Tảo lam là gì? Các bài báo nghiên cứu khoa học liên quan

Khái niệm tảo lam và vị trí phân loại

Tảo lam, hay còn gọi là cyanobacteria, là một nhóm vi khuẩn quang hợp cổ đại thuộc giới Bacteria, có khả năng quang hợp giải phóng oxy. Dù thường được gọi là "tảo" do màu sắc và khả năng quang hợp, nhưng về mặt sinh học, tảo lam hoàn toàn là vi khuẩn nhân sơ (prokaryote), không thuộc giới thực vật và không có nhân thực. Tên gọi "lam" xuất phát từ sắc tố phycocyanin làm cho chúng có màu xanh lam đặc trưng.

Tảo lam được xếp vào ngành Cyanobacteria trong giới Bacteria. Khác với các vi khuẩn dị dưỡng, cyanobacteria có hệ sắc tố tương tự thực vật như chlorophyll a, và do đó có thể tự tổng hợp năng lượng qua quá trình quang hợp. Chúng là sinh vật đầu tiên thực hiện quang hợp oxy hóa trên Trái Đất, góp phần hình thành bầu khí quyển giàu oxy cách đây khoảng 2,4 tỷ năm trong sự kiện "Đại Oxy hóa" (Great Oxidation Event).

Sơ đồ so sánh đặc điểm phân loại:

Đặc điểm	Tảo lam (Cyanobacteria)	Tảo thật (Chlorophyta)
Giới sinh vật	Bacteria	Plantae
Loại tế bào	Nhân sơ	Nhân thực
Lục lạp	Không có (sắc tố nằm tự do)	Có
Khả năng cố định nitơ	Có ở một số loài	Không có

Cấu trúc tế bào và đặc điểm sinh học

Tế bào tảo lam có cấu trúc điển hình của vi khuẩn gram âm, gồm một màng sinh chất, thành tế bào peptidoglycan và thường bao quanh bởi một lớp chất nhầy polysaccharide bảo vệ. Bên trong tế bào, chúng không có các bào quan màng bao như nhân, ty thể hay lục lạp. Tuy nhiên, hệ thống thylakoid nằm trong bào tương chứa các sắc tố quang hợp là nơi xảy ra phản ứng ánh sáng.

Cấu trúc tế bào còn có thể xuất hiện các thành phần đặc biệt như:

• Heterocyst: tế bào biệt hóa chuyên biệt cho việc cố định nitơ trong điều kiện thiếu nitơ
• Akinete: bào tử nghỉ bền vững giúp tảo lam tồn tại trong điều kiện môi trường khắc nghiệt
• Gas vesicles: bào quan khí giúp điều chỉnh vị trí nổi của tế bào trong cột nước

Một số loài tảo lam có khả năng hình thành cụm dạng chuỗi hoặc lớp màng sinh học (biofilm) giúp bám vào bề mặt vật chủ hoặc chất nền. Dạng sống này thường gặp trong môi trường ao hồ giàu dinh dưỡng, hoặc trong điều kiện cộng sinh với sinh vật khác.

Cơ chế quang hợp và vai trò tiến hóa

Tảo lam là nhóm sinh vật đầu tiên thực hiện quang hợp oxy hóa bằng cách sử dụng nước làm nguồn electron, qua đó giải phóng oxy vào khí quyển. Cơ chế quang hợp sử dụng hệ sắc tố gồm chlorophyll a, phycocyanin (màu lam), và đôi khi có cả phycoerythrin (màu đỏ), tùy thuộc vào loài và điều kiện ánh sáng. Tảo lam không sử dụng lục lạp, thay vào đó, các phản ứng quang hợp diễn ra trên màng thylakoid phân bố trong bào tương.

Phương trình tổng quát của quá trình quang hợp oxy hóa như sau:

$6 CO_2 + 12 H_2O + ánh\ sáng \rightarrow C_6H_{12}O_6 + 6 O_2 + 6 H_2O$

Sự xuất hiện của tảo lam đã làm thay đổi khí hậu toàn cầu thời tiền sử và dẫn đến sự tiến hóa hàng loạt của sinh vật nhân thực. Trong đó, một sự kiện đặc biệt là quá trình nội cộng sinh (endosymbiosis) giữa tảo lam cổ đại và tế bào nhân thực sơ khai, tạo nên lục lạp – bào quan quang hợp của thực vật và tảo nhân thực hiện nay. Bằng chứng là lục lạp có DNA vòng, ribosome 70S và phân chia giống vi khuẩn.

