Characterization and analysis of the biotechnological potential of a Chlorococcum strain isolated at the microalgae production unit - ALGAFARM

Abstract

Atualmente, o aquecimento global, causado pelo aumento dos gases do efeito de estufa na atmosfera, é uma preocupação séria entre os cientistas (Bhola et al., 2013; Rasul et al., 2017). Para além das alterações diretas na atmosfera, as produções agrícolas também estão a ser afetadas, sendo esperadas reduções na produção de alimento (Altieri & Nicholls, 2013).O aumento da população mundial e a expansão da economia levam ao aumento da procura por fontes alternativas de alimento, bem como por fontes de biocombustíveis amigas do ambiente (Harun et al., 2010; Hannon et al., 2014).As microalgas podem ser utilizadas para aumentar o valor nutricional dos alimentos e como suplemento das rações de animais convencionais, afetando positivamente a saúde e o crescimento de ambos, humanos e animais (Spolaore et al., 2006; Guedes & Malcata, 2012).Para além disso, as microalgas conseguem utilizar de forma eficiente o CO2, sendo responsáveis por mais de 40 % da fixação global de carbono. Neste contexto, as culturas de microalgas podem ser consideradas como um dos principais processos biológicos de fixação de CO2 para a mitigação dos níveis de CO2 na atmosfera e, consequentemente, atenuação do aquecimento global (Pires et al., 2012).Como o trabalho foi desenvolvido na ALGAFARM (empresa de produção de microalgas), a estirpe isolada foi avaliada de acordo com a necessidade de se adequar à empresa. Foi testado meio com 10 mM de azoto e 1 mM de azoto. Para maiores concentrações de biomassa e composição bioquímica melhorada para alimentação humana e animal, o meio com 10 mM de azoto é o mais adequado.A estirpe de Chlorococcum foi avaliada em scale-up de reatores até ao PBR de escala industrial de 10000 L. As melhores produtividades volumétricas, máxima e global, foram obtidas no PBR de escala piloto de 2500 L com 0,153 g.L-1.dia-1 e 0,098 g.L-1.dia-1, respetivamente. No entanto, as melhores produtividades areais, máxima e global, foram conseguidas pelo PBR de escala industrial de 10000 L com 36,559 g.m-2.dia-1 e 17,419 g.m-2.dia-1, respetivamente.A melhor composição bioquímica do Chlorococcum foi obtida no PBR de escala piloto de 2500 L com 55,72 % de conteúdo de proteína, 18,35 % de conteúdo de lípidos totais (onde 74,70 % são PUFAs), 17,71 % de hidratos de carbono e 7,61 % de cinzas e atingindo valores de 4,02 % de clorofila total e 1,09 % de conteúdo de carotenóides totais (onde 71,01 % é luteína e 16,57 % é β-caroteno).O Chlorococcum isolado nas instalações da ALGAFARM mostrou ter grande potencial para alimentação animal e humana uma vez que atingiu valores elevados de proteína e, também, porque contém uma quantidade relevante de ácidos gordos polinsaturados.Esta estirpe, sem otimização do crescimento, atingiu facilmente valores elevados de clorofila total, que pode ser utilizada como corante alimentar natural. Também é adequada para aplicação nas indústrias nutracêutica e farmacêutica uma vez que mostrou um conteúdo de carotenóides totais de mais de 1 % do peso seco da biomassa, maioritariamente constituído por luteína (5.374 mg.g-1) e β-caroteno (1.247 mg.g-1).Apesar do Chlorococcum sp. ter sido reportado na literatura como tendo a capacidade de produzir astaxantina, este pigmento não foi encontrado como componente no conteúdo de carotenóides totais, uma vez que a sua produção não foi induzida.O Chlorococcum isolado foi avaliado por microscopia eletrónica tradicional e por análise molecular com o objetivo de identificar a espécie. No entanto, não foi encontrada homologia. Estes resultados não excluem a possibilidade desta estirpe poder ser uma nova espécie, ainda não identificada. No entanto, não permite ter 100 % de certeza e são necessárias mais análises.

Currently, global warming, caused by the increase of greenhouse gases in the atmosphere, it is a serious concern among scientist (Bhola et al., 2013; Rasul et al., 2017). Beyond the direct atmospheric changes, the agricultural productions are also being affected and that are expected reductions in food production (Altieri & Nicholls, 2013).The increasing world’s population and expanding economy leads to increasing demand on alternative sources of food as well as environmental friendly sources of biofuels (Harun et al., 2010; Hannon et al., 2014).Microalgae can be used to enhance the nutritional value of food and as supplement of conventional animal feed, positively affecting the health and growth of humans and animals (Spolaore et al., 2006; Guedes & Malcata, 2012).Beyond, microalgae can efficiently use CO2, being responsible for more than 40 % of global carbon fixation. In this context, microalgal cultures can be considered one of the main biological CO2 fixation process for the mitigation of CO2 levels at the atmosphere and, consequently, the global warming (Pires et al., 2012).As the work was developed at ALGAFARM (microalgae production company), the isolated strain was evaluated according to the needs for being suitable for the company. Medium with 10 mM of nitrogen and 1 mM of nitrogen were tested. For high biomass concentration and improved biochemical composition for food and feed, the 10 mM of nitrogen medium is more suitable.The strain of Chlorococcum was evaluated in scale-up reactors until industrial scale 10000 L PBR. The best volumetric productivities, maximum and global, were obtained in the pilot scale 2500 L PBR with 0.153 g.L-1.day-1 and 0.098 g.L-1.day-1, respectively. However, the best areal productivities, maximum and global, were reached in industrial scale 10000 L PBR with 36.559 g.m-2.day-1 and 17.419 g.m-2.day-1, respectively.Chlorococcum better biochemical composition was obtained in the pilot scale 2500 L PBR with 55.72 % of protein content, 18.35 % of total lipids content (where 74.70 % are PUFAs), 17.71 % of carbohydrates and 7.61 % of ashes and reaching values of 4.02 % of total chlorophyll and 1.09 % of total carotenoids content (where 71.01 % is lutein and 16.57 % is β-carotene).Chlorococcum strain isolated in the ALGAFARM facilities showed to have a great potential for feed and food applications since it reached high values of proteins content and it also contain relevant amount of polyunsaturated fatty acids. This strain, without growth optimization, easily reached high values of total chlorophyll, which can be used as natural food colorant. It is also suitable for application in nutraceutical and pharmaceutical industries since showed a total carotenoids content of more than 1 % of biomass dry weight, mainly constituted by lutein (5.374 mg.g-1) and β-carotene (1.247 mg.g-1).Despite of Chlorococcum sp. was reported in the literature to have the capacity to produce astaxanthin (Liu & Lee, 1999; Yuan et al., 2002), this pigment was not found as component of total carotenoids content, since its production was not induced.The isolated Chlorococcum was evaluated traditional microscopic observation and by molecular analysis to identify the specie. However, any homology was found. The results do not exclude the possibility of this strain could be a new specie, not yet identified. Although, it do now allows to be 100 % sure of it and more analysis is need.