MOREIRA, Renato Teixeira. Cultivo de Arthrospira platensis em meio orgânico: extração de polissacarídeos sulfatados e sua administração a camarões Penaeus vannamei. 2015. 67 f. : Tese (doutorado) - Universidade Federal do Ceará. Centro de Ciências Agrárias, Departamento de Engenharia de Pesca, Fortaleza-CE, 2015 / Submitted by Nádja Goes (nmoraissoares@gmail.com) on 2016-07-27T14:53:18Z No. of bitstreams: 1 2015_tese_rtmoreira.pdf: 1566320 bytes, checksum: 67faa730cbea3b35ee8201d967647744 (MD5) / Approved for entry into archive by Nádja Goes (nmoraissoares@gmail.com) on 2016-07-27T14:53:30Z (GMT) No. of bitstreams: 1 2015_tese_rtmoreira.pdf: 1566320 bytes, checksum: 67faa730cbea3b35ee8201d967647744 (MD5) / Made available in DSpace on 2016-07-27T14:53:30Z (GMT). No. of bitstreams: 1 2015_tese_rtmoreira.pdf: 1566320 bytes, checksum: 67faa730cbea3b35ee8201d967647744 (MD5) Previous issue date: 2015 / A aquicultura ocupa cada vez mais espaço no cenário mundial, em virtude do avanço tecnológico e do aumento da demanda por proteína animal, consolidando-se como a atividade que mais cresce no agronegócio. Por outro lado, existe a possibilidade do desenvolvimento de enfermidades ao longo do cultivo, bem como, causar impactos no meio ambiente, com o lançamento de compostos orgânicos na água, eutrofizando o ecossistema aquático. Diante deste cenário, as cianobactérias como a Arthrospira platensis, surgem como um forte aliado dos produtores, seja para absorção de compostos orgânicos e tratamento de efluentes, seja pela produção de compostos que apresentam atividade biológica, promovendo o bem-estar dos animais cultivados. Assim, o objetivo desse estudo foi produzir A. platensis em efluente de cultivo da tilápia do Nilo (Oreochromis niloticus), extrair e avaliar o efeito imunomodulador dos polissacarídeos sulfatados (PS) em juvenis de Penaeus vannamei. Os PS foram obtidos a partir de um extrato aquoso quente e administrados por meio de banhos de imersão em juvenis de P. vannamei, nas concentrações de 0, 60, 120 e 240 mg L-1. Após a imersão, foi realizada a contagem total de hemócitos (THC) e verificada a concentração de proteínas totais da hemolinfa (CP) e atividade das enzimas fenoloxidase (PO) e α2-macroglobulina no soro. Após a avaliação dos imunoparâmetros, verificou-se que na concentração de 120 mg L-1 ocorreu a melhor atividade imunoestimulante. Esta concentração foi utilizada para se observar a reação dos parâmetros imunológicos quando expostos ao tempo 0 (sem exposição), 45, 90, 135 e 180 minutos, bem como a atividade antimicrobiana contra Vibrio alginolyticus. A microalga mostrou um bom desenvolvimento dentro do sistema de produção orgânico. Foram extraídos 19,85 g de PS, com um rendimento de 8,5% da biomassa utilizada. Durante o fracionamento dos PS foram observados duas frações majoritárias com 0,5 e 1,2 M de NaCl. Após três horas de imersão em diferentes concentrações de PS, os imunoparâmetros apresentaram um aumento gradativo à medida que se elevava a concentração dos PS. Ainda, a estimulação do sistema imunológico dos camarões ocorreu com 90 e 135 minutos de exposição aos PS. A enzima fenoloxidase atingiu sua atividade máxima (72,33 Umin-1mg-1) com 135 minutos de exposição, seguida de um aumento da atividade da enzima α2-macroglobulina com 180 minutos. O soro dos animais coletados com 90 e 135 minutos foi mais efetivo em inibir o desenvolvimento de V. alginolyticus, sendo necessários apenas 1,51 ± 0,08 e 1,59 ± 0,02 mg mL-1 de proteínas para combatê-lo. Os resultados obtidos nos demais tempos não diferiram do tempo zero. Assim, conclui-se que os PS de A. platensis foram capazes de ativar o sistema imunológico dos camarões logo após 90 minutos de exposição, como também contribuíram para aumentar a atividade antibacteriana do soro dos animais. / Aquaculture takes up more and more space on the world stage, as a result of technological advances and increased demand for animal protein, consolidating itself as the fastest growing activity in agribusiness. On the other hand, there is the possibility of the development of illnesses over the cultivation, as well as impact on the environment, with the release of organic compounds in water, eutrophicating aquatic ecosystem. Given this scenario, microalgae Arthrospira platensis, as to appear as a strong ally of the producers, whether for absorption of organic compounds and treatment of