Culture conditions, mass spectrometric measurements and acclimation carbonate chemistry

- A combined increase in seawater [CO2] and [H+] was recently shown to induce a shift from photosynthetic HCO3- to CO2 uptake in Emiliania huxleyi. This shift occurred within minutes, whereas acclimation to ocean acidification (OA) did not affect the carbon source. - To identify the driver of this shift, we exposed low- and high-light acclimated E. huxleyi to a matrix of two levels of dissolved inorganic carbon (1400, 2800 lmol kg-1) and pH (8.15, 7.85) and directly measured cellular O2, CO2 and HCO3 fluxes under these conditions. - Exposure to increased [CO2] had little effect on the photosynthetic fluxes, whereas increased [H+] led to a significant decline in HCO3- uptake. Low-light acclimated cells overcompensated for the inhibition of HCO3- uptake by increasing CO2 uptake. High-light acclimated cells, relying on higher proportions of HCO3- uptake, could not increase CO2 uptake and photosynthetic O2 evolution consequently became carbon-limited. - These regulations indicate that OA responses in photosynthesis are caused by [H+] rather than by [CO2]. The impaired HCO3- uptake also provides a mechanistic explanation for lowered calcification under OA. Moreover, it explains the OA-dependent decrease in photosynthesis observed in high-light grown phytoplankton.

Seawater carbonate chemistry and community calcification during Reunion Island coral reef community study, 2007

To assess the contribution of soft-bottoms to the carbon cycle in coral reefs, the net community production (p) was measured in winter at 3 stations on La Saline inner reef flat (Reunion Island). Changes in pH and total alkalinity at different irradiances (I) were assessed using benthic chambers (0.2 m2) during a 1-h incubation. Mean grain size, the silt and clay load and chlorophyll a content of the sediments were analysed in each chamber. Daily community production (P), gross community production (Pg) and community respiration (R) were estimated from p-I curves and daily irradiance variations (PAR, 400-700 nm). Sediment characteristics and chlorophyll a contents did not differ between the three sites, except for the silt and clay fraction at one station. R being higher than Pg (84.88 ± 7.36 and -62.29 ± 3.34 mmolC m-2 d-1 respectively), P value reached 22.59 ± 5.66 mmolC m-2 d-1. The sediments were therefore heterotrophic with a mean Pg/R lower than 1 (0.74 ± 0.05) and appear to be a carbon source. Our data suggested the importance of the degradation process in the functioning of near-reef sediments.

Calcification repsonse of m,arione bivalves to changed carbonate chemistry

Bivalve calcification, particularly of the early larval stages, is highly sensitive to the change in ocean carbonate chemistry resulting from atmospheric CO2 uptake. Earlier studies suggested that declining seawater [CO32-] and thereby lowered carbonate saturation affect shell production. However, disturbances of physiological processes such as acid-base regulation by adverse seawater pCO2 and pH can affect calcification in a secondary fashion. In order to determine the exact carbonate system component by which growth and calcification are affected it is necessary to utilize more complex carbonate chemistry manipulations. As single factors, pCO2 had no effects and [HCO3-] and pH had only limited effects on shell growth, while lowered [CO32-] strongly impacted calcification. Dissolved inorganic carbon (CT) limiting conditions led to strong reductions in calcification, despite high [CO32-], indicating that [HCO3-] rather than [CO32-] is the inorganic carbon source utilized for calcification by mytilid mussels. However, as the ratio [HCO3-] / [H+] is linearly correlated with [CO32-] it is not possible to differentiate between these under natural seawater conditions. An equivalent of about 80 µmol kg-1 [CO32-] is required to saturate inorganic carbon supply for calcification in bivalves. Below this threshold biomineralization rates rapidly decline. A comparison of literature data available for larvae and juvenile mussels and oysters originating from habitats differing substantially with respect to prevailing carbonate chemistry conditions revealed similar response curves. This suggests that the mechanisms which determine sensitivity of calcification in this group are highly conserved. The higher sensitivity of larval calcification seems to primarily result from the much higher relative calcification rates in early life stages. In order to reveal and understand the mechanisms that limit or facilitate adaptation to future ocean acidification, it is necessary to better understand the physiological processes and their underlying genetics that govern inorganic carbon assimilation for calcification.

