Influence of ammonium sulphate feeding time on fed-batch Arthrospira (Spirulina) platensis cultivation and biomass composition with and without pH control

Previous work demonstrated that a mixture of NH(4)Cl and KNO(3) as nitrogen source was beneficial to fed-batch Arthrospira (Spirulina) platensis cultivation, in terms of either lower costs or higher cell concentration. On the basis of those results, this study focused on the use of a cheaper nitrogen source mixture, namely (NH(4))(2)SO(4) plus NaNO(3), varying the ammonium feeding time (T = 7-15 days), either controlling the pH by CO(2) addition or not. A. platensis was cultivated in mini-tanks at 30 degrees C, 156 mu mol photons m(-2) s(-1), and starting cell concentration of 400 mg L(-1), on a modified Schlosser medium. T = 13 days under pH control were selected as optimum conditions, ensuring the best results in terms of biomass production (maximum cell concentration of 2911 mg L(-1), cell productivity of 179 mg L(-1) d(-1) and specific growth rate of 0.77 d(-1)) and satisfactory protein and lipid contents (around 30% each). (C) 2011 Elsevier Ltd. All rights reserved.

Evaluation of the composition of continuously-cultivated Arthrospira (Spirulina) platensis using ammonium chloride as nitrogen source

This work is focused on the influence of dilution rate (0.08 <= D <= 0.32 d(1)) on the continuous cultivation and biomass composition of Arthrospira (Spirulina) platensis using three different concentrations of ammonium chloride (c(No) = 1.0, 5.0 and 10 mol m (3)) as nitrogen source. At c(No) = 1.0 and 5.0 mol m (3) the biomass protein content was an increasing function of D, whereas, when using c(No) = 10 mol m (3), the highest protein content (72.5%) was obtained at D = 0.12 d (1). An overall evaluation of the process showed that biomass protein content increased with the rate of nitrogen supply (D c(No)) up to 72.5% at D c(No) = 1.20 mol m (3) d (1). Biomass lipid content was an increasing function of D only when the nitrogen source was the limiting factor for the growth (D c(No) <= 0.32 mol m (-3) d (1)), which occurred solely with c(No), = 1.0 mol m (3). Under such conditions, A. platensis reduced its nitrogen reserve in the form of proteins, while maintaining almost unvaried its lipid content. The latter was affected only when the concentration of nitrogen was extremely low (c(No) = 1.0 mol m (3)). The most abundant fatty acids were the palmitic (45.8 +/- 5.20%) and the gamma-linolenic (20.1 +/- 2.00%) ones. No significant alteration in the profiles either of saturated or unsaturated fatty acids was observed with c(No) <= 5.0 mol m (3), prevailing those with 16 and 18 carbons. (C) 2010 Elsevier Ltd. All rights reserved.

A New Approach to Ammonium Sulphate Feeding for Fed-Batch Arthrospira (Spirulina) platensis Cultivation in Tubular Photobioreactor

Arthrospira platensis was cultivated in tubular photobioreactor using different photosynthetic photon flux densities (PPFD) and protocols of (NH(4))(2)SO(4) fed-hatch supply. Results were evaluated by variance analysis selecting maximum cell concentration (X(m)), cell productivity (P(x)), nitrogen-to-cell conversion factor (Y(X/N)) and biomass, protein and lipid contents as responses. At PPFD of 120 and 240 mu mol-photons/m(2) s, a parabolic profile of (NH(4))(2)SO(4) addition aiming at producing biomass with 7% nitrogen content ensured X(m) values (14.1 and 12.2 g/L, respectively) comparable to those obtained with NaNO(3). At PPFD of 240 mu mol-photons/m(2) s, P(x) (1.69 g/Ld) was 36% higher, although the photosynthetic efficiency (3.0%) was less than one-half that at PPFD of 120 mu mol-photons/m(2) s. Biomass was shown to be constituted by about 35% proteins and 10% lipids, without any dependence on PPFD or kind of nitrogen source. These results highlight the possible use of (NH(4))(2)SO(4) as alternative, cheap nitrogen source for A. platensis cultivation in tubular photobioreactors. (C) 2010 American Institute of Chemical Engineers Biotechnol. Prog., 26: 1271-1277, 2010

Fed-batch cultivation of Arthrospira (Spirulina) platensis: Potassium nitrate and ammonium chloride as simultaneous nitrogen sources

Arthrospira platensis was cultivated in minitanks at 13 klux, using a mixture of KNO(3) and NH(4)Cl as nitrogen source. Fed-batch daily supply of NH(4)Cl at exponentially-increasing feeding rate allowed preventing ammonia toxicity and nitrogen deficiency, providing high maximum cell concentration (X(m)) and high-quality biomass (21.85 mg chlorophyll g cells(-1); 20.5% lipids; 49.8% proteins). A central composite design combined to response surface methodology was utilized to determine the relationships between responses (X(m), cell productivity and nitrogen-to-cell conversion factor) and independent variables (KNO(3) and NH(4)Cl concentrations). Under optimum conditions (15.5 mM KNO3; 14.1 mM NH(4)Cl), X(m) was 4327 mg L(-1), a value almost coincident with that obtained with only 25.4 mM KNO(3), but more than twice that obtained with 21.5 mM NH(4)Cl. A 30%-reduction of culture medium cost can be estimated when compared to KNO(3)-batch runs, thus behaving as a cheap alternative for the commercial production of this cyanobacterium. (C) 2010 Elsevier Ltd. All rights reserved.