Sự đa dạng và môi trường sống

Tảo lam có mặt trong hầu hết các hệ sinh thái trên Trái Đất, từ nước ngọt, nước lợ, đại dương đến các môi trường cực đoan như suối nước nóng, sa mạc khô hạn, thậm chí cả băng tuyết Nam Cực. Chúng có thể sống đơn bào, tập thể dạng chuỗi, hình xoắn, hoặc tạo thành các thảm vi sinh vật dày đặc. Khả năng sinh tồn trong điều kiện cực hạn khiến chúng được nghiên cứu nhiều trong lĩnh vực sinh học vũ trụ.

Một số chi tiêu biểu:

• Microcystis: sống nổi dạng cụm, thường gây hiện tượng nở hoa
• Anabaena: dạng sợi có heterocyst, có khả năng cố định nitơ
• Spirulina (Arthrospira): dạng xoắn, giàu protein, dùng làm thực phẩm chức năng
• Nostoc: dạng hạt, cộng sinh với rêu và dương xỉ, sống được trong môi trường khô hạn

Phân bố địa lý của tảo lam không chỉ phụ thuộc vào nguồn nước mà còn bị ảnh hưởng bởi:

1. Nồng độ dinh dưỡng (đặc biệt là nitrat và phosphate)
2. Cường độ ánh sáng và nhiệt độ nước
3. Độ pH và mức oxy hòa tan
4. Khả năng cạnh tranh với các loài tảo khác

Tảo lam và hiện tượng nở hoa

Trong điều kiện lý tưởng như nhiệt độ cao, ánh sáng mạnh và nồng độ dinh dưỡng (nitơ, phosphate) tăng cao, tảo lam có thể sinh sôi mạnh mẽ và gây ra hiện tượng nở hoa nước (cyanobacterial bloom). Đây là hiện tượng bề mặt nước đổi màu do mật độ tảo lam dày đặc, thường có màu xanh lam, xanh lục hoặc nâu đỏ. Nở hoa không chỉ gây mất mỹ quan mà còn ảnh hưởng nghiêm trọng đến chất lượng nước và hệ sinh thái.

Một số loài có khả năng gây nở hoa mạnh:

• Microcystis aeruginosa: dạng cụm, phổ biến ở hồ nước ngọt
• Anabaena flos-aquae: dạng chuỗi, có thể sản sinh độc tố thần kinh
• Aphanizomenon gracile: thường gặp trong điều kiện phú dưỡng

Các tác động chính của hiện tượng này bao gồm:

• Giảm nồng độ oxy trong nước khi tảo chết và phân hủy
• Làm chết cá và động vật thủy sinh do thiếu oxy
• Phát tán độc tố ảnh hưởng đến hệ tiêu hóa, gan, thần kinh của sinh vật
• Làm tắc nghẽn hệ thống lọc nước, ảnh hưởng cấp nước sinh hoạt

Độc tố tảo lam và tác động sinh học

Một số loài tảo lam có khả năng tiết ra độc tố gọi là cyanotoxins. Các độc tố này được chia thành nhiều nhóm tùy theo mục tiêu sinh học mà chúng tác động: độc gan (hepatotoxin), độc thần kinh (neurotoxin), độc tế bào (cytotoxin). Chúng có thể tồn tại ngay cả khi tảo chết, nên khó loại bỏ bằng xử lý nước thông thường.

Các loại độc tố chính:

Tên độc tố	Nhóm tác động	Loài tiết ra	Tác động chính
Microcystin	Hepatotoxin	Microcystis spp., Planktothrix	Gây tổn thương gan, tích lũy mạn tính
Anatoxin-a	Neurotoxin	Anabaena, Aphanizomenon	Gây liệt cơ, ngừng hô hấp
Cylindrospermopsin	Cytotoxin	Cylindrospermopsis	Gây tổn thương gan, thận và DNA

Tổ chức Y tế Thế giới (WHO) khuyến cáo ngưỡng an toàn đối với microcystin-LR trong nước uống là $1 \, \mu g/L$. Việc tiếp xúc lâu dài với nồng độ cao có thể làm tăng nguy cơ ung thư gan. Độc tố tảo lam cũng được xem là mối đe dọa cho các hệ thống nuôi trồng thủy sản, vùng cấp nước sinh hoạt và du lịch sinh thái.