effluents, is for the production of compounds that exhibit biological activity, promoting the welfare of farmed animals. Thus, the objective of this study was to produce. platensis cultivation sewage Nile tilapia (Oreochromis niloticus), extract and evaluate the immunomodulatory effect of sulfated polysaccharide (PS) in juvenile Penaeus vannamei. The PS were obtained from a hot aqueous extract and administered through immersion baths in juveniles of P. vannamei, at concentrations of 0, 60, 120 and 240 mg L-1. After soaking, the total count of hemocytes (THC) and checked the concentration of total proteins (CP) and activity of enzymes fenoloxidase (PO) and α2-macroglobulina. After the evaluation of the imunoparâmetros, it was found that the concentration of 120 mg L-1 the best immunostimulating activity. This concentration was used to observe the reaction of immunological parameters when exposed to the weather (no exposure) 0, 45, 90, 135 and 180 minutes, as well as the antimicrobial activity against Vibrio alginolyticus. The microalgae showed a good development within the organic production system. Were extracted 19,85 g PS, with a yield of 8,5% of the biomass used. During the fractionation of PS were observed two fractions with 0,5 and 1,2 M majority of NaCl. After three hours of immersion in different concentrations of PS, the imunoparâmetros showed an increase gradually as amounting to concentration of PS. Still, stimulation of the immune system of shrimp took place with 90 and 135 minutes of exposure to the PS. The fenoloxidase enzyme reached its maximum activity (72,33 Umin-1 mg-1) with 135 minutes of exposure, followed by an increase of the α2-macroglobulina enzyme activity with 180 minutes. The serum of animals collected with 90 and 135 minutes was more effective in inhibiting the development of V. alginolyticus, and needed only 1,51 ± 0,08 and 1,59 ± 0,02 mg mL-1 of proteins to fight it. The results obtained in other times did not differ from time zero. Thus, it is concluded that the PS of A. platensis were able to activate the immune system in shrimp shortly after 90 minutes of exposure, but also contributed to increase the antibacterial activity of the serum of animals.

CoordenaÃÃo de AperfeiÃoamento de NÃvel Superior / Aquaculture takes up more and more space on the world stage, as a result of technological advances and increased demand for animal protein, consolidating itself as the fastest growing activity in agribusiness. On the other hand, there is the possibility of the development of illnesses over the cultivation, as well as impact on the environment, with the release of organic compounds in water, eutrophicating aquatic ecosystem. Given this scenario, microalgae Arthrospira platensis, as to appear as a strong ally of the producers, whether for absorption of organic compounds and treatment of effluents, is for the production of compounds that exhibit biological activity, promoting the welfare of farmed animals. Thus, the objective of this study was to produce. platensis cultivation sewage Nile tilapia (Oreochromis niloticus), extract and evaluate the immunomodulatory effect of sulfated polysaccharide (PS) in juvenile Penaeus vannamei. The PS were obtained from a hot aqueous extract and administered through immersion baths in juveniles of P. vannamei, at concentrations of 0, 60, 120 and 240 mg L-1. After soaking, the total count of hemocytes (THC) and checked the concentration of total proteins (CP) and activity of enzymes fenoloxidase (PO) and α2-macroglobulina. After the evaluation of the imunoparÃmetros, it was found that the concentration of 120 mg L-1 the best immunostimulating activity. This concentration was used to observe the reaction of immunological parameters when exposed to the weather (no exposure) 0, 45, 90, 135 and 180 minutes, as well as the antimicrobial activity against Vibrio alginolyticus. The microalgae showed a good development within the organic production system. Were extracted 19,85 g PS, with a yield of 8,5% of the biomass used. During the fractionation of PS were observed two fractions with 0,5 and 1,2 M majority of NaCl. After three hours of immersion in different concentrations of PS, the imunoparÃmetros showed an increase gradually as amounting to concentration of PS. Still, stimulation of the immune system of shrimp took place with 90 and 135 minutes of exposure to the PS. The