Uma nova abordagem para melhorar o crescimento e a qualidade de microalgas usando hormônios vegetais
Prof. Aécio D’Silva, Ph.D
AquaUniversity
Microalgas são organismos microscópicos que podem converter a luz solar e o dióxido de carbono em biomassa e biocombustíveis, como biodiesel, bioetanol e biogás. No entanto, os métodos atuais de cultivo de microalgas não são suficientemente eficientes para satisfazer a crescente procura de energia renovável. Um dos desafios é aumentar o teor de biomassa e biocombustível das microalgas, reduzindo ao mesmo tempo o custo e o impacto ambiental do processo. Uma possível solução é utilizar fitohormônios, compostos naturais ou sintéticos que regulam o crescimento e desenvolvimento de plantas e algas.
O que são fitohormônios e como funcionam?
Os fitohormônios são mensageiros químicos que coordenam as atividades fisiológicas e metabólicas das células, como divisão celular, diferenciação, fotossíntese, resposta ao estresse e absorção de nutrientes. Os fitohormônios podem ser classificados em diferentes grupos, como auxinas, citocininas, giberelinas, etileno, ácido abscísico, brassinosteroides, jasmonatos e ácido salicílico. Cada grupo de fitohormônios tem função e modo de ação específicos, mas também podem interagir entre si para modular seus efeitos.
Os fitohormônios podem ser produzidos pelas próprias plantas e algas ou aplicados externamente como suplementos. A aplicação externa de fitohormônios pode alterar os níveis endógenos e o equilíbrio dos fitohormônios e, assim, afetar o crescimento e a qualidade das plantas e algas. Por exemplo, as auxinas podem estimular o alongamento celular e a formação de raízes, as citocininas podem promover a divisão celular e a síntese de clorofila, as giberelinas podem aumentar o crescimento do caule e a germinação das sementes, e o etileno pode induzir o amadurecimento e a senescência dos frutos.
Como os fitohormônios podem aumentar a biomassa de algas e o conteúdo de biocombustíveis?
Os fitohormônios podem aumentar a biomassa de algas e o conteúdo de biocombustíveis, influenciando vários aspectos da fisiologia e do metabolismo das algas, tais como:
- Proliferação celular: Os fitohormônios podem estimular a divisão e o crescimento das células das algas e, assim, aumentar o rendimento de biomassa. Por exemplo, as citocininas podem aumentar o número e o tamanho das células da Spirulina, aumentando a expressão de genes relacionados ao ciclo celular e à síntese de DNA. [1]. As auxinas também podem aumentar o número de células e a biomassa da Chlorella, ativando a via da proteína quinase ativada por mitógeno (MAPK). [2].
- Tolerância ao estresse: Os fitohormônios podem melhorar a resistência das algas a vários estresses abióticos, como alta luminosidade, alta salinidade, limitação de nutrientes e metais pesados, que de outra forma podem reduzir a produção de biomassa e biocombustíveis. Por exemplo, o ácido abscísico pode proteger Dunaliella do estresse de alta salinidade, aumentando o acúmulo de solutos compatíveis, como glicerol e prolina.[3]. O ácido salicílico pode aumentar a capacidade antioxidante de Chlamydomonas sob alto estresse luminoso, aumentando a atividade da superóxido dismutase (SOD) e da catalase (CAT). [4].
- Eficiência fotossintética: Os fitohormônios podem aumentar a fotossíntese das algas e a fixação de carbono e, assim, aumentar a produção de biomassa e biocombustíveis. Por exemplo, as giberelinas podem aumentar a taxa fotossintética e o conteúdo de clorofila do Scenedesmus, regulando positivamente a expressão de genes relacionados ao fotossistema II (PSII) e à anidrase carbônica (CA). Os brassinosteróides também podem aumentar a taxa fotossintética e o conteúdo de clorofila da Chlorella, aumentando a atividade da ribulose-1,5-bifosfato carboxilase/oxigenase (Rubisco) e da fosfoenolpiruvato carboxilase (PEPC).