Production of Polyhydroxyalkanoates by Pseudomonas mendocina using vegetable oils and their characterisation

Synthesis of Polyhydroxyalkanoates (PHAs) by Pseudomonas mendocina, using different vegetable oils such as, coconut oil, groundnut oil, corn oil and olive oil, as the sole carbon source was investigated for the first time. The PHA yield obtained was compared with that obtained during the production of PHAs using sodium octanoate as the sole carbon source. The fermentation profiles at shaken flask and bioreactor levels revealed that vegetable oils supported the growth of Pseudomonas mendocina and PHA accumulation in this organism. Moreover, when vegetable oil (coconut oil) was used as the sole carbon source, fermentation profiles showed better growth and polymer production as compared to conditions when sodium octanoate was used as the carbon source. In addition, comparison of PHA accumulation at shaken flask and fermenter level confirmed the higher PHA yield at shaken flask level production. The highest cell mass found using sodium octanoate was 1.8 g/L, whereas cell mass as high as 5.1 g/L was observed when coconut oil was used as the feedstock at flask level production. Moreover, the maximum PHA yield of 60.5% dry cell weight (dcw) was achieved at shaken flask level using coconut oil as compared to the PHA yield of 35.1% dcw obtained using sodium octanoate as the sole carbon source. Characterisations of the chemical, physical, mechanical, surface and biocompatibility properties of the polymers produced have been carried out by performing different analyses as described in the second chapter of this study. Chemical analysis using GC and FTIR investigations showed medium chain length (MCL) PHA production in all conditions. GC-MS analysis revealed a unique terpolymer production, containing 3-hydroxyoctanoic acid, 3-hydroxydecanoic acid and 3-hydroxydodecanoic acid when coconut oil, groundnut oil, olive oil, and corn oil were used as the carbon source. Whereas production of the homopolymer containing 3-hydroxyoctanoic acid was observed when sodium octanoate was used as the carbon source. MCL-PHAs produced in this study using sodium octanoate, coconut oil, and olive oil exhibited melting transitions, indicating that each of the PHA was crystalline or semi-crystalline polymer. In contrast, the thermal properties of PHAs produced from groundnut and corn oils showed no melting transition, indicating that they were completely amorphous or semi-crystalline, which was also confirmed by the X-Ray Diffraction (XRD) results obtained in this study. Mechanical analysis of the polymers produced showed higher stiffness of the polymer produced from coconut oil than the polymer from sodium octanoate. Surface characterisation of the polymers using Scanning Electron Microscopy (SEM) revealed a rough surface topography and surface contact angle measurement revealed their hydrophobic nature. Moreover, to investigate the potential applicability of the produced polymers as the scaffold materials for dental pulp regeneration, multipotent human Mesenchymal stem cells (hMSCs) were cultured onto the polymer films. Results indicated that these polymers are not cytotoxic towards the hMSCs and could support their attachment and proliferation. Highest cell growth was observed on the polymer samples produced from corn oil, followed by the polymer produced using coconut oil. In conclusion, this work established, for the first time, that vegetable oils are a good economical source of carbon for production of MCL-PHA copolymers effectively by Pseudomonas mendocina. Moreover, biocompatibility studies suggest that the produced polymers may have potential for dental tissue engineering application.

Purine catabolic pathway revealed by transcriptomics in the model marine bacteriumRuegeria pomeroyiDSS-3

Purines are nitrogen-rich compounds that are widely distributed in the marine environment and are an important component of the dissolved organic nitrogen (DON) pool. Even though purines have been shown to be degraded by bacterioplankton, the identities of marine bacteria capable of purine degradation and their underlying catabolic mechanisms are currently unknown. This study shows that Ruegeria pomeroyi, a model marine bacterium and Marine Roseobacter Clade (MRC) representative, utilizes xanthine as a source of carbon and nitrogen. The R. pomeroyi genome contains putative genes that encode xanthine dehydrogenase (XDH), which is expressed during growth with xanthine. RNAseq-based analysis of the R. pomeroyi transcriptome revealed that the transcription of an XDH-initiated catabolic pathway is up-regulated during growth with xanthine, with transcription greatest when xanthine was the only available carbon source. The RNAseq-deduced pathway indicates that glyoxylate and ammonia are the key intermediates from xanthine degradation. Utilising a laboratory model, this study has identified the potential genes and catabolic pathway active during xanthine degradation. The ability of R. pomeroyi to utilize xanthine provides novel insights into the capabilities of the MRC that may contribute to their success in marine ecosystems and the potential biogeochemical importance of the group in processing DON.

