Biological contaminant detection in industrial microalgal cultures

Detalhes bibliográficos
Autor(a) principal: José, Mélissa
Data de Publicação: 2023
Tipo de documento: Dissertação
Idioma: eng
Título da fonte: Repositório Científico de Acesso Aberto de Portugal (Repositórios Cientìficos)
Texto Completo: http://hdl.handle.net/10400.1/19579
Resumo: Biological contamination is one of the greatest limitations in the industrial cultivation microalgae, since the productivity is reduced within a few hours upon detection. The determination and quantification of different biological contaminants is a difficult task, and techniques have been developed aiming to control or eliminate them. Molecular approaches are the most specific/sensitive, allowing for their detection at an early stage. Once the contaminant is detected, mitigation strategies involving the manipulation of environmental/abiotic factors, such as the addition of chemical compounds, are used. In this thesis, molecular methods were developed and used to identify harmful biological contaminants in industrial microalgal cultures focusing on eukaryotic taxa. Samples from contaminated cultures of T. lutea and P. tricornutum were taken to extract DNA and sequenced using NGS technology. The data obtained was analysed using bioinformatic and phylogenetic tools to identify the possible contaminants collapsing the cultures. For the contaminated cultures of T. lutea, the most likely candidate causing the culture collapse was the "golden alga" Paraphysomonas (Chrysophyceae). One primer pair was designed and optimized, and the limit of detection (LOD) was tested, corresponding to an LOD = 0.0049% relative abundance. The Paraphysomonas life cycle was studied, and several mitigation strategies were tested. Salinity of 60 ppt and GeO2 at 1 mg/L showed to be promising, with the ability to control the development of this chrysophyte without harming T. lutea. Concerning the contaminated cultures of P. tricornutum, the Heterolobosea contaminant (Excavata) showed to be the main cause of the culture collapse. Three robust primer pairs were designed with promising results under standard PCR conditions. The life cycle of Heterolobosea contaminant was studied, and only one mitigation strategy was tested (pH at 10). However, the treatment did not show the ability to control the development of this heterolobosean contaminant, and no further mitigations were tested.
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In this thesis, molecular methods were developed and used to identify harmful biological contaminants in industrial microalgal cultures focusing on eukaryotic taxa. Samples from contaminated cultures of T. lutea and P. tricornutum were taken to extract DNA and sequenced using NGS technology. The data obtained was analysed using bioinformatic and phylogenetic tools to identify the possible contaminants collapsing the cultures. For the contaminated cultures of T. lutea, the most likely candidate causing the culture collapse was the "golden alga" Paraphysomonas (Chrysophyceae). One primer pair was designed and optimized, and the limit of detection (LOD) was tested, corresponding to an LOD = 0.0049% relative abundance. The Paraphysomonas life cycle was studied, and several mitigation strategies were tested. Salinity of 60 ppt and GeO2 at 1 mg/L showed to be promising, with the ability to control the development of this chrysophyte without harming T. lutea. Concerning the contaminated cultures of P. tricornutum, the Heterolobosea contaminant (Excavata) showed to be the main cause of the culture collapse. Three robust primer pairs were designed with promising results under standard PCR conditions. The life cycle of Heterolobosea contaminant was studied, and only one mitigation strategy was tested (pH at 10). However, the treatment did not show the ability to control the development of this heterolobosean contaminant, and no further mitigations were tested.As microalgas são um grupo de organismos microscópicos unicelulares, que se podem organizar em colónias ou filamentos, mostrando uma