fenoloxidase enzyme reached its maximum activity (72,33 Umin-1 mg-1) with 135 minutes of exposure, followed by an increase of the α2-macroglobulina enzyme activity with 180 minutes. The serum of animals collected with 90 and 135 minutes was more effective in inhibiting the development of V. alginolyticus, and needed only 1,51  0,08 and 1,59  0,02 mg mL-1 of proteins to fight it. The results obtained in other times did not differ from time zero. Thus, it is concluded that the PS of A. platensis were able to activate the immune system in shrimp shortly after 90 minutes of exposure, but also contributed to increase the antibacterial activity of the serum of animals. / A aquicultura ocupa cada vez mais espaÃo no cenÃrio mundial, em virtude do avanÃo tecnolÃgico e do aumento da demanda por proteÃna animal, consolidando-se como a atividade que mais cresce no agronegÃcio. Por outro lado, existe a possibilidade do desenvolvimento de enfermidades ao longo do cultivo, bem como, causar impactos no meio ambiente, com o lanÃamento de compostos orgÃnicos na Ãgua, eutrofizando o ecossistema aquÃtico. Diante deste cenÃrio, as cianobactÃrias como a Arthrospira platensis, surgem como um forte aliado dos produtores, seja para absorÃÃo de compostos orgÃnicos e tratamento de efluentes, seja pela produÃÃo de compostos que apresentam atividade biolÃgica, promovendo o bem-estar dos animais cultivados. Assim, o objetivo desse estudo foi produzir A. platensis em efluente de cultivo da tilÃpia do Nilo (Oreochromis niloticus), extrair e avaliar o efeito imunomodulador dos polissacarÃdeos sulfatados (PS) em juvenis de Penaeus vannamei. Os PS foram obtidos a partir de um extrato aquoso quente e administrados por meio de banhos de imersÃo em juvenis de P. vannamei, nas concentraÃÃes de 0, 60, 120 e 240 mg L-1. ApÃs a imersÃo, foi realizada a contagem total de hemÃcitos (THC) e verificada a concentraÃÃo de proteÃnas totais da hemolinfa (CP) e atividade das enzimas fenoloxidase (PO) e α2-macroglobulina no soro. ApÃs a avaliaÃÃo dos imunoparÃmetros, verificou-se que na concentraÃÃo de 120 mg L-1 ocorreu a melhor atividade imunoestimulante. Esta concentraÃÃo foi utilizada para se observar a reaÃÃo dos parÃmetros imunolÃgicos quando expostos ao tempo 0 (sem exposiÃÃo), 45, 90, 135 e 180 minutos, bem como a atividade antimicrobiana contra Vibrio alginolyticus. A microalga mostrou um bom desenvolvimento dentro do sistema de produÃÃo orgÃnico. Foram extraÃdos 19,85 g de PS, com um rendimento de 8,5% da biomassa utilizada. Durante o fracionamento dos PS foram observados duas fraÃÃes majoritÃrias com 0,5 e 1,2 M de NaCl. ApÃs trÃs horas de imersÃo em diferentes concentraÃÃes de PS, os imunoparÃmetros apresentaram um aumento gradativo à medida que se elevava a concentraÃÃo dos PS. Ainda, a estimulaÃÃo do sistema imunolÃgico dos camarÃes ocorreu com 90 e 135 minutos de exposiÃÃo aos PS. A enzima fenoloxidase atingiu sua atividade mÃxima (72,33 Umin-1mg-1) com 135 minutos de exposiÃÃo, seguida de um aumento da atividade da enzima α2-macroglobulina com 180 minutos. O soro dos animais coletados com 90 e 135 minutos foi mais efetivo em inibir o desenvolvimento de V. alginolyticus, sendo necessÃrios apenas 1,51  0,08 e 1,59  0,02 mg mL-1 de proteÃnas para combatÃ-lo. Os resultados obtidos nos demais tempos nÃo diferiram do tempo zero. Assim, conclui-se que os PS de A. platensis foram capazes de ativar o sistema imunolÃgico dos camarÃes logo apÃs 90 minutos de exposiÃÃo, como tambÃm contribuÃram para aumentar a atividade antibacteriana do soro dos animais.

Die Dissertation beschäftigt sich mit der Untersuchung und Entwicklung definiert beleuchteter Photobioreaktorsysteme (klassische Systeme wie Schüttelkolben und Blasensäule als auch neuartige Konzepte) für reaktionskinetische Untersuchungen. Diese dienen zur Untersuchung des Einflusses des Lichts auf das Wachstum phototropher Organismen, als Modellorganismus wurde das Cyanobakterium Arthrospira platensis ausgewählt.

Die Dissertation beschäftigt sich mit der Untersuchung und Entwicklung definiert beleuchteter Photobioreaktorsysteme (klassische Systeme wie Schüttelkolben und Blasensäule als auch neuartige Konzepte) für reaktionskinetische Untersuchungen. Diese dienen zur Untersuchung des Einflusses des Lichts auf das Wachstum phototropher Organismen, als Modellorganismus wurde das Cyanobakterium Arthrospira platensis ausgewählt.

