Scenedesmus obliquus is a freshwater microalga which has high lipid content and biomass productivity. It is regarded as a promising species for production of biodiesel and other valuable organic compounds. Given the high cost of using potable water and commercial fertilizers, the use of municipal wastewater as algal growth medium is attractive in view of its constituent organic carbon and inorganic nutrients, including nitrogen and phosphorus. Investigating the mixotrophic cultivation of S. obliquus in an imitation municipal wastewater, the results of this study showed that: (1) The unmodified imitation wastewater by itself as expected yielded poor S. obliquus growth owing to its pH significantly decreasing to 3.5 as caused by the presence of Ammonium Chloride in the wastewater, inhibiting cell growth; (2) Adding either Acetic Acid or Sodium Acetate to the wastewater medium maintained its pH at 6.5 to 7.0, and its algae biomass on day 6 increased significantly by 212% and 194%, respectively; (3) Adding either Acetic Acid or Sodium Acetate to the wastewater medium maintained its pH at 6.5 to 7.0, and its algae biomass during exponential phase (day 4) significantly exceeded that in the MF control by 220.6% and 165.8%, respectively, while its algae biomass during saturation (day 6) significantly exceeded that in the MF control by 60.8% and 51.5%, respectively; and (4) Addition of NaNO₃ to the wastewater to match the level of N in the MF medium improved the algae biomass by 10%. This study developed ways for how the successful mixotrophic cultivation of S. obliquus in municipal wastewater could be achieved.

O hidrogênio (H2) produzido a partir de microrganismos fotossintetizantes (microalgas e cianobactérias) é considerado um vetor energético sustentável do ponto de vista ambiental. Quando comparado a outras formas de produção são encontradas limitações técnicas e econômicas principalmente pela geração de pequenos volumes de gás e pela inexistência de um ciclo de vida completo que assegure a produção contínua de H2 por esses organismos. Nesse sentido, o presente projeto teve por propósito avaliar a capacidade de produção de H2, sob condições mixotróficas, em três estirpes de cianobactérias: Anabaena sp. UTEX 1448, Anabaena sp. PCC7120 (selvagem) e Anabaena sp. PCC 7120 &Delta;hypF (mutante). O primeiro capítulo tratou da otimização de biomassa da estirpe UTEX 1448, utilizando meio de cultura BG-11 (Rippka, 1979), em condições controladas de pH (10,2), temperatura (32 ºC), radiação (30 &micro;mol.m-2.s-1), com cinco diferentes substratos orgânicos (ácido lático, glicerol, glicose, frutose e sacarose), em três concentrações de carbono (0,20; 0,52 e 0,84 gC.L-1). No segundo capítulo, investigou-se a produção de H2, pelas enzimas hidrogenase bidirecional, de assimilação e nitrogenase, com medições in vivo, a partir do uso do eletrodo de H2 (Hansatech, Ltd) e análises de clorofila a, proteínas (Western Immunoblotting) e géis de poliacrilamida desnaturantes. Os ensaios de H2 foram realizados para as três estirpes, em triplicata, com réplicas biológicas nos dias 0h, 24h, 48h, 72h e 7 dias, após passagem das culturas de condições não fixadoras de nitrogênio para condições fixadoras de H2, considerando a condição otimizada encontrada no Capítulo 1. Utilizou-se BG-11 para aumento da densidade celular em níveis que viabilizassem a realização dos ensaios e BG-110 (sem nitrato) para estímulo à diferenciação celular em heterocistos, estrutura importante por conter a enzima nitrogenase, diretamente relacionada à geração de H2. A fonte de carbono orgânico frutose a 0,84 gC.L-1 foi a condição otimizada encontrada, com produtividade de biomassa de 190 ± 18 mg.L-1.dia-1 (Anova, Tukey, p < 0,05). A estirpe mutante não cresceu nas condições otimizadas do cultivo e consequentemente não foi possível quantificar a geração de H2. Em fase clara, aos 7 dias, a maior produtividade de H2 foi de 0,50 ± 0,38 &micro;molH2.mg clorofila a-1.h-1 para a cepa PCC 7120 (selvagem) e na fase escura obteve-se produtividade média de H2 de 0,147 ± 0,00 &micro;molH2.mg clorofila a-1.h-1, ao dia 0 (0h) para a estirpe UTEX 1448. / Hydrogen (H2) produced from photosynthetic