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Publication
Induction of high value metabolites in industrial microalgal strains using artificially flashing light
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Authors
Abstract(s)
Algae are promising organisms with many applications as they can metabolise various (high-value) compounds, including pigments and fatty acids that present great potential as supplements in the human diet. As a result, algal biomass with an enhanced nutritional/biochemical profile regarding these target compounds has a high value on the market. A common strategy to improve microalgal biocompounds production is exposing the culture to stress conditions. However, these conditions often lead to biomass losses due to the long time needed (e.g., days or weeks). To overcome this problem, the time required for such stress conditions should be diminished. Thus, in this thesis, Nannochloropsis oceanica and Phaeodactylum tricornutum were exposed to stress conditions (flashing light - FL) for four days, under a two-stage outdoor cultivation approach, to accumulate higher protein, lipids, carbohydrates, fatty acids or pigments content. In the first stage, cultures were exposed to sunlight until they reached the desired concentration (~2 and 1 g DW L -1 for N. oceanica and P. tricornutum, respectively). The second stage started when cultures were exposed to sunlight combined with low frequency FL (f = 0.5 (FL0.5), 5 (FL5) Hz; DC=0.05), continuous light (CL) or without additional light (SUN). Additionally, the effects of FL were benchmarked against different covariates (“trial”, “harvesting timepoint”, “induction time”, “biomass concentration” and “biomass productivity”). Generally, there were no significant differences between treatments (FL0.5, FL5, SUN and CL) in either species, with some exceptions. In P. tricornutum, protein and carbohydrate contents were significantly higher in cells exposed to FL5 compared to SUN and in cells exposed to CL and SUN compared to FL0.5, corresponding to 0.16 and 1.5-fold increases, respectively. In N. oceanica, pigment productivity had significant differences. Cells exposed to SUN conditions presented a 10.5-fold increase in violaxanthin productivity compared to those under FL0.5 and CL, whereas zeaxanthin productivity increased 2-fold under SUN conditions when compared to FL0.5. Regarding covariates, “trial” was the one with the highest effect on treatments. In conclusion, FL only affected protein and carbohydrate content, and violaxanthin and zeaxanthin productivities in P. tricornutum and N. oceanica¸ respectively, when considering the studied covariates.
As algas são organismos promissores com inúmeras aplicações, sendo utilizados como fontes para produtos farmacêuticos, alimentares, biocombustíveis e biomateriais. Estas conseguem metabolizar vários compostos com elevado valor, incluindo glícidos, proteínas, pigmentos, lípidos e ácidos gordos, que apresentam grande potencial como suplementos na dieta humana. Os pigmentos, incluindo os carotenoides, apresentam várias propriedades interessantes, tais como antioxidantes, antivirais, antimicrobianas, anti-inflamatórias e anticancerígenas. Uma vez que o ser humano e os animais não conseguem sintetizar carotenoides, estes devem ser absorvidos através da nossa alimentação, como por exemplo, através do consumo de microalgas. Os ácidos gordos, incluindo os ácidos gordos pol-insaturados (PUFA), nomeadamente o ácido eicosapentenóico (EPA) e o ácido docosahexenóico (DHA), conseguem prevenir, retardar e intervir em várias doenças, como a hipertensão, diabetes, doenças inflamatórias e auto-imunes, a depressão, alguns tipos de cancro, as doenças cardiovasculares, entre outras. Em consequência, a biomassa de algas com um perfil bioquímico melhorado em relação a estas biomoléculas alvo apresenta valores elevados no mercado. Por exemplo, a microalga Phaeodactylum tricornutum, uma das diatomáceas melhor caraterizadas até à data, apresenta uma composição bioquímica rica em ácidos gordos, nomeadamente EPA, e em pigmentos, nomeadamente a fucoxantina. Esta é uma espécie de interesse em aplicações biotecnológicas para uso em sumplementos alimentares e