CULTIVO DA MICROALGA Spirulina platensis SOB ILUMINAÇÃO FORNECIDA POR UM SISTEMA DE LED (LIGHT EMITTING DIODE)

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1 CULTIVO DA MICROALGA Spirulina platensis SOB ILUMINAÇÃO FORNECIDA POR UM SISTEMA DE LED (LIGHT EMITTING DIODE) Leonardo Freitas Galvão de Albuquerque 1, Jefferson Pablo de Sousa Saboya 2, José de Souza Júnior 3, Wladimir Ronald Lobo Farias 4 1 Docente, Instituto Federal do Ceará, Campus avançado Morada Nova, , Julia Santiago, Morada Nova, Ceará, Brazil, anderson.coelho@ifce.edu.br 2 Doutorando em Engenharia de Pesca, Universidade Federal do Ceará, Campus Pici, , Pici, Fortaleza, Ceará, Brazil. 3 Graduando em Engenharia de Pesca, Universidade Federal do Ceará, Campus Pici, , Pici, Fortaleza, Ceará, Brazil. 4 Docente, Universidade Federal do Ceará, Campus Pici, , Pici, Fortaleza, Ceará, Brazil. Resumo As microalgas são um grupo de organismos extremamente heterogêneo. Esse grupo de organismos apresenta um forte potencial produtivo com grande quantidade de compostos com aplicações nas indústrias alimentícia, farmacêutica, cosmética e até mesmo na indústria de biocombustíveis, podendo ainda atuar no tratamento de efluentes. Comparados às lâmpadas fluorescentes convencionais, os LEDs light emitting diodes, com características de comprimento de onda específicos e baixo consumo de energia, são considerados como uma ótima fonte de luz para o cultivo de microalgas, bem como para o estudo dos efeitos do comprimento de onda no desenvolvimento desses micro-organismos. O presente trabalho teve por objetivo a avaliação do crescimento da microalga Spirulina platensis cultivada sob um sistema de iluminação equipado com LEDs. O experimento foi realizado no laboratório de planctologia do Departamento de Engenharia de Pesca da Universidade Federal do Ceará. Foram realizados tratamentos com lâmpadas fluorescentes convencionais e com LEDs vermelhos e azuis. Os resultados mostraram o crescimento mais lento dos cultivos realizados com a utilização dos LEDs, embora estudos realizados demonstrem o aumento na produção específica de alguns compostos bioativos em outras espécies de microalgas. Palavras-chave: Efluentes, microalgas, LEDs 1

2 INTRODUÇÃO As microalgas são um grupo de organismos extremamente heterogêneo. São usualmente microscópicos, unicelulares, foto autotróficos, podendo ser coloniais com pouca ou nenhuma diferenciação celular, contendo pigmentos fotossintéticos e acessórios. Filogeneticamente, as microalgas podem ser eucarióticas ou procarióticas. Essa grande diversidade torna o grupo das microalgas uma potencial fonte de uma grande quantidade de compostos com aplicações nas indústrias alimentícia, farmacêutica, cosmética e até mesmo na indústria de biocombustíveis, podendo ainda atuar no tratamento de efluentes (OLAIZOLA, 2003). A microalga Spirulina platensis é uma cianobactéria de hábito planctônico pertencente à divisão Cyanophyta, que forma populações massivas em corpos d água tropicais e subtropicais aproveitando os nutrientes presentes e contribuindo para melhoria da qualidade da água. A energia proveniente da luz utilizada no processo de fotossíntese é capturada por pigmentos fotossintéticos contidos nas células, como as clorofilas, ficocianobilinas e carotenóides (VONSHAK, 1997). Comparados às lâmpadas fluorescentes convencionais, os recentemente desenvolvidos LEDs light emitting diodes, com características de comprimento de onda específicos e baixo consumo de energia, são considerados como uma ótima fonte de luz para o cultivo de microalgas, bem como para o estudo dos efeitos do comprimento de onda no desenvolvimento desses micro-organismos (WANG et al., 2007). Operações de pulsação e um design eficiente e preciso, são possíveis de serem alcançados em sistemas compostos de LEDs através de uma distribuição definida de luz e um circuito bastante pequeno, ainda com as vantagens da alta eficiência, baixo consumo de energia, baixa liberação de calor e vida útil bastante prolongada (JOHNSEN, 2006). Recentemente, os LEDs têm sido usados em vários estudos, como crescimento de mudas de plantas in vitro (NHUT et al., 2003), crescimento de células e para induzir a produção de astaxantina na microalga Haematococcus pluviatilis (KATSUDA et al., 2006), bem como para o crescimento da microalga Spirulina platensis (WANG et al., 2007). 2

