Macroalgas como fonte de compostos bioativos para a agricultura

Introdução

O bioma marinho contempla uma enorme diversidade de espécies de macroalgas, porém somente algumas delas vêm sendo usadas para diferentes propósitos pela humanidade. As macroalgas são classificadas de acordo com sua pigmentação, em três grandes grupos: Chlorophyta (verdes), Rhodophyta (vermelhas) e Phaeophyta (marrons), os quais possuem características e propriedades distintas. Além dos usos consagrados na indústria de alimentos, cosméticos e fármacos, devido à presença de moléculas bioativas únicas, os produtos derivados de algas despertam atenção para uso agrícola com resultados promissores. A partir de exemplos documentados, as macroalgas são fontes para obtenção novos compostos promotores do crescimento e desenvolvimento vegetal e ativadores de mecanismos fisiológicos/bioquímicos anti-estresses bióticos e abióticos.  Na atualidade, os extratos de macroalgas marinhas se constituem em um dos principais componentes bioativos presentes em diferentes formulações de biofertilizantes/ bioestimulantes.

Como tecnologia sustentável promissora, apresentamos algumas características, componentes e efeitos de extratos das macroalgas mais exploradas dentro de cada um dos três grandes grupos mencionados. A Tabela 1 sumariza as variáveis e processos afetados de maneira positiva após a aplicação de produtos à base de macroalgas marinhas em plantas cultivadas. Essa tabela sintética foi elaborada com base em De Freitas et al. (2022) e Paulert & Stadnik (2019), onde mais detalhes podem ser obtidos.

Macroalgas verdes

Dentre as macroalgas verdes (filo Chlorophyta), o gênero Ulva é o mais estudado para aplicação na agricultura. Essas algas ocorrem em praticamente todas as regiões costeiras do mundo, sendo que em alguns países asiáticos e ocidentais (ex. Uruguai), são usadas na alimentação humana, o que sugere a sua inocuidade. Essas algas são frequentemente associadas ao fenômeno chamado de maré verde, que resulta de crescimento acelerado em ambiente eutrofizado, principalmente no verão. Por outro lado, a sazonalidade na produção dessa alga ainda é um desafio para a sua efetiva exploração comercial.

Além da descrição de aumento da germinação de sementes, promoção do crescimento das plantas e incremento na produção, os extratos dessas algas podem mitigar efeitos de estresses hídrico e salino. A presença de moléculas bioativas (ex. betaínas) e as alterações metabólicas induzidas pelos extratos de algas, vêm sendo apontados como responsáveis pelos efeitos positivos observados em plantas sob condições adversas.

Outro grupo de compostos presentes no extrato de algas, os polissacarídeos sulfatados, também podem afetar processos fisiológicos e bioquímicos de plantas. Por exemplo, a embebição de sementes de feijão em uma solução do polissacarídeo (ulvana) extraído das paredes celulares de algas do gênero Ulva incrementa a germinação em cerca de 35% e a emergência de plântulas em cerca de 45%. Além disso, em tomateiro, estes polissacarídeos podem aumentar a altura das plantas, a massa seca da parte aérea e das raízes, e o conteúdo de clorofila a e b em até 40% quando aplicados semanalmente via irrigação (0,1 mg mL^-1) em casa de vegetação.

Apesar de o mecanismo ainda não estar completamente elucidado, o efeito dos polissacarídeos algais em plantas pode estar associado ao seu reconhecimento por receptores e ao posterior aumento na mobilização e assimilação de nutrientes e/ou ao fornecimento de elementos essenciais como, por exemplo, o enxofre.  O Núcleo de Estudos de Recursos do Mar para Agricultura (NERMA) da UFSC tem se dedicado ao estudo de aplicações biotecnológicas de macroalgas marinhas na agricultura há aproximadamente 20 anos. Nesse meio tempo, foram publicados vários artigos demonstrando que os extratos de Ulva e as ulvanas, além do efeito bioestimulante, são potentes indutores de resistência contra patógenos fúngicos de plantas.

Macroalgas vermelhas

As macroalgas vermelhas (filo Rhodophyta) são as mais cultivadas globalmente e os gêneros com destaque na atividade bioestimulante são Gracilaria e Kappaphycus, especialmente pela expectativa de utilização dos resíduos da indústria de agar e carragenana como matéria-prima.

Gracilaria é usada para obtenção de ágar e na alimentação. Gracilaria spp. são cultivadas principalmente em países asiáticos e Chile. O aumento da produtividade com a utilização do extrato líquido desta alga vermelha é observado em diferentes culturas, entre elas arroz, milho, feijão e hortaliças (ex: berinjela e tomate). Além disso, a aplicação foliar do extrato de Gracilaria pode aumentar a biomassa e o rendimento através de alterações fisiológicas (potencial osmótico e conteúdo de prolina) associadas à retenção de água (com redução da abertura dos estômatos) assim como ao acúmulo de ácido abscísico e à expressão de genes de biossíntese.

Kappaphycus alvarezii é intensamente cultivada nas Filipinas e Indonésia, como fonte de matéria-prima para a indústria de alimentos. Devido ao alto valor comercial e alta demanda, o seu cultivo tem se espalhado para inúmeros países. No Brasil, o cultivo dessa alga exótica tem sido permitido em áreas exclusivas e delimitadas nos litorais de Santa Catarina, Rio de Janeiro e São Paulo. Trabalhos indicam que extratos líquidos de K. alvarezii podem aumentar o crescimento e a produção de inúmeras espécies agrícolas. O extrato é composto por macro e micronutrientes essenciais (ferro, manganês, zinco e níquel); além de uma mescla de componentes bioativos como hormônios, glicina betaína e vitaminas. A aplicação desse extrato pode aumentar a expressão de mais de 800 genes em plantas de milho, entre eles, aqueles relacionados com o crescimento das raízes, metabolismo do nitrogênio, sinalização via ácido giberélico e auxinas.

