Tài liệu Khảo sát việc thay thế hàm lượng nahco3 bằng nacl trong môi trường nuôi trồng tảo spirulina platensis

MỤC LỤC CÁC KÝ HIỆU, CHỮ VIẾT TẮT............................................................................v DANH MỤC BẢNG................................................................................................vi DANH MỤC HÌNH...............................................................................................viii DANH MỤC SƠ ĐỒ...............................................................................................ix CHƯƠNG 1. MỞ ĐẦU........................................................................................1 1.1. ĐẶT VẤN ĐỀ.............................................................................................1 1.2. MỤC TIÊU..................................................................................................2 1.3. NỘI DUNG..................................................................................................3 CHƯƠNG 2. TỔNG QUAN TÀI LIỆU...............................................................4 2.1. GIỚI THIỆU VỀ TẢO SPIRULINA PLATENSIS........................................4 2.1.1. Phân loại................................................................................................5 2.1.2. Đặc điểm sinh học của Spirulina platensis............................................6 2.1.2.1. 2.1.2.2. 2.1.2.3. 2.1.2.4. 2.1.2.5. 2.1.2.6. 2.1.2.7. 2.1.3. Hình thái ........................................................................................6 Kích thước......................................................................................6 Cấu tạo sợi......................................................................................7 Đặc điểm vận động và trú quán......................................................8 Phân bố...........................................................................................8 Nguồn dinh dưỡng của Spirulina platensis.....................................9 Đặc điểm sinh sản.........................................................................14 Thành phần hóa học của Spirulina platensis.......................................15 2.1.3.1. Protein và acid amin.....................................................................16 2.1.3.2. Glucid...........................................................................................18 2.1.3.3. Lipid ............................................................................................19 2.1.3.4. Sắc tố............................................................................................19 2.1.3.5. Vitamin.........................................................................................21 2.1.3.6. Khoáng chất..................................................................................23 2.1.3.7. Enzyme trong Spirulina................................................................25 2.2. ỨNG DỤNG SPIRULINA VÀO ĐỜI SỐNG............................................25 2.2.1. Ứng dụng trong công nghệ thực phẩm................................................25 2.2.2. Chiết xuất các chất có giá trị dinh dưỡng hoặc các chất có hoạt tính sinh học ...........................................................................................................26 2.2.3. Chế biến thức ăn cho gia súc, gia cầm và thủy hải sản........................28 2.2.4. Sản xuất phân bón sinh học.................................................................29 2.2.5. Xử lý môi trường.................................................................................29 2.3. CÔNG NGHỆ NUÔI TRỒNG HIỆN NAY...............................................30 2.3.1. Công nghệ sản xuất Spirulina..............................................................30 2.3.1.1. 2.3.1.2. 2.3.1.3. 