3 MATERIAL E MÉTODOS As cepas da microalga Spirulina platensis foram obtidas de um cultivo mantido no Laboratório de Planctologia do Departamento de Engenharia de Pesca, Centro de Ciências Agrárias da UFC. O meio de cultivo utilizado foi o meio convencional Venkataraman, preparado com cloreto de sódio (30 g L -1 ), bicarbonato de sódio (10 g L -1 ) e os fertilizantes agrícolas, nitrogênio, fósforo e potássio NPK (1,0 g L -1 ) e superfosfato triplo (0,1 g L -1 ). Para a realização do experimento, foram preparados 120 litros de meio de cultivo, distribuídos em três aquários que receberam aeração constante durante 24 horas para homogeneização da mistura e eliminação do cloro contido na água. Uma pequena porção desse meio foi utilizada para o preparo de 6 L de inóculo, a partir da cepa inicial de Spirulina platensis. Nesse experimento foram usados dois tratamentos com três repetições cada. No primeiro tratamento foram utilizados três aquários (30 L) iluminados com placas eletrônicas equipadas com um sistema de LEDs, sendo uma fileira de LEDs vermelhos e outra de LEDs azuis, com comprimentos de onda de 720 nm e 475 nm, respectivamente. A iluminância, medida na superfície da água, ficou em torno de Lux. No segundo tratamento foram utilizados três aquários (30 L) iluminados por duas lâmpadas fluorescentes de 20 W, as quais forneciam uma iluminância de Lux na superfície da água. Os aquários dos dois tratamentos receberam aeração constante e a temperatura da sala foi mantida em 28 ± 2ºC. Os dois sistemas de aquários foram dispostos lado a lado em uma bancada e isolados com anteparas de madeira para que fosse garantida a influência exclusiva da iluminação de cada tratamento (Figura 1). Para iniciar o experimento, o inóculo (6 L) foi distribuído igualmente entre os 6 aquários. Figura 1 Sistema de cultivo com LEDs e sistema de cultivo com lâmpadas fluorescentes de 20 W. 3

4 O cultivo de S. platensis foi monitorado, a cada dois dias, através de espectrofotometria e contagem direta de tricomas em microscópio. Para isso, foi retirada uma amostra de 1 ml da água de cada aquário e levada ao espectrofotômetro (Ultrospec 1000, Pharmacia-Biotech) para leitura da absorbância a 680 nm. Em seguida, uma alíquota de 50 μl desta mesma amostra foi disposta em uma lâmina de vidro e levada a um microscópio (Olympus, modelo BX41TF) para contagem dos tricomas de Spirulina platensis. Os dados de contagem de tricomas e valores de absorbância a 680 nm foram submetidos a uma análise de correlação e, posteriormente, utilizados para determinação da equação de regressão linear, sendo a curva de crescimento expressa tanto em valores de absorbância como em número de células ml -1, por dia de cultivo. RESULTADOS E DISCUSSÃO Influência do tipo de luz nas curvas de crescimento de Spirulina platensis Como pode ser observado nas Figuras 2 e 3, as microalgas cultivadas sob a iluminação dos LEDs azuis e vermelhos apresentaram um desenvolvimento mais lento do que as microalgas iluminadas por lâmpadas fluorescentes convencionais (20 W). No entanto, apesar disso, o desvio padrão entre as três repetições foi bem menor devido à maior uniformidade no fornecimento de luz pelos LEDs, já que cada aquário recebeu uma placa eletrônica individual. 4

5 Tratamento Controle 0,6 0,5 0,4 Absorbência 0,3 0,2 0,1 0, Dias de cultivo Figura 2 Curvas de crescimento da microalga Spirulina platensis, expressa em valores de absorbância a 680 nm, obtidas a partir de cultivos iluminados com LEDs ( ) e com lâmpadas fluorescentes convencionais ( ). 700 Tratamento Controle 600 Número de células Dias de cultivo Figura 3 Curvas de crescimento da microalga Spirulina platensis, expressa em número de tricomas L -1, obtidas a partir de cultivos iluminados com LEDs ( ) e com lâmpadas fluorescentes convencionais ( ). Apesar da diferença na produtividade dos dois tipos de cultivo, o perfil das curvas de crescimento foi muito semelhante, principalmente quando elas foram expressas em valores de 5

