Adding value to the marine invaders Asparagopsis armata and Sargassum muticum

Abstract

Marine invasive species are widely recognized as one of the worst threats to marine ecosystems integrity, unbalancing native communities, which may lead to paramount ecological and economic impacts. Within seaweeds, Sargassum muticum and Asparagopsis armata are recognized as successful invaders in Europe and America. Despite several attempts to control the spread of marine invaders, until now, all have proven to be elusive, and therefore, alternative strategies should be embraced. Worldwide, seaweeds have been increasingly explored due to their ability to produce bioactive compounds. However, one of the main problems associated with the production/extraction of these bioactive compounds for new products development, is the scarce availability of target species and the potential negative environmental consequences of their exploitation. Accordingly, the use of invasive species to obtain natural bioactive compounds presents us with a two-folded opportunity - high availability of the biological material for the extraction of unique bioactive compounds for new products development, and through specimen collection, the mitigation of the negative effects caused by alien species, contributing to ecosystem integrity and sustainability. Within this framework, the present work aimed to evaluate the antioxidant, antimicrobial, and antifouling properties of these seaweed extracts, as well as the concentration of the bioactive compounds by chromatographic and spectroscopic means. In addition, the mechanisms of action possibly involved in the most potent antioxidant and antimicrobial activities were also studied. The antioxidant capacity was estimated through the quantification of the total phenolic content (TPC) and by evaluating the scavenging properties through the 1,1-diphenyl-2-picryl-hydrazyl (DPPH) and oxygen radical absorbance capacity (ORAC) assays. The antimicrobial potential was evaluated on Staphylococcus aureus, Pseudomonas aeruginosa, Candida albicans, Escherichia coli, and Salmonella enteritidis through growth inhibition analysis. The antifouling properties of both seaweed was evaluated on the growth inhibition of nine microalgae growth, namely Tetraselmis suecica, Tetraselmis chui, Thalassiosira weissflogii, Chaetoceros calcitrans, Cylindrotheca closterium, Nannochloropsis oculata, Phaeodactylum tricornutum, Isocrysis galbana, Nannochloropsis gaditana, and 5 marine microorganisms, namely Vibrio anguillarum, Photobacterium damselae ssp. piscicida, Aeromonas hydrophila, Aeromonas aquariorum, and Edwardsiella tarda. The biofilm inhibitory capacity was tested on Vibrio parahaemolyticus and Bacillus subtilis. Within this framework a new model to evaluate the anti-adherence properties of seaweed extracts on the marine invertebrates Aurelia aurita and Phyllorhiza punctata polyps is also proposed. Sargassum muticum revealed to contain compounds with high antioxidant potential exhibiting cytoprotective properties in oxidative stress conditions, which can be related with the reduction of hydrogen peroxide production and apoptosis blocking. A. armata revealed to produce compounds with high antimicrobial potential with a broad-spectrum activity and with potential to interfere in bacterial biofilms development. Results suggest that the antimicrobial activity may be linked to microorganisms cytoplasmatic membrane damage and DNA damage. Both, Sargassum muticum and Asparagopis armata presented relevant antifouling potential. This property was the most expressive on both seaweed crude extracts, which revealed high anti-algae effects, antibacterial and anti-adherence properties. The present work shows that the potential of both seaweeds to provide valuable compounds is enormous, pointing therefore to an opportunity for sustainable development with high economic benefits. In marine natural products research and development, one of the main bottlenecks for further industrial applications is the scarcity of the biological target and the negative impact that is associated with its collection from the ecosystem. Since Asparagopsis armata and Sargassum muticum are successful invaders and occur in great amount in Portugal and many other coasts of the world, their collection could contribute for marine ecosystem restoration and equilibrium by means of profitable harvesting for a high revenue industry, turning a threat into a major socio-economic opportunity.

