Toxicity of the therapeutic potassium permanganate to tilapia Oreochromis niloticus and to non-target organisms Ceriodaphnia dubia (microcrustacean cladocera) and Pseudokirchneriella subcapitata (green microalgae)

Fundação de Amparo à Pesquisa do Estado de São Paulo (FAPESP)

Intermediate pyrolysis and product identification by TGA and Py-GC/MS of green microalgae and their extracted protein and lipid components

The thermo-chemical conversion of green microalgae Chlamydomonas reinhardtii wild type (CCAP 11/32C), its cell wall deficient mutant C. reinhardtii CW15 (CCAP 11/32CW15) and Chlorella vulgaris (CCAP 211/11B) as well as their proteins and lipids was studied under conditions of intermediate pyrolysis. The microalgae were characterised for ultimate and gross chemical composition, lipid composition and extracted products were analysed by Thermogravimetric analysis (TG/DTG) and Pyrolysis-gaschromatography/mass-spectrometry (Py-GC/MS). Proteins accounted for almost 50% and lipids 16-22 % of dry weight of cells with little difference in the lipid compositions between the C. reinhardtii wild type and the cell wall mutant. During TGA analysis, each biomass exhibited three stages of decomposition, namely dehydration, devolatilization and decomposition of carbonaceous solids. Py-GC/MS analysis revealed significant protein derived compounds from all algae including toluene, phenol, 4-methylphenol, 1H-indole, 1H-indole-3methyl. Lipid pyrolysis products derived from C. reinhardtii wild type and C. reinhardtii CW15 were almost identical and reflected the close similarity of the fatty acid profiles of both strains. Major products identified were phytol and phytol derivatives formed from the terpenoid chain of chlorophyll, benzoic acid alkyl ester derivative, benzenedicarboxylic acid alkyl ester derivative and squalene. In addition, octadecanoic acid octyl ester, hexadecanoic acid methyl ester and hydrocarbons including heptadecane, 1-nonadecene and heneicosane were detected from C. vulgaris pyrolysed lipids. These results contrast sharply with the types of pyrolytic products obtained from terrestrial lignocellulosic feedstocks and reveal that intermediate pyrolysis of algal biomass generates a range of useful products with wide ranging applications including bio fuels.

Toxicity of the therapeutic potassium permanganate to tilapia Oreochromis niloticus and to non-target organisms Ceriodaphnia dubia (microcrustacean cladocera) and Pseudokirchneriella subcapitata (green microalgae)

Potassium permanganate is a chemical compound widely used in aquaculture for the control and removal of parasites, and in the prevention of diseases caused by bacteria and fungi. However, this compound can be toxic to fish, being a strong oxidant. Moreover, there is no consistent information in the literature about its toxicity to non-target organisms. The purpose of this study was to evaluate the acute toxicity (LC50;96h) of potassium permanganate for tilapia, Oreochromis niloticus, and to determine its toxic effects on nontarget organisms using ecotoxicological assays performed with the microcrustacean Ceriodaphnia dubia and with the green microalgae Pseudokirchneriella subcapitata. The results showed that the concentration of 1.81 mg L-1 of potassium permanganate caused acute toxic effect in tilapia fingerlings. The ecotoxicological assays demonstrated that concentrations above 0.12 mg L-1 can cause chronic toxic effects on non-target organisms, indicating possible deleterious effects on the food chain of the aquatic ecosystem that may receive the discharge of effluents released by fish cultures treated with this chemotherapy. All toxic concentrations determined in this study were below those recommended in the literature for the use of this chemotherapy in fish cultures, demonstrating that this type of therapy should be more carefully considered in order to avoid damage to the treated fish and to the environment. (C) 2011 Elsevier B.V. All rights reserved.