2.3.2. Cơ sở công nghệ nuôi trồng..........................................................30 Công nghệ nuôi trồng theo hệ thống hở (O.E.S)...........................30 Công nghệ nuôi trồng theo hệ thống kín (C.E.S)..........................32 Công nghệ nuôi trồng và thu hoạch Spirulina ở Việt Nam..................33 CHƯƠNG 3. VẬT LIỆU VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU.......................36 3.1. Nguyên liệu và hóa chất.............................................................................36 3.1.1. Nguyên liệu.........................................................................................36 3.1.2. Hóa chất dùng trong thí nghiệm..........................................................36 3.2. Dụng cụ và thiết bị.....................................................................................36 3.2.1. Dụng cụ...............................................................................................36 3.2.2. Thiết bị sử dụng...................................................................................36 3.3. Phương pháp nghiên cứu............................................................................37 3.3.1. Sơ đồ khối quá trình nghiên cứu..........................................................37 3.3.2. Tạo giống Spirulina chịu mặn..............................................................38 3.3.3. Khảo sát ảnh hưởng của muối NaHCO3, NaCl đến sự sinh trưởng của Spirulina platensis............................................................................................40 3.3.3.1. Bố trí thí nghiệm..................................................................................40 3.3.3.2. Phương pháp phân tích........................................................................41 3.3.4. Thu và xử lý sinh khối.........................................................................42 3.3.5. Khảo sát hàm lượng protein và lipid tông............................................42 CHƯƠNG 4. KẾT QUẢ VÀ BIỆN LUẬN........................................................46 4.1. Nuôi trồng Spirulina platensis chịu mă ̣n....................................................46 4.2. Khảo sát ảnh hưởng của hàm lượng NaHCO3 và NaCl đến sự sinh trưởng của Spirulina platensis.........................................................................................48 4.2.1. Khảo sát sự thay đôi hình thái của tế bào Spirulina platensis trong các môi trường có hàm lượng NaHCO3 và NaCl khác nhau...................................48 4.2.2. Khảo sát ảnh hưởng của hàm lượng NaHCO3 và NaCl khác nhau đến sự tăng trưởng của Spirulina platensis.............................................................49 4.2.2.1. Kết quả phân tích mật độ quang..........................................................50 4.2.2.2. Tốc độ tăng trưởng của Spirulina platensis.........................................52 4.2.2.3. Kết quả phân tích sinh khối khô..........................................................54 4.2.3. Khảo sát ảnh hưởng của hàm lượng NaHCO3, NaCl khác nhau đến hàm lượng dinh dưỡng của Spirulina platensis................................................56 CHƯƠNG 5. KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ......................................................60 5.1. KẾT LUẬN................................................................................................60 5.2. KIẾN NGHỊ...............................................................................................61 CHƯƠNG 6. TÀI LIỆU THAM KHẢO.................................................................62 CÁC KÝ HIỆU, CHỮ VIẾT TẮT MGDG: monogalactosyldiacylglycerol DGDG: digalactosyldiacylglycerol SQDG: sulphoquinovosyldiacylglycerol PG: phosphatidylglycerol PUFA: polyunsatured fatty acid (acid béo không no đa nối đôi) MeOH: methanol SFE: Supercritical fluid extraction (trích ly dùng lưu chất siêu tới