Caracterização fisiológica e metabólica de diatomáceas cultivadas sob diferentes concentrações de silício e nitrogênio

Abstract

A crescente busca por fontes altenativas de energia impulsiona as pesquisas ligadas a cadeia produtiva de biocombustíveis. Neste contexto, as microalgas podem ser utilizadas como fonte de biomassa alternativa às plantas terrestres. Entre os grupos de microalgas encontrados na natureza as diatomáceas têm recebido grande atenção devido ao acúmulo de lipídeos neutros e produção de lipídeos raros que muitas espécies deste grupo apresentam. Estudos recentes com diatomáceas têm demonstrado que estresses causados por deficiência nutricional podem estimular a biossíntese de lipídeos. O nitrogênio é um dos principais nutrientes cuja disponibilidade esta relacionada com a biossíntese de lipídeos em microalgas. Entretanto, apesar dos efeitos positivos dessa limitação, os mecanismos que levam a reprogramação metabólica em face de limitação de N promovendo a biossíntese de lipídeos ainda são muito pouco conhecidos em diatomáceas. Assim, com intuito de estudar o comportamento de diatomáceas foi realizado um experimento utilizando duas cepas de diatomáceas do gênero Nitzschia sp. BR006 e BR022, cultivadas em meios com 0, 5, 26 e 107 mM de N utilizado no meio BG11, comumente utilizado no cultivo de microalgas. Após a instalação do experimento uma caracterização detalhada de parâmetros fisiológicos e análise metabolômica e lipidômica foi realizada nas fases de adaptação, logaritimica e estacionária. Posteriormente, análises multivariadas revelaram que diferenças metabólicas e fisiológicas entre as duas cepas. As maiores alterações foram encontradas entre o tratamento controle (107 mM de N) e no sem N para cada cepa. Nas células cultivadas sem N (0 mM de N) foram observadas diminuição da taxa de crescimento e das taxas fotossintéticas para ambas cepas, sendo que em BR006 foram encontradas mais alterações. Foi constatado a diminuição de aminoácidos de cadeia ramificada, leucina, isoleucina e valina, quando o cultivos foi realizado na ausência de N, assim como o aumento dos intermediários da via glicolítica e de intermediário do ciclo TCA. No metabolismo de lipídeos pode-se observar aumento de TAGs e diminuição dos lipídeos de membrana como MGDGs e DGDGs nos cultivos sem N. Deve-se ressaltar no entanto, que as alterações foram menos pronunciadas em BR022, evidenciando que esta cepa faz melhor reaproveitamento do N em situações de deficiência. Em um segundo experimento, objetivando o desenvolvimento de meios alternativos a base de água residuária da indústria petrolífera, duas cepas de diatomáceas, Cyclotella sp. BR021 e Nitzschia sp. BR022, foram cultivadas emmeios com diferentes concentrações de ureia e silicato de sódio. Para encontrar as concentrações de uréia e silicato necessárias para maior crescimento e produção de lipídeos utilizou-se um delineamento composto central rotacional (DCCR). Obeservou-se que o silicato de sódio foi importante para o crescimento das duas cepas, sendo que em maiores concentrações deste nutriente foram obtidas as maiores quantidades de biomassa seca. Quanto a produção de lipídeos verificou-se diferentes respostas entre as duas cepas testadas. A BR021 apresentou maior produção de lipídeos em menores doses de N associadas a altas doses de silicato. Enquanto que BR022 não apresentou diferença significativa com as doses de ureia utilizadas e baixas doses de silicato estimularam o acúmulo de lipídeos. Tomados em conjunto podemos concluir que estresses nutricionais podem ser uma forma importante para estimular acúmulo de lipídeos, que são a matéria prima para produção de biodiesel. Ao mesmo tempo, os experimentos realizados sugerem que a água residuária pode ser utilizada como uma fonte viável de nutrientes para o cultivo de diatomáceas em escala industrial. Além de reduzir o custo a utilização de água de efluentes permite e dando um destino ecologicamente correto ao rejeito.

Increasing search for energy source drives research related to biofuels production chain. In this context, microalgae are an alternative to terrestrial plant biomass source. Between microalgae groups found in nature diatoms have received great attention due to accumulation of neutral lipids present in many species. Recent studies have shown thar diatoms stresses caused by nutritional deficiency stimulate lipids biosynthesis. Nitrogen is one of more important nutrient whose availability is related to the lipids biosynthesis in microalgae. However, despite positive impact of this limitation, mechanisms that lead to metabolic reprogramming in nitrogen starvation promoting lipids biosynthesis of are still poorly understood in diatoms. Thus, in order to study diatoms behavior an experiment was performed using two diatoms strains, Nitzschia sp. BR006 and Nitzschia sp. BR022, grown in media with 0, 5, 26 and 107 mM of nitrogen used in BG11 medium, commonly used in microalgae cultivation. After experiment a detailed characterization of physiological parameters, metabolomics and lipidomics analysis was performed on adaptation, logarithmic and stationary growth phase. Thereafter, multivariate analysis revealed that metabolic and physiological differences between two strains. The biggest changes were found between control treatment (100 mM N) and no nitrogen treatment for each strain. Growth rate and photosynthetic rates in starvation (0 mM N) decreased for both strains, and in BR006 more changes were found. The decrease branched chain amino acids leucine, isoleucine and valine was found when strains was conducted in nitrogen absence, as well as increase of glycolytic pathway and TCA cycle intermediate. In lipid metabolism was observed an increase in TAG and decreased I membrane lipids as MGDGs and DGDGs in nitrogen starvation (0 mM de N). However, it should be noted that changes were less pronounced in BR022, indicating that this strain does best nitrogen recycling in deficiency situations. In a second experiment, aimed to developing alternative wastewater medium two diatoms strains, Cyclotella sp. BR021 and Nitzschia sp. BR022, with different concentrations of urea and sodium silicate were cultured. Order to find urea and silicate concentrations necessary for growth and lipids production used a rotatable central composite design (RCCD). It was observed that sodium silicate was important for growth of both strains and in higher nutrient concentration larger quantities of dry biomass were obtained. As lipids production found were different responses between the two strains tested. Strain BR021 showed higher lipids production in lower nitrogen levels associated with high silicate concentration. While BR022 showed no significant difference in urea levels low silicate concentration stimulated lipid accumulation. Taken together we can conclude that nutritional stress may be an important way to stimulate accumulation of lipids, which are feedstock for biodiesel production. At same time, experiments suggest that wastewater can be used as a viable source of nutrients for diatoms cultivation in an industrial scale. Besides reducing cultivation cost use of wastewater allows a correct ecologically destination reject.