Influence of ammonium chloride feeding time and light intensity on the cultivation of Spirulina (Arthrospira) platensis

This study dealt with the influence of both the feeding time and light intensity on the fed-batch culture of the cyanobacterium Spirulina (Arthrospira) platensis using ammonium chloride as a nitrogen source. For this purpose, a 2 2 plus star central composite experimental design combined with response surface methodology was employed, and the maximum cell concentration (X-m), the cell productivity (P-X), and the yield of biomass on nitrogen (Y-X/N) were selected as the response variables. The optimum values of X-m (1,833 mgL(-1)) and Y-X/N (5.9 gg(-1)) estimated by the model at light intensity of 13 klux and feeding time of 17.2 days were very close to those obtained experimentally under these conditions (X-m = 1,771 +/- 41 mg L-1; Y-X/N = 5.7 +/- 0.17 gg(-1)). The cell productivity was a decreasing function of the ammonium chloride feeding time and a quadratic function of the light intensity. The protein and lipid contents of dry biomass collected at the end of cultivations were shown to decrease with increasing light intensity.

Bioreduction of Acetophenone Derivatives by Red Marine Algae Bostrychia radicans and B. tenella, and Marine Bacteria Associated

The biocatalytic reduction of acetophenone derivatives was exploited by using algal biomass from Bostrychia radicans and B. tenella producing exclusively (S)-2-phenylethanols with high enantiomeric excess (> 99% ee). Bacterial populations associated with algal biomass were identified as the Bacillus genus. This report deals with the first investigations involving the use of marine bacteria associated with B. radicans and B. tenella marine algae for the biocatalytic reduction of acetophenone derivatives.

Changes in quantum efficiency of Photosystem II of symbiotic dinoflagellates of corals after heat stress, and of bleached corals sampled after the 1998 Great Barrier Reef mass bleaching event Ross J. Jones , Selina Ward, Affendi Yang Amri and Ove Hoegh-Guldberg

Pulse-amplitude-modulation chlorophyll fluorometry was used to examine changes in dark-adapted F-v/F-m of endosymbiotic dinoflagellate microalgae within the tissues of the temperate coral Plesiastrea versipora exposed to elevated seawater temperature. The F-v/F-m was markedly reduced following exposure of corals to 28 degrees C for 48 h. When corals were returned to ambient (24 degrees C) conditions, F-v/F-m increased in an initial rapid and then secondary slower phase. Tissue discolouration (coral bleaching), caused by a significant decrease in the density of algae, was observed during the first 2-3 days of the recovery period. After 14 days, F-v/F-m was still significantly lower than in control corals. The recovery of F-v/F-m is discussed in terms of repair processes within the symbiotic algae, division of healthy algae and also the selective removal of photo-damaged dinoflagellates. Under field conditions, bleached corals sampled at Heron Island Reef during a bleaching event had significantly lower F-v/F-m than non-bleached colonies; four months after the bleaching event, there were no differences in F-v/F-m or algal density in corals marked as having bleached or having shown no signs of colour loss. The results of this laboratory and field study are consistent with the hypothesis that an impairment of photosynthesis occurs during heat-stress, and is the underlying cause of coral bleaching.

Efeitos da depleção de nitrogênio sobre a biomassa e produção lipídica lipídica de três espécies de microalgas fitoplânticas