hạn) C9:0: acid perlagonic C10:0: acid capric C12:0: acid lauric C14:0: acid myristic C16:0: acid palmitic acid C16:1: hexadecenoic acid C18:0: stearic acid C18:1: oleic acid C18:2: linoleic acid C18:3:  - linolenic acid DANH MỤC BẢNG Bảng 2-1: Thành phần hóa học cơ bản của Spirulina (theo chất khô)....................15 Bảng 2-2: Thành phần acid amin của Spirulina......................................................17 Bảng 2-3: Nhu cầu acid amin thiết yếu của người trưởng thành (EAA) và khả năng cung cấp của 10g Spirulina....................................................................................18 Bảng 2-4: Thành phần một số acid béo đặc biệt trong Spirulina.............................19 Bảng 2-5: Thành phầncác sắc tố tự nhiên trong Spirulina.......................................20 Bảng 2-6: Hàm lượng vitamin trong 10g sinh khối khô Spirulina platensis so sánh với nhu cầu hàng ngày của một người trưởng thành (theo US Daily Value)...........21 Bảng 2-7: Hàm lượng B12 của một số thức ăn so sánh với Spirulina....................23 Bảng 2-8: Hàm lượng khoáng trong 10g sinh khối khô Spirulina so sánh với tiêu chuẩn hàng ngày của một người (theo US DV).......................................................24 Bảng 3-9: Thành phần môi trường NaHCO3 thay thế dần bằng NaCl.....................39 Bảng 3-10: Bố trí thí nghiệm...................................................................................41 Bảng 4-11: Các điều kiện khí hậu trong quá trình khảo sát.....................................50 Bảng 4-12: Sự tăng trưởng của Spirulina trong các môi trường có hàm lượng NaHCO3 và NaCl khác nhau...................................................................................51 Bảng 4-13: Tốc độ tăng trưởng của Spirulina platensis nuôi trong hũ nhựa............53 Bảng 4-14: Sinh khối Spirulina platensis khô ở các môi trường có hàm lượng dinh dưỡng khác nhau (g/l)..............................................................................................54 Bảng 4-15: Ảnh hưởng của môi trường đến hàm lượng sinh khối khô của Spirulina platensis................................................................................................................... 54 Bảng 4-19: Hàm lượng lipid của sinh khối Spirulina platensis ở các môi trường khác nhau................................................................................................................57 Bảng 4-20: Kết quả khảo sát tỉ lệ giữa acid béo bão hòa : acid béo không bão hòa trong sinh khối Spirulina platensis thu nhận từ các môi trường có chứa hàm lượng NaHCO3, NaCl khác nhau.......................................................................................58 Bảng 4-21: Kết quả phân tích thành phần acid béo của sinh khối Spirulina...........59 DANH MỤC SƠ ĐỒ Sơ đồ 2-1: Mô hình công nghệ nuôi trồng sản xuất Spirulina tại Vĩnh Hảo............35 Sơ đồ 3-2: Sơ đồ khối của quá trình nghiên cứu......................................................46 Sơ đồ 3-3: Sơ đồ cầy chuyền từ môi trường Zarrouk sang các môi trường thay thế 47 Sơ đồ 3-4: Quy trình trích ly lipid...........................................................................51 DANH MỤC HÌNH Hình 2.1: Một số hình dạng sợi Spirulina platensis nhìn dưới kính hiển vi...............6 Hình 2.2: Hồng hạc ở một hồ Châu Phi ăn Spirulina...............................................9 Hình 2.3: Cơ chế quang hợp ở Spirulina................................................................12 Hình 2.4: Khuấy trộn bằng cánh khuấy...................................................................13 Hình 2.5: Vòng đời của Spirulina ...........................................................................14 Hình 2.6: Sản phẩm nước giải khát đóng hộp của công ty Vĩnh Hảo......................26 Hình 2.7: Một số dược phẩm từ Spi.........................................................................26 Hình 2.8: Nước chiết xuất từ Spirulina platensis.....................................................27 Hình 2.9: Mỹ phẩm và kem dưỡng da từ Spirulina.................................................27 Hình 2.10: Một số dạng sản phẩm cho chăn nuôi gia súc và nuôi trồng thủy hải sản ................................................................................................................................. 