Use of agro-industrial by-products for Pavlova spp. culture and heterotrophic growth of Nannochloropsis spp. as relevant production strategies for oleaginous microalgae

Abstract

The polyunsaturated essential fatty acids are divided into two relevant groups in human nutrition, omega-6 (n-6 PUFAs) and omega-3 (n-3 PUFAs) and carry on several important roles in the human body. However, several factors resulted in a consumption of n-6 PUFAs approximately 20 times greater than the consumption of n-3 PUFAs, showing a lack of eicosapentaenoic acid (EPA) and docosahexaenoic acid (DHA) in the dietary requirements. Both come from marine fish, such as salmon and mackerel, or from fish oils. As result of the increasing demand for food associated with a growing global population, these sources are not sufficient to answer the requirements for EPA and DHA, so it became necessary to explore alternative sources such as microalgae. The marine microalgae of the genera Nannochloropsis and Pavlova are important producers of EPA and DHA, since both exhibited the highest content of these n-3 PUFAS per dry weight biomass. Despite Nannochloropsis and Pavlova being currently used on the global food and feed market, the large-scale production of microalgae is not a widespread practice yet. The efficient use and wide implementation at an industrial scale requires improvements to reduce production costs. The main challenges to overcome are related with high nutrient supply and low production efficiency of biomass and high value-added metabolites. The potential of use agro-industrial by products and heterotrophic conditions as production strategies to reduce production costs and enhance microalgal biomass productivity of marine microalgae was evaluated with the following strains: Nannochloropsis gaditana, Nannochloropsis oceanica, Pavlova lutheri, Pavlova pinguis and Pavlova gyrans. The heterotrophic growth was evaluated with N. gaditana and N. oceanica. It was determined that both Nannochloropsis strains are not able to grow in heterotrophic conditions. P. pinguis and P. gyrans achieved similar or significant cell growth and lipid content in the medium composed of organic fertilizer than in synthetic control medium (f/2 medium). Cell growth and lipid content in the non-sterilized organic fertilizer medium were also found to be comparable to those in sterilized organic fertilizer media. P. gyrans cultured in organic fertilizer media suffered an interesting cell morphology variation, resulting in small, more elongated and motile cells. The use of synthetic aquaculture effluents as a culture medium to P. pinguis and P. gyrans cultivation, promoted an opposite trend, as lower cell growth was determined for both of these strains, suggesting the inhibitory impact of high nitrate concentrations (16 to 20 mM). The lipid content was unaltered. Overall, our results demonstrate that the replacement of synthetic culture medium by agroindustrial by-products is a viable approach to reduce production costs of Pavlova strains at industrial scale, while also contributing to a more sustainable economy and to produce organic microalgal biomass.

Os ácidos gordos polinsaturados estão divididos em dois grupos relevantes em termos nutricionais, omega-6 (n-6) e omega-3 (n-3), e desempenham variadas funções importantes no organismo humano. Contudo, diferentes fatores levaram a um consumo de ácidos gordos polinsaturados n-6 aproximadamente 20 vezes superior ao consumo de ácidos gordos polinsaturados n-3, ressaltando-se o baixo consumo de ácido eicosapentaenóico (EPA) e ácido docosahexaenóico (DHA), que advém de peixes de água salgada, como salmão e cavala, ou de óleos de peixe. Como resultado da crescente demanda por alimentos, associada a uma crescente população mundial, estas fontes de ácidos gordos não são suficientes para atender aos requisitos nutricionais de EPA e DHA. Tornou-se por isso necessário explorar fontes alternativas, como as microalgas. As microalgas marinhas dos géneros Nannochloropsis e Pavlova são importantes produtores de EPA e DHA, exibindo um elevado conteúdo de ácidos gordos n-3 por biomassa de peso seco. Apesar das espécies Nannochloropsis e Pavlova serem atualmente comercializadas a nível global, a produção em larga escala de microalgas ainda não é uma prática generalizada. Uma ampla implementação à escala industrial requer melhorias de forma a reduzir os custos de produção. Para atingir este objetivo, abordagens como (1) aumento da produtividade da biomassa por meio de culturas em condições de heterotrofia ou (2) substituição do meio de cultura sintético por subprodutos agroindustriais, podem ser implementadas. O potencial destas duas estratégias de produção foi avaliado com recurso às seguintes espécies de microalgas marinhas: Nannochloropsis gaditana, Nannochloropsis oceanica, Pavlova lutheri, Pavlova pinguis e Pavlova gyrans. Avaliou-se o crescimento heterotrófico das espécies N. gaditana e N. oceanica, e foi possível determinar que ambas as espécies não apresentam crescimento nestas condições. As microalgas P. pinguis e P. gyrans cultivadas em fertilizante orgânico obtiveram crescimentos celulares e teor lipídico semelhantes ou significativamente superiores às respetivas culturas controlo (meio de cultura f/2). Verificou-se também que o crescimento celular e o teor lipídico em meio de fertilizante orgânico não estéril são estatisticamente comparáveis aos obtidos com recurso a fertilizante orgânico previamente esterilizado. P. gyrans produzidas com fertilizante orgânico exibiram variação da morfologia das células, resultando em células mais pequenas, alongadas e com motilidade. A utilização de efluentes sintéticos de aquacultura como meios de cultura das espécies P. pinguis e P. gyrans promoveram um crescimento significativamente inferior ao obtido pelas respetivas culturas controlo (medi de cultura f/2), sugerindo um efeito inibitório de elevadas concentrações de nitrato (16 a 20 mM). O conteúdo lipídico manteve-se inalterado. De um modo geral, os resultados obtidos revelaram que a substituição de meios de cultura sintéticos por subprodutos agroindustriais é uma abordagem viável para reduzir os custos de produção de espécies de Pavlova à escala industrial, contribuindo simultaneamente para uma economia mais sustentável e obtenção de biomassa de microalgas certificada como orgânica.