Phycobiliprotein production with cyanobacteria-rich cultures and microbiomes

Abstract

(English) Phycobiliproteins are pigments found in cyanobacteria, which are exploited in the food, cosmetic, and pharmaceutical industries. However, the large-scale production of these bio-based products has high production costs. To address this issue, various strategies have been explored, nutrient recovery from wastewaters being among the most studied. However, due to the potential presence of contaminants in waste streams, the market application and social acceptance of these products would be limited. Recently, the use of photosynthetic microbiomes for valuable compounds production, has shown promising stability and productivity in comparison with monocultures. Hence, the first objective was to couple phycobiliprotein production with tertiary wastewater treatment using cyanobacteria monocultures. The second one, was to optimize and scale-up of phycobiliprotein production by cyanobacteria-rich consortia. The last objective, was to provide an example for the application of these pigments: the formulation of biomaterials. Firstly, the assessment of the pigment production potential of two wastewater-borne cyanobacteria genera (namely Synechocystis sp. and Synechococcus sp.) was approached in synthetic medium. Next, their ability to grow on and remove nutrients upon tertiary wastewater treatment, and their pigment production capacity was evaluated in semi-continuous photobioreactors. The presence of contaminants of emerging concern (CEC) was analyzed, in view of the potential application of the pigments recovered. Finally, the pigment-extracted biomass was used for the production of biogas within a biorefinery concept. This study demonstrated that both Synechococcus sp. and Synechocystis sp. removed the nutrients from secondary effluent, achieving nutrient removal efficiencies of up to 83% for N-NH₄+ and 97% for P-PO₄³-, along with stable biomass concentrations around 500 mg VSS L⁻¹. Regarding phycobiliprotein recovery, Synechococcus sp. exhibited a notably high pigment production potential, reaching up to 214 mg total phycobiliproteins gDW⁻¹ in secondary effluent. In contrast, Synechocystis sp. maintained steady pigment concentrations around 70 mg total phycobiliproteins gDW⁻¹ throughout the whole cultivation period. Moreover, out of 22 contaminants detected in the secondary effluent, only 3 were present in the phycobiliprotein extracts. Finally, the anaerobic digestion of phycobiliprotein-extracted biomass produced 222 NL CH₄ kg VS⁻¹. Afterwards, the optimization of pigment production in 6 cyanobacteria-rich microbiomes was developed, through their irradiation with different light qualities (white, green, blue and red) during 4 and 6 days. Next, the process was scaled-up under the optimal conditions, the pigments content quantified, and the antioxidant bioactivity of harvested biomass analyzed. At the same time, a preliminary model to predict the phycobiliprotein content from hyperspectral data was developed. According to the results, green light irradiation significantly increased the phycobiliprotein content in all the tested microbiomes, and a 4-day exposure period was the optimum in 5 of the microbiomes. The highest total phycobiliprotein content reached was 145.5 mg gDW⁻¹. When the process was scaled-up, the phycobiliprotein production was maintained over a period of 69 days, and promising antioxidant activities and phenolic contents were detected in harvested biomass. The model generated from hyperspectral images showed a good training performance for phycocyanin and allophycocyanin estimation, but future work should focus on producing a large pool of hyperspectral images to validate it. Finally, the addition of phycobiliprotein-rich extracts into biomaterials, evidenced how people out of academia were eager to learn about cyanobacteria and their potential applications in everyday processes. Social acceptance is vital for shaping a future based on pigments.

