UNIVERSIDADE FEDERAL DE SÃO CARLOS CENTRO DE CIÊNCIAS BIOLÓGICAS E DA SAÚDE PROGRAMA DE PÓS-GRADUAÇÃO EM ECOLOGIA E RECURSOS NATURAIS Mixotrophy in Chlorella sorokiniana – Physiology, Biotechnological Potential and Ecotoxicology ADRIANO EVANDIR MARCHELLO São Carlos – 2017 UNIVERSIDADE FEDERAL DE SÃO CARLOS CENTRO DE CIÊNCIAS BIOLÓGICAS E DA SAÚDE PROGRAMA DE PÓS-GRADUAÇÃO EM ECOLOGIA E RECURSOS NATURAIS ADRIANO EVANDIR MARCHELLO Mixotrophy in Chlorella sorokiniana – Physiology, Biotechnological Potential and Ecotoxicology Orientadora: Profa Dra Ana Teresa Lombardi Tese apresentada ao Programa de Pós- Graduação em Ecologia e Recursos Naturais (PPGERN) como parte dos requisitos para obtenção do título de Doutor em Ecologia e Recursos Naturais. São Carlos – 2017 Dedico este trabalho aos meus pais Adilson e Rosana, minha irmã Amanda e meus sobrinhos Maressa e Lucca. “Só Tu és o Senhor. Fizeste os céus, e os mais altos céus, e tudo o que neles há, a terra e tudo o que nela existe, os mares e tudo o que neles existe. Tu deste vida a todos os seres, e os exércitos dos céus te adoram.” Neemias 9:6 “O que sabemos é uma gota; o que ignoramos é um oceano.” Isaac Newton Agradecimentos Acima de tudo agradeço a DEUS por ter me dado a vida, criado a vida em todas as suas formas e me dado a oportunidade de estudar sua maior criação, a VIDA! Agradeço minha família (meu pai Adilson, minha mãe Rosana, minha irmã Amanda, e meus avós Laurinda in memoriam, Teresinha e João) por sempre ter me apoiado em todo esse percurso. Se cheguei onde estou, com certeza é graças ao incentivo e esforço de cada um deles. À Profa Dra Ana Teresa Lombardi por ter se arriscado e pegado uma verdadeira “batata-quente” nas mãos ao aceitar me orientar. Jamais terei como agradecer pela confiança depositada em mim. Muito obrigado por cada conselho, bronca, ombro para chorar, abraço em momentos tristes e tudo mais que fez por mim. À Profa Dra Jandira Liria Biscalquini Talamoni, Depto de Ciências Biológicas, UNESP, Bauru, por esses longos anos de amizade e confiança. Pelos conselhos e por ter me dado oportunidades maravilhosas de crescimento profissional. Agradecimento especial para as mestres Daniela M. Barreto e Graziela C. Montanhim, e ao Dr Alexsandro C. dos Santos (grande amigo) pela ajuda efetiva durante a execução dos experimentos e análises dessa tese. Também sou agradecido à Natália L. Oliveira e Prof Dr Adriano Polpo (Depto Estatística, UFSCar), por toda ajuda na análise estatística. Aos professores Dr Clovis Wesley Oliveira de Souza (Laboratório de Microbiologia, DMP, UFSCar) e Dra Maria da Graça Gama Melão (Laboratório de Plâncton, DHb, UFSCar) por ceder espaço físico, materiais e equipamentos para a realização de algumas análises em seus laboratórios. Aos colegas dos laboratórios de Biotecnologia de Algas (DB) e de Microbiologia (DMP), em especial a técnica Zélia Venézio, que de uma forma ou de outra, mesmo que só com uma conversa para distrair um pouco a mente, contribuíram para a finalização dessa tese. Aos professores que sempre me incentivaram e apoiaram desde o Ensino Médio até os dias de hoje: Profa Sandra Muller (ETEC de Garça), Profa Márcia Duran (E.E. Padre Antônio Jorge Lima, Bauru), Profa Dra Eliana Marques Zanata (Depto Educação, UNESP, Bauru) e Profa Dra Inês Cechin (Depto Ciências Biológicas, UNESP, Bauru). Agradeço a presença e as contribuições dos membros da banca de defesa e de qualificação: Profa Dra Suzelei Rodgher, Profa Dra Inessa L. Bagatini, Profa Dra Odete Rocha, Prof Dr Clovis W.O. Souza, Prof Dr Alexsandro C. Santos e Profa Dra Jandira L.B. Talamoni. Ao Programa de Pós-Graduação em Ecologia e Recursos Naturais (PPGERN), à Universidade Federal de São Carlos (UFSCar), ao Laboratório de Biotecnologia de Algas e às agências financiadoras da pesquisa: CAPES, CNPq (Proc. No. 302175/2015- 6) e FAPESP (Proc. No. 2014/15894-0). Enfim, à todos que torceram e me apoiaram sempre para que pudesse realizar o sonho de ser doutor em Ecologia e Recursos Naturais, meu MUITO OBRIGADO!!! SUMARY LIST OF FIGURES....................................................................................................................10 LIST OF TABLES......................................................................................................................14 ABBREVIATIONS, ACRONYMS AND SYMBOLS……………………………………….15 ABSTRACT................................................................................................................................18 RESUMO.....................................................................................................................................20 INTRODUCTION......................................................................................................................22 General