Applicazioni biotecnologiche degli eucarioti acidofili
La coltivazione e lo sfruttamento di microrganismi estremofili ha attirato l’interesse per la loro capacità di accumulare composti di alto valore, compresi vari metaboliti, enzimi e tensioattivi. Recenti studi genetici sulle alghe acidofile possono portare a nuove applicazioni biotecnologiche. Durante l’ultimo decennio, diversi approcci biotecnologici che utilizzano microalghe acidofile sono stati riportati con l’industria alimentare (produzione di carotenoidi, bioaccumulo di lipidi) e il biorisanamento di ambienti contaminati da metalli come le principali aree di interesse.
Microalghe acidofile come approvvigionamento alimentare: L’uso di microalghe come fonte di cibo per gli esseri umani e gli animali è in aumento dai primi anni ’50. Le microalghe possono rappresentare una fonte preziosa sia di vitamine che di acidi grassi e, a causa dell’alto contenuto proteico di alcune specie, potrebbero anche avere un potenziale per la produzione di stock alimentari sia per l’uomo che per gli animali. Anche se le microalghe sono di solito organismi fotosintetici, alcune specie sono in grado di crescere in condizioni eterotrofe. Questa possibilità apre un promettente campo di ricerca, attraverso l’uso di fermentatori economici invece di costosi fotobioreattori, permettendo alte densità di cellule microalgali e quindi alti rendimenti. A questo proposito, le specie di Galdieria sono di particolare interesse in quanto crescono tra pH 1,5 e 2,0, evitando così la contaminazione con batteri patogeni, che è uno dei problemi chiave delle colture di microalghe su larga scala. Le colture eterotrofe di Galdieria sulphuraria contengono alti livelli di ficocianina, un pigmento usato come colorante negli alimenti e nei cosmetici e come marcatore fluorescente nella diagnostica medica. Inoltre, le specie di Galdieria hanno anche un potenziale significativo come fonte di proteine e altri macronutrienti grazie all’alto contenuto proteico delle loro pareti cellulari. Le difficoltà nell’introduzione di ingredienti a base di microalghe in molti alimenti sono dovute al forte colore verde e alla suscettibilità delle società lipidiche all’ossidazione, ma le caratteristiche peculiari di G. sulphuraria hanno il potenziale per superare questi ostacoli. L’analisi nutrizionale di 43 ceppi di Galdieria ha mostrato che erano ricchi di proteine (26%-32%) e polisaccaridi (63%-69%) ma contenevano quantità relativamente piccole di lipidi. In condizioni di coltivazione eterotrofa, la parte lipidica conteneva principalmente acidi grassi monoinsaturi, suggerendo che la biomassa di G. sulphuraria ha un potenziale uso come ingrediente alimentare sia per applicazioni ricche di proteine che di fibre alimentari insolubili.
Sono stati riportati alcuni problemi relativi all’uso della biomassa micro-algale come fonte diretta di cibo per gli animali, compreso il loro alto contenuto di acidi nucleici e la possibile contaminazione, ed è stata sollevata la preoccupazione per la potenziale tossicità e gli effetti a lungo termine sulla salute umana. A causa di questo, l’uso futuro della biomassa di microalghe nell’industria alimentare sarà probabilmente principalmente come fonte di nutraceutici per gli alimenti funzionali piuttosto che l’uso diretto di tale biomassa. Tuttavia, gli studi condotti con la microalga acidofila Coccomyxa onubensis come integrazione alimentare nei ratti da laboratorio non hanno mostrato effetti negativi sulla salute dei ratti. Inoltre, le diete integrate con C. onubensis hanno mostrato un potente effetto ipocolesterolemico e ipotrigliceridemico negli animali da esperimento. Questi risultati supportano l’idea che le specie acidofile potrebbero essere sistemi modello migliori per studiare il potenziale uso delle microalghe nell’alimentazione animale.
