Produzione di biomassa microalgale e metaboliti in condizioni di illuminazione artificiale (LED) e loro potenzialità biotecnologiche

Nell’ambito delle Biotecnologie Blu, la ricerca è rivolta all’esplorazione delle microalghe considerate candidate promettenti per la produzione di metaboliti di interesse commerciale alternativi a prodotti di sintesi chimica per la salute dell’uomo e degli animali e la valorizzazione della loro biomassa per la riduzione dell’impatto antropico. La crescita delle microalghe, i cambiamenti metabolici e la conseguente sintesi di metaboliti secondari sono influenzati dalla composizione spettrale della luce e dall’intensità luminosa. In questo contesto, è stato valutato l’effetto dello spettro e dell’intensità della luce artificiale emessa da componenti elettroniche chiamate diodi (Lighting Emitting Diode, LED), sulla crescita e sulla produzione di biomassa e di metaboliti ad alto valore aggiunto, quali carotenoidi e metaboliti secondari solubili in etanolo, da parte dei tre ceppi microalgali Monoraphidium sp. E10, (famiglia delle Selenastraceae) e Tetradesmus sp. M42 e Desmodesmus abundans Z59 (famiglia delle Scenedesmaceae), isolati dal Lago Maulazzo (Alcara li Fusi, Messina). La loro biomassa è stata inoltre valutata per la capacità di adsorbire e ridurre la tossicità di metalli pesanti da ambienti acquatici contaminati. Per valutare gli effetti delle condizioni di illuminazione sulla crescita microalgale, misurata spettrofotometricamente, ogni coltura è stata esposta per dieci giorni a differenti spettri luminosi: lunghezze d’onda di 400-700 nm (LED bianchi), 450 nm (LED blu), 660 nm (LED rossi) ed una combinazione di LED blu e rossi, ed a crescenti intensità della luce (IL) (27, 100, 400, 600 e 800 μmol di fotoni m−2 s−1). Le condizioni ottimali di crescita dei tre ceppi erano diverse alle differenti esposizioni di illuminazione, i ceppi M42 e Z59 hanno mostrato maggiore crescita dopo esposizione a LED rossi con IL 100, mentre il ceppo E10 dopo esposizione a LED bianchi co IL 600. I carotenoidi sono stati estratti dalle biomasse e caratterizzati mediante cromatografia. Il ceppo E10 ha prodotto la maggiore quantità di carotenoidi (3 μg/mL) sia dopo esposizione a LED blu-rossi con IL 400, che a LED bianchi con IL 600, ma con differente proporzione tra caroteni (es. β-carotene) e xantofille (es. astaxantina), indicando che la produzione del tipo di carotenoidi può essere modulata utilizzando differenti condizioni di illuminazione. 2 Allo scopo di ricercare prodotti con attività biologica, i metaboliti secondari, estratti dalle biomasse di ciascun ceppo esposto alle diverse condizioni di illuminazione, sono stati saggiati per le loro attività antibatterica e antibiofilm contro batteri patogeni dell’uomo e dei pesci. Sebbene nessun estratto abbia mostrato capacità antibatterica, gli estratti (1 mg/mL) ottenuti (complessi lipidici e lipopeptidi) dalle biomasse di Z59 hanno mostrato elevate capacità di inibire (di circa l’ 80%) la formazione di biofilm di batteri Gram-positivi (Staphylococcus aureus ATCC 29213), ma non quella di batteri Gram-negativi (Photobacterium piscicida, Pseudomonas aeruginosa ATCC 27853, Vibrio harveyi G5 e V. parahaemolyticus L12G). La biomassa ottenuta è stata infine valutata per la capacità di adsorbire e di ridurre la tossicità dei metalli pesanti (arsenico, mercurio e vanadio) in soluzione acquose, per prospettare un utilizzo alternativo ai metodi tradizionali nella bioremediation di ambienti acquatici contaminati. Nessuna delle biomasse ha mostrato la capacità di adsorbire il vanadato e l’arseniato e solo la biomassa prodotta da E10 ha adsorbito più efficacemente il mercurio (52%) e l’arsenito (22%). La biomassa di E10, fortemente elettronegativa (potenziale Zeta = −36mV), è capace di adsorbire il mercurio tramite interazioni elettrostatiche, mentre meccanismi differenti sembrano essere coinvolti nell’ adsorbimento dell’arsenito. L’analisi spettroscopica Attenuated Total Reflectance-Fourier Transformation Infrared (ATR-FTIR) ha confermato che l’adsorbimento del mercurio avveniva mediante il coinvolgimento di gruppi funzionali carichi negativamente, attribuiti ai carboidrati ed ai lipidi (tra cui i carotenoidi) della biomassa di E10, mentre i gruppi attribuiti alla componente proteica e lipidica sono coinvolti nella complessazione dell’arsenito. La scelta delle condizioni di illuminazione influenza la crescita e la sintesi di metaboliti secondari con un alto valore commerciale nella nutraceutica e cosmeceutica. La luce blu-rossa con IL 400 consente al ceppo Monoraphidium E10 di produrre oltre all’ astaxantina, la luteina ed il β -carotene, rispondendo a maggiori richieste industriali. La sua biomassa rappresenta inoltre una risorsa biotecnologica rilevante con potenziali applicazioni nella bioremediation di ambienti acquatici contaminati da metalli pesanti. In adeguate condizioni di illuminazione, il ceppo Desmodesmus abundans Z59 ha prodotto composti con attività antibiofilm utili nel contrastare batteri patogeni dell’uomo e dei pesci, con potenziali applicazioni nell’ industria farmaceutica, alimentare ed in acquacoltura.