí phân loại không rõ ràng
nên có nhiều thuật ngữ khác được sử dụng cho vi khuẩn lam, bao gồm “tảo lam”,
“Cyanobacteria”, “Cyanophyta”, “Cyanocholoronta” và “Myzophyta” [81], [97].
1.1.1.1. Đặc điểm cấu trúc
Vi khuẩn lam là vi khuẩn Gram âm, nhưng chúng kết hợp tính chất của vi
khuẩn Gram âm và Gram dương. Chúng có chứa một lớp màng bên ngoài và
lipopolysaccharide xác định đặc điểm của vi khuẩn Gram âm, vách tế bào dày cấu
tạo bởi peptidoglycan tương tự như vi khuẩn Gram dương [39],[ 72].
Tế bào có kích thước 1–10 µm. Vi khuẩn lam chưa có nhân hoàn chỉnh, chưa
có các bào quan có màng như ty thể, bộ máy golgi, lưới nội chất, không bào…

Chúng có chứa ribosome 70 S [72].
Hầu hết các bộ phận bên trong tế bào vi khuẩn lam là thylakoid. Các túi
thylakoid xếp chồng lên nhau tạo thành cấu trúc grana. Trên màng thylakoid chứa
các sắc tố chlorophyll α, β-carotene và xanthophyll, chúng thực hiện các chức năng
của ăng-ten thu nhận ánh sáng. Ngoài ra, vi khuẩn lam còn chứa enzyme RuBisCo
là enzyme chịu trách nhiệm cho việc cố định CO
2
trong chu trình Calvin [63].
1.1.1.2. Hình thái học vi khuẩn lam
Vi khuẩn lam đơn bào sống tự do hoặc đính kèm trong một bao nhầy. Sau đó
tiến hóa dẫn đến hình thành một chuỗi các tế bào được gọi là trichome. Khi
trichome được bao quanh bởi vỏ bọc, cấu trúc được gọi là một filament. Có thể có
nhiều trichome trong filament [18].
4
Thông thường hình thái của vi khuẩn lam thuộc vào hai loại tổ chức: đơn bào
hoặc tập đoàn và dạng sợi (hình 1.2).
Hình 1.1. Cấu trúc tế bào vi khuẩn lam (theo Koning, Ross E., 1994) [42]
A B C
Hình 1.2. Hình thái vi khuẩn lam [63]
A. Dạng đơn bào (Aphanothece) B. Dạng tập đoàn (Microcystis)
C. Dạng sợi (Aphanizomenon)
Đơn bào và tập đoàn
Đơn bào là dạng đơn giản và chiếm phần lớn của vi khuẩn lam. Dạng đơn bào
thường hình cầu, hình bầu dục hoặc hình trụ. Tập đoàn có thể dạng hình cầu, dạng
khối, dạng ống, dạng sợi phân nhánh hoặc không phân nhánh với sự sắp xếp một lớp
hoặc nhiều lớp; sợi có thể có các tế bào dị hình hoặc bào tử vỏ dày. Một vài dạng phù
màng
thylakoid
ribosome
tinh bột

thành tế bào chromosome
me
thể polyhedral
giọt lipid
cyanophycin
5
du có thể nổi nhờ có không bào, hầu hết dạng sợi đều vận động được [21], [72].
Dạng đơn bào hoặc tập đoàn đôi khi tạo thành một cấu trúc sợi giả. Chẳng
hạn, bộ Chroococales bao gồm tất cả các tế bào đơn hoặc tập đoàn, nhưng không
hình thành sợi thật với sự giao thoa sinh lý trực tiếp giữa các tế bào.
Đại diện chi Chroococcus, gồm các tế bào đơn lẻ hoặc tập đoàn gồm 2, 4, 16
tế bào hay ít gặp hơn là 32 tế bào hình bán cầu; chúng là kết quả của các tế bào
con sau khi phân chia, có thể có hoặc không có vỏ bọc [23].
Dạng sợi
Dạng sợi chính là trichome gồm một chuỗi dài các tế bào vẫn gắn với nhau
sau khi phân chia. Trichome của Oscillatoria là dạng sợi đơn giản nhất, chúng
được tạo thành từ một chuỗi dài các tế bào đặt trong một lớp vỏ khác để tạo thành
một "trichome". Quá trình phân chia của tế bào sợi Oscillatoria xảy ra trong cùng
một mặt phẳng. Vỏ bọc của sợi Oscillatoria thường khó phân biệt trong khi nó có
thể được nhìn thấy rõ ràng trong Lyngbya, đặc biệt là tại đỉnh sợi, Spirulina và
Arthrospira thì sợi có hình dạng xoắn ốc [23], [98].
Trichome của vi khuẩn lam thường không phân nhánh như ở Oscillatoria và
Lyngbya hoặc có thể được phân nhánh như ở Westiella, Hapalosiphon. Trong các
dạng nhánh, có dạng nhánh giả như ở Scytonema, Plectonema, Tylopothrix và các
dạng nhánh thật như ở Haphalosiphon, Stigonema [23].
Trong nhánh giả thường xuất hiện nhánh giả đôi. Do một sợi nhỏ gián đoạn
bởi một tế bào chết bị phình cả hai đầu, hoặc ít phổ biến hơn là bởi sự khác biệt của
tế bào dị hình. Các phân nhánh giả có thể là mảnh vỡ của trichome nảy mầm phát
triển tại chỗ, khi kết thúc chúng phát triển xuyên ra khỏi vỏ bọc của sợi mẹ [23].
Hình thái phức tạp nhất của vi khuẩn lam là sợi nhánh thật, chúng có thể

được tạo nên bởi một hàng tế bào duy nhất như trong Haphalosiphon hoặc nhiều
hàng tế bào như trong Stigonema. Phân nhánh này tạo ra bởi sự hình thành của
nhánh thật bên, cũng như trichome chính trở thành có răng như răng cưa. Nhánh
thật hình thành theo chiều dọc hoặc đôi khi xiên chéo. Chúng phát sinh bởi sự phân
chia tế bào theo phương vuông góc với trục chính của sợi [18], [98].
6
Một số filament hình thành các tế bào đặc trưng gọi là tế bào dị
hình(heterocyst), có chức năng cố định nitrogen tự do trong không khí. Tế bào dị
hình thường trong suốt, có thể lớn hơn tế bào dinh dưỡng, có vách tế bào dày với
các nốt u ở hai cực tế bào nối liền tế bào dị hình với tế bào dinh dưỡng [14].
1.1.1.3. Sinh lý học vi khuẩn lam
Vi khuẩn lam có khả năng hấp thụ ánh sáng mặt trời nhờ sự có mặt của các
sắc tố quang hợp, gồm một hoặc hai loại diệp lục cùng với carotene và phycobilin.
Các sắc tố quang hợp ở trên thylakoid nằm trong tế bào chất.
Chất diệp lục
Chất diệp lục là một thành phần sinh hóa quan trọng trong bộ máy quang
hợp, trong đó năng lượng từ ánh sáng mặt trời được sử dụng để sản xuất oxygen
duy trì sự sống. Do có sự hiện diện của chất diệp lục nên vi khuẩn lam có đặc tính
quang hợp giống thực vật. Một trong những đặc tính để phân biệt vi khuẩn lam với
các vi khuẩn quang hợp khác đó là chúng sở hữu một sắc tố khác là
bacteriochlorophyll. Chất diệp lục là sắc tố quang hợp quan trọng, trong khi những
sắc tố khác (carotenoid và phycobilin) là sắc tố phụ [47].
Chất diệp lục b có ở một số chi như Prochloron, Prochlorococcus và
Prochlorothrix được coi là một sắc tố phụ bởi vì nó mở rộng phạm vi của ánh sáng
có thể được sử dụng trong quang hợp, và chuyển năng lượng ánh sáng hấp thu đến
chất diệp lục [47].
Phycobilin
Vi khuẩn lam không sản xuất chất diệp lục b thường có sắc tố phycobilin hòa
tan trong nước, có thể hấp thụ các bước sóng ánh sáng cần cho quang hợp và
chuyển giao năng lượng cho chlorophyll a.

