Influência das condições de cultivo da microalga Dunaliella tertiolecta na produção de carotenoides e lipídios

Abstract

A microalga marinha Dunaliella tertiolecta é um microrganismo unicelular fotossintético capaz de fixar dióxido de carbono da atmosfera e proveniente de gases de exaustão industrial e utilizá-lo como única fonte de carbono para o aumento da biomassa. Enquanto isso, além de biomassa, também é capaz de produzir quantidades consideráveis de carotenoides e lipídios, entre outras substâncias de grande interesse para indústrias alimentícias e farmacêuticas que buscam a utilização cada vez maior de compostos de fontes naturais em suas formulações. Neste trabalho foram estudados os efeitos da salinidade do meio (em concentração molar de NaCl), da temperatura, da intensidade de luz, da fonte e concentração de nitrogênio no cultivo da D. tertiolecta em fotobiorreator airlift, buscando o aumento na produção de biomassa, carotenoides e lipídios, bem como representar matematicamente este bioprocesso. Inicialmente, a influência da temperatura e da concentração salina foi estudada através de experimentos com meio de cultura f/2 padrão, com diferentes concentrações salinas. A temperatura e a concentração salina influenciaram de forma diferente os resultados obtidos. A temperatura teve forte influência na produção de biomassa, na biofixação de dióxido de carbono e na produção de lipídios pelas células. Por outro lado, a salinidade teve forte influência na produção dos carotenoides. A partir da avaliação e combinação dos resultados, foram determinadas as condições apropriadas de temperatura e salinidade do meio para maior produção de biomassa, lipídios e carotenoides simultaneamente: 28 °C e 0,715 M de NaCl. Seis carotenoides foram identificados por CLAE no extrato de D. tertiolecta: transluteína, trans-β-caroteno, trans-zeaxantina, trans-anteraxantina, trans-neoxantina e 9-cis-β-caroteno. Os carotenoides trans-luteína, trans-β-caroteno e trans-zeaxantina foram quantificados. As maiores quantidades de luteína, β-caroteno e zeaxantina obtidas nos experimentos foram, respectivamente, 1315 ± 36 μg g-1, 732 ± 51 μg g-1 e 244 ± 76 μg g-1. A partir destes resultados, cultivos foram realizados variando-se intensidade de luz e fonte e concentração de nitrogênio a fim de determinar a influência destes parâmetros. A intensidade de luz de 17,5 klx e concentração inicial de nitrato de sódio de 300 mg L-1 resultou nas maiores produtividades de biomassa (0,176 ± 0,005 g L-1 d-1), carotenoides (0,738 ± 0,038 mg L-1 d-1) e lipídios (16,68 ± 1,50 mg L-1 d-1). Os dados experimentais desses cultivos foram utilizados na etapa de estimação de parâmetros. Em comparação com modelos relatados na literatura, os modelos propostos apresentaram melhor ajuste para diferentes concentrações de nitrato de sódio testadas, com reduzido número de parâmetros.

The marine microalgae Dunaliella tertiolecta is a unicellular photosynthetic microorganism that can fix carbon dioxide from the atmosphere and from industrial exhaust gases, using it as the solely carbon source to increase biomass. Meanwhile, more than biomass, this microorganism also can produce great amounts of carotenoids, lipids and other substances of interest to pharmaceutical and food industries that seek to increase the use of compounds derived from natural sources in their formulations. In this work, the effects of medium salinity (in molar concentration of NaCl), temperature, light intensity and nitrogen source and concentration over the cultivation of D. tertiolecta in an airlift photobioreactor were studied aiming the increase of biomass, carotenoids and lipids production, as well the development of a mathematical model for this bioprocess. Initially, the influence of temperature and salt concentration was studied by experiments with standard f/2 culture medium, with different salt concentrations. Temperature and salt concentration differently affected the results. Temperature had a strong effect on biomass production, carbon dioxide biofixation and lipid production by the cells. On the other hand, salinity showed strong effect on carotenoid production. The appropriate temperature and medium salinity to increase simultaneously biomass, lipids and carotenoids was 28 °C and 0.715 M NaCl. Six carotenoids were identified in the extract of D. tertiolecta by HPLC: all-trans-lutein, all-trans-β-carotene, alltrans- zeaxanthin, all-trans-antheraxanthin, all-trans-neoxanthin and 9-cis-β-carotene. The carotenoids all-trans-lutein, all-trans-β-carotene and all-trans-zeaxanthin were quantified. The highest amount of lutein, β-carotene and zeaxanthin reached in the experiments were 1315 ± 36 μg g-1, 732 ± 51 μg g-1 and 244 ± 76 μg g-1, respectively. From these results, cultures were performed by varying light intensity and nitrogen source and concentration to determine the influence of these parameters. A light intensity of 17.5 klx and initial sodium nitrate concentration of 300 mg L-1 resulted in the highest biomass (0.176 ± 0.005 g L-1 d-1), carotenoid (0.738 ± 0.038 g L-1 d-1) and lipid (16.68 ± 1.50 g L-1 d-1) productivities. The experimental data of these cultures were used for parameter estimation. Compared to earlier models reported in the literature, the proposed models showed better fitting for different sodium nitrate concentrations tested with reduced number of parameters.