Submitted by Biblioteca da Faculdade de Farmácia (bff@ndc.uff.br) on 2017-03-14T18:27:56Z No. of bitstreams: 1 Rizzo, Roberta Ferreira [Dissertação, 2014].pdf: 3622671 bytes, checksum: 2e33786bbb464784e93274b48c446ebd (MD5) / Made available in DSpace on 2017-03-14T18:27:56Z (GMT). No. of bitstreams: 1 Rizzo, Roberta Ferreira [Dissertação, 2014].pdf: 3622671 bytes, checksum: 2e33786bbb464784e93274b48c446ebd (MD5) / Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior / Corantes são aditivos amplamente utilizados pelas indústrias de alimentos. O aumento de investimento em pesquisa sobre novas fontes de pigmentos naturais, como a partir de micro-organismo, para aplicação em alimentos vem sendo justificada pelo potencial toxicológico dos corantes artificiais e/ou pela baixa estabilidade dos corantes naturais. Cianobactérias são micro-organismos produtores de pigmentos como as ficobiliproteínas, e estudos relatam a ocorrência de ficocianina, aloficocianina e pequena fração de ficoeritrina na cianobactéria A. platensis. Há descrição de que o gênero Arthrospira realize adaptação cromática, fenômeno que leva a reestruturação dos ficobilissomas, induzindo ao acúmulo de ficobiliproteínas específicas na biomassa. O presente trabalho visou ao estudo do crescimento de A. platensis em diferentes qualidades de irradiância luminosa, em diferentes níveis, avaliando a produção de metabólitos de interesse. Os cultivos foram realizados em meio Zarrouk, a 31 ± 2ºC. A cianobactéria foi cultivada nos níveis de irradiância, 50, 100 e 150 mol fotons.m-2.s-1, fornecida por lâmpadas branca ou verde. Foi acompanhada a produção de biomassa, proteína e ficobiliproteínas e foi avaliada a estabilidade de cor dos extratos obtidos. As condições sob luz branca apresentaram maior produção de biomassa que os cultivos sob luz verde. A condição de 150 μmol fotons.m-2.s-1 sob luz branca foi a que promoveu maior produção de biomassa com 2.115,24 mg/L. Não houve diferença estatisticamente significativa na produção de proteína total e ficobiliproteínas nas condições estudadas. Não foi evidenciado o fenômeno da adaptação cromática complementar na cepa de A. platensis estudada, cultivada sob iluminação de qualidade verde. O efeito combinado do pH, temperatura e tempo de tratamento térmico, demonstrou que o extrato obtido no crescimento sob luz verde é termoestável quando comparado ao extrato obtido no crescimento sob luz branca. O armazenamento por um período de 60 dias, em temperatura ambiente e de refrigeração, com extratos em diferentes valores de pH em diferentes irradiâncias ou ausência de luz, mostrou que o extrato obtido sob luz verde se mantém estável independente da temperatura de armazenamento, enquanto o extrato sob luz branca necessita ser mantido sob refrigeração para manutenção de sua coloração azul / Colorants are additives extensively used by food industry. The increase of investment in research of new sources of natural pigments, like by microorganisms, for use in food products has been justified by toxicological potential of artificial dyes and/or the low stability of natural dyes. Cyanobacteria are microorganisms pigments producers such as phycobiliproteins, and studies have reported the occurrence of phycocyanin, allophycocyanin and small fraction of phycoerythrin in cyanobacteria Arthrospira platensis. There is report of the genus Arthrospira perform chromatic adaptation, a phenomenon that leads to restructuring of phycobilisomes, resulting to accumulation of specific phycobiliproteins in biomass. The present work aimed to study the growth of A. platensis in different light qualities of irradiance, at different levels, evaluating the production of desired metabolites. Cultures were performed in Zarrouk medium, at 31 ± 2ºC. The cyanobacteria was cultivated in irradiance levels, 50, 100 and 150 μmol fotons.m-2.s-1, provided by white or green light. Biomass, protein and phycobiliproteins production was measured and the color stability of extracts was evaluated. The conditions under white light produced more biomass than the cultures under green light. The condition of 150 μmol fotons.m-2.s-1 under white light was the best condition for biomass production with 2115.24 mg/L. There was no statistically significant difference in total protein and phycobiliproteins in the studied conditions. There is no evidence the complementary chromatic adaptation phenomenon in the strain of A. platensis studied when cultivated under green light. The combined effect of pH, temperature and time of heat treatment showed that the extract obtained in growth under green light is thermostable when compared to extract obtained in growth under white light. The storage for a period of 60 days at room temperature and refrigerated, with extracts in different pH values, in different light intensities or absence of light, showed that the extract obtained under green light was stable independent of the storage temperature, while the extract in white light needs to be kept under refrigeration for maintaining its blue color