Phycobilin của vi khuẩn lam bao gồm phycoerythrobilin và phycocyanobilin, kết
hợp với protein cũng được gọi chung là phycobiliprotein. Vi khuẩn lam có các
phycobiliprotein: C-phycocyanin, allophycocyanin, C-phycoerythrin,
phycoerythrocyanin [14], [47].
7
Carotenoid
Carotenoid được tìm thấy trong vi khuẩn lam bao gồm các sắc tố xanthophyll
có chứa oxy và β-carotene thiếu oxygen trong cấu trúc phân tử của chúng. Những
sắc tố này nằm trên thylakoid cùng với chất diệp lục. Các carotenoid chính có mặt
trong vi khuẩn lam là β-carotene, nostoxanthin, caloxanthin, echinenone,
myxoxanthin và zeaxanthin.
Carotenoid là một trong những nhóm quan trọng nhất của các sắc tố tự nhiên,
vì chúng phân phối rộng rãi, cấu trúc đa dạng và nhiều chức năng. Carotenoid là
những sắc tố quan trọng trong các tế bào vi khuẩn lam. Bởi vì chúng đóng vai trò là
sắc tố phụ giúp vi khuẩn lam tăng khả năng hấp thụ ánh sáng xanh không được trực
tiếp hấp thụ bởi chất diệp lục, đồng thời có vai trò bảo vệ chúng khỏi quá trình oxy
hóa quang năng có hại, đặc biệt là bảo vệ cho chất diệp lục chống lại quá trình oxy
hóa [14], [47].
1.1.1.4. Điều kiện sinh thái
Vi khuẩn lam có sự phân bố rộng, có thể sống trong môi trường nước biển và
nước ngọt, đất ẩm và đá, sống tự do hoặc cộng sinh. Chúng còn có thể phát triển
mạnh trong các suối nước nóng, băng tuyết, trong sa mạc nóng, các vùng đất khô
cằn, trong các vùng nóng khô hạn và trong môi trường mà các vi tảo khác không thể
tồn tại, hay cả Bắc Cực, Nam Cực [21], [97], [104].
Khoảng 20% vi khuẩn lam được biết sống trong môi trường nước mặn, phần
lớn trong số chúng thực sự ở biển và tạo thành một lớp quan trọng của thảm thực
vật biển. Chúng sống ở các khu vực khác nhau của môi trường biển như đại dương,
vùng cửa sông, nước biển đọng, hồ muối cửa sông, hồ nước mặn nội địa, đầm lầy
nước mặn và chảo muối siêu mặn [90], [104].
Vi khuẩn lam có thể cộng sinh trong cơ thể bọt biển, amip, tiên mao sinh vật

đơn bào, tảo cát, tảo lục, thực vật có mạch hay cộng sinh với nấm trong địa y [81].
1.1.1.5. Dinh dưỡng
Phần lớn vi khuẩn lam là các sinh vật quang tự dưỡng hiếu khí. Đời sống của
chúng cần có nước, CO
2
, chất vô cơ và ánh sáng. Quang hợp là quá trình chính của
8
trao đổi chất và năng lượng. Tuy nhiên, trong tự nhiên một số loài có thể tồn tại
hoàn toàn trong bóng tối một thời gian dài. Hơn nữa, một số vi khuẩn lam còn có
khả năng dinh dưỡng dị dưỡng [21].
- Dinh dưỡng carbon
Vi khuẩn lam có khả năng sử dụng các chế độ khác nhau của quá trình trao
đổi carbon. Quang hợp, quá trình sản xuất các chất hữu cơ từ CO
2
và H
2
O trong
điều kiện ánh sáng là phương pháp chính của dinh dưỡng carbon (autotrophy).
Tuy nhiên, khi được cung cấp với các hợp chất hữu cơ để bổ sung CO
2
, nhiều vi
khuẩn lam sử dụng carbon hữu cơ để tổng hợp. Có vài loài có thể phát triển trong
bóng tối với nguyên liệu nguồn carbon hữu cơ (heterotrophy).
- Dinh dưỡng nitrogen
Vi khuẩn lam có thể dễ dàng sử dụng các hợp chất nitrogen vô cơ như muối
nitrate, nitrite và amoni. Một số loài cũng có thể đồng hóa phân tử nitrogen từ bầu khí
quyển (loài cố định N
2
), và một số loài có thể sử dụng các hợp chất nitrogen hữu cơ.
Amoni-nitrogen là nguồn cung cấp nitrogen thuận lợi nhất, nhưng chúng thường

hỗ trợ tăng trưởng kém hơn so với nitrate khi cung cấp ở mức tương đương và có
thể gây ra ly giải tế bào. Nitrate là nguồn nitrogen ưa thích nhất trong môi trường
nuôi cấy.
Cố định nitrogen
Cố định nitrogen là sự kết hợp nitrogen trong khí quyển như là một nguồn
nitrogen vào trong các tế bào của sinh vật. Khả năng cố định nitrogen bị hạn chế ở
một số vi sinh vật prokaryote. Trong số vi khuẩn lam chỉ có 27 chi có khả năng cố
định nitrogen. Enzyme tham gia vào quá trình cố định nitrogen là nitrogenase.
Cố định nitrogen hiếu khí và quang hợp sản xuất oxygen là hai quá trình không
thể xảy ra đồng thời trong cùng một tế bào.
- Các chất dinh dưỡng khác
Bên cạnh C, H, N, và O, các yếu tố chính cần thiết cho tăng trưởng của vi khuẩn
lam (P, S, K, Na, Mg, Ca) không khác với nhu cầu của các nhóm thực vật khác. Các
yếu tố (Fe, Mn, Bo, Mo, Cu, Zn, Co) cũng là yếu tố cần thiết cho sự tăng trưởng của
9
vi khuẩn lam. Molybdenum là một thành phần của cả nitrogenase và nitrate
reductase đều cần thiết cho dinh dưỡng đạm của vi khuẩn lam [75].
1.1.1.6. Sinh sản
Vi khuẩn lam không có hình thức sinh sản hữu tính, chúng sinh sản dinh
dưỡng bằng cách phân đôi tế bào, tảo đoạn hoặc sinh sản vô tính bằng bào tử [4].
Ở những vi khuẩn lam đơn bào, sinh sản sinh dưỡng bằng cách phân đôi tế
bào ra làm 2,4,8 thẳng góc với chiều dài tế bào, hay theo hai mặt phẳng thẳng góc
(Merismopedia, cho ra tập đoàn dạng phẳng) hay theo ba chiều cho ra một khối dày.
Ở các vi khuẩn lam đa bào dạng sợi thì tách thành từng dạng sợi gọi là tảo
đoạn (hormogonia): tản đứt ra nhiều đoạn ngắn, cử động được, rời tản mẹ và mọc
thành sợi khác. Nhờ cử động trượt mà tảo đoạn truyền lan loài rất xa.
Ở những dạng có bao, tảo đoạn chui ra khỏi bao, chuyển động trong nước
theo hướng trục dài, sau đó dừng lại và nảy mầm thành sợi mới. Sự hình thành tảo
đoạn là một trong những dạng sinh sản phổ biến nhất của các tảo dạng sợi.
Một số vi khuẩn lam sinh sản vô tính bằng bào tử không roi, nội sinh hay