O uso de lipídios obtidos a partir da biomassa de microalgas tem sido descrito como uma alternativa promissora para a indústria petro-diesel e envolve etapas como o cultivo de microalgas, separação da biomassa e extração de lipídios. Para viabilizar a produção em larga escala, é necessário selecionar as espécies mais produtivas, diminuir os custos de produção e determinar as condições ideais de cultivo. Os gêneros Chlorella, Desmodesmus e Ankistrodesmus apresentam características favoráveis à produção comercial, tendo sido então selecionada uma espécie de cada no presente trabalho. O objetivo do estudo foi avaliar diferentes condições de cultivo de Ankistrodesmus fusiformis, Chlorella vulgaris e Desmodesmus spinosus visando o aumento da produtividade em biomassa e lipídios totais. As algas foram identificadas e cultivadas em laboratório, em condições controladas de temperatura a 26ºC (±1), aeração por borbulhamento à pressão ambiente e luminosidade fornecida por lâmpadas fluorescentes, com intensidade de 47,25 μmol de fótons m-2.s-1 (3500 lux), fotoperiodo de 12h e pH 7, sob duas concentrações estressantes de nitrato de sódio (0,10 g/L e 0,05g/L). Os cultivos duraram em média 16 dias, sendo as curvas de crescimento construídas com dados de espectrofotometria óptica coletados a cada 48h, e a biomassa obtida ao final do cultivo por centrifugação e liofilização de cada unidade experimental. Para extração dos lipídios totais, foi utilizada a mistura de clorofórmio: metanol (1:2), segundo a metodologia de Bligh & Dyer (1959). Os tratamentos de estresse em D.spinosus resultaram em maior acúmulo lipídico, com aumento de até 149,7%, porém com drástica diminuição do crescimento e biomassa. Em C. vulgaris, nos tratamentos de estresse, verificou-se apenas ligeiro aumento do peso seco e teor de lipídios, não havendo diferença significativa entre os tratamentos e o controle. Da mesma forma, A.fusiformis não mostrou respostas significativas ao estresse pela redução de nitrato de sódio do meio, havendo ligeira diminuição do conteúdo lipídico e aumento do crescimento e biomassa. Com respostas diferentes para cada espécie estudada, evidencia-se a necessidade do conhecimento da fisiologia e autoecologia da cepa a ser cultivada em escala comercial visando à produção de ácidos graxos para fins de biodiesel.

Primary screening of the bioactivity of brackishwater cyanobacteria: toxicity of crude extracts to artemia salina larvae and paracentrotus lividus embryos

Cyanobacteria are a diverse group of Gram-negative bacteria that produce an array of secondary compounds with selective bioactivity against vertebrates, invertebrates, plants, microalgae, fungi, bacteria, viruses and cell lines. The aim of this study was to assess the toxic effects of aqueous, methanolic and hexane crude extracts of benthic and picoplanktonic cyanobacteria isolated from estuarine environments, towards the nauplii of the brine shrimp Artemia salina and embryos of the sea urchin Paracentrotus lividus. The A. salina lethality test was used as a frontline screen and then complemented by the more specific sea urchin embryo-larval assay. Eighteen cyanobacterial isolates, belonging to the genera Cyanobium, Leptolyngbya, Microcoleus, Phormidium, Nodularia, Nostoc and Synechocystis, were tested. Aqueous extracts of cyanobacteria strains showed potent toxicity against A. salina, whereas in P. lividus, methanolic and aqueous extracts showed embryo toxicity, with clear effects on development during early stages. The results suggest that the brackishwater cyanobacteria are producers of bioactive compounds with toxicological effects that may interfere with the dynamics of invertebrate populations.

Cultivo Intensivo de Microalgas na Região Autónoma dos Açores: uma Abordagem Biotecnológica Integrada

Jornadas "Ciência nos Açores – que futuro? Tema Ciências Naturais e Ambiente", Ponta Delgada, 7-8 de Junho de 2013.

Potencial de cultivo intensivo de microalgas na região autónoma dos Açores: uma abordagem biotecnológica integrada

Jornadas "Ciência nos Açores – que futuro?", Ponta Delgada, 7-8 de Junho de 2013.

Produção de biomassa aquática como fonte de lípidos para biocombustíveis

Mestrado em Engenharia Química. Ramo Tecnologias de Protecção Ambiental.

Efeito de metais pesados na alga Pseudokirchneriella subcapitata

O impacto dos metais pesados em ambientes aquáticos, incluindo águas residuais, é vulgarmente determinado através de testes de toxicidade. A microalga Pseudokirchneriella subcapitata é usada nos métodos de toxicidade recomendados por organismos Internacionais como a EPA (Environmental Protection Agency) e a OCDE (Organização para a Cooperação e Desenvolvimento Económico). O presente trabalho teve como objectivo avaliar o impacto do cádmio e do zinco no crescimento, na autofluorescência e na actividade metabólica da alga P. subcapitata. Para tal, a alga, em fase exponencial de crescimento, foi inoculada no meio de cultura contendo Cd (150, 500 ou 700 nmol/l) ou Zn (300, 1800 ou 6000 nmol/l). A concentração mais baixa de Cd e Zn não provocou qualquer efeito inibitório. Para uma concentração intermédia de Cd e Zn, observou-se uma redução do crescimento, ao fim de 72 h, de 63 e 50 %, respectivamente. No caso da concentração mais elevada de Cd e de Zn, observou-se uma redução do crescimento, ao fim de 72 h, de 83 e 97 %, respectivamente. A perda de autofluorescência da alga, devido à presença de Cd e de Zn, seguiu um padrão similar ao efeito sobre o crescimento. Resultados preliminares mostraram que a exposição das células de P. subcapitata a 700 nmol/ de Cd, durante 1h, induziu uma inibição da actividade esterásica de 52 %, enquanto que a incubação com 6000 nmol/l de Zn, durante 6 h, provocou uma redução da actividade esterásica de ~ 50 %. Em conclusão, os resultados obtidos mostram que o Cd é mais tóxico que o Zn para a alga P. subcapitata. A perda de autofluorescência, devido à exposição aos metais pesados em estudo, ocorreu segundo um padrão similar ao efeito inibitório sobre o crescimento. O Cd e Zn provocaram uma rápida perda (no espaço de 6 h) da actividade esterásica. Estes resultados sugerem que a avaliação da actividade esterásica da alga P. subcapitata poderá constituir um indicador sensível na avaliação da toxicidade.