Induced carotenoid accumulation in Dunaliella salina and Tetraselmis suecica by plant hormones and UV-C radiation

Carotenoids prevent different degenerative diseases and improve human health. Microalgae are commercially exploited for carotenoids, including astaxanthin and β-carotene. Two commercially important microalgae, Dunaliella salina and Tetraselmis suecica, were treated with plant hormones salicylic acid (SA) and methyl jasmonate (MJ), or by UV-C radiation (T. suecica only) and a combination thereof. Significant increases in total carotenoids were found for D. salina and T. suecica after treatment with MJ (10 μmol/L) and SA (70–250 μmol/L), respectively. T. suecica also had significant increases in total carotenoids following UV-C radiation compared to control cultures. Among the carotenoids, lutein was the highest induced carotenoid. A combination of these two treatments also showed a significant increase in total carotenoids and lutein for T. suecica, when compared to controls. Plant hormones and UV-C radiation may be useful tools for increasing carotenoid accumulation in green microalgae although the responses are species- and dose-specific and should be trialed in medium to large scale to explore commercial production.

Toxicidade e bioacumulação de cobre em micro-organismos fotoautotróficos

Microalgas e cianobactérias têm sido amplamente recomendadas para biomonitoração de metais pesados e outros poluentes, sendo considerados indicadores sensíveis às alterações ambientais e utilizados como organismos testes na regulamentação dos níveis de metal. Estes micro-organismos fotossintetizantes são produtores primários da base da cadeia alimentar aquática e são os primeiros a serem afetados pela poluição por metais pesados. O cobre é um metal normalmente considerado como nutriente essencial para a vida aquática mas pode ser tóxico para algumas espécies. Portanto, neste estudo foram avaliados o efeito tóxico e a bioacumulação de cobre (II) em quatro espécies de micro-organismos fotoautotróficos componentes do fitoplâncton dulcícola, duas cianobactérias filamentosas (Anabaena sp. e Oscillatoria sp) e duas microalgas da classe das clorofíceas (Monorraphidium sp. e Scenedesmus sp.). O meio de cultivo utilizado nos ensaios foi o ASM-1 com e sem a presença de cobre (0,6 mg/L a 12 mg Cu2+/L) onde, o efeito tóxico do metal foi monitorado por contagem celular para as microalgas e por peso seco para as cianobactérias. A bioacumulação do metal foi avaliada da mesma forma para todos os micro-organismos, através de coletas de amostras no decorrer do experimento e determinação da concentração de cobre em solução por espectrometria de absorção atômica com chama. Os resultados obtidos mostram que o efeito tóxico do metal é diretamente proporcional à concentração inicial para os micro-organismos estudados, mas que o cobre (II) foi mais tóxico para as cianobactérias que para as microalgas verdes. A bioacumulação teve uma relação direta com o efeito tóxico do metal sobre os micro-organismos. Os resultados obtidos permitem sugerir que cobre (II) tem efeito negativo no fitoplâncton, inibindo o crescimento e alterando parâmetros metabólicos como a fotossíntese. A bioacumulação do metal pode comprometer os níveis tróficos da cadeia alimentar, afetando seu transporte para seres superiores

Interações do cobre iônico com microalgas verdes

No presente trabalho foram utilizados micro-organismos fotoautotróficos para a bioacumulação de cobre em regime de batelada. Para tal, utilizou-se micro-organismos dos gêneros Ankistrodesmus, Golenkinia, Monoraphidium e Scenedesmus, em função da sua disponibilidade, facilidade de cultivo e diferenças morfológicas. Ensaios preliminares foram realizados utilizando diferentes concentrações de biossorvente, com o intuito de verificar a influência deste fator na eficiência do processo de captação. Os testes realizados em batelada incluíram também o estudo cinético e do equilíbrio, nos quais foi possível verificar que para todos os gêneros testados, o processo de captação do metal em soluções diluídas atingiu o equilíbrio quase instantaneamente. Em soluções de Cu2+ mais concentradas, observou-se diferenças entre os gêneros estudados, no tempo necessário para estabelecimento do equilíbrio. Além disso, observou-se uma alta eficiência no processo de captação de íons Cu2+ em solução por parte dos micro-organismos, com elevada captação de metal por grama de biomassa. As diferenças morfológicas entre os gêneros pareceram não influenciar significativamente a cinética e o equilíbrio do processo. Os ensaios em batelada foram realizados também empregando-se células de Golenkinia imobilizadas em alginato de cálcio, além de testes com o próprio alginato isento de micro-organismos como experimento-controle afim de verificar a influencia da imobilização nos parâmetros cinéticos e na capacidade de captação. A partir dos resultados obtidos nos ensaios em batelada com todos os biossorventes, testou-se em cada caso a aplicação de modelos cinéticos (pseudo 1 e 2 ordem) e modelos de equilíbrio (isoterma de Langmuir e Freundlich). Verificou-se que para o 4 gêneros que empregando-se células livres o modelo cujo os resultados se adequaram melhor foi o de Langmuir, enquanto que para células imobilizadas ambos modelos se mostraram adequados