ngoại sinh. Bào tử được hình thành từ những tế bào sinh dưỡng và thường lớn hơn
những tế bào này, có màng dày bảo vệ, tránh những điều kiện bất lợi bên ngoài. Bào
tử vừa là cơ quan sinh sản vừa là giai đoạn nghỉ của vi khuẩn lam. Khi gặp điều
kiện thuận lợi, bào tử nảy mầm thành cơ thể mới.
1.1.2. Ứng dụng của vi khuẩn lam
1.1.2.1. Các hợp chất hoạt tính sinh học
Vi khuẩn lam đã được xác định là một nguồn các hợp chất hoạt tính sinh học
mới và phong phú. Hợp chất phân lập được thuộc nhóm polyketide, amid, alkaloid,
acid béo, indole và lipopeptide [5]. Các tài liệu cho thấy, đến nay đã có 19 chủng vi
khuẩn lam sản xuất được hơn 20 hợp chất hoạt tính sinh học khác nhau. Hầu hết các
hợp chất hoạt tính sinh học phân lập từ vi khuẩn lam có bản chất lipopeptide. Phạm vi
hoạt động sinh học của các chất chuyển hóa thứ cấp phân lập từ vi khuẩn lam bao gồm
kháng khuẩn, kháng nấm, kháng tảo, kháng động vật nguyên sinh, và các hoạt động
chống virus [6].
10
Ví dụ, vi khuẩn lam Phormidium sp. có thể ức chế sự sinh trưởng của các
chủng vi khuẩn Gram dương và Gram âm, nấm men và nấm. Lyngbya majuscula
sản xuất nhiều hợp chất bao gồm các hợp chất chứa nitrogen, polyketide,
lipopeptide, peptide cyclic và nhiều hợp chất khác. Các hoạt tính sinh học của hợp
chất này cũng đa dạng, bao gồm hoạt hóa protein kinase C và khởi động khối u, các
chất ức chế microtubulin, các hợp chất kháng khuẩn, kháng nấm và thuốc chặn kênh
natri [6].
1.1.2.2. Nguồn thực phẩm lành mạnh
Các chi Spirulina, Anabaena và Nostoc được sử dụng làm thức ăn cho con
người ở nhiều quốc gia bao gồm Chile, Mexico, Peru và Philippines. Arthrospira
platensis được trồng ở quy mô lớn bằng cách sử dụng ao ngoài trời hoặc các lò phản
ứng quang sinh học phức tạp. Trên thị trường chúng ở dạng bột, mảnh, viên nén và
viên nang, được sử dụng như là một thực phẩm bổ sung vì giàu chất dinh dưỡng và
giúp tiêu hóa. Chúng chứa trên 60% protein, chứa nhiều thiamine, β-carotene,
riboflavin, đồng thời được coi là một trong những nguồn giàu vitamin B

12
nhất [6].
Nostoc commun giàu xơ, protein, có thể đóng vai trò sinh lý và dinh dưỡng
quan trọng trong chế độ ăn uống của con người. Aphanizomenon sp. thu nhận từ hồ
Klamath (Oregon, Mỹ) được sử dụng như nguồn thực phẩm lành mạnh. Vi khuẩn
lam cố định nitrogen cũng được thử nghiệm để nuôi cá trong nuôi trồng thủy sản.
Khi nuôi cá rô phi trong nhà và ngoài trời, sử dụng vi khuẩn lam làm thức ăn cho
thấy tốc độ tăng trưởng cao. Phormidium valderianum đã được sử dụng ở Ấn Độ
như là một nguồn thức ăn nuôi trồng thủy sản dựa trên giá trị dinh dưỡng và tính
chất không độc hại của nó [6], [17], [52].
1.1.2.3. Tác nhân sinh học làm sạch môi trường
Nhiều nghiên cứu đã cho thấy vi khuẩn lam có khả năng oxy hóa các thành
phần dầu và các hợp chất hữu cơ phức tạp khác như thuốc diệt cỏ [66]. Sự hiện
diện của vi khuẩn lam cùng với vi khuẩn hiếu khí tạo điều kiện cho quá trình thoái
hóa dầu và các hợp chất hữu cơ phức tạp khác. Tập đoàn Oscillatoria
Gammaproteobacteria đã được chứng minh có thể làm suy giảm phenanthrene,
11
dibenzothiophene, pristine và n-octadecane. Tỷ lệ suy thoái của các hợp chất này đã
được nâng cao với sự hiện diện của vi khuẩn lam [6].
Vi khuẩn lam và các vi khuẩn liên quan cũng đã được sử dụng thành công
trong xử lý nước thải. Ví dụ, nuôi cấy Oscillatoria sp. 30501 BDU, Aphanocapsa
sp. BDU 16 và một loại vi khuẩn ưa mặn Halobacterium US 101 để xử lý một nhà
máy nước thải và kết quả làm giảm CaCl
2
đến mức không ức chế sự tồn tại và và
sinh sản của cá. Phormidium valderianum BDU 30501 được sử dụng để làm giảm
nồng độ phenol trong khi Oscillatoria boryana BDU 92181 được sử dụng để loại bỏ
sắc tố melanoidin từ nước thải [40], [85].
1.1.2.4. Làm phân bón sinh học
Vi khuẩn lam có tế bào dị hình và một số vi khuẩn lam không có tế bào dị