28 Hình 2.11: Xử lý nước thải ở hồ nuôi Spirulina......................................................30 Hình 2.12: Earthrise Farms – Nhà nuôi Spirulina lớn nhất......................................31 Hình 2.13: Bể nuôi trồng Spirulina ở Sosa Texcoco – Mexico...............................31 Hình 2.14: Bể nuôi trồng Spirulina ở Earthrise Farms............................................31 Hình 2.15: Nuôi Spirulina trong nhà kính ở miền Nam nước Pháp.........................33 Hình 2.16: Bể nuôi trồng Spirulina tại Công Ty Cô phần Nước Khoáng Vĩnh Hảo ................................................................................................................................. 34 Hình 4.17: Quá trình nuôi trồng Spirulina platensis................................................47 Hình 4.18: Hình dạng sợi Spirulina platensis trong các môi trường khác nhau.......48 Hình 4.19: Đồ thị ảnh hưởng của môi trường đến hàm lượng sinh khối khô của Spirulina platensis...................................................................................................55 1 CHƯƠNG 1. MỞ ĐẦU 1.1. ĐẶT VẤN ĐỀ Spirulina platensis là những vi sinh vật có khả năng sản xuất các chất có giá trị, chẳng hạn như sắc tố, protein, vitamin cung cấp cho ngành công nghiệp thực phẩm, dược phẩm, chăn nuôi…Trong tất cả các vi Spirulina platensis thì Spirulina platensis phô biến nhất vì dễ nuôi trồng, quá trình thu hoạch đơn giản. Spirulina platensis được sản xuất thương mại trên toàn thế giới do hàm lượng dinh dưỡng trong Spirulina platensis rất phong phú: protein cao (lên đến 70%), các hợp chất màu (đặc biệt là các sắc tố phytocyanin), acid béo thiết yếu ( - linoleic acid), vitamin B12 và các khoáng chất, mang hoạt chất chống ung thư, giảm cholesterol, chống oxy hóa, hỗ trợ điều trị bệnh tiểu đường, tăng cường hệ miễn dịch [27] Ngoài việc nuôi trồng Spirulina trong những môi trường truyền thống đã được nghiên cứu kỹ trong phòng thí nghiệm, xu hướng nghiên cứu và nuôi trồng Spirulina trong một số nguồn nước khác nhau như trong nước lợ, nước biển và nước thải có kèm theo việc điều chỉnh và bô sung một số chất dinh dưỡng thích hợp cũng đang được phát triển rộng rãi [16]. Biển bao phủ 72% bề mặt trái đất chiếm 98% tông lượng nước của toàn thế giới. Nước biển có tính kiềm, giá trị pH = 8, hàm lượng muối trung bình là 33,3 ‰. Độ mặn của nước biển có thể dao động trong khoảng từ 29‰ (nước biển ở các cực của trái đất) đến 35‰ (ở những nơi gần xích đạo), trung bình là khoảng 34‰, tức là chứa khoảng 34g muối/lít, ngoài ra nước biển còn chứa rất nhiều các nguyên tố khoáng vi lượng. Trong nước biển, hàm lượng muối chiếm nhiều nhất, giữ vai trò chủ đạo là NaCl (26,5g/l chiếm khoảng 77,8%), ngoài ra không có chứa NaHCO3. Nuôi trồng Spirulina yêu cầu độ pH tương đối cao, do đó hàm lượng NaHCO 3 cao phải luôn luôn có mặt trong môi trường để duy trì pH và ngăn ngừa biến động. Môi trường Zarrouk giàu hàm lượng NaHCO3 (16,8g/l) đã được sử dụng để nuôi trồng Spirulina trong nhiều năm nay [30]. 