Desenvolvimento de sistema para cultivo de microalgas e ensaio Ecofisiológico para aplicação em biotecnologia ambiental

Tese (doutorado) - Universidade Federal de Santa Catarina, Centro de Ciências Biológicas, Programa de Pós-Graduação em Biotecnologia e Biociências, Florianópolis, 2016.Com o surgimento de novas tecnologias no campo interdisciplinar da Biotecnologia, cresce também a utilização das microalgas em diversos setores de interesse econômico e de tecnologia ambiental. O presente trabalho buscou procurou aliar conceitos distintos de formas de cultivo de microalgas em um único sistema (híbrido), para produção de biomassa e abordar o potencial de uma microalga extremófila quanto a sua tolerância a metais pesados. O trabalho foi desenvolvido paralelamente no Laboratório de Cultivo de Algas (LCA-UFSC) e no Laboratório de Ficologia (LAFIC-UFSC), entre fevereiro de 2013 e maio de 2015. O capítulo 1 tratou da construção de um sistema híbrido para o cultivo e a realização de testes de batelada com a microalga teste Scenedesmus obliquus para validação, com quantificação do crescimento, produtividade, perfil da biomassa (teor de óleo, perfil de ácidos graxos, proteínas, teor de luteína e betacaroteno) quanto à presença de CO2 no cultivo. O volume total de trabalho do sistema foi definido em 180 litros, que circulou por três segmentos: reservatório, sistema de tubos (2m de coluna d?água) e rampa. A rampa foi definida em 5m2 de área superficial com lâmina d?água média de 1,5cm de altura. A vazão de trabalho foi de 55,7 L min-1 e velocidade de fluxo de 0,0619 m s-1. O sistema teve o pedido de patente protocolado junto ao INPI (Apêndice 1). A produtividade líquida média de S. obliquus, com CO2, foi de 7,08 g m-2 dia-1 contra 0,77g m-2 dia-1 sem o porte do gás. Foi observado que o cultivo de S.obliquus neste sistema necessita de CO2 mesmo em baixa densidade. O teor de óleo médio nos experimentos com CO2 foi de cerca de 20%, contra 15,5% nos experimentos sem CO2. O resultado também indicou uma maior assimilação de carbono na condição com suprimento adicional de CO2. A diferença marcante no perfil entre os dois tratamentos foi quanto aos ácidos graxos insaturados com 18 carbonos. Na condição sem CO2 o ácido oleico (C18:1) foi predominante, ao passo que na condição com CO2, o ácido a-linolênico (C18:2) foi o mais abundante. O capítulo 2 abordou o crescimento de Chlamydomonas acidophila LAFIC-004 em meio com elevadas concentrações de zinco e cádmio (quantificação de biomassa, glutationas, fitoquelatinas, pigmentos, zinco e cádmio no sobrenadante e alterações da ultraestrutura). A cepa mostrou alto potencial às concentrações testadas. A presença de fitoquelatinas livres foi reduzida significativamente indicando imobilização dos metais na célula, corroborado pela análise ultraestrutural.Abstract : With the emergence of new technologies in the interdisciplinary field of biotechnology, the use of microalgae in various sectors of economic interest and environmental technology is also increasing. The present work sought to combine different concepts of microalgae cultivation in a single system (hybrid) for biomass production and to address the potential of an extremophilic microalgae as to its tolerance to heavy metals. In two charpters the work was divided, with the experimental part developed in parallel in the Algae Cultivation Laboratory (LCA-UFSC) and in the Laboratory of Ficology (LAFIC-UFSC) between February 2013 and May 2015. Chapter 1 dealt with the The construction of the hybrid system for the cultivation and performance of batch tests with the Scenedesmus obliquus test microalgae, for validation, with quantification of growth, productivity, biomass profile (oil content, fatty acids profile, proteins, lutein content and betacarotene) for the presence of CO2 in the culture. The total work volume of the system was set at 180 liters, which circulated through three main segments: reservoir, pipe system (2m of water column) and ramp. The ramp was defined in 5m2 of surface area with an average water depth of 1.5cm in height. The workflow was 55.7 L min-1 and flow velocity of 0.0619 m s-1. The system had the patent application filed with the INPI. The average net productivity of S. obliquus with CO2 was 7.08 g m-2 day-1 versus 0.77 g m-2 day-1 without the gas carrying. It was observed that the cultivation of S. obliquus in this system requires CO2 even at low density. The average oil content in the CO2 experiments was about 20%, against 15.5% in the experiments without CO2. The result also indicated greater carbon uptake in the condition with additional CO2 supply. The marked difference in the profile between the two treatments was for the unsaturated fatty acids with 18 carbons. In the condition without CO2 the oleic acid (C18:1) was predominant, whereas in the CO2 condition, a-linolenic acid (C18:2) was the most abundant. The chapter two were about Chlamydomonas acidophila LAFIC-004, were grown in medium with high concentrations of zinc and cadmium (quantification of biomass, glutathione, phytochelatins, pigments, zinc and cadmium in the supernatant and ultrastructure changes). The strain was tolerant to the concentrations tested. The presence of free phytochelatins was significantly reduced indicating immobilization of the metals in the cell, corroborated by the ultrastructural analysis