hình được biết đến với khả năng cố định nitrogen trong khí quyển. Sự màu mỡ của
nhiều vùng đất trồng lúa nhiệt đới có được chủ yếu là do hoạt động cố định đạm của
vi khuẩn lam. Một ước tính cho thấy rằng hơn 18 kg N/ ha/ năm được bổ sung vào
đất nhờ vi khuẩn lam [101].
Gần đây, vi khuẩn lam cố định đạm đã được báo cáo thống trị lớp vỏ sa mạc
trên toàn thế giới. Đây được coi là sự đóng góp đáng kể vào độ màu mỡ của đất sa
mạc và cuối cùng có thể tạo điều kiện thuận lợi cho thảm thực vật của sa mạc [29].
1.1.2.5. Chất nhũ hóa
Vi khuẩn lam ưa mặn chứa số lượng lớn exopolysaccharide (EPS), có thể
liên quan đến khả năng phục hồi dầu bằng cách giảm sức căng bề mặt, tăng dần độ
hòa tan và linh động của nó. EPS trong điều kiện kiềm được sử dụng để loại bỏ
thuốc nhuộm từ nước thải dệt may. Vi khuẩn lam sản xuất EPS là các Anabaena sp.
ATCC 33047 và Synechococcus sp. chịu kiềm [53].
1.1.2.6. Sản xuất năng lượng bền vững
Vi khuẩn lam là một nhóm lớn các vi khuẩn quang tự dưỡng oxygen, có thể
cố định CO
2
thông qua chu trình Calvin-Benson và chuyển đổi nó thành các hợp
chất hữu cơ. Chúng là những nhà sản xuất quan trọng chủ yếu của vật liệu hữu cơ
và đóng vai trò ý nghĩa trong chu trình sinh địa hoá của carbon, nitrogen và oxygen.
12
Thông qua khả năng quang hợp, vi khuẩn lam có vai trò quan trọng trong quá trình
tiến hóa và thay đổi sinh thái trong suốt lịch sử của trái đất, và chúng tiếp tục đóng
góp một phần lớn trong quang hợp khai thác năng lượng mặt trời và đồng hóa CO
2
thành các hợp chất hữu cơ. Hàng năm, vi khuẩn lam sản xuất khoảng 30% oxygen
trên Trái đất [39].
Vi khuẩn lam không chỉ được xem như là một chất xúc tác sinh học của ánh
sáng mặt trời, chúng cũng có tính chất bổ sung khác cho phép trở thành ứng viên lý
tưởng cho sự phát triển của thế hệ năng lượng sinh học thân thiện. Do có khả năng

phát triển mạnh trong điều kiện CO
2
cao, vi khuẩn lam thời gian gần đây nhận được
nhiều sự chú ý như một hệ thống đầy hứa hẹn để giảm thiểu CO
2
sinh học, CO
2
phát
thải từ hoạt động công nghiệp. Có thể khẳng định rằng việc sử dụng vi khuẩn lam để
khai thác năng lượng mặt trời nhằm sản xuất các loại năng lượng sinh học khác nhau
có thể đại diện cho một hệ thống đơn giản và sạch hơn để sản xuất năng lượng bền
vững [34].
Vi khuẩn lam có thể tổng hợp các hợp chất dự trữ năng lượng là
carbohydrate, lipid và protein. Những chất này tạo thành một nguyên liệu tiềm năng
có thể được chuyển đổi thành năng lượng sinh học. Trong ba thành phần sinh hóa,
thì lipid có năng lượng cao nhất. Để trích xuất năng lượng từ phần lipid, nó phải
được chuyển đổi theo một quá trình hóa học và sau đó các hydrocarbon tạo ra được
chiết xuất. Các hydrocarbon có thể được sử dụng làm nhiên liệu vận chuyển ở dạng
nhiên liệu sinh học hoặc có thể được chuyển đổi thành ethanol bằng cách lên men
trong các điều kiện tối thiếu oxygen, hay với việc sử dụng lên men kỵ khí có thể
chuyển đổi thành khí CH
4
. Vi khuẩn lam có tính chất độc đáo làm cho chúng trở
thành một mô hình đầy hứa hẹn để chuyển đổi tất cả các nguồn carbon thành nhiên
liệu có giá trị [82], [94].
Sản xuất hydrogen
Vi khuẩn lam đã được sử dụng để sản xuất khí hydrogen, thành phần tạo nên
một nguồn năng lượng thay thế trong tương lai cho nguồn nhiên liệu hóa thạch bị giới
hạn. Các lợi thế của việc sử dụng hydrogen sinh học làm nhiên liệu là nó thân thiện
13

với môi trường tự nhiên, hiệu quả, có khả năng tái sinh và không có khí thải CO
2
trong
quá trình sản xuất và sử dụng nó. Sản phẩm hydrogen của vi khuẩn lam như là một
sản phẩm phụ của cố định đạm, khi vi khuẩn lam mang tế bào dị hình chứa
nitrogenase được nuôi cấy trong điều kiện thiếu nitrogen, hoặc bằng cách hồi phục
hoạt động các enzyme hydrogenase. Vi khuẩn lam có tế bào dị hình sản xuất hydrogen
hiệu quả hơn so với các loại loài không có tế bào dị hình. Trên 14 chi thuộc vi khuẩn
lam bao gồm cả Anabaena, Calothrix, Oscillatoria, Cyanothece, Nostoc,
Synechococcus, Microcystis, Gloeobacter, Aphanocapsa, Chroococcidiopsis và
Microcoleus được biết đến với khả năng sản xuất khí hydrogen trong các điều kiện
nuôi cấy khác nhau. Anabaena spp. có thể sản xuất một lượng đáng kể hydrogen.
Các tế bào Anabaena cylindrica thiếu nitrogen sản xuất lượng hydrogen cao nhất
(30 mLH
2
/L/giờ). Gloeocapsa alpicola tăng sản xuất hydrogen khi thiếu lưu huỳnh
trong khi S. platensis có thể sản xuất hydrogen trong điều kiện tối hoàn toàn [24].
Sản xuất ethanol
Ethanol được sản xuất từ các nguồn tài nguyên năng lượng tái tạo là một
nguồn năng lượng hấp dẫn, do thực tế nó có thể được trộn với diesel hiện có và
được sử dụng mà không cần có bất kì sự sửa đổi nào của các động cơ diesel. Hiện
nay, ethanol sinh học được sản xuất bởi sự lên men của cây trồng nông nghiệp, chủ
yếu là mía ở Brazil hoặc ngô ở Mỹ. Do sản xuất quy mô lớn từ cây trồng nông
nghiệp, nó vẫn còn là một lựa chọn gây tranh cãi với nhiên liệu hóa thạch bởi tác
động tiêu cực của nó lên nguồn lương thực. Lợi thế mà vi khuẩn lam có được hơn
các loại cây trồng năng lượng truyền thống trong sản xuất ethanol là chúng lên men
tự nhiên mà không cần bổ sung môi trường lên men. Đặc trưng này làm cho vi
khuẩn lam là một ứng cử viên đầy hứa hẹn cho việc sản xuất ethanol [41], [73].
Để nghiên cứu khả năng lên men của vi khuẩn lam, Heyer và cs kiểm tra 37
chủng và phân tích khả năng lên men của chúng cùng các sản phẩm tiết của lên

