A capacidade de ligação de prótons e metais por células vivas da microalga Tetraselmis gracilis (Kylin) butcher foi estudada por titulação potenciométrica e voltametria de redissolução anódica, respectivamente. Dados da titulação alcalimétrica obtidos com uma suspensão de microalga suspensa em NaCl 0,60 mol L-1 a 25,0 ± 0,1 ºC foram tratados por um modelo de distribuição discreta de sítios baseado na linearização das curvas de titulação por funções de Gran modificadas. A concentração total de sítios ionizáveis foi 3,4 x 10-3 mmol g-1, divididos em quatro classes de grupos com pKa 4,4; 5,2; 7,0 e 9,3, cujas abundâncias relativas foram 13, 5,8, 8,2 e 73%, respectivamente. Ligação de Cd(II) e Zn(II) foi estudada em água do mar (pH 8,2) por adições de soluções dos cátion metálicos em soluções simples ou misturas binárias. O cálculo das concentrações dos metais a partir dos dados voltamétricos considerou o agregado célula-metal tendo difusão muito menor do que a do íon livre. Capacidades de adsorção e o logaritmo das constantes de equilíbrio condicionais foram 7,9 ± 0,9 µmol g-1 e 6,9 ± 0,3 L g-1 para Cd(II) e 18,1 ± 0,4 µmol g-1 e 8,8 ± 0,2 L g-1 para Zn(II). Nas titulações com misturas binárias as capacidades de adsorção foram 0,129 ± 0 ,008 e 18,1 ± 0,4 µmol g-1 de Cd(II) e Zn(II), respectivamente, sugerindo que a ligação de Zn(II) inibe a de Cd(II). Entretanto, mesmo na presença de Zn(II) a superfície de alga possui sítios minoritários que se ligam a Cd(II) (log Kads = 7,7 ± 0,2), o que pode causar a bioacumulação desse íon metálico tóxico. / Proton and metal binding capacities of living cells of the microalgae Tetraselmis gracilis (Kylin) butcher were determined by potentiometric titration and anodic stripping voltammetry, respectively. Data of alkalimetric titration of the microalgae suspension obtained in 0.60 mol L-1 NaCl at 25.0 ± 0.1ºC was treated by a discrete site distribution model based on the linearization of the titration curve by modified Gran functions. A total of 3.4 x 10-3 mmol g-1 ionizable sites were determined, divided in four classes of groups with pKa 4.4, 5.2, 7.0 and 9.3, whose relative abundances were 13, 5.8, 8.2 and 73%, respectively. Binding of Cd(II) and Zn(II) was studied in seawater (pH 8.2) by additions of either single metallic species or binary mixtures. Computation of free metal concentrations from the voltammetric data considered the cell-metal aggregates with diffusion coefficient significantly lower than that of free metal ions. Adsorption capacities and the logarithm of the conditional equilibrium constants were 7.9 ± 0.9 µmol g-1 and 6.9 ± 0.3 L g-1 for Cd(II) and 18.1 ± 0.4 µmol g-1 and 8.8 ± 0.2 L g-1 for Zn(II). For titrations with binary mixtures of Cd(II) and Zn(II ) the adsorption capacity of Cd(II) were 0.129 ± 0.008 µmol g-1 and 18.1 ± 0.4 µmol g-1, respectively. The results suggest that binding of Zn(II) inhibits that of Cd(II). However, even in the presence of Zn(II), the alga surface has some minor sites that can bind Cd(II) (log Kads = 7.7 ± 0.2), a process that can lead to bioaccumulation of this toxic metal ion.

As microalgas são conhecidas pela sua elevada capacidade fotossintética e pela produção de compostos de alto valor agregado. Nutrientes essenciais como nitrogênio e carbono, a intensidade da luz e a temperatura são responsáveis por mudanças substanciais na produção de biomassa e compostos de interesse. Este trabalho teve como objetivo estudar os fatores como concentração de nitrogênio, variação da temperatura, regime de iluminação e regime de operação do fotobiorreator (batelada, batelada repetida e contínuo) que afetam a formação e a composição da biomassa (proteínas, lipídeos, carboidratos, ácidos graxos e carotenoides) da microalga Heterochlorella luteoviridis e desenvolver um sistema de cultivo para a utilização do CO2 formado durante a fermentação alcoólica na produção de vinho. Primeiramente foram avaliados os efeitos da temperatura (22 °C a 32 °C) e concentrações de nitrogênio (75 mg L-1 a 375 mg L-1 NaNO3) sobre a formação de biomassa H. luteoviridis e sua composição química. A concentração de nitrogênio e a temperatura influenciaram no teor de carboidratos, carotenoides e proteínas, contudo não afetaram o perfil qualitativo de carotenoides e ácidos graxos. A maior concentração de biomassa (3,35 g L-1) foi obtida com a maior concentração de nitrogênio testada. Mantendo-se a temperatura fixa (27 °C) realizaram-se cultivos com concentração de nitrogênio entre 300 mg L-1 e 750 mg L-1 NaNO3. A máxima produção de biomassa (5,26 g L-1) e carotenoides (2,06 mg g-1) foi obtida com concentração de nitrogênio de 650 mg L-1 NaNO3. As cinéticas de crescimento e consumo de nitrogênio em batelada foram ajustadas a modelos fenomenológicos. O modelo matemático proposto neste trabalho mostrou o melhor ajuste para biomassa (R2 = 0,994) e consumo de nitrogênio (R2 = 0,996). A partir deste modelo foram realizadas simulações de cultivo em modo de operação batelada repetida e contínuo com diferentes taxas de diluição e os cultivos com as maiores produtividades de biomassa preditas foram validados experimentalmente. As culturas em batelada repetida apresentaram produtividade de biomassa menor que a predita, enquanto que a contínua apresentou produtividade similar à predita pelo modelo (1,09 ± 0,01 g L-1 d-1). Os cultivos em batelada-repetida e contínuo apresentaram biomassa com maiores teores de proteínas, ácidos graxos poli-insaturados ômega 3 e carotenoides quando comparados à batelada. O cultivo contínuo foi repetido utilizando CO2 proveniente da fermentação alcoólica da produção de vinho como fonte de carbono, o qual apresentou comportamento similar ao cultivo com a CO2 comercial. Por fim, avaliou-se os efeitos da intensidade e dos comprimentos de onda da luz no crescimento e na composição da microalga H. luteoviridis. As culturas iluminadas por LED brancos com intensidade máxima de 1500 μmol m-2 s-1 apresentaram maiores produtividades de biomassa (0,29 g L-1 d-1). Comparando culturas iluminadas por LEDs vermelhos e/ou azuis, os primeiros estimularam o crescimento da biomassa enquanto que os últimos estimularam a biossíntese de carotenoides, lipídeos e proteínas. / Microalgae are known for their high photosynthetic activity and by the production of high-value products. Essential nutrients, like nitrogen and carbon, light intensity, and temperature are responsible for substantial changes in biomass and compounds production. This work aimed to study the parameters as concentration of nitrogen, temperature variation, lighting regime and operation regime of the photobioreactor (batch, repeated-batch and continuous) that affect biomass production and