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.

Enrichment of bioactive compounds in microalgae for aquaculture

Microalgae are promising microorganisms for the production of food and fine chemicals. Several species of microalgae are used in aquaculture with the purpose of transfer bioactive compounds up to the aquatic food chain. The main objective of this project was to develop a stress–inducement strategy in order to enhance the biochemical productivity of Nannochloropsis gaditana, Rhodomonas marina and Isochrysis sp. for aquaculture purposes having in account their growth and organizational differences. In this regard, two experiments were design: the first one consisted on the alteration of overall nutrient availabilities in growth medium; and the second one comprised changes in nitrogen and sulfur concentrations maintaining the concentrations of the other nutrients present in a commercial growth medium (Nutribloom plus), which is frequently used in aquaculture. Microalgae dried biomass was characterized biochemically and elemental analysis was also performed for all samples. In first experimental design: linear trends between nutrient availability in growth media and microalgae protein content were obtained; optimum productivities of eicosapentaenoic (EPA) and docosahexaenoic acids (DHA) were attained for both R. marina and N. gaditana in growth media enriched with 1000 L L-1 of nutrient solution whereas for Isochrysis sp. the double of Nutribloom plus was needed; the decrease of glucans and total monosaccharides with nutrient availability for R. marina and Isochrysis sp. showed the occurrence of a possible depletion of carbohydrates towards lipids and proteins biosynthesis. Second experimental desing: N. gaditana exhibited the highest variation in their biochemical composition against the applied perturbation; variations observed for microalgae in their biochemical composition were reflected in their elemental stoichiometry; in N. gaditana the highest nitrogen concentrations lead to overall maximum productivities of the biochemical parameters. The results of the present work show two stress-inducement strategies for microalgae that may constitute a base for further investigations on their biochemical enhancement.

Enrichment of bioactive compounds in microalgae for aquaculture

Microalgae are promising microorganisms for the production of food and fine chemicals. Several species of microalgae are used in aquaculture with the purpose of transfer bioactive compounds up to the aquatic food chain. The main objective of this project was to develop a stress–inducement strategy in order to enhance the biochemical productivity of Nannochloropsis gaditana, Rhodomonas marina and Isochrysis sp. for aquaculture purposes having in account their growth and organizational differences. In this regard, two experiments were design: the first one consisted on the alteration of overall nutrient availabilities in growth medium; and the second one comprised changes in nitrogen and sulfur concentrations maintaining the concentrations of the other nutrients present in a commercial growth medium (Nutribloom plus), which is frequently used in aquaculture. Microalgae dried biomass was characterized biochemically and elemental analysis was also performed for all samples. In first experimental design: linear trends between nutrient availability in growth media and microalgae protein content were obtained; optimum productivities of eicosapentaenoic (EPA) and docosahexaenoic acids (DHA) were attained for both R. marina and N. gaditana in growth media enriched with 1000 L L-1 of nutrient solution whereas for Isochrysis sp. the double of Nutribloom plus was needed; the decrease of glucans and total monosaccharides with nutrient availability for R. marina and Isochrysis sp. showed the occurrence of a possible depletion of carbohydrates towards lipids and proteins biosynthesis. Second experimental desing: N. gaditana exhibited the highest variation in their biochemical composition against the applied perturbation; variations observed for microalgae in their biochemical composition were reflected in their elemental stoichiometry; in N. gaditana the highest nitrogen concentrations lead to overall maximum productivities of the biochemical parameters. The results of the present work show two stress-inducement strategies for microalgae that may constitute a base for further investigations on their biochemical enhancement.

Pyrolysis of peptides and proteins. Analytical study and environmental applications

