Produção e extração da enzima anidrase carbônica e de ficobiliproteínas a partir de microalgas

Muito interesse tem sido focado no potencial biotecnológico das microalgas, principalmente devido à identificação de diversas substâncias sintetizadas por estes organismos, dentre elas a anidrase carbônica e as ficobiliproteínas. A anidrase carbônica é uma metaloenzima que catalisa a hidratação reversível do CO2 em bicarbonato com alta eficiência, sendo utilizada para captação de CO2 através de sistemas biológicos. A C-ficocianina e a aloficocianina, corantes naturais, são os dois principais componentes das ficobiliproteínas em cianobactérias e apresentam diversas aplicações dentro da indústria alimentícia, cosmética e farmacêutica. O objetivo principal desta tese foi avaliar a produção e a extração da anidrase carbônica e das ficobiliproteínas a partir de diferentes microalgas. Para isso, primeiramente foi realizado uma investigação da produção da anidrase carbônica pela microalga Dunaliella tertiolecta, onde foi estudada a extração da enzima e sua aplicação em sistemas de captura enzimática de CO2. Posteriormente foi avaliada a produção da enzima ao longo do cultivo de diferentes microalgas marinhas e dulcícolas (Dunaliella tertiolecta, Tetraselmis sueccica, Phaeodactylum tricornutum, Nannochloropsis oculata, Isochysis galbana, Chlorella vulgaris e Scenedesmus obliquus). A produção da enzima e de ficobiliproteínas, também, foi estudada para as cianobactérias Spirulina platensis LEB 52, Spirulina sp. LEB 18 e Synechococcus nidulans. Todos os cultivos foram acompanhados em termos de biomassa e pH. Por último, foi realizado um estudo de extração da enzima de P. tricornutum e extração conjunta da anidrase carbônica e de ficobiliproteínas da cianobactéria S. sp. LEB 18. Os cultivos foram realizados em frascos erlenmeyer contendo os meios Conway (marinhas), BG-11 (dulcícolas) e Zarrouk 20% (cianobactérias). Na avaliação da ruptura celular foram testadas as técnicas de maceração em gral e pistilo, agitação em vórtex com pérolas de vidro, sonicação com pérolas de vidro, homogeneizador ultrassônico, secagem, congelamento e descongelamento e a combinação de tratamentos. Maiores rendimentos de extração da enzima a partir da microalga D. tertiolecta foram obtidos utilizando tratamento ultrassônico, juntamente com baixas concentrações de biomassa úmida (0,1 e 0,2 g/L), e a mesma apresentou potencial para aplicação em processos de captação enzimática do CO2. Durante os cultivos, a microalga C. vulgaris se destacou como maior produtora da enzima anidrase carbônica, atingindo valores de atividade enzimática de 44,0 U/L. As cianobactérias apresentaram valores de atividade entre 41,6 e 45,9 U/L, sendo que a S. sp. LEB 18 foi a que apresentou maiores produções de C-ficocianina e aloficocianina no ponto de máxima atividade volumétrica, 65,9 e 82,2 µg/mL, respectivamente. A enzima extraída da biomassa de S. platensis LEB 52 catalisou a hidratação do CO2 que precipitou na forma de CaCO3. Maiores rendimentos de extração da enzima a partir das microalgas P. tricornutum e S. sp. LEB 18 foram obtidos utilizando homogeneizador ultrassônico, que foram 31,3 U/g e 25,5 U/g, respectivamente. A biomassa de S. sp. LEB 18, também apresentou potencial para a extração de ficobiliproteínas, obtendo- se altas concentrações de C-ficocianina (100,5 mg/g) e aloficocianina (69,9 mg/g). Através dos resultados obtidos, pode-se verificar a potencialidade das microalgas e das cianobactérias para produção da enzima anidrase carbônica e das ficobiliproteínas, biomoléculas de alto valor industrial. Este trabalho apresenta processos eficientes para a extração da enzima e de ficobiliproteínas tanto para escala laboratorial como industrial.