rica biodiversidade. Devido à sua composição de macro- e micronutrientes, as suas aplicações são versáteis, desde alimentos para o consumo humano e animal a produtos nutracêuticos, bioplásticos e biofertilizantes. A produção de microalgas depende de vários fatores de produção, como a luz, água, temperatura, agitação e nutrientes. A contaminação é uma das maiores limitações da produtividade das culturas industriais. Os contaminantes biológicos são capazes de reduzir a concentração celular, causar stress, alterar a biologia celular, degradar a qualidade do produto e até colapsar as culturas de microalgas em poucas horas após a sua deteção. No entanto, nem todos os microrganismos são prejudiciais. Algumas espécies de microalgas são capazes de crescer e produzir biomassas que podem ser utilizadas para fins comerciais com um certo nível de contaminação. Algumas espécies necessitam de macro- e micronutrientes produzidos por outros microrganismos e não sobrevivem em culturas axénicas. As interações mais comuns das microalgas com outros microrganismos são o mutualismo (afetam positivamente o crescimento, tornando-se essenciais), a competição (por nutrientes e/ou outros fatores ambientais), a predação (por grazers de microalgas, que resulta na morte da maioria das células na cultura) e o parasitismo (utilizam as microalgas como seu hospedeiro). Os contaminantes apresentam uma enorme biodiversidade, sendo que “protozoários”, zooplâncton, fungos, bactérias, vírus, outras algas e mesmo insetos podem causar graves perdas económicas, devido ao efeito negativo sobre a produtividade da cultura de microalgas. O principal grupo de contaminantes são os grazers, organismos eucarióticos (por exemplo, protozoários, copépodes e rotíferos) geralmente de maior dimensão que as microalgas. Este grupo é o mais difícil de prevenir e controlar, devido à sua capacidade de afetar rapidamente a cultura e a colapsar em poucas horas. Alguns grazers podem formar formas de dormência de elevada resiliência (por exemplo, cistos e esporos) que representam uma grande ameaça nos sistemas abertos, pois espalham-se por correntes de vento, e nos sistemas fechados, são retidos na forma de sedimentos e biofilmes, mantendo-se viáveis durante anos. A determinação e quantificação de diferentes contaminantes em culturas de microalgas é uma tarefa difícil. Quando uma cultura está altamente contaminada, os efeitos são visíveis a olho nu. No entanto, neste estádio avançado de contaminação, é muitas vezes demasiado tarde para aplicar estratégias de mitigação para controlar o contaminante e salvar a cultura. Por isso, nos últimos anos têm sido desenvolvidas várias técnicas destinadas para controlar a contaminação biológica das culturas industriais de microalgas como, por exemplo, a microscopia, a contagem de colónias em placas de agar, a citometria de fluxo e os métodos moleculares. Uma vez que o contaminante é detetado, existem várias estratégias de mitigação, que podem ser preventivas, a fim de evitar a entrada de contaminantes; ou corretivas, a fim de controlar ou eliminar o contaminante. As estratégias de mitigação corretivas mais usadas são a pressão ambiental (fatores abióticos), a separação física dos contaminantes das microalgas, a disrupção física dos tecidos, a adição de compostos químicos e de herbicidas/pesticidas. Os contaminantes são específicos e a sua classificação taxonómica até ao género ou espécie é muitas vezes desconhecida. Por esta razão, serão desenvolvidos e utilizados métodos moleculares para identificar contaminantes biológicos de culturas industriais de microalgas, em específico, os eucariontes, uma vez que são os principais predadores que causam o colapso das culturas. Foram escolhidos métodos moleculares por serem altamente específicos e sensíveis, além de permitirem a deteção precoce dos contaminantes. Amostras de diferentes culturas contaminadas de Tisochrysis lutea (Necton) e Phaeodactylum tricornutum (Allmicroalgae) foram recolhidas durante a produção industrial a fim de extrair ADN de alta qualidade e enviadas para serem sequenciadas através