2 Môi trường nước biển và môi trường Zarrouk có hàm lượng khoáng tương đối giống nhau. Tuy nhiên, trong môi trường nước biển thì NaCl là thành phần có hàm lượng cao nhất, còn trong môi trường Zarrouk thì NaHCO 3 lại chiếm vai trò chủ đạo. Spirulina muốn nuôi được trong môi trường nước biển, trước hết Spirulina phải sống và phát triển được trong môi trường không có chứa hàm lượng NaHCO 3. Tuy nhiên nếu thay hoàn toàn lượng NaHCO3 trong môi trường Zarrouk bằng NaCl thì Spirulina platensis có thích ứng và phát triển được hay không? Việc nuôi trong môi trường mà thành phần NaHCO 3 được thay thế một phần hoặc hoàn toàn bằng NaCl sẽ ảnh hưởng đến sự sinh trưởng và hàm lượng lipid ở Spirulina như thế nào? Để tìm hiểu xem Spirulina có thể nuôi trong môi trường hoàn toàn không có NaHCO3 hay không và thành phần dinh dưỡng có bị biến đôi như thế nào trong môi trường này, chúng tôi tiến hành thực hiện đề tài nghiên cứu: “KHẢO SÁT VIỆC THAY THẾ HÀM LƯỢNG NaHCO 3 BẰNG NaCl TRONG MÔI TRƯỜNG NUÔI TRỒNG TẢO SPIRULINA PLATENSIS” 1.2. MỤC TIÊU - Nuôi Spirulina trong môi trường mà hàm lượng NaHCO3 được thay thế bằng NaCl nhằm hướng đến việc sử dụng nước biển để thay thế môi trường truyền thống. - Đánh giá sự tăng trưởng và thành phần lipid của Spirulina platensis trong môi trường có thành phần NaHCO3 được thay thế dần bằng NaCl trong 2 điều kiện nuôi khác nhau. 1.3. NỘI DUNG - Nuôi trồng Spirulina platensis trong môi trường Zarrouk ở điều kiện tự nhiên. - Nuôi trồng Spirulina trong các môi trường có thành phần NaHCO3 được thay thế dần bằng NaCl ở điều kiện tự nhiên. 3 - Khảo sát sự sinh trưởng của Spirulina platensis trong môi trường có thành phần NaHCO3 được thay thế dần bằng NaCl ở hai điều kiện nuôi khác nhau (nuôi trong hũ nhựa và nuôi trong ống nhựa). - Khảo sát hàm lượng protein tông và lipid tông trong các môi trường có hàm lượng NaHCO3 và NaCl khác nhau. - Phân tích các thành phần lipid qua sắc ký khí 4 CHƯƠNG 2. TỔNG QUAN TÀI LIỆU 2.1. GIỚI THIỆU VỀ TẢO SPIRULINA PLATENSIS Spirulina platensis lam hay còn gọi là vi khuẩn lam (Cyanobacteria) là một ngành vi khuẩn có khả năng hấp thu năng lượng qua quá trình quang hợp. Trong số các cơ thể tự dưỡng được thì vi khuẩn lam được xem là nhóm nguyên thủy nhất. Di tích hóa thạch của chúng được phát hiện cách đây khoảng 3,8 tỷ năm. Chúng được xếp liền sau các vi khuẩn và riêng với các nhóm khác vì ngoài những đặc điểm như chưa có nhân thật, chưa có lục lạp, chỉ có chlorophyll a thì chúng cũng chưa có sự sinh dục hữu tính, cấu tạo đơn giản (đơn bào hay đa bào hình sợi). Vi khuẩn lam Spirulina platensis không có tiêm mao, chúng di chuyển bằng cách trượt lên bề mặt. Spirulina còn có tên là Arthrospira, là loại vi khuẩn lam không cố định nitơ và ăn được. Spriulina có dạng xoắn lò xo, kích thước nhỏ, chúng sống trong môi trường có độ kiềm cao, giàu ion bicacbonate (HCO 3-). Spirulina sinh trưởng rất nhanh, nhiệt độ tối thích cho sự phát triển là 35 – 36oC [20]. Đã từ lâu, Spirulina đã được con người sử dụng làm thức ăn. Một số tài liệu sử học ghi nhận ở thế kỷ XVI, thô dân Aztecs sống quanh vùng hồ Texcoco vẫn thường thu vớt một loại thức ăn từ hồ này, họ gọi món ăn đó là “Techuilatl”. “Techuilatl” được bán tại các chợ của Mexico và được ăn cùng với ngô và các ngũ cốc khác hoặc cùng với nước chấm gọi là “Chilmolli”. Về sau “Techuilatl” được xác định là làm từ Spriulina maxima, một loại thức ăn rẻ tiền và giàu dinh dưỡng. Dân địa phương quanh thị trấn Fort Lamy, nay thuộc nước cộng hòa Công Gô (châu Phi), vẫn ăn một thứ thức ăn gọi là “Dihé”. Họ làm “Dihé” từ những váng màu xanh nôi trên mặt nước hồ Chad. Họ thu vớt và phơi khô chứng trên cát dưới ánh sáng mặt trời rồi đập nhỏ đem bán [23]. Dangeard – một nhà nghiên cứu người Pháp đã xác định thành phần chính của “Dihé” là loại Spirulina platensis xoắn Arthrospira (Spirulina platensis). 5 Năm 1970, qui trình sản xuất sinh khối Spirulina platensis quy mô lớn đầu tiên được tiến hành trên diện tích 12 hecta tại Pháp đã cho sản lượng trên 1 tấn khô mỗi ngày [10]. Ngày nay, có rất nhiều nước nuôi trồng sản xuất Spirulina platensis với quy mô lớn như Nhật Bản, Đài Loan, Mỹ, các nước châu Phi… 2.1.1. Phân loại Chi Spirulina là tên gọi đầu tiên được mô tả bởi Turpin vào năm 1827.