Industrial production of diatoms skeletonema costatum and chaetoceros calcitrans

• Autor(a) principal: Bastos, Carolina Rebelo de Vela
• Data de Publicação: 2021
• Tipo de documento: Dissertação
• Idioma: eng
• Título da fonte: Repositório Científico de Acesso Aberto de Portugal (Repositórios Cientìficos)
• Texto Completo: http://hdl.handle.net/10400.1/17708
• topic: Aumento biomassa; Sílica; Nitratos; Fósforo; Ferro; Micronutrientes; Domínio/Área Científica::Ciências Naturais::Outras Ciências Naturais

Os oceanos são um bioma com um enorme potencial devido aos diversos recursos que provêm dos mesmos, cuja relevância económica é evidenciada por as várias indústrias que dependem e lucram dos oceanos. Uma indústria que tem emergido com contínua e crescente inovação é a biotecnologia marinha. Através desta indústria foi possível expandir a aplicabilidade dos recursos marinhos para diversas áreas, desde farmacêuticos, comidas saudáveis, energia renovável, cosméticos, biomateriais, entre outras. Fundamentalmente, a biotecnologia marinha permite a transformação de matérias-primas em productos de alto valor acrescentado, maioritariamente através do uso de microrganismos, entre eles as microalgas. As microalgas são organismos fotossintéticos unicelulares e/ou coloniais, capazes de converter luz em energia química através da fotossíntese. Este processo resulta também na produção de diversos compostos de interesse (ex: ácidos gordos polinsaturados, carotenoides, polissacáridos sulfatados), cujos principais mercados são a aquacultura, cosmética e a indústria alimentar. Para cada aplicação são escolhidas espécies específicas de microalgas, tendo em conta os seus perfis bioquímicos e características de interesse. Ao nível industrial, os sistemas de produção podem ser divididos em sistemas abertos (ex: raceways, tanques), ou em sistemas fechados (ex: fotobiorreactores tubulares, Flat panels), dependendo se, respetivamente, as culturas de microalgas estão diretamente expostas ao ambiente que as rodeia ou se existe uma barreira física que as separa. Tipicamente, espécies de microalgas mais robustas e resistentes a condições extremas são cultivadas em sistemas abertos. Os sistemas fechados permitem, então, uma maior variedade de microalgas que podem ser cultivadas, embora menos robustas e com um maior custo de produção associado. As diatomáceas são um grupo de microalgas castanhas cuja produção em larga escala é reportada em sistemas fechados e abertos, geralmente dependendo do produto final que se pretende obter. As diatomáceas têm um elevado interesse ao nível de produção industrial devido ao seu enorme potencial económico e biotecnológico. Este potencial deriva principalmente da sua composição em lípidos, pigmentos e sílica, assim como das suas capacidades de bioabsorção e biorremediação. Além disso, as elevadas taxas de duplicação, a plasticidade na alocação de carbono no interior de componentes celulares, a resiliência a alterações ambientais, assim como as elevadas taxas de sedimentação das diatomáceas incrementam o interesse da produção industrial deste grupo de microalgas. Com o objetivo de reduzir os custos de produção em simultâneo, estas indústrias investem na otimização do cultivo das suas culturas. O cultivo de diatomáceas requer o fornecimento de H2O, CO2, energia e nutrientes. Considerando o papel fulcral dos nutrientes, a adição e manipulação do meio de cultura fornecido às diatomáceas é uma das principais estratégias de otimização da sua produção. Geralmente, o meio de cultura é composto por macro-, micronutrientes e vitaminas, sendo que estas últimas são principalmente fornecidas apenas à escala laboratorial. Considerando a relevância de cada nutriente no metabolismo das diatomáceas, nitratos, fósforo e sílica são considerados macronutrientes, enquanto outros elementos como ferro, magnésio e zinco são definidos como micronutrientes. As vitaminas são tendencialmente compostas por biotina, tiamina e vitamina B12. Skeletonema costatum e Chaetoceros calcitrans são duas espécies de diatomáceas cêntricas de alto valor, cosmopolitas e formadoras de colónias, cujos principais mercados são as indústrias de aquacultura e cosméticos. Com base nas publicações existentes, a produção industrial destas diatomáceas é realizada maioritariamente em sistemas abertos; contudo, é sugerido que o seu cultivo seja realizado em fotobiorreactores. Com o contínuo interesse na obtenção de bioprodutos provenientes de diatomáceas em paralelo com o crescente potencial do mercado da biotecnologia marinha, o futuro da industrialização destas espécies aparenta ser promissor. Como tal, os objetivos deste trabalho são otimizar a produção de biomassa e avaliar a consequente composição bioquímica de duas espécies de diatomáceas de alto valor: S. costatum e C. calcitrans. De forma a cumprir estes objetivos: (1) foi realizado um processo gradual de otimização no qual as concentrações ótimas dos principais nutrientes do meio de cultura Nutribloom plus® foram determinadas ao nível laboratorial para cada espécie; (2) a validação deste processo foi realizada à escala piloto em Flat Panels no exterior, para a espécie S. costatum; (3) os efeitos do meio de cultura otimizado na composição bioquímica foram determinados para ambas as diatomáceas. O sucesso deste trabalho irá fornecer as ferramentas base para a empresa Necton S.A. aperfeiçoar vários produtos de aquafeed que já se encontram no mercado. No Capítulo 2, o processo de otimização do meio de cultura Nutribloom plus foi realizado num sistema de 12 colunas de bolhas de 1 L, separadamente para cada espécie. Neste sistema, as culturas foram sujeitas a um regime constante de luz durante um período de 7 dias. O processo gradual de otimização teve início com sílica, seguido de nitratos, fósforo, ferro e, por