Microalghe acidofile come fonte di composti industrialmente interessanti; carotenoidi e lipidi antiossidanti: Le condizioni ossidative estreme degli ambienti acidi suggeriscono che i microrganismi acidofili dovrebbero esprimere meccanismi antiossidanti per difendersi dallo stress ossidativo. Per questo motivo, è stato analizzato il valore biotecnologico di diverse specie di microalghe acidofile. Chlamydomonas acidophila accumula alte concentrazioni di luteina, un noto antiossidante noto anche per essere accumulato da altre microalghe; questo composto ha recentemente attirato interesse per l’uso nel trattamento di patologie ossidative come la degenerazione maculare. La crescita mixotrofica di C. acidophila, in termini di produzione di carotenoidi, ha portato a una produttività di carotenoidi (soprattutto luteina) ancora più elevata di quella ottenuta con le colture foto-autotrofe. Le concentrazioni di luteina accumulate da C. acidophila in queste condizioni (circa 10 g/kg di peso secco) sono tra le più alte riportate per una microalga. Risultati simili sono stati ottenuti con la Coccomyxa onubensis (circa 6 g di luteina/kg di peso secco).
Negli ultimi anni è stato preso in considerazione anche l’uso delle microalghe come fonte neutra di carbonio per il biocarburante. Le attuali metodologie di biocarburante da microalghe di solito dipendono dalla coltivazione di ceppi di microalghe da laboratorio ad alta produzione di lipidi in fotobioreattori aperti o chiusi. Sfortunatamente, queste specie di microalghe sono di solito molto sensibili alla concorrenza dei ceppi indigeni o agli stress ambientali. La contaminazione da parte di specie invasive può diminuire la produttività dei processi commerciali, aumentando il prezzo della produzione. L’uso di alghe acidofile ad alto contenuto di lipidi che prosperano in condizioni di coltura restrittive che riducono il rischio di contaminazione potrebbe aiutare a risolvere i problemi di contaminazione. Colture di microalghe acidofile Scenedesmus spp. e una Pseudochlorella sp, hanno dimostrato di accumulare un’elevata quantità di lipidi di stoccaggio (30% del peso secco) coltivandole in stagni aperti contenenti acido solforico (generati dalle acque di drenaggio delle miniere), sorgenti calde acide o rifiuti industriali, dimostrando il loro potenziale utilizzo nell’industria dei biocarburanti di prossima generazione.
Anche se la conoscenza attuale dei meccanismi di accumulo dell’olio nelle microalghe è relativamente scarsa, studi recenti hanno fornito informazioni su come aumentare l’olio cellulare mediante manipolazione genetica in alghe modello trattabili come Chlamydomonas reinhardtii, e anche procedure di trasformazione in diverse altre specie algali. Questi sviluppi e un ulteriore screening di ceppi algali provenienti da ambienti acidi potrebbero migliorare la produttività dell’olio e la biomassa negli stagni aperti acidi in futuro.
Eucarioti acidofili e biorisanamento: Tipicamente, l’alto consumo di acqua nelle operazioni minerarie si traduce in grandi quantità di acque reflue contaminate da metalli pesanti, sali e vari altri composti inorganici. Le tecniche tradizionali di trattamento delle acque come l’osmosi inversa e la filtrazione a membrana sono ad alta intensità energetica e costose, e l’uso di microrganismi per rimuovere i metalli pesanti e altri materiali inorganici potenzialmente dannosi nelle acque reflue è un’alternativa promettente. Le sostanze polimeriche extracellulari (EPS) hanno attirato l’attenzione a causa del loro potenziale biotecnologico nella rimozione dei contaminanti, specialmente i metalli pesanti. I microrganismi acidofili potrebbero giocare un ruolo importante in questo settore, poiché la loro produzione di EPS è di diversi ordini di grandezza superiore a quella delle specie neutrofile. Il potenziale per la bonifica dei metalli pesanti crescendo biofilm di microalghe acidofile endemiche è stato illustrato con acqua arricchita di fosforo da una raffineria di nichel. Indigeni Chlorella-come microalghe e biofilm hanno dimostrato di rimuovere fino al 25% dal totale dei metalli presenti. Inoltre, l’uso di Galdieria sulphuraria per il recupero dei metalli, e in particolare dei metalli delle terre rare, è stato anche esplorato. G. sulphuraria è stata in grado di recuperare ioni lantanoidi presenti a soli 0,5 mg/L con più del 90% e, a pH tra 1,0 e 1,5, i lantanoidi sono stati sequestrati in modo molto più efficiente nella biomassa cellulare.