Produção de macromoléculas a partir do cultivo de Spirulina sp. LEB 18 em duplo estágio com limitação de nitrogênio

Abstract

As microalgas viabilizam o desenvolvimento de novos produtos a partir da síntese de macromoléculas aplicadas no setor alimentício, farmacêutico e de cosméticos. Quando a microalga é submetida a condições de estresse pode acumular lipídios, carboidratos e biopolímeros. Esta produção pode ser elevada pela realização do cultivo em duplo estágio. Assim, o objetivo deste trabalho foi avaliar a estratégia de duplo estágio em cultivo de Spirulina sp. LEB 18 visando elevadas produtividades de biomassa e macromoléculas. Os experimentos foram realizados em fotobiorreatores fechados do tipo tubular de 2 L, utilizando a microalga Spirulina sp. LEB 18 com 0,5 g L -1 de concentração inicial de biomassa. Os cultivos foram realizados a 30 ºC em câmera termostatizada, fotoperíodo de 12 h claro/escuro e luminosidade de 41,6 µmol fótons m-2 s -1 . Os experimentos foram realizados em triplicata por 20 d, com cultivo em duplo estágio, em que no primeiro estágio foi utilizado o meio Zarrouk modificado, contendo 50% de carbono (NaHCO3, 8,4 g L-1 ) e 100% de nitrogênio (NaNO3, 2,5 g L-1 ). Após, as células foram lavadas com água estéril por centrifugação para substituição do meio de cultivo. O meio contendo 10% de nitrogênio (NaNO3, 0,25 g L-1 ) e 50% de carbono foi adicionado para iniciar o segundo estágio no 5º, 10º ou 15º d de cultivo. Também foi avaliado a adição de meio com ausência de nitrogênio nestas mesmas condições. A cada 5 d foi analisada a composição da biomassa referente aos carboidratos, lipídios, proteínas e PHB. Para os ensaios com meio contendo 10% de nitrogênio, a estratégia do cultivo em duplo estágio proporcionou maior crescimento a microalga, atingindo 2,77 g L-1 no ensaio com redução de nitrogênio no 15º d. O maior teor de carboidratos (0,54 g L-1 ) foi obtido no cultivo com 10% de nitrogênio no 10º ou 15º d, cultivado por 20 d, e a maior concentração de lipídios (0,62 g L-1 ) produzida no ensaio com redução de nitrogênio no 5º d, por 15 d. O maior teor proteico (1,60 g L-1 ) foi obtido no ensaio com redução de nitrogênio no 15º d, cultivado por 20 d. A síntese de PHB foi influenciada pela disponibilidade de nitrogênio no meio, atingindo 0,39 g L-1 no 20º d do ensaio com redução de nitrogênio no 5º d. Para os ensaios com ausência de nitrogênio no segundo estágio, a maior concentração de biomassa (3,1 g L-1 ) foi obtida no ensaio sem nitrogênio a partir do 15º d. A melhor condição para produção de carboidratos (0,84 g L-1 ) foi o cultivo com ausência de nitrogênio no 10º d, por 20 d, enquanto que, o maior rendimento de proteínas (1,6 g L -1 ) e lipídios (0,66 g L-1 ) foi obtido no ensaio com restrição de nitrogênio no 15º d, cultivado por 15 e 20 d, respectivamente. Portanto, a estratégia de duplo estágio aliada a redução da fonte de nitrogênio maximiza o crescimento microalgal e a composição da biomassa, promovendo maior produção de macromoléculas.The microalgae enable the development of new products from the synthesis of macromolecules applied in the food, pharmaceutical and cosmetics sector. When the microalgae are subjected to stressful conditions, it can accumulate proteins, lipids, carbohydrates, and biopolymers. This production can be optimized by carrying out the two-stage cultivation. Thus, the objective of this work was to evaluate the dual stage strategy in cultivation of Spirulina sp. LEB 18 aiming at high productivity of biomass and macromolecules. The experiments were performed in tubular photobioreactors (working volume of 1.6 L), using Spirulina sp. LEB 18 with 0.5 g L-1 of initial biomass concentration. Cultivations were carried out at 30 ºC in a thermostatic chamber, 12 h light/dark photoperiod and luminance of 41.6 µmol photons m-2 s -1 . The cultivations were maintained in triplicate for 20 d, in two-stage, which in the first stage was used the modified Zarrouk medium, containing 50% carbon (NaHCO3, 8.4 g L-1 ) and 100% nitrogen (NaNO3, 2.5 g L-1 ). Therefore, the cells were washed with sterile water and centrifugated to replace the culture medium. The culture medium containing 10% nitrogen (NaNO3, 0.25 g L-1 ) and 50% carbon was added to start the second stage at the 5th, 10th or 15th d of cultivation. The addition of nitrogen-free medium was also evaluated under these same conditions. Every 5 d, the biomass composition of carbohydrates, lipids, proteins, and PHB was analyzed. For the experiments with culture medium containing 10% nitrogen, the two-stage cultivation strategy provided greater microalga growth, reaching 2.77 g L-1 in the assay with nitrogen reduction in the 15th d. The highest carbohydrate content (0.54 g L-1 ) was obtained in double stage cultivation with 10% nitrogen in the 10th or 15th d, cultivated for 20 d, and the highest concentration of lipids (0.62 g L-1 ) produced in the test with nitrogen reduction in the 5th d, for 15 d. The highest concentration of proteins (1.60 g L-1 ) was obtained in the assay with nitrogen reduction in the 15th d, cultivated for 20 d. PHB synthesis was influenced by the availability of nitrogen in the medium, reaching 0.39 g L-1 on the 20th d of the assay with nitrogen reduction on the 5th d. For tests with no nitrogen in the second stage, the highest concentration of biomass (3.1 g L-1 ) was obtained in the second stage of the test without the nitrogen source from the 15th d. The best condition for carbohydrate production (0.84 g L-1 ) was cultivation with no nitrogen in the 10th d, for 20 d, whereas, the highest yield of proteins (1.6 g L-1 ) and lipids (0.66 g L-1 ) was obtained in the assay with nitrogen restriction in the 15th d, cultivated for 15 and 20 d, respectively. Therefore, the two-stage strategy combined with the reduction of the nitrogen source optimizes microalgal growth and biomass composition, promoting greater production of macromolecules.