Microalga Scenedesmus acuminatus em meios de cultivo visando à
produção de biodiesel
The Scenedesmus acuminatus microalgae in culture media aiming at the
production of biodiesel
Scenedesmus acuminatus microalgas en medios de cultivo para la producción de biodiesel
Yohanna Jamilla Vilar de
Brito1, Thiago Santos de Almeida Lopes2, Whelton Brito dos Santos3, Amanda Laurentino Torquato4, Vera Lúcia Antunes de Lima5, Weruska Brasileiro Ferreira6
Recebido: 25/03/2019; Aprovado: 16/02/2020
Resumo: O biodiesel tem-se destacado como uma das opções mais viáveis para
promover a gradativa redução do consumo de combustíveis fósseis. Neste
contexto, as microalgas surgem como matéria-prima promissora, uma vez que
apresentam produtividade de lipídios superior à das oleaginosas utilizadas na
produção deste biocombustível, além da capacidade de biorremediação de águas
residuárias e de grande absorção de CO2. Contudo, o elevado custo
dos nutrientes empregados na preparação dos meios de cultivos dificulta a
implementação em escala real. Este estudo teve como objetivo avaliar o
crescimento da microalga Scenedesmus acuminatus em
três meios de cultura: dois sintéticos, Bold´s Basal Medium (BBM) e Wright’s Cryptophyte
(WC), e um alternativo, com efluente de tratamento anaeróbio de esgoto
doméstico do reator tipo Upflow Anaerobic Sludge Blanket (UASB), a fim de minimizar os custos e
viabilizar a produção de biodiesel. De acordo com os resultados obtidos, o
cultivo com efluente de UASB obteve a maior densidade celular e não apresentou
diferenças estatisticamente significativas em relação aos meios sintéticos, o
que revela uma alternativa viável de cultivo. Diante disso, concluiu-se que a
utilização de resíduos líquidos oriundos do tratamento anaeróbio de esgoto
doméstico pode aumentar a viabilidade dos cultivos com vistas à produção de
biodiesel, uma vez que permitem redução de custos ao substituir os meios
sintéticos.
Palavras-chave: Microalgas; Biocombustíveis; Águas residuais.
Key
words: Microalgae; Biofuels; Residual waters.
Resumen: El biodiesel se
ha destacado como una de las opciones más viables para promover la reducción
gradual en el consumo de combustibles fósiles. En este contexto, las microalgas
aparecen como una materia prima prometedora, ya que tienen una mayor
productividad de lípidos que las semillas oleaginosas utilizadas en la
producción de este biocombustible, además de la capacidad de biorremediación de
aguas residuales y alta absorción de CO2. Sin embargo, el alto costo
de los nutrientes utilizados en la preparación de los medios de cultivo
dificulta la implementación a gran escala. Este estudio tuvo como objetivo
evaluar el crecimiento de microalgas Scenedesmus
acuminatus en tres medios de cultivo: dos
sintéticos, Bold´s Basal Medium (BBM) y Wright's Cryptophyte (WC), y una
alternativa, con efluente de tratamiento anaeróbico de aguas residuales
domésticas del reactor manta de lodos anaeróbico de flujo ascendente Upflow Anaerobic
Sludge Blanket (UASB), para minimizar los costos y permitir la
producción de biodiesel. Según los resultados obtenidos, el cultivo con
efluente UASB obtuvo la mayor densidad celular y no mostró diferencias
estadísticamente significativas en relación con los medios sintéticos, lo que
revela una alternativa de cultivo viable. Por lo tanto, se concluyó que el uso
de desechos líquidos del tratamiento anaeróbico de las aguas residuales
domésticas puede aumentar la viabilidad de los cultivos con miras a la
producción de biodiesel, ya que permiten la reducción de costos al reemplazar
los medios sintéticos.
Palabras clave: Microalgas;
Biocombustibles; Aguas Residuales.
INTRODUÇÃO
Nos últimos anos, tem-se intensificado a busca por energias renováveis que
minimizem os impactos ambientais e a geração de gases poluentes, advindos da
queima de combustíveis fósseis. Neste sentido, pode-se destacar o biodiesel,
que é produzido a partir de recursos renováveis e vincula segurança energética
à proteção ambiental, uma vez que reduz a emissão de gases do efeito estufa e,
assim, combate os efeitos do superaquecimento global (FERREIRA et al., 2013).