La présente thèse, concernant l’ingénierie de la photosynthèse naturelle et notamment l’optimisation des procédés de production de microalgues, a été menée à l'Institut Pascal. L'approche suivie repose sur la construction de modèles de connaissance des photobioréacteurs, capables d'en prédire les performances quelle que soit leur géométrie, les conditions d'éclairement, ou le type de microalgues cultivées. Ces modèles de connaissance permettent de dégager des stratégies de conception et de conduite du procédé, qui sont utilisées pour développer et réaliser des démonstrateurs performants, à l'échelle pilote. Cette thèse a pour objet d'étude un photobioréacteur pilote de 24 litres utiles à agitation pneumatique dans lequel la lumière est apportée dans le volume réactionnel par 1000 fibres optiques à diffusion latérale. Sa conception repose sur le principe innovant de Dilution Contrôlée du Flux solaire en Volume (DiCoFluV) dont l'objectif est d'atteindre l'efficacité thermodynamique maximale de la photosynthèse. Au cours de cette thèse, le réacteur a été étudié en conditions d’éclairement parfaitement contrôlées, grâce à des lampes à décharges. Il a été rendu fonctionnel (en incluant sa régulation et son amélioration), puis caractérisé en termes d'hydrodynamique et de transfert radiatif. Notamment, le flux radiatif incident à la surface des fibres optiques a été déterminé par des expériences d'actinométrie (sel de Reinecke), grâce à un traitement original permettant l'analyse de situations avec absorption partielle du rayonnement et en géométrie complexe. Ensuite, une année de culture ininterrompue de la cyanobactérie Arthrospira platensis (dont six phases de fonctionnement continu) ont permis de mesurer la vitesse volumétrique moyenne de production de biomasse et l'efficacité thermodynamique du pilote. Pour les faibles densités de flux testées (dilution), les résultats expérimentaux ont montré l’apparition d’un phénomène de photorespiration qui a été intégré dans le modèle de couplage thermocinétique. De plus, ce manuscrit présente également l'utilisation de la méthode de Monte Carlo pour la résolution des modèles radiatifs dans la géométrie réelle du procédé, définie à partir d’une conception assistée par ordinateur, ce qui est une nouvelle avancée pour le traitement des géométries complexes. Après validation de l'adéquation entre les mesures expérimentales et l'estimation prédictive par le modèle, des premières simulations du pilote en fonctionnement solaire ont été menées, à partir de bases de données solaires (DNI). Les résultats obtenus donnent des premières indications quant aux paramètres d'ingénierie (en particulier le facteur de dilution) menant à une productivité surfacique moyenne annuelle maximale, en fonction de l'implantation géographique. / The present PhD dissertation deals with photobioreaction engineering for efficient microalgae production. The approach is based on the construction of knowledge models that permit predicting the performances of the process, whatever its design, the illumination conditions, or the microalgae species cultivated. These models are used to establish optimal design and control strategies that are implemented to construct and operate pilot-scale plants. Here, a 24 liters air-lift photobioreactor is studied, that is based on the principle of incident solar light-flux dilution for approaching the maximum thermodynamic efficiency of natural photosynthesis. For that purpose, the culture volume is internally illuminated by 1000 light-diffusing optical fibers. As a first step toward solar production, this PhD work focuses on perfectly controlled illumination conditions ensured by discharge lamps. First, the reactor hydrodynamics and radiative transfer are characterized. In particular, incident light-flux density at the fiber surfaces is measured by actinometry (with Reinecke salt), thanks to a novel treatment enabling analyses of situations with partial light absorption and complex geometries. Then, the mean volumetric rate of biomass production and the process efficiency are measured based on one year of continuous Arthrospira platensis culture. For the low radiative flux densities tested (dilution), photorespiration by the cyanobacterium is observed and included in the thermokinetic model. Moreover, this dissertation includes a presentation of the Monte Carlo method for solving the radiative transfer equation withinthe complex geometry of the computer aided design used for manufacturing the reactor. After validation against experimental results, the model is predictively used to simulate the pilot operating with natural solar light, based on solar DNI databases. These results indicate engineering parameters (in particular the dilution factor) for optimal yearly-averaged surface productivity, as a function of Earth location.