Effects of light quality supplied by light emitting diodes (LEDs) on microalgal production

Dissertação de mestrado, Aquacultura, Faculdade de Ciências e Tecnologia, Universidade do Algarve, 2014

CO_2对微拟球藻(Nannochloropsis sp.)利用有机碳和光合作用的影响

CO2浓度提高时,微拟球藻吸收醋酸钠的速率增加2倍。混养生长的藻细胞最大光合作用速率、光合作用效率、无机碳半饱和常数和无机碳饱和的光合作用速率均显著低于光自养条件下生长的。

Response of growth and fatty acid compositions of Nannochloropsis sp to environmental factors under elevated CO2 concentration

Nannochloropsis sp. was grown with different levels of nitrate, phosphate, salinity and temperature with CO2 at 2,800 mu l l(-1). Increased levels of NaNO3 and KH2PO4 raised protein and polyunsaturated fatty acids (PUFAs) contents but decreased carbohydrate, total lipid and total fatty acids (TFA) contents. Nannochloropsis sp. grew well at salinities from 22 to 49 g l(-1), and lowering salinity enhanced TFA and PUFAs contents. TFA contents increased with the increasing temperature but PUFAs contents decreased. The highest eicosapentaenoic acid (EPA, 20:5 omega 3) content based on the dry mass was above 3% under low N (150 mu M NaNO3) or high N (3000 mu M NaNO3) condition. Excessive nitrate, low salinity and temperature are thus favorable factors for improving EPA yields in Nannochloropsis sp.

Optimization of growth and fatty acid composition of a unicellular marine picoplankton, Nannochloropsis sp., with enriched carbon sources

A unicellular marine picoplankton, Nannochloropsis sp., was grown under CO2-enriched photoautotrophic or/and acetate-added mixotrophic conditions. Photoautotrophic conditions with enriched CO2 of 2800 mul CO2 l(-1) and aeration gave the highest biomass yield (634 mg dry wt l(-1)), the highest total lipid content (9% of dry wt), total fatty acids (64 mg g(-1) dry wt), polyunsaturated fatty acids (35% total fatty acids) and eicosapentaenoic acid (EPA, 20:5omega3) (16 mg g(-1) dry wt or 25% of total fatty acids). Mixotrophic cultures gave a greater protein content but less carbohydrates. Adding sodium acetate (2 mM) decreased the amounts of the total fatty acids and EPA. Elevation of CO2 in photoautotrophic culture thus enhances growth and raises the production of EPA in Nannochloropsis sp.

Degradação do perfil bioquímico de um concentrado de Nannochloropsis sp. durante o seu período de validade

As algas do género Nannochloropsis são microalgas marinhas que apresentam um perfil bioquímico único, principalmente no que é respeitante a lípidos, e uma vasta gama de compostos bioativos que possibilitam a sua aplicabilidade comercial em várias áreas biotecnológicas, destacando-se a alimentação e nutrição humana, indústria cosmética e farmacêutica, produção de biocombustíveis e a sua utilização em aquacultura. Em aquacultura, são usadas maioritariamente microalgas vivas, cuja produção representa elevados custos. Tem havido assim uma pesquisa de dietas alternativas, entre as quais os concentrados de microalgas se apresentam promissores. Os desafios atuais das empresas produtoras de concentrados de microalgas prendem-se com a conservação e armazenamento destes concentrados. Assim, neste trabalho foi proposto o estudo da influência da refrigeração, congelação e adição de conservantes a PhytoBloom Green Formula®, concentrado de Nannochloropsis sp. comercializado pela empresa Necton S.A., com o objetivo de averiguar a variação de parâmetros bioquímicos e organoléticos com a exposição do concentrado aos diferentes métodos de conservação. Pretendia-se assim observar se estes processos podem ser usados para aumentar o tempo de prateleira do concentrado em estudo. Para tal, foram avaliadas amostras recolhidas em três pontos temporais e analisados os seguintes parâmetros: perfil de ácidos gordos, quantificação de hidroperóxidos lipídicos, quantificação espectrofotométrica de clorofila a e carotenóides, bem como parâmetros organoléticos. Inicialmente, foi efetuada uma avaliação de diferentes parâmetros organoléticos, não se observando variações relevantes entre amostras das diferentes condições. Assim, foi posteriormente realizada a avaliação bioquímica. Primeiramente, foi efetuada a quantificação de ácidos gordos por GC-FID das diferentes amostras, nas quais não se observou diferenças significativas entre as condições experimentais. Foi também efetuado um ensaio de FOX II, que permitiu avaliar o grau de peroxidação lipídica de cada amostra por quantificação de hidroperóxidos lipídicos formados. As amostras nas quais houve adição de conservantes apresentaram um teor menor de hidropéroxidos lipídicos, permitindo inferir que a ação dos conservantes com propriedades antioxidantes permitiu uma melhor conservação da amostra. Quando se determinou a concentração de clorofila a e de carotenóides verificou-se que, em ambos os casos, a congelação conduziu a uma estabilização da concentração destes pigmentos. No entanto, os melhores resultados foram obtidos usando a combinação de congelação com adição de conservantes. Estes resultados, embora promissores, carecem de uma confirmação por um novo estudo, completando com análises com maior rigor e sensibilidade associados, no sentido de se verificar qual o método mais vantajoso para a extensão do tempo de prateleira de PhytoBloom Green Formula®.