microorganisms (microalgae and cyanobacteria) is considered an environmentally sustainable energy vector. When compared to other production ways, some technical and economic limitations are found mainly because of the small amount of gas generated and also due the lack of a complete life cycle that assures the constant generation of hydrogen by these organisms. Regarding to this, the following study intended to evaluate the capacity of hydrogen production under mixotrophic conditions in three cyanobacteria strains: Anabaena sp. UTEX 1448, Anabaena sp. PCC7120 (wild type) and Anabaena sp. PCC 7120 &Delta;hypF (mutant). The first chapter refers to the optimization of the biomass of the UTEX1448 strain, using BG-11 as a mean of culture (Rippka, 1979) under controlled conditions of pH (10,2), radiation (30 &micro;mol.m-2.s-1), temperature (32ºC), with no photoperiod, five different organic substrates (lactic acid, glycerol, glucose, fructose and sucrose) in three different carbon concentrations (0.20, 0.52 and 0.84 gC.L-1). The second chapter investigated the hydrogen production by the bidirectional hydrogenases enzymes, by uptake and nitrogenase, with in vivo measurements using the hydrogen electrode (Hansatech, Ltd), chlorophyll a and proteins analyses (Western Immunoblotting and SDS-Polyacrylamide gels). The H2 assays were performed for the three strains, in triplicate, with biological replicates on days 0h, 24h, 48h, 72h and 7 days, considering the optimized condition found in Chapter 1. BG-11 medium was used to increase cell density at levels that would be viable to perform the tests and BG-110 (without nitrate) to stimulate cell differentiation in heterocysts, an important structure that contains the nitrogenase enzyme, directly related to H2 generation. The source of organic carbon fructose at 0.84 gC.L-1 was the optimized condition found, with biomass productivity of 190 ± 18 mg.L-1.day-1 (ANOVA, Tukey, p < 0.05). The mutant strain did not grow under optimized culture conditions and consequently it was not possible to quantify H2 generation. In the light phase, at 7 days, the highest yield of hydrogen was 0.50 ± 0.38 &micro;molH2.mg chlorophyll a-1.h-1 for the strain PCC 7120 (wild) and in the dark phase yielded average productivity of hydrogen from 0.147 ± 0 &micro;molH2.mg chlorophyll a-1.h-1, at day 0 (0h) for strain UTEX 1448.

Orientadora: Profa. Dra. Ana Maria Pereira Neto / Dissertação (mestrado) - Universidade Federal do ABC, Programa de Pós-Graduação em Energia, 2014. / Este trabalho avaliou o potencial energético da biomassa de Chlorella minutissima cultivada em condição autotrófica em meio Guillard f/2 e mixotrófica com o mesmo meio e adição de glicose em diferentes condições: I) adição fracionada de 0,2 g/L de glicose com um intervalo de 48h para atingir a adição total de 0,4 g/L; II) adição de 0,2 g/L de glicose em única dose no início do cultivo; III) adição de 0,2 g/L de glicose em única dose após 72h do início do cultivo e IV) adição fracionada de 0,05 g/L de glicose, após 72h de cultivo, seguida de três adições em intervalos de 48h, até atingir a adição total de 0,2 g/L. As curvas de crescimento dos cultivos foram determinadas a partir do monitoramento diário da densidade celular. A produtividade e os teores de carboidratos, clorofila-a, carotenoides, poder calorífico superior e análises elementar e imediata da biomassa foram determinados. E os teores de proteínas, lipídios e poder calorífico inferior foram estimados para o último dia dos cultivos. Observou-se que a adição de glicose após 72h do início do cultivo, em dose única ou fracionada, melhorou o aproveitamento desta fonte de carbono pelas microalgas, minimizando o consumo pelas bactérias uma vez que os cultivos foram xênicos. Nos cultivos mixotróficos, o teor de carboidratos foi igual ao do grupo controle (cultivos autotróficos), aproximadamente 37%, ao passo que houve aumento do teor lipídico (1,41 vezes para adição única e 1,67 vezes para a adição fracionada), indicando o potencial de aplicação de Chlorella minutissima tanto para a produção de etanol como de biodiesel. Considerando o etanol de primeira geração cuja produtividade de etanol de biomassa