Application of the biorefinery concept in cyanobacterial blooms valorization

Abstract

Climate change increases the likelihood of cyanobacterial blooms formation, with negative impacts on water quality. Concomitantly, a steadily growing population demands the exploitation of new resources as feedstocks. In this context, recognition of cyanobacteria as a nuisance couples with their highlight as potential contributors to solutions. This Thesis focused on this dichotomy, using the biorefinery concept to explore different routes of valorization of cyanobacteria. Although the problems related to cyanobacterial blooms, positively linked to climate change, are insufficiently mitigated by the currently available management strategies, cyanobacteria present a relevant potential for many biotechnological applications. This context was reviewed and lead to the development of a conceptual model for the valorization of cyanobacterial blooms considering (i) the physical removal of the biomass, (ii) its characterization, (iii) its transformation into high market value compounds, and (iv) the investment of the return of this valorization into environmental management and protection. Following this philosophy and using the biorefinery concept as an umbrella, several experimental goals were established that focused on relevant physiological features, on the characterization of cyanobacterial bioactive products, and on the pursue for biotechnological applications. Regarding its physiological features, the growth kinetics and pigment production patterns (i.e. chlorophyll a and C-phycocyanin) from three cyanobacterial species (Arthrospira platensis, Anabaena cylindrica, and Nostoc muscorum) were assessed. All species were proven to be able to live for more than 100 days, without medium supplementation, and the pigment production patterns showed fluctuations during the growth period, while pigment production patterns did neither follow monotonic trends through time nor was similar among different species. Indeed, pigments are among the most valuable cyanobacterial products, and among these the blue pigment C-phycocyanin has been touted as having attractive biological activity, yet often without supportive empirical data. Raw and purified C-phycocyanin extracts from Anabaena cylindrica were produced and characterized regarding antioxidant, antimicrobial, antitumor activity and biocompatibility. Mild or unrecognizable results were achieved with these extracts, but important conclusions followed this work, namely that the argued biological activities of C-phycocyanin can be due to synergic effects with components other than C-phycocyanin in extracts, or that C-phycocyanin biological activities are species/strain-specific. Besides pigments, there are a plethora of cyanobacterial products of biotechnological interest, as demonstrated through the study of the metabolome of Nostoc muscorum during its long-term growth, using of ¹H Nuclear Magnetic Resonance: sugars and oligosaccharides, lipids (e.g. glycolipids, ω-3 and ω-6 fatty acids), mycosporin-like amino acids, peptides, and pigments. Moreover, the production of these compounds could be associated with specific moments of Nostoc muscorum growth. Finally, due to their many applications and oxygen production, the possibility of using cyanobacteria in Space exploration, namely on Mars colonization was addressed. The ability of three cyanobacteria (Arthrospira platensis, Anabaena cylindrica, and Nostoc muscorum) and the microalgae Chlorella vulgaris to grow using only resources found on Mars (i.e. water and martian regolith) were assessed, with diazotrophic species confirmedly performing better. In addition, the possibility of using the grown cultures as biofertilization agents was evaluated and this solution was preliminarily shown to be promising. This work opens avenues to the development of integrative strategies that could meet conservation goals targeting aquatic ecosystems through the exploitation of the cyanobacteria biotechnological potential considering different applications.

Num contexto de alterações climáticas, verifica-se um aumento no desenvolvimento de blooms cianobacterianos, com consequências negativas para a qualidade da água. Ao mesmo tempo, assiste-se a um crescimento acentuado da população, o que exige a exploração de novos recursos. Neste contexto, as cianobactérias podem ser vistas como um problema, mas também como parte da solução. É nesta dicotomia que se foca esta Tese, utilizando o conceito de biorrefinaria para explorar diferentes vias de valorização desta biomassa. Apesar dos principais problemas associados ao desenvolvimento de blooms, potenciados pelas alterações climáticas e deficientemente mitigados pelas atuais estratégias de gestão ambiental, estes apresentam um potencial de aplicação biotecnológica relevante. Este contexto foi revisto e conduziu à elaboração de um modelo conceptual para a valorização de blooms cianobacterianos, que compreende (i) a remoção do bloom, (ii) a sua caracterização, (iii) a valorização da biomassa removida e (iv) a aplicação do retorno resultante da valorização em gestão e proteção ambiental. Seguindo esta filosofia e trabalhando sob o conceito de biorrefinaria, foram estabelecidos os objetivos da componente experimental, que se centram na análise de algumas das características fisiológicas das cianobactérias, na caracterização de compostos potencialmente bioativos com origem nesta biomassa, bem como nas possíveis aplicações biotecnológicas das cianobactérias. Relativamente às características fisiológicas, foram analisadas as curvas de crescimento e os padrões de produção de pigmentos (clorofila a e C-ficocianina) de três espécies (Arthrospira platensis, Anabaena cylindrica e Nostoc muscorum). Todas foram capazes de crescer durante mais de 100 dias, sem renovação ou suplementação do meio de cultura, sendo que a produção de pigmentos não foi constante durante o período de crescimento e os padrões de produção mostraram-se diferentes de espécie para espécie. De entre os compostos possíveis de extrair das cianobactérias, os pigmentos são os que apresentam um maior valor de mercado. Dentro desta classe, o pigmento azul, C-ficocianina, é amplamente assumido como bioativo, por vezes sem dados empíricos de suporte. Extratos de C-ficocianina não purificados e purificados, extraídos de Anabaena cylindrica, foram caracterizados, considerando a sua atividade antioxidante, antimicrobiana, antitumoral e biocompatibilidade. Apesar dos resultados terem sido pouco expressivos, permitiram concluir que a atividade biológica atribuída ad-hoc à C-ficocianina poderá dever-se ao efeito sinérgico entre os vários constituintes do extrato e não apenas à presença do pigmento, dependendo ainda da espécie/estirpe usada para a extração. As cianobactérias podem também produzir inúmeros outros compostos de interesse biotecnológico, o que foi demonstrado através do estudo do metaboloma de Nostoc muscorum, ao longo do seu crescimento, utilizando Ressonância Magnética Nuclear ¹H: açúcares, oligossacarídeos, lípidos (glicolipídeos, ómega 3 e ómega 6), aminoácidos tipo micosporina, péptidos e pigmentos. A produção destes compostos pôde ser associada a momentos específicos de crescimento de Nostoc muscorum. Por último, pelas suas múltiplas aplicações biotecnológicas e pelo facto de estas produzirem oxigénio, foi avaliada a possibilidade de utilização de cianobactérias na exploração espacial, mais precisamente na colonização de Marte. Foi avaliada a capacidade de crescimento de três cianobactérias (Arthrospira platensis, Anabaena cylindrica e Nostoc muscorum) e da microalga Chlorella vulgaris, utilizando apenas recursos que podem ser encontrados em Marte (água e regolito). As espécies diazotróficas foram as que mostraram um melhor desempenho. Para além do crescimento, foi também avaliada a possibilidade de utilização destas culturas como biofertilizantes, uma solução que se mostrou preliminarmente promissora. Este trabalho demonstra o potencial para o desenvolvimento de novas estratégias integradas que permitam assegurar a conservação dos ecossistemas aquáticos através da exploração das aplicações biotecnológicas das cianobactérias.