Purine catabolic pathway revealed by transcriptomics in the model marine bacteriumRuegeria pomeroyiDSS-3

Purines are nitrogen-rich compounds that are widely distributed in the marine environment and are an important component of the dissolved organic nitrogen (DON) pool. Even though purines have been shown to be degraded by bacterioplankton, the identities of marine bacteria capable of purine degradation and their underlying catabolic mechanisms are currently unknown. This study shows that Ruegeria pomeroyi, a model marine bacterium and Marine Roseobacter Clade (MRC) representative, utilizes xanthine as a source of carbon and nitrogen. The R. pomeroyi genome contains putative genes that encode xanthine dehydrogenase (XDH), which is expressed during growth with xanthine. RNAseq-based analysis of the R. pomeroyi transcriptome revealed that the transcription of an XDH-initiated catabolic pathway is up-regulated during growth with xanthine, with transcription greatest when xanthine was the only available carbon source. The RNAseq-deduced pathway indicates that glyoxylate and ammonia are the key intermediates from xanthine degradation. Utilising a laboratory model, this study has identified the potential genes and catabolic pathway active during xanthine degradation. The ability of R. pomeroyi to utilize xanthine provides novel insights into the capabilities of the MRC that may contribute to their success in marine ecosystems and the potential biogeochemical importance of the group in processing DON.

Improving photofermentative hydrogen production through metabolic engineering and DOE (Design of Experiments)

A l’heure actuelle, les biocarburants renouvelables et qui ne nuit pas à l'environnement sont à l'étude intensive en raison de l'augmentation des problèmes de santé et de la diminution des combustibles fossiles. H2 est l'un des candidats les plus prometteurs en raison de ses caractéristiques uniques, telles que la densité d'énergie élevée et la génération faible ou inexistante de polluants. Une façon attrayante pour produire la H2 est par les bactéries photosynthétiques qui peuvent capter l'énergie lumineuse pour actionner la production H2 avec leur système de nitrogénase. L'objectif principal de cette étude était d'améliorer le rendement de H2 des bactéries photosynthétiques pourpres non sulfureuses utilisant une combinaison de génie métabolique et le plan des expériences. Une hypothèse est que le rendement en H2 pourrait être améliorée par la redirection de flux de cycle du Calvin-Benson-Bassham envers du système de nitrogénase qui catalyse la réduction des protons en H2. Ainsi, un PRK, phosphoribulose kinase, mutant « knock-out » de Rhodobacter capsulatus JP91 a été créé. L’analyse de la croissance sur des différentes sources de carbone a montré que ce mutant ne peut croître qu’avec l’acétate, sans toutefois produire d' H2. Un mutant spontané, YL1, a été récupéré qui a retenu l'cbbP (codant pour PRK) mutation d'origine, mais qui avait acquis la capacité de se développer sur le glucose et produire H2. Une étude de la production H2 sous différents niveaux d'éclairage a montré que le rendement d’YL1 était de 20-40% supérieure à la souche type sauvage JP91. Cependant, il n'y avait pas d'amélioration notable du taux de production de H2. Une étude cinétique a montré que la croissance et la production d'hydrogène sont fortement liées avec des électrons à partir du glucose principalement dirigés vers la production de H2 et la formation de la biomasse. Sous des intensités lumineuses faibles à intermédiaires, la production d'acides organiques est importante, ce qui suggère une nouvelle amélioration additionnel du rendement H2 pourrait être possible grâce à l'optimisation des processus. Dans une série d'expériences associées, un autre mutant spontané, YL2, qui a un phénotype similaire à YL1, a été testé pour la croissance dans un milieu contenant de l'ammonium. Les résultats ont montré que YL2 ne peut croître que avec de l'acétate comme source de carbone, encore une fois, sans produire de H2. Une incubation prolongée dans les milieux qui ne supportent pas la croissance de YL2 a permis l'isolement de deux mutants spontanés secondaires intéressants, YL3 et YL4. L'analyse par empreint du pied Western a montré que les deux souches ont, dans une gamme de concentrations d'ammonium, l'expression constitutive de la nitrogénase. Les génomes d’YL2, YL3 et YL4 ont été séquencés afin de trouver les mutations responsables de ce phénomène. Fait intéressant, les mutations de nifA1 et nifA2 ont été trouvés dans les deux YL3 et YL4. Il est probable qu'un changement conformationnel de NifA modifie l'interaction protéine-protéine entre NifA et PII protéines (telles que GlnB ou GlnK), lui permettant d'échapper à la régulation par l'ammonium, et donc d'être capable d'activer la transcription de la nitrogénase en présence d'ammonium. On ignore comment le nitrogénase synthétisé est capable de maintenir son activité parce qu’en théorie, il devrait également être soumis à une régulation post-traductionnelle par ammonium. Une autre preuve pourrait être obtenue par l'étude du transcriptome d’YL3 et YL4. Une première étude sur la production d’ H2 par YL3 et YL4 ont montré qu'ils sont capables d’une beaucoup plus grande production d'hydrogène que JP91 en milieu d'ammonium, qui ouvre la porte pour les études futures avec ces souches en utilisant des déchets contenant de l'ammonium en tant que substrats. Enfin, le reformage biologique de l'éthanol à H2 avec la bactérie photosynthétique, Rhodopseudomonas palustris CGA009 a été examiné. La production d'éthanol avec fermentation utilisant des ressources renouvelables microbiennes a été traitée comme une technique mature. Cependant, la plupart des études du reformage de l'éthanol à H2 se sont concentrés sur le reformage chimique à la vapeur, ce qui nécessite généralement une haute charge énergetique et résultats dans les émissions de gaz toxiques. Ainsi le reformage biologique de l'éthanol à H2 avec des bactéries photosynthétiques, qui peuvent capturer la lumière pour répondre aux besoins énergétiques de cette réaction, semble d’être plus prometteuse. Une étude précédente a démontré la production d'hydrogène à partir d'éthanol, toutefois, le rendement ou la durée de cette réaction n'a pas été examiné. Une analyse RSM (méthode de surface de réponse) a été réalisée dans laquelle les concentrations de trois facteurs principaux, l'intensité lumineuse, de l'éthanol et du glutamate ont été variés. Nos résultats ont montré que près de 2 moles de H2 peuvent être obtenus à partir d'une mole d'éthanol, 33% de ce qui est théoriquement possible.

