Microalgas fototróficas requerem CO2 como fonte de carbono e este, contribui para o controle do pH no meio. O pH do meio de cultivo é um dos fatores mais importantes no cultivo de algas. O pH determina a solubilidade do dióxido de carbono e minerais no meio e influencia direta ou indiretamente o metabolismo das algas. O pH depende de vários fatores, como composição e capacidade tamponante do meio, quantidade de dióxido de carbono dissolvido, temperatura (que determina a solubilidade do CO2) e atividade metabólica das células (BECKER, 1995).
A fonte de carbono principal para a A. platensis é o íon bicarbonato, no qual entra na célula por transporte ativo. O bicarbonato intracelular é então desidratado via anidrase carbonica para CO2, o qual é incorporado no ciclo de Calvin via ribulose-1,5-bifosfato carboxilase (RUBISCO). Este carbono é usado simultaneamente para a síntese de todas as macromoléculas nas células (proteínas, carboidratos, lipídios e ácidos nucléicos) a partir do 3-fosfoglicerato como metabólito intermediário (COGNE et al., 2003).
Durante o cultivo autotrófico da Spirulina sp. ocorre um rápido aumento do pH no meio de cultura, e isso é causado pela dissociação do ácido carbônico (H2CO3) em bicarbonato (HCO3-) e OH- (KIM et al, 2007) e o bicarbonato é dissociado para produzir CO2 e OH- (RICHMOND; GROBBELAAR, 1986). O aumento do pH atua como um autoinibidor do crescimento celular (RICHMOND, 2000), e portanto, o CO2 pode ser utilizado para a manutenção do pH ótimo.
Em cianobactérias alcalofílicas, onde o pH de crescimento típico é 10, a concentração de CO2 é negligenciada, sugerindo que o transporte de CO2 passivo não poderia contribuir significativamente para carbono inorgânico intracelular. Adicionalmente, estudos têm mostrado que A. platensis é fortemente dependente do transporte simporte Na+/HCO3- para a assimilação do carbono inorgânico. Como é típico de alcalofílicos, a A. platensis aparentemente não mantém o gradiente de pH externo positivo na sua membrana plasmática. Consequentemente, ocorre uma extrusão de sódio via bomba de sódio dependente de ATP, em contraste com o tranporte antiporte Na+/H+ na maioria das cianobactérias. A Extrusão de sódio na presença de um inibidor do FSII (diuron) indica que uma soma significante de ATP é suplementada pelo transporte de elétrons cíclico em volta do FSI, conteúdo na qual em A. platensis é excepcionalmente alto (BERRY et al., 2003).
Análises químicas têm mostrado que biomassa algal consiste de 40% a 50% de carbono, na qual sugere que 1,5 a 2 kg de CO2 são necessários para produzir 1 kg de biomassa (SOBCZUK et al., 2000). Do mesmo modo, Chisti (2007) relata que, considerando que a biomassa microalgal possui aproximadamente 50% de carbono em sua biomassa seca (SÁNCHEZ MIRÓN et al., 2003), todo esse carbono é derivado do dióxido de carbono. A produção de 100 toneladas de biomassa algal fixa em torno de 183 toneladas de dióxido de carbono e este, deve ser suplementado continuamente durante o cultivo iluminado. A adição controlada do CO2 em respostas aos sinais de sensores de pH minimizam a perda de CO2 e a variação do pH (CHISTI, 2007).
O sistema de transporte do CO2 inclui a anidrase carbônica que converte o CO2 para HCO3- durante a passagem através da membrana plasmática, havendo um acúmulo de HCO3- quando o CO2 é suplementado. A concentração de CO2 citoplasmático é abaixo do esperado no equilíbrio químico e, de acordo com o modelo proposto pelo mecanismo de concentração de carbono, esse desequilíbrio é relatado pelo fato que a anidrase carbônica está localizada dentro dos carboxissomos, na membrana plasmática e/ou membranas tilacóidais e está ausente no citoplasma (KAPLAN; REINHOLD, 1999).