Degradação do perfil bioquímico de um concentrado de Nannochloropsis sp. durante o seu período de validade

As algas do género Nannochloropsis são microalgas marinhas que apresentam um perfil bioquímico único, principalmente no que é respeitante a lípidos, e uma vasta gama de compostos bioativos que possibilitam a sua aplicabilidade comercial em várias áreas biotecnológicas, destacando-se a alimentação e nutrição humana, indústria cosmética e farmacêutica, produção de biocombustíveis e a sua utilização em aquacultura. Em aquacultura, são usadas maioritariamente microalgas vivas, cuja produção representa elevados custos. Tem havido assim uma pesquisa de dietas alternativas, entre as quais os concentrados de microalgas se apresentam promissores. Os desafios atuais das empresas produtoras de concentrados de microalgas prendem-se com a conservação e armazenamento destes concentrados. Assim, neste trabalho foi proposto o estudo da influência da refrigeração, congelação e adição de conservantes a PhytoBloom Green Formula®, concentrado de Nannochloropsis sp. comercializado pela empresa Necton S.A., com o objetivo de averiguar a variação de parâmetros bioquímicos e organoléticos com a exposição do concentrado aos diferentes métodos de conservação. Pretendia-se assim observar se estes processos podem ser usados para aumentar o tempo de prateleira do concentrado em estudo. Para tal, foram avaliadas amostras recolhidas em três pontos temporais e analisados os seguintes parâmetros: perfil de ácidos gordos, quantificação de hidroperóxidos lipídicos, quantificação espectrofotométrica de clorofila a e carotenóides, bem como parâmetros organoléticos. Inicialmente, foi efetuada uma avaliação de diferentes parâmetros organoléticos, não se observando variações relevantes entre amostras das diferentes condições. Assim, foi posteriormente realizada a avaliação bioquímica. Primeiramente, foi efetuada a quantificação de ácidos gordos por GC-FID das diferentes amostras, nas quais não se observou diferenças significativas entre as condições experimentais. Foi também efetuado um ensaio de FOX II, que permitiu avaliar o grau de peroxidação lipídica de cada amostra por quantificação de hidroperóxidos lipídicos formados. As amostras nas quais houve adição de conservantes apresentaram um teor menor de hidropéroxidos lipídicos, permitindo inferir que a ação dos conservantes com propriedades antioxidantes permitiu uma melhor conservação da amostra. Quando se determinou a concentração de clorofila a e de carotenóides verificou-se que, em ambos os casos, a congelação conduziu a uma estabilização da concentração destes pigmentos. No entanto, os melhores resultados foram obtidos usando a combinação de congelação com adição de conservantes. Estes resultados, embora promissores, carecem de uma confirmação por um novo estudo, completando com análises com maior rigor e sensibilidade associados, no sentido de se verificar qual o método mais vantajoso para a extensão do tempo de prateleira de PhytoBloom Green Formula®.

Novel organization of the mitochondrial genome in the deep-sea coral, Madrepora oculata (Hexacorallia, Scleractinia, Oculinidae) and its taxonomic implications

Madrepora is one of the most ecologically important genera of reef-building scleractinians in the deep sea, occurring from tropical to high-latitude regions. Despite this, the taxonomic affinities and relationships within the genus Madrepora remain unclear. To clarify these issues, we sequenced the mitochondrial (mt) genome of the most widespread Madrepora species, M. oculata, and compared this with data for other scleractinians. The architecture of the M. oculara mt genome was very similar to that of other scleractinians, except for a novel gene rearrangement affecting only cox2 and cox3. This pattern of gene organization was common to four geographically distinct M. oculata individuals as well as the congeneric species M. minutiseptum, but was not shared by other genera that are closely related on the basis of cox1 sequence analysis nor other oculinids, suggesting that it might be unique to Madrepora. (C) 2012 Elsevier Inc. All rights reserved.

