O termo microalgas não possui valor taxonômico, são organismos com tamanho variado, entre 5 - 50 µm, que possuem clorofila a e outros pigmentos fotossintéticos, envolve seres unicelulares e multicelulares, planctônicos e bentônicos. Podem ser procariontes ou eucariontes. As células procariotas não possuem organelas delimitadas por membrana (plastídios, mitocôndria, núcleo, complexo de Golgi, flagelo), sendo representadas pelas cianobactérias. Já as células eucariotas apresentam organelas envoltas por membrana, compreendendo o restante das microalgas (LEE, 2008; LOURENÇO, 2006).
A fonte de luz das microalgas pode ser natural (luz solar) ou artificial. A luz artificial apresenta vantagens, como a regulação de um determinado comprimento de onda, e não afeta o desempenho das algas por excesso de luz. Entretanto, a luz solar é um recurso gratuito enquanto que a luz artificial gera um gasto com energia, porém esse empecilho pode ser contornado se forem utilizadas fontes de luz com baixo consumo energético, como os LEDs.
As microalgas são de hábitos planctônicos em sua maioria, porém também há espécies bentônicas e de zonas úmidas. Devido à fotossíntese, apresentam a função principal de produtores primários da cadeia alimentar em vários ecossistemas. Seu cultivo é praticado há mais de um século, mas o entendimento de seu potencial biotecnológico e suas aplicações estão sendo desenvolvidas nas
22 últimas décadas. Dentre as suas aplicações pode-se citar: fixação de carbono, produção de biocombustíveis, alimentação animal, e tratamento de águas residuais.
Muitas são as características utilizadas para a classificação das algas, como a natureza das clorofilas presentes, polímeros de reserva de carbono, a estrutura da parede celular e o tipo de mobilidade, quando existente (MADIGAN, 2004). A partir das estruturas celulares, as algas são distribuídas nas seguintes divisões (BICUDO e MENEZES, 2006): Cyanophyta, Rhodophyta, Chrysophyta, Phaeophyta, Cryptophyta, Pyrrophyta, Euglenopyhta, eChlorophyta.
O crescimento de microalgas pode ser realizado por processo autotrófico, heterotrófico, mixotrófico e fotoheterotrófico. Em cultura fotoautotrófica, as microalgas utilizam luz como fonte de energia e carbono inorgânico (CO2, por exemplo) como fonte de carbono para formar energia química através da fotossíntese. Diferente deste, o cultivo heterotrófico é realizado quando a espécie de microalga utiliza carbono orgânico como fonte de energia e de carbono. O mixotrófico ocorre quando a microalga, sob fotossíntese, utiliza como fonte de carbono para o seu crescimento compostos orgânicos e CO2. Já o cultivo fotoheterotrófico ocorre quando a microalga requer luz quando utiliza compostos orgânicos como fonte de carbono, sendo este cultivo diferente do mixotrófico pelo fato de que naquele a luz é requerida como fonte de energia e neste são utilizados compostos orgânicos para este propósito (BRENNAN e OWENDE 2010; CHEN et al., 2011). Os nutrientes e o CO2 absorvidos pelas microalgas são utilizados para o seu crescimento, e a composição química desses microrganismos é basicamente nitrogênio, lipídios e ácidos graxos. Sabe-se, que a porcentagem de cada componente varia de acordo com a espécie e as condições ambientais onde são cultivadas e o meio de cultivo (MIAU, 2006).
O crescimento das microalgas é afetado pela disponibilidade de nutrientes no meio de cultivo e de luz, como dito anteriormente, mas além desses fatores a temperatura e o valor de pH influenciam. De acordo com Lourenço (2006) a faixa ideal de temperatura em países de clima tropical é em torno de 20 a 30 ºC, e o valor de pH deve permanecer próximo à neutralidade, porém o consumo de CO2 pelas microalgas torna a concentração dos íons bicarbonato e carbonato baixas, e como consequência há um aumento do pH, alterando o equilíbrio do meio para básico.
O aumento de pH pode ser benéfico por favorecer a inativação de patógenos em tratamentos biológicos de esgoto, porém pode inibir o crescimento das microalgas. Uma forma para controlar
23 o pH é com a injeção de CO2 (KUMAR et al., 2010). Park e Craggs (2011) estudaram a influência da adição de CO2 em lagoas de alta taxa (LAT), e concluíram que a biomassa algal tem maior taxa de crescimento em LATs com o acréscimo desse gás.
