Nuôi trồng và ứng dụng tảo Spirulina

Mục lục: Giới thiệu về Spirulina Các đặc điểm chính Phân loại Phân bố và sinh thái Cấu tạo Điều kiện sinh trưởng và phát triển Sinh sản Nuôi trồng Spirulina Ứng dụng GIỚI THIỆU VỀ SPIRULINA: Spirulina có mặt trên trái đất cách nay khoảng 3 tỉ năm. Loài tảo này do tiến sĩ Clement người Pháp tình cờ phát hiện vào những năm 1960 khi đến hồ Tchad ở Trung Phi. Tên Spirulina do gốc từ Latin và Anh ngữ “Spiral”, có nghĩa là “xoắn”. Trong các hồ tảo sống tự nhiên hay nhân tạo, với mắt thường đó là một hồ nước xanh lục hay xanh lam tuyệt đẹp dưới ánh nắng mặt trời. Nó là một loại thần dược điều trị bệnh suy dinh dưỡng và một số bệnh khác. Mỗi năm có khoảng 3.000 tấn tảo được xuất khẩu, nước tiêu thụ mạnh nhất là đại lục Trung Hoa (chiếm một nửa), tiếp theo là Mỹ. Ngày nay, tảo Spirulina đã được nuôi trồng nhiều trên các nước như: Hoa Kỳ, Thái Lan, Ấn Độ, Nhật, Hồng Kông và Việt Nam. Ở Việt Nam tảo Spirulina được đưa vào từ 1985. Trong những năm 1985-1995 đã có những nghiên cứu thuộc lĩnh vực công nghệ sinh học cấp nhà nước như nghiên cứu của GS.TS. Nguyễn Hữu Thước và cộng sự (Viện Công nghệ Sinh học thuộc Viện Khoa học và Công nghệ Việt Nam) với đề tài "Công nghiệp nuôi trồng và sử dụng tảo Spirulina". Hay đề tài cấp thành phố của Bác sĩ Nguyễn Thị Kim Hưng (TP Hồ Chí Minh) và cộng sự với đề tài "Nghiên cứu sản xuất và sử dụng thức ăn có tảo Spirulina trong dinh dưỡng điều trị" … II. CÁC ĐẶC ĐIỂM: Phân loại: Tảo Spirulina thuộc: -Ngành Cyanophyta(tảo lam) -Lớp Cyanophyceae -Bộ Oscillatoriales -Họ Oscillatoriaceae -Giống Spirulina -Loài:có nhiều loài(hơn 35 loài) trong đó có 2 loài quan trọng, đó là: Spiruna platensis Spiruna maxima / Spirulina geitleri 2.Phân bố và sinh thái: -Spirulina sống trong môi trường ưa kiềm(pH: 8,5-9,5).Trong tự nhiên, chúng sống trong các hồ, suối khoáng ấp áp. -Ở các vùng nước cạn, xung quanh rìa hồ hay kênh bị ô nhiễm thường bị bao phủ bởi lớp dày tảo lam dạng sợi bám, trong đó có tảo Spirulina. Trên thế giới: Phân bố nhiều ở Bắc và Nam Châu Phi, Bắc và Nam Châu Mỹ, Nam và Trung Châu Á, …: hồ Tchad – Trung Phi, Mexico, Kanembu, thung lũng hoang mạc Imperial thuộc bang California, nông trại Hawwai (Hoa Kỳ), trang trại Twin Tauong (Myanmar), công ty tảo Siam (Thái Lan), trang trại Chenhai (Trung Quốc), ... Ở Việt Nam: Phân bố ở các thủy vực khác nhau như: sông, ao, hồ, ruộng lúa, vùng nước, … và được nuôi trồng ở: công ty cổ phần nước khoáng Vĩnh Hảo (Bình Thuận), và một số cơ sở ở Bình Chánh và TP. Hồ Chí Minh. Hình thái và cấu tạo: dưới kính hiển vi quang học: Hình thái: Spirulina là một loại tảo lam đa bào, dạng sợi, xoắn kiểu lò xo, với các vòng xoắn khá đều nhau, nhưng ở cuối hai đầu sợi thường hẹp, mút lại. Nhưng tùy vào chu kỳ sinh dưỡng và phát triển (cường độ ánh sáng, nhiệt độ môi trường…) mà hình dạng có thể xoắn kiểu chữ C, S… Các dạng này có chiều dài khác nhau; ngay trong một dạng, chiều dài mỗi sợi cũng khác nhau. Ví dụ: Sợi uốn sóng có thể dài 5 – 7 nếp gấp, cũng có thể đến 27 nếp gấp. ( Hiện tượng biến dạng trên nói lên