Academic literature on the topic 'Colture di microalghe'

A great interest in microalgae bioactive compounds is spreading internationally for numerous commercial uses. The present thesis involves the production and the extraction of a secondary ketocarotenoid, astaxanthin (3,3'-dihydroxy-β, β'-carotene-4,4'-dione), from Haematococcus pluvialis applying bio- and eco-compatible methodologies. Astaxanthin is naturally accumulated when the microalgae are submitted to environmental stress, changing from a green vegetative phase to a red cyst phase. The results showed that the polysaccharide content increases while proteins and fatty acids decrease by intensifying the production of astaxanthin in the red phase. Furthermore, the biochemical composition of cells in the two growth phases varies qualitatively and quantitatively in total lipids, especially in carotenoid content and composition. Various sustainable solvents have been here used for the development of astaxanthin extraction protocols. The highest yields were obtained with 2-methyltetrahydrofuran, dimethyl carbonate and ethyl acetate; however these solvents were not algae compatible, causing algal death. On the other hand, vegetable oil maintained algal vitality and provided modest yields of extraction. Re-inducing the vegetative phase and subsequently the red one in algal cells recovered from a first extraction process with oil, the yield in astaxanthin of the second extractive cycle was 3 times higher than the previous one. Astaxanthin is therefore potentially obtainable with two alternative approaches: i) with good extraction yields using sustainable solvents (eg 2-methyltetrahydrofuran) or solvents that are safe for humans (eg methyl isobutyl ketone, isoamyl-acetate, butanol, ethyl acetate), but incompatible with cellular vitality; ii) with lower yields and longer extraction time using vegetable oils, capable of maintaining algal vitality and suitable for applications in the nutraceutical, cosmetic and food industries.

Il lavoro sperimentale di questa tesi è stato condotto sulla coltivazione della diatomea Phaeodactylum tricornutum che grazie alla sua capacità di sintetizzare e di accumulare una elevata quantità di acidi grassi polinsaturi (PUFAs) ω-3 tra cui l’acido eicosapentanoico (EPA), ha un notevole interesse commerciale per la nutrizione umana. Il lavoro di tesi è stato svolto presso il Laboratorio di Biologia delle Alghe in due fasi sperimentali, nella prima, l’alga è stata coltivata usando un medium standard con due diversi rapporti molari N/P, valutando l’effetto della somministrazione di 1mg L-1 al giorno di CO2 sulla velocità di crescita e sulla composizione percentuale in termini di proteine polisaccaridi e lipidi della biomassa raccolta in fase stazionaria. I risultati ottenuti hanno mostrato che la somministrazione di CO2 durante la crescita dell’alga, determina un significativo incremento della biomassa algale ottenuta e una produzione maggiore di lipidi e polisaccaridi per cellula. Nella seconda fase sperimentale P.tricornutum è stata coltivata usando un refluo industriale con lo scopo di valutare la capacità dell’alga di rimozione dei componenti azotati e del fosforo per effettuare un processo di fitodepurazione e ridurre i costi dovuti all’impiego dei nutrienti nella coltivazione. I risultati ottenuti dimostrano che nel refluo l’alga presenta una velocità di crescita più elevata rispetto alle condizioni precedenti e, dopo la somministrazione di CO2, accumula una percentuale maggiore di proteine e di acidi grassi. In conclusione questi dati suggeriscono che l’utilizzo di un refluo industriale con la concomitante aggiunta di CO2 in basse concentrazioni nella coltivazione delle microalghe potrebbe ridurre i costi di produzione della biomassa su larga scala e consentirebbe di ottenere biomassa algale con un maggior valore commerciale.

La coltivazione massiva di microalghe ha lo scopo di produrre biomassa su larga scala per ottenere prodotti e processi utili, grazie al loro elevato contenuto di carboidrati, proteine, lipidi, pigmenti e altri composti, che sono utilizzati a livello industriale in campo alimentare, medico e nutraceutico. L’elevata potenzialità di utilizzo di questa biomassa ha assunto un ruolo primario nell’ambito della produzione di energia ecocompatibile o di processi utili per l’ambiente. Dalle microalghe è possibile estrarre lipidi da utilizzare come biocarburanti e possono trovare applicazione anche nel trattamento di reflui domestici ed industriali, nella produzione di composti bioattivi atti alla produzione di biopolimeri, fertilizzanti e ammendanti. Le problematiche inerenti ad una produzione industriale, riguardano la riduzione dell’impatto energetico, ambientale ed i costi di produzione con l’obbiettivo di massimizzare la resa della coltura; questo potrebbe essere realizzato attraverso l’utilizzo di sostanze di crescita che diversi studi mostrano come siano presenti naturalmente nelle microalghe. Il lavoro di questa tesi si è incentrato sulla valutazione degli effetti di ormoni vegetali sulla crescita e la composizione molecolare della microalga verde Desmodesmus communis, organismo noto nell’ambito del trattamento delle acque reflue e specie alternativa nella produzione di energia rinnovabile grazie alle sue caratteristiche fisiologiche. La crescita è stata monitorata attraverso conteggio cellulare, consumo di nutrienti, misurazione del peso secco e dell’efficienza fotosintetica; la composizione molecolare è stata quantificata analizzando il contenuto di polisaccaridi, proteine e lipidi delle cellule. Dapprima è stato eseguito uno screening preliminare di cinque fitormoni a concentrazioni diverse, allo scopo di selezionare lo stimolante biochimico con maggior effetto. Selezionato l’ormone, si è poi proceduto ad allestire colture batch, in cui il composto, l’auxina acido fenilacetico, è stato aggiunto alla concentrazione prescelta e successivamente, avvalendosi dell’utilizzo di due fotobioreattori colonnari, è stato valutato l’effetto dell’ormone selezionato in un sistema di coltura semicontinuo, ipotizzando una coltivazione industriale su larga scala.