composition (proteins, lipids, carbohydrates, fatty acids and carotenoids) of the microalga Heterochlorella luteoviridis, and to develop an integrated culture system to use the CO2 from alcoholic wine fermentation to grow the microalga. Firstly, the effects of temperature (22 °C to 32 °C) and nitrogen concentration (75 mg L-1 to 375 mg L-1 NaNO3) were evaluated. Both parameters affected carbohydrates, carotenoids and protein contents in the biomass but did not affect the qualitative profile of carotenoids and fatty acids. The highest biomass concentration (3.35 g L-1) was achieved at the highest nitrogen concentration. New cultures were performed using nitrogen concentration between 300 mg L-1 and 750 mg L-1 NaNO3, and keeping temperature fixed at 27 °C. The maximal biomass and carotenoid production, 5.26 g L-1 and 2.06 mg g-1, were achieved using 650 mg L-1 NaNO3. The biomass growth and nitrogen consumption were adjusted by phenomenological models. The model proposed in this work showed the highest adjust for biomass (R² = 0.994) and nitrogen (R² = 9.996) data. This model was used to simulate repeated-batch and continuous cultures using several dilution rates. The cultures with the highest predicted biomass productivities were experimentally validated. The repeated-batch cultures showed lower biomass productivities than the predicted one, while the continuous culture showed biomass productivity similar to the one predicted by the model (1.09 ± 0.01 g L-1 d-1). The biomass resultant from these cultures had higher contents of proteins, omega-3 polyunsaturated fatty acids and carotenoids, compared to the biomass from batch cultures. The continuous culture was repeated using CO2 from wine fermentation as a carbon source. The results were similar to the ones using commercial CO2, showing the feasibility of the integrated process. Finally, the effects of light intensity and wavelength were evaluated on the growth and composition of H. luteoviridis biomass. Cultures illuminated with white LEDs at maximum intensity of 1500 μmol m-2 s-1 showed the higher biomass productivity, 0.29 g L-1 d-1. Comparing cultures illuminated with red and/or blue LEDs, the former stimulated biomass growth and the latter the carotenoid, lipids and protein biosynthesis.

A. platensis é uma microalga que pertence ao filo Cyanobacteria, desde muitos anos atrás é utilizada na alimentação humana, mas foi na década de 60 que a pesquisa e a produção avançaram na fabricação de novos alimentos com o uso da biomassa microalgal. O elevado teor proteico e a associação do consumo com a melhora da saúde da população contribuíram para a popularização da microalga. As necessidades do mercado por produtos práticos e saudáveis motivam a elaboração do presente trabalho, que pretende desenvolver uma barra de cereal enriquecida com A. platensis, com estabilidade microbiológica e características nutricionais e organolépticas satisfatórias. A barra de cereal foi enriquecida com 1, 3 e 6% de A. platensis. Foram realizadas análises químicas, microbiológicas, colorimétrica, sensorial, textura e microscopia eletrônica de varredura (MEV). A composição centesimal do novo produto mostrou para a barra de cereal com 6% de A. platensis um incremento no percentual de lipídios, fibras e proteínas. O percentual de umidade e de cinzas não mostrou diferença, enquanto os valores de carboidratos variaram. Análise microbiológica não apontou contaminação e a análise sensorial mostrou uma diminuição da aceitação global e da intenção de compra à medida que a concentração de A. platensis aumentou. No entanto, é possível destacar que a análise não mostrou diferença em relação ao sabor que, na avaliação dos provadores, não foi afetado pela adição de A. platensis; essa constatação indica que o enriquecimento de alimentos com a microalga é uma alternativa viável. Na análise de cor, houve uma diminuição na luminosidade e na intensidade da cor, com o aumento da concentração de biomassa. Os dados obtidos para força máxima medida em Newton (N) indicam que para a amostra com 6% de A. platensis, o enriquecimento foi responsável pelo aumento da força máxima aplicada às amostras. Já a análise do Perfil de Textura (TPA) não apontou diferenças para os parâmetros Dureza, Elasticidade, Mastigabilidade, Coesividade. O enriquecimento da barra de cereal com biomassa de A. platensis mostra um incremento proteico importante, porém, é preciso rever a formulação com a finalidade de mascarar a cor verde da A. platensis e melhorar a análise sensorial do novo produto. / A. platensis is a microalga belonging to the phylum Cyanobacteria, since many years ago is used in food, but it was in the 60s that research and production have advanced the production of new food with the use of microalgal biomass. The high protein content and the association of consumption with improved health of the population contributed to the popularization of microalgae. Market needs for practical and healthy products motivates the preparation of this work aims to develop a cereal bar enriched with A. platensis with microbiological stability and nutritional and organoleptic characteristics satisfactory. The cereal bar was charged with 1, 3 and 6% A. platensis. They were made with the new product chemical, colorimetric, microbiological, sensory analysis, texture and scanning electron microscopy (SEM). The chemical composition of the new product showed the cereal bar with 6% A. platensis an increase in the percentage of lipids, fiber and proteins. The percentage of humidity and ash showed no difference, while the carbohydrate values varied. microbiological analysis showed no contamination, and sensory analysis showed a decrease in global acceptance and purchase intent as the concentration of A. platensis increased, however, it is possible to emphasize that the analysis showed no difference in taste that the evaluation of tasters, was not affected by the addition of A. platensis, this finding indicates that the enrichment of food with the microalgae is a viable alternative. color analysis demonstrated a decrease in brightness and color intensity by increasing the biomass concentration. The data obtained for maximum force measured in Newton (N) to indicate that the sample with 6% A. platensis enrichment was responsible for increasing the maximum force applied to the samples. Analysis Texture Profile (TPA) showed no differences in the hardness parameters, Elasticity, Chewiness, Cohesiveness. The enrichment of the cereal bar with A. platensis biomass protein shows a significant increase, however, is necessary to review the formulation for the purpose masks the green A. platensis and improve sensory analysis of the new product.