Produção de biopolímeros por culturas microbianas mistas selecionadas

Com a realização deste trabalho, pretendeu-se efetuar uma seleção de culturas mistas em reatores semi-descontínuos (SBR) com capacidade de acumulação de polihidroxialcanoatos (PHA). Para a seleção de culturas foram utilizados inóculos provenientes de diferentes Estações de Tratamento de Águas Residuais (ETAR) e ácidos orgânicos voláteis (AOV) como fonte de carbono. Foram testadas diferentes condições como a proveniência do inóculo, as cargas orgânicas aplicadas e a seleção de culturas utilizando soro de queijo. Verificaram-se elevadas remoções da CQO (acima de 90%) em grande parte dos ensaios realizados, apresentando uma acumulação de PHA por parte de algumas espécies de bactérias presentes. Ocorreu o aparecimento de microrganismos filamentosos com capacidade de acumulação de PHA em alguns ensaios, levando a serem testadas como culturas acumuladoras de PHA. A estabilidade das culturas mistas não foi atingida, mesmo havendo ensaios com 80 dias de operação. Efetuaram-se ensaios de acumulação de PHA em reatores descontínuos, utilizando as culturas selecionadas anteriormente em reatores SBR, com AOV provenientes da acidificação anaeróbia de diferentes resíduos (Fração Orgânica dos Resíduos Sólidos Urbanos - FORSU e Soro de Queijo). Verificou-se uma melhor acumulação por parte das culturas selecionadas com soro de queijo, na qual a quantidade de polímero acumulado triplicou.

Energy requirements for the continuous biohydrogen production from Spirogyra biomass in a sequential batch reactor

The current energy market requires urgent revision for the introduction of renewable, less-polluting and inexpensive energy sources. Biohydrogen (bioH2) is considered to be one of the most appropriate options for this model shift, being easily produced through the anaerobic fermentation of carbohydrate-containing biomass. Ideally, the feedstock should be low-cost, widely available and convertible into a product of interest. Microalgae are considered to possess the referred properties, being also highly valued for their capability to assimilate CO2 [1]. The microalga Spirogyra sp. is able to accumulate high concentrations of intracellular starch, a preferential carbon source for some bioH2 producing bacteria such as Clostridium butyricum [2]. In the present work, Spirogyra biomass was submitted to acid hydrolysis to degrade polymeric components and increase the biomass fermentability. Initial tests of bioH2 production in 120 mL reactors with C. butyricum yielded a maximum volumetric productivity of 141 mL H2/L.h and a H2 production yield of 3.78 mol H2/mol consumed sugars. Subsequently, a sequential batch reactor (SBR) was used for the continuous H2 production from Spirogyra hydrolysate. After 3 consecutive batches, the fermentation achieved a maximum volumetric productivity of 324 mL H2/L.h, higher than most results obtained in similar production systems [3] and a potential H2 production yield of 10.4 L H2/L hydrolysate per day. The H2 yield achieved in the SBR was 2.59 mol H2/mol, a value that is comparable to those attained with several thermophilic microorganisms [3], [4]. In the present work, a detailed energy consumption of the microalgae value-chain is presented and compared with previous results from the literature. The specific energy requirements were determined and the functional unit considered was gH2 and MJH2. It was possible to identify the process stages responsible for the highest energy consumption during bioH2 production from Spirogyra biomass for further optimisation.