- Armazenamento de energia: Os fitohormônios podem aumentar o conteúdo de biocombustíveis de algas, influenciando a síntese e o acúmulo de compostos de armazenamento de energia, como lipídios, carboidratos e proteínas. Por exemplo, os jasmonatos podem aumentar o conteúdo lipídico e a composição de ácidos graxos de Nannocloropsis, induzindo a expressão de genes relacionados à biossíntese e ao metabolismo lipídico. O etileno também pode aumentar o conteúdo lipídico e a composição de ácidos graxos da Chlorella, ativando as enzimas acetil-CoA carboxilase (ACC) e sintase de ácidos graxos (FAS).
Quais são os desafios e perspectivas do uso de fitohormônios para a produção de biocombustíveis de algas?
A utilização de fitohormônios para a produção de biocombustíveis de algas é uma abordagem nova e promissora, mas também enfrenta alguns desafios e limitações, tais como:
- Otimização: A concentração, combinação e momento ideais de aplicação do fitohormônio podem variar dependendo da espécie de algas, cepa e condições de cultivo. Portanto, é necessário realizar experimentos sistemáticos e abrangentes para determinar o melhor tratamento com fitohormônios para cada sistema de biocombustível de algas.
- Custo-benefício: O custo e a disponibilidade dos fitohormônios podem afetar a viabilidade econômica e a escalabilidade do uso de fitohormônios para a produção de biocombustíveis de algas. Portanto, é importante desenvolver métodos de síntese e aplicação de fitohormônios de baixo custo e alta eficiência, como o uso de biotecnologia ou nanotecnologia.
- Impacto ambiental: O uso de fitohormônios pode ter alguns efeitos negativos no meio ambiente, como causar poluição por fitohormônios, alterar o equilíbrio natural dos fitohormônios e afetar a biodiversidade e a ecologia dos ecossistemas aquáticos. Portanto, é essencial avaliar a segurança ambiental e a sustentabilidade do uso de fitohormônios para a produção de biocombustíveis de algas.
Apesar desses desafios, o uso de fitohormônios para a produção de biocombustíveis de algas tem grande potencial e perspectivas, pois pode:
- Melhorar o desempenho e a qualidade dos sistemas de biocombustíveis de algas, aumentando o rendimento da biomassa e do biocombustível, melhorando a tolerância ao estresse e a estabilidade e otimizando a composição e as propriedades do biocombustível.
- Complementar e criar sinergia com outros métodos de melhoria da produção de biocombustíveis de algas, tais como engenharia genética, engenharia metabólica e engenharia de bioprocessos, fornecendo formas adicionais ou alternativas de regular a fisiologia e o metabolismo das algas.
- Contribuir para o desenvolvimento e inovação da biotecnologia de algas, fornecendo novos conhecimentos e oportunidades para a compreensão e manipulação dos mecanismos moleculares e celulares do crescimento de algas e da produção de biocombustíveis.
Como podemos aplicar fitohormônios às microalgas?
Os fitohormônios são compostos naturais ou sintéticos que regulam o crescimento e desenvolvimento de plantas e algas. Podem ser aplicados às microalgas como suplementos para aumentar a sua produção de biomassa e biocombustíveis, influenciando vários aspectos da sua fisiologia e metabolismo, tais como proliferação celular, tolerância ao stress, eficiência fotossintética e armazenamento de energia. [8]
Existem diferentes métodos de aplicação de fitohormônios em microalgas, dependendo do tipo, concentração e combinação de fitohormônios, bem como das espécies de algas, cepas e condições de cultivo. Alguns dos métodos comuns são:
- Adição de fitohormônios diretamente ao meio de cultura, seja em dose única ou em fornecimento contínuo, em diferentes estágios de crescimento das algas. [9]
- Revestir fitohormônios na superfície do recipiente de cultura, como vidro, plástico ou metal, para permitir a liberação e absorção gradual pelas microalgas. [8]
- Encapsulação de fitohormônios em nanopartículas, como lipossomas, polímeros ou sílica, para aumentar sua estabilidade, solubilidade e entrega às microalgas
O método ideal de aplicação de fitohormônios às microalgas pode variar dependendo dos objetivos e restrições específicos de cada sistema de biocombustível de algas. Portanto, é necessário realizar experimentos sistemáticos e abrangentes para determinar o melhor tratamento com fitohormônios para cada caso.[9, 10]
Concluindo, os fitohormônios são uma classe de compostos naturais ou sintéticos que regulam o crescimento e desenvolvimento de plantas e algas. Ao aplicar fitohormônios às microalgas, é possível aumentar o conteúdo de biomassa e biocombustível das microalgas, influenciando vários aspectos da fisiologia e do metabolismo das algas, como proliferação celular, tolerância ao estresse, eficiência fotossintética e armazenamento de energia. O uso de fitohormônios para a produção de biocombustíveis de algas é uma abordagem nova e promissora, mas também enfrenta alguns desafios e limitações, como otimização, relação custo-benefício e impacto ambiental. Portanto, são necessárias mais pesquisas e desenvolvimento para melhorar a compreensão e aplicação de fitohormônios para a produção de biocombustíveis de algas e para explorar o potencial e as perspectivas desta abordagem para a biotecnologia de algas.