men. Trong số 37 chủng được nghiên cứu, nhận thấy có 16 chủng có thể sản xuất
ethanol là một trong những sản phẩm lên men, trong khi số lượng đáng kể ethanol
được sản xuất trong hai chủng Oscillatoria (> 10 mmol / mẫu). Quá trình lên men
14
diễn ra trong điều kiện tối khi không có oxygen quang hợp, do đó không bao gồm
quá trình hô hấp sản xuất năng lượng [37].
Sản xuất biodiesel (xem mục 1.2.3.1)
Sản xuất methane
Sinh khối tế bào có thể được chuyển thành CH
4
trong điều kiện thiếu oxy qua
một quá trình được gọi là hô hấp kỵ khí. Sau khi khai thác lipid từ sinh khối vi
khuẩn lam, vật liệu còn có thể được chuyển đổi thành CH
4
bởi quá trình này nâng
cao tổng năng lượng thu hồi. Điều này sẽ dẫn đến một sự cân bằng năng lượng
thuận lợi hay tích cực hơn của việc sản xuất nhiên liệu sinh học tổng thể từ vi khuẩn
lam, mà cũng có thể làm giảm tổng chi phí của quá trình sản xuất năng lượng sinh
học [89].
Tuy nhiên, ngoài các ứng dụng quan trọng trên, một số vi khuẩn lam còn có
khả năng gây hiện tượng nở hoa nước trong một số thủy vực nước ngọt gây mất
cảnh quan, ô nhiễm môi trường do sự phân hũy của chúng khi chết. Một số loài còn
có khả năng sinh độc tố. Độc tố của vi khuẩn lam có thể gây chết động vật và ảnh
hưởng đến sức khỏe con người [16].
1.1.3. Ảnh hưởng của các yếu tố môi trường đến sự sinh trưởng của vi khuẩn lam
Một số các yếu tố môi trường đã được chứng minh có ảnh hưởng đến sự phát
triển của tế bào vi khuẩn lam. Hiệu quả của các các thông số môi trường có thể khác
nhau đáng kể giữa các loài do vi khuẩn lam có môi trường sống tự nhiên đa dạng.
Tuy nhiên, nói chung tốc độ tăng trưởng đã thể hiện có nhiều sự tương quan với
một vài yếu tố. Chúng bao gồm ánh sáng, nhiệt độ, pH, điều kiện chất dinh dưỡng

như nồng độ nitrate và phosphate, oxygen hòa tan, nồng độ sắt và độ mặn của môi
trường xung quanh.
1.1.3.1. Ánh sáng
Ảnh hưởng của ánh sáng lên sự phát triển của vi khuẩn lam đã được nghiên
cứu rộng rãi. Tốc độ tăng trưởng tương quan với cường độ ánh sáng. Chiếu sáng 16
giờ sáng: 8 giờ tối không cho năng suất tốt hơn so với chiếu sáng liên tục và vi
khuẩn lam đã không yêu cầu thay đổi luân phiên ngày đêm của chu kỳ sáng
15
tối để đạt được một tốc độ tăng trưởng tối ưu. Thành phần quang phổ của ánh sáng
không quan trọng cho tăng trưởng, nhưng nó có thể có tác dụng nổi bật trên sắc tố
và sản xuất các độc tố [25].
1.1.3.2. Nhiệt độ
Nhiệt độ của môi trường nuôi cấy cũng đã được chứng minh có ảnh hưởng
đến tốc độ sinh trưởng và năng suất sinh khối của vi khuẩn lam. Phạm vi nhiệt độ
thích hợp cho sự sinh trưởng phụ thuộc vào từng loài. Sự đa dạng này được minh
họa bằng những loài sống ở nhiệt độ lên đến 73°C và không thể tồn tại ở nhiệt độ
dưới 50°C, chẳng hạn như vi khuẩn lam ưa nhiệt Synechococcus. Các loài khác
thích nghi với nhiệt độ thấp, chẳng hạn như những loài sinh sôi nảy nở ở Bắc Cực
và Nam Cực. Nói chung, vi khuẩn lam phù du sống ở khu vực ôn đới nhiệt độ từ
15°C đến 35°C cho sinh trưởng tối ưu [25], [51], [64].
1.1.3.3. Các chất dinh dưỡng
Hàm lượng dinh dưỡng của môi trường tự nhiên xung quanh hoặc môi
trường nuôi cấy tương quan với tốc độ tăng trưởng và sự gia tăng sinh khối của vi
khuẩn lam. Mỗi loài có một hàm lượng dinh dưỡng tối ưu, phần lớn các nghiên cứu
tham gia vào điều tra những ảnh hưởng của các biến đổi ở nồng độ nitrate và
phosphate, hai nguyên nhân quan trọng gây ra hiện tượng nở hoa nước. Loài này
cũng thường có một tỉ lệ N: P tăng trưởng tối ưu [64].
Nitrate
Để dự đoán ảnh hưởng của nồng độ nitrate lên vi khuẩn lam, dựa vào đặc
điểm một số loài có khả năng cố định nitrogen, trong khi các loài khác thiếu khả

năng này. M. aeruginosa là một loài không cố định nitrogen. Nghiên cứu cho thấy,
hàm lượng nitrogen cao trong môi trường nuôi cấy làm tăng sự phát triển của vi
khuẩn lam như Oscillatoria (không có tế bào dị hình) [92]. Tuy nhiên, Anabaena là
một loài cố định nitrogen, khi nuôi cấy trong môi trường nitrate biến đổi thấy không
có sự khác biệt đáng kể trong sản xuất sinh khối. Thiếu dinh dưỡng với việc giảm
nitrate cũng được đánh giá làm giảm sản xuất sinh khối [44].
16
Phosphorus
Tăng trưởng đã được thể hiện tương quan tích cực với nồng độ phosphate
của môi trường xung quanh [67].
Điều kiện thiếu phosphorus dẫn đến sự suy giảm trong sản xuất sinh khối của
M. aeruginosa [101]. Điều này cho thấy rằng nồng độ của phosphorus môi trường
là yếu tố quan trọng trong sự phát triển của vi khuẩn lam.
1.1.3.4. Các yếu tố khác
Bên cạnh các yếu tố nêu trên, đến nay các thông số khác cũng đã được chứng
minh ảnh hưởng đến sự tăng trưởng của vi khuẩn lam. Vi khuẩn lam ưa môi trường
kiềm. Độ mặn là yếu tố cụ thể với một số loài được tìm thấy ở biển, cửa sông và
môi trường nước ngọt. Một trong những ví dụ là Nodularia spumigena, đòi hỏi tăng
nồng độ natri clorua trong môi trường nuôi cấy để phát triển tốt. Chúng phát triển ở
nước mặn tốt hơn so với nước ngọt, nhưng thấp hơn so với nước biển. Bên cạnh độ
pH và độ mặn, nồng độ sắt, oxygen hoà tan, sự khuấy sục và sự hiện diện của vi
khuẩn dị dưỡng khác cũng có thể đóng một vai trò quan trọng trong sản xuất sinh
khối [12], [100].
1.2. LIPID Ở VI KHUẨN LAM
Các thành phần chính của các tế bào tảo là các protein, carbohydrate và lipid
[10]. Trong đó, lipid là nguồn năng lượng dự trữ hiệu quả nhất. Lipid có vai trò như
chất cách điện của các cơ quan và hoormon, đồng thời là thành phần cấu trúc của
hầu hết các màng tế bào. Nó cũng có vai trò quan trọng đối với khả năng chịu stress
sinh lí của các vi sinh vật bao gồm vi khuẩn lam [91].
1.2.1. Cấu trúc lipid