alimentos para peixes. Outra espécie com interesse biotecnológico, e também bastante conhecida, é a Nannochloropsis oceanica. Esta apresenta características bioquímicas igualmente interessantes, com um elevado teor em ácidos grodos, nomeadamente EPA e DHA, bem como pigmentos, incluindo as clorofilas, violaxantina e β-caroteno. Uma estratégia comum para melhorar a produção destes biocompostos é a exposição da cultura a condições de stress. No entanto, estas condições conduzem, geralmente, à perda de biomassa devido ao longo tempo necessário para induzir o stress. Para ultrapassar este problema, são implementadas estratégias de cultivo em duas fases. Numa primeira fase, são aplicadas condições ótimas de crescimento e, numa segunda fase, a produção de biocompostos é induzida através de condições de stress, tais como salinidade elevada, temperatura elevada e privação de nutrientes. Em alternativa, estudos recentes mostraram que o uso de luz intermitente (FL) de baixas frequências (f) e ciclos de trabalho (DC) curtos melhoravam a composição bioquímica das microalgas quando aplicada na segunda fase duma abordagem em cultivo de duas fases. No entanto, os estudos anteriores centraram-se principalmente em experiências laboratoriais, ou seja, em pequena escala e em experiências em laboratório com parâmetros abióticos controlados. A aplicação de luz intermitente na segunda fase desmonstrou ser muito eficaz na indução de pigmentos e ácidos gordos nas microalgas. No entanto, falta uma prova de conceito deste processo à escala industrial. Nesta tese, duas microalgas marinhas, N. oceanica e P. tricornutum, foram cultivadas em estratégia de cultivo duas fases, em outdoor, em que as células, numa primeira fase, foram cultivadas sob condições ótimas de crescimento e, numa segunda fase, foram expostas a luz intermitente de baixa frequência (f=0,5 (FL0.5), 5 (Fl5) Hz; DC=0,05). Assim, o objetivo principal foi estudar o efeito da luz intermitente nestas duas espécies durante produção à escala piloto em exterior (outdoor) no crescimento e produtividade da biomassa, bem como no conteúdo e produtividade dos biocompostos (proteína total, lípidos totais, glícidos, ácidos gordos e pigmentos). Além disso, esta tese teve como sub-objetivos analisar o efeito de diferentes covariáveis relativamente ao efeito da luz intermitente e ao crecimento e composição bioquímica, incluindo “ensaios” (“trial”), “tempo de colheita” (“harvesting timepoint”), “dias de indução” (“induction time”), e “concentração de biomassa” (“biomass concentration”). De um modo geral, não se verificaram diferenças significativas entre os tratamentos (FL0.5, FL5, SUN e CL) em nehuma das espécies, com algumas exceções. Em P. tricornutum, os teores de proteínas e glícidos foram significativamente superiores em células expostas à condição de FL5 em relação a SUN e em células expostas à condição de CL e SUN comparado a FL0.5, o que corresponde a um aumento de 0,16 e 1,5 vezes. Em N. oceanica, a produtividade de pigmentos apresentou diferenças significativas entre os tratamentos. As células cultivadas sob condições de SUN apresentaram um aumento de 10,5 vezes na produtividade de violaxantina comparadas com aquelas sob FL0.5 e CL, enquanto que a produtividade de zeaxantina aumentou 2 vezes sob condições de SUN quando comparada a FL0.5. No entanto, as diferenças mencionadas só foram confirmadas quando controladas para todas as covariáveis analisadas. Relativamente às mesmas, “ensaio” (“trial”) foi a covariável que teve o maior efeito nos tratamentos. Em conclusão, a FL apenas afectou o conteúdo de proteínas e glícidos, bem como a produtividade de violaxantina e zeaxantina em P. tricornutum e N. oceanica¸ respetivamente, quando consideradas todas as covariáveis. Uma vez que a experiência foi realizada ao ar livre (outdoor), as variáveis externas, como a temperatura, irradiância e fotoperíodo, podem ter tido um maior impacto no comportamento das microalgas do que o efeito da própria luz intermitente, o que pode ter contribuído para o efeito não significativo dos tratamentos. Assim, em estudos futuros, estas variáveis externas devem ser consideradas e medidas, bem como a realização de um maior número de ensaios.