Dentre as matérias-primas que podem ser utilizadas na geração deste
biocombustível, uma que tem adquirido relevância na comunidade científica são
as microalgas, cujo potencial é realçado por seu alto rendimento por hectare,
baixo custo de manutenção e rápido crescimento. Além disso, estes
microrganismos possuem a capacidade de absorver grande quantidade de dióxido de
carbono atmosférico e de fontes poluentes, e sua biomassa apresenta teor de
lipídios superior à das culturas vegetais comumente utilizadas (FERREIRA et
al., 2013; MENEZES et al., 2013).
Segundo Chisti (2008) as microalgas são
responsáveis pela produção primária de pelo menos 60% de oxigênio da Terra. O
número exato de espécies ainda é desconhecido, contudo, pesquisas indicam que
podem existir cerca de 200.000 até alguns milhões. Ao realizarem fotossíntese,
produzem lipídios de maneira mais eficiente que as plantas terrestres,
transformando energia solar em matéria orgânica (SAFI et al., 2014).
A composição química dos ácidos graxos de algumas microalgas é similar
à dos encontrados nas oleaginosas usualmente utilizadas na geração de
biodiesel, como soja e canola (MENEZES et al., 2013). A escolha adequada da
espécie envolve diversos fatores, como velocidade de crescimento, produtividade
de biomassa e teor lipídico, que são diretamente influenciados pelo meio de
cultura, intensidade luminosa, temperatura, salinidade, pH, fotoperíodo e idade
do cultivo (CAMPOS et al., 2010).
De modo geral, os cultivos de microalgas podem ser de três tipos:
autotróficos, quando a luz é utilizada como fonte de energia e o CO2
como fonte de carbono; heterotróficos, realizados em ausência de luz, onde
compostos orgânicos são usados como fonte energética e de carbono; e mixotróficos, em que a fotossíntese é a principal fonte de
energia, mas também ocorre adição de compostos orgânicos e CO2 no
meio de cultura (PEREZ-GARCIA et al., 2011). Dentre eles, o cultivo mixotrófico apresenta diversas vantagens, incluindo maior
crescimento celular (produtividade de biomassa de 3 a 10 vezes maior que nos
sistemas autotróficos), maior absorção de CO2 e ausência de fotoinibição (KIRROLIA et al., 2013; CHANDRA et al., 2014).
Além do potencial para geração de biodiesel, as microalgas podem ser
empregadas no tratamento de efluentes, uma vez que promovem biorremediação de
águas ao absorver contaminantes e nutrientes solúveis em quantidades maiores do
que precisam para seu desenvolvimento (MULBRY et al., 2009). Este processo
apresenta diversos benefícios em relação a outros aplicados no tratamento de
águas residuárias, como a produção de biomassa que pode ser utilizada para
produção de energia. Para demonstrar a viabilidade desta tecnologia, Novoveská et al. (2016) implantaram uma planta piloto em
Daphne, Alabama (EUA), capaz de tratar 189.000 L de efluente por dia, em fotobiorreatores offshore
com 4.046,8 m² de área. A estação recebe CO2 e esgoto doméstico e os
transforma em água limpa, combustível líquido e condicionador de solo.
Dentre os principais desafios dos cultivos de microalgas em larga
escala estão os custos de produção, onde aproximadamente 35% são para elaborar
o meio de cultivo (BAUMGARTNER et al., 2013). Diante disso, o uso de efluentes
surge como uma alternativa de baixo valor econômico capaz de substituir os
meios de cultura sintéticos.
Estudos relatam que as algas verdes ou clorofíceas são as mais
promissoras para geração de biodiesel, sendo os gêneros Chlorella, Chlamydomonas
e Dunaliella
os mais utilizados. No entanto, as espécies de Scenedesmus e Chlorella vêm sendo apontadas nos
últimos anos como as mais eficientes no processo de fixação de CO2
acoplado ao tratamento de águas residuárias e à síntese lipídica (XIN et al.,
2010; TANG et al., 2011; BLERSCH et al., 2013).