As espécies invasoras marinhas são uma das principais ameaças à integridade dos ecossistemas marinhos, promovendo um desequilíbrio nas comunidades nativas, resultando em sérios impactos ecológicos e económicos. Entre as algas marinhas, a Sargassum muticum e a Asparagopsis armata são reconhecidas como invasoras de sucesso na Europa e América. Apesar de já terem sido efetuadas várias tentativas para controlar o avanço de invasores marinhos, nenhuma provou ser efetivamente eficaz, sendo, portanto, necessário desenvolver estratégias alternativas. Nas últimas décadas as algas marinhas têm sido estudadas devido às suas múltiplas propriedades biológicas. No entanto, um dos principais problemas associados à exploração destes componentes bioativos prende-se com a abundância de matéria prima que, na maioria dos casos, é escassa e sazonal, resultando a sua exploração em sérios danos ecológicos. Neste contexto, a exploração de organismos invasores marinhos oferece-nos uma dupla oportunidade – elevada disponibilidade do material biológico para extração de compostos bioativos com características únicas com vista ao desenvolvimento de novos produtos, e, por outro lado, através da sua recolha, a mitigação dos efeitos negativos provocados pela sua invasão, contribuindo deste modo para a integridade e sustentabilidade do ecossistema marinho. Neste contexto, o presente trabalho pretendeu avaliar o potencial antioxidante, antimicrobiano e anti-incrustante de extratos destas duas algas invasoras, bem como a quantificação e caracterização química dos compostos bioativos através de técnicas cromatográficas e espetroscópicas. Em acréscimo, foram também estudados os mecanismos de ação envolvidos nas bioatividades mais potentes. As propriedades antioxidantes foram avaliadas através da determinação do conteúdo total em polifenóis (TPC), da capacidade de destoxificação do radical 1,1-difenil-2-picril-hidrazil (DPPH) e da avaliação da capacidade de absorção do radical oxigénio (ORAC). A atividade antimicrobiana foi avaliada em Staphylococcus aureus, Pseudomonas aeruginosa, Candida albicans, Escherichia coli e Salmonella enteritidis, através da análise da inibição do seu crescimento. Neste âmbito, foi também avaliado o potencial de inibição de produção de biofilmes em Pseudomonas aeruginosa. As propriedades anti-incrustantes foram avaliadas através da análise da capacidade de inibição do crescimento de nove microalgas, nomeadamente Tetraselmis suecica, Tetraselmis chui, Thalassiosira weissflogii, Chaetoceros calcitrans, Cylindrotheca closterium, Nannochloropsis oculata, Phaeodactylum tricornutum, Isocrysis galbana, Nannochloropsis gaditana e em cinco microrganismos marinhos, nomeadamente Vibrio anguillarum, Photobacterium damselae ssp. piscicida, Aeromonas hydrophila, Aeromonas aquariorum e Edwardsiella tarda. Foi também testado o potencial dos extratos e das frações de ambas as algas na inibição da produção de biofilmes nos microorganismos Vibrio parahaemolyticus e Bacillus subtilis. Também no âmbito do potencial anti-incrustante foi proposto um novo modelo para avaliar as propriedades de anti-aderência dos extratos em pólipos de medusas, nomeadamente de Aurelia aurita e Phyllorhiza punctata. De uma forma geral, Sargassum muticum revelou ser a alga com maior potencial antioxidante, revelando propriedades citoprotetoras em condições de stress oxidativo que poderão estar relacionadas com a redução da produção de peróxido de hidrogénio e com bloqueio do processo apoptótico. Por outro lado, a alga Asparagopsis armata revelou o maior potencial antimicrobiano com um largo-espectro de atividade e com capacidade para inibir o desenvolvimento de biofilmes bacterianos. A ação antimicrobiana parece estar relacionada com danos na membrana citoplasmática e danos no ADN. Ambas as algas apresentam potencial anti-incrustante. Esta bioatividade foi mais evidente nos extratos brutos de ambas as algas, tendo-se verificado propriedades anti-algais, anti-bacterianas e de anti-aderência. Demonstra-se nesta investigação que ambas as algas apresentam propriedades bioativas relevantes com elevado potencial para serem usadas no desenvolvimento sustentável de novos produtos, resultando em benefícios económicos importantes. Por outro lado, na pesquisa de produtos naturais marinhos, um dos principais obstáculos para o desenvolvimento industrial de novos produtos prende-se com a escassez da matéria prima e os impactos ambientais negativos inerentes à recolha do material biológico. Neste contexto, as algas Sargassum muticum e Asparagopsis armata são invasores que ocorrem em abundância, não só na costa Portuguesa, mas em praticamente todo o mundo e, portanto, a sua recolha do meio ambiente para a exploração industrial dos seus compostos bioativos contribuirá para a restauração e equilíbrio do ecossistema marinho, transformando uma ameaça ambiental numa grande oportunidade sócio-económica.