Co-production of chitin nanofibers, proteins, and lipids in marine diatoms belonging to the Thalassiosira genus

Abstract

Chitin is a biopolymer used in various industries, including biomedical, pharmaceutical, medical, and food. Today, the vast majority of chitin is obtained from waste shellfish. Shellfish chitin has an inherent impurity problem because chitin in these organisms is embedded in other organics and inorganics. Thus, new sources have been investigated. Diatoms, particularly Thalassiosira and Cyclotella species, have the potential to be the providers for applications requiring high quality through their unique ability to biosynthesize and extrude chitin nanofibers. The primary aim of this study is to study this potential. This investigation entailed the cultivation of three Thalassiosira strains according to a standard cultivation protocol under photobioreactor conditions. The secondary aim was to assess the possibility of commercially valuable co-product generation. For this, biomass protein, lipid, and fatty acids contents were analyzed. Chitin productivity varied significantly between the strains. The peak productivities and final concentrations ranged from 4 to 25 mg/L-day and from 60 to 250 mg/L, respectively. Average fiber diameters ranged from 68.5 to 95.0 nm. Silicon limited growth increased the chitin biosynthesis in T.weissflogii 1336 and T.pseudonana 2135. Biomass lipid contents of over 45% were obtained with T.pseudonana 2135 under silicon depletion. The fatty acid profiles indicated the suitability for application as live aquaculture feed for T.weissflogii 1336, and biodiesel feedstock material for T.pseudonana 2135. The highest biomass protein contents were about 30%, which were obtained under silicon availability. This study, for the first time, assessed the chitin productivity of Thalassiosira strains and demonstrated unique multiproduct generation scenarios.

Kitin biyomedikal, eczacılık, tıp ve gıda endüstirilerinde kullanılan bir biyopolimerdir. Günümüzde kitin kabuklu deniz canlılarından elde edilmektedir. Ancak kitin bu canlılarda başka organiklere ve inorganiklere kimyasal bağlarla bağlıdır. Bu durum elde edilen kitinde safsızlık problemlerine yol açmaktadır. Doğada kitini en saf şekilde üreten ve hücre dışına nanofiber olarak çıkaran tek canlı Cyclotella ve Thalassiosira cinsine ait diatomlardır. Bu sebeple piyasadaki mevcut kitin ihtiyacını karşılayabilmek adına eşsiz bir potensiyele sahiptir. Bu çalışmanın ilk amacı Thalassiosira cinsine ait 3 farklı diatom suşunda kitin nanofiber özelliklerini belirleyerek yüksek kalite gerektiren uygulamalar için potansiyelini incelemektir. İkinci amaç ise ticari olarak kullanılabilecek yan ürün oluşturma özelliklerini değerlendirmektir. Bu sebeple diatomlar standart koşullarda kabarcık kolon fotobiyoreaktörde silikon varlığındaki ve silikon yokluğundaki üretkenlik kıyaslaması için iki aşamalı olarak yetiştirilmiştir. Kültivasyon süresi boyunca biyokütle, protein, lipid ve yağ asitleri analizleri yapılmıştır. Kitin üretkenlikleri suşlar arasında önemli farklılıklar gösterdiği belirlenmiştir. Maksimum üretkenlikler ve final konsantrasyonları, sırasıyla 4 ile 25 mg/L-gün ve 60 ile 250 mg/L aralığında bulunmuştur. Ortalama fiber çapları ise 68.5 ile 95.0 nm arasında değişmektedir. Silikonsuz ortam T.weissflogii 1336 ve T.pseudonana 2135 suşlarında kitin biyosentezini arttırmıştır. T.pseudonana 2135 suşunun ortamdaki silikon tükendikten sonra biyokütledeki lipid içeriği %45’in üzerinde elde edilmiştir. Yağ asidi profilleri, T.weissflogii 1336 için akuakültür yemi olarak ve T.pseudonana 2135 için ise biyodizel besleme stoğu materyali olarak uygulamaya uygun olduğunu göstermiştir. En yüksek biyokütle protein içerikleri, silikon mevcut ortamda yaklaşık %30 olarak elde edilmiştir. Bu çalışmada, ilk kez Thalassiosira suşlarının kitin üretkenliği ve yan ürün olarak lipid ve protein içerikleri değerlendirilmiştir.