Evaluation of the impact of moderate electric fields on the cultivation of microalgae

Abstract

Microalgae, a largely diverse group of organisms found in marine and freshwater environments, provide a variety of added-value products, namely pigments, antioxidants, polysaccharides, triglycerides, fatty acids, vitamins and biomass, that can be harnessed for commercial use in the feed, food, nutritional, cosmetic, pharmaceutical and fuel industries. Environmental factors, such as light, temperature, nutrient availability and salinity, influence microalgae at several levels, leading to alterations in the metabolic patterns, biochemical composition and biomass productivity that can be explored as stress strategies to promote the accumulation of compounds of interest. The influence of electric field processing on biological systems such as microalgae has been the topic of thorough investigation. Moderate electric field (MEF) application, low intensity electric fields ranging between 1-1000 V cm-1 in the form of sinusoidal/square waves, although thoroughly used in the food industry and in aiding extraction and microalgae biotechnology, is still scarce in the literature when compared to other electrotechnologies, with fundamental studies on its influence on microalgae growth being particularly limited. In the present work, the influence of MEF application on the growth of Pavlova gyrans, a unicellular microalgae mainly used in the feedstock market due to its biochemical composition and nutritional value, was assessed. Using different approaches, by applying the treatment in different growth stages, in varying treatment times and even during the dark phase of its photoperiod, possible alterations in P. gyrans growth and biochemical composition as a result of the stress caused by electric field application were investigated. Despite not promoting growth, MEF treatment influenced the biochemical composition and pigment content of P. gyrans – maximum increases of 85.8 and 66.1% in the Chlorophyll a and in the Carotenoid content and of 4.72, 18.7 and 5.41% in the lipid, carbohydrate and protein content were found as a result of treatment in separate experiments. Hence, with this study, the potential of MEF application in the promotion of biochemical composition alterations was proven. In the future, besides validating the results found, other approaches could be taken, for instance combining electric stress with other known stress strategies and applying electrotechnologies in the harvesting of compounds of interest from P. gyrans. Further investigation is also necessary in order to fully understand the fundamental causes at a cellular level of the effects found.

As microalgas, um diverso grupo de organismos presentes em ambientes marinhos e de água doce, são a fonte de uma multiplicidade de produtos de valor acrescentado, como pigmentos, antioxidantes, polissacáridos, triglicéridos, ácidos gordos, vitaminas e biomassa, que podem ser empregues comercialmente nas indústrias alimentar, nutricional, cosmética, farmacêutica e combustível. Fatores ambientais como luz, temperatura, disponibilidade de nutrientes e salinidade influenciam as microalgas, provocando alterações nos seus padrões metabólicos, composição bioquímica e produtividade em biomassa, podendo ser exploradas como estratégias de stresse para promover a acumulação de compostos de interesse. O processamento com campos elétricos de sistemas biológicos como as microalgas tem sido alvo de exaustiva investigação. Os campos elétricos moderados (MEF), campos de baixa intensidade na gama 1-1000 V cm-1 na forma de ondas sinusoidais/quadradas, apesar de frequentemente usados na indústria alimentar e como auxílio na extração e biotecnologia de microalgas, são ainda pouco referidos na literatura comparativamente às restantes eletrotecnologias. Estudos fundamentais sobre a sua influência no crescimento de microalgas são particularmente limitados. No presente trabalho, a influência de MEF no crescimento de Pavlova gyrans, uma microalga unicelular usada sobretudo na maricultura dada a sua composição bioquímica e valor nutricional, foi investigada. Usando diferentes estratégias, como a aplicação do campo em diferentes fases do crescimento, variando o tempo de aplicação e até aplicando o tratamento durante a fase escura do fotoperíodo, possíveis alterações no crescimento e composição bioquímica de P. gyrans como resultado do stresse causado pela aplicação do campo elétrico foram investigadas. Apesar de não promover o crescimento, o tratamento com MEF influenciou a composição bioquímica de P. gyrans – aumentos máximos de 85,8 e 66,1% no conteúdo em Clorofila a e Carotenoides e de 4,72, 18,7 e 5,41% no conteúdo em lípidos, hidratos de carbono e proteínas resultaram de diferentes tratamentos em ensaios separados. Desta forma, o potencial da aplicação de MEF na promoção de alterações na composição bioquímica foi demonstrado. Futuramente, para além de validar os resultados encontrados, diferentes estratégias como a combinação de estratégias elétricas com stresses conhecidos e a aplicação de eletrotecnologias na extração de compostos de interesse de P. gyrans poderiam ser investigadas. Mais investigação acerca da causa fundamental a nível celular das alterações encontradas é ainda necessária.