Biofiltração de efluentes de aquicultura com Ulva spp. (Chlorophyta): ecofisiologia e valorização da biomassa

Tese (doutorado) - Universidade Federal de Santa Catarina, Centro de Ciências Biológicas, Programa de Pós-Graduação em Biotecnologia e Biociências, Florianópolis, 2022.O incremento descontrolado de resíduos poluentes não tratados decorrente de atividades antropogênicas é um problema mundial que põe em risco ecossistemas continentais e costeiros. A descarga excessiva de nutrientes nos corpos d'água, principalmente na forma de compostos nitrogenados e fosforados, leva ao fenômeno de eutrofização, o qual compromete os ecossistemas aquáticos em termos químicos e biológicos. A aquicultura é uma prática que vem crescendo ao longo dos últimos anos, gerando efluentes ricos em nutrientes que, se não tratados, podem contribuir com o processo de eutrofização. Sistemas de aquicultura multitróficos integrados consistem no cultivo interligado de organismos de diferentes níveis tróficos, permitindo o reuso dos efluentes ricos em nutrientes para o cultivo de organismos filtradores, como algas marinhas. Nesse sentido, algas do gênero Ulva têm sido exploradas como biofiltradoras de efluentes de maricultura. Além de atuarem como biofiltros, os cultivos de Ulva sp. podem ser fonte de biomassa para obtenção de compostos de interesse biotecnológico, como polissacarídeos denominados ulvanos. Nesse cenário, o presente trabalho buscou, através de experimentos em escala piloto, a perspectiva de utilização de cultivo de duas espécies de Ulva: U. pseudorotudata e U. rigida para biofiltração de efluentes advindos de cultivos de peixes. Além da redução no teor da concentração de compostos nitrogenados, decorrente do processo de remoção dos nutrientes pelas algas no meio, também foram avaliados aspectos fisiológicos obtidos por parâmetros fotossintéticos, crescimento e composição da biomassa. No âmbito relacionado ao uso da biomassa algal, realizou-se a extração e caracterização de polissacarídeos da biomassa obtida nos cultivos de ambas as espécies. Posteriormente foram avaliadas a atividade antioxidante e de citotoxicidade dos polissacarídeos em ensaios in vitro de 4 linhagens celulares: câncer de cólon (HCT-116), leucemia (U-937), queratinócitos (HACAT) e melanoma (G361). Tais resultados visaram avaliar o potencial dos polissacarídeos ulvanos, para aplicação na indústria farmacêutica. Para tal, a presente tese está estruturada em três capítulos. Os resultados obtidos no capítulo 1 mostram que cultivos de U. pseudorotundata foram eficientes na remoção de NH4+ e NO3- nas 3 concentrações iniciais testadas de nutrientes (150, 300 e 500 µmol L?¹) garantindo a biofiltração completa da água em um período de 24 h, embora tenham sido observadas diferenças na eficiência e velocidade de remoção dos nutrientes dependendo da densidade inicial da biomassa algal e do tipo de fonte de nitrogênio. No capítulo 2, ao comparar aspectos de biofiltração e performance fotossintética dos cultivos de U. pseudorotundata e U. rigida em 50% e 100% de efluente de Chelon labrosus verificou-se que ambas as espécies possuem capacidades semelhantes para remover nutrientes inorgânicos de efluentes de peixes. Também foi observado que os cultivos apresentaram desempenho fotossintético e composição de biomassa equivalentes. Com os dados obtidos foi gerado um modelo de regressão linear entre a eficiência de remoção de NO3- e a eficiência fotossintética (?ETR), este último obtido através de curvas rápidas de luz. O terceiro e último capítulo apresenta que polissacarídeos, constituídos majoritariamente por ulvanos, obtidos de U. pseudorotundata e U. rigida revelam composição química e estrutural semelhante. Também se constatou que ambos polissacarídeos apresentaram capacidade antioxidante em função do incremento das concentrações testadas. Foi verificado que os polissacarídeos obtidos das duas espécies exibiram toxicidade moderada contra as linhagens celulares HCT-116 e índice de seletividade >3, demonstrando ser um potencial composto isolado para o desenvolvimento de produtos farmacêuticos. De forma geral, esta tese contribui com o entendimento sobre biofiltração de nutrientes presentes nos efluentes de aquicultura utilizando cultivos de duas espécies de Ulva através da performance fisiológica das algas e posterior utilização da biomassa para aplicações biotecnológicas.Abstract: The increased discharge of wastewater from anthropogenic activities is a worldwide problem which compromises continental and coastal ecosystems. Nutrient discharge into water bodies, mainly as nitrogen and phosphorus compounds, leads to the phenomenon of eutrophication, which can alter chemical and biological composition of aquatic ecosystems. Aquaculture is an activity that has grown over the last few years, generating effluents with a high nutrient content, which, if not treated, can contribute to the eutrophication process. Integrated multi-trophic aquaculture systems (IMTA) consist in the connected cultivation of organisms from different trophic levels, allowing the reuse of nutrient-rich effluents for cultivation by filtering organisms, such as seaweed. In this sense, seaweed from the genus Ulva have been explored as biofilters of mariculture effluents. In addition to its role as biofilters, Ulva sp. biomass can be a source of compounds with biotechnological interest, such as ulvans polysaccharides. In this scenario, the present work sought, through pilot scale experiments, the perspective of using the cultivation of two Ulva species: U. pseudorotudata and U. rigida as biofilters of fish ponds effluents. Besides the reduction in the concentration of nitrogen compounds, physiological aspects obtained by photosynthetic parameters, growth and biomass composition were also evaluated. Regarding the use of algal biomass, the extraction and characterization of polysaccharides from the biomass obtained in the cultures of both species were carried out. Subsequently, the antioxidant capacity and cytotoxicity activity of the polysaccharides were evaluated in vitro assays of 4 cell lines: colon cancer (HCT-116), leukemia (U-937), keratinocytes (HACAT) and melanoma (G361). These analyses aimed to evaluate the potential of ulvan polysaccharides for application in the pharmaceutical industry. To access the objectives mentioned above this thesis is presented in three chapters. The results obtained in Chapter 1 show that U. peudorotundata cultures were efficient in removing NH4+ and NO3- in the 3 initial concentrations of nutrients tested (150, 300 and 500 µmol L?¹) ensuring complete water remediation in a period of 24 h, although differences were observed depending on the initial biomass stocking density and type of nitrogen source. In chapter 2, when comparing aspects of biofiltration and photosynthetic performance of U. pseudorotundata and U. rigida cultures in 50% and 100% of Chelon labrosus effluent, it was found that both species possess similar capabilities of removing inorganic nutrients from fish effluents. Additionally, both seaweed species presented equivalent photosynthetic performance and biomass composition. A linear regression model between NO3- uptake efficiency and photosynthetic efficiency (?ETR), obtained from Rapid Light Curves, is presented. The third and final chapter shows that the ulvan polysaccharide-rich fraction (UPRF) isolated from U. rigida and U. pseudorotundata presented similar chemical and structure composition. Similar antioxidant capacity was obtained with increasing potential in response to the increment of polysaccharide concentrations. Both UPRF presented moderate toxicity against HCT-116 cell lines and a selectivity index = 3, suggesting a good potential for use in pharmaceutical products. In general, this thesis contributes to the understanding of nutrients biofiltration present in aquaculture effluents using cultures of two Ulva species through the physiological performance of algae and subsequent use of biomass for biotechnological applications