A Scenedesmus
constitui uma potencial fonte de óleo para a produção de biodiesel devido à sua
elevada atividade metabólica (produção de 10 a 25% de óleo). Este gênero
pertence à família Scenedesmaceae, ordem Chlorococcales,
classe Chlorophyceae e divisão Chlorophyta
(LEE et al., 2009). Possui clorofila
a e b, xantofilas (luteína e prasinoxantina) e os carotenóides
α, β e γ. O produto fotossintético de armazenamento é o amido, que é composto
por amilose e amilopectina e, ao contrário de outras
algas, é formado dentro do cloroplasto (REYNOLDS, 2006). Conforme Baumgartner et
al. (2013), a Scenedesmus
é uma microalga de fácil obtenção e tem sido empregada na produção de biomassa
e no tratamento de águas residuárias.
Neste sentido, o presente estudo teve como objetivo avaliar o
desempenho da microalga Scenedesmus acuminatus em
três meios de cultura diferentes – WC, BBM e efluente de UASB – visando à
produção de biodiesel, adotando como parâmetros o número de células em função
do tempo, a velocidade específica de crescimento, o tempo de geração e a
produtividade de biomassa.
MATERIAL E
MÉTODOS
Microalga Scenedesmus acuminatus
O estudo foi realizado no Laboratório de Saneamento Ambiental,
localizado no Centro de Ciências e Tecnologia (CCT) da Universidade Estadual da
Paraíba (UEPB), onde foram utilizadas cepas da microalga Scenedesmus acuminatus (Figura 1), fornecidas pelo
Laboratório de Tecnologia de Bioativos (LABTECBIO) da Universidade Federal
Rural de Pernambuco (UFRPE).
Procedimento
experimental
Os cultivos foram realizados em triplicata com a utilização dos meios
de cultura BBM, WC e efluente de reator UASB. A aclimatação foi realizada em cepário, à temperatura de 26 ± 2 °C, agitação através da
injeção direta de ar comprimido e iluminação por meio de lâmpadas fluorescentes
de 40 W, que proporcionaram uma iluminação de 4.000 lúmens por 12 horas
diárias.
Figura 1. Fotomicrografia da microalga Scenedesmus acuminatus em ampliação de 400x.
Fonte: Autor
(2020).
Os meios de cultura sintéticos utilizados para o cultivo da microalga S. acuminatus foram o WC, desenvolvido por Guillard
e Lorenzen (1972), e o BBM, recomendado pelo Centro
de Cultura de Algas e Protozoários de Cambridge, suplementado com 0,30 g.L-1
de extrato de levedura. Também foi usado como meio de cultura o efluente de
tratamento anaeróbio de esgoto sanitário oriundo de reator UASB, fornecido pela
Estação Experimental de Tratamento Biológico de Esgotos Sanitários (EXTRABES).
O efluente apresentou Demanda Química de Oxigênio (DQO) de 452 mg.L-1, pH 8,0 e foi filtrado, para retenção de
sólidos suspensos que poderiam interferir nos cultivos, e armazenado sob
refrigeração.
Parâmetros
avaliados
O crescimento das microalgas foi determinado através da relação entre a
concentração celular, estimada por meio da microscopia óptica (aumento de 400x)
e o tempo de cultivo. A contagem de células foi realizada em triplicata em uma
câmara de Neubauer, onde o número de células, em cel.mL-1
foi determinado pela média geométrica das três contagens. O tempo de cultivo
foi expresso pela quantidade de dias decorridos desde o início da inoculação
(período de adaptação – fase lag) até o alcance
máximo da concentração celular (fase estacionária). Cada experimento teve
duração de 10 dias.
A velocidade de crescimento é diretamente proporcional à concentração
de microrganismos em um dado instante. A fração pela qual a população cresce na
unidade de tempo é dada por μX, que
representa a velocidade específica de crescimento e tem unidade de tempo
expressa em h-1. Na fase exponencial (ou logarítmica) a velocidade
específica de crescimento é constante e máxima, sendo μX
igual a μmáx e pode ser determinada
através da Equação 1 (SCHMIDELL et al., 2001).
A representação de ln (x) versus o tempo de
cultivo, na fase exponencial, resulta em uma reta com coeficiente angular igual
à velocidade específica máxima de crescimento μmáx.
A fase exponencial também é caracterizada pelo tempo de geração (tg), que é o tempo necessário para dobrar o
valor da concentração celular (x = 2xi). O tempo de geração foi
calculado através da Equação 2 (SCHMIDELL et al., 2001).
(Eq.