Lipid là ester của axit béo và rượu, chúng bao gồm một nhóm lớn các hợp chất
hữu cơ có cấu trúc khác nhau như chất béo, sáp, phospholipid, glycolipid …[ 13].
Vi khuẩn lam có chứa nhiều acid béo. Các acid béo có thể là bão hòa hay
không bão hòa. Một số vi khuẩn lam dạng sợi có xu hướng có số lượng lớn (25-
60% tổng số) đa acid béo không bão hòa [60].
17
Hình 1.3. Lipid ở vi khuẩn lam (theo Nichols B. W., 1970) [57]
Triacylglycerol (TAG) là chất béo dự trữ phổ biến nhất và có thể tạo thành
80% lipid tổng số của vi khuẩn lam. Chúng bao gồm một phân tử glycerol liên kết
với ba acid béo, hoặc hai acid béo với vị trí thứ ba là nhóm phosphate
(phospholipid) hoặc carbohydrate (glycolipid). Acid béo bao gồm một chuỗi carbon
dài không phân nhánh. Bên cạnh đó có các lipid trung tính khác như
sulphoquinovosyl diglyceride, monogalactosyl diglyceride, digalactosyl diglyceride
và phosphatidyl glycerol [31], [91].
1.2.2. Quá trình tổng hợp lipid
Lipid tổng hợp dựa trên các hợp chất carbon tạo ra từ CO
2
bằng quá trình
quang hợp, cũng như các hợp chất cao năng (ATP và NAD(P)H). Sau phản ứng sáng,
CO
2
được hấp thụ qua trung gian của chu trình Calvin trong phản ứng tối của quang
hợp. Đầu ra của chu trình Calvin là một hợp chất ba carbon (glyceraldehyde 3-
phosphate), được chuyển đổi thông qua quá trình glycolysis thành acetyl CoA. Việc
chuyển đổi của acetyl CoA thành malonyl CoA là bước đầu tiên trong quá trình sinh
tổng hợp lipid [48].
18
Bảng 1.1.Thành phần các acid béo trong vi khuẩn lam [91]
Acid béo Vị trí của liên kết đôi Tỷ lệ % của các acid béo tổng số
14:0 - 40

16:0 - 60
16:1 9 50
16:2 6, 9 20
16:2 9, 12 50
17:1 - 10
18:0 - 30
18:1 9 40
18:2 9, 12 40
18:3 6, 9, 12 30
18:3 9, 12, 15 40
18:4 6, 9, 12, 15 30
20:1 11 10
Trong suốt quá trình trao đổi chất, tại một số điểm trung gian của quá trình
trao đổi được phân chia giữa sự tổng hợp chất béo và các sản phẩm khác như
carbohydrate, protein [49]. Ví dụ, acetyl CoA là một cơ chất cho tổng hợp lipid
cũng như đi vào chu trình TCA, tạo ra năng lượng và tiền chất cho sinh tổng hợp
protein và acid nucleic. Cả điều kiện bên ngoài và bên trong đều có thể hạn chế sự
tổng hợp lipid, chẳng hạn như sự dư thừa các chất dinh dưỡng, tốc độ phản ứng
enzyme. Sản xuất các chất béo dự trữ đặc biệt là nguồn tài nguyên năng lượng lớn
và do đó thường xảy ra ở điều kiện sinh trưởng giảm [74].
1.2.3. Ứng dụng của lipid vi khuẩn lam
1.2.3.1. Sản xuất biodiesel
Nhiên liệu sinh học là nguồn nhiên liệu tái tạo hấp dẫn cho các động cơ
diesel, được sản xuất nhờ quá trình chuyển vị ester một mono alcoholic, trong đó
các chất béo trung tính phản ứng với một mono-alcohol (thường là methanol hoặc
ethanol) với xúc tác của các enzyme [35], [45].
Nhiên liệu sinh học thường được sản xuất từ các loại cây có dầu như hạt cải
dầu, đậu tương, hướng dương và cọ. Tuy nhiên, hạn chế lớn của các cây này là
chúng cạnh tranh với các nguồn thực phẩm của chúng ta về đất nông nghiệp và
19

nước [65]. Vi tảo được đề xuất là ứng cử viên tiềm năng cho sản xuất nhiên liệu
sinh học bởi một số lí do:
Vi tảo có hiệu suất dầu cao nhất trong số các cây trồng lấy dầu đa dạng khác.
Có thể trồng được vi tảo một cách dễ dàng trong nước biển, nước lợ và đất
không canh tác. Chúng không cạnh tranh với các nguồn tài nguyên nông nghiệp
truyền thống. Vi tảo canh tác không cần thuốc diệt cỏ hoặc thuốc trừ sâu.
Vi tảo phát triển rất nhanh chóng và nhiều loài tảo có lượng dầu phong phú.
Mức dầu 20 – 50% là phổ biến ở vi tảo. Trong điều kiện phòng thí nghiệm, lượng
dầu lí tưởng có thể đạt 56 – 60% tổng sinh khối khô bằng kỹ thuật di truyền hoặc kỹ
thuật nuôi cấy dị dưỡng [38].
Vì vậy, việc sử dụng các vi tảo có thể là một sự thay thế phù hợp vì tảo sản
xuất dầu sinh học hiệu quả nhất trên hành tinh, là một nguồn sinh khối linh hoạt và
có thể sớm trở thành một trong những cây trồng nhiên liệu tái tạo quan trọng nhất
của trái đất [45].
Đối với vi khuẩn lam, chúng có các thuộc tính cho phép được xem là một
trong những nguyên liệu có triển vọng cho năng lượng sinh học: chúng chứa một
lượng chất béo đáng kể, mức độ quang hợp và tốc độ tăng trưởng cao hơn so với
các loài tảo khác, phát triển dễ dàng với các yêu cầu dinh dưỡng cơ bản, dó đó canh
tác tương đối đơn giản và không tốn kém [65].
Bảng 1.2. Hàm lượng lipid của một số chủng vi khuẩn lam
Loài Hàm lượng lipid Nguồn
Anabaena cylindrica
Anabaena variabilis
Spirulina maxima
Spirulina platensis
Microcystis aeruginosa
10,7–12,3
22,7
6 -7
9,2

24
Sallaln (1990) [76]
Fontes (1987) [26]
Becker (1994) [10]
Afify (2010) [8]
Miao (2006) [50]
Sự tích luỹ lipid trong vi khuẩn lam xảy ra khi cơ thể bị stress hoặc tăng
trưởng ở giai đoạn tĩnh. Một lợi thế thứ hai là năng suất lipid của vi khuẩn lam có
thể được nâng cao trong môi trường nuôi cấy có sửa đổi. Vì vậy, vi khuẩn lam là
một ứng cử viên tiềm năng để sản xuất nhiên liệu sinh học [73].
20
Tuy nhiên, đối với sản xuất năng lượng sinh học dựa trên lipid, vi khuẩn lam
đã nhận được sự quan tâm ít hơn so với các nguyên liệu khác của vi tảo và cây trồng
[50]. Năm 1998, 3000 loài đã được nghiên cứu trong Chương trình Chất lượng Thuỷ
sản ở nước Mỹ với mục đích xác định các loài có hàm lượng lipid cao. Trong chương
trình này ít thông tin về vi khuẩn lam được cung cấp khi chúng không tích luỹ được
lipid với hàm lượng cao. Tuy nhiên vi khuẩn lam có tốc độ tăng trưởng nhanh nhất và
năng suất lipid cao nhất trong môi trường nuôi cấy tăng trưởng theo cấp số nhân [86].
Spirulina cũng được lựa chọn sử dụng nhiều nhất trong chế biến các nguyên liệu
lỏng [82].
Mặt khác, một so sánh gần đây trong các chủng vi tảo khác nhau cho thấy
mặc dù vi khuẩn lam sở hữu năng suất sinh khối cao nhất nhưng nó chỉ chứa hàm
lượng lipid thấp, điều này chứng tỏ sự tiêu tốn cao trong quá trình tổng hợp lipid.
Khoảng 2.000 loài vi khuẩn lam đã được xác định nhưng thông tin liên quan đến
sản xuất nhiên liệu sinh học từ các loài này hoặc các thông số liên quan như đặc
điểm sinh hoá, tốc độ tăng trưởng và năng lượng của các loài khác nhau đang còn ít
[28], [50], [86].
Để chọn ra loài phù hợp để sản xuất quy mô lớn, một loạt các sửa đổi quan
trọng về hàm lượng lipid, năng suất, tốc độ tăng trưởng là chìa khoá để sản xuất
nhiên liệu sinh học [31].