Diversos produtos tópicos são desenvolvidos a fim de se evitar os efeitos nocivos da radiação ultravioleta (UV), dentre eles, os protetores solares constituídos por filtros físicos e/ou químicos. No entanto, os filtros químicos podem promover eventos adversos, razão pela qual a busca de ativos em fontes naturais tem-se mostrado de grande importância. A microalga Botryococcus braunii pode ser de potencial interesse em aplicações cosméticas, pois foi descrito que seu extrato aquoso apresentou redução da desidratação cutânea, induziu a produção do colágeno, bem como promoveu atividade antioxidante. Assim, o estudo visou analisar o auxilio da B. braunii na fotoproteção cutânea e na proteção da pele por meio da ação antioxidante in vitro. As formulações, constituídas de biomassa da microalga ou de seus extratos, acrescidas ou não de filtros, foram avaliadas quanto à: ação antioxidante, atividade fotoprotetora in vitro e fotoestabilidade. A B. braunii apresentou bom desempenho de crescimento, contendo lipídeos (25,65%) e proteínas (49,17%) em proporção semelhante à descrita na literatura. A presença de fenóis totais e a ação antioxidante foram analisadas nos extratos obtidos com clorofórmio, metanol e etanol 70%. O extrato obtido com etanol 70% foi o que apresentou maior concentração de fenóis totais (68,9 µg/mL de ácido cafeico), porém inferior ao relatado na literatura; e a ação antioxidante não foi considerada significativa ao se comparar com o padrão Trolox®. Nas formulações, os extratos foram considerados ineficientes para ação antioxidante. Quanto à atividade fotoprotetora in vitro e fotoestabilidade, a B. braunii não apresentou eficácia adequada, existindo, porém, a possibilidade de os extratos atuarem na região da luz visível e contribuírem contra os efeitos danosos provocados por esta radiação à pele. / Several topical products are developed in order to avoid the harmful effects of ultraviolet (UV) radiation, including sunscreens made by physical and/or chemical filters. However, chemical filters may promote adverse events, which is why the search for actives from natural sources has proven to be of great importance. The microalgae Botryococcus braunii may be of potential interest in cosmetic applications, because it has been reported that its aqueous extract showed a reduction in skin dehydration, induced collagen production and promoted antioxidant activity. Thus, the study aimed to analyze the contribution of B. braunii in skin photoprotection and skin protection through in vitro antioxidant action. The formulations, consisting of biomass from the microalgae or their extracts, supplemented or not by filters, were evaluated for: antioxidant activity, photoprotective activity in vitro and photostability. The B. braunii showed good growth performance, containing lipids (25.65%) and protein (49.17%) in similar proportion to the described by the literature. The presence of phenolic compounds and antioxidant activity were analyzed in extracts obtained with chloroform, methanol and 70% ethanol. The extract obtained with 70% ethanol showed the highest concentration of total phenolics (68.9 mg/mL caffeic acid), but lower than that reported in the literature; and the antioxidant action was not considered significant when compared to the Trolox® standard. In the formulations, the extracts were considered inefficient for antioxidant action. In relation to the in vitro photoprotection activity and photostability, B. braunii did not provide adequate efficacy, however, there is a possibility that the extracts have an ability to act in the visible light region and contribute to the protection from the harmful effects caused by that radiation to the skin.