2)
As análises de produtividade da biomassa cultivada em laboratório foram
realizadas em triplicata no início e no fim dos experimentos. Amostras de 50 mL de cultivo eram separadas e centrifugadas, descartando o
sobrenadante, e a biomassa resultante era transferida para cápsulas de
evaporação, previamente secas (em estufa a 105 °C) e pesadas. Em seguida, as
cápsulas contendo biomassa eram postas para secagem em estufa na temperatura de
60 °C até atingir peso constante, para posterior pesagem. A produtividade de
biomassa foi determinada pela diferença entre os pesos da biomassa seca no
início e no fim de cada cultivo, dividida pelo tempo total do experimento (10
dias).
Tratamento estatístico
dos dados
Os dados foram expressos com média e desvio padrão. As comparações
entre os meios de cultivo foram realizadas por análise de variância (ANOVA) e
teste de Tukey, realizados no software Statistica 7.0 (STATSOFT, 2004).
RESULTADOS E
DISCUSSÃO
A partir da Figura 2, pode-se observar que a S. acuminatus apresentou rápida adaptação
em meio BBM, onde partiu de uma população de 7,28 x 105 cel.mL-1 para 1,94 x 107 cel.mL-1,
no nono dia de cultivo. No meio WC, o número de células máximo obtido foi 1,49
x 107 cel.mL-1, no oitavo dia. O
cultivo apresentava, inicialmente, concentração de 8,66 x 105 cel.mL-1. Já o cultivo realizado em efluente de
UASB iniciou com uma densidade celular de 7,97 x 105 cel.mL-1 e, no décimo dia, chegou a 2,54 x 107
cel.mL-1, apresentando boa adaptação e taxa de crescimento.
De acordo com o experimento conduzido por Baumgartner et al. (2013),
observou-se que o gênero Scenedesmus
não desenvolve um estágio estacionário. Portanto, ela passa da fase de
crescimento linear diretamente para a fase de morte celular. Este acontecimento
pode ser observado nos cultivos, ocorrendo picos de produção celular seguidas
de um decaimento na concentração de células.
Em estudos realizados por Menezes et al. (2013), cultivos de cepas de S. capitaus
foram realizados em diferentes meios de cultura e atingiram no décimo dia de
cultivo densidade máxima de 6 x 106 cel.mL-1, no meio LC Olico, e 3,8 x 106 cel.mL-1, no meio
WC, valores inferiores aos obtidos no atual estudo.
O crescimento microalgal apresentou maiores
valores no cultivo realizado com efluente de reator UASB, contudo, não foram
observadas diferenças significativas entre os três meios de cultura utilizados
(p-valor = 0,17 e F (91,2) = 1,76), conforme Figura 2. Fato semelhante foi
observado no estudo de Vieira et al. (2014), onde o efluente doméstico se
mostrou como excelente meio alternativo para a Chlorella vulgaris, uma vez que
proporcionou o aumento da concentração celular quando comparado ao meio
sintético.
Figura 2. Curvas de crescimento da Scenedesmus acuminatus,
em diferentes tempos de cultivo nos meios BBM, WC e efluente de UASB.
Conforme Franco et al. (2013), as microalgas são consideradas, em sua
diversidade, como organismos flexíveis quanto ao habitat, sendo encontradas
tanto em ambientes úmidos terrestres, quanto em ambientes aquáticos de água
doce, salobra e salgada. Tal flexibilidade pode ser notada pela adaptação da S. acuminatus
em efluentes de tratamento anaeróbio de esgoto doméstico sem o uso de meios
sintéticos.
A Tabela 1 apresenta os valores da produtividade de biomassa,
velocidade específica de crescimento e tempo de geração da S. acuminatus, nos três meios de cultivo
utilizados no estudo.