algácea poderia alcançar uma produtividade de dez vezes maior que a da cana-de-açúcar, e para o de segunda geração poderia chegar a quarenta vezes superior ao do bagaço de cana com base em projeções de produção anual biomassa algácea seca em torno de 90 t/ha, e considerando o mesmo teor fermentescível para as biomassa. A biomassa algácea também apresentou elevado teor de carbono (~40%) e de compostos voláteis (acima de 76% nos cultivos mixotróficos). O poder calorífico superior em condições mixotróficas chegou a 22,27 MJ/kg (maior que o da madeira, que é de cerca de 18 MJ/kg), além de um menor teor de cinzas (2,78 vezes). Estas características são positivas para aplicação da biomassa em processos de conversão termoquímica, como combustão direta e gaseificação. Além disso, os cultivos mixotróficos apresentaram uma diminuição de 0,76 vezes do teor de proteínas, o que favorece uma menor emissão de NOx nos processos termoquímicos. Os teores de clorofila e carotenoides do cultivo mixotrófico com adição única apresentaram um aumento em relação ao controle de, respectivamente, 1,79 e 1,69 mostrando um potencial para a produção de suplementos destinados à alimentação humana, viabilizando, em termos de custos, a produção de biocombustíveis a partir do uso dos carboidratos e lipídios da biomassa residual após a extração destes compostos de maior valor agregado. / This study evaluated the energetic potential of Chlorella minutissima cultivated in autotrophic (Guillard f/2 media) and mixotrophic conditions using the same medium plus glucose additions in different strategies: I) Two additions of 0.2 g/L glucose in a 48h interval up to 0.4 g/L glucose supply; II) Single addition of 0.2 g/L glucose at the beginning of the cultivation; III) Single addition of 0.2 g/L glucose after 72h from the cultivation beginning; IV) addition of 0.05 g/L glucose, 72h after the cultivation start, followed by three additions in 48h intervals up to the total supply of 0.2 g/L. Growth curves were determined by daily cell density monitoring in each cultivation flask. Productivity and carbohydrate, chlorophyll-a, carotenoids, yields and higher and ultimate and proximate analyses were done in the biomass. Were estimated lipids, protein and low heating value obtained at the end of cultivation. Glucose addition after 72h cultivation, whether in single or fractionated doses, improved the utilization of this carbon source by the microalgae, minimizing the bacterial competition once the cultures were xenic. In these treatments, the carbohydrate yield was the same as the control group (autotrophic), around 37%, whereas the lipid yields were higher (1.41 times to single addition and 1.67 times for fractionated addition) representing 31% of the bulk biomass, indicating the potential use of this Chlorella minutissima both for ethanol and biodiesel production. Considering the first generation ethanol whose productivity microalgae ethanol could achieve productivity ten times that of sugarcane, and the second generation is approximately forty times sugarcane bagasse based on projections of annual production of dry algal biomass around 90 t/ha and considering same fermentable yield of the biomass. The algal biomass presented high carbon content (~ 40%), high volatile content (above the 76% in the mixotrophic treatments), and the higher heating value reached 22.27 MJ/kg in mixotrophic conditons, value bigger than the observed for the wood (18.25 MJ/ kg), with low ash content (2.78 times). Such characteristics are positive and indicate a good potential of this biomass be applied in thermochemical processes, such as combustion and gasification. Also the decrease of 0.76 times of protein content in the mixotrophic cultures allows lower NOx emission in thermochemical processes. Chlorophyll and carotenoids yields in the cultures with single glucose addition were respectively 1.78 e 1.69 higher than the in autrotrophic ones, also indicating the potential use of these coproducts for food supply for human consumption allowing, in terms of costs, the production of biofuels from the use of carbohydrates and lipids from the residual biomass after the removal of these high value-added compounds.