Ocorrência e ecotoxicidade de desreguladores endócrinos químicos em ambientes aquáticos e em sistemas de tratamento de esgoto

A aplicabilidade de um método selecionado de medição indireta de vitelogenina (Vtg) em plasma sanguíneo de peixe, baseado na quantificação de fosfato álcali-lábil (alkali-labile phosphate-ALP) para acessar estrogenicidade em água, foi investigada na presente tese. O método foi originalmente desenvolvido para a espécie de peixe Carassius carassius (Carpa cruciana) e aplicado pela primeira vez na espécie Oreochromis niloticus (Tilápia do Nilo) no presente estudo. Com o objetivo de acessar a sensibilidade do método, em uma primeira etapa da investigação foram realizados estudos laboratoriais com soluções estoques de 17-ethinylestradiol (EE2), 17-estradiol (E2), e estrona (E1). Os efeitos destes hormônios foram investigados com base tanto na concentração quanto na carga, utilizando-se para tanto, unidades experimentais com volumes distintos (2 L e 130 L). Após a validação do método de ALP, a estrogenicidade foi avaliada nas seguintes águas contaminadas: (i) afluente e efluente de uma grande estação de tratamento de esgotos convencional (ETE) e de uma estação descentralizada de tratamento de esgoto de pequeno porte (Ecossistema Engenheirado-DEE); (ii) água superficial (SW) e água subterrânea (GW) coletadas em uma área de brejo contaminada com gasolina; (iii) água de uma lagoa urbana (LRF) da cidade do Rio de Janeiro, com alta densidade populacional e descarte clandestino de esgoto. Na segunda etapa foram analisados em microalgas os efeitos (outros que não disrupção endócrina) causados pelos hormônios EE2, E2 e E1. Os hormônios foram testados individualmente e em misturas, em culturas individuais e combinada (S+) das espécies de microalgas unicelulares P. subcapitata e D. subspicatus. Com base nos níveis de ALP para a espécie de peixe e no EC50 para as espécies de algas, os resultados mostraram que o EE2 e o E2 causaram disrupção endócrina superior e foram mais tóxicos do que o E1 para peixes e microalgas respectivamente. Quando em misturas (E+) de concentrações equivalentes (EE2:E2:E1), os estrogênios resultaram em efeito aditivo para as espécies O. niloticus e P. subcapitata, e menos que aditivo para D. subspicatus e cultivo misto de algas (S+). Culturas contendo ambas as espécies de algas (S+) por um longo período de exposição (96 h) resultaram na atenuação dos efeitos tóxicos causados pela exposição, tanto individual (EE2, E2 ou E1), quanto na mistura (E+) dos estrogênios, medidos em termos de EC50 (T0h 0,07; 0,09; 0,18; e 0,06 g mL-1; e T96h 1,29; 1,87; 5,58; e 4,61 g mL-1, respectivamente). O DEE apresentou uma maior eficiência na remoção dos disrutores endócrinos do que a ETE convencional. Foi detectada estrogenicidade em amostras da LRF, e de água SW e GW em área brejosa contaminada com gasolina. Os resultados dos ensaios sugerem que as interações (efeitos aditivos ou menos que aditivo) causadas pela mistura dos estrogênios assim como, as interações entre as espécies de algas afetaram o resultado final dos ensaios ecotoxicológicos. Um fator raramente abordado em estudos ecotoxicológicos que foi destacado na presente tese refere-se à importância de considerar não somente a concentração e a dosagem, mas também a carga aplicada e o volume das unidades experimentais. Devido à boa sensibilidade do O. niloticus quando exposto às concentrações relativamente baixas dos estrogênios, a combinação do método de ALP com os biomarcadores auxiliares (particularmente MN) pode ser um protocolo adequado para a detecção de estogenicidade e genotoxicidade respectivamente em diferentes ambiente aquáticos contaminados, como parte de um programa de monitoramento ambiental

