Produção de PHB por Chlorella fusca cultivada com pentoses como fonte de carbono

Abstract

As microalgas têm ganhado atenção devido a sua capacidade de acúmulo de biocompostos como carboidratos, lipídios e proteínas, tornando possível a utilização destes em diversos setores. A manipulação das formas de cultivo é uma estratégia para o acúmulo de biocompostos de interesse, que podem contribuir com o aumento do desempenho do processo fotossintético e com a otimização das condições de cultivo. A modificação de fotoperíodos e intensidades luminosas são fatores cruciais para a modulação dos mecanismos vinculados a fotossíntese. Em conjunto com estes fatores a variação das fontes nutricionais são parâmetros que podem ser ajustados, contribuindo com a redução dos custos do processo e com o crescimento das microalgas. Desta forma este trabalho teve como objetivo avaliar a produção de macromoléculas com potencial biotecnológico em células de Chlorella fusca LEB 111 com adição de pentoses, cultivadas com diferentes fotoperíodos e intensidades luminosas. Para o cultivo desta cepa foram realizadas modificações no fornecimento de períodos de luz com 18 h, 12 h e 6 h luz, os quais foram submetidos a variações de intensidades luminosas com 58, 28 e 9 µmol m-2 s -1 . Em cada uma das condições de fornecimento de luz e intensidades luminosas estudados foram realizados ensaios controle com meio BG-11 (1,5 g L-1 NaNO3; 0,02 g L-1 Na2CO3) e com substituição da fonte de carbono por D-xilose e L-arabinose (20 mg L-1 ) e redução do composto nitrogenado em 50% (0,75 g L-1 ). Os experimentos foram conduzidos em estufa termostatizada em fotobiorreatores do tipo erlenmeyer com volume útil de 1,8 L, mantidos a 30 °C e agitação realizada com injeção de ar estéril. A adição de xilose em conjunto com fornecimento de 18 h de luz e intensidade luminosa 58 µmol m-2 s -1 promoveu crescimento celular máximo de 0,80 g L-1 e produtividade máxima 0,06 g L-1 d -1 . Os experimentos com adição de pentoses promoveram o maior acúmulo de poli-hidroxibutirato (PHB), com o fornecimento de 6 h de luz e intensidade luminosa 28 µmol m-2 s -1 desencadeou resposta superior na produção de poli-hidroxibutirato (PHB), chegando à concentração máxima de 17,4% (m m-1 ) do polímero. Com a adição de xilose, fornecimento de 18 h de luz e intensidade luminosa 9 µmol m-2 s -1 foi obtido o maior incremento na produção de lipídios (24,7% m m-1 ), o maior teor protéico foi obtido com 6 h de luz e intensidade luminosa 58 µmol m-2 s -1 (53,2% m m-1 ). Este trabalho demonstrou que menores intensidades luminosas para os três fotoperíodos estudados desencadearam maiores concentrações de clorofilas. A adição de 20 mg L-1 de pentoses nos cultivos, redução do composto nitrogenado (50%) e fornecimento de menores intensidades luminosas podem ter desencadeado efeito positivo na atividade da enzima Rubisco no presente estudo. Os resultados obtidos no presente trabalho demonstraram o potencial biotecnológico da cepa de Chlorella fusca LEB 111 quando submetida a variações de períodos de luz, intensidades luminosas e adição de pentoses para produção de PHB. Desta forma este estudo é o precursor do desenvolvimento de tecnologias envolvendo a maximização da produção de PHB por Chlorella indicando a potencialidade da biotecnologia microalgal como alternativa no desenvolvimento de polímeros biodegráveis.

Microalgae have gained attention due to their ability to accumulate biocomposites such as carbohydrates, lipids and proteins, making it possible to use them in several sectors. The manipulation of the forms of cultivation is a strategy for the accumulation of biocomposites of interest, which can contribute with the increase of the performance of the photosynthetic process and with the optimization of the culture conditions. The modification of photoperiods and light intensities are important factors for the modulation of mechanisms linked to photosynthesis. Together with these factors nutritional sources impairment are parameters that can be fit, contributing to the reduction of process costs and the growth of microalgae. The objective of this work was to evaluate the production of macromolecules with biotechnological potential in Chlorella fusca LEB 111 cells with addition of pentoses, cultivated with different photoperiods and light intensities. For the cultivation of this strain, changes were made in the supply of light periods with 18 h, 12 h and 6 h light, which were submitted to variations of light intensities with 58, 28 and 9 µmol m-2 s -1 . In each of the light-delivery conditions and light intensities studied, control experiments were performed with BG-11 medium (1.5 g L-1 NaNO3, 0.02 g L-1 Na2CO3) and with replacement of the carbon source by D-xylose and L-arabinose (20 mg L-1 ) and reduction of the nitrogen compound by 50% (0.75 g L-1 ). The experiments were conducted in a thermostatic oven in Erlenmeyer type photobioreactors with a useful volume of 1.8 L, maintained at 30 ° C and shaking performed with sterile air injection. The addition of xylose together with 18 h of light and light intensity 58 µmol m-2 s -1 promoted maximum cell growth of 0.80 g L-1 and maximum yield 0.06 g L-1 d -1 . The experiments with addition of pentoses promoted the highest accumulation of polyhydroxybutyrate (PHB), with a 6 h light and light intensity of 28 µmol m-2 s -1 . reaching the maximum concentration of 17.4% (w w-1 ) of the polymer. With the addition of xylose, 18 h light and light intensity 9 µmol m-2 s -1 , the highest increase in lipid production (24.7% w w-1 ) was obtained, the highest protein content was obtained with 6 h light and light intensity 58 µmol m-2 s -1 (43.5% w w-1 ). This work demonstrated that lower light intensities for the three photoperiods studied triggered higher chlorophyll concentrations. The addition of 20 mg L-1 of pentoses in the cultures, reduction of the nitrogen compound (50%) and supply of lower light intensities may have triggered a positive effect on the activity of the Rubisco enzyme in the present study. The results obtained in the present work demonstrated the biotechnological potential of the strain of Chlorella fusca LEB 111 when subjected to variations of light periods, light intensities and addition of pentoses for PHB production. In this way, this study is the precursor of the development of technologies involving the maximization of PHB production by Chlorella indicating the potential of microalgal biotechnology as an alternative in the development of biodegradable polymers.