Cultivo de microalgas utilizando pentoses como fonte de carbono

As microalgas podem ser consideradas como um dos mais eficientes sistemas biológicos de transformação de energia solar em compostos orgânicos. Quando cultivadas em meios adequados, certas espécies podem duplicar sua biomassa diariamente. Além disso, possuem inúmeras vantagens, como: elevada velocidade de crescimento; potencial para absorver CO2, reduzindo assim a quantidade de emissões deste gás na atmosfera e diminuindo o efeito estufa. O objetivo do trabalho foi estudar o efeito do uso de pentoses no cultivo de Chlorella minutissima, Chlorella vulgaris, Chlorella homosphaera, Dunaliella salina, Spirulina paracas e Synechococcus nidulans, avaliando o perfil cinético do crescimento e a capacidade de produção de carboidratos e proteínas. Para o cultivo das microalgas foram utilizados os meios: Zarrouk, Bristol`S Modificado e DUN. Em todos os meios o componente nitrogenado foi reduzido pela metade e utilizado 1%, 5%, 10%, 20% e 30% de pentoses, com concentrações de xilose e arabinose que representassem as mesmas presentes em caldo hidrolisado do bagaço de cana de açúcar pré-tratado. Os cultivos foram realizados em fotobiorreatores de 2 L, mantidos em estufa a 30 ºC, fotoperíodo de 12h claro/escuro e 2500 Lx, com agitação a uma vazão de 0,75 v.v.m. . O crescimento de biomassa foi monitorado diariamente pela densidade ótica das culturas em espectrofotômetro a 670nm. Foram avaliados parâmetros cinéticos como a concentração máxima de biomassa, produtividade máxima e velocidade específica máxima de crescimento. A determinação do consumo das pentoses foi realizada através da metodologia de Somogy e Nelson, para a determinação de carboidratos foi utilizada uma adaptação do método do ácido 3,5 dinitro salicílico, as proteínas foram quantificadas pelo método de micro-Kjeldahl. Todas as microalgas foram capazes de consumir em no máximo quatro dias as concentrações de pentoses, e logo após esta etapa mixotrófica manter-se em crescimento autotrófico, destacando-se as cepas de Dunaliella salina e Synechococcus nidulans que esgotaram as maiores concentrações utililizadas em dois dias de cultivo. Para as cianobactérias estudadas, Spirulina paracas cultivada com 10% de C5, foi a que obteve os melhores resultados de concentração celular, produtividade e velocidade específica de crescimento máxima, 1,364 g.L-1 , 0,128 g.L-1 .dia-1 e 0,240 dia-1 . Em relação ao efeito na composição da biomassa, Synechococcus nidulans produziu o maior teor de proteínas, 62,9%, nos ensaios com 10% de C5. Já as cepas de Chlorophytas os melhores resultados foram obtidos com o uso de 5% de C5, para os parâmetros cinéticos destacam-se os valores encontrados para Dunaliella salina, onde a maior concentração de biomassa, produtividade e velocidade específica de crescimento foram 1,246 g.L-1 , 0,091 g.L- 1 .dia-1 e 0,379 dia-1 , respectivamente. Chlorella minutissima e Dunaliella salina foram as melhores produtoras de carboidratos, alcançando 58,6%/0,3 g.L-1 e 23,07%/0,29 g.L-1 ,respecivamente. Logo, o uso de pentoses nas microalgas em substituição as fontes tradicionais de carbono, resultou no crescimento das mesmas, o que mostra que estas podem agir como intermediários para a absorção de açúcares de cinco carbonos.

Produção de exopolissacarídeos bacterianos a partir de glicerol residual gerado na síntese de biodiesel