[30] Theo phân loại mới nhất Spirulina platensis thuộc: [33] - Chi Arthrospira - Họ Phomidiaceae - Bộ Oscillatoriales ( phân loại theo hệ thống Bergey, 1994) - Lớp Chroobacteria - Ngành Cyanobacteria Có 2 loại phô biến là Arthrospira maxima và Arthrospira platensis. Do hình dạng “lò xo xoắn” dưới kính hiển vi nên được gọi là Spirulina với tên khoa học là Spirulina platensis, Spirulina platensis Spirulina maxima (bắt nguồn từ gốc spire, spiral có nghĩa là “xoắn ốc”) và trước đây được coi là thuộc chi Spirulina. Thực ra, đây không phải là sinh vật thuộc Spirulina platensis (algae) vì Spirulina platensis thuộc sinh vật nhân thật (Eukaryota) còn Spirulina (Cyanobacteria) thuộc sinh vật nhân sơ hay nhân nguyên thủy (Prokaryota). [5] Đã có rất nhiều loài Spirulina được tìm thấy, đặc biệt trong đó có 2 loài có nguồn gốc từ Châu Phi và Nam Mỹ là S. Geileri (S. maxima) và S. platensis là được nghiên cứu nhiều nhất. Mặc dù, có rất nhiều loài sống tự nhiên trong ao, hồ, ruộng lúa, sông ngòi, ở dạng đơn độc hoặc kết thành những cụm nôi trên mặt nước, nhưng khi phân loại đều phải dựa vào đặc điểm xoắn và các tính chất đặc trưng khác của Spirulina platensis. 6 2.1.2. Đặc điểm sinh học của Spirulina platensis 2.1.2.1. Hình thái [8] Spirulina tồn tại dưới dạng thể đa bào, dạng sợi. Dưới kính hiển vi Spirulina là những sợi màu xanh lục hay xanh lam, tế bào dạng trụ tròn không phân nhánh, không dị bào, xoắn kiểu lò xo và đều nhau, ở 2 đầu xoắn thường hẹp, di động bằng cách trượt dài dọc theo trục. Mức độ xoắn của vòng xoắn cuối cùng hẹp hơn từ 30 – 50% so với vòng xoắn bình thường, điều này không xảy ra với những sợi duỗi thẳng [30]. Ngoài dạng xoắn lò xo còn có các dạng khác như dạng thẳng, hình S, hình C…Phụ thuộc vào điều kiện ánh sáng, nhiệt độ môi trường và điều kiện dinh dưỡng. Các vòng xoắn của Spirulina platensis dễ thay đôi. Ngay trong một dạng bình thường có thể có đến 5 – 7 vòng xoắn, đặc biệt có thể đạt đến 27 vòng. Hình dạng xoắn của Spirulina platensis là đặc điểm phân biệt với những dạng khác, tuy nhiên trong cùng một loài vẫn thấy có những dạng xoắn khác nhau. Nguyên nhân có thể là do có sự thay đôi về điều kiện môi trường hoặc có thể do thay đôi nhiệt độ. Dạng xoắn thường dễ phát triển. Hình 2.1: Một số hình dạng sợi Spirulina platensis nhìn dưới kính hiển vi 2.1.2.2. Kích thước Spirulina platensis ở hồ Chad thì kích thước sợi là 60 µm/1 vòng xoắn, chiều rộng của sợi là 6 – 8 µm. 7 Trong điều kiện nuôi cấy tối ưu có khi Spirulina platensis dài đến 20 mm. Nhờ kích thước tế bào lớn nên dễ dàng quan sát vách tế bào và những túi không bào khí… 2.1.2.3. Cấu tạo sợi Bằng lát cắt cực mỏng khi quan sát dưới kính hiển vi, thành tế bào của S.platensis có 4 lớp.  Lớp ngoài cùng hay là lớp thứ IV được sắp xếp đều nhau, song song với trục chính. Lớp này được xem như là thành tế bào của vi khuẩn gram âm.  Lớp thứ III được tạo thành từ những sợi protein bao quanh cơ thể.  Lớp thứ II chứa peptidolycan, được xếp gấp lại hướng vào trong của sợi Spirulina.  Lớp thứ I nằm sát vào lớp thứ II. Vách tế bào được ví như cái đĩa mỏng, bao lấy phần bên trong cơ thể và được cấu tạo chủ yếu bằng peptidoglycan nên nhạy cảm với lysozyme và dễ dàng được tiêu hóa trong ống tiêu hóa của người và động vật. Nhưng khi phân tích các hoạt chất muốn chiết xuất thì nhất thiết phải phá vỡ màng tế bào. Tế bào có dạng hình trụ, liên kết lại thành chuỗi, Giữa các tế bào có vách ngăn, nhưng vách ở đầu sợi thường hơi dày hơn. Vì vậy, đây là cơ thể đa bào, mỗi sợi có khoảng hơn 100 tế bào. Các tế bào riêng rẽ thường có kích thước khoảng 5 µm, rộng khoảng 2 µm. Tế bào chưa có nhân điển hình, vùng nhân không rõ ràng . Hầu hết cấu trúc nhô lên trên màng tế bào chất là hệ thống màng thylacoid có nguồn gốc từ màng sinh chất, không có lục lạp. Màng thylacoid được sắp xếp theo hướng đồng tâm của vòng xoắn (thường thấy ở những sợi trưởng thành), đối với những tế bào bước vào thời kỳ sinh sản thì màng thylacoid bị gãy và cuối cùng trở thành 2 tế bào con. Các sắc tố chính thực hiện quá trình quang hợp là chlorophyl, phycocyanin và các carotenoid. Trong đó, phycocyanin kết tụ lại với nhau và gắn kết với màng 8 thylacoid. Hạt cyanophycin được dự trữ dưới dạng copolymer của các aminoacid trong chuỗi poly – L – aspartic acid và arginin kết hợp với nhóm β-cacboxyl.