Ecophysiological and biochemical variation of the surf zone diatom asterionellopsis glacialis sensu lato from Santa Catarina, Southern Brazil

Patches formed by dense accumulations of diatoms in the surf zone (surf diatoms) are common on sandy beaches with intermediate to dissipative morphodynamic states. Their appearances are correlated with environmental factors such as the passage of cold fronts when onshore winds increase beach hydrodynamics, resuspending epibenthic stocks and accumulating them through the inner surf zone. In Santa Catarina state, Southern Brazil, two beaches are known to have frequent occurrence of accumulations of the surf diatom Asterionellopsis glacialis sensu lato: Rincão Beach (28°50' S) and Navegantes Beach (26°52' S). The high biomass of this alga and its central importance in the trophic structure of the coastal ecosystems suggest studies about its potential applications. In the present study, strains of A. glacialis were isolated, cultured under different conditions and evaluated for ecophysiological aspects: growth rate under different conditions, potential biological activities of exudates, biomass and lipid content, and fatty acid profile. A. glacialis cells in culture showed deformation, which were ameliorated by using agitation and silicon and phosphorus enriched culture media. Exudates of the strains showed no allelopathic effects, although previous studies have indicated activity. Lipid content showed variation depending on the strain and culture media. Values ranged from 9% to 13.6% by dry weight. In all strains saturated fatty acids and polyunsaturated fatty acids were identified. Some hypotheses were proposed to explain the variation of the lipid contents, fatty acid profiles and physiological features between strains of the same species. We believe that the fatty acids profile of this primary producer has important consequences in the sandy beach ecology.Manchas formadas por densas acumulações de diatomáceas na zona de arrebentação ("diatomáceas de surf") são comuns em praias arenosas com estados morfodinâmicos dissipativos ou intermediários. Seu aparecimento está correlacionado com fatores ambientais, como a passagem de frentes frias, quando ventos em direção a praia promovem maior hidrodinâmica, gerando ressuspensão de estoques bênticos das diatomáceas, acumulando-as na zona de arrebentação interna. No estado de Santa Catarina, sul do Brasil, duas praias são conhecidas por terem frequente ocorrência de acumulações da diatomácea de zona de arrebentação Asterionellopsis glacialis lato sensu: Praia do Rincão (28 ° 50 'S) e Praia de Navegantes (26 ° 52' S). A alta biomassa desta alga e sua importância central na estrutura trófica dos ecossistemas costeiros sugerem estudos sobre suas potenciais aplicações. No presente estudo, cepas de A. glacialis foram isoladas, cultivadas sob diferentes condições e avaliadas quanto a aspectos ecofisiológicos (taxas de crescimento, atividades biológicas de exsudatos e biomassa) e bioquímicos (conteúdo lipídico e perfil de ácidos graxos). As células de A. glacialis em cultura mostraram deformações, as quais foram melhoradas, usando agitação e meios de cultura ricos em silício e fósforo. O exsudato das cepas não mostrou efeito alelopático nem antimicrobiano, embora estudos anteriores tenham indicado essa atividade. O conteúdo lipídico apresentou variação dependendo da cepa e do meio de cultura utilizado. Os valores variaram entre 9% e 13,6%, em massa seca. Em todas as cepas foram identificados ácidos graxos saturados e poli-insaturados. Algumas hipóteses foram propostas para explicar a variação considerável nos níveis de lipídeos, nos perfis de ácidos graxos e as características ecofisiológicas das cepas. Além disso, sugerimos que o conteúdo e a composição de ácidos graxos pode ter consequências importantes na ecologia das praias arenosas onde A. glacialis ocorre como o principal produtor primário