6 absorbância (Figura 2). Em ambos os cultivos, é evidente uma pronunciada fase de indução (lag) do 2º ao 10º dia. A partir do 10º dia, os cultivos entraram na fase exponencial de crescimento (log) que se prolongou até o 18º dia. Do 18º ao 24º dia, ficou caracterizada a fase de redução do crescimento relativo nos dois tipos de cultivo. Um estudo realizado no Departamento de Engenharia Química da Universidade de Taiwan, na China, testou vários LEDs com diferentes comprimentos de onda no crescimento da microalga Spirulina platensis. Os resultados mostraram que os LEDs vermelhos promoveram a maior produção de biomassa, enquanto que uma produção mais baixa foi obtida com o uso de LEDs azuis, devido à menor absorção da clorofila, no respectivo comprimento de onda (WANG et al., 2007). Por outro lado, trabalhos realizados com a microalga Haematococcus pluviatilis demonstraram a eficácia dos LEDs azuis no aumento da produção de astaxantina, sendo os de cor vermelha a melhor opção para a multiplicação das células (KATSUDA et al., 2004; KATSUDA et al., 2006; LABABPOUR et al., 2004; LABABPOUR et al., 2005). Dessa forma, apesar do desenvolvimento das culturas de S. platensis com os LEDs azuis e vermelhos não ter sido tão acelerado, deve-se investigar a possibilidade de uma maior produção de pigmentos, tais como a ficocianina e o β-caroteno. CONCLUSÃO Do presente estudo pôde-se concluir que a iluminação fornecida pelos LEDs vermelhos e azuis não foi tão eficaz do que a iluminação fornecida pelas lâmpadas fluorescentes convencionais no cultivo da microalga Spirulina platensis. No entanto, no caso de uma produção em larga escala pode ser mais vantajoso o cultivo com os LEDs, já que eles consomem menos energia do que as lâmpadas fluorescentes convencionais, além da possibilidade de induzir a produção de diferentes pigmentos, variando a cor da luz. REFERÊNCIAS JOHNSEN, G. Light Emitting Diode Technology. Disponível em: < Acesso: 29 set KATSUDA, T.; LABABPOUR, A.; SHIMAHARA, K.; KATOH, S. Astaxanthin production by Haematococcus pluviatilis under ilumination with LEDs. Enzyme and Microbial Technology, v. 35, n. 1, p , Jul

7 KATSUDA, T.; SHIMAHARA, K.; SHIRAISHI, H.; YAMAGAMI, K.; RANJBAR, R.; KATOH, S. Effect of flashing light form blue light-emitting diodes on cell growth and astaxanthin production of Haematococcus pluviatilis, Journal of Bioscience and Bioengineering, v.102, n.5, p , LABABPOUR, A.; HADA, K.; SHIMAHARA, K.; KATSUDA, T.; KATOH, S. Effects of nutrient supply methods and illumination with blue light emitting diodes (LEDs) on astaxanthin production by Haematococcus pluviatilis. Journal of Bioscience and Bioengineering, v. 98, n. 6, p , Dec LABABPOUR, A.; SHIMAHARA, K.; HADA, K.; KYOUI, Y.; KATSUDA, T.; KATOH, S. Fed-batch culture under illumination with blue light emitting diodes (LEDs) for astaxanthin production by Haematococcus pluviatilis. Journal of Bioscience and Bioengineering, v. 100, n. 3, p , Sep NHUT, D. T.; TAKAMURA, T.; WATANABE, H.; OKAMOTO, K.; TANAKA, M. Responses of strawberry plantlets cultured in vitro under superbright red and blue lightemitting diodes (LEDs). Plant Cell, Tissue and Organ Culture, v. 73, n. 1, p , Apr OLAIZOLA, M. Commercial development of microalgal biotechnology from the test tube to the marketplace. Biomolecular Engineering, Kailua-Kona, v.20, n. 4-6, p , Jul VONSHAK, A. Morphology, ultrastructure and taxonomy of Arthospira (Spirulina) maxima and Arthospira (Spirulina) platensis. In: Spirulina platensis (Arthospira): Physiology, Cell- Biology and Biotechnology. VONSHAK, A. (ed.) London: Taylor & Francis. 254 p., p , WANG, C. Y.; FU, C. C.; LIU, Y. C. Effects of using light-emitting diodes on the cultivation of Spirulina platensis. Biochemical Engineering Journal, v.37, n. 1, p , Oct