khả năng thích nghi với môi trường mà vi sinh vật cổ xưa có được qua hàng triệu năm tiến hóa chọn lọc tự nhiên. Có màu xanh lam. Chiều dài thay đổi có thể đạt hơn ¼ mm. Có khả năng di động nhanh mặc dù không có cơ quan di động. Không chịu ảnh hưởng của ánh sáng khi di động vì đa số tảo lam đều di động hướng ra ánh sáng. Chúng không hình thành tập đoàn. Sợi tảo không phân nhánh, phân chia thành các vách ngăn, không có bao và không có dị bào (heterocyst). Dạng xoắn thường giữ được trong phòng nghiên cứu, sang môi trường nuôi đại trà, nó thường biến thành dạng thẳng, tỷ lệ xoắn – thẳng khoảng 15 – 85. Cấu tạo: Có cấu trúc nhu mô đơn giản, không có dạng tế bào roi. Có cấu tạo giống vi khuẩn: không có ty thể, không có nhân rõ ràng chứa deoxyribonucleic, không có bộ máy Golgi, không có lưới nội nguyên sinh chất. Có chứa sắc tố quang hợp phycocyanin màu xanh, chất diệp lục nằm trong nguyên sinh chất. Màng tế bào không chứa cellulose mà là monopolysaccharid khá mềm, dễ nghiền và dễ hấp thu. Trong giống tảo này không có ty thể nhưng có hạt Cyanophysin là nơi xảy ra quá trình hô hấp cho tế bào. Có ribosome phân bố trong nguyên sinh chất. Sprirulina không có lớp màng nhầy bao phủ tế bào như các loài khác cùng ngành tảo lam, mà chúng chỉ được bao phủ bởi lớp vỏ của nó. Cấu tạo hóa học: Protein (56% - 77%) Carbohydrates (15% - 25%) Các acid béo (18%) (acid linoleic, acid linolenic) Các vitamin (B1, B2, B6, B12, PP, E), carotene ((-carotene), chlorophil, các chất màu, folic acid, inosit acid. Các acid amin: Isoleucine, Leucine, Lysine, Methionine, Phenylalanine, Threonine, Tryptophane, Valine. Các nguyên tố vi lượng như K, Mg, Fe, Mn, Zn, Ca, P, Selen. Biểu đồ dưới đây cho thấy dinh dưỡng phân tích dựa trên thông tin thu được từ USDA cho Spirulina khô. Các cá nhân phụ cấp hàng ngày (PDA) tỷ lệ phần trăm được trợ cấp của con người. Điều kiện sinh trưởng và phát triển: Tảo Spirulina là thực vật duy nhất có khả năng sinh sôi và phát triển trong những ao hồ có nhiều hoá chất độc hại. Spirulina trải qua các giai đoạn: thích nghi, logarit, đường thẳng, giảm, ổn định, lão suy. Nhiệt độ: Nhiệt độ tối ưu cho sự sinh trưởng của tảo là 35oC (32 – 40oC). Ánh sáng: - Là yếu tố quan trọng ảnh hưởng đến sự sinh trưởng và phát triển của tảo Spirulina. - Nếu chiếu sáng liên tục ngày đêm (24/24) thì năng suất của tảo cao nhất. ( Spirulina không có chu kì quang. pH: - Loại tảo này chịu được pH cao từ 8,5 – 11. - Cường độ quang hợp đạt mức tối đa ở pH từ 8,5 – 9,0. Vẫn tăng cao ở pH = 10, pH làm tăng cường độ quang hợp giảm nhanh và bằng 0 ở pH = 1,5. Các chất dinh dưỡng: Carbon: có hàm lượng dưới 50% TLK (trọng lượng khô), trong nước dạng: CO2, H2CO3, HCO3-, CO32-, NaHCO3 cần thiết cho sự sinh trưởng của tảo. Nitơ: Có hàm lượng 10% TLK. Trong nước ở dạng: NO3-, NO2-, NH4+, urê,… Nếu thiếu đạm thì tảo sẽ bị úa vàng, giảm bớt vòng xoắn, đường kính vòng xoắn tăng, giảm lượng protein tảo. Phospho: Phospho mà Spirulina thu nhận là phospho vô cơ, chúng tồn tại ở 2 dạng H2PO4-, HPO42- là chính. Khi tảo thiếu phospho sẽ bị vàng, vòng