Optimising illumination is essential for optimising the growth of phototrophic cells and their production of desired metabolites and/or biomass. This requires appropriate modulation of light and other key inputs and continuous online monitoring of their metabolic activities. Powerful non-invasive systems for cultivating heterotrophic organisms include shake flasks in online monitoring units, but they are rarely used for phototrophs because they lack the appropriate illumination design and necessary illuminatory power. This study presents the design and characterisation of a photosynthetic shake flask unit, illuminated from below by warm white light-emitting diodes with variable light intensities up to 2300 μmol m-2 s-1. The photosynthetic unit was successfully used, in combination with online monitoring of oxygen production, to cultivate Arthrospira platensis. In phototrophic growth under continuous light and a 16 h light/8 h dark cycle (light intensity: 180 μmol m-2 s-1), the oxygen transfer rate and biomass-related oxygen production were - 1.5 mmol L-1 h-1 and 0.18 mmol O2 gx-1 h-1, respectively. The maximum specific growth rate was 0.058 h-1, during the exponential growth phase, after which the biomass concentration reached 0.75 g L-1.

Notre thèse vise la conception d'un biocapteur ultra-sensible à base d'Arthrospira platensis pour la détection des substances toxiques (métaux lourds et pesticides) pour un contrôle environnemental. Cette étude concerne, dans un premier lieu, le développement de systèmes impédimétriques et à ondes acoustiques de Love, associés à des puces en Polydimethylsiloxane (PDMS) et fonctionnalisés par des cellules d'Arthrospira platensis immobilisées sur une multicouche de polyélectrolytes déposés par la méthode « Layer by Layer ». L'étude fondamentale des interactions physiques-chimiques-biologiques mises en jeu lors des étapes de fonctionnalisation du capteur, et son application à la détection de cadmium et de mercure, est également abordée, à travers une étude acoustique (suivi en temps réel), électrochimique et microscopique (microscopie à force atomique (AFM) en milieu sec ou liquide et microscopique électronique à balayage (MEB)). Dans un deuxième lieu, cette étude présente les systèmes conductimétriques basés sur l'inhibition des activités enzymatiques de la cyanobactérie par les polluants. Différents modes d'immobilisation sur des microcapteurs interdigités (IDF) en or, ont été étudiés : immobilisation via les monocouches auto-assemblées « Self Assembled Monolayers », immobilisation via les nanoparticules d'or revêtues par du PAH et co-réticulées à l'albumine à l'albumine de sérum bovin sous vapeur saturée de glutaraldéhyde. Ce principe de détection consiste à inhiber l'Activité Phophatase Alcaline (APA) par les métaux lourds et l'Activité Estérase (AChE) par les pesticides. Des limites de détection excellente (10-20 M) ont été obtenues. Un biocapteur bi-enzymatique a été élaboré avec le même biorécepteur (Arthrospira platensis) pour une multi-détection des polluants. Ce capteur a été testé sur des échantillons d'eaux prélevés sur des effluents hospitaliers et urbains (eaux brutes et traitées) / This thesis focuses on the design of an ultra-sensitive biosensor based on Arthrospira platensis for the detection of toxic substances (heavy metals and pesticides) for environmental monitoring. This study deals with, first, the development of impedimetric and Love acoustic wave systems, associated with Polydimethylsiloxane (PDMS) chips and functionalized with Arthrospira platensis cells immobilized on polyelectrolyte multilayers deposited by the “Layer and Layer” method. Electrochemical, acoustic and microscopic interactions with cadmium and mercury (atomic force microscopy (AFM) in dry or liquid medium and studies of scanning electron microscopy (SEM)) have been performed. This work focuses also on conductometric system based on the inhibition of enzymatic activities of cyanobacteria by pollutants. Different modes of immobilization on gold interdigitated microsensors (IDTs) were studied: immobilization via self-assembled monolayers, immobilization with gold nanoparticles coated with PAH and co-reticulated with bovine serum albumin under saturated vapor of glutaraldehyde. They were based on the inhibition of Alkaline Phosphatase activity (APA) by heavy metals Esterase Activity (AChE) by pesticides. Excellent detection limits (10-20 M) were obtained. A bi-enzymatic biosensor was developed with the same bioreceptor (Arthrospira platensis) for polluants multi-detection. This sensor has been tested on water samples of urban and hospitals effluents (before and after treatment)