Analytical pyrolysis was used to investigate the formation of diketopiperazines (DKPs) which are cyclic dipeptides formed from the thermal degradation of proteins. A quali/quantitative procedure was developed combining microscale flash pyrolysis at 500 °C with gas chromatography-mass spectrometry (GC-MS) of DKPs trapped onto an adsorbent phase. Polar DKPs were silylated prior to GC-MS. Particular attention was paid to the identification of proline (Pro) containing DKPs due to their greater facility of formation. The GC-MS characteristics of more than 80 original and silylated DKPs were collected from the pyrolysis of sixteen linear dipeptides and four model proteins (e.g. bovine serum albumin, BSA). The structure of a novel DKP, cyclo(pyroglutamic-Pro) was established by NMR and ESI-MS analysis, while the structures of other novel DKPs remained tentative. DKPs resulted rather specific markers of amino acid sequence in proteins, even though the thermal degradation of DKPs should be taken into account. Structural information of DKPs gathered from the pyrolysis of model compounds was employed to the identification of these compounds in the pyrolysate of proteinaceous samples, including intrinsecally unfolded protein (IUP). Analysis of the liquid fraction (bio-oil) obtained from the pyrolysis of microalgae Nannochloropsis gaditana, Scenedesmus spp with a bench scale reactor showed that DKPs constituted an important pool of nitrogen-containing compounds. Conversely, the level of DKPs was rather low in the bio-oil of Botryococcus braunii. The developed micropyrolysis procedure was applied in combination with thermogravimetry (TGA) and infrared spectroscopy (FT-IR) to investigate surface interaction between BSA and synthetic chrysotile. The results showed that the thermal behavior of BSA (e.g. DKPs formation) was affected by the different form of doped synthetic chrysotile. The typical DKPs evolved from collagen were quantified in the pyrolysates of archaeological bones from Vicenne Necropolis in order to evaluate their conservation status in combination with TGA, FTIR and XRD analysis.

Cultivo larvario de dentón (Dentex dentex L.): contribución al establecimiento de las necesidades nutricionales en ácidos grasos poliinsaturados

El objetivo de este trabajo es contribuir al conocimiento de las necesidades nutricionales en ácidos grasos poliinsaturados del pez marino dentón (Dentex dentex, L.). Para ello se realizaron cuatro experimentos en los cuales se suministraron a larvas de dentón dietas con diferentes contenidos de ácidos grasos poliinsaturados (PUFA) utilizando como vehículo de introducción presas vivas (rotífero y Artemia). Posteriormente se evaluó el efecto de dichas dietas sobre la calidad y supervivencia final de las larvas. En el Experimento I, se alimentaron larvas de corta edad hasta los 22 días posteclosión (dph) con el rotífero (Brachionus plicatilis). Dichos rotíferos fueron sometidos a una serie de tratamientos de enriquecimiento con varias especies de microalgas (Chlorella sp., Nannochloropsis gaditana, Tetraselmis suecica e Isochrysis galbana) y un enriquecedor comercial (Protein - Selco®), con diferentes contenidos en PUFA. En el tratamiento con Protein – Selco se alcanzaron valores significativamente superiores (ρ < 0.05) de talla y peso de las larvas, mientras que en el tratamiento con la microalga Isochrysis galbana, las larvas alcanzaron mayores valores de biomasa y supervivencia final con respecto a las larvas de los otros tratamientos. En los Experimentos II y III se partió de larvas de mayor edad (desde 22 hasta 48 dph) que fueron alimentadas con el crustáceo Artemia sp. La Artemia, se enriqueció con una serie de emulsiones experimentales (ICES®) con diferentes contenidos de PUFA. En el Experimento II, se encontró que las larvas a las que se les suministró mayores contenidos de PUFA, presentaron valores significativamente superiores (ρ < 0.05) en supervivencia y biomasa final. En el Experimento III, se observó que en las larvas a las que se les suministró el menor nivel de PUFA, se obtuvieron resultados significativamente menores (ρ < 0.05) en peso, talla, biomasa y supervivencia final. No se encontraron grandes diferencias en peso y talla entre las larvas a las que se les suministraron los PUFA en forma de triglicéridos o de etilésteres. En el Experimento IV se estudió la variación de contenidos de ácidos grasos a lo largo de un periodo de puestas (abril, mayo y junio) y durante cuatro fases de desarrollo endotrófico: huevo, huevo embrionado, larvas recién eclosionadas y larvas con apertura de la boca. Se evaluó la repercusión de estas variaciones de contenidos de ácidos grasos sobre los parámetros de calidad de huevos y larvas. También se compararon los contenidos de ácidos grasos de estas fases endotróficas con los contenidos encontrados durante las fases de alimentación con rotífero y Artemia. No se observaron grandes diferencias a lo largo del periodo de puesta en cuanto a contenidos de ácidos grasos y a las proporciones entre ellos, aunque si se observaron cambios en los parámetros que indicaban calidad de las puestas. Por el contrario, se observaron diferencias significativas (ρ < 0.05) en el grado de saturación de ácidos grasos, contenido de PUFA y ácidos grasos de 18 carbonos entre las larvas en fase de apertura de la boca con respecto a las otras fases de desarrollo endotrófico.