xoắn giản. K+, Na+, Ca2+, Mg2+, Cl- và Fe: Đây là các nguyên tố ảnh hưởng đến sinh trưởng và hình thái tảo. Khi thiếu Cl- thì độ xoắn bị chặn lại và cấu trúc tảo bị phá hủy. Thiếu các nguyên tố khác thì giống như thiếu phospho, nitơ: tảo bị vàng, vòng xoắn giản. Nếu Fe thiếu sẽ ảnh hưởng chất lượng tảo. Các nguyên tố vi lượng khác: Zn, Cu, Bo,… hoặc hỗn hợp các nguyên tố vi lượng như A5, B6 không ảnh hưởng rõ đến sinh trưởng của tảo. Sinh sản: Hình thức sinh sản: vô tính(phân chia từ một sợi tảo mẹ trưởng thành). Từ một sợi tảo mẹ, hình thành nên những đoạn Necridia (gồm các tế bào chuyên biệt cho sự sinh sản). Trong các Necridia hình thành các đĩa lõm ở hai mặt và sự tách rời tạo các hormogonia (hình thức tảo đoạn) Trong sự phát triển, dần dần phần đầu gắn tiêu giảm, 2 đầu hormogonia trở nên tròn nhưng vách tế bào vẫn có chiều dày không đổi. Các hormogonia phát triển, trưởng thành và chu kì sinh sản được lập đi lập lại một cách ngẫu nhiên, tạo nên vòng đời của tảo. Trong thời kì sinh sản tảo spirulina nhạt màu ít sắc tố xanh hơn bình thường Sau đây là vòng đời tảo spirulina:
Vòng đời tảo đơn giản, tương đối ngắn. Trong điều kiện tối ưu (nuôi trong phòng thí nghiệm) vòng đời khoảng 1 ngày. Ở điều kiện tự nhiên là khoảng 3 – 5 ngày. NUÔI TRỒNG TẢO SPIRULINA: II.1/Giới thiệu các hệ thống nuôi tảo spirulina Trên thế giới có 2 công nghệ chính để nuôi tảo spirulina Công nghệ nuôi theo hệ thống hở (Opened ecosystem) (O.E.S) Công nghệ nuôi theo hệ thống kín (Closed ecosytem) (C.E.S) 1.1/ Công nghệ nuôi trồng spirulina theo hệ thống hở (O.E.S): Spirulina sống trong môi trường dinh dưỡng đựng trong bình, chậu, bể… được vận động bằng khuấy trộn theo kiểu tịnh tiến 2 chiều và tảo hấp thu ánh sáng mặt trời để phát triển. Kiểu nuôi này phụ thuộc vào thời tiết cần có giải pháp khắc phục. 1.2/ Công nghệ nuôi trồng tảo spirulina theo hệ thống kín (C.E.S): Spirulina được nuôi trong các bể lên men vi sinh khối (bioreactor) vận động bằng máy khuấy trộn theo 3 chiều, tảo hấp thu ánh sáng nhân tạo hay tự nhiên. Nhiều kiểu CES được thiết kế như thùng lên men cổ điển hoặc kiểu ống xoắn ốc… So sánh hệ thống nuôi tảo spirulina hở và kín: Hệ thống nuôi tảo spirulina hở  Hệ thống nuôi tảo spirulina kín   - Chi phí đầu tư thấp hơn hệ thống kín nên phổ biến ở nhiều nơi trên thế giới - Diện tích nuôi trồng lớn, chỉ nuôi được tảo trong không gian 2 chiều. - Nuôi trong bể dinh dưỡng không phải bể lên men vi sinh khối (bioreactor). - Tảo quang hợp chỉ dựa vào nguồn ánh sáng mặt trời. - Hệ thống chịu nhiều tác động bởi thời tiết khí hậu, do đó việc quản lý các yếu tố vật lý, hóa học thụ động. - Ít trang thiết bị hiện đại hơn. Thông số không được ấn định tự động. - Cho năng suất thấp hơn hệ thống kín  - Chi phí đầu tư cao nên ít phổ biến. -Diện tích nuôi nhỏ, có thể nuôi được tảo trong không gian 3 chiều. Nuôi trong bể lên men vi sinh khối, vận động bằng máy khuấy trộn theo 3 chiều. - Tảo quang hợp dựa vào nguồn ánh sáng nhân tạo và tự nhiên. - Hệ thống không chịu tác động bởi thời tiết. Việc quản lý các yếu tố vật lý chủ động. - Nhiều trang thiết bị hiện đại giúp quản lý chủ động tất cả các yếu tố vật lý(ánh sáng, nhiệt độ…), hóa học (hóa chất dùng nuôi trồng tảo), sinh học (kiểm soát diệt những sinh gây hại cho spirulina). Tất cả các thông số(nhiệt độ, ánh sáng, ph…) đều được ấn định tự động. - Cho năng suất cao.   