A busca por combustíveis alternativos, tais como os biocombustíveis, torna-se necessária devido à crescente demanda por combustíveis em todos os setores da atividade humana, sendo que quase toda energia consumida no mundo provém do petróleo, uma fonte limitada, que emite grande quantidade de gases poluentes. Devido à grande diversidade de culturas oleoginosas no país, o Brasil demonstra potencial para substituição do diesel pelo biodiesel. No processo de obtenção deste, o óleo vegetal sofre uma transesterificação, sob a ação de um catalisador básico e na presença de um álcool, formando três moléculas de ésteres metílicos ou etílicos de ácidos graxos, que constituem o biodiesel em sua essência, liberando uma molécula de glicerol, que é o coproduto mais abundante desta reação. Sendo assim, a utilização do glicerol residual é uma ótima alternativa para agregar valor à cadeia produtiva do biodiesel, minimizar os danos de um possível descarte inadequado, além de diminuir os custos do processo. Com este intuito, este trabalho propõe o uso do glicerol residual como fonte de carbono para produção de exopolissacarídeos (EPSs). Para tal, foram utilizadas linhagens de bactérias mencionadas na literatura como produtoras de EPSs de importância comercial, sendo elas: Xanthomonas campestris pv. mangiferaeindicae IBSBF 1230, Pseudomonas oleovarans NRRL B-14683, Sphingomonas capsulata NRRL B-4261 e Zymomonas mobilis NRRL B-4286. Os cultivos foram realizados em meio apropriado para cada micro-organismo, e como fontes de carbono foram testadas a sacarose, o glicerol residual e uma mistura de ambos na proporção de 1:1 m/m. Os meios foram inoculados com suspensão da bactéria em estudo, sendo avaliados parâmetros relativos ao crescimento celular e à produção de EPSs. Para X. campestris pv. mangiferaeindicae, foram determinadas algumas propriedades reológicas e térmicas dos EPSs produzidos com as diferentes fontes de carbono, bem como o índice de emulsificação com diferentes óleos vegetais. X. campestris apresentou uma concentração de EPSs em torno de 4 g.L-1 em todos os meios estudados, comportamento similar ao da bactéria P. oleovorans, diferindo apenas no meio contendo sacarose (0,8 g.L-1 ). S. capsulata apresentou uma maior concentração de EPSs em meios contendo sacarose e a mistura de sacarose com glicerol residual, em torno de 3,4 g.L-1 , e em meio contendo glicerol residual este valor caiu para 1,7 g.L-1 . Já Z. mobilis apresentou um melhor resultado em meio contendo sacarose e glicerol residual, atingindo 1,3 g.L-1 , sendo que em meio contendo somente sacarose e glicerol residual estes valores foram inferiores alcançando 0,2 e 0,7 g.L-1 , respectivamente. Quase todas as bactérias atingiram a fase estacionária em 24 h de cultivo e o pH permaneceu praticamente constante, sendo verificada uma queda mais acentuada somente para Z. mobilis. O comportamento reológico foi similar para as xantanas produzidas nos diferentes meios, entretanto a viscosidade inicial foi maior com o meio a sacarose (637 cP), seguido da mistura de sacarose com glicerol residual (279 cP) e glicerol residual (60 cP). O IE24 foi superior quando utilizado o óleo de milho, atingindo valores de 97, 72 e 64 % em sacarose, mistura de sacarose com glicerol e glicerol residual, respectivamente. Desta forma, pode-se afirmar que a mudança na fonte de carbono afeta estas propriedades.

Cultivo de microalgas para produção de biossurfactantes

Há uma crescente procura por alimentos mais saudáveis e seguros para atender uma população cada vez maior e mais exigente. Nos últimos anos o interesse por surfactantes de origem microbiana tem aumentado significativamente em decorrência de serem naturalmente biodegradáveis diminuindo assim o impacto ambiental. Uma grande variedade de microorganismos produz biossurfactantes, sendo que o tipo, a quantidade e a qualidade do biossurfactante são influenciados pelos constituintes do meio, tais como, fontes de carbono, nitrogênio e sais inorgânicos, além das condições de cultivo, como pH, temperatura, agitação e disponibilidade de oxigênio. Os biossurfactantes são metabólitos microbianos de superfície ativa que apresentam uma vasta aplicação no setor industrial. Os objetivos deste trabalho foram selecionar microalgas com potencial para produzir biossurfactantes e estudar a produção por microalgas em diferentes fotobiorreatores e condições nutricionais. O trabalho foi dividido em quatro etapas: 1) cultivo autotrófico e mixotrófico de microalgas para produção de biossurfactantes; 2) Seleção de microalgas para produção de biossurfactantes; 3) Produção de biossurfactantes por microalgas em diferentes fotobiorreatores e 4) Cultivo outdoor da microalga marinha Tetraselmis suecica OR para produção de biossurfactantes. Na primeira etapa Spirulina sp. LEB-18, Synechococcus nidulans LEB-25, Chlorella vulgaris LEB-106, Chlorella minutissima LEB-108 e Chlorella homosphaera foram cultivadas com glicose (cultivo mixotrófico). Spirulina sp. LEB-18 apresentou concentrações máximas de biomassa (2,55 g.L-1 ) quando foi utilizada 5 g.L-1 de glicose no meio de cultivo. A tensão superficial dos meios das microalgas foi reduzida de 70 para 43 mN.m-1 para as microalgas estudadas utilizando glicose como fonte de carbono. Resultados da segunda etapa mostraram que a microalga Scenedesmus sp. 3PAV3 apresentou valor de atividade emulsificante óleo em água (AE o/a) superior (339,8 UE.g-1 ) ao encontrado para as demais microalgas. Os menores valores de tensões superficiais variaram de 27,4 a 31,2 mN.m-1 . Na terceira etapa verificou-se que a microalga Chlorella sp. PROD1 apresentou valor de AE o/a semelhante (258,2 UE g -1 ) ao encontrado para o emulsificante comercial lecitina de soja (257,0 UE g -1 ) e ambas as microalgas estudadas alcançaram valores de tensões superficiais abaixo de 30 mN.m -1 . Na última etapa, Tetraselmis suecica OR cultivada em fotobiorreator do tipo Green Wall Panel apresentou menores valores de tensões superficiais para cultura com limitação de nitrogênio. Os resultados demonstraram a potencialidade das microalgas estudadas na produção de biossurfactantes, tanto pela redução da tensão superficial e interfacial, como pelo aumento da atividade emulsificante, confirmando uma possível aplicação como emulsificante, detergente, lubrificante, estabilizante, entre outras.