This document presents a research work on the mathematical modeling of the fast pyrolysis process of microalgae biomass by means of the construction of a reaction mechanism based on Arrhenius kinetic parameters. The interest in microalgae biomass as a source of bio-fuels and chemical products has grown only very recently from the last decade of the XX century. Although several papers related to the thermal decomposition of microalgae were found in the literature, only a few works are related to specific microalgae species. In particular, the microalgae species having more experimental data found in the literature was the Chlorella Vulgaris. Therefore, this species was chosen in this research in order to develop a reaction mechanism. Mathematical models for pyrolysis of lignocellulosic or woody materials have been developed for almost sixty years. Therefore, a large quantity of experimental data such as from the TG, DTG, DSC thermal analysis has been accumulated. As a consequence, sophisticated and comprehensive reaction mechanisms of pyrolysis have been developed. On the other hand, although the interest in the pyrolysis process about microalgae has grown, only a few works have reported thermal decomposition data, kinetic constants, products composition or complete reaction mechanisms in order to predict the devolatilization. As a consequence, there is currently no reaction mechanism coupled to CFD-type models that simulate rapid pyrolysis or devolatilization in reactors. In this context, this research proposes the development of a new multi-stage global reaction mechanism for the Chlorella Vulgaris species, based on the fundamental analysis TG and DTG and supported by well developed concepts, methodologies and principles for lignocellulosic biomass thermal analysis. The results obtained in this research have evidenced that the reaction mechanism has a very good agreement compared to experimental data of TG and DTG, accurately predicting the complex devolatilization of Chlorella Vulgaris in several steps. Following the objectives of this research, in a second stage, the set of chemical kinetic parameters were adapted to be used in a hydrodynamic numerical simulation (CFD). The adapted reaction mechanism was applied to simulating the devolatilization process in conjunction with a tubular fluidized reactor obtained from the literature which was used in studying the fast pyrolysis process of the Chlorella Vulgaris. In order to numerically solve the hydrodynamics and the rate equations, the finite volume method was used considering two Eulerian phases and an axis-symmetric domain. In particular, the solid phase, composed by the Chlorella Vulgaris powder was considered as a dispersed granular phase describing its rheology by means of the kinetic theory of granular flows. ANSYS Fluent 19.0 software package was used in defining and constructing the mesh and solving the set of discretized conservation equations using a transient pressure-based solver. Simulation using the adapted reaction mechanism for a reactor temperature of 673 K was performed for four different grid refinements in order to determine the solution convergence. Simulation results showed that the reaction mechanism can predict well the kinetics of the biomass conversion at high heating rates. Furthermore, and as expected, the results also showed that the biomass conversion depends strongly on the local temperature that is related to the granular rheology and transport processes of mass, momentum, and energy that have a fundamental role to control and to limit the overall biomass conversion. / Este documento apresenta o desenvolvimento e o resultado da modelagem matemática do processo de pirólise rápida de biomassa microalgal através da construção de um mecanismo químico de reação com base nos parâmetros cinéticos de Arrhenius. O interesse na biomassa de microalgas como fonte de bio-combustíveis para produtos químicos têm crescido muito recentemente,desde a última década do século XX. Embora vários artigos relacionados à decomposição térmica tenham sido identificados na literatura, apenas alguns trabalhos estão relacionados a uma espécie específica de microalga. Em particular a microalga que possui a maior quantidade de dados experimentais encontrados na literatura é a Chlorella Vulgaris. Portanto, esta espécie foi escolhida nesta investigação para desenvolver o mecanismo de reação. Os modelos matemáticos da pirólise de materiais lignocelulósicos ou de madeira foram desenvolvidos no decorrer de sessenta anos. Assim, uma grande quantidade de dados experimentais das análises TG, DTG e DSC foram acumuladas. Como consequência, foram desenvolvidos sofisticados mecanismos de reação completos para pirólise. Embora o interesse no processo de pirólise de microalgas tenha crescido, apenas alguns trabalhos reportaram dados de decomposição térmica, constantes cinéticas, composição de produtos ou mecanismos de reação completos. Como consequência, não existe na literatura,até o momento,mecanismos de reação acoplados a modelos do tipo CFD que simulem pirólise rápida ou devolatilização em reatores. Neste contexto, esta pesquisa propõe o desenvolvimento de um novo mecanismo de reação global multi-etapa (multi-stage) para a espécie Chlorella Vulgaris, baseado nas análises fundamentais TG e DTG, método iso-conversional e apoiado em conceitos e princípios bem desenvolvidos para a análise térmica da biomassa lignocelulósica. Os resultados obtidos nesta investigação mostram grande concordância quando comparados com os dados experimentais de TG e DTG, prevendo com precisão a complexa desvolatilização em estágios da Chlorella Vulgaris. Seguindo os objetivos desta investigação, o conjunto de parâmetros cinéticos químicos obtidos foi adaptado, numa segunda etapa, para ser utilizado em uma simulação numérica hidrodinâmica (CFD). O mecanismo de reação adaptado foi aplicado para simular o processo de desvolatilização em conjunto com um reator tubular fluidizado obtido da literaturaque foi usado para estudar o processo de pirólise de Chlorella Vulgaris.Para resolver numericamente as equações hidrodinâmicas e a taxa de reação, foi utilizado o método dos volumes finitos considerando duas fases Eulerianas e um domínio de simetria axial.Em particular, a fase sólida composta de pó de Chlorella Vulgaris foi considerada como uma fase granular dispersa, descrevendo sua reologia por meio da teoria cinética do fluxo granular. O programa ANSYS Fluent 19.0 foi usado para definir e construir a malha e resolver o conjunto de equações de conservação discretizadas usando um solver baseado em pressão. Simulações utilizando o mecanismo de reação adaptado foram realizadas considerando uma temperatura do reator de 673 K e quatro diferentes refinamentos de malha com o objetivo de determinar a convergência da solução. Os resultados da simulação mostraram que o mecanismo de reação, cineticamente, pode prever bem a conversão de biomassa em altas taxas de aquecimento. Além disso, e como era esperado, os resultados também mostraram que a conversão da biomassa depende fortemente da temperatura local, que também está diretamente relacionada à reologia da fase granular e aos processos de transporte de massa, quantidade de movimento e energia, que têm uma papel fundamental para controlar e limitar o processo de conversão global.

