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Tese de Doutorado
DOI
https://doi.org/10.11606/T.3.2020.tde-12022021-123622
Documento
Autor
Nome completo
Priscila da Costa Carvalho de Jesus
E-mail
Unidade da USP
Área do Conhecimento
Data de Defesa
Imprenta
São Paulo, 2020
Orientador
Banca examinadora
Basso, Thiago Olitta (Presidente)
Azzoni, Adriano Rodrigues
Lopes, Norberto Peporine
Miranda, Everson Alves
Perpetuo, Elen Aquino
Título em português
Uso de microalgas tolerantes a altas concentrações de CO2 na conversão de CO2 em bioprodutos de alto valor agregado.
Palavras-chave em português
Ácidos graxos
Carotenoides
Fotobiorreatores
Microalgas
Resumo em português
A fixação de CO2 utilizando microrganismos fototróficos de rápido crescimento fornece uma alternativa promissora para a mitigação das mudanças climáticas. Além disso, ela é potencialmente rentável quando associada à produção de bioprodutos de alto valor, como ácidos graxos e carotenoides, considerando a crescente demanda do mercado por produtos naturais. Durante o cultivo de microalgas, o enriquecimento com CO2 é um dos requisitos para alcançar altas produtividades, porém altos níveis desse gás são normalmente estressantes para as células, podendo inibir o crescimento. Apesar disso, o estresse celular é estratégia para induzir a produção de lipídeos intracelulares e carotenoides. O objetivo deste trabalho foi a bioprospecção de microalgas tolerantes a CO2 e a avaliação das cinéticas de crescimento, parâmetros fisiológicos e produção de bioprodutos em cultivos sob concentrações de CO2 até 30%, como potencial estratégia para induzir a formação desses bioprodutos. Amostras de água e sedimentos coletadas em mangues foram enriquecidas em meio de cultura sob temperatura e luminosidade controladas e atmosfera de 30% de CO2, obtendo-se consórcios de microalgas, a partir dos quais quatro espécies diferentes foram isoladas, três delas identificadas como Parachlorella kessleri, Scenedesmus sp. e Chlorella vulgaris. Os ensaios cinéticos em frascos agitados sob diferentes concentrações de CO2 (0,04, 5, 15 e 30%) mostraram que, de forma geral, a suplementação com CO2 (de 5 a 15 %) foi necessária para aumentar o crescimento. Dentre as cepas, P. kessleri e Scenedesmus sp. apresentaram os melhores resultados de crescimento e produção de biomassa (aproximadamente 1 g L-1) e foram avaliadas em ensaios em fotobiorreatores. Particularmente, P. kessleri produziu um pigmento extracelular avermelhado ao final do cultivo (14º dia) quando a suprimento de CO2 foi interrompido no 10º dia, uma condição de estresse imperativa para as células liberarem o pigmento, a qual foi reprodutível em fotobiorreator. O pigmento apresentou atividade antioxidante e características de carotenoides confirmadas pelos espectros de UV-Vis e perfis de fragmentação em espectrômetro de massas. Ainda, foi proposto um método de purificação em HPLC semi-preparativo, no qual duas frações (amarela e vermelha) foram separadas. As concentrações de carotenoides totais ao final dos cultivos de P. kessleri em fotobiorreatores foram significativamente diferentes (p<0,01) entre as condições de CO2 (5,15 e 30%), com o maior valor de 0,030 µg mL-1 obtido sob 5% de CO2. Já as cinéticas de crescimento foram semelhantes em todas as condições de CO2 avaliadas (p>0,05), com os maiores valores de µmax, concentração de biomassa, teor lipídico e taxa de fixação de CO2 de 0,77 dia-1, 1,24 g L-1, 241 mg g-1 (massa seca) e 165 mg L-1d-1, respectivamente. Os perfis de ácidos graxos na biomassa variaram em resposta às condições de CO2. Em geral, maiores concentrações de CO2 (15 e 30%) favoreceram a produção de ácidos graxos saturados e mono-insaturados enquanto diminuíram drasticamente a produção dos poli-insaturados.
Título em inglês
Use of high CO2-tolerant microalgae in the conversion of CO2 to high value bioproducts.
Palavras-chave em inglês
Carotenoids
Fatty acids
Microalgae
Photobioreactors
Resumo em inglês
Carbon dioxide fixation using fast-growing photoautotrophic microorganisms provides a very promising alternative for climate change mitigation. Besides, it is potentially cost-effective when associated to the production of high value bioproducts, such as fatty acids and carotenoids, considering the growing demand for natural products. During microalgae cultivation, CO2 enrichment is a requirement to reach high productivities, although high CO2 levels are normally stressful to the cells, which can lower their growth. On the other hand, cellular stress is strategy to induce the production of intracellular lipids and carotenoids. The aim of this work was the bioprospection of CO2-tolerant microalgae and evaluation of their growth kinetics, physiological parameters and bioproducts production in cultivations under CO2 concentrations up to 30%, as a potential strategy to induce bioproducts formation. Water and sediment samples collected from mangroves were enriched in culture medium under controlled temperature, luminosity and atmosphere of 30% CO2, obtaining microalgae consortia, from which four different species were isolated, three of them identified as Parachlorella kessleri, Scenedesmus sp. and Chlorella vulgaris. The kinetic assays under different CO2 concentrations (0.04, 5, 15 and 30%) conducted in shake flasks showed that CO2 supplementation (from 5 to 15%) were, in general, necessary to increase the growth of the evaluated microalgae. Among the isolates, P. kessleri and Scenedesmus sp. presented the highest growth rates and biomass productions (approximately 1 g L-1 ), so they were evaluated in photobioreactor assays. Particularly, P. kessleri produced an extracellular reddish pigment in the end of the cultivation (14th day) when CO2 supply was interrupted in the 10th day, a stressful and imperative condition for the cells to release the pigment, which was reproducible in photobioreactors. The pigment presented antioxidant activity and characteristics of carotenoids confirmed by UV-Vis spectra and mass spectrometry fragmentation profiles. A purification method was also proposed using a semi-preparative HPLC, in which two fractions (yellow and red) were separated. Total carotenoid concentrations by the end of P. kessleri cultivations in photobioreactors were significantly different (p<0.01) among the CO2 conditions, with the highest value of 0.030 µg mL-1 obtained under 5% CO2. In contrast, growth kinetics were similar (p>0.05) under all tested conditions, with the highest values of µmax, biomass concentration, lipid content and CO2 fixation rate of 0.77 day-1, 1.24 g L-1, 241 mg g-1 (d.w) and 165 mg L-1d-1, respectively. The fatty acid profiles in the biomass varied in response to CO2 levels in the cultivations. In general, higher CO2 concentrations (15 and 30%) favored the production of saturated and mono-unsaturated fatty acids, while drastically decreased the production of the poly-unsaturated.
 
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Data de Publicação
2021-02-16
 
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