Il Dimetilsolfoniopropionato (DMSP) è un metabolita secondario prodotto da vari organismi marini, tra cui molte microalghe. Ad oggi pochi studi riguardano gli effetti dei fattori ambientali sulla produzione di DMSP nelle microalghe tossiche, tuttavia si ipotizza che la carenza di azoto (N-dep) possa influire sulla produzione di tossine e DMSP. In questo lavoro è stata indagata nella dinoflagellata Ostreopsis cf. ovata: la presenza e l’andamento del DMSP lungo tutte le fasi di crescita; i possibili effetti di differenti condizioni di crescita (i.e. bilanciata e N-dep) sulla produzione del metabolita e delle tossine. La scelta della dinoflagellata è giustificata dalle sue frequenti fioriture dannose nel Mediterraneo e dall’osservazione, in studi pregressi, di una comunità batterica associata ai suoi blooms in grado di utilizzare il DMSP come fonte energetica. Lo studio mostra per la prima volta da parte di O. cf ovata la produzione del DMSP, riportando un trend temporale simile nelle due condizioni. Si evidenzia: un minimo a fine fase esponenziale; un massimo nella prima fase stazionaria; una riduzione al termine della fase stazionaria. Il confronto fra le due condizioni evidenzia un effetto positivo di N-dep nella produzione di DMSP, evidenziato anche dal maggior tasso di produzione, che potrebbe avvenire per: utilizzare il DMSP rispetto ad altri osmoliti azotati; rilasciare nell’ambiente composti carboniosi e sulfurei, prodotti a seguito dello stress cellulare. I risultati indicherebbero come N-dep possa interferire nella sintesi di tossine e DMSP in maniera opposta, non per competizione diretta del nutriente nei processi di sintesi, ma a seguito dei cambiamenti fisiologici della microalga dovuti alla carenza nutrizionale. Infine la produzione di DMSP da parte della microalga conferma l’instaurarsi di una fase d’interazione mutualistica con i batteri ad essa associati facilitata dal DMSP, importante per lo sviluppo della popolazione algale e dei conseguenti rischi sanitari ed ecosistemici.

Negli ultimi 10 anni i blooms attribuibili alla dinoflagellata bentonica Ostreopsis cf. ovata sono aumentati in termini di frequenza ed intensità lungo le coste del Mediterraneo, avendo ripercussioni negative sulla salute umana e forti impatti sulle comunità marine bentoniche, ciò a seguito della produzione di potenti tossine (composti palitossina-simili) da parte della microalga. Tra i fattori ecologici che innescano o regolano le dinamiche dei bloom tossici le interazioni tra microalghe e batteri sono in misura sempre maggiore oggetto di ricerca. In questo studio è stata analizzata la struttura filogenetica della comunità batterica associata ad O. cf. ovata in colture batch e valutate le dinamiche successionali della stessa in relazione alle differenti fasi di crescita della microalga (oltre che in relazione alle dinamiche di abbondanza virale). Lo studio filogenetico è stato effettuato tramite l’ausilio di metodiche molecolari di sequenziamento di next generation (Ion Torrent). Le abbondanze dei batteri e delle particelle virali sono state determinate tramite microscopia ad epifluorescenza; l’abbondanza cellulare algale è stata stimata tramite metodo Uthermohl. Il contributo della frazione batterica ad elevata attività respiratoria è stato determinato tramite doppia colorazione con coloranti DAPI e CTC. Dai dati emersi si evince che la comunità batterica attraversa due fasi di crescita distinte, una più marcata e concomitante con la fase esponenziale di O. cf. ovata, l'altra quando la microalga è in fase media stazionaria. Per quanto concerne la composizione filogenetica della comunità sono stati rilevati 12 phyla, 17 classi e 150 generi, sebbene i dati ottenuti abbiano rilevato una forte dominanza del phylum Proteobacteria con la classe Alphaproteobacteria, seguita dal phylum Bacteroidetes con la classe Sphingobacteria. Variazioni nella struttura filogenetica della comunità batterica, a livello di generi, tra le diverse fasi di crescita della microalga ha permesso di evidenziare ed ipotizzare particolari interazioni di tipo mutualistico e di tipo competitivo.