Minutocellus polymorphus é uma microalga marinha cosmopolita, encontrada em diversas áreas. É sensível a vários tipos de toxicantes e por isso foi escolhida para investigar a metabolização do fenol, assim como os efeitos de estresse oxidativo induzido por este poluente. Na exposição de M. polymorphus ao fenol foi observado um aumento na atividade da enzima superóxido dismutase (143,5±46,9 U mg-1 para o grupo tratado e 27,1±12,7 U mg-1 para o grupo controle) e na atividade de catalase (9,79 ± 1,32 µmol min-1 mg-1 no grupo fenol e 7,00 ± 1,03 µmol min-1 mg-1 no grupo controle). As enzimas ascorbato peroxidase, deidroascorbato redutase, glutationa redutase e glutationa peroxidase não foram afetadas pelo tratamento com fenol. Fenol foi ainda capaz de provocar uma depressão dos níveis de glutationa em M. polymorphus, o decréscimo da razão de GSH/GSSG foi de aproximadamente 80%. O fenol também provocou uma diminuição nos níveis de clorofila a, no entanto, não alterou outros pigmentos. Os níveis de malondialdéido, importante produto de lipoperoxidação, não foram alterados nas células expostas induzidos a este poluente orgânico. A remoção de fenol por M. polymorphus foi verificada no meio de cultura ao longo do tempo, houve um decréscimo na concentração de fenol de 250 µmol.L-1 depois de 6 dias de exposição. Em células previamente expostas ao poluente a remoção foi de 99% em 2 horas. As enzimas de biotransformação do fenol, fenol hidroxilase (PH) e catecol 2,3-dioxigenase (C2,3-D) também foram induzidas ao longo de 6 dias, no entanto, não foi detectada a atividade de catecol 1,2-dioxigenase (C1,2-D). Estes resultados sugerem que a biotransformação do fenol segue uma via de meta clivagem sendo formado o 2-hidroximucônico semialdéido pela ação de C2,3-D. A glutationa S-transferase (GST) teve um papel importante na detoxificação do fenol. Em M. polymorphus exposta a este poluente por 48 h foi observado um aumento da atividade de GST (7,4 ± 1,5 nmol min-1 mg-1 no grupo fenol e 14,6 ± 1,3 nmol min-1 mg-1 no grupo controle). Os resultados apresentados sugerem que a microalga M. polymorphus apresenta um potencial a biotransformação de fenol e pode ser considerada um importante bioindicador e SOD, catalase, GST e GSH importantes biomarcadores de poluição aquática / Minutocellus polymorphus is a cosmopolitan marine microalgae found in many areas. It is sensitive to several types of toxicants and therefore it was chosen to investigate the phenol biotransformation, as well as the oxidative stress induced by this pollutant. M. polymorphus exposed to phenol displays an increase in the enzymes superoxide dismutase (143.5±46.9 U mg-1 for the treated group and 27.1±12.7 U mg-1 for the control group) and catalase activities (9.79 ± 1.32 µmol min-1 mg-1 in the phenol group and 7.00 ± 1.03 µmol min-1 mg-1 in the control). The enzymes ascorbate peroxidase, dehydroascorbate reductase, gluthathione reductase and gluthathione peroxidase were not affected by the treatment with phenol. Phenol reduced the levels of gluthathione (GSH) in M. polymorphus, and therefore, the ratio GSH/GSSG is affected considerably. The intracellular levels of diadinoxanthin and chlorophyll-a were affected by the presence of phenol. The levels of malondialdehyde, important product of lipoperoxidation, were not altered in M. polymorphus when cells were exposed to this organic pollutant. The phenol uptake, by M. polymorphus, was followed and a decrease of 250 µmol. L-1 in the cell-free medium was estimated after six days of exposure. Cells previously exposed to the pollutant uptakes 99 % in 2 hours of incubation. The enzymes of phenol biotransformation, phenol hydroxylase (PH) and catechol 2,3-dioxygenase (C2,3-D) activities were induced after 6 days incubation. However, the activity of catechol 1,2-dioxygenase (C1,2-D) was not detected. These results suggest that the degradation of the phenol follows a meta clivagem being formed it 2-hydroxymuconic semialdehyde by the action of C2,3-D. The gluthathione S-transferase (GST) also displays an important role in the phenol detoxification. M. polymorphus exposed to the phenol for 48 hours had an increase of GST activity (7.4 ± 1.5 nmol min-1 mg-1 in the phenol group and 14.6 ± 1.3 nmol min-1 mg-1 in the control group). Our results suggest that the microalgae M. polymorphus is a potential to phenol biotransformation and it may be considered an important bioindicator and SOD, catalase, GST and GSH important biomarkers of aquatic pollution

O objetivo desta tese foi explorar o sistema de produção de proteínas heterólogas em microalga com ênfase em Chlamydomonas reinhardtii por meio de: (1) desenvolvimento de um fotobiorreator tubular fechado de escala laboratorial, utilizando técnicas de manufatura digital; (2) avaliação de 7 diferentes proteínas fluorescentes (mTagBFP, Cerulean, Emerald, crGFP, cOFP, tdTomato e mCherry), como sistema reporter de secreção de proteínas em microalga; (3) avaliação do fotobiorreator desenvolvido utilizando cultivo de cepas recombinantes; (4) desenvolvimento de novos peptídeos sinais para secreção de proteínas em C. reinhardtii; (5) avaliação da produção de um biofármaco (hialuronidase) em microalgas, por meio da expressão de duas isoenzimas codificadas pelos genes HYA1 e SPAM1 em C. reinhardtii. O fotobiorreator tubular foi avaliado quanto a sua capacidade de resistir ao processo de esterilização por autoclavação e seu desempenho por meio do cultivo de cepa recombinante secretando mCherry. A fluorescência das proteínas fluorescentes foi medida por leitor de placas de fluorescência e visualizada intracelularmente por microscopia confocal de fluorescência. A atividade de hialuronidase foi determinada através de um ensaio enzimático turbidimétrico. O desenvolvimento do fotobiorreator resultou em um sistema fechado resistente a autoclavação, com capacidade de cultivo de cepas recombinantes de C. reinhardtii. Esse fotobiorreator proporcionou uma produtividade máxima de 10 mg/L.d de mCherry da cepa recombinante em sistema fechado, com velocidade específica de crescimento máxima de 1,27 d-1 para a cepa recombinante testada. Todas as proteínas fluorescentes avaliadas apresentaram capacidade de secreção por C. reinhardtii, com diferentes níveis de interferências em sua medição, permitindo a escolha da mCherry como proteína reporter. Entre os peptídeos sinais avaliados (quatro descritos na literatura - BiP, ARS1, CAH1 e IBP1 - e seis preditos), o peptídeo predito \"SP5\" foi o que apresentou maior capacidade de secreção, determinado por níveis de fluorescência no sobrenadante. A avaliação dos peptídeos sinais constatou a necessidade de explorar o desenvolvimento de sistemas de expressão (e.g. vetores de expressão) aliados a análises computacionais, como o SignalP 4.0. Por último, os dados desse estudo mostram que C. reinhardtii transformadas com o vetor de expressão foi capaz de produzir as duas isoformas de hialuronidase em sua forma ativa, evidenciando a capacidade desse sistema para a produção de biofármacos. Portanto, nesta tese o sistema de expressão de proteínas heterólogas baseado em microalgas foi explorado, atingindo os objetivos propostos. O fotobiorreator desenvolvido tem a capacidade de esterilização em escala laboratorial (1) e em cultivo com cepa recombinante propiciou elevada produtividade (3). As proteínas vermelhas fluorescentes apresentaram-se como as proteínas com menores interferências para estudos de secreção em C. reinhardtii (2). Além disso, o peptídeo predito SP5 apresentou o melhor desempenho na secreção de proteínas (4) e o vetor de expressão empregado permitiu a identificação de cepas produtoras de biofármaco hialuronidase (5). Portanto, o sistema de produção de proteínas heterólogas por microalgas é um sistema promissor e poderá permitir, utilizando sistemas de secreção, obter proteínas de alto valor comercial a baixos custos, empregando a secreção e técnicas de cultivo como a fermentação extrativa. / In this thesis, the heterologous protein production in microalgae with emphasis on Chlamydomonas reinhardtii was explored through: (1) development of a laboratory scale closed tubular photobioreactor using digital manufacturing techniques; (2) evaluation of different fluorescent proteins (mTagBFP, Cerulean, Emerald, crGFP, cOFP, tdTomato and mCherry) as a reporter system for protein secretion in microalgae (3) evaluation of photobioreactor developed using recombinant strains culture; (4) development of new signals peptides for protein secretion in C. reinhardtii (5) expression evaluation of a biopharmaceutical (Hyaluronidase) in microalgae, through the expression of two isoenzymes encoded by the HYA1 and SPAM1 genes in C. reinhardtii. The tubular photobioreactor was evaluated for its ability to resist sterilization process by autoclaving and its performance by culturing recombinant strain secreting mCherry. Fluorescence of fluorescent proteins was measured by fluorescence plate reader and observed intracellularly by confocal fluorescence microscopy. The hyaluronidase activity was determined by a turbidimetric enzymatic assay. The development of the photobioreactor resulted in a closed system resistant to autoclaving, capable of culturing recombinant strains of C. reinhardtii. This recombinant strain achieved a maximum productivity of 10 mg/L.day of mcherry in the closed system, with a maximum growth rate of 1.27 d-1 for the recombinant strain tested. All the fluorescent proteins evaluated had C. reinhardtii secretion capacity, with different interference levels in their measurement, allowing the selection of mCherry as a reporter protein. Among the evaluated peptides (four described in the literature - BiP, ARS1, CAH1 and IBP1 - and six predicted), the predicted peptide \"SP5\" was the one that presented greater capacity of secretion, determined by levels of fluorescence in the supernatant. The results of this study point out the need to explore the development of biological systems (i.e., expression vectors) allied to computational analysis. Finally, the data from this study showed that C. reinhardtii could produce the two isoforms of hyaluronidase in its active form, evidencing the capacity of this system to produce biopharmaceuticals. Therefore, in this thesis the heterologous protein expression system based on microalgae was explored, reaching the proposed objectives. The developed photobioreator has sterilization capabilityin laboratorial scale (1) and in culture with recombinant strain had high productivity (3). The red fluorescent proteins was found as the most suitable proteins for studies of secretion in C. reinhardtii with lower interference levels(2). In addition, the predicted SP5 peptide showed the best performance in protein secretion (4) and the expression vector employed allowed the identification of strains producing biopharmaceutical hyaluronidase (5). Therefore, the system of heterologous proteins production by microalgae is promising and will allow, using secretion systems, to obtain proteins of high commercial value at low costs, using secretion and cultivation techniques such as extractive fermentation.

As embalagens têm grande importância na indústria de alimentos, pois tem como função principal proteger os alimentos contra contaminações externas. Porém, grande parte das embalagens tradicionais são produzidas a partir de fontes não renováveis e não biodegradáveis, causando sérios problemas ambientais. Por isso, os filmes e coberturas biodegradáveis vêm despertando atenção e interesse dos pesquisadores e indústrias. Neste trabalho, verificou-se a capacidade de desenvolver filmes biodegradáveis com propriedades antioxidantes, utilizando amido de mandioca, como matriz polimérica, e a adição de diferentes concentrações de biomassa seca e extrato de biomassa das microalgas Heterochlorella luteoviridis e Dunaliella tertiolecta. Os filmes foram caracterizados quanto a suas propriedades físico-químicas, mecânicas, de barreira, óticas e antioxidantes. Dentre os filmes desenvolvidos, o que apresentou melhores características foi selecionado para a aplicação em embalagem de salmão e avaliação da proteção contra a oxidação. Em geral, a aplicação da biomassa das microalgas ocasionou um aumento na solubilidade, biodegradabilidade e opacidade dos filmes. Já os filmes com aplicação de extrato obtiveram os menores valores para esses parâmetros A biomassa provocou aumento na elongação na ruptura e redução na resistência a tração e módulo de Young dos filmes; a adição de extrato resultou em características mecânicas inversas a dos filmes adicionados de biomassa. Todos os filmes com a adição das microalgas obtiveram resultados positivos na atividade antioxidante avaliada pelo índice de peróxidos. O filme