Interações do lantânio e cério com microalgas dos gêneros Monoraphidium e Scenedesmus

Os elementos de terras raras, representados em sua maioria pelos lantanídeos, ocorrem principalmente como constituintes-traço da maioria dos minerais de rochas comuns (monazita, apatita) e também estão presentes em alguns minérios. Tais elementos foram largamente usados por décadas como fertilizantes na China. Na área das inovações tecnológicas, a demanda por esses metais vem crescendo por conta das suas aplicações em diversos campos. Consequentemente, grandes quantidades desses elementos são acumulados em ambientes aquáticos atingindo o fitoplâncton. Assim, as microalgas que são organismos ecologicamente importantes na cadeia alimentar têm sido frequentemente usadas em estudos ambientais para avaliar a toxicidade relativa de várias descargas químicas e são largamente estudadas na detecção dos primeiros impactos no ecossistema. Somado a isso, são biomassas que possuem boa capacidade de biossorção de metais devido à presença de ligantes na sua estrutura que promovem a captação deles quando em solução. Dessa forma, as interações entre as microalgas verdes Monoraphidium e Scenedesmus e os íons La3+ e Ce3+ foram investigadas neste trabalho. Para isso, foram avaliados o efeito tóxico e a bioacumulação do La3+ pelas duas microalgas verdes. Adicionalmente, estudos em batelada da biossorção do La3+ e Ce3+ em soluções contendo os elementos isoladamente ou em combinação foram realizados. No estudo de toxicidade e de bioacumulação o meio de cultivo utilizado foi o ASM-1, com e sem presença de La3+ (10 mg.L-1 a 100 mg.L-1), onde o efeito tóxico do metal foi monitorado por análises micro e macroscópica das células e também pela quantificação do crescimento celular baseada em medidas da massa seca. A bioacumulação do metal foi avaliada da mesma forma para ambas as microalgas. Os resultados obtidos mostraram que o efeito tóxico do metal foi presente em concentrações iônicas de 50 e 100 mg.L-1 e que houve uma bioconcentração do La3+ em ambas espécies de microalgas, principalmente quando a concentração inicial do La3+ foi de 10 e 25 mg.L-1, mostrando que houve uma relação direta entre a bioconcentração e a toxicidade do La3+. O gênero Monoraphidium bioconcentrou mais metal que o gênero Scenedesmus. Os resultados da biossorção dos metais em solução monoelementar mostraram que as microalgas apresentaram grande capacidade de captação do La3+ (20,7 mmol.g-1 para Monoraphidium sp. e 17,8 mmol.g-1 para Scenedesmus sp.) e do Ce3+ (25,7 mmol.g-1 para Monoraphidium sp. e 11,5 mmol.g-1 para Scenedesmus sp.). Os resultados obtidos revelaram que os dados melhor se ajustaram ao modelo de Freundlich, na maioria dos casos. Em sistema binário, notou-se que houve uma menor captação de cada um individualmente, evidenciando uma competição entre eles pelos mesmos sítios ligantes e que ambas apresentaram maior afinidade pelo Ce3+

First isolation and structural determination of cyclic β-(1→2)-glucans from an alga, Chlorella pyrenoidosa