O principal objetivo deste trabalho foi a avaliação do potencial da utilização do dióxido de carbono proveniente da fermentação alcoólica no cultivo Spirulina (Arthrospira) platensis, visando demonstrar a possibilidade do uso de um gás efluente na produção de biomassa microbiana de alto valor comercial. Para tanto, tal cianobactéria foi cultivada em tanques abertos, em escala laboratorial, em temperatura de 30 ± 1 °C e intensidade luminosa de 156 ± 20 µmol fótons m-2 s-1. O estudo de diversas variáveis de cultivo levou à fixação das seguintes condições: concentração do inóculo de 400 ± 20 mg L-1; pH de 9,0 ± 0,3, controlado por meio da adição de dióxido de carbono proveniente de cilindros; meio de cultura Schlösser, modificado de maneira a conter 0,497 e 16,4 g L-1 de carbonato e bicarbonato de sódio, respectivamente, e apenas 5,9 mM de nitrato de sódio; adição de 7,5 mM de sulfato de amônio no decorrer de 13 dias, em quantidades diárias exponencialmente crescentes, através do processo descontínuo alimentado de cultivo. Sob tais condições foram obtidos os seguintes resultados: concentração celular máxima (Xm) de 2990 mg L-1, produtividade celular (PX) de 185 mg L-1 d-1, velocidade específica máxima de crescimento (µm) de 0,42 d-1, fator de conversão de nitrogênio em células (YX/N) de 8,85 mg mg-1, teor final de clorofila (CLf) de 4,3 mg g-1, e teores de proteínas (PTN) e lipídeos (LIP) de 35 e 21 %, respectivamente. Com a finalidade de estimular o crescimento celular de A. platensis, optou-se por aumentar o valor da intensidade luminosa de 156 para 192 ou 252 ± 20 µmol fótons m-2 s-1 no 5º, 8º ou 11º dia de cultivo. Os melhores resultados cinéticos (Xm = 3954 mg L-1, PX = 253 mg L-1 d-1) e de conteúdo da biomassa (CLf = 4,2 mg g-1, PTN = 28 %, LIP = 19 %) foram obtidos com aumento da intensidade luminosa para 192 ± 20 µmol fótons m-2 s-1 no 8º dia de cultivo. Os ensaios realizados sob tais condições otimizadas, porém com dióxido de carbono proveniente da fermentação alcoólica, levaram à obtenção dos seguintes resultados: Xm = 3298 mg L-1, PX = 206 mg L-1 d-1, CLf = 4,0 mg g-1, PTN = 28 %, LIP = 17 %. Por fim, conclui-se viável a utilização do gás carbônico resultante da fermentação alcoólica no cultivo de A. platensis. Sugere-se um estudo mais aprofundado da influência desse gás efluente industrial no metabolismo e crescimento de tal microrganismo fotossintetizante, a fim de possibilitar a obtenção de resultados de concentração e produtividade celulares tão altos quanto aqueles obtidos quando do uso de gás carbônico puro. / The main objective of this work was the evaluation of the potential of using carbon dioxide from alcoholic fermentation on Spirulina (Arthrospira) platensis cultivation, aiming to prove the feasibility of applying an effluent gas in the production of high added-value microbial biomass. In order to do so, the cyanobacterium was cultivated in laboratorial-scale open raceway tanks at temperature 30 ± 1 °C and light intensity 156 ± 20 µmol photons m-2 s-1. After the study of several cultivation variables, the following conditions were set: inoculum concentration 400 ± 20 mg L-1; pH 9,0 ± 0,3, controlled by the addition of carbon dioxide from cylinders; Schlösser medium, modified as to contain 0,497 and 16,4 g L-1 sodium carbonate and bicarbonate, respectively, and only 5,9 mM sodium nitrate; addition of 7,5 mM ammonium sulphate throughout 13 days, at exponentially increasing amounts, by the fed-batch cultivation process. Under such conditions, the following results were obtained: maximum cell concentration Xm = 2990 mg L-1, cell productivity PX = 185 mg L-1 d-1, maximum specific growth rate µm = 0,42 d-1, cell to nitrogen conversion factor YX/N = 8,85 mg mg-1, final chlorophyll content CLf = 4,3 mg g-1, and content of proteins (PTN) and lipids (LIP) of 35 and 21 %, respectively. Objectiving further optimized A. platensis growth, it was chosen to increase the light intensity from 156 to 192 or 252 ± 20 µmol photons m-2 s-1 on the 5th, 8th or 11th day of cultivation. The best results in terms of growth (Xm = 3954 mg L-1, PX = 253 mg L-1 d-1) and biomass content (CLf = 4,2 mg g-1, PTN = 28 %, LIP = 19 %) were reached with increasing the light intensity to 192 ± 20 µmol photons m-2 s-1 on the 8th day of cultivation. The runs carried out under such optimum conditions, but using carbon dioxide from alcoholic fermentation, led to the following results: Xm = 3298 mg L-1, PX = 206 mg L-1 d-1, CLf = 4,0 mg g-1, PTN = 28 %, LIP = 17 %. Conclusively, the use of carbonic acid gas from alcoholic fermentation on A. platensis cultivation was found viable. It would be valuable to further study the influence of this industrial effluent gas on the metabolism and growth of such photosynthetic microorganism, in order to make it possible reaching cell concentration and productivity results as high as those obtained using pure carbon dioxide.