contendo 2,0 % de extrato de H. luteoviridis foi o que apresentou a menor permeabilidade ao vapor de água e boas características mecânicas. Portanto, foi escolhido para aplicação em salmão. Na análise de TBARS, a oxidação lipídica foi retardada, porém ocasionou a diminuição da umidade do peixe. Os resultados obtidos neste trabalho comprovam que a aplicação de biomassa de microalga H. luteoviridis e D. tertiolecta resultam em filmes biodegradáveis, com elevada atividade antioxidante, porém, com alta solubilidade, o que dificulta a aplicação em alimentos úmidos. Os filmes contendo extrato das microalgas possuem aptidão para serem aplicados em alimentos com maior teor de água. / Packaging has great importance in food industry, mainly protecting food against external contamination. However, most of the traditional packaging are produced from non-renewable and non-biodegradable sources, causing serious environmental problems. Therefore, biodegradable films and coatings have been attracting attention and interest from researchers and industries. This work studied the development of biodegradable films with antioxidant properties, using cassava starch as polymer matrix, and the addition of different concentrations of dry biomass and biomass extract of the microalgae Heterochlorella luteoviridis and Dunaliella tertiolecta. The films were characterized for their physicochemical, mechanical, barrier, optical and antioxidant properties. The film that presented the best characteristics was selected for application in salmon packaging aiming protection against lipid oxidation. In general, the addition of microalgae biomass caused an increase in the solubility, biodegradability and opacity of the films. The films with microalgae extract showed the lowest values of these parameters The addition of microalgae biomass caused an increase on elongation and rupture and a reduction on the tensile strength and Young's modulus of the films. However, the addition of microalgae extract caused an inverse effect on the mechanical characteristics of the films. All films with microalgae biomass or extract showed higher antioxidant activity evaluated by peroxide index. The film containing 2.0 % extract of H. luteoviridis was the one that presented a lowest permeability to water vapor and good mechanical characteristics. Therefore, it was chosen for application in salmon. In the analysis of TBARS, the lipid oxidation was delayed, but caused the decrease of the moisture of the fish. The results showed that the application of H. luteoviridis and D. tertiolecta microalgae biomass results in biodegradable films, with high antioxidant activity, as high solubility, which makes it difficult to apply nor moist foods. The films containing microalgae extracts suitable for use in foods with higher water content.

Conselho Nacional de Desenvolvimento CientÃfico e TecnolÃgico / Embora todas as etapas do processo de produÃÃo de biodiesel a partir de microalgas sejam essenciais, a separaÃÃo e a ruptura celular da biomassa sÃo particularmente importantes, uma vez que as tecnologias disponÃveis para este fim apresentam elevados custos, comprometendo a viabilidade do aproveitamento energÃtico. Este trabalho teve como objetivo apontar um sistema que conseguisse aliar a separaÃÃo da biomassa algal de efluente de sistemas de lagoas de estabilizaÃÃo à ruptura celular, como uma alternativa de prÃ-tratamento para maximizar a extraÃÃo de lipÃdios pelo mÃtodo modificado de Bligh e Dyer; assim como estudar preliminarmente a comunidade fitoplanctÃnica presente para comparaÃÃo dos rendimentos lipÃdicos. Um reator de eletroflotaÃÃo nÃo-convencional foi confeccionado para operar em batelada e em fluxo contÃnuo, utilizando-se eletrodos nÃo consumÃveis e baixa potÃncia elÃtrica. A metodologia proposta foi comparada com tÃcnicas tradicionalmente utilizadas para ruptura celular: autoclave, micro-ondas e ultrassom. Foram selecionadas seis estaÃÃes de tratamento de esgotos (ETE) com diferentes configuraÃÃes de lagoas de estabilizaÃÃo para anÃlise dos gÃneros fitoplanctÃnicos dominantes e do teor lipÃdico. Observou-se a separaÃÃo da biomassa, sendo obtida eficiÃncia de remoÃÃo de turbidez superior a 80% em 20 minutos de operaÃÃo do reator em batelada. Entre os mÃtodos de prÃ-tratamento tradicionais testados, o micro-ondas foi o que apresentou maior rendimento lipÃdico (33,7  5,3%), diferente estatisticamente da autoclave (15,4  2,26%) e ultrassom (13,3  2,96%). Para a eletroflotaÃÃo nÃo-convencional o rendimento lipÃdico foi de 24,8  7,05%, que nÃo apresentou diferenÃa estatÃstica quando comparado ao micro-ondas. Entretanto, quando os custos energÃticos foram considerados, a eletroflotaÃÃo nÃoconvencional apresentou um custo de 5,6 Wh.g-1, sendo menor que o obtido para o micro-ondas. Os gÃneros de microalgas que predominaram nos efluentes analisados pertenciam Ãs classes Chlorophyceae, Cyanophyceae e Euglenophyceae. Em uma anÃlise quantitativa geral, os efluentes de todas as estaÃÃes analisadas apresentaram rendimento lipÃdico entre 8,5 e 34,6%. Os efluentes das ETE Aquiraz e TupÃ-Mirim apresentaram os maiores teores lipÃdicos (28,4  6,3% e 23,1  3,6%, respectivamente), sem diferenÃa estatÃstica (p=0,12). Os efluentes das ETE Araturi e Tabapuà apresentaram os menores potenciais lipÃdicos, sem diferenÃa estatÃstica entre eles (14,3  5,9% e 15,6  4,9%, respectivamente, p=0,68). A eletroflotaÃÃo nÃo-convencional mostrou-se como uma metodologia promissora para separaÃÃo e ruptura das cÃlulas de microalgas de efluentes de lagoas de estabilizaÃÃo, cujos potenciais lipÃdicos assemelharam-se aos obtidos a partir de biomassa microalgal cultivada em processos convencionais. AlÃm disso, a metodologia desenvolvida neste trabalho soma um motivo para a separaÃÃo e utilizaÃÃo da biomassa algal de lagoas de estabilizaÃÃo evitando, com isso, seu lanÃamento nos corpos dÂÃgua e garantindo um ganho econÃmico e ambiental, uma vez que visa o aproveitamento da biomassa para a produÃÃo de biocombustÃvel, ao passo que minimiza impactos ambientais decorrentes da presenÃa elevada desse material no ambiente. / Although all stages on the production of biodiesel from microalgae cells are essential, harvest and cell disruption biomass are particularly important, since the available technologies for this purpose present high cost, compromising energy recovery viability. This