The aqueous extract of the edible green microalgae Chlorella pyrenoidosa is of interest because of its immunostimulatory activity. Some components in the extract have been identified previously, namely a unique type of arabinogalactan and a galactofuran. Further fractionation of this extract was accomplished by treating the aqueous solution of the fraction precipitated by addition of 1.5vol of 95% ethanol with cetyltrimethylammonium bromide. The residue obtained by concentration of the supernatant was fractionated further by anion-exchange chromatography and size-exclusion chromatography on Sephadex G-100. Two fractions from the latter column were retained, of which one was a starch-like alpha-(1-->4)-linked d-glucan with some alpha-(1-->6) branches, and the other contained a starch plus a mixture of beta-(1-->2)-d-glucans. ESI mass spectrometry was used to show that the mixture contained both cyclic and linear beta-(1-->2)-d-glucans in a cyclic:linear ratio of 64:36, based on intensities of mass spectral peaks. For the cyclic beta-(1-->2)-d-glucans, ring sizes ranged from 18 to 35 monosaccharides with the ring containing 21 glucose units (54% of the cyclic glucans) being greater than three times more abundant than the next most abundant component, the ring containing 22 glucose units (15%). No rings containing 20 glucose units were present. This is the first observation of cyclic beta-(1-->2)-d-glucans in algae, as far as we are aware. For the linear beta-(1-->2)-d-glucans, the component containing 20 glucoses was most abundant (35% of the linear glucans), while the component containing 21 glucose units was the next most abundant (17%). These relatively low-molecular-weight glucans had low immunostimulatory activity.

Evaluating Spirulina as a protein source in Nile Tilapia (Oreochromis niloticus) grow-out diets

Aquaculture growth has intensified the need for a diversification of nutritionally appropriate aquafeed ingredients. The purpose of this study was to evaluate Spirulina, a blue-green microalgae, and soybean meal as the sole protein sources in grow-out Tilapia diets. We constructed 3 experimental diets with soybean meal and 0,15, 30, and 45% Spirulina (SBM, SP15, SP30, and SP45 respectively) as their main protein sources. We compared these diets to a commercial Tilapia diet (CC). Additionally, to evaluate the benefit of fishmeal inclusion, fishmeal was added (2 and 10%) to the most successful Spirulina containing diet (FM2, FM10). We evaluated these experimental diets based on their physical properties, palatability, growth potential, waste production, and overall cost. No significant differences in growth performance were found between any of the diets. Total ammonia nitrogen (TAN) and total phosphorus (TP) levels in each tank were significantly affected by diet (p<0.05). CC had significantly higher TP than the experimental diets and SP15 had significantly higher TAN than the other diets. Only CC was found to be significantly more palatable than the experimental diets, and Spirulina inclusion was inversely correlated to pellet stability. Lastly, SP15 was the most profitable experimental diet. We recommend eliminating fishmeal from grow-out Tilapia diets in favour of soybean meal and Spirulina. Spirulina should, however, be limited to 15% to avoid the negative effects it has on stability and profitability, and its possible effect on feed intake.

Evaluating Spirulina as a protein source in Nile Tilapia (Oreochromis niloticus) grow-out diets

Aquaculture growth has intensified the need for a diversification of nutritionally appropriate aquafeed ingredients. The purpose of this study was to evaluate Spirulina, a blue-green microalgae, and soybean meal as the sole protein sources in grow-out Tilapia diets. We constructed 3 experimental diets with soybean meal and 0,15, 30, and 45% Spirulina (SBM, SP15, SP30, and SP45 respectively) as their main protein sources. We compared these diets to a commercial Tilapia diet (CC). Additionally, to evaluate the benefit of fishmeal inclusion, fishmeal was added (2 and 10%) to the most successful Spirulina containing diet (FM2, FM10). We evaluated these experimental diets based on their physical properties, palatability, growth potential, waste production, and overall cost. No significant differences in growth performance were found between any of the diets. Total ammonia nitrogen (TAN) and total phosphorus (TP) levels in each tank were significantly affected by diet (p<0.05). CC had significantly higher TP than the experimental diets and SP15 had significantly higher TAN than the other diets. Only CC was found to be significantly more palatable than the experimental diets, and Spirulina inclusion was inversely correlated to pellet stability. Lastly, SP15 was the most profitable experimental diet. We recommend eliminating fishmeal from grow-out Tilapia diets in favour of soybean meal and Spirulina. Spirulina should, however, be limited to 15% to avoid the negative effects it has on stability and profitability, and its possible effect on feed intake.