Modelagem aplicada ao processo de biofixação de CO2 por microalgas

A fixação biológica de dióxido de carbono por microalgas é considerada a melhor forma de fixar CO2. Dentre os microrganismos utilizados destaca-se Spirulina platensis devido às suas altas taxas de fixação de CO2 e variedade de aplicações da biomassa gerada. A aplicação de modelos e simulações pode auxiliar na previsão de custos e na escolha das condições ideais de cultivo. Este trabalho teve como objetivo etsabelecer um modelo cinético no qual a iluminância é o fator limitante para o crescimento da microalga Spirulina platensis. A fim de validar o modelo proposto foi utilizada a microalga S. platensis, cultivada em meio Zarrouk modificado (NaHCO3 1,0 g.L-1 ), em biorreator aberto tipo raceway de 200L, mantido a 30°C, sob iluminação natural. A concentração celular variou de 0,19 a 0,34 g.L-1 e a velocidade específica de crescimento celular obtida a partir da regressão exponencial das curvas de crescimento de cada período iluminado variou de 0,55 a 0,59 d-1 . O modelo proposto gerou dados estimados satisfatórios (r2 =0,97). De acordo com os dados obtidos 16,2% da biomassa é consumida durante o período não iluminado.

Produção e purificação de biogás utilizando microalga spirulina sp. LEB-18

O crescimento da população mundial e a tentativa de substituição parcial dos combustíveis fósseis por novas fontes de energia têm levado a uma maior atenção quanto à possível escassez de alimentos e a carência de grandes áreas disponíveis para agricultura. Microalgas, por meio do metabolismo fotossintético, utilizam energia solar e gás carbônico como nutrientes para o crescimento. A microalga Spirulina pode ser utilizada como suplemento alimentar, na biofixação de CO2, como fonte de biocombustíveis e no tratamento de efluentes. A digestão anaeróbia da biomassa microalgal produz biogás e os resíduos deste processo podem ser utilizados como substrato para novos cultivos da microalga. O objetivo deste trabalho foi estudar a conversão de Spirulina sp. LEB-18 em biogás em escala piloto e produzir biomassa microalgal utilizando os efluentes bicarbonato e dióxido de carbono do processo anaeróbio como fonte de nutrientes. Spirulina foi utilizada como substrato na digestão anaeróbia para produção de biogás em escala piloto sob temperaturas variáveis (12- 38 °C). Efluente do processo anaeróbio foi adicionado (20 %, v/v) como fonte de carbono no cultivo da microalga para avaliar o crescimento e a composição da biomassa. A seguir foi avaliada a capacidade da microalga de remover CO2 presente no biogás através de biofixação para obtenção do biocombustível purificado. O biogás produzido sob as diferentes temperaturas apresentou entre 72,2 e 74,4 % de CH4, quando realizado nas temperaturas 12 a 21 °C e 26 a 38 °C, respectivamente. A redução na temperatura do processo anaeróbio provocou um decréscimo na conversão de biomassa em biogás (0,30 para 0,22 g.g-1 ), ocorrendo dentro da faixa adequada e segura para as bactérias metanogênicas (pH 6,9; alcalinidade entre 1706,0 e 2248,0 mg.L-1 CaCO3 e nitrogênio amoniacal 479,3 a 661,7 mg.L-1 ). Os cultivos de Spirulina sp. LEB-18 em efluente anaeróbio contendo 20 % (v/v) e meio Zarrouk modificado (NaHCO3 2,8 e 5,3 g.L-1 ) apresentaram velocidade específica máxima de crescimento entre 0,324 e 0,354 d-1 , produtividade volumétrica entre 0,280 e 0,297 g.L-1 .d-1 e produtividade areal entre 14,00 e 14,85 g.m-2 .d-1 , sem diferenças significativas (p > 0,05) entre as diferentes condições estudadas. Lipídios variaram entre 4,9 e 5,0 % com proporção de ácido linoleico maximizada nos meios com efluente e ácido alfa-linolênico reduzida nesses meios em comparação ao meio Zarrouk completo. Nos ensaios para avaliar a capacidade da microalga Spirulina sp. LEB-18 de remover CO2 contaminante no biogás, as máximas concentrações celulares e produtividades de biomassa variaram, respectivamente, entre 1,12 e 1,24 g.L-1 e 0,11 e 0,14 g.L-1 .d-1 , não apresentando diferenças significativas (p > 0,05) entre os ensaios. A maior fixação diária total (FDT) de dióxido de carbono obtida foi 58,01 % (v/v) em cultivos com adição de biogás contendo 25 % (v/v) CO2. Obteve-se biogás com 89,5 % (v/v) de CH4 após injeção em cultivos de Spirulina, no qual aproximadamente 45 % (v/v) do CO2 injetado foi fixado pela microalga, gerando biomassa para diversas aplicações e biogás purificado.

