Effetto di stress abiotici sulla produzione di carotenoidi secondari in una coltivazione a due step di Chromochloris zofingiensis in mixotrofia

Microalgae are a heterogeneous group of organisms capable of growing rapidly in different habitats and exploiting different metabolisms. Microalgae produce a wide range of bioproducts applied in several fields, such as nutraceuticals, cosmetics, fertilizers, food, and feed. However, the low biomass productivity under photoautotrophic conditions has resulted in high production costs, limiting the biotechnological application of these microorganisms. Cultivation under mixotrophic conditions implies the addition of an organic carbon source (OCS) and the presence of light. This cultivation strategy represents a valid alternative to enhance biomass productivity from microalgae. The drawback is the risk of bacterial contamination due to OCS, which limits the food-grade application. In recent years, there has been growing interest in the production of the red secondary carotenoid astaxanthin (ASX) from microalgae like Chromochloris zofingiensis. This green microalga has become a valid alternative to the most used Hematococcus pluvialis to produce ASX due to its robustness and high biomass productivity. The aim of this study is to optimize a two-stage cultivation strategy to produce astaxanthin in a short timeframe and at a high initial biomass concentration using C. zofingiensis. Environmental stressors are usually applied to induce the accumulation of added-value metabolites such as ASX in two-stage cultivation. This master thesis focuses on the effect of nitrogen starvation and the presence of sodium chloride on the productivity of biomass and pigments from C. zofingiensis CCAP 211/14 under mixotrophic cultivation. The cultivation was performed in two stages. Initially, the culture was maintained in a photoautotrophic condition in a controlled bioreactor in a semi-continuous regime. During the second step, the biomass was concentrated, and the two stressors were applied individually and in combination under mixotrophic conditions. Glucose has been used as OCS. Analyses related to growth performance, pigment extraction and quantification, and photosynthetic efficiency have been performed under different conditions.

Le microalghe sono un gruppo eterogeneo di organismi in grado di crescere rapidamente in diversi habitat e di sfruttare diversi metabolismi. Le microalghe producono un'ampia gamma di bioprodotti che trovano applicazione in diversi settori, come la nutraceutica, la cosmesi, i fertilizzanti, gli alimenti e i mangimi. Tuttavia, la bassa produttività della biomassa in condizioni fotoautotrofe comporta costi di produzione elevati, limitando l'applicazione biotecnologica di questi microrganismi. La coltivazione in condizioni mixotrofiche implica l'aggiunta di una fonte di carbonio organico (OCS) e la presenza di luce. Questa strategia di coltivazione rappresenta una valida alternativa per aumentare la produttività della biomassa delle microalghe. Lo svantaggio è il rischio di contaminazione batterica dovuto all'OCS, che limita l'applicazione a livello alimentare. Negli ultimi anni è cresciuto l'interesse per la produzione del carotenoide secondario rosso astaxantina (ASX) da microalghe come Chromochloris zofingiensis. Grazie alla sua robustezza e all'elevata produttività della biomassa, questa microalga verde è diventata una valida alternativa al più utilizzato Hematococcus pluvialis per produrre ASX. Lo scopo di questo studio è ottimizzare una strategia di coltivazione in due fasi per produrre astaxantina in tempi brevi e con un'elevata concentrazione di biomassa iniziale utilizzando C. zofingiensis. Per indurre l'accumulo di metaboliti a valore aggiunto, come l'ASX, nella coltivazione a due stadi vengono solitamente applicati fattori di stress ambientale. Questa tesi di laurea magistrale si concentra sull'effetto dell'inedia di azoto e della presenza di cloruro di sodio sulla produttività della biomassa e dei pigmenti di C. zofingiensis CCAP 211/14 in coltura mixotrofica, utilizzando il glucosio come fonte di carbonio organico. La coltivazione è stata eseguita in due fasi. Inizialmente, la coltura è stata mantenuta in condizioni di fotoautotrofia in un bioreattore controllato in regime semi-continuo. Nella seconda fase, la biomassa è stata concentrata e i due fattori di stress sono stati applicati singolarmente e in combinazione in condizioni mixotrofiche. Le analisi relative alle prestazioni di crescita, all'estrazione e alla quantificazione dei pigmenti e all'efficienza fotosintetica sono state eseguite in diverse condizioni.