A cianobactéria fotossintetizante Arthrospira platensis é conhecida por apresentar em sua biomassa altos teores protéicos (50-70%), presença do ácido graxo essencial γ-linolênico e diversas outras substâncias importantes para a alimentação humana e animal. Esses micro-organismos são capazes de converter o CO2 em biomassa de grande potencial na área de alimentos. Durante a fermentação alcoólica, a produção de CO2 é da mesma ordem de grandeza da produção de etanol e, considerando a crescente demanda interna e externa por esse combustível, seria importante que houvesse um processo que fixasse esse CO2, transformando-o em um produto que poderia ser útil para a nossa população. Adicionalmente, o uso de uma fonte de nitrogênio de baixo custo (uréia) em reatores tubulares contribuiria para a redução do custo de produção da A. platensis. O objetivo desse trabalho foi avaliar os parâmetros cinéticos e bioenergéticos, bem como a composição centesimal da A. platensis cultivadas em biorreator tubular, alimentados com CO2 proveniente de fermentação alcoólica ou com utilização de CO2 puro, para o controle do pH, sob diferentes intensidades luminosas (I) e fontes de nitrogênio (N) adicionadas por meio de processo descontínuo alimentado. Os resultados mostraram que maiores valores de I proporcionaram maiores valores de concentração celular máxima (Xm) e produtividade em células (Px), mas não influenciaram nos valores do fator de conversão de nitrogênio em células (YX/N). As diferentes fontes de CO2 não influenciaram nos valores de Xm, Px, YX/N. O uso da uréia aumentou os valores de YX/N em relação aos cultivos com NO3-. Na composição centesimal, pode-se observar que I influenciou nos teores de clorofila, proteínas e lipídios, mas não influenciou nos teores de cinzas e carboidratos na biomassa final. Em relação aos parâmetros bioenergéticos dos cultivos com CO2 puro, observou-se que os maiores valores de dissipação de energia de Gibbs foram obtidos em tempos mais curtos a 120-240 µmol de fótons m-2 s-1, independentemente do N selecionado, enquanto que o número de moles de fótons absorvidos pelas células para produzir um C-mol de biomassa foi maior nas culturas com NO3-, independentemente do I. As frações da energia direcionada para a síntese de ATP e fixada pela célula foram superiores em culturas com uréia quando comparadas com as culturas com NO3-, que se revelou uma fonte de nitrogênio capaz de sustentar o crescimento energicamente da A. platensis. / Photosynthetic cyanobacterium A. platensis contains in its biomass high protein content (50-70%), γ-linolenic acid and many other substances important for health human. These microorganisms are capable of converting CO2 into biomass of great potential in the food industry. During the alcoholic fermentation, the production of CO2 has the same magnitude of the production of ethanol. Considering the increasingly global demand for this fuel, a process to fix this CO2 is of utmost importance. Furthermore, the use of low cost nitrogen source (urea) in tubular reactors would contribute to reducing the production cost of A. platensis. Therefore, the purpose of this work was to evaluate the kinetic and bioenergetics parameters, as well as the chemical composition of biomass obtained in A. platensis cultures in tubular bioreactor using CO2 from alcoholic fermentation or pure CO2 to control the pH under different light intensity (I) and nitrogen sources (N). The results showed that higher I induced higher maximum cell concentration (Xm) and cell productivity (Px) values, but it did not exert any influence on the nitrogen-cell conversion factor (YX/N). Urea increased the YX/N values compared to use of NO3-. In the centesimal composition of biomass, it can be observed that I influenced the chlorophyll, protein, and lipid contents, but not influenced the carbohydrate and ash contents. For bioenergetics parameters, it was observed that the highest Gibbs energy dissipation values for cell growth and maintenance were obtained in shorter time at 120-240 mol photons m-2 s-1 in both nitrogen sources, while the moles of photons absorbed by the system to produce one C-mol biomass was higher in cultures with NO3-. The highest values of the molar production of O2 and consumption of H+ were obtained at the highest I values, using NO3-. The estimated percentages of the energy absorbed by the cell showed that, compared with nitrate, the use of urea as nitrogen source allowed the system to address higher fractions to ATP production and light fixation by the photosynthetic apparatus, as well as a lower fraction released as heat. Thanks to this better bioenergetic situation, urea appears to be a quite promising low-cost, alternative nitrogen source for A. platensis cultures in photobioreactors.