O hidrogênio (H2) produzido a partir de microrganismos fotossintetizantes (microalgas e cianobactérias) é considerado um vetor energético sustentável do ponto de vista ambiental. Quando comparado a outras formas de produção são encontradas limitações técnicas e econômicas principalmente pela geração de pequenos volumes de gás e pela inexistência de um ciclo de vida completo que assegure a produção contínua de H2 por esses organismos. Nesse sentido, o presente projeto teve por propósito avaliar a capacidade de produção de H2, sob condições mixotróficas, em três estirpes de cianobactérias: Anabaena sp. UTEX 1448, Anabaena sp. PCC7120 (selvagem) e Anabaena sp. PCC 7120 &Delta;hypF (mutante). O primeiro capítulo tratou da otimização de biomassa da estirpe UTEX 1448, utilizando meio de cultura BG-11 (Rippka, 1979), em condições controladas de pH (10,2), temperatura (32 ºC), radiação (30 &micro;mol.m-2.s-1), com cinco diferentes substratos orgânicos (ácido lático, glicerol, glicose, frutose e sacarose), em três concentrações de carbono (0,20; 0,52 e 0,84 gC.L-1). No segundo capítulo, investigou-se a produção de H2, pelas enzimas hidrogenase bidirecional, de assimilação e nitrogenase, com medições in vivo, a partir do uso do eletrodo de H2 (Hansatech, Ltd) e análises de clorofila a, proteínas (Western Immunoblotting) e géis de poliacrilamida desnaturantes. Os ensaios de H2 foram realizados para as três estirpes, em triplicata, com réplicas biológicas nos dias 0h, 24h, 48h, 72h e 7 dias, após passagem das culturas de condições não fixadoras de nitrogênio para condições fixadoras de H2, considerando a condição otimizada encontrada no Capítulo 1. Utilizou-se BG-11 para aumento da densidade celular em níveis que viabilizassem a realização dos ensaios e BG-110 (sem nitrato) para estímulo à diferenciação celular em heterocistos, estrutura importante por conter a enzima nitrogenase, diretamente relacionada à geração de H2. A fonte de carbono orgânico frutose a 0,84 gC.L-1 foi a condição otimizada encontrada, com produtividade de biomassa de 190 ± 18 mg.L-1.dia-1 (Anova, Tukey, p < 0,05). A estirpe mutante não cresceu nas condições otimizadas do cultivo e consequentemente não foi possível quantificar a geração de H2. Em fase clara, aos 7 dias, a maior produtividade de H2 foi de 0,50 ± 0,38 &micro;molH2.mg clorofila a-1.h-1 para a cepa PCC 7120 (selvagem) e na fase escura obteve-se produtividade média de H2 de 0,147 ± 0,00 &micro;molH2.mg clorofila a-1.h-1, ao dia 0 (0h) para a estirpe UTEX 1448. / Hydrogen (H2) produced from photosynthetic microorganisms (microalgae and cyanobacteria) is considered an environmentally sustainable energy vector. When compared to other production ways, some technical and economic limitations are found mainly because of the small amount of gas generated and also due the lack of a complete life cycle that assures the constant generation of hydrogen by these organisms. Regarding to this, the following study intended to evaluate the capacity of hydrogen production under mixotrophic conditions in three cyanobacteria strains: Anabaena sp. UTEX 1448, Anabaena sp. PCC7120 (wild type) and Anabaena sp. PCC 7120 &Delta;hypF (mutant). The first chapter refers to the optimization of the biomass of the UTEX1448 strain, using BG-11 as a mean of culture (Rippka, 1979) under controlled conditions of pH (10,2), radiation (30 &micro;mol.m-2.s-1), temperature (32ºC), with no photoperiod, five different organic substrates (lactic acid, glycerol, glucose, fructose and sucrose) in three different carbon concentrations (0.20, 0.52 and 0.84 gC.L-1). The second chapter investigated the hydrogen production by the bidirectional hydrogenases enzymes, by uptake and nitrogenase, with in vivo measurements using the hydrogen electrode (Hansatech, Ltd), chlorophyll a and proteins analyses (Western Immunoblotting and SDS-Polyacrylamide gels). The H2 assays were performed for the three strains, in triplicate, with biological replicates on days 0h, 24h, 48h, 72h and 7 days, considering the optimized condition found in Chapter 1. BG-11 medium was used to increase cell density at levels that would be viable to perform the tests and BG-110 (without nitrate) to stimulate cell differentiation in heterocysts, an important structure that contains the nitrogenase enzyme, directly related to H2 generation. The source of organic carbon fructose at 0.84 gC.L-1 was the optimized condition found, with biomass productivity of 190 ± 18 mg.L-1.day-1 (ANOVA, Tukey, p < 0.05). The mutant strain did not grow under optimized culture conditions and consequently it was not possible to quantify H2 generation. In the light phase, at 7 days, the highest yield of hydrogen was 0.50 ± 0.38 &micro;molH2.mg chlorophyll a-1.h-1 for the strain PCC 7120 (wild) and in the dark phase yielded average productivity of hydrogen from 0.147 ± 0 &micro;molH2.mg chlorophyll a-1.h-1, at day 0 (0h) for strain UTEX 1448.