Theo mô hình nuôi tảo sạch của Thạc sĩ Lê Văn Lăng: Xây dựng hệ thống nuôi phải chịu được môi trường kiềm, có mái che kiểu nhà kính, hàng rào bằng cây xanh quanh hồ để chống bụi và các xâm nhiễm khác. Thời gian nuôi một mẻ kéo dài liên tục khoảng 90-120 ngày. Thời gian thu hoạch một thế hệ là 8-15 ngày. Thành tựu: Thiên nhiên đã tạo ra ở Vân Nam (Trung Quốc) một hồ lớn có độ kiềm cao, vì vậy tại đây đã có một  xưởng lớn chuyên sản xuất Viên nén Spirulina phục vụ rộng rãi cho nhu cầu trong nước và xuất khẩu. Việt Nam may mắn cũng có một nguồn nước có độ kiềm cao, đó là nguồn nước suối Vĩnh Hảo ở Bình Thuận. Công trình nghiên cứu tại Vĩnh hảo được triển khai bởi một Đề tài cấp nhà nước do Cố GS Nguyễn Hữu Thước chủ trì và hiện nay được Công ty cổ phần nước khoáng Vĩnh Hảo đang sản xuất dưới dạng viên nén với công suất tới 8-10 tấn/năm. II.2/ Hệ thống nuôi tảo hở: Một số lưu ý khi chuẩn bị nuôi tảo: Tìm hiểu về thị trường tiêu thụ. Hệ thống giao thông từ nơi nuôi tảo đến các nhà máy chiến biến tảo phải thuận lợi. Tìm được thỏa thuận giữa người nuôi tảo và nhà chế biến tảo. Chuẩn bị nguyên vật liệu xây dựng ao, bể nuôi, hệ thống khuấy nước. Chuẩn bị nguồn giống tảo spirulina. Chuẩn bị hóa chất nuôi tảo, trang thiết bị cho biết các thông số của môi trường nuôi tảo như: máy đo pH, đo oxygen, nhiệt độ… Chuẩn bị kĩ thuật nuôi tảo. II.2.1/ Thiết kế bể nuôi tảo spirulina: II.2.1.1/ Lựa chọn địa điểm nuôi tảo: Nơi nuôi tảo phải có lượng chiếu sáng thích hợp giúp tảo sinh trưởng bình thường, ảnh hưởng đến lượng sinh khối thu hoạch. Chủ động nguồn nước nuôi tảo, nước không bị ô nhiễm thích hợp cho việc nuôi tảo Giao thông thuận tiện. Nếu địa điểm xây bể có nhiều mối thì không nên dùng vật liệu xây bể là plastic vì dễ bị mối ăn. II.2.1.2/ Thiết kế bể nuôi tảo: Bể nuôi tảo hình chữ nhật góc được vê tròn kết hợp với hệ thống cánh khuấy(paddle-wheel). Bể có thể lớn (hoặc nhỏ) về diện tích, thể tích có thể lên tới 1 ha x 0,3 m3, thậm chí đến 200ha x 0,3 m3. Bể nên xây cao 50 – 55 cm để đảm bảo độ sâu mực nước từ 20 – 30 cm. Bể được xây dựng bằng vật liệu xây dựng thông thường(ximang, plastic, gạch cement hay gạch beton cement chịu kiềm). Bể có xây 1 bức tường ngăn hụt ở giữa tạo dòng chảy lưu thông khí khuấy xục. Có thể đặt 1 hay 2 máy khuấy ở các đầu để lưu thông nước.

*Hệ thống khuấy – xục khí: Hệ thống nuôi tảo với qui mô lớn có kết hợp hợp hệ thốnng khuấy – xục khí nhằm thu lượng sinh khối nhiều nhất. Lưu ý: bể cần được khuấy liên tục. Sự xục khí nhằm: Tạo sự tiếp xúc tốt hơn của tế bào tảo với dinh dưỡng, ánh sáng, CO2. Giữ ổn định nhiệt độ trong nước giúp tảo phát triển tốt. Tạo ra tốc độ nước chảy 5,0cm/s. Do đó, tạo ra điều kiện tối ưu co sự phát triển vì tảo sẽ không bị lắng nhất là tại các góc của bể.




