Tal como as plantas, pelo processo fotossintético as microalgas fotoautotróficas captam a energia luminosa e a transformam em energia química (fase fotoquímica), que é conservada na forma de ATP e NADPH e, na sequência estes compostos são usados como fonte de energia na redução do CO2 (fase química) para a síntese de carboidratos (glicose pelo Ciclo de Calvin) e outros compostos orgânicos. Assim, a quantidade de energia luminosa recebida pelo sistema fotossintético e a disponibilidade de CO2 irão repercutir na quantidade de carbono que pode ser fixado, determinando consequentemente a taxa de crescimento e a produção de biomassa nas culturas microalgais.

No ambiente natural, a baixa concentração de CO2 não é um fator limitante, uma vez que geralmente as microalgas encontram-se em populações pouco densas. Entretanto, nas culturas de microalgas, por conta da elevada densidade celular, geralmente o CO2 encontra-se limitado, impossibilitando o rápido e intenso crescimento.

Nos cultivos fotoautotróficos de microalgas podemos considerar o carbono como o nutriente mais importante em termos de volume, uma vez que aproximadamente 50 % da biomassa (desidratada) é constituída por este elemento. Nas culturas, o CO2 (fonte inorgânica) proveniente do ar atmosférico (por difusão ou através da aeração das culturas) somente pode sustentar uma baixa produtividade em biomassa, portanto, para alcançar maior produtividade é necessário o enriquecimento do meio com CO2 . Na maioria dos sistemas de cultivo de microalgas para uso na alimentação dos organismos de aquicultura o autossombreamento é o problema mais severo, sendo que, já a partir de uma baixa densidade celular uma grande parte da luz (natural ou artificial) não alcança o interior das culturas e, assim, o crescimento se encontra limitado - portanto, nestes cultivos falta CO2 e/ou falta luz.

Visando alcançar maior biomassa, culturas de elevadíssima produtividade têm sido propostas com o emprego do metabolismo heterotrófico (Figura1): neste processo, as microalgas são cultivadas no escuro (não realizam a fotossíntese), porém, há necessidade da suplementação no meio de cultura com alguma forma de carbono orgânico (glicose, acetato, lactato, por exemplo), que serve tanto como fonte energética quanto como fonte de carbono para a produção de biomassa.

Cabe esclarecer que nem todas as microalgas apresentam metabolismo heterotrófico, entretanto, diversas cepas podem ser aclimatadas para que se desenvolvam nestas condições de cultivo. Ao não existir a dependência da luz, e havendo disponibilidade de nutrientes, incluindo carbono orgânico, as culturas podem alcançar densidade celular centenas de vezes maior do que aquela obtida em condições fotoautotróficas. Dependendo do metabolismo microalgal, e não das condições de cultivo, o cultivo heterotrófico pode ainda ser classificado de duas formas: cultivo quimioheterotrófico: utilização de fonte orgânica de energia e fonte orgânica de carbono; e cultivo fotoheterotrófico: a luz é necessária (como fonte de energia) para a assimilação do carbono orgânico. Ainda mais produtivas podem ser as culturas em cultivo mixotrófico: utilização simultânea de uma fonte luminosa e substrato orgânico como fonte de energia, bem como, de CO2 e substrato orgânico como fontes de carbono. É certo que dependendo do tipo/modo nutricional do cultivo/metabolismo (Tabela 1) desenvolvido, a taxa de crescimento, a produtividade e, especialmente, a composição bioquímica da biomassa poderão sofrer intensas alterações, assim, além da questão da produtividade são necessários estudos do valor nutricional da biomassa produzida nestas condições, bem como, dos custos de produção.

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