O efeito da luz em cultivos fotossintéticos microalgais | The effect of light on photosynthetic microalgae cultures

Microalgae are the main natural source of a wide range of valuable compounds such as lipids, proteins, carbohydrates, pigments, and others. Despite many applications, only a few microalgae species are cultivated commercially because of the poorly developed cultivation process. Nowadays, some culture strategies have been used to increase the production of biomass and valuable compounds. In this case, the use of different light strategies in terms of quality, intensity, and photoperiods are recognized as key parameters in improving the yields of microalgae cultures, as well as in optimizing intracellular products. Given this scenario, the present work is based on an exploratory study about the effect that different lighting characteristics can affect microalgal photosynthetic cultures in order to improve the bioprocesses and compounds of interest. The work carried out in this doctoral thesis demonstrated that although the area of development of microalgae production systems has evolved a lot in recent years, until now, there is no system free of limitations, and these are closely related to the input of light energy in the cells. Thus, it was observed that the amount of light energy received and stored by cells in different photoperiods is directly related to biomass productivity and cell growth rate. The photoperiod conditions used in the study were separated into three groups: long-term photo-cycles (24:0, 22:2, 20:4, 18:6, 12:12, and 10:14 (h:h)), frequency photo-cycles (2, 4, 8, 12, 24, and 48 times per day (t/d)), and short photo-cycles (0.91:0.09, 0.83:0.17, 0.75:0.25, and 0.50:0.50 (s:s)) of light:dark, respectively. The results showed that the microalgae Scenedesmus obliquus CPCC05 was able to store enough energy to maintain its metabolism for up to 2 continuous hours of darkness. Among all the photo-cycles tested, the 22:2 h when divided into 2 cycles per day showed the highest cell productivity (21.43 mg/L.h), with a growth of up to 3700 mg/L. The results also showed that the modulation of light cycles improves the amount of energy received by the photosynthetic apparatus, positively increasing the production of lipids, fatty acids, protein amino acids, and sterols in Scenedesmus obliquus. The 2 t/d photo-cycle was the best condition for the production of total sterols, while the values of polyunsaturated fatty acids, lipids, and protein amino acids obtained higher yields in the short photo-cycle of 0.75:0.25. In general, although the use of sunlight as a light source in microalgae cultures is free and abundant, the ease of manipulating the ideal conditions of artificial lighting in photobioreactors can reduce the demand for light energy and, consequently, develop and optimize the systems. However, it is necessary to optimize these processes to mitigate the costs related to artificial energy and subject them to sustainability assessments so that they are acceptable at a commercial level.

Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior - CAPES

As microalgas são a principal fonte natural de uma vasta gama de compostos valiosos como lipídios, proteínas, carboidratos, pigmentos, entre outros. Apesar de muitas aplicações, apenas algumas espécies de microalgas são cultivadas comercialmente por causa do processo de cultivo pouco desenvolvido. Hoje em dia, algumas estratégias de cultura têm sido usadas para aumentar a produção de biomassa e compostos de valor. Nesse caso, a utilização de diferentes estratégias de luz em termos de qualidade, intensidade e fotoperíodos são reconhecidos como parâmetros-chave na melhoria dos rendimentos das culturas de microalgas, bem como na otimização de produtos intracelulares. Diante deste cenário, o presente trabalho fundamenta-se em um estudo exploratório acerca do efeito que diferentes características de iluminação pode afetar os cultivos fotossintéticos microalgais com o intuito de melhorar os bioprocessos e compostos de interesse. O trabalho desenvolvido nessa tese de doutorado demonstrou que apesar de a área de desenvolvimento de sistemas de produção de microalgas ter evoluído muito nos últimos anos, até o momento, não há um sistema livre de limitações e, estas são intimamente relacionados ao aporte de energia luminosa às células. Assim, observou-se que a quantidade de energia luminosa recebida e armazenada pelas células em diferentes fotoperíodos tem relação direta com a produtividade em biomassa e a taxa de crescimento celular. As condições de fotoperíodos utilizadas no estudo foram separados em três grupos: fotociclos de longa duração (24:0, 22:2, 20:4, 18:6, 12:12 e 10:14 (h:h)), fotociclos de frequência (2, 4, 8, 12, 24 e 48 vezes por dia (t/d)) e fotociclos de curta duração (0,91:0,09, 0,83:0,17, 0,75:0,25 e 0,50:0,50 (s:s)) de luz:escuro, respectivamente. Os resultados obtidos demonstraram que a microalga Scenedesmus obliquus CPCC05 foi capaz de armazenar energia suficiente para manter seu metabolismo por até 2 horas contínuas de escuro. Dentre todos os fotociclos testados, o de 22:2 h fracionado em 2 ciclos por dia apresentou a maior produtividade celular (21,43 mg/L.h), com um crescimento de até 3700 mg/L. Os resultados ainda evidenciaram que a modulação dos ciclos de luz permite melhorar a quantidade de energia recebida pelo aparato fotossintético, aumentando positivamente a produção de lipídeos, ácidos graxos, aminoácidos protéicos e esteróis em Scenedesmus obliquus. O fotociclo de 2 t/d foi a melhor condição para a produção de esteróis totais, enquanto os valores de ácidos graxos poliinsaturados, lipídios e aminoácidos protéicos obtiveram maiores rendimentos no fotociclo curto de 0,75:0,25. Em geral, apesar do aproveitamento da luz solar como fonte de luz em cultivos microalgais ser gratuita e abundante, a facilidade de manipular as condições ideais de iluminação artificial em fotobiorreatores pode reduzir a demanda de energia luminosa e, consequentemente, desenvolver e otimizar os sistemas. Contudo, torna-se necessário a otimização desses processos para amenizar os custos relacionados a energia artificial e submetê-los a avaliações de sustentabilidade para que sejam aceitáveis a nível comercial.