Ngoài ra,có thể xây mái che cho bể. Mái che là một kiểu nhà kính đơn giản có thể thiết kế với 2 mái, nóc nhọn. Khung mái bằng thép, lợp tole trong, nhựa plastic hay bằng kính để ánh sáng đi qua được.Mái di động theo hướng một nửa mái có thể kéo nằm song song phía dưới phần mái cố định kế bên. Mái che được nằm ở vị trí chiếu sáng tốt nhất, thường hướng Đông-Tây. Công dụng của mái che: Chống sự xâm nhiễm của bụi đất, cát theo gió đưa vào. Bụi khói do nhiên liệu bị đốt cháy. Tránh chim bay vào. II.2.2/ Nguồn nước: Nước là dung môi quan trọng để hòa tan các chất dinh dưỡng nuôi tảo spirulina. Nước có thể lấy từ các nguồn: Nước giếng khoan: có chứa nhiều chất vô cơ có ích, nhưng cần phải loại bỏ các chất độc như chì, arsenic… Nước máy đô thị: đắt. Nước biển, suối nước khoáng: có chứa nhiều dưỡng chất. Nuôi cấy tảo Spirulina trong phòng thí nghiệm: ỨNG DỤNG TẢO SPIRULINA: Vào những năm 1990, Tổ chức nhân đạo Antenna ở Thuỵ Sĩ đã đưa ra một ý tưởng mới, đó là dùng tảo spirulina để chống đói nghèo ở những nước kém và đang phát triển. Và họ đã thành công. Điều trị bệnh suy dinh dưỡng do trong tảo Spirulina có từ 56 – 77% khối lượng là protein. Công ty thực phẩm Đồng Tâm dùng tảo làm nguyên liệu chính để sản xuất sữa bột dinh dưỡng cho trẻ em. Tại Mỹ người ta chiết xuất loại tảo này làm dược phẩm để phá huỷ các lớp mỡ, căn bệnh của những người giàu. Nhiều vận động viên thể thao đã coi loại tảo này là siêu thực phẩm để tăng cường sinh lực và làm săn chắc cơ bắp, đặc biệt là các vận động viên thể hình. Tảo spurilina còn là thực đơn chữa béo phì vô cùng hiệu quả. Công ty dược phẩm Equilibre Attitude của Pháp đã tăng gấp đôi doanh thu bán ra nhờ chế biến loại tảo này thành tân dược chống béo phì. Các nhà khoa học tuyên bố rằng tảo spurilina còn có thể được sử dụng để chế tạo thành thuốc chống căn bệnh thế kỉ AIDS và tăng cường sức đề kháng cho bệnh nhân nhiễm HIV. Hai trường ĐH danh tiếng Harvard và Boston của Mỹ đang nhân giống tảo spurilina thành một loại tảo mới có khả năng chống được virut cảm cúm hoặc tăng cường sức lực cho DNA. Các cuộc thí nghiệm mới đây còn chứng minh được rằng khi sử dụng các hợp chất trong tảo spurilina cho những con chuột bị ung thư thì chúng đã giảm được những cơn đau đớn và các khối u cũng phát triển chậm lại. Trong khi đó, các nhà khoa học Đức phát hiện ra rằng tảo spurilina còn có thể làm cho các cơ quan nội tạng như tim, tuyến giáp tuyến tuỵ, tuỷ xương và màng tế bào trở lên khoẻ mạnh hơn. Cung cấp các chất chống oxy hóa và chất dinh dưỡng khác. Tăng năng lượng và tâm trạng. Ngăn ngừa bệnh tim mạch (làm giảm cholesterol). Ngăn chặn và ức chế sự tổn thương ung thư miệng. Do thành phần tự nhiên của nó với nhiều chất đạm, vitamin, và khoáng chất, nó là vô cùng hữu ích trong nhiều lĩnh vực bao gồm kiểm soát trọng lượng, ăn chay, nhanh chóng và kéo dài làm tăng năng lượng, hoạt động thể thao và thậm chí sử dụng mỹ phẩm. Không giống như các tế bào thực vật khác, tảo Spirulina có một tế bào mềm mà làm cho nó dễ tiêu hóa. Nguồn tài liệu từ: Giáo trình môn Thủy Sinh Thực Vật – Giảng viên: Đặng Thị Thanh Hòa