[30] Trong tế bào chất có chứa các túi không bào khí, có đường kính khoảng 0.065 µm. Nhờ các túi này mà tế bào nôi được trên mặt nước, tạo điều kiện thuận lợi cho thu với sinh khối. 2.1.2.4. Đặc điểm vận động và trú quán Spirulina có khả năng vận động theo 2 kiểu:  Kiểu tự xoắn với đường kính vòng xoắn có thể thay đôi đến 80 µm, và các vòng xoắn có thể thưa hay dày. Mặt khác từ kiểu xoắn, tế bào sợi có thể tự vận động chuyển sang các dạng sóng, dạng thẳng hoặc dạng hỗn hợp, mà trong đặc điểm hình dạng đã nêu.  Kiểu vận động kiểu tịnh tiến, trượt trôi trong môi trường nước, tốc độ di chuyển theo cơ chế trượt, đạt khoảng 5 µm/s. Đặc điểm này chứng tỏ sự gần gũi với sự vận động bơi lội chủ động của các phiêu sinh động vật, một trong bảy đặc tính cơ bản phân biệt giữa động vật và thực vật. Chính đặc điểm vận động, kết hợp với đặc tính nôi trên mặt nước do chức năng của không bào khí tạo ra, quyết định vị trí cư trú – trú quán của loài vi khuẩn này. Spirulina là sinh vật phiêu sinh sống tự do trong nước kiềm ở khoảng pH từ 8,5 – 11,0 giàu khoáng chất. Các vi phiêu sinh này lơ lửng ở độ sâu có thể lên tới 50 cm, và trong môi trường nhân tạo thường nuôi ở mức nước 10 – 30 cm (nuôi hồ hở), hoặc có thể trong hồ đáy sâu 1 -1,5 m (sục khí) để đảm bảo tiếp nhận ánh sáng. Trôi nôi trong nước và nhu cầu ánh sáng là 2 đặc điểm ràng buột lẫn nhau, hỗ trợ nhau, rất quan trọng trong công nghệ nuôi trồng Spirulina. 2.1.2.5. Phân bố Ở các vùng nước kiềm (pH = 8.5 -11.0) có thể có Spirulina sống tự nhiên, nhất là các hồ, suối khoáng ấm áp. Về địa lý, sinh vật này tìm thấy ở phạm vi rất rộng: Châu Phi (Tchad, Congo, Ethiopia, Kenya, Nam Phi, Ai Cập, Tanzania, Zambia), 9 Châu Mỹ (Hoa Kỳ, Peru, Uruguay, Mexico), Châu Á (Ấn Độ, Pakistan, Srilanka, Việt Nam), Châu Âu (Nga, Ukraina, Hungary...). Từng vùng có thể có những loài, giống Spirulina khác nhau, hoặc một loài như S.platensis lại tìm thấy ở nhiều nước, có khi rất xa nhau tới nửa vòng trái đất. Sự phân bố này có thể do chọn lọc tự nhiên, không kể do con người chủ động di thực nuôi trồng. Cũng có thể đuợc di thực theo một số loài chim di trú, mà loài hồng hạc (Phoeniconaias minor ở Đông bán cầu, hay Phoenicoparrus jamesi ở Tây bán cầu) thường ăn Spirulina là một ví dụ. Spirulina thường bám vào lông vũ và theo chim phân bố tới những nơi mà hồng hạc cư trú theo mùa. Hình 2.2: Hồng hạc ở một hồ Châu Phi ăn Spirulina 2.1.2.6. Nguồn dinh dưỡng của Spirulina platensis Spirulina là vi sinh vật quang tự dưỡng bắt buộc, không thể sống hoàn toàn trong tối, quang hợp nhờ ánh sáng mặt trời và có khả năng tích lũy đạm rất cao. Đây là một trong khoảng 2500 loài Cyanophyta cô nhất, tự dưỡng đơn giản, có khả năng tông hợp được các chất cần thiết cho cơ thể, kể cà các đại phân tử phức tạp. Môi trường dinh dưỡng của Spirulina gồm:  Các dưỡng chất: Trong môi trường nước, Spirulina cần đủ nguồn dinh dưỡng: cacbon, nitơ, các chất khoáng đa lượng và vi lượng... Ngoài ra, chúng còn cảm ứng với một số chất như: ức chế hoặc chất kích thích sinh trưởng.  Các điều kiện lý hóa thích hợp: pH, áp suất thẩm thấu, ánh sáng, nhiệt độ, điều kiện khuấy trộn... 10  Dinh dưỡng cacbon Nguồn carbon để nuôi cấy thường là nguồn carbon vô cơ CO2 hay NaHCO3 [14]. Natri bicacbonat (NaHCO3) được sử dụng vì tạo được môi trường kiềm, thuận lợi cho sự phát triển của Spirulina platensis, trong khi đó, CO2 làm giảm pH môi. Trong thực tế, người ta sử dụng NaHCO 3 với nồng độ 16,8g/l kết hợp với thôi không khí (hàm lượng CO2 dưới 1%) đem nuôi trồng ở nhiệt độ 33 – 35 oC và cường độ ánh sáng khoảng 5.000 lux thì năng suất thu được khá cao. Như vậy nguồn carbon chính là NaHCO3, còn CO2 chỉ là nguồn carbon bô sung [12].  