Unravelling metabolism of Leishmania by metabolomics

The leishmaniases are neglected tropical diseases with an urgent need for effective drugs. Better understanding of the metabolism of the causative parasites will hopefully lead to development of new compounds targeted at critical points of the parasite’s biochemical pathways. In my work I focused on the pentose phosphate pathway of Leishmania, specifically on transketolase, sugar utilisation, and comparison between insect and mammalian infective stages of the parasites. The pentose phosphate pathway (PPP) is the major cellular source of NADPH, an agent critical for oxidative stress defence. The PPP uses glucose, reduces the NADP+ cofactor and produces various sugar phosphates by mutual interconversions. One of the enzymes involved in this latter part is transketolase (TKT). A Leishmania mexicana cell line deleted in transketolase (Δtkt) was assessed regarding viability, sensitivity to a range of drugs, changes in metabolism, and infectivity. The Δtkt cell line had no obvious growth defect in the promastigote stage, but it was more sensitive to an oxidative stress inducing agent and most of the drugs tested. Most importantly, the Δtkt cells were not infective to mice, establishing TKT as a new potential drug target. Metabolomic analyses revealed multiple changes as a consequence of TKT deletion. Levels of the PPP intermediates upstream of TKT increased substantially, and were diverted into additional reactions. The perturbation triggered further changes in metabolism, resembling the ‘stringent metabolic response’ of amastigotes. The Δtkt cells consumed less glucose and glycolytic intermediates were decreased indicating a decrease in flux, and metabolic end products were diminished in production. The decrease in glycolysis was possibly caused by inhibition of fructose-1,6-bisphosphate aldolase by accumulation of the PPP intermediates 6-phosphogluconate and ribose 5-phosphate. The TCA cycle was fuelled by alternative carbon sources, most likely amino acids, instead of glucose. It remains unclear why deletion of TKT is lethal for amastigotes, increased sensitivity to oxidative stress or drop in mannogen levels may contribute, but no definite conclusions can be made. TKT localisation indicated interesting trends too. The WT enzyme is present in the cytosol and glycosomes, whereas a mutant version, truncated by ten amino acids, but retaining a C-terminal targeting sequence, localised solely to glycosomes. Surprisingly, cells expressing purely cytosolic or glycosomal TKT did not have different phenotypes regarding growth, oxidative stress sensitivity or any detected changes in metabolism. Hence, control of the subcellular localisation remains unclear as well as its function. However, these data are in agreement with the presumed semipermeable nature of the glycosome. Further, L. mexicana promastigote cultures were grown in media with different combinations of labelled glucose and ribose and their incorporation into metabolism was followed. Glucose was the preferred carbon source, but when not available, it could be fully replaced with ribose. I also compared metabolic profiles from splenic amastigotes, axenic amastigotes and promastigotes of L. donovani. Metabolomic analysis revealed a substantial drop in amino acids and other indications coherent with a stringent metabolic response in amastigotes. Despite some notable differences, axenic and splenic amastigotes demonstrated fairly similar results both regarding the total metabolic profile and specific metabolites of interest.