Stanhopea oculata

AR

Seawater carbonate chemistry, nutrients and calcification during experiments with cold-water scleractinian corals (Lophelia pertusa, Madrepora oculata and Desmophyllum dianthus), 2011

Global environmental changes, including ocean acidification, have been identified as a major threat to scleractinian corals. General predictions are that ocean acidification will be detrimental to reef growth and that 40 to more than 80 per cent of present-day reefs will decline during the next 50 years. Cold-water corals (CWCs) are thought to be strongly affected by changes in ocean acidification owing to their distribution in deep and/or cold waters, which naturally exhibit a CaCO3 saturation state lower than in shallow/warm waters. Calcification was measured in three species of Mediterranean cold-water scleractinian corals (Lophelia pertusa, Madrepora oculata and Desmophyllum dianthus) on-board research vessels and soon after collection. Incubations were performed in ambient sea water. The species M. oculata was additionally incubated in sea water reduced or enriched in CO2. At ambient conditions, calcification rates ranged between -0.01 and 0.23% d-1. Calcification rates of M. oculata under variable partial pressure of CO2 (pCO2) were the same for ambient and elevated pCO2 (404 and 867 µatm) with 0.06 ± 0.06% d-1, while calcification was 0.12 ± 0.06% d-1 when pCO2 was reduced to its pre-industrial level (285 µatm). This suggests that present-day CWC calcification in the Mediterranean Sea has already drastically declined (by 50%) as a consequence of anthropogenic-induced ocean acidification.

Kinetic Model for Micro Algae Cell Concentration and Size Distribution: Application to Nannochloropsis gaditana

The cell concentration and size distribution of the microalgae Nannochloropsis gaditana were studied over the whole growth process. Various samples were taken during the light and dark periods the algae were exposed to. The distributions obtained exhibited positive skew, and no change in the type of distribution was observed during the growth process. The size distribution shifted to lower diameters in dark periods while in light periods the opposite occurred. The overall trend during the growth process was one where the size distribution shifted to larger cell diameters, with differences between initial and final distributions of individual cycles becoming smaller. A model based on the Logistic model for cell concentration as a function of time in the dark period that also takes into account cell respiration and growth processes during dark and light periods, respectively, was proposed and successfully applied. This model provides a picture that is closer to the real growth and evolution of cultures, and reveals a clear effect of light and dark periods on the different ways in which cell concentration and diameter evolve with time.

Madrepora oculata and Lophelia pertusa mass and 210Pb-226Ra chronology, Røst Reef, Norway, 2011

Here we show the use of the 210Pb-226Ra excess method to determine the growth rate of corals from one of the world's largest known cold-water coral reef, the Røst Reef off Norway. Two large branching framework-forming cold-water coral specimens, one Lophelia pertusa and one Madrepora oculata were collected alive at 350 m water depth from the Røst Reef at ~67° N and ~9° E. Pb and Ra isotopes were measured along the major growth axis of both specimens using low level alpha and gamma spectrometry and the corals trace element compositions were studied using ICP-QMS. Due to the different chemical behaviors of Pb and Ra in the marine environment, 210Pb and 226Ra were not incorporated the same way into the aragonite skeleton of those two cold-water corals. Thus to assess of the growth rates of both specimens we have here taken in consideration the exponential decrease of initially incorporated 210Pb as well as the ingrowth of 210Pb from the decay of 226Ra. Moreover a~post-depositional 210Pb incorporation is found in relation to the Mn-Fe coatings that could not be entirely removed from the oldest parts of the skeletons. The 226Ra activities in both corals were fairly constant, then assuming constant uptake of 210Pb through time the 210Pb-226Ra chronology can be applied to calculate linear growth rate. The 45.5 cm long branch of M. oculata reveals an age of 31 yr and a~linear growth rate of 14.4 ± 1.1 mm yr-1, i.e. 2.6 polyps per year. However, a correction regarding a remaining post-depositional Mn-Fe oxide coating is needed for the base of the specimen. The corrected age tend to confirm the radiocarbon derived basal age of 40 yr (using 14C bomb peak) with a mean growth rate of 2 polyps yr-1. This rate is similar to the one obtained in Aquaria experiments under optimal growth conditions. For the 80 cm-long specimen of L. pertusa a remaining contamination of metal-oxides is observed for the middle and basal part of the coral skeleton, inhibiting similar accurate age and growth rate estimates. However, the youngest branch was free of Mn enrichment and this 15 cm section reveals a growth rate of 8 mm yr-1 (~1 polyp every two to three years). However, the 210Pb growth rate estimate is within the lowermost ranges of previous growth rate estimates and may thus reflect that the coral was not developing at optimal growth conditions. Overall, 210Pb-226Ra dating can be successfully applied to determine the age and growth rate of framework-forming cold-water corals, however, removal of post-depositional Mn-Fe oxide deposits is a prerequisite. If successful, large branching M. oculata and L. pertusa coral skeletons provide unique oceanographic archive for studies of intermediate water environmentals with an up to annual time resolution and spanning over many decades.