 Macroalgas marrons

As macroalgas marrons ou pardas (filo Phaeophyta) possuem mais de 300 gêneros e são na atualidade as principais algas usadas como matéria-prima nas formulações de biofertilizantes/ bioestimulantes. Comercialmente, destacam-se os gêneros Ascophyllum e Ecklonia, frequentemente encontrados em regiões costeiras de oceanos com águas frias. Além dessas, destacam-se com potencial uso na agricultura as macroalgas marrons Sargassum, Laminaria, Macrocystis, Durvillaea e Fucus, entre outras.  Essas algas produzem uma ampla gama de compostos bioativos, tais como as fucoidanas, alginatos, betaínas, eckol, laminarana, entre outros.

Ecklonia maxima cresce abundantemente na costa oeste da África do Sul. O principal produto comercial é obtido por meio de um processo de extração de alta pressão à baixa temperatura, visando preservar ao máximo os compostos bioativos. As pesquisas indicam que plantas tratadas com extratos de E. maxima apresentam maior produtividade, aumento do conteúdo de compostos orgânicos e minerais e exibem tolerância a estresses abióticos. Esses efeitos positivos relacionados às moléculas bioativas do extrato, estimulam processos fisiológicos como a fotossíntese, e por consequência, melhoram o rendimento e a qualidade nutricional dos cultivos. Por exemplo, a pulverização foliar de produto contendo E. maxima aumenta os teores de pigmentos foliares, biomassa e valor nutricional de plantas de alface e outras hortaliças. No trigo, a pulverização das plantas com o extrato resulta em aumento na taxa de fotossíntese e retardo na senescência das duas últimas folhas, o que aumenta o fornecimento de fotoassimilados para os grãos.

Ascophyllum nodosum é predominante nas costas rochosas do Atlântico Norte. Além de ser uma fonte natural de macro e micronutrientes, esta espécie possui vários compostos orgânicos, em especial ácidos algínicos, lipídios, aminoácidos, betaínas, proteínas, fenóis, polissacarídeos sulfatados, oligossacarídeos, além de pigmentos, vitaminas e hormônios. Assim como em outras espécies de algas marrons, os polissacarídeos sulfatados são abundantes na composição da A. nodosum e estão relacionados com as principais moléculas bioativas, entre elas as ascofilanas.

Dentre as algas marrons exploradas para uso agrícola, A. nodosum é, sem dúvida, a espécie mais intensamente estudada e usada. Os seus extratos são conhecidos por promoverem a absorção de nutrientes, aumento no crescimento e no rendimento de plantas de interesse. Além disso, eles podem mitigar estresse abióticos, atuando na regulação de processos fisiológicos, bioquímicos e moleculares na planta. As algas não processadas e seus extratos podem influenciar o crescimento das plantas de modo direto e indireto. Os benefícios indiretos ocorrem quando alteram as propriedades físicas e químicas do solo, resultando em uma melhoria na textura, uma maior capacidade de retenção de água e modificações na microbiota do solo. Os benefícios diretos incluem: aumento na taxa de germinação das sementes, do crescimento radicular, da biomassa da parte aérea, melhoria da eficiência do uso de nutrientes, florescimento precoce, retardo na senescência, aumento no teor de clorofilas e flavonoides, maior rendimento, além de promover uma maior tolerância aos estresses.

Condições de estresse por temperaturas extremas, falta ou excesso de água, excesso de radiação, salinidade ou suas combinações, podem resultar facilmente em prejuízos de até 50%. Nessa situação, os extratos de A. nodosum têm apresentado papel importante para a manutenção ou restabelecimento das plantas. Assim, é provável que produtos de macroalgas se tornem, cada vez mais, uma ferramenta chave e sustentável para os desafios de imprevisibilidade da agricultura.

Além de promover o crescimento de plantas, as aplicações foliares de extratos de Ascophyllum melhoram a qualidade na pós-colheita de frutos como maçã e uva. Os efeitos em frutos são atribuídos a um aumento na atividade antioxidante e uma redução na peroxidação de lipídios quando as plantas são submetidas a um tratamento pré-colheita com os extratos.

De modo geral, os trabalhos indicam que o local onde as algas são colhidas ou cultivadas, a época do ano, bem como o método e tempo de extração podem influenciar tanto a concentração como a composição dos compostos bioativos; um tema que ainda merece atenção da pesquisa.

Polissacarídeos algais e determinação de ácido algínico em produtos

Alguns polissacarídeos ocorrem somente em determinados grupos de algas e, por isso, podem ser utilizados como marcadores da sua presença em formulações. Em suma, estes polissacarídeos são importantes indicadores de quanto de alga está presente no produto comercial. Os principais polissacarídeos são ulvanas, carragenanas e alginatos encontrados, respectivamente, em algas verdes, vermelhas e marrons.  Existem inúmeras técnicas químicas para sua detecção, quantificação e caracterização. A Instrução Normativa Nº 61 de 8/07/2020 do MAPA estabelece, dentre outros, os teores mínimos de ácido algínico que devem estar presentes em biofertilizantes de extratos de algas. Assim, para se registrar um biofertilizante à base de extrato de alga marrom, deve-se saber a concentração de ácido algínico ali presente. Visando atender a esta demanda, o Laboratório de Fitopatologia da UFSC (labfitop@contato.ufsc.br) adaptou um método para determinação espectrofotométrica de ácido algínico e oferece o serviço para interessados.