da tecnologia de Next Generation Sequencing (NGS) com primers universais 18S. Os dados obtidos são conhecidos como zero-radius Operational Taxonomic Unit (zOTU), tendo sido analisados tendo em conta o número de leituras e que, por definição, cada zOTU identifica uma sequência única capaz de classificar os organismos em grupos, mesmo que sejam evolutivamente próximos. Após a seleção das zOTUs, foram realizadas análises bioinformáticas e filogenéticas, de modo a detetar o contaminante responsável pelo colapso. Culturas contaminadas foram fornecidas por cada empresa de modo a cultivá-las no laboratório com condições controladas, a fim de estudar o ciclo de vida de cada contaminante e testar possíveis mitigações. Para as culturas contaminadas da T. lutea, foram detetadas nove taxa diferentes de possíveis contaminantes responsáveis pelo colapso das culturas. As zOTUs mais abundantes foram analisadas, sendo que a “alga dourada” Paraphysomonas (Chrysophyceae) (zOTU4) foi considerada como a melhor candidata. Foram desenhados vários primers após o alinhamento de várias sequencias de Paraphysomonas e de outras microalgas, através de plataformas bioinformáticas (por exemplo, Qiagen CLC e Geneious), de modo a detetar o contaminante. Os primers foram testados através de condições padrão de PCR, sendo que apenas um primer teve resultados positivos. O limite de deteção também foi testado, com capacidade de detetar até 0.0049% de abundância relativa de Paraphysomonas. O ciclo de vida deste contaminante foi analisado, e várias estratégias de mitigação de pressão ambiental e compostos químicos foram testadas. A salinidade a 60 ppt e o dióxido de germânio a 1 mg/L mostraram resultados positivos em controlar o desenvolvimento deste predador crisófito, sem afetar as culturas da T. lutea. Relativamente às culturas da P. tricornutum, os resultados revelaram seis taxa diferentes de possíveis contaminantes responsáveis pelo colapso da cultura. As zOTUs mais abundantes foram analisadas, sendo considerada como a melhor candidata a zOTU2, classificada como pertencente a um contaminante do filo Heterolobosea pertencente à clade Discoba do megagrupo Excavata. Foram desenhados vários primers após o alinhamento de várias sequencias de Heterolobosea e de outras microalgas, e testados através de condições padrão de PCR, sendo que três primers tiveram resultados positivos com um limite de deteção até 2.2% de abundância relativa do contaminante Heterolobosea. O ciclo de vida deste contaminante foi analisado, e apenas uma estratégia de mitigação foi testada. A estratégia de mitigação foi a pressão ambiental a pH = 10, que não mostrou resultados significativos em controlar o contaminante. Contudo, não foram testadas mais estratégias de mitigação. Para concluir, dois contaminantes das empresas Necton, identificado como Paraphysomonas, e Allmicroalgae, identificado como pertencente ao filo Heterolobosea, foram detetados em culturas contaminadas de T. lutea e P. tricornutum, respetivamente. Foram desenhados primers específicos para detetar os contaminantes até em baixas concentrações. O ciclo de vida de ambos os contaminantes foram analisados, e foi possível desenvolver duas estratégias de mitigação para o contaminante das culturas da T. lutea.Varela, J.Schüler, LisaSapientiaJosé, Mélissa2023-02-272025-02-27T00:00:00Z2023-02-27T00:00:00Zinfo:eu-repo/semantics/publishedVersioninfo:eu-repo/semantics/masterThesisapplication/pdfhttp://hdl.handle.net/10400.1/19579TID:203248163enginfo:eu-repo/semantics/embargoedAccessreponame:Repositório Científico de Acesso Aberto de Portugal (Repositórios Cientìficos)instname:Agência para a Sociedade do Conhecimento (UMIC) - FCT - Sociedade da Informaçãoinstacron:RCAAP2023-07-24T10:32:03Zoai:sapientia.ualg.pt:10400.1/19579Portal AgregadorONGhttps://www.rcaap.pt/oai/openaireopendoar:71602024-03-19T20:09:11.377110Repositório Científico de Acesso Aberto de Portugal (Repositórios Cientìficos) - Agência para a Sociedade do Conhecimento (UMIC) - FCT - Sociedade da Informaçãofalse
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