Trichoderma koningiopsis fermentation in Airlift bioreactor for bioinputs production

Abstract

O modelo tradicional de produção de alimentos enfrenta dificuldades devido ao uso excessivo de agroquímicos, que resultam em contaminação ambiental e impactam a saúde e a produtividade agrícola. Os bioherbicidas, que são produtos biológicos para controle de plantas invasoras, surgiram como uma alternativa para reduzir o uso de agroquímicos. No Brasil, o mercado de bioinsumos se expandiu, com uma nova legislação que incentiva o uso de produtos microbiológicos para o controle de pragas. Para esse fim, o uso de biorreatores e processos de fermentação otimizados são cruciais para garantir a eficiência e a qualidade desses produtos. Portanto, o principal objetivo desta tese foi otimizar um processo de fermentação a partir de biomassa de microalgas em um biorreator airlift, avaliar seu potencial bioherbicida e explorar outras aplicações biotecnológicas adicionais do bioproduto resultante. Para isso, estudamos os parâmetros do processo fermentativo de um extrato fúngico, quantificamos enzimas envolvidas na atividade bioherbicida (amilase, celulase, lacase, lipase e peroxidase) nos extratos obtidos e avaliamos a eficiência agronômica por meio de testes de promoção de crescimento e nodulação de soja, germinação de sementes de soja e controle in vitro de fitopatógenos. Também investigamos a citotoxicidade do extrato fúngico fermentado e otimizado, que foi fracionado utilizando solventes de diferentes polaridades para avaliar atividades antitumorais in vitro em linhagens celulares tumorais A549 e células Vero não tumorais. Por fim, estudamos o comportamento do mesmo processo fermentativo, porém utilizando um substrato diferente, microalgas que são cultivadas como tratamento de esgoto de efluentes sanitários. Os resultados obtidos evidenciam uma condição fermentativa otimizada, com produção de enzimas de interesse agronômico e industrial. A condição otimizada possui as seguintes características: 200 g de biomassa microalgal úmida, aeração de 8 LPM, temperatura de 28 ºC, pH 8,3, 400 mL de antiespumante diluído no meio de fermentação e volume final de 2,0 L. O extrato fermentado demonstrou ser eficiente no controle biológico de patógenos e na promoção do crescimento da soja. Além disso, o extrato apresentou baixa citotoxicidade, pois não afetou a proliferação de células normais. A adaptação do processo para utilização de microalgas residuais também demonstrou viabilidade, tornando o bioprocesso mais sustentável e econômico. A pesquisa contribui para o desenvolvimento de práticas agrícolas mais sustentáveis, destacando a importância dos bioherbicidas e do uso de bioprocessos eficientes para produção de bioinsumos, pois nos permitiu ampliar nossa compreensão sobre fermentações em biorreatores airlift, destacando a importância da otimização das condições do bioprocesso para melhorar a produtividade e a qualidade dos bioprodutos.

Abstract: The traditional food production model faces difficulties due to the excessive use of agrochemicals, which result in environmental contamination and impacts health and agricultural productivity. Bioherbicides, which are biological products for controlling invasive plants, have emerged as an alternative to reduce the use of agrochemicals. In Brazil, the bioinput market has expanded, with new legislation that encouraging microbiological products for pest control. To this end, the use of bioreactors and optimized fermentation processes are crucial to ensure the efficiency and quality of these products. Therefore, the main objective of this thesis was to optimize a fermentation process using microalgal biomass in an airlift bioreactor, evaluate its bioherbicidal potential, and explore additional biotechnological applications of the resulting bioproduct. To this end, we studied the parameters of the fermentation process of a fungal extract and quantified enzymes involved in the bioherbicidal activity (amylase, cellulase, laccase, lipase, and peroxidase) in the extracts obtained. We evaluated agronomic efficiency through growth promotion tests and soybean nodulation, soybean seed germination and in vitro control of phytopathogens. We dedicated ourselves to investigating the cytotoxicity of the fermented and optimized fungal extract, which was fractionated using solvents of different polarities to evaluate in vitro antitumor activities in A549 tumor cell lines and non-tumor Vero cells. Finally, we studied the behavior of the same fermentation process, but using a different substrate, microalgae, cultivated as a sewage treatment from sanitary effluents. The results highlight an optimized fermentation condition, with agronomic and industrial interest in the production of enzymes. The optimized condition has the following characteristics: 200 g of wet microalgal biomass, an aeration of 8 LPM, temperature of 28 ºC, pH 8.3, 400 mL of antifoam diluted in the fermentation medium and final volume of 2.0 L. The fermented extract proved efficient in the biological control of pathogens and in promoting soybean growth. In addition, the extract presented low cytotoxicity because it did not affect the proliferation of normal cells. Adapting the process to use residual microalgae also showed feasibility, making bioprocess more sustainable and economical. The research contributes to the development of more sustainable agricultural practices, underscoring the importance of bioherbicides and the use of efficient bioprocesses to produce bioinputs, as allowed us to expand our understanding of fermentations in airlift bioreactors, highlighting the importance of optimizing bioprocess conditions to improve the productivity and quality of bioproducts.