Efeito das condições ambientais na produtividade lipídica da Dunaliella tertiolecta

Este trabalho teve como objectivo a optimização das condições de crescimento de biomassa algal tendo em vista a sua utilização como fonte de lípidos para biocombustíveis. Assim, procedeu-se à inoculação de duas estirpes, a Dunaliella tertiolecta (água salgada) e a Tetraselmis subcordiformis (água salobra), seleccionando-se a Dunaliella tertiolecta uma vez que esta apresentou um crescimento mais rápido. Escolhida a estirpe a usar, avaliou-se a influência da composição do meio de cultura da espécie, variando-se a concentração de macronutrientes (Magnésio, Potássio, Azoto, Fósforo) e de micronutrientes (Manganês, Zinco, Ferro, Cobalto) presentes no meio em 10 e 20 vezes, comparativamente à do meio de cultura padrão, o meio Artificial Seawater Medium with Vitamins. Avaliou-se o crescimento algal, a uma temperatura de 25 ºC ± 2 ºC, com uma intensidade de iluminação de 5000 lux (lâmpadas luz dia) e fotoperíodos 12:12 h, controlando possíveis contaminações nas culturas em estudo. Para os ensaios realizados com a Dunaliella tertiolecta, os melhores resultados para a produtividade média e máxima de biomassa, 63,06 mgbiomassa seca/L.dia e 141,79 mgbiomassa seca/L.dia, respectivamente, foram obtidos no ensaio em que se fez variar 10 vezes a concentração de azoto (sob a forma de nitrato). Os resultados mais satisfatórios para o teor lípidico e para a produtividade lipídica máxima, 33,45% e 47,43 mgóleo/L.dia respectivamente, também foram obtidos no ensaio em que se fez variar 10 vezes a concentração de azoto (sob a forma de nitrato), (com extracção dos lípidos usando o método de Bligh e Dyer). Foram testados dois solventes para a extracção de lipídos, o clorofórmio e o hexano, tendose obtido resultados superiores com o clorofórmio, comparativamente aos obtidos quando se usou hexano, com excepção do ensaio em que se aumentou 20 vezes a concentração de fósforo no meio de cultura das microalgas. Verificou-se que, em todos os ensaios foi atingido o estado estacionário sensivelmente na mesma altura, isto é, decorridos cerca de 25 dias após o início do estudo, excepto os ensaios em que se fez variar a concentração de cobalto, para os quais as culturas não se adaptaram às alterações do meio, acabando por morrer passados 15 dias. A adição dos macronutrientes e micronutrientes usados nos ensaios, nas quantidades testadas, não influenciou significativamente a produtividade lipídica, com excepção do azoto e ferro. Conclui-se que o aumento da concentração de azoto para 10x o valor padrão potencia o aumento da produtividade lipídica máxima para mais do dobro (3,6 vezes – Padrão: 13,25 mgóleo/L.dia; 10x N: 47,43 mgóleo/L.dia) e que o aumento da concentração de ferro para 10x o valor padrão potencia o aumento da produtividade lipídica máxima para aproximadamente o dobro (1,9 vezes - Padrão: 14,61 mgóleo/L.dia; 10x Fe: 28,04 mgóleo/L.dia). Nos ensaios realizados com adição de azoto ou ferro, os resultados obtidos para a concentração, teor lípidico e produtividade lipídica máxima, foram sempre superiores aos do padrão correspondente, pelo que se pode concluir que estes ensaios se apresentam como os mais promissores deste estudo, embora o ensaio mais satisfatório tenha sido aquele em que se promoveu a alteração da concentração de azoto para 10 vezes o valor padrão.

Estudo da influência de parâmetros ambientais (Fe e N) na produtividade lipídica da microalga Chlamydomonas sp.

Mestrado em Engenharia Química - Ramo Tecnologias de Protecção Ambiental