Chlamydomonas reinhardtii can utilize CO2 for autotrophic growth (HSM plus 5% CO2) or acetate for mixotrophic growth (TAP). This study was to elucidate the differential regulation of methionine sulfoxide reductase (MSR) gene expression between HSM plus 5% CO2 and TAP cultured cells, and also to determine the difference of gene expression in response to high light (1,000 £gE m-2 s-1). The role of photosynthetic electron transport (PET) in the regulation of MSR gene expression was also examined by the use of PET inhibitors. High light inhibited PSII activity (Fv/Fm and Fv'/Fm') of HSM plus 5% CO2 and TAP cultured cells., while the responses of CrMSR gene expression in mixotrophically grown cells were different from autotrophically grown cells, High light increased the expression of CrMSRA1, CrMSRA2, CrMSRA3, CrMSRA5, CrMSRB1.2, and CrMSRB2.1, but inhibited the expression of CrMSRA4 and CrMSRB2.2 in autotrophically grown cells. The expression of CrMSRA3, CrMSRA5, and CrMSRB2.1 in mixotrophically grown cells was increased by high light but that of CrMSRA1, CrMSRA4, and CrMSRB2.2 was inhbited. The number of MSR isoform that was up-regulated by high light was greater in autotrophically grown cell than that in mixotrophically grown cells. Using the PET inhibitors (3-(3,4-dichlorophenyl)-1,1- dimethylurea (DCMU) and 2,5-dibromo-3-methyl-6-isopropyl-p-benzoquinone (DBMIB)), most of the CrMSRA expression was regulated by reduced QA for autotrophically grown cells while reduced PQ was the main site for mixotrophically grown cells by high light. The expression of CrMSRB in autotrophically grown cells was mainy modulated by QA (-) or Cytb6f (-), while that was not affected by PET, except a role of Cytb6f (-) on the high light-induced CrMSRB2.2 expression. We fouind that CrMSRB gene expression in autotrophically grown cells was highly affected by PET but not for micotrophically grtown cells. The present result that H2O2 did not accumulate in autotrophically and mixotrophically grown cells suggests that H2O2 may be not involved in the regulation of high light regulation of CrMSR gene expression. The present study shows that the mRNA expression of CrMSR isoforms in Chlamydomonas was diffrerentially regulated between autotrophically and mixttrophically grown cells. The relationship between the utilization of different C source and CrMSR gene expression will be discussed.

Submitted by Cássia Santos (cassia.bcufg@gmail.com) on 2017-02-06T14:04:54Z No. of bitstreams: 2 Dissertação - Elienai Candida e Silva - 2016.pdf: 5043887 bytes, checksum: 650b5f18a57f95fc1e41bebce7da7e99 (MD5) license_rdf: 0 bytes, checksum: d41d8cd98f00b204e9800998ecf8427e (MD5) / Approved for entry into archive by Luciana Ferreira (lucgeral@gmail.com) on 2017-02-08T10:26:21Z (GMT) No. of bitstreams: 2 Dissertação - Elienai Candida e Silva - 2016.pdf: 5043887 bytes, checksum: 650b5f18a57f95fc1e41bebce7da7e99 (MD5) license_rdf: 0 bytes, checksum: d41d8cd98f00b204e9800998ecf8427e (MD5) / Made available in DSpace on 2017-02-08T10:26:21Z (GMT). No. of bitstreams: 2 Dissertação - Elienai Candida e Silva - 2016.pdf: 5043887 bytes, checksum: 650b5f18a57f95fc1e41bebce7da7e99 (MD5) license_rdf: 0 bytes, checksum: d41d8cd98f00b204e9800998ecf8427e (MD5) Previous issue date: 2016-03-31 / Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior - CAPES / In vitro-grown plants have functional characteristics that difficult their survival when transferred directly from in vitro conditions to the natural environment, thus needing of acclimatization. Structural and phyisiological characteristic of the plants grown in vitro and ex vitro are important for technical adjustments and contribute to further information about the phenotypic plasticity of the plants exposed to different environmental conditions. Therefore, the aim of this study was to evaluate the morphology, anatomy and ultrastructure of Aechmea bromeliifolia (Rudge) Baker grown in vitro under different sealing lids of test tubes, and acclimatized. A. bromeliifolia is on ornamental species and therefore, the Plant Tissue Culture Laboratory