study aimed to develop a system that could combine separation of algal biomass from wastewater stabilization pond systems to cell disruption as an alternative of pretreatment to maximize total lipids extraction by the modified method of Bligh and Dyer, as well as perform a preliminary study of the phytoplankton for comparison of lipid content. A non-conventional electroflotation reactor was designed to operate in batch and continuous flow, using non-consumable electrodes and low electrical power. The proposed methodology was compared to traditional techniques used for cell disruption: autoclave, microwave and ultrasound. Six Wastewater Treatment Plant (WTP) with different pond configuration were selected for analysis of the dominant phytoplankton genera and lipid content. Biomass separation was achieved, with turbidity removal efficiency exceeding 70% in 20 minutes of operation with the batch reactor. Among the traditional pretreatment methods tested, the microwave showed the highest lipid yield (33.7  5.3%), followed by autoclave (15.4  2.26%) and ultrasound (13.3  2.96%). For non-conventional electroflotation methodology, lipid yield was 24.8  7.05%, which showed no statistical difference when compared to the microwave method. However, when energy cost was considered, non-conventional electroflotation presented a cost of 5.6 Wh.g-1, which was smaller than that obtained by the microwave method. The predominant microalgae genera in the analyzed effluents belonged to the classes Chlorophyceae, Cyanophyceae and Euglenophyceae. In a general quantitative analysis, the effluents from the analyzed ponds presented lipid yield between 8.5 and 34.6%. Effluents of the WTP Aquiraz and TupÃ-Mirim achieved the highest lipid content (28.4  6.3% and 23.1  3.6%, respectively), with no statistical difference (p = 0.12). Effluents of the WTP Araturi and Tabapuà achieved the lowest lipidic potential, with no statistical difference (14.3  5.9% and 15.6  4.9%, respectively, p = 0.68). Non-conventional electroflotation proved to be a promising methodology for harvesting and cell disruption of microalgae provided by effluent stabilization ponds, whose potential lipid resembled those obtained from microalgal biomass cultivated in conventional processes. Furthermore, the methodology developed in this work adds a reason for the harvesting and utilization of algal biomass from waste stabilization ponds avoiding, thus, its release into water bodies and ensuring an environmental and economic gain, since it aims the use of biomass for biofuel production, while minimizing environmental impacts due to elevated presence of this material on the environment.

Diversos produtos tópicos são desenvolvidos a fim de se evitar os efeitos nocivos da radiação ultravioleta (UV), dentre eles, os protetores solares constituídos por filtros físicos e/ou químicos. No entanto, os filtros químicos podem promover eventos adversos, razão pela qual a busca de ativos em fontes naturais tem-se mostrado de grande importância. A microalga Botryococcus braunii pode ser de potencial interesse em aplicações cosméticas, pois foi descrito que seu extrato aquoso apresentou redução da desidratação cutânea, induziu a produção do colágeno, bem como promoveu atividade antioxidante. Assim, o estudo visou analisar o auxilio da B. braunii na fotoproteção cutânea e na proteção da pele por meio da ação antioxidante in vitro. As formulações, constituídas de biomassa da microalga ou de seus extratos, acrescidas ou não de filtros, foram avaliadas quanto à: ação antioxidante, atividade fotoprotetora in vitro e fotoestabilidade. A B. braunii apresentou bom desempenho de crescimento, contendo lipídeos (25,65%) e proteínas (49,17%) em proporção semelhante à descrita na literatura. A presença de fenóis totais e a ação antioxidante foram analisadas nos extratos obtidos com clorofórmio, metanol e etanol 70%. O extrato obtido com etanol 70% foi o que apresentou maior concentração de fenóis totais (68,9 µg/mL de ácido cafeico), porém inferior ao relatado na literatura; e a ação antioxidante não foi considerada significativa ao se comparar com o padrão Trolox®. Nas formulações, os extratos foram considerados ineficientes para ação antioxidante. Quanto à atividade fotoprotetora in vitro e fotoestabilidade, a B. braunii não apresentou eficácia adequada, existindo, porém, a possibilidade de os extratos atuarem na região da luz visível e contribuírem contra os efeitos danosos provocados por esta radiação à pele. / Several topical products are developed in order to avoid the harmful effects of ultraviolet (UV) radiation, including sunscreens made by physical and/or chemical filters. However, chemical filters may promote adverse events, which is why the search for actives from natural sources has proven to be of great importance. The microalgae Botryococcus braunii may be of potential interest in cosmetic applications, because it has been reported that its aqueous extract showed a reduction in skin dehydration, induced collagen production and promoted antioxidant activity. Thus, the study aimed to analyze the contribution of B. braunii in skin photoprotection and skin protection through in vitro antioxidant action. The formulations, consisting of biomass from the microalgae or their extracts, supplemented or not by filters, were evaluated for: antioxidant activity, photoprotective activity in vitro and photostability. The B. braunii showed good growth performance, containing lipids (25.65%) and protein (49.17%) in similar proportion to the described by the literature. The presence of phenolic compounds and antioxidant activity were analyzed in extracts obtained with chloroform, methanol and 70% ethanol. The extract obtained with 70% ethanol showed the highest concentration of total phenolics (68.9 mg/mL caffeic acid), but lower than that reported in the literature; and the antioxidant action was not considered significant when compared to the Trolox® standard. In the formulations, the extracts were considered inefficient for antioxidant action. In relation to the in vitro photoprotection activity and photostability, B. braunii did not provide adequate efficacy, however, there is a possibility that the extracts have an ability to act in the visible light region and contribute to the protection from the harmful effects caused by that radiation to the skin.