Dinh dưỡng Nitơ [12] Trong quá trình phát triển của Spirulina, nitơ đóng vai trò rất quan trọng. Nếu thiếu nitơ, sinh khối sẽ giảm rất nhanh. Khả năng tích lũy đạm của Spirulina rất cao. Hàm lượng nitơ trong sinh khối khô có thể đạt tới ~10% trọng lượng khô, hay thường trên 50% protein. Nhưng Spirulina không có khả năng sử dụng nitơ dạng khí N2 mà sử dụng dưới dạng NO3-, ngưỡng 30 -710 mg N/l, trung bình ở 412 mgN/l (theo môi trường của Zarrouk C).  Các dưỡng chất khoáng [12] Photpho: photpho được Spirulina sử dụng để tông hợp ATP, acid nucleic và các hợp chất cấu tạo khác. Photpho vô cơ dưới dạng muối nitrat, kali photphat hòa tan khoảng 90 – 180mg/l. Kali K+ và Natri Na+: dưới dạng muối clorid, hoặc vài dạng khác kết hợp với nguồn nitơ, photpho. Spirulina rất ưa muối, có thể tồn tại trong môi trường ưu trương chứa kali tới 5 g/l và natri tới 18 g/l. Trong thực nghiệm, tỷ lệ K+/Na+ nên nhỏ hơn 5, lớn hơn sẽ chậm phát triển, hoặc hơn nữa gây rối loạn, phá vỡ cấu trúc tế bào, Ion K + có thể coi như một nguyên tố vi lượng, dùng nuôi đại trà với hàm lượng khoảng 2,5 – 4,0 mEq/l, và rất nhỏ so với Ion Na+, tỷ lệ Na+/K+ từ 15 – 20. 11 Magie (Mg2+): đóng vai trò tương tự như photpho trong tông hợp các hạt polyphotphat. Canci (Ca2+): không ảnh hưởng rõ đến sinh trưởng của Spiriulina. Sắt: là dưỡng chất thiết yếu, ảnh hưởng trực tiếp đến sinh trưởng và hàm lượng protein. Sắt thường dung là muối FeSO4 (0,01g/l). Có thể dùng sắt dạng phức EDTA (etylen diamin tetracetic acid), phức này hòa tan bền hơn trong kiềm so với dạng vô cơ. Nồng độ Fe2+ trong môi trường rất rộng từ 0,56 – 56 mg/l môi trường. Clo (Cl-): Spirulina platensis này rất ưa Clo vô cơ, nồng độ dùng với muối NaCl, khoáng 1 -1,5 g/l. Các khoáng vi lượng khác: Bo (B3+), kẽm (Zn2+), mangan (Mn2+), đồng (Cu2+), coban (Co2+)… là các vi lượng được dùng, nhưng ảnh hưởng không rõ đến sinh khối protein, nhưng tới một số thành phần khác như vitamin… Ngoài các dưỡng chất chính cần thiết, nếu trong môi trường có sự hiện diện của những vi lượng khoáng khác, Spirulina có thể hấp thu chủ động hay thụ động.  Các yếu tố ảnh hưởng đến sự tăng trưởng của Spirulina Ánh sáng [14] [20] [10] Ánh sáng mang các lượng tử (photon), được các sắc tố của những cơ thể tự dưỡng hấp thu và sử dụng dần trong phản ứng sinh tông hợp. Sự hấp thu năng lượng ánh sáng được thực hiện bằng con đường quang hợp. Công thức tông quát của quá trình quang hợp là: 12 Hình 2.3: Cơ chế quang hợp ở Spirulina Ở Spirulina, nguồn carbon chủ ỵếu sử dụng là bicarbonate ở pH kiềm, nên phản ứng quang tông hợp có thể viết: HCO3- + 2 H2O  (CH2O) + O2 + H2O + OHSpirulina có tới 15 sắc tố có thể tham gia vào quá trình quang hợp gồm: Chlorophyll (a), phycocyanin, betacaroten và 11 carotenoid khác, ngoài ra còn có phycoerythrin. Nhiệt độ [14] [17] [20] Spirulina có thể phát triển ở nhiệt độ khá cao. Chúng có khả năng phát triển ở khoảng nhiệt độ 32 – 400C. Nhiệt độ phát triển tốt nhất của chúng khoảng 30 – 35 0C [17]. Ở nhiệt độ thấp, ví dụ xuống 250C, Spirulina sinh trưởng rất chậm, và đến 120C không có khả năng phát triển. Ở nhiệt độ cao đến 40 0C, Spirulina tồn tại được 4 ngày, và ở 500C chỉ tồn tại được ít phút. Các tôn thương ở tế bào gây bởi nhiệt độ cao không thể hồi phục dù đưa trở lại nhiệt độ thích hợp [14]. pH [14] Trong môi trường nuôi Spirulina, thông số pH là kết quả của sự cân bằng. CO2  H2CO3  H+ + HCO3-  2H+ + CO32-+ Vì vậy, pH được coi là yếu tố chỉ thị, phản ánh các thành phần nuôi dưỡng cung cấp cho môi trường nuôi dưỡng Spirulina, chủ yếu là nguồn bicarbonate và khí CO2 hòa tan. Phản ứng quang tông hợp là quá trình sử dụng carbon và giải phóng khí Oxy.