(Català) Les ficobiliproteïnes són pigments produïts per els cianobacteris, i són aplicades en les indústries alimentària, cosmètica i farmacèutica. No obstant això, la seva producció a gran escala està associada a costos elevats. Per abordar aquest problema, s’han explorat diverses estratègies, entre les quals destaca la recuperació de nutrients residuals. Tanmateix, l’aplicació i l’acceptació social d’aquests productes poden veure’s limitades. Recentment, l’ús de microbiomes fotosintètics per a la producció de compostos d’interès comercial ha demostrat estabilitats i productivitats prometedores en comparació amb l’ús de monocultius. Per tant, el primer objectiu va ser acoblar la producció de ficobiliproteïnes amb el tractament terciari d’aigües residuals. El segon va ser optimitzar la producció de ficobiliproteïnes mitjançant l'ús de consorcis rics en cianobacteris. L’últim va ser proporcionar un exemple d’aplicació d’aquests pigments: la formulació de biomaterials. Primer, es va avaluar el potencial de producció de pigments de dos gèneres de cianobacteris (Synechocystis sp. i Synechococcus sp.) en medi sintètic. Posteriorment, es va analitzar el seu creixement i eliminació de nutrients en aigües residuals, així com la seva producció de pigments en fotobiorreactors operats en semicontinu. De cara a l’aplicació dels pigments recuperats, es va analitzar la presència de contaminants emergents (CECs) durant el procés. Finalment, la biomassa extreta després de l’obtenció de pigments es va utilitzar per a la producció de biogàs. Aquest estudi va demostrar que tant Synechococcus sp. com Synechocystis sp. eliminaven nutrients de l’efluent secundari, assolint eficiències d’eliminació de fins al 83% de N-NH₄⁺ i el 97% de P-PO₄³⁻, amb concentracions de biomassa al voltant de 500 mg VSS L⁻¹. Pel que fa a la recuperació de ficobiliproteïnes, Synechococcus sp. va mostrar un potencial de producció notablement alt, arribant fins a 214 mg ficobiliproteïnes totals gDW⁻¹ en efluent secundari. En contrast, Synechocystis sp. va mantenir concentracions constants de pigments al voltant de 70 mg ficobiliproteïnes totals gDW⁻¹ durant tot el període de cultiu. A més, dels 22 contaminants detectats a l’efluent secundari, només 3 van romandre en els extractes de ficobiliproteïnes. Finalment, la digestió anaeròbica de la biomassa extreta es va associar a una producció de biogàs de 222 NL CH₄ kg VS⁻¹. Posteriorment, es va desenvolupar l’optimització de la producció de pigments en 6 microbiomes rics en cianobacteris mitjançant la seva irradiació amb diferents qualitats de llum (blanca, verda, blava i vermella) durant 4 o 6 dies d’exposició. A continuació, es va escalar el procés en condicions òptimes, es va quantificar el contingut de pigments i es va analitzar la activitat antioxidant de la biomassa produïda. Alhora, es va desenvolupar un model preliminar per predir el contingut de ficobiliproteïnes a partir de dades hiperespectrals. Els resultats van mostrar que la irradiació amb llum verda augmentava significativament el contingut de ficobiliproteïnes en tots els microbiomes analitzats, i que un període d’exposició de 4 dies era òptim en 5 dels 6 microbiomes estudiats. El contingut total més alt de ficobiliproteïnes assolit va ser de 145.5 mg gDW⁻¹. Quan es va escalar el procés, la producció de ficobiliproteïnes es va mantenir durant un període de 69 dies, i es van detectar activitats antioxidants prometedores i continguts fenòlics en la biomassa recollida. El model generat a partir d’imatges hiperespectrals va mostrar un bon rendiment per a l’estimació de ficocianina i aloficocianina, però cal generar un conjunt més gran d’imatges hiperespectrals per validar-lo. Finalment, l’addició d’extractes rics en ficobiliproteïnes en biomaterials va evidenciar com persones fora de l’àmbit acadèmic mostraven interès a aprendre sobre els cianobacteris les seues aplicacions en processos quotidians. L’acceptació social és vital per modelar un futur basat en pigments.