As microalgas como uma alternativa para a produção de biocombustíveis parte I: bioetanol

<div align="justify">A demanda do setor energético é um dos fatores culminantes para incentivar pesquisas que possibilitem inovações no setor biotecnológico bem como para impulsionar a produção de biocombustíveis. A variabilidade de matérias-primas existentes propicia vantagens para a produção de energia, contudo, deve-se optar por aquelas que apresentem características plausíveis dependendo dotipo de produto que se quer obter. Nesse contexto, observa-se que as microalgas apresentam características adequadas para produzirdiversos tipos de combustíveis, dependendo do tipo de tratamento a que são submetidas, da espécie que está sendo analisada, bemcomo da composição bioquímica da biomassa. A produção de bioetanol a partir de microalgas é uma alternativa bastante promissora ecrescente no âmbito energético tendo em vista que a biomassa desses micro-organismos possui uma enorme biodiversidade, além de conter elevados teores de carboidratos, fator imprescindível para a bioconversão das mesmas em etanol. Devido a esses fatores, háuma constante busca por métodos mais viáveis de pré-tratamento da biomassa, hidrólise e fermentação, tendo como um dos aspectosprincipais a abordagem de metodologias eficazes no âmbito de qualidade e rendimento do bioetanol. Sendo assim, busca-se reforçar ointeresse no desenvolvimento de biocombustíveis conciliando com a importância da utilização de microalgas, analisando se estes micro-organismos estão aptos a serem utilizados na produção de bioetanol.<br><br>Abstract The demand from the energy sector is one of the culminating factors to do researches that enable innovations in the biotechnology sector and to boost biofuel production. The variability of the existing feedstocks provides benefits to energy production, however, we must choose the ones that present plausible characteristics depending on the type of product that we want to obtained. In this context, it is noted that the microalgae have suitable characteristics to producing different types of fuels, depending on the type of treatment are subjected, the species being analyzed as well as the biochemical composition of the biomass. Bioethanol production from microalgae is a promising and growing energy alternative under a view that biomass of these microorganisms has an enormous biodiversity and contain high levels of carbohydrates, an indispensable factor for the bioconversion of microalgae in ethanol. Due to these factors, there is a constant search for more viable methods for pretreatment of biomass, hydrolysis and fermentation, having as one of the major aspects the approach of effectives methodologies in the ambit of quality and yield of ethanol. Therefore, we have to search to increase the interest in the developing of biofuels reconciling with the importance of using microalgae, analyzing whether these micro-organisms are capable of being used in bioethanol production.</div

Ecophysiological and biochemical variation of the surf zone diatom asterionellopsis glacialis sensu lato from Santa Catarina, Southern Brazil

Abstract Patches formed by dense accumulations of diatoms in the surf zone (surf diatoms) are common on sandy beaches with intermediate to dissipative morphodynamic states. Their appearances are correlated with environmental factors such as the passage of cold fronts when onshore winds increase beach hydrodynamics, resuspending epibenthic stocks and accumulating them through the inner surf zone. In Santa Catarina state, Southern Brazil, two beaches are known to have frequent occurrence of accumulations of the surf diatom Asterionellopsis glacialis sensu lato: Rincão Beach (28°50' S) and Navegantes Beach (26°52' S). The high biomass of this alga and its central importance in the trophic structure of the coastal ecosystems suggest studies about its potential applications. In the present study, strains of A. glacialis were isolated, cultured under different conditions and evaluated for ecophysiological aspects: growth rate under different conditions, potential biological activities of exudates, biomass and lipid content, and fatty acid profile. A. glacialis cells in culture showed deformation, which were ameliorated by using agitation and silicon and phosphorus enriched culture media. Exudates of the strains showed no allelopathic effects, although previous studies have indicated activity. Lipid content showed variation depending on the strain and culture media. Values ranged from 9% to 13.6% by dry weight. In all strains saturated fatty acids and polyunsaturated fatty acids were identified. Some hypotheses were proposed to explain the variation of the lipid contents, fatty acid profiles and physiological features between strains of the same species. We believe that the fatty acids profile of this primary producer has important consequences in the sandy beach ecology