Viabilidade do biodiesel de microalgas: otimização de técnicas de extração

Os problemas relacionados com o consumo energético e as emissões de poluentes relativas ao setor dos transportes representam seguramente a maior preocupação ao nível Europeu no que respeita aos gases com efeito de estufa e à poluição atmosférica. Uma das formas de resolver/minimizar estes problemas é através da aposta em combustíveis alternativos. Em particular, os biocombustíveis poderão ser uma alternativa interessante aos combustíveis convencionais. As microalgas, como matéria-prima para produção de biodiesel, apresentam-se com excelentes perspetivas de futuro e com vantagens competitivas no campo das energias renováveis. É nesta perspetiva que se enquadra o presente trabalho, cujos objetivos consistiram na extração de biodiesel a partir de microalgas secas (Nannochloropsis gaditana e Scenedesmus sp.) e na otimização das respetivas técnicas de extração lipídica. Verificou-se que, em função dos métodos e condições utilizadas, a espécie Nannochloropsis gaditana apresenta um potencial de produção de biodiesel superior à espécie Scenedesmus sp. (eficiências de extração de 24,6 (wt.%) e 9,4 (wt.%) respetivamente). Um método de rotura celular conjugado com o processo de extração lipídica via solvente orgânico é essencial, pois conseguiu-se um acréscimo de 42% no rendimento de extração, sendo 10 minutos o tempo ideal de operação. Solventes como o metanol e sistema de solventes diclorometano/metanol mostraram ser mais eficazes quando se pretende extrair lípidos de microalgas, com valores de eficiência de remoção de 30,9 (wt.%) e 23,2 (wt.%) respetivamente. De forma a valorizar os resultados obtidos no processo de extração recorreu-se à sua conversão em biodiesel através da transesterificação catalítica ácida, onde se obteve uma eficiência de conversão de 17,8 (wt.%) para a espécie Nannochloropsis gaditana.

Caracterizaçäo bioquímica de microalgas produzidas industrialmente em aquacultura

Dissertação de mest. em Aquacultura, Unidade de Ciências e Tecnologias dos Recursos Aquáticos, Univ. do Algarve, 1997

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.

Lipid productivity and cell wall ultrastructure of six strains of Nannochloropsis: Implications for biofuel production and downstream processing

Microalgae are generating considerable interest for third generation biodiesel production. However, appropriate strain selection is proving challenging due to the significant variation in cellular physiology, metabolic potential and genetics observed even amongst strains deemed morphologically similar. Six strains of Nannochloropsis from the CCAP culture collection were assessed for their lipid productivity and cellular structure, as proxies for oil production and harvesting ease, to assess their suitability as biodiesel production platforms. Differences in growth rate and lipid accumulation across the strains were observed. Nannochloropsis oculata strain 849/7 showed significantly reduced doubling time compared to Nannochloropsis salina strain 849/3, whilst Nannochloropsis oceanica 849/10 produced the highest lipid content. In addition the six strains could be differentiated into 3 distinct classes based on their cell wall thickness, which varied across the strains from 63 to 119 nm and which is independent of both species and geographical isolation location. The importance of these variations in ultrastructure and physiology for biodiesel production is discussed.

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®.

Growth enhancement of micro algae, Chaetoceros calcitrans and Nannochloropsis oculata, using selected bacterial strains

In natural systems phytoplankton interact with planktonic (free living) and attached epiphytic bacteria both synergistically and antagonistically. The specificity of the association with micro algae and bacteria differs in terms of adhesion mechanisms and metabolic cooperation. Present research was carried out to study the effect of bacterial isolates namely Bacillus sp. and Pseudomonas sp. from algal culture systems on the growth of micro algae such as Chaetoceros calcitrans and Nannochloropsis oculata. C. calcitrans (F= 15.34; P<0.05) and N. oculata (F=12.52; P<0.05) showed significantly higher growth, in treatments with Bacillus sp. and Pseudomonas sp when compared to control.