Introduction……................................................................................................23 Mixotrophy……………………………………………………………………………..23 Biotechnological aspects of mixotrophy in microalgae………………………………..25 Ecological aspects of mixotrophy in microalgae……………………………………….28 Chlorella sorokiniana......................................................................................................30 References……………………………………………………………………………...33 OBJECTIVES.............................................................................................................................41 General Objective............................................................................................................42 Specific Objectives..........................................................................................................42 Hypothesis………………………………………………………...…………………....42 CHAPTER 1 – Comparative Study of Growth and Photosynthetic Responses of Chlorella sorokiniana (Chlorophyta) Under Photoautotrophic and Mixotrophic Conditions.....................45 Abstract............................................................................................................................45 Introduction.....................................................................................................................45 Material and Methods…………………………………………………………………..49 Results………………………………………………………………………………….52 Discussion………………………………………………………………………………58 7 Conclusions…………………………………………………………………………….62 Acknowledgment……………………………………………………………………….63 References.......................................................................................................................63 CHAPTER 2 – An Investigation onto the Effects of Glucose on the Biochemical Composition of the Freshwater Microalga Chlorella sorokiniana………….….................................................70 Abstract............................................................................................................................71 Introduction.....................................................................................................................71 Material and Methods…………………………………………………………………..75 Results………………………………………………………………………………….77 Discussion………………………………………………………………………………84 Conclusions…………………………………………………………………………….88 Acknowledgment……………………………………………………………………….88 References.......................................................................................................................89 CHAPTER 3 – An Investigation onto Cd Toxicity to Chlorella sorokiniana in Mixotrophy and Photoautotrophy: a Bayesian approach…………………….……………………………...........96 Abstract............................................................................................................................97 Introduction.....................................................................................................................98 Material and Methods…………………………………………………………….…...100 Results…...……………………………………………………………………………102 Discussion…………………………………………………………………………….111 Conclusions…………………………………………………………………………...114 Acknowledgment…………………………………………………………………...…115 References.....................................................................................................................115 CHAPTER 4 – Effects of TiO2 Nanoparticles in Different Metabolic Pathways in the Freshwater Microalga Chlorella sorokiniana……………………………………………........123 8 Abstract..........................................................................................................................124 Introduction...................................................................................................................125 Material and Methods…………………………………………………………………127 Results………………………………………………………………………………...129 Discussion…………………………………………………………………………….136 Conclusions………………………………………………………………………...…140 Acknowledgment…………………………………………………………………...…141 References.....................................................................................................................141 FINAL CONSIDERATIONS..................................................................................................148 Final Considerations…..................................................................................................149 9 LIST OF FIGURES INTRODUCTION Figure 1 – Current phylogenetic tree of life based on small-subunit (SSU) rRNA sequences of the organisms (Woose et al., 1990)……………................................................................................................23 Figure 2 – Some potential applications of microalgae both in Biotechnology and in Ecology segments of interest……………………………………………………………………………………………………..25 Figure 3 – Mixotrophy scheme inside the algal cell showing