(Español) Las ficobiliproteínas son pigmentos producidos por las cianobacterias, y son aplicadas en las industrias alimentaria, cosmética y farmacéutica. Sin embargo, su producción a gran escala está asociada a altos costes. Para abordar este problema, se han explorado diversas estrategias, entre las cuales destaca la recuperación de nutrientes residuales. No obstante, la aplicación y la aceptación social de estos productos pueden verse limitadas. Recientemente, el uso de microbiomas fotosintéticos para la producción de compuestos de interés comercial, ha demostrado una estabilidad y productividad prometedoras en comparación con el uso de monocultivos de cianobacterias. Por lo tanto, el primer objetivo fue acoplar la producción de ficobiliproteínas con el tratamiento terciario de aguas residuales. El segundo fue optimizar la producción de ficobiliproteínas mediante el uso de consorcios ricos en cianobacterias. El último fue proporcionar un ejemplo de aplicación de estos pigmentos: la formulación de biomateriales. Primero, se evaluó el potencial de producción de pigmentos de dos géneros de cianobacterias (Synechocystis sp. y Synechococcus sp.) en medio sintético. Posteriormente, se analizó su crecimiento y eliminación de nutrientes en aguas residuales, así como su producción de pigmentos en fotobiorreactores operados en semicontinuo. En vistas a la aplicación de los pigmentos recuperados, se analizó la presencia de contaminantes emergentes (CECs) en el proceso. Finalmente, la biomasa extraída tras la obtención de pigmentos se utilizó para la producción de biogás. Este estudio demostró que tanto Synechococcus sp. como Synechocystis sp. eliminaron nutrientes del efluente secundario, logrando eficiencias de eliminación de hasta el 83% de N-NH₄⁺ y el 97% de P-PO₄³⁻, con concentraciones de biomasa estables alrededor de 500 mg VSS L⁻¹. En cuanto a la recuperación de ficobiliproteínas, Synechococcus sp. mostró un potencial de producción notablemente alto, alcanzando hasta 214 mg ficobiliproteínas totales gDW⁻¹ en efluente secundario. En contraste, Synechocystis sp. mantuvo concentraciones constantes de pigmentos alrededor de 70 mg ficobiliproteínas totales gDW⁻¹ durante todo el período de cultivo. Además, de los 22 contaminantes detectados en el efluente secundario, solamente 3 permanecieron en los extractos de ficobiliproteínas. Finalmente, la digestión anaerobia de la biomasa extraída produjo 222 NL CH₄ kg VS⁻¹. Posteriormente, se desarrolló la optimización de la producción de pigmentos en 6 microbiomas ricos en cianobacterias mediante su irradiación con diferentes calidades de luz (blanca, verde, azul y roja), durante 4 o 6 días. A continuación, se escaló el proceso bajo las condiciones óptimas, se cuantificó el contenido de pigmentos y se analizó la bioactividad antioxidante de la biomasa. Además, se desarrolló un modelo preliminar para predecir el contenido de ficobiliproteínas a partir de datos hiperespectrales. Los resultados mostraron que la irradiación con luz verde aumentó significativamente el contenido de ficobiliproteínas en todos los microbiomas analizados, y que un período de exposición de 4 días fue óptimo en 5 de los microbiomas. El contenido total más alto de ficobiliproteínas alcanzado fue de 145.5 mg gDW⁻¹. En el escalado, la producción de ficobiliproteínas se mantuvo durante un período de 69 días, y se detectaron actividades antioxidantes y contenidos fenólicos prometedores en la biomasa. El modelo generado a partir de imágenes hiperespectrales mostró un buen rendimiento de entrenamiento para la estimación de ficocianina y aloficocianina, pero es necesario generar un conjunto mayor de imágenes hiperespectrales para validarlo. Finalmente, la adición de extractos de ficobiliproteínas en biomateriales, evidenció cómo personas fuera del ámbito académico mostraron interés en aprender cómo las cianobacterias se pueden aplicar en procesos cotidianos. La aceptación social es vital para moldear un futuro basado en pigmentos.