1.2.3.2. Nguồn thực phẩm có giá trị cho người và động vật
Vi khuẩn lam có thể chứa một lượng lipid (chất béo và dầu) đáng kể với các sản
phẩm tương tự như các loại dầu thực vật. Các chất béo của một số loài vi khuẩn lam
cũng rất giàu acid béo thiết yếu như C
18
linoleic (18:02ω6) và y-linolenic (18:03ω3)
và các dẫn xuất của acid C
20
, acid eicosapentaenoic (20:05ω3) và acid arachidonic
(20:04ω6). Những acid béo là thành phần thiết yếu của chế độ ăn uống của con
người và động vật, đồng thời trở thành thức ăn phụ gia quan trọng trong nuôi trồng
thủy sản [13].
21
1.2.4. Một số yếu tố ảnh hưởng đến khả năng tích lũy lipid của vi tảo
Vi tảo có khả năng tồn tại trong những điều kiện đa dạng và khắc nghiệt, đôi
khi lipid tế bào thu được bất thường từ những vi tảo này [79]. Hơn nữa, một số vi
tảo này cũng có thể thay đổi chuyển hóa lipid hiệu quả để đáp ứng với những thay
đổi trong điều kiện môi trường [96].
Hình 1.4. Cảm ứng lipid ở tảo dưới các điều kiện stress
(theo Sharma K., 2012) [84]
Trong điều kiện phát triển tốt nhất, một lượng lớn sinh khối tảo được sản
xuất nhưng với hàm lượng lipid tương đối thấp, trong đó chiếm khoảng 5-20% khối
lượng khô tế bào. Về cơ bản, sinh khối vi tảo và TAG cạnh tranh đồng hóa quang
hợp và lập trình lại các con đường sinh lý cần thiết để kích thích quá trình sinh tổng
hợp lipid. Trong điều kiện không thuận lợi hay stress môi trường, nhiều vi tảo làm
thay đổi con đường sinh tổng hợp lipid của chúng đối với sự hình thành và tích lũy
lipid (20-50% khối lượng khô), chủ yếu trong các TAG, tạo điều kiện để vi tảo có
thể chịu đựng những thay đổi của môi trường (hình 1.4) [84].
Các điều kiện stress gây cảm ứng
lipid:

• Giới hạn các chất dinh dưỡng
• Nhiệt độ thay đổi (thấp, cao)
• Thay đổi độ mặn và độ pH
• Ánh sáng hay tia UV
Tế bào tảo
phân chia
Tích lũy lipid
như một phản ứng stress
22
Có nhiều nghiên cứu được thực hiện trên kỹ thuật cảm ứng lipid trong vi tảo
như sử dụng stress chất dinh dưỡng, bao gồm thiếu nitrogen và / hoặc phosphorus,
ánh sáng, pH, nhiệt độ, kim loại nặng và các hóa chất khác.
1.2.4.1. Dinh dưỡng
Lượng dinh dưỡng có tác động đáng kể đến tăng trưởng của vi tảo và ảnh
hưởng mạnh mẽ đến thành phần lipid của chúng. Điều kiện môi trường stress khi
các chất dinh dưỡng được giới hạn luôn làm cho tỷ lệ phân chia tế bào giảm mạnh.
Tuy nhiên, hoạt động sinh tổng hợp các acid béo vẫn được duy trì trong một số loài
tảo trong điều kiện như vậy, miễn là có đủ ánh sáng và CO
2
cho quang hợp [96]
Nitrogen là chất dinh dưỡng quan trọng nhất ảnh hưởng đến chuyển hóa lipid
trong tảo. Nhiều nghiên cứu cho thấy, sự sinh tổng hợp và tích lũy lipid gia tăng
trong điều kiện giới hạn nitrogen. Ngược lại với lipid phân cực trong điều kiện đủ
nitrogen, lipid trung tính ở dạng TAG là thành phần ưu thế của lipid trong tế bào
thiếu nitrogen [84].
1.2.4.2. Ánh sáng
Ánh sáng là yếu tố quan trọng nhất cho quang hợp, không có ánh sáng đời
sống tự dưỡng không thể duy trì hoặc phát triển. Nhiều nghiên cứu cho thấy, vi
tảo phát triển ở điều kiện cường độ ánh sáng khác nhau sẽ có những thay đổi
đáng kể trong thành phần hóa học, hàm lượng sắc tố và hoạt động quang hợp

[71] . Hơn nữa, cường độ và bước sóng ánh sáng khác nhau đã được báo cáo làm
thay đổi sự trao đổi lipid dẫn tới sự thay đổi trong thành phần lipid vi tảo. Cường
độ ánh sáng cao dẫn đến oxy hóa gây thiệt hại đến hàm lượng acid béo không no,
nhưng cũng cần thiết cho sự tổng hợp của C16:1 và làm thay đổi nồng độ acid
béo trong vi tảo [36].
Thông thường, cường độ ánh sáng thấp dẫn đến sự hình thành chất béo phân
cực, đặc biệt là lipid phân cực trên màng liên kết với lục lạp, trong khi cường độ
ánh sáng cao làm giảm hàm lượng lipid phân cực tổng số với một sự gia tăng đồng
thời số lượng chất béo trung tính, chủ yếu là TAG [59].
23
1.2.4.3. Nhiệt độ
Nhiệt độ đã được chứng minh có ảnh hưởng lớn đến thành phần acid béo của
vi tảo. Một xu hướng chung theo hướng tăng acid béo bất bão hòa với nhiệt độ giảm
và tăng acid béo bão hòa với nhiệt độ ngày càng tăng đã được quan sát thấy ở nhiều
vi tảo và vi khuẩn lam [70], [78].
Thường được chấp nhận rằng, nhiều thay đổi trong cấu trúc lipid làm thay
đổi tính chất vật lý của màng tế bào để đảm bảo các chức năng bình thường (ví dụ
độ thấm ion, quá trình quang hợp và hô hấp) có thể vẫn tiếp tục được giữ nguyên.
Sự thay đổi thường thấy nhất của lipid màng sau sự thay đổi nhiệt độ là một sự thay
đổi trong acid béo bất bão hòa [93].
1.2.4.4. pH
Biến động của độ pH trong môi trường cũng đã được cho thấy để thay đổi thành
phần lipid của vi tảo. Dựa trên những quan sát hình thái học, pH kiềm đã ức chế sự
tăng trưởng của vi tảo, do đó chuyển hướng năng lượng để tạo thành TAG [32].
1.3. MỘT SỐ NGHIÊN CỨU THĂM DÒ VỀ LIPID VI KHUẨN LAM VÀ CÁC
YẾU TỐ ẢNH HƯỞNG ĐẾN LIPID Ở VI KHUẨN LAM
1.3.1. Các nghiên cứu thăm dò hàm lượng lipid các chủng vi khuẩn lam
Năm 1990, Sallal và cs đã tiến hành nghiên cứu lipid và thành phần acid béo
của một số loài vi khuẩn lam nước ngọt. Nuôi ở nhiệt độ 28
o