As algas são organismos promissores com inúmeras aplicações, sendo utilizados como fontes para produtos farmacêuticos, alimentares, biocombustíveis e biomateriais. Estas conseguem metabolizar vários compostos com elevado valor, incluindo glícidos, proteínas, pigmentos, lípidos e ácidos gordos, que apresentam grande potencial como suplementos na dieta humana. Os pigmentos, incluindo os carotenoides, apresentam várias propriedades interessantes, tais como antioxidantes, antivirais, antimicrobianas, anti-inflamatórias e anticancerígenas. Uma vez que o ser humano e os animais não conseguem sintetizar carotenoides, estes devem ser absorvidos através da nossa alimentação, como por exemplo, através do consumo de microalgas. Os ácidos gordos, incluindo os ácidos gordos pol-insaturados (PUFA), nomeadamente o ácido eicosapentenóico (EPA) e o ácido docosahexenóico (DHA), conseguem prevenir, retardar e intervir em várias doenças, como a hipertensão, diabetes, doenças inflamatórias e auto-imunes, a depressão, alguns tipos de cancro, as doenças cardiovasculares, entre outras. Em consequência, a biomassa de algas com um perfil bioquímico melhorado em relação a estas biomoléculas alvo apresenta valores elevados no mercado. Por exemplo, a microalga Phaeodactylum tricornutum, uma das diatomáceas melhor caraterizadas até à data, apresenta uma composição bioquímica rica em ácidos gordos, nomeadamente EPA, e em pigmentos, nomeadamente a fucoxantina. Esta é uma espécie de interesse em aplicações biotecnológicas para uso em sumplementos alimentares e alimentos para peixes. Outra espécie com interesse biotecnológico, e também bastante conhecida, é a Nannochloropsis oceanica. Esta apresenta características bioquímicas igualmente interessantes, com um elevado teor em ácidos grodos, nomeadamente EPA e DHA, bem como pigmentos, incluindo as clorofilas, violaxantina e β-caroteno. Uma estratégia comum para melhorar a produção destes biocompostos é a exposição da cultura a condições de stress. No entanto, estas condições conduzem, geralmente, à perda de biomassa devido ao longo tempo necessário para induzir o stress. Para ultrapassar este problema, são implementadas estratégias de cultivo em duas fases. Numa primeira fase, são aplicadas condições ótimas de crescimento e, numa segunda fase, a produção de biocompostos é induzida através de condições de stress, tais como salinidade elevada, temperatura elevada e privação de nutrientes. Em alternativa, estudos recentes mostraram que o uso de luz intermitente (FL) de baixas frequências (f) e ciclos de trabalho (DC) curtos melhoravam a composição bioquímica das microalgas quando aplicada na segunda fase duma abordagem em cultivo de duas fases. No entanto, os estudos anteriores centraram-se principalmente em experiências laboratoriais, ou seja, em pequena escala e em experiências em laboratório com parâmetros abióticos controlados. A aplicação de luz intermitente na segunda fase desmonstrou ser muito eficaz na indução de pigmentos e ácidos gordos nas microalgas. No entanto, falta uma prova de conceito deste processo à escala industrial. Nesta tese, duas microalgas marinhas, N. oceanica e P. tricornutum, foram cultivadas em estratégia de cultivo duas fases, em outdoor, em que as células, numa primeira fase, foram cultivadas sob condições ótimas de crescimento e, numa segunda fase, foram expostas a luz intermitente de baixa frequência (f=0,5 (FL0.5), 5 (Fl5) Hz; DC=0,05). Assim, o objetivo principal foi estudar o efeito da luz intermitente nestas duas espécies durante produção à escala piloto em exterior (outdoor) no crescimento e produtividade da biomassa, bem como no conteúdo e produtividade dos biocompostos (proteína total, lípidos totais, glícidos, ácidos gordos e pigmentos). Além disso, esta tese teve como sub-objetivos analisar o efeito de diferentes covariáveis relativamente ao efeito da luz intermitente e ao crecimento e composição bioquímica, incluindo “ensaios” (“trial”), “tempo de colheita” (“harvesting timepoint”), “dias de indução” (“induction time”), e “concentração de biomassa” (“biomass concentration”). De um modo geral, não se verificaram diferenças significativas entre os tratamentos (FL0.5, FL5, SUN e CL) em nehuma das espécies, com algumas exceções. Em P. tricornutum, os teores de proteínas e glícidos foram significativamente superiores em células expostas à condição de FL5 em relação a SUN e em células expostas à condição de CL e SUN comparado a FL0.5, o que corresponde a um aumento de 0,16 e 1,5 vezes. Em N. oceanica, a produtividade de pigmentos apresentou diferenças significativas entre os tratamentos. As células cultivadas sob condições de SUN apresentaram um aumento de 10,5 vezes na produtividade de violaxantina comparadas com aquelas sob FL0.5 e CL, enquanto que a produtividade de zeaxantina aumentou 2 vezes sob condições de SUN quando comparada a FL0.5. No entanto, as diferenças mencionadas só foram confirmadas quando controladas para todas as covariáveis analisadas. Relativamente às mesmas, “ensaio” (“trial”) foi a covariável que teve o maior efeito nos tratamentos. Em conclusão, a FL apenas afectou o conteúdo de proteínas e glícidos, bem como a produtividade de violaxantina e zeaxantina em P. tricornutum e N. oceanica¸ respetivamente, quando consideradas todas as covariáveis. Uma vez que a experiência foi realizada ao ar livre (outdoor), as variáveis externas, como a temperatura, irradiância e fotoperíodo, podem ter tido um maior impacto no comportamento das microalgas do que o efeito da própria luz intermitente, o que pode ter contribuído para o efeito não significativo dos tratamentos. Assim, em estudos futuros, estas variáveis externas devem ser consideradas e medidas, bem como a realização de um maior número de ensaios.
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Keywords
Nannochloropsis oceanica Phaeodactylum tricornutum Flashing lights Biochemical composition Fatty acids Pigments