Manipulação da qualidade de luz como técnica para otimização da produção e da qualidade de biomassa de Spirulina (Arthrospira platensis)

Abstract

A cianobactéria spirulina (Arthrospira platensis) é uma microalga de alto valor nutricional e biológico. A indústria alimentícia tem explorado amplamente sua utilização devido ao elevado conteúdo de proteínas, vitaminas, minerais e ser fonte de pigmento azul natural (ficocianina), o qual é apontado como um promissor substituto dos corantes sintéticos, uma vez que estes geralmente são tóxicos, dependendo da concentração em que são adicionados aos alimentos. O interesse crescente na ficocianina se deve à sua ampla gama de aplicações, pois não necessita de processos químicos adicionais para utilização, é reconhecida como segura para consumo, além de apresentar uma coloração azul, que é incomum em organismos vivos e muitas vezes associada a toxinas em fontes minerais. Além de sua função como corante natural seguro, a ficocianina é reconhecida como um composto bioativo com uma gama de atividades terapêuticas, incluindo antioxidantes e anti-inflamatórias. Nos últimos anos a demanda por ficocianina aumentou acentuadamente. A concentração de ficocianina nas células de A. platensis é influenciada por alguns fatores de cultivo, os quais são capazes de provocar alterações na composição da biomassa. Entre estes fatores, a luz exerce um papel mútuo na qual a qualidade e a intensidade, exercem grande impacto sobre os cultivos, pois pode influenciar não apenas nos teores dos pigmentos, e outros metabólitos, mas também no crescimento celular; por exemplo: uma alta intensidade luminosa pode resultar em estresse foto-oxidativo, enquanto uma baixa iluminação pode reduzir o crescimento e aumentar o conteúdo de pigmentos. Portanto, o contínuo conhecimento das respostas fisiológicas e bioquímicas em função da modificação da luz é de grande interesse comercial, para otimizar a produção de biomassa e dos biocompostos de alto valor agregado. Entretanto, faz-se necessário maior compreensão sobre o efeito de diferentes comprimentos de onda dispostos em diferentes irradiâncias sob o crescimento e a produção de ficocianina em A. platensis. Em vista disso, o objetivo do presente estudo foi investigar o efeito sinérgico do comprimento de onda e da irradiância sob o crescimento, atividade fotossintética e o acúmulo de ficocianina. A pesquisa foi dividida em dois experimentos onde o experimento 1 avaliou o efeito de diferentes comprimentos de onda e intensidades de luz (12 comprimentos de onda com 5 irradiâncias) na resposta metabólica da microalga em relação a atividade fotossintética e crescimento de A. platensis e o experimento 2 o potencial efeito de 3 qualidade de luz (520nm, 590nm, 670nm) sob a mesma intensidade (163 µmols.m². s-1 ) como estímulo para maior acúmulo de ficocianina na biomassa de A. platensis. Com o presente estudo é possível concluir que os cultivos expostos a condições de iluminação na região vermelha do espectro eletromagnético obtiveram melhores taxas de crescimento e atividade fotossintética. Entretanto, a utilização de comprimentos de ondas de 570nm e 730nm tem maior potencial para manipulação metabólica da microalga, possivelmente influenciando nas condições para a produção de biomoléculas essenciais, tais como proteínas e ficocianina.

Abstract: The cyanobacterium Spirulina (Arthrospira platensis) is a microalga with high nutritional and biological value. The food industry has extensively explored its use due to its high protein, vitamin, mineral content, and being a source of natural blue pigment (phycocyanin); This pigment is considered a promising substitute for synthetic dyes, as these are generally carcinogenic or unsafe, depending on the concentration added to foods. The increasing interest in phycocyanin is due to its wide range of applications, as it does not require additional chemical processes for use, is recognized as safe for consumption, and presents a blue color, which is unusual in living organisms and often associated with toxins in mineral sources. In addition to its function as a safe natural dye, phycocyanin is recognized as a bioactive compound with a range of therapeutic activities, including antioxidant and antiinflammatory properties. In recent years, the demand for phycocyanin has increased sharply. The concentration of phycocyanin in A. platensis cells is influenced by some cultivation factors, which can cause changes in biomass composition. Among these factors, light plays a crucial role, where both quality and intensity have a significant impact on cultures, influencing not only pigment and other metabolite levels but also cell growth. For example, high light intensity can result in photo-oxidative stress, while low illumination can reduce growth and increase pigment content. Therefore, continuous understanding of physiological and biochemical responses to light modification is of great commercial interest to optimize biomass and high-value biocompound production. However, greater understanding of the effect of different wavelengths at different irradiances on the growth and phycocyanin production in A. platensis is needed. Therefore, the aim of this study was to investigate the synergistic effect of wavelength and irradiance on growth, photosynthetic activity, and phycocyanin accumulation. The research was divided into two experiments, where experiment 1 evaluated the effect of different wavelengths and light intensities (12 wavelengths with 5 irradiances) on the metabolic response of the microalgae regarding photosynthetic activity and growth of A. platensis, and experiment 2 assessed the potential effect of 3 light qualities (520nm, 590nm, 670nm) at the same intensity (163µmols.m².s-1) as a stimulus for increased phycocyanin accumulation in A. platensis biomass. With this study, it is possible to conclude that the cultures exposed to lighting conditions in the red region of the electromagnetic spectrum achieved better growth rates and photosynthetic activity. However, the use of wavelengths of 570nm and 730nm has greater potential for metabolic manipulation of the microalgae, possibly influencing the conditions for the production of essential biomolecules, such as proteins and phycocyanin