Tabela 1. Produtividade
de biomassa, velocidade específica máxima de crescimento e tempo de geração
da microalga Scenedesmus acuminatus
nos meios de cultura BBM, WC e efluente de reator UASB. |
|||
Meio de cultura |
Produtividade de biomassa
(g.L-1.d-1) |
Velocidade específica máxima
(h-1) |
Tempo de geração (h) |
BBM |
0,091 |
0,03 |
23,10 |
WC |
0,096 |
0,036 |
19,25 |
Efluente de UASB |
0,084 |
0,025 |
27,29 |
A partir da Tabela 1, observou-se que o meio WC promoveu o melhor
crescimento da S. acuminatus
em relação aos parâmetros
avaliados. No entanto, estatisticamente (Figura 3), foi possível constatar que
não houveram diferenças significativas (p-valor = 0,67 e F(9,2)
= 0,42) entre os resultados obtidos nos diferentes meios utilizados. Isso
ressalta o potencial do efluente de UASB como meio de cultura para a S. acuminatus,
uma vez que o mesmo proporcionou um desenvolvimento microalgal similar aos alcançados com os meios sintéticos,
específicos para o cultivo de microalgas.
Figura 3. Variação da produtividade de biomassa da Scenedesmus acuminatus
nos três meios de cultura.
Baumgartner et al. (2013) cultivaram a microalga S. acuminatus em três meios de cultivo –
MC (Medium for Chlorella ellipsoidea),
DM (Detmer’s Medium) e NPK
(Nitrogen:Phosphorus:Potassium)
– e obtiveram maior produtividade de biomassa no meio MC (0,081 g.L-1.d-1).
Já Oliveira (2013) estudou a produtividade de biomassa da Scenedesmus sp., cultivada em
meio Chu, e atingiu valores de 0,062 g.L-1.d-1. Em comparação com
este estudo, os valores da produtividade de biomassa nos meios BBM, WC e
efluente de UASB foram superiores aos das referências supracitadas. Isso
ressalta a potencialidade do efluente de UASB como meio de cultura alternativo
para redução dos custos dos cultivos de S.
acuminatus, visando a produção de biodiesel.
Uma das características do efluente de UASB que possibilita seu uso
como meio de cultura da S. acuminatus é seu pH
alcalino (8,0), que se aproxima do pH dos meios sintéticos (7,5-9,0). O pH do
meio de cultura é conhecido por ter grande influência no crescimento e na
produção da biomassa de microalgas, uma vez que seu pH citosólico
é neutro, ou ligeiramente alcalino, e suas enzimas celulares são sensíveis ao
pH e podem se tornar inativas em condições ácidas (TRIPATHI et al., 2015). O pH
está diretamente ligado com o bom funcionamento celular das microalgas e por
isso o seu controle é de vital importância para o melhor desenvolvimento dos
cultivos.
Tripathi
et al. (2015) cultivaram Scenedesmus sp.
em meio de cultura BG-11 e analisou a influência do pH alterando-o numa faixa
entre 7,0 e 10,0, onde a microalga obteve maior produtividade em pH 8,0,
mostrando que seu meio de cultivo deve ser alcalino. Chiranjeevi
e Mohan (2016) também verificaram maior produção de
biomassa em pH alcalino (8,5), que em pH ácido (6,0). Tais estudos reforçam a
compatibilidade do efluente de UASB como meio de cultura para microalgas, com
relação ao parâmetro pH.
Além disso, o efluente de UASB apresenta boa disponibilidade de
nutrientes (nitrogênio e fósforo) para o desenvolvimento microalgal,
visto que o tratamento anaeróbio não os remove de forma satisfatória do esgoto
doméstico (CHERNICHARO, 2007). Por fim, o uso de efluentes para o cultivo de
microalgas pode ser considerado como uma alternativa de destinação mais
adequada destes resíduos do ponto de vista ambiental, visto que os mesmos, se
lançados em corpos hídricos, podem comprometer a qualidade da água, prejudicar
os ecossistemas e ocasionar problemas de saúde pública.
CONCLUSÃO
A microalga Scenedesmus acuminatus se desenvolve de forma equiparada nos três
meios, BBM, WC e efluente de UASB, conforme parâmetros cinéticos e
produtividade de biomassa.
O efluente de UASB possui potencial para ser utilizado como meio de
cultura da referida espécie microalgal, visando a
produção de biodiesel, o que promove a redução de custos dos cultivos, além da
destinação ambientalmente adequada do efluente, que servirá para a geração de
um produto com valor agregado.
AGRADECIMENTOS
Os autores agradecem ao CNPq pelo financiamento do
projeto, à Universidade Estadual da Paraíba pela estrutura para realização dos
experimentos e ao Laboratório de Tecnologia e Bioativos da Universidade Federal
Rural de Pernambuco pelo fornecimento da cepa de microalga utilizada neste
estudo.
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