Biotechnological potential of cultivated photosynthetic organisms: growth characteristics and antimicrobial activity

Abstract

Recently, there is a growing interest in algal crops, but until now, economic benefits of these crops are compromised due to high production costs. It is necessary to increase the economic value of the biomass to improve its profitability. A way to make it possible is the extraction of compounds with bioactivity. This research evaluates the biotechnological potential for 4 species, (Synechococcus sp. REC 0057, Gloeocapsopsis crepidium BEA 0346B, Euglena cantabrica BEA 0937B and Caespitella pascheri BEA 0149B) at a laboratory scale. Taxonomy, molecular genetics and phylogenetic analysis of each strain were done before culture experiments. Parameters like growth rate and productivity under exponential growth were determined and compared. During culture periods, the photosynthetic efficiency of crops was monitored by chlorophyll fluorescence by PAM fluorometry. Biomass was harvested and freeze dried once that cultures achieved their stationary phase. Then a three steps extraction method was carried out on 2 g DW (dry weight) samples, to obtain three different extracts (aqueous, methanolic, n-hexane) for the determination of antibacterial activity using the disk diffusion method versus 5 bacterial strains, Bacillus sp., Listonella sp., Photobacterium sp., Streptococcus sp. and E.coli. The highest growth rate was observed in G. crepidium with a value of μ =0.502 day-1, followed by C. pascheri, E. cantabrica and Synechococcus sp. (0.365, 0.260 and 0.132 day-1) respectively. The most productive was G. crepidium 196.2 μg DW mL-1 day-1, and the lowest productivity was for Synechococcus sp. with 52.1 μg mL-1 day-1. There were not significant differences in chlorophyll photosynthetic efficiency during growing cultures. We could observe antibacterial activity in methanolic extracts of C.pascheri and E.cantabrica versus Listonella sp., Photobacterium sp. and Bacillus sp. Only the aqueous extract of Synechococcus sp. presented antibacterial activity versus Bacillus sp., and the same activity could be observed in methanolic fraction of G. crepidium versus Streptococcus sp. and in n-hexane fraction versus Bacillus sp. These results show that the algal strains studied have a potential for biotechnological applications and their cultures might be potentially profitable.

Existe un interés creciente en el cultivo de algas, pero hasta el momento, la rentabilidad de estos cultivos se ve comprometida debido a sus altos costes. Es necesario aumentar el valor económico de la biomasa producida para que pase a ser una actividad rentable. Una de las aproximaciones es la extracción de compuestos que presenten bioactividad. El objetivo del presente trabajo es evaluar el potencial biotecnológico de 4 especies: Synechococcus sp. (REC 0057) Gloeocapsopsis crepidium (BEA 0346B), Euglena cantabrica (BEA 0937B) y Caespitella pascheri (BEA 0149B) a escala de laboratorio. Para ello, se identificaron por taxonomía, genética molecular y análisis filogenético cada una de cepas. Analizando las curvas de crecimiento (modelo logístico) se evaluaron y compararon parámetros, como la tasa de crecimiento y la producción durante la fase exponencial. Conjuntamente se monitoreó la eficiencia fotosintética de los cultivos mediante análisis de la fluorescencia de la clorofila por PAM. Una vez que los cultivos alcanzaron la fase estacionaria, la biomasa fue liofilizada y utilizada para la preparación de extractos orgánicos y acuosos a partir de 2g de peso seco, obteniendo 3 fracciones (acuosa, metanólica y n-hexano), cuya actividad antibacteriana fue evaluada empleando el método de difusión en disco frente a 5 cepas bacterianas: Bacillus sp., Listonella sp., Photobacterium sp., Streptococcus y E.Coli. La mayor tasa de crecimiento se observó en G. crepidium con una μ =0.502 dia-1, seguida por C. pascheri, E. cantabrica y Synechococcus sp. (0.365, 0.260 y 0.132 dia-1, respectivamente). En cuanto a la producción, los resultados más relevantes se obtuvieron con G. crepidium 196.2 μg PS mL-1 dia-1 y los menores con Synechococcus sp. Con 52.1 μg PSmL-1 dia-1. No se observaron diferencias significativas en los datos para la eficiencia fotosintética de la clorofila de ninguna de las especies a lo largo del cultivo. Se observó actividad antibacteriana en el extracto metanólico de C. pascheri y E. cantabrica frente a Listonella sp., Photobacterium sp. y Bacillus sp. De los extractos de Synechococcus sp., solo se observe actividad la fracción acuosa frente a Bacillus sp., mientras que para G.crepidium el extracto metanólico presentó actividad contra Streptococcus sp. y el extracto n-hexano contra Bacillus sp. A la vista de los resultados se concluye que las cepas ensayadas tienen posibles aplicaciones biotecnológicas y el desarrollo de sus cultivos podría ser potencialmente viable.