fim, micronutrientes. Com o uso de triplicados, foram avaliadas 4 concentrações de cada nutriente, sendo que a ótima foi selecionada previamente ao início do ensaio seguinte. Para a espécie S. costatum, o meio de cultura otimizado foi validado à escala piloto pela inoculação de 6 Flat Panels de 100 L no exterior, 3 com o meio de cultura Nutribloom plus® otimizado e 3 com o meio de cultura Nutribloom plus® controlo. Diariamente, para os ensaios realizados ao nível laboratorial e no exterior, foram avaliados o peso seco (g L-1), o pH e a temperatura das culturas, sendo que a cada 2 dias foram medidos os nitratos, sílica e fosfatos e foi readicionado o meio de cultura. Para cada ensaio, foi guardada biomassa no último dia, através da qual a análise bioquímica foi realizada, onde se obteve a composição de proteínas, lípidos, glícidos, cinzas e ácidos gordos. Para ambas as diatomáceas, os resultados obtidos salientam a relevância da otimização do meio de cultura para o aumento da biomassa produzida. Para S. costatum e C. calcitrans, as condições controlo resultaram em menor crescimento, onde os pesos secos obtidos foram 2,00 ± 0,03 gL-1 e 0,76 ± 0,03 gL-1, respetivamente. Frequentes indícios de stress ao nível morfológico foram observados em ambas as espécies cultivadas sob condições controlo, principalmente ao nível de aumento do comprimento celular e distrofia celular. A otimização da concentração de sílica resultou numa elevada melhoria de ambas as culturas, com um aumento significativo de crescimento e melhoria da performance celular, onde as concentrações deste nutriente consideradas como ótimas foram 2,4 e 1,2 mM para S. costatum e C. calcitrans, respetivamente. Este aumento do fornecimento de sílica em 6 e 3 vezes resultou em pesos secos de 3,51 ± 0,17 gL-1 e 2,03 ± 0,06 gL-1 nas culturas de S. costatum e C. calcitrans, respetivamente. A otimização da concentração de nitratos demonstrou que as condições controlo (4 mM) eram ótimas para ambas as espécies, e destacou a elevada necessidade deste nutriente, visto que o fornecimento de nitratos a concentrações inferiores resultou na diminuição do crescimento das culturas com uma elevada deterioração celular associada. Para ambas as diatomáceas, a otimização das concentrações de fósforo, ferro e micronutrientes resultaram em menores diferenças ao nível de crescimento, entre as distintas concentrações testadas. Para S. costatum e C. calcitrans, a concentração ótima de fósforo foi de 100 μM, enquanto as concentrações de ferro foram 20 e 80 μM, respetivamente, e a de micronutrientes foi de 0,5 mL L-1. Através da validação da otimização do meio de cultura para S. costatum em Flat Panels, foi registado um menor crescimento para as condições controlo e otimizadas, 0,97 ± 0,03 gL-1 e 0,86 ± 0,05 gL-1, respetivamente, quando comparado com os resultados obtidos a nível laboratorial. Este resultado pode ser atribuído à ausência de iluminação constante das culturas crescidas no exterior. Não obstante, as culturas fornecidas com o meio de cultura otimizado cresceram significativamente mais do que as culturas com condições controlo, sendo que a disparidade entre ambas teve início no quinto dia de ensaio. Desta forma, à escala piloto, o fornecimento do meio de cultura otimizado deve ser feito para níveis de peso seco superiores a 0,6 gL-1. Para as culturas de S. costatum ao nível laboratorial, as análises bioquímicas da composição proximal revelaram uma descida da % de peso seco de proteína e hidratos de carbono, sendo que a % de peso seco de cinzas aumentou e a % de peso seco manteve-se, ao longo do processo de otimização. As análises bioquímicas da composição proximal das culturas de C. calcitrans demonstram a ausência de diferenças significativas ao longo do processo de otimização. De forma semelhante, as análises bioquímicas da composição proximal das culturas de S. costatum cultivadas em Flat Panels revelam uma ausência de diferenças significativas. Relativamente à composição de ácidos gordos das culturas de S. costatum e C. calcitrans cultivadas ao nível laboratorial, os perfis de ácidos gordos de cada espécie foram caracterizados e foi possível detetar um aumento significativo no conteúdo de EPA ao longo da otimização dos nutrientes, sendo que para S. costatum este aumento também foi registado ao nível do conteúdo de DHA. Para ambas as espécies, o processo de otimização resultou no aumento significativo do conteúdo de PUFAs em detrimento dos conteúdos de SFAs e MUFAs, devido à redução das condições de stress. Contudo, esta disparidade não foi observada nas culturas de S. costatum cultivadas no exterior devido ao estado de crescimento ativo das culturas quando a biomassa foi recolhida. Adicionalmente, foram registados elevados valores de PUFAs. Em geral, através do presente trabalho foi possível aumentar a produtividade da biomassa obtida em cerca de 1,8 e 3,2 vezes em culturas de S. costatum e C. calcitrans, respetivamente. Para ambas as diatomáceas, os principais nutrientes cruciais para a otimização da biomassa em termos de crescimento foram sílica e nitratos. O processo de otimização resultou em poucas alterações ao nível da composição proximal de ambas as espécies. Contudo, ao nível da composição de ácidos gordos, foi possível registar aumentos significativos no conteúdo de PUFAs, especialmente ao nível dos ácidos gordos de valor acrescentado como EPA e DHA. Estes resultados denotam a aplicação promissora e relevante de produtos de S. costatum e C. calcitrans nas indústrias de aquacultura e nutracêuticos. O processo de otimização aplicado no presente trabalho é indispensável para o incremento da produção industrial destas espécies de diatomáceas de alto valor acrescentado, onde o aumento de produtividade em termos de biomassa e composição bioquímica é associado à redução de custos de produção.