Effects of light on the photobiology and growth of the commercially valuable macroalgae Codium tomentosum

Abstract

Portugal has approximately 950 km of a coastline with a high diversity of macroalgal species, most of them edible and commercially valuable. Macroalgae are becoming reliable sources of nutritional supplements and bioactive compounds. Thus, an increase in demand for these organisms requires sustainable seaweed aquaculture alternatives to produce algal biomass rather than exploiting natural resources. The company ALGAplus was pioneer in taming Codium tomentosum. Currently, this macroalgae is produced in integrated multitrophic aquaculture earth pond systems designed by ALGAplus, and mainly commercialized for food and cosmetics. This macroalgae is a source of valuable bioactive compounds used for health care (antioxidant, antitumor, hypoglycemic) and has a high nutritional value (rich in polyunsaturated fatty acids and vitamin A) causing an increasing consumer demand, and therefore a necessity for the optimization of C. tomentosum production. In this project, C. tomentosum produced by ALGAplus, was studied to determine the best conditions for this algae cultivation, considering effects on growth and photobiology at a nursery scale production. In the first phase of this work, different temperatures (13 ºC and 17 ºC) and different photoperiods (long-day and short-day) were evaluated. The second part aimed at assessing the variations in growth and productivity, in photosynthetic activity and photosynthetic pigments concentrations, of exposing C. tomentosum cultures to different light qualities with selected wavelengths (White, Blue and Red). The literature for this species, regarding growth conditions and photobiology is scarce. Therefore, this work aims to fill the gaps of knowledge regarding C. tomentosum photophysiology optimizing culturing protocols. The macroalga C. tomentosum showed higher growth rates when exposed to the long photoperiod, and no significant differences between temperatures. However, the photosynthetic activity evaluated by steady-state light curves, estimated from variable chlorophyll a measurements, was higher at the lower temperature tested. The pigment profile did not show significant changes between treatments, however there was an increase of pigment concentrations in the long photoperiod treatment. Photoperiod had also a ratio change on the carotenes identified, the presence of ε-carotene under short photoperiod and β-carotene under long photoperiod. The macroalga C. tomentosum showed lower productivity under blue light, concomitant with a considerable growth of green microalgae. At the end of the experimental period, the photosynthetic performance was similar between the different spectra. The photosynthetic pigment profiles (chlorophyll a and b, siphonoxanthyn e siphonein) showed increased concentrations under blue light, possibly as a result of competition for the available light with microalgae. The remaining spectral conditions (Red and White light) presented similar pigment concentrations. In conclusion, C. tomentosum achieved higher growth rates at long-day photoperiod. The use of red or white light is advised to control the growth of microalgal contaminations and to optimize growth.

Portugal tem aproximadamente 950 Km de costas com elevada diversidade de macroalgas, algumas delas comestíveis e com valor comercial. As macroalgas têm se tornado fontes confiáveis de suplementos alimentares e compostos bioativos. Por isso a crescente procura por estes organismos leva à necessidade da sua produção em sistemas sustentáveis de produção de macroalgas, em vez da colheita in situ dos recursos naturais. A empresa ALGAplus foi pioneira na domesticação da macroalga Codium tomentosum. Esta é atualmente cultivada num sistema de aquacultura multitrófica integrada em terra concebido pela ALGAplus, sendo comercializada principalmente para alimentação humana e cosmética. Esta macroalga é fonte de importantes compostos bioativos utilizados em cuidados de saúde (antioxidantes, antitumorais, hipoglicémicos) e tem um grande valor nutricional (ácidos gordos polinsaturados, vitamina A), aumentando a procura e, com isto, a necessidade de otimizar a sua produção. Neste trabalho, a macroalga C. tomentosum produzida pela ALGAplus, foi objecto de estudo para determinar as melhores condições de cultivo, tendo em conta o seu crescimento e fotobiologia numa escala de produção de maternidade. Numa primeira fase, foram avaliadas diferentes temperaturas (13 ºC e 17 ºC) e diferentes fotoperíodos (dia longo e dia curto). Numa segunda parte, foram avaliadas variações no crescimento e produtividade, na atividade fotossintética e nas concentrações de pigmentos fotossintéticos, em resposta à exposição a diferentes qualidades de luz de crescimento com comprimentos selecionados (branco, vermelho e azul), em condições de fotoperíodo longo. A bibliografia para esta espécie no que diz respeito às condições de crescimento e fotobiologia é ainda escassa. Assim, este trabalho pretende preencher falhas no conhecimento da fotofisiologia de C. tomentosum, de forma a optimizar protocolos de cultivo. A macroalga C. tomentosum apresentou maior crescimento sob fotoperíodo longo, não se tendo registado efeitos significativos relativamente à temperatura. No entanto, a atividade fotossintética, avaliada através de curvas de luz derivadas da variação de fluorescência da clorofila a, foi superior na temperatura mais baixa. O perfil de pigmentos não expressou diferenças muito acentuadas entre tratamentos. Verificou-se um aumento da concentração de pigmentos sob fotoperíodo longo. O fotoperíodo alterou os ratios de carotenos presentes, tendo o ε-caroteno sido identificado em fotoperíodo curto e o β-caroteno em fotoperíodo longo. A macroalga C. tomentosum apresentou menor produtividade sob luz azul, concomitante com um elevado crescimento de microalgas verdes. No final do período da experiência o desempenho fotossintético foi semelhante entre as condições de espectro de luz. Os perfis de pigmentos fotorreceptores (clorofila a e b, sifonaxantina e sifoneína) apresentaram aumentos de concentração nas culturas do espectro azul, talvez desencadeados por competição pela luz disponível com as microalgas. Nos restantes espectros de luz (vermelho e branco), as culturas apresentaram concentrações de pigmentos semelhantes. Concluímos que a macroalga C. tomentosum alcança melhores taxas de crescimento em fotoperíodo longo. É aconselhada a utilização de luz de crescimento branca ou vermelha por forma a controlar a contaminação por microalgas verdes e otimizar o crescimento.