C, môi trường BG–11, ánh
sáng đèn huỳnh quang với cường độ 3500 lux. Thu sinh khối bằng phương pháp ly
tâm, lipid được chiết bằng dung môi 2-propanol/chlorofom (1: 2, v/v). Kết quả cho
thấy bốn loài vi khuẩn lam nước ngọt (Anabaena cylindrica, Anacystis nidulans,
Nostoc canilta and Nostoc muscorum) có hàm lượng lipid tổng số dao động trong
khoảng 10,7 - 12,3% khối lượng khô [76].
Nagarkar và cs (2004) báo cáo về thành phần hoá học và giá trị nhiệt lượng
tương ứng của 13 loài vi khuẩn lam (họ không báo cáo về hàm lượng lipid). Họ
nhận thấy rằng các giá trị nhiệt lượng khác nhau trong khoảng 15–35kJ 10g
-1
dw,
trong đó Spirulina và Phormidium cho giá trị cao hơn [55].
Griffiths và cs (2009) thu thập dữ liệu về sản xuất diesel sinh học của 55 loài
vi tảo. Trong đó, Synechococus với sản lượng lipid 75mg/L mỗi ngày là một trong
24
những chủng có năng suất cao nhất [31].
Bảng 1.3. Hàm lượng lipid tổng số của một số chủng vi khuẩn lam
(theo Sharathchandra., 2011) [83]
Vi khuẩn lam Hàm lượng lipid tổng số (%)
Oscillatoria calcuttensis
Oscillatoria acuminata
Nostoc linckia
Calothrix fusca
Lyngbya limnetica
Phormidium purpurescens
Microcystis aeruginosa
Lyngbya dendrobia
Oscillatoria perornata
Phormidium ambiguum
Oscillatoria amoena

Scytonema bohnerii
Oscillatoria chlorina
25,70±0,14
24,65±0,21
18,45±0,07
22,60±0,28
18,10±0,14
26,45±0,21
28,15±0,21
10,55±0,07
14,10±0,14
10,48±0,10
18,63±0,18
22,22±0,32
16,62±0,16
Lipid tổng số của 13 loài vi khuẩn lam nước ngọt phân lập từ môi trường
sống khác nhau của miền Nam Karnataka đã được Sharathchandra và cs (2011) điều
tra với các chi Oscillatoria, Microcystis, Nostoc…. Kết quả xác định được các
chủng vi khuẩn lam chứa một hàm lượng lipid từ 10,55 – 28,15%, trong đó
Microcystis aeruginosa có hàm lượng lipid cao nhất (bảng 1.3) [83].
1.3.2. Các nghiên cứu điều kiện môi trường để gia tăng hàm lượng lipid
1.3.2.1. Ảnh hưởng của thiếu dinh dưỡng
Nguồn và nồng độ nitrogen trong môi trường sinh trưởng ảnh hưởng rất
nhiều đến năng suất lipid vi tảo. Bên cạnh đó, việc gây thiếu nitrogen dễ dàng để
thao tác và giá rẻ. Vì vậy đây là phương pháp được nhiều nhà khoa học nghiên cứu
trên nhiều đối tượng nhằm gia tăng hàm lượng lipid.
25
Năm 1987, de Loura và cs đã nghiên cứu ảnh hưởng của thiếu nitrogen lên
hàm lượng lipid ở 2 chủng Pseudanabaena sp. và Oscillatoria splendida được nuôi
trong môi trường Z8, nhiệt độ 25

o
C, chiếu sáng 12/24, pH 6,8. Kết quả cho thấy,
trái ngược với những gì xảy ra trong thực vật bậc cao và tảo eukaryotic, sự thiếu
nitrogen trong quá trình tăng trưởng gây ra một sự thay đổi trong thành phần sắc tố
nhưng không có thay đổi đáng kể trong lipid tổng số và thành phần acid béo của hai
chủng vi khuẩn lam Pseudanabaena sp. và Oscillatoria splendida. Thiếu nitrogen
không ảnh hưởng đến hàm lượng chlorophyll a, nhưng nó gây ra sự mất mát
phycobiliprotein, tăng hàm lượng carotenoid, giảm phycocyanin [22].
Uslu (2011) đã nghiên cứu ảnh hưởng của điều kiện thiếu 50% và 100%
nitrogen đối với hàm lượng lipid của tế bào Spirulina platensis trong điều kiện
phòng thí nghiệm. S. platensis được nuôi cấy trong môi trường Z8 và giữ ở nhiệt độ
phòng 26 ± 1
o
C, chiếu sáng bằng đèn huỳnh quang với bức xạ 80 μmol m
-2
s
-1
và sục
khí liên tục. Sinh khối Spirulina thu hoạch ở giai đoạn tĩnh nhận được 5,78; 13,66;
17,05% lipid tương ứng các môi trường đối chứng, (-)50% N, (-)100% N. Hàm
lượng lipid cao nhất với 1,00g/L khối lượng khô nhận được từ môi trường nuôi cấy
(-)100% N [99].
1.3.2.2. Ảnh hưởng của ánh sáng
Năm 1988, Alhasan và cs đã nghiên cứu hiệu quả của ánh sáng và ủ tối lên
lipid của năm loài vi khuẩn lam biển: Anabaena constricta (chủng KCCA/C l00),
Phormidium corium (KCCA/C200), Phormidium jenkelianum (KCCA/C210),
Spirulina subsalsa (KCCA/C300) và Synechocystis sp. (KCCA/C400). Chúng được
nuôi cấy ở điều kiện ánh sáng 1500lux, nhiệt độ 38
o
C, pH 6,8. Một lô được nuôi ở

điều kiện chiếu sáng liên tục 7 ngày và sau đó ủ tối 7 ngày, còn một lô nuôi ở điều
kiện chiếu sáng liên tục 14 ngày. Kết quả cho thấy, hàm lượng lipid tổng số A.
constricta và P. jenkelianum giảm trong bóng tối, trong khi đó của ba chủng vi
khuẩn lam còn lại là tương đối ít bị ảnh hưởng [9].
Theo Tedesco (1989), hàm lượng lipid tổng số và acid béo của Spirulina
platensis UTEX 1928 là 7,2 và 2,2% khối lượng khô tế bào dưới điều kiện kiểm soát