Efeitos de qualidades espectrais de radiação na fotossíntese e na síntese de compostos de valor agregado em algas vermelhas foliáceas

Abstract

A qualidade e quantidade de radiação que atinge as algas marinhas desempenham um papel fundamental no desenvolvimento fisiológico, morfológico e bioquímico das algas. A radiação fotossinteticamente ativa (PAR), é necessária para que os organismos fotossintéticos realizem a fotossíntese. Porém combinação de diferentes fatores de radiação (incremento, intensidade, tempo, suplemento), além do PAR geram efeitos adicionais. A luz azul e a radiação ultravioleta (UVR) são comprimentos de onda que demonstraram ter um grande efeito sobre as algas, chegando a promover a concentração de compostos derivados do metabolismo do nitrogênio. A UVR pode gerar respostas benéficas ou prejudiciais de acordo com a intensidade e o tempo com que é aplicada às algas, o que está contemplado na Lei de Reciprocidade de Busen-Roscoe (LBR). As macroalgas vermelhas são organismos fotossintetizantes que toleram altas quantidades de UVR, têm a capacidade de gerenciar a radiação que recebem para manter sua fisiologia intacta e produzir metabólitos de valor agregado (como proteínas, clorofilas, ficobiliproteínas, compostos absorventes de UV, antioxidantes, fenólicos e carboidratos) para diferentes indústrias. Essas características as tornam protótipos eficientes para estudar variações na radiação azul e UVR. Neste trabalho, os efeitos da qualidade e quantidade de luz foram analisados em tratamentos considerando diferentes combinações de incremento de luz azul e radiação UV. Esses tratamentos foram aplicados nas macroalgas vermelhas foliáceas Phycocalidia acanthophora e Neopyropia leucosticta. O objetivo principal foi estimular a síntese de compostos biotecnológicos de alto valor e regular a fotossíntese durante a exposição aos tratamentos com diferentes combinações de radiação. A radiação UV foi aplicada em diferentes intensidades e tempos, produzindo doses diferentes de UVR. O papel da luz azul foi avaliado pelo incremento ou não de luz azul a lâmpadas brancas de controle, sendo 16 µmol fótons m-2 s-1 para P. acanthophora e 60 µmol fótons m-2 s-1 para N. leucosticta. Durante os períodos experimentais foram medidas as respostas fotossintetizantes usando fluorescência de clorofila a in vivo [rendimento quântico máximo (Fv/Fm) e taxas de transporte de elétrons (ETR)] e as taxas de crescimento dos talos. Após a exposição das espécies aos diferentes tratamentos de radiação, foram determinadas as quantidades de compostos absorventes de UV, pigmentos fotossintetizantes (clorofilas e ficobiliproteínas), capacidade antioxidante (ABTS, DPPH), proteínas solúveis, carboidratos e compostos fenólicos. Foram observadas respostas significativas em P. acanthophora nos compostos absorventes de UV dependendo dos efeitos da interação entre incremento de luz azul e as condições de UVR. Também houve efeito significativo na capacidade antioxidante pelo incremento de azul. Para N. leucosticta, as respostas significativas pelas condições de UVR aconteceram no caso de ficocianina, pela interação de condições UVR no tempo para carboidratos e irradiância de saturação, pela interação do incremento de azul e condições de disponibilidade de UVR para a taxa de crescimento e os compostos absorvente de UV, e pelo efeito do incremento de azul e as condições UVR ao longo do tempo para os teores de ficoeritrina, a capacidade antioxidante e as proteínas solúveis. Em geral, para ambas das espécies, se percebeu que o incremento de luz azul regulou positivamente as respostas obtidas e foi validada a LBR em função das intensidades e doses para tratamentos com incremento de azul. A fotossíntese permaneceu estável durante o experimento em N. leucosticta. Este estudo enfatiza a relevância de testar o incremento de luz azul e a disponibilidade de radiação UV e como essas radiações podem ser gerenciadas adequadamente para aumentar alguns compostos de alto valor agregado.

Abstract: The quality and quantity of radiation that reaches seaweeds play a fundamental role in the physiological, morphological, and biochemical development of algae. Photosynthetically active radiation (PAR) is necessary for photosynthetic organisms to carry out photosynthesis, but the combination of different radiation factors (increment, intensity, time, supplement), in addition to PAR, generate additional effects. Blue light and ultraviolet radiation (UVR) are wavelengths that have been shown to have a great effect on algae, even promoting the concentration of compounds derived from nitrogen metabolism. UVR can generate beneficial or harmful responses according to the intensity and time with which it is applied to algae, which is contemplated in the Busen-Roscoe Reciprocity Law (LBR). Red macroalgae are photosynthetic organisms that tolerate high amounts of UVR. In addition, they could manage the received radiation to keep their physiology intact and produce value-added metabolites (such as proteins, chlorophylls, phycobiliproteins, UV-absorbing compounds, antioxidants, phenolics and carbohydrates) for different industries. These characteristics make them efficient prototypes for studying variations in blue radiation and UVR. In this work, the effects of light quality and quantity were analyzed in treatments considering different combinations of blue light increment and UV radiation. These treatments were applied to the red foliaceous macroalgae Phycocalidia acanthophora and Neopyropia leucosticta. The main objective was to stimulate the synthesis of high-value biotechnological compounds and regulate photosynthesis during exposure to treatments with different combinations of radiation. UV radiation was applied at different intensities and times, producing different doses of UVR. The role of blue light was evaluated by the increment or not of blue light to white control lamps, being 16 µmol photons m-2 s-1 for P. acanthophora and 60 µmol photons m-2 s-1 for N. leucosticta. During the experimental periods, photosynthetic responses using chlorophyll a fluorescence in vivo [maximum quantum yield (Fv/Fm) and electron transport rates (ETR)] and thallus growth rates were measured. After exposing the species to different radiation treatments, the amounts of UV-absorbing compounds, photosynthetic pigments (chlorophylls and phycobiliproteins), antioxidant capacity (ABTS, DPPH), soluble proteins, carbohydrates and phenolic compounds were determined. Significant responses were observed in P. acanthophora to UV-absorbing compounds depending on the effects of the interaction between blue light increment and UVR conditions. There was also a significant effect on the antioxidant capacity by the increase in blue light. There was also a significant effect on the antioxidant capacity by the increase of blue light. For N. leucosticta, the significant responses by UVR conditions were observed for phycocyanin, considering the interaction of UVR conditions in time for carbohydrates and saturation irradiance, for the interaction of blue increment and UVR conditions for growth rate and UV-absorbing compounds, and by the effect of increasing blue and UVR conditions on time for phycoerythrin, antioxidant capacity and soluble proteins. In general, for both species, it was perceived that the increase in blue light positively regulated the responses obtained and the LBR was validated as a function of the intensity and doses for treatments with an increase in blue light. Photosynthesis remained stable during the experiment in N. leucosticta. This study emphasizes the relevance of testing the blue light increment and the availability of UV radiation and how these radiations can be properly managed to enhance some high value-added compounds.