of Universidade Federal de Goiás (UFG) has accomplished studies aiming to propagation in vitro. Plants cultured in vitro in test tubes with three sealing lids were analyzed: polypropylene rigid closure (PC), polyvinyl chloride film (PVC) and PC covered with a microporous membrane (PM). For comparison, plants germinated from seeds in a screen house were also analyzed. The acclimatized plants were maintained in a greenhouse under controlled conditions and were evaluated after 11 months. The in situ-grown plants were used for comparison. Among the in vitro-grown plants, those grown in tubes sealed with PM are more similar to those grown in screen house, mainly on opening of the stomata and chloroplasts ultrastructural. In the leaves of acclimatized plants some morphological and anatomical characteristics are different from those that occur in the leaves of in situ-grown plants: fibers associated to the vascular bundles have less wall thickness and the hypodermic fibers are organized into least number of layers in addition, they also less wall thickness. Moreover, the stomata occurs less depth in the epidermis in the leaves developed in the greenhouse. However, considering that most morphological, anatomical and ultrastructural characteristics of the leaves of the acclimatized plants are similar to those that occur in the leaves of in situ-grown plants, is possible concluded that the acclimatization process and the greenhouse environmental did not restrict its development, result that favoring the establishment of these plants in natural environmental. / Plantas desenvolvidas in vitro possuem características que dificultam sua sobrevivência quando transferidas diretamente da condição in vitro para o ambiente natural, evidenciando a necessidade de aclimatização. A caracterização estrutural e fiosiológica de plantas desenvolvidas in vitro e ex vitro são importantes para o aprimoramento das técnicas e, contribuem com informações sobre a plasticidade fenotípica de plantas submetidas a diferentes condições ambientais. Sendo assim, o objetivo deste estudo foi avaliar os aspectos morfológicos, anatômicos e ultraestruturais de Aechmea bromeliifolia (Rudge) Baker cultivada in vitro, sob diferentes tipos de vedação dos tubos de ensaio, e aclimatizada. A. bromeliifolia é de interesse ornamental e, por isso, o Laboratório de Cultura de Tecidos Vegetais da Universidade Federal de Goiás tem realizado trabalhos visando sua propagação in vitro. Foram analisadas plantas cultivadas in vitro em tubos de ensaio sob três tipos de vedação: tampa rígida de polipropileno (TP), filme de policloreto de vinila (FPVC) e tampa rígida de polipropileno coberta com membrana microporosa (TM). Para efeito de comparação, plantas de sementes germinadas em telado também foram avaliadas. As plantas aclimatizadas foram mantidas em casa de vegetação em condições controladas e foram avaliadas após 11 meses. Plantas coletadas in situ foram utilizadas para efeito de comparação. Entre as plantas desenvolvidas in vitro, as desenvolvidas em tubos vedados com TM se assemelharam mais àquelas cultivadas em telado, principalmente quanto à abertura dos estômatos e a ultraestrutura dos cloroplastos. Nas folhas das plantas aclimatizadas algumas características morfológicas e anatômicas são diferentes das que ocorrem nas plantas desenvolvidas in situ: as fibras associadas aos feixes possuem paredes menos espessas e as fibras hipodérmicas, se organizam em menor número de camadas, além de terem também paredes menos espessas. Além disso, os estômatos ocorrem menos aprofundados na epiderme nas folhas desenvolvidas na casa de vegetação. Considerando, contudo, que a maioria das características morfológicas, anatômicas e ultraestruturais das folhas das plantas aclimatizadas são semelhantes àquelas que ocorrem nas folhas das plantas desenvolvidas in situ, é possível concluir que o processo de aclimatização e o ambiente de casa de vegetação não restringiram seu desenvolvimento, resultado que favorece o estabelecimento destas plantas em condições de ambiente natural.

No description available.