Microalgae biomass from swine wastewater phycoremediation: metabolic profile and its potential applications

Abstract

A remoção de poluentes de águas residuais baseado em microalgas tem ganhado considerável atenção, devido à sua eficiência no tratamento e potencial geração de biomassa como matéria-prima para diversas aplicações biotecnológicas. Assim, a extração de produtos de origem metabólica da biomassa de microalgas e de alto valor agregado, é uma alternativa promissora. O presente estudo foi realizado sob o conceito de biorrefinaria e teve como objetivo investigar a presença e recuperação de metabólitos produzidos por conversão biológica em culturas de microalgas sob diferentes condições de cultivo, bem como a remoção de drogas de uso veterinário. Esta tese foi ordenada em seis capítulos: (1) Açúcar residual da biomassa de microalgas a partir da ficorremediação de águas residuais da suinocultura. A hidrólise foi realizada em diferentes [H2SO4], um teor significativo de açúcar de 0,496 gaçúcar gmicroalgaDW-1 foi obtido com 188 mM. A concentração de açúcar presente nas microalgas não diferiu significativamente entre as biomassas colhidas por centrifugação ou coagulação-floculação. (2) Produção de aminoácidos, ácidos graxos e peptídeos em biomassa de microalgas colhidas durante a ficorremediação de águas residuais de suínos. A biomassa apresentou alto teor de aminoácidos essenciais, tais como: leucina, lisina, metionina, fenilalanina, treonina e triptofano. Condições induzidas por estresse, como limitação de nutrientes, contribuíram para a produção de ácidos graxos. Foram encontrados 25 peptídeos bioativos relacionados a propriedades antioxidantes, anti-inflamatórias e anticarcinogênicas. (3) Microalgas produzidas durante ficorremediação de águas residuais de suínos contêm compostos bacteriostáticos eficazes contra bactérias resistentes a antibióticos. A atividade antibacteriana foi testada contra bactérias resistentes, que são patogênicas aos suínos: Streptococcus suis, Enterococcus faecalis e Staphylococcus hyicus. O extrato de diclorometano demonstrou ação bacteriostática [0.2-0.5 mg mL-1] para todas as bactérias testadas. Vinte e três compostos diferentes foram detectados nos extratos de microalgas. (4) Atividade virucida de extratos de microalgas coletados durante ficorremediação de águas residuais de suínos. Foram usados vírus modelo, com envelope (Herpes simplex tipo 1) e sem envelope (Adenovírus humano tipo 5). Todos os extratos de microalgas reduziram em 100% a capacidade infecciosa do HSV-1. Já os extratos de microalgas obtidos de diclorometano e metanol apresentaram atividades de inibição na menor concentração testada. (5) Produção de bio-herbicidas a partir de biomassa de Chlorella spp. e Trichoderma koningiopsis. A produção de atividade enzimática e bio-herbicida, com e sem associação fúngica, foi testada contra plantas daninhas. A enzima peroxidase foi a mais produzida, com uma atividade máxima de 16.200 U mL-1. Os bio-extratos produzidos apresentaram danos fitotóxicos de até 80% nos primeiros 7 dias e 100% após 15 dias de tratamento. (6) Remoção de antibióticos de uso veterinário em água residuais de suínos pelo processo baseado em microalgas. Tetraciclina, oxitetraciclina, clortetraciclina e doxiciclina foram os fármacos utilizados para avaliação da capacidade de remoção pelo processo de ficorremediação. A tetraciclina foi completamente removida após 11 dias de ficorremediação. A degradação da clortetraciclina gerou metabolitos como iso-clortetraciclina e 4-epi-iso-clortetraciclina. Em resumo, a biomassa de microalgas produzida durante a ficorremediação de águas residuárias de suínos mostrou-se uma fonte promissora de matéria-prima alternativa para produção e extração de produtos de alto valor agregado, além de eficiente na remoção de antibióticos de uso veterinário.

Abstract: The removal of pollutants from wastewater using microalgae-based processes has gained considerable attention, due to its efficiency in the treatment and potential generation of biomass as feedstock for several biotechnological applications. Thus, extraction of metabolic source products of biomass of microalgae with high added value, is a promising alternative. The present study was carried out under the concept of biorefinery and aimed to investigate the presence and recovery of metabolites produced by biological conversion in microalgae cultures under different cultivation conditions, as well as the removal of veterinary drugs. Therefore, the thesis was ordered into six chapters: (1) Residual sugar from microalgae biomass harvested from phycoremediation of swine wastewater digestate. The hydrolysis was carried out in different [H2SO4], a significant sugar content of 0.496 gsugar gmicroalgaeDW-1 was obtained with 188 mM. The concentration of sugar present in the microalgae did not differ significantly between the biomasses harvested by either centrifugation or coagulation-flocculation. (2) Amino acids, fatty acids and peptides in microalgae biomass produced from phycoremediation of swine wastewaters. Biomass showed a high content of essential amino acids such as mainly leucine, lysine, methionine, phenylalanine, threonine and tryptophan. Stress-induced conditions, as nutrients limitation, contributed to the production of fatty acids. Twenty-five bioactive peptides related to antioxidant, anti-inflammatory and anticarcinogenic properties were found. (3) Microalgae produced during phycoremediation of swine wastewater contains effective bacteriostatic compounds against antibiotic-resistant bacteria. The antibacterial activity was performed against pathogenic resistant bacteria that cause disease in swine: Streptococcus suis, Enterococcus faecalis and Staphylococcus hyicus. Dichloromethane extract was bacteriostatic (0.2-0.5 mg mL-1) for all tested bacteria. Twenty-three different compounds were detected in the microalgae extracts. (4) Virucidal activity of microalgae extracts harvested during phycoremediation of swine wastewater. Antiviral models, enveloped (Herpes simplex type 1) and non-enveloped (Human Adenovirus type 5) were used. All microalgae extracts reduced 100% of the infectious capacity of HSV-1. Yet, the microalgae extracts with dichloromethane and methanol showed inhibition activities at the lowest concentration of 3.125 µg mL-1. (5) Production of bio-herbicides from biomass of Chlorella spp. and Trichoderma koningiopsis. The production of enzymatic and bio-herbicidal activity, with and without fungal association, against weeds were tested. Peroxidase enzyme was the most produced, with an activity maximum of 16,200 U mL-1. The bio-extracts produced showed phytotoxic damage of up to 80% in the first 7 days and 100% after 15 days of treatment. (6) Removal of veterinary antibiotics from swine wastewater using microalgae-based process. Tetracycline, oxytetracycline, chlortetracycline and doxycycline were the drugs used to evaluate the removal capacity by the phycoremediation process. Tetracycline was completely removed after 11 days of phycoremediation. The degradation of chlortetracycline generated metabolites such as iso-chlortetracycline and 4-epi-iso-chlortetracycline. In summary, the microalgal biomass produced during the phycoremediation of swine wastewater proved a promising source of alternative feedstock for the production and extraction of high value-added products, as well as being efficient in removing veterinary antibiotics.