Induction of Microalgal Lipids for Biodiesel Production in Tandem with Sequestration of High Carbon Dioxide Concentration

There is no doubt that sufficient energy supply is indispensable for the fulfillment of our fossil fuel crises in a stainable fashion. There have been many attempts in deriving biodiesel fuel from different bioenergy crops including corn, canola, soybean, palm, sugar cane and vegetable oil. However, there are some significant challenges, including depleting feedstock supplies, land use change impacts and food use competition, which lead to high prices and inability to completely displace fossil fuel [1-2]. In recent years, use of microalgae as an alternative biodiesel feedstock has gained renewed interest as these fuels are becoming increasingly economically viable, renewable, and carbon-neutral energy sources. One reason for this renewed interest derives from its promising growth giving it the ability to meet global transport fuel demand constraints with fewer energy supplies without compromising the global food supply. In this study, Chlorella protothecoides microalgae were cultivated under different conditions to produce high-yield biomass with high lipid content which would be converted into biodiesel fuel in tandem with the mitigation of high carbon dioxide concentration. The effects of CO2 using atmospheric and 15% CO2 concentration and light intensity of 35 and 140 µmol m-2s-1 on the microalgae growth and lipid induction were studied. The approach used was to culture microalgal Chlorella protothecoides with inoculation of 1×105 cells/ml in a 250-ml Erlenmeyer flask, irradiated with cool white fluorescent light at ambient temperature. Using these conditions we were able to determine the most suitable operating conditions for cultivating the green microalgae to produce high biomass and lipids. Nile red dye was used as a hydrophobic fluorescent probe to detect the induced intracellular lipids. Also, gas chromatograph mass spectroscopy was used to determine the CO2 concentrations in each culture flask using the closed continuous loop system. The goal was to study how the 15% CO2 concentration was being used up by the microalgae during cultivation. The results show that the condition of high light intensity of 140 µmol m-2s-1 with 15% CO2 concentration obtain high cell concentration of 7 x 105 cells mL-1 after culturing Chlorella protothecoides for 9 to 10 day in both open and closed systems respectively. Higher lipid content was estimated as indicated by fluorescence intensity with 1.3 to 2.5 times CO2 reduction emitted by power plants. The particle size of Chlorella protothecoides increased as well due to induction of lipid accumulation by the cells when culture under these condition (140 µmol m-2s-1 with 15% CO2 concentration).

Effect of temperature and moisture on high pressure lipid/oil extraction from microalgae

Commercially viable carbon–neutral biodiesel production from microalgae has potential for replacing depleting petroleum diesel. The process of biodiesel production from microalgae involves harvesting, drying and extraction of lipids which are energy- and cost-intensive processes. The development of effective large-scale lipid extraction processes which overcome the complexity of microalgae cell structure is considered one of the most vital requirements for commercial production. Thus the aim of this work was to investigate suitable extraction methods with optimised conditions to progress opportunities for sustainable microalgal biodiesel production. In this study, the green microalgal species consortium, Tarong polyculture was used to investigate lipid extraction with hexane (solvent) under high pressure and variable temperature and biomass moisture conditions using an Accelerated Solvent Extraction (ASE) method. The performance of high pressure solvent extraction was examined over a range of different process and sample conditions (dry biomass to water ratios (DBWRs): 100%, 75%, 50% and 25% and temperatures from 70 to 120 ºC, process time 5–15 min). Maximum total lipid yields were achieved at 50% and 75% sample dryness at temperatures of 90–120 ºC. We show that individual fatty acids (Palmitic acid C16:0; Stearic acid C18:0; Oleic acid C18:1; Linolenic acid C18:3) extraction optima are influenced by temperature and sample dryness, consequently affecting microalgal biodiesel quality parameters. Higher heating values and kinematic viscosity were compliant with biodiesel quality standards under all extraction conditions used. Our results indicate that biodiesel quality can be positively manipulated by selecting process extraction conditions that favour extraction of saturated and mono-unsaturated fatty acids over optimal extraction conditions for polyunsaturated fatty acids, yielding positive effects on cetane number and iodine values. Exceeding biodiesel standards for these two parameters opens blending opportunities with biodiesels that fall outside the minimal cetane and maximal iodine values.

Cultura de microalgas marinhas Isochrysis galbana , Green (variedade T. Iso) e Tetraselmis suecica (Kilin) Butch

The experimental cultures of the marine microalgae Isochrysis galbana Green (variety T. Iso) and Tetraselmis suecica (Kylin) Butch for feeding mussel larvae are described in detail.