O CO2 entra na célula pela difusão passiva e a conversão do CO2 para o HCO3- pela anidrase carbônica não permite a sua passagem livremente para fora da célula (CARRIERI et al. 2007). A concentração de CO2 nos carboxissomos é de 50.000 vezes maior que a concentração extracelular. Isso implica em uma resistência a
difusão do CO2 pela membrana biológica extremamente alta, apesar do CO2 ser altamente permeável à membrana bilipídica. Geralmente, as algas apresentam um acúmulo de carbono inorgânico menor que em cianobactérias, isso por que a RubisCO das algas apresentam maior afinidade pelo CO2 (KAPLAN; REINHOLD, 1999).
O CO2 que entra na célula por difusão passiva é convertido para HCO3- pela “CA-like” por uma reação dependente de energia e a assimilação ativa do HCO3-, que é contra seu potencial eletroquímico, depende do suplemento da energia metabólica. Essa energia necessária é, provavelmente, dependente do transporte cíclico do elétron em torno do FSI e da atividade do FSII (SOBCZUK et al., 2000). Portanto, isso ainda não tem sido estabelecido se esta dependência é direta ou indireta (via gradiente de íons). A energia metabólica deveria ser utilizada para manter o gradiente de íon. O antiporte Na+/H+ está envolvido na regulação e manutenção do pH interno durante a entrada do HCO3- e subseqüente fixação do CO2 (KAPLAN; REINHOLD, 1999).
As microalgas podem fixar carbono a partir de diferentes fontes, tais como: CO2 a partir da atmosfera, CO2 a partir da exaustão de gases industriais, e CO2 na forma de carbonatos solúveis (e.g., NaHCO3 e Na2CO3). Tradicionalmente, microalgas são cultivadas em reatores fechados ou abertos, na qual são aerados ou expostos ao ar para permitir que a microalgas capturem o dióxido de carbono a partir da atmosfera para o crescimento celular. Como a atmosfera contém somente 0,03 – 0,06% de CO2, é esperado que a limitação da transferência de massa possa reduzir a velocidade do crescimento das microalgas (CHELF et al. 1993). Por outro lado, gases da exaustão industrial tais como gases de combustão possuem acima de 15% de CO2, fornecendo uma fonte rica de CO2 para o cultivo de microalgas e um caminho potencialmente mais eficiente para biofixação de CO2. Outra alternativa é fixar o CO2 pela reação química para produzir carbonatos (exemplo Na2CO3) e usa- la mais tarde como fonte de carbono para o cultivo de microalgas (WANG et al., 2008).
Estudos sobre a eficiência da utilização de CO2 por microalgas têm sido feitos com o objetivo de melhorar a produtividade dos fotobiorreatores. Morais e Costa (2007b) observou que uma concentração de Spirulina sp. foi maior em cultivos alimentados com 6% e 12% CO2 quando comparado ao cultivo utilizando somente o ar atmosférico. Watabane e Hall (1996) relataram um aumento na produtividade,
correspondendo a 15,9 g de biomassa seca m-2 d-1 no cultivo utilizando o fotobiorreator com air lift com ar enriquecido de CO2 (4%).
Gordillo et al., (1999) observaram uma redução na concentração celular máxima de S. platensis devido a redução na quantidade de proteínas solúveis, clorofila a, carotenóides totais e ficocianina nos cultivos enriquecido com 1% de CO2 em relação aos cultivos enriquecidos com CO2 atmosférico (0,035%). Portanto, altas concentração de CO2 podem inibir o crescimento dos micro-organismos.
Em cultivo fotoautotrófico de Chlorella o conteúdo de proteínas e pigmentos foram maiores quando comparada com o cultivo heterotrófico (OGBONNA; TANAKA, 1997).
2.4.3.3 Fonte de carbono inorgânico e orgânico simultaneamente