Click here to get the version of this article in English:
Referências:
[1] Da Silveira, J.T., da Rosa, A.P.C. & Costa, J.A.V. Modulating phytohormone supplementation can efficiently increase biomass and lipid production in Spirulina (Arthrospira). Bioenerg. Res. 15, 112–120 (2022). https://doi.org/10.1007/s12155-021-10310-3
[2]: Fathy WA, AbdElgawad H, Hashem AH, Essawy E, Tawfik E, Al-Askar AA, Abdelhameed MS, Hammouda O, Elsayed KNM. Exploring Exogenous Indole-3-acetic Acid’s Effect on the Growth and Biochemical Profiles of Synechocystis sp. PAK13 and Chlorella variabilis. Molecules. 2023 Jul 19;28(14):5501. doi: 10.3390/molecules28145501. PMID: 37513371; PMCID: PMC10385099.
[3] Carillo P, Ciarmiello LF, Woodrow P, Corrado G, Chiaiese P, Rouphael Y. Enhancing Sustainability by Improving Plant Salt Tolerance through Macro- and Micro-Algal Biostimulants. Biology (Basel). 2020 Aug 28;9(9):253. doi: 10.3390/biology9090253. PMID: 32872247; PMCID: PMC7564450.
[4]: Chen YE, Mao HT, Wu N, Mohi Ud Din A, Khan A, Zhang HY, Yuan S. Salicylic Acid Protects Photosystem II by Alleviating Photoinhibition in Arabidopsis thaliana under High Light. Int J Mol Sci. 2020 Feb 12;21(4):1229. doi: 10.3390/ijms21041229. PMID: 32059402; PMCID: PMC7072977.
[5] Dao, G., Wang, S., Wang, X., Chen, Z., Wu, Y., Wu, G., Lu, Y., Liu, S., & Hu, H. (2020). Enhanced Scenedesmus sp. Growth in response to gibberellin secretion by symbiotic bacteria. Science of The Total Environment, 740, 140099. https://doi.org/10.1016/j.scitotenv.2020.140099
[6] Lv JM, Cheng LH, Xu XH, Zhang L, Chen HL. Enhanced lipid production of Chlorella vulgaris by adjustment of cultivation conditions. Bioresour Technol. 2010 Sep;101(17):6797-804. doi: 10.1016/j.biortech.2010.03.120. Epub 2010 Apr 24. PMID: 20456951.:
[7] Cui, H., Yang, F., & Li, Y. (2021). Exogenous methyl jasmonate enhances lipid production in Isochrysis galbana under nitrogen deprivation and high light. Algal Research, 58, 102406. https://doi.org/10.1016/j.algal.2021.102406: Ethylene enhances the lipid accumulation in Chlorella vulgaris
[8] Lu Y, Xu J. Phytohormones in microalgae: a new opportunity for microalgal biotechnology? Trends Plant Sci. 2015 May;20(5):273-282. doi: 10.1016/j.tplants.2015.01.006. Epub 2015 Feb 17. PMID: 25697753.
[9] Nguyen, H.N., Kisiala, A.B. & Emery, R.J.N. The roles of phytohormones in metal stress regulation in microalgae. J Appl Phycol 32, 3817–3829 (2020). https://doi.org/10.1007/s10811-020-02271-5
[10] Wang, C.; Qi, M.; Guo, J.; Zhou, C.; Yan, X.; Ruan, R.; Cheng, P. The Active Phytohormone in Microalgae: The Characteristics, Efficient Detection, and Their Adversity Resistance Applications. Molecules 2022, 27, 46. https://doi.org/10.3390/molecules27010046
