Dinâmica de nitrogênio em cultivo heterotrófico a partir de cianobactéria sob o escopo de biorrefinarias agroindustriais

Abstract

O trabalho teve por objetivo avaliar a dinâmica de nitrogênio, em cultivo heterotrófico, a partir da cianobactéria Aphanothece microscopica Nägeli, sob o escopo de uma biorrefinaria. Neste sentido, foi avaliada a contribuição dos compostos nitrogenados não proteicos, na dinâmica de distribuição do nitrogênio, na biomassa gerada pelo micro-organismo em estudo, quando cultivado em sistema autotrófico e heterotrófico. Para o cultivo em condições autotróficas, foi utilizado o meio padrão BG-11, enquanto que, para o cultivo em condições heterotróficas, foi empregado o efluente da indústria de laticínios. Inicialmente, foi avaliada a contribuição dos pigmentos na fração nitrogenada não proteica tendo como base dois experimentos. No primeiro experimento foi selecionada a melhor condição para a produção de pigmentos, expressos pela clorofila-a em sistema heterotrófico, tendo como base os parâmetros C/N (20, 40 e 60), N/P (5, 10 e 15) e concentração de inóculo (100, 200 e 300 mg.L-1), mediante um planejamento fatorial 23 . Os experimentos foram conduzidos em biorreator heterotrófico a 20°C, pH 7,6 e aeração contínua de 1VVM. A melhor condição de produção de pigmento foi indicada como sendo a 200 mg.L-1 de concentração celular, razões C/N 20 e N/P 10. Com base nestes resultados, um segundo experimento foi delineado, visando avaliar a contribuição de pigmentos na fração de nitrogênio não proteico, bem como avaliar a produção de clorofila-a e ficobiliproteínas (ficocianina, aloficocianina e ficoeritrina), sob influência da luz e do meio de cultivo. Foi possível destacar teores superiores de ficobiliproteínas na biomassa gerada no cultivo heterotrófico. No entanto, com notada diferença (p≤0,05) nos teores de clorofila-a, quando são comparadas as concentrações na biomassa de meios autotróficos (10,7 mg.g-1) e heterotróficos (1,0 mg.g-1). Fato este compensado pelo menor tempo de cultivo registrado para atingir o final do experimento, quando o micro-organismo é cultivado em condições heterotróficas. Fica demonstrado assim, ainda, a importante contribuição dos pigmentos na fração de nitrogênio não proteico. Na sequência, um terceiro e quarto experimentos foram delineados, visando avaliar a influência do nitrogênio inorgânico intracelular na fração não proteica e na produção de proteína, assim como a caracterização da fração proteica quanto ao seu perfil aminoacídico. O estudo da dinâmica do nitrogênio intracelular demonstrou que o N-NH4 + foi a forma nitrogenada predominante, perfazendo importante fração de N-NP, sendo, portanto, os teores de N-NP significativamente dependente dos teores de pigmentos e nitrogênio intracelular. Os aminogramas das biomassas geradas pelos cultivos autotróficos e heterotróficos indicaram como aminoácidos majoritários o ácido glutâmico e aspártico, seguidos por valina, leucina e isoleucina, e como minoritários, lisina, glicina e metionina. O perfil aminoacídico caracterizou-se por apresentar aminoácidos essenciais como isoleucina, metionina + cisteína, fenilalanina + tirosina, valina e treonina em concentrações superiores ao preconizado pela FAO/WHO. A caracterização da fração proteica quanto ao perfil aminoacídico qualificou esta biomassa como fonte potencial de proteína. Os resultados obtidos neste trabalho demonstram a influência e dinâmica de distribuição dos compostos nitrogenados em Aphanothece microscopica Nägeli. Fica demonstrado, ainda, que a implementação do conceito de biorrefino, no tipo de agroindústria estudado, poderá representar importantes possibilidades de aproveitamento sustentável do efluente gerado.

The study aimed to evaluate the dynamics of nitrogen in the heterotrophic cultivation from cyanobacteria Aphanthece microscopica Nägeli under the scope of a biorefinery. In this sense, we evaluated the contribution of non-protein nitrogenous compounds in the dynamic distribution of nitrogen in the biomass generated by the microorganism under study, when grown on autotrophic and heterotrophic system. In autotrophic conditions was used as the culture medium, the standard BG-11 medium and heterotrophic effluents of the dairy industry. In first moment, the contribution of the pigments in non-protein nitrogen fraction was evaluated based on two experiments. In the first experiment was selected the best condition for the production of chlorophyll-a in heterotrophic system, based on the C/N (20, 40 and 60), N/P (5, 10 and 15) parameters and concentration of inoculum (100, 200 and 300 mg.L-1), through a 23 factorial design. Experiments were conducted in heterotrophic bioreactor at 20° C, pH 7.6 and continuous aeration 1VVM. The optimum conditions for the production of pigment was indicated as being 200 mg.L-1 of cell concentration and ratio C/N 20 and N/P 10. Based on these results, a second experiment was conducted in order to evaluate the contribution of pigments in the fraction of non-protein nitrogen, and estimate the production of chlorophyll-a and phycobiliproteins (phycocyanin, allophycocyanin and phycoerythrin), under the influence of light and medium. It was possible to highlight higher levels of phycobiliproteins in biomass generated in heterotrophic cultivation. However, with noticeable difference (p ≤ 0.05) in the levels of chlorophyll-a, when comparing the concentrations in the biomass of autotrophic media (10.7 mg g-1) and heterotrophic (1.0 mg g- 1 ). This fact is compensated by lower cultivation time recorded to reach the end of the experiment, when the organism is grown in heterotrophic conditions. Being demonstrated thus also the important contribution of the pigments in the fraction of non-protein nitrogen. Following a third and fourth experiment were designed in order to evaluate the influence of intracellular inorganic nitrogen in the non-protein fraction and protein production, as well as the characterization of protein fraction as to its amino acid profile. The study of the dynamics of intracellular nitrogen showed that the N-NH4 + was the predominant nitrogen form, making significant fraction of N-NP, therefore, while the levels of N-NP significantly dependent on the levels of pigments and intracellular nitrogen. The aminograms of biomass generated by the autotrophic and heterotrophic cultures showed major amino acids such as glutamic acid and aspartic acid, followed by valine, isoleucine and leucine, and as a minority, lysine, glycine and methionine. The amino acid profile was characterized by presenting essential amino acids like isoleucine, methionine+cysteine, phenylalanine+tyrosine, valine and threonine at higher than recommended by the FAO/WHO concentrations. The characterization of the protein fraction as the amino acid profile that described biomass as a potential source of protein. The results of this study demonstrate the influence and dynamic distribution of nitrogenous compounds in Aphanothece microscopica Nägeli. It is shown also that the implementation of the concept of biorefinery in the type of agribusiness studied may represent important opportunities for the sustainable use of the effluent.