Tham khảo chi tiết trong WHO Guidelines for Drinking-Water Quality.

Ứng dụng công nghệ sinh học

Mặc dù gây lo ngại trong môi trường tự nhiên, nhiều loài tảo lam lại có tiềm năng ứng dụng lớn trong công nghệ sinh học. Một trong những ví dụ phổ biến nhất là Arthrospira platensis (thường gọi là Spirulina) – một nguồn thực phẩm bổ sung giàu protein, vitamin B12, sắt, carotenoid và phycocyanin.

Một số ứng dụng khác:

• Sản xuất biofuel: chiết xuất lipid và hydro từ tảo lam để tạo nhiên liệu sinh học
• Xử lý nước thải: hấp thụ kim loại nặng như cadmium, arsenic, chì
• Chế phẩm sinh học: sản xuất enzyme công nghiệp và chất chống oxy hóa
• Làm nguyên liệu cho mỹ phẩm và dược phẩm

Nghiên cứu đăng trên Bioresource Technology đã chỉ ra khả năng sản xuất biofuel hiệu quả từ một số loài cyanobacteria được nuôi trong hệ thống quang sinh trục đứng với kiểm soát CO₂.

Vai trò sinh thái và cộng sinh

Tảo lam đóng vai trò then chốt trong hệ sinh thái tự nhiên, đặc biệt là các hệ thủy sinh và đất ngập nước. Chúng là sinh vật sản xuất sơ cấp trong chuỗi thức ăn và tham gia tích cực vào các chu trình sinh địa hóa như chu trình carbon và chu trình nitơ. Một số loài có khả năng cố định nitơ khí quyển thông qua tế bào heterocyst, cung cấp nguồn nitơ cho hệ sinh thái nghèo dinh dưỡng.

Cộng sinh với tảo lam là hiện tượng phổ biến ở nhiều loài thực vật bậc thấp. Ví dụ:

• Azolla + Anabaena azollae: cây bèo tấm cộng sinh với tảo lam cố định nitơ
• Rêu sừng (Anthoceros) + Nostoc: cộng sinh trong mô rễ
• Địa y (lichen): cấu trúc cộng sinh giữa nấm và tảo lam hoặc tảo lục

Vai trò này giúp cải thiện độ phì nhiêu của đất, tái tạo đất sau xói mòn và hỗ trợ cây trồng trong nông nghiệp bền vững.

Tảo lam trong nghiên cứu và sinh học vũ trụ

Khả năng quang hợp tạo oxy, cố định nitơ và chịu đựng điều kiện khắc nghiệt khiến tảo lam trở thành đối tượng nghiên cứu trong sinh học không gian và các chương trình định cư ngoài Trái Đất. Một số chi như Chroococcidiopsis có thể sống sót dưới bức xạ ion hóa, môi trường khô cằn và điều kiện lạnh sâu, tương tự bề mặt sao Hỏa.

Các mô hình hệ sinh thái khép kín (closed ecological systems) trong tàu vũ trụ đang thử nghiệm việc sử dụng tảo lam như nguồn tạo oxy, hấp thụ CO₂, và cung cấp dinh dưỡng. Spirulina đã từng được mang lên vũ trụ trong các nhiệm vụ của Nga và NASA.

Một nghiên cứu trên Frontiers in Microbiology xác nhận rằng một số loài tảo lam vẫn còn sống sau khi tiếp xúc với tia cực tím cường độ cao mô phỏng điều kiện không gian mở.

Tài liệu tham khảo

1. Cyanobacteria and their toxins – PMC
2. WHO Guidelines for Drinking-Water Quality – Cyanotoxins
3. Frontiers – Cyanobacteria in Space Exploration
4. Microalgae for biofuel – Bioresource Technology
5. Endosymbiosis of Cyanobacteria – Nature Microbiology