O sucesso no crescimento de microalgas pode ser alcançado com uma quantidade suficiente de CO2, e um meio de cultivo que contenha os macronutrientes (nitrogênio e fósforo). Entretanto, pode ocorrer redução no crescimento da biomassa algal mesmo com estas condições no seu ponto ótimo, um dos fatores que podem reduzir o crescimento é a luz em excesso. Quando há um estresse nas microalgas devido ao excesso de luz, ocorre um fenômeno conhecido como fotoinibição (CHEN et al., 2011).
O excesso de luz pode inibir a fotossíntese através de dois processos: fotoinibição dinâmica e fotoinibição crônica. A fotoinibição envolve danos aos centros de reação, especialmente no fotossistema II (FSII), quando eles são superexcitados. No fotossistema II, ocorre perda da proteína (Dl) envolvida na transferência de elétrons entre P680 (Centro de reação do FSII) e PQ (Plastoquinona); esta proteína pode ser recuperada posteriormente (processo reversível) (TAIZ e ZIEGER, 2009).
A fotoinibição crônica é um processo irreversível e envolve diretamente os pigmentos receptores de luz, os quais, ao absorverem muita luz, ficam muito tempo excitados e interagem com o O2 produzindo radicais livres, como superóxido (O2-), podendo destruir os pigmentos. Há algumas defesas bioquímicas utilizadas pelos organismos, como a enzima superóxido dismutase e o ascorbato peroxidade que destroem os radicais livres. No entanto estas defesas são insuficientes se a exposição a alta luminosidade é prolongada (TAIZ e ZIEGER, 2009).
As microalgas são capazes de sintetizar seus componentes orgânicos a partir de nutrientes inorgânicos obtidos do ambiente. Esse processo é conhecido como assimilação de nutrientes, como nitrogênio e fosforo, que envolve uma série de reações bioquímicas complexas (TAIZ e ZEIGER, 2009).
A assimilação do nitrogênio se inicia a partir do transporte do mesmo, que se apresenta de diferentes formas, através da membrana plasmática, do meio externo para o meio da célula. Os organismos assimilam principalmente as formas de nitrato e íon amônio, sendo a amônia o último produto inorgânico nesse processo (LAVIN e LOURENÇO, 2005; ASSUNÇÃO, 2009).
24 O nitrato necessita ser reduzido à amônia para que esta seja incorporada em aminoácidos. Assim, a energia gasta para a assimilação do nitrogênio amoniacal é menor do que para a assimilação do nitrato, explicando a preferência das microalgas pelo primeiro (ASSUNÇÃO, 2009). A amônia é incorporada em compostos orgânicos por duas principais vias metabólicas: glutamina sintetase e glutamato sintase (LAVIN e LOURENÇO, 2005). Inicialmente, o glutamato e o NH4+ reagem para formar glutamina pela ação da glutamina sintetase. É a principal via de conversão da amônia livre em glutamina que, não sendo tóxica, pode ser transportada. Já o glutamato é produzido pela ação da glutamato sintase, que catalisa a aminação redutiva do α-cetoglutarato usando glutamina como doadora de nitrogênio (NELSON e COX, 2006).
As microalgas contêm aproximadamente cerca de 1% em peso seco de fósforo, mas em condições onde este se encontra em excesso na água, elas são capazes de armazenar fósforo “extra” na forma de polifosfato para o uso como recurso interno, referido como absorção de luxo. É um recurso importante, pois este armazenamento permite o crescimento das microalgas mesmo quando a fonte de fósforo está esgotada (POWELL, 2009; BROWN, 2014; ESTEVES, 1998).
O fósforo extra armazenado pelas microalgas é estocado sob a forma de polifosfato, e utilizado quando a concentração de fósforo externa é limitante ou está se tornando escassa. Os polifostafos são divididos em dois tipos: polifosfato ácido solúvel e polifosfato ácido insolúvel. O polifosfato ácido solúvel apresenta cadeias mais curtas e são as moléculas envolvidas no metabolismo das microalgas, enquanto que o polifosfato ácido insolúvel são de cadeias mais longas e são utilizados para o armazenamento de fósforo. As demais formas de fósforo nas microalgas estão sob a forma dos fosfolipídios, e o fósforo presente nas moléculas de DNA e RNA (POWELL, 2009).