Production, extraction and characterization of Chlorella vulgaris soluble polysaccharides and their applications in AgNPs biosynthesis and biostimulation of plant growth

Resumo

Chlorella vulgaris , como uma ampla variedade de outras microalgas, são capazes de crescer mixotroficamente. Isso maximiza seu crescimento e produção de polissacarídeos (PS). Os polissacarídeos extraídos possuem uma composição monossacarídica complexa (frutose, maltose, lactose e glicose), sulfato (210,65 ± 10,5 mg g ⁻¹ PS), ácidos urônicos (171,97 ± 5,7 mg g ⁻¹ PS), teor de proteína total (32,99 ± 2,1 mg g ⁻¹ PS) e carboidratos totais (495,44 ± 8,4 mg g ⁻¹ PS). A análise de espectroscopia de infravermelho por Transformada de Fourier (FT-IR) dos polissacarídeos extraídos mostrou a presença de N–H, O–H, C–H, –CH 3 , > _CH 2 _, COO ⁻¹, S=O e os grupos funcionais C=O. A análise espectral UV-Visível mostra a presença de proteínas, ácidos nucléicos e grupos químicos (éster, carbonila, carboxila e amina). Os polissacarídeos purificados eram de cor verde claro e na forma de pó inodoro. Era solúvel em água, mas insolúvel em outros solventes orgânicos. A análise termogravimétrica demonstra que o polissacarídeo solúvel de Chlorella vulgaris é termoestável até 240°C e a degradação ocorre em três fases distintas. A análise de calorimetria exploratória diferencial (DSC) mostrou a transição exotérmica característica de Chlorella vulgarispolissacarídeos solúveis com picos de temperatura de cristalização em 144,1°C, 162,3°C e 227,7°C. O difratograma de raios X ilustrou a natureza semicristalina desses polissacarídeos. Nanopartículas de prata (AgNPs) foram biossintetizadas usando uma solução de polissacarídeos solúveis de Chlorella vulgaris . A solução de cor verde pálida de polissacarídeos solúveis tornou-se marrom quando incubada por 24 horas com nitrato de prata 100 mM no escuro, apresentou pico máximo localizado em 430 nm. A análise FT-IR para os AgNPs biossintetizados relatou a presença de carbonil, –CH ₃ , >CH ₂, grupos funcionais C–H,–OH e –NH. A microscopia eletrônica de varredura e transmissão mostra que os AgNPs têm formato esférico com tamanho médio de partícula de 5,76. A análise de energia dispersiva de raios-X (EDX) mostrou o domínio da prata. As nanopartículas de prata biossintetizadas foram testadas quanto à sua atividade antimicrobiana e têm efeitos positivos contra Bacillus sp., Erwinia sp., Candida sp. Priming de sementes de Triticum vulgare e Phaseolus vulgaris com soluções de polissacarídeos (3 e 5 mg mL ^-1) resultou em aumento significativo do crescimento das mudas. Foram observados aumentos no comprimento da raiz, área foliar, comprimento da parte aérea, pigmentos fotossintéticos, teor de proteína, teor de carboidratos, biomassa fresca e seca, além disso, esses incrementos de crescimento podem ser atribuídos ao aumento das atividades antioxidantes.

Abstract

Chlorella vulgaris, like a wide range of other microalgae, are able to grow mixotrophically. This maximizes its growth and production of polysaccharides (PS). The extracted polysaccharides have a complex monosaccharide composition (fructose, maltose, lactose and glucose), sulphate (210.65 ± 10.5 mg g⁻¹ PS), uronic acids (171.97 ± 5.7 mg g⁻¹ PS), total protein content (32.99 ± 2.1 mg g⁻¹ PS), and total carbohydrate (495.44 ± 8.4 mg g⁻¹ PS). Fourier Transform infrared spectroscopy (FT-IR) analysis of the extracted polysaccharides showed the presence of N–H, O–H, C–H, –CH₃, >CH₂, COO⁻¹, S=O and the C=O functional groups. UV–Visible spectral analysis shows the presence of proteins, nucleic acids and chemical groups (ester, carbonyl, carboxyl and amine). Purified polysaccharides were light green in color and in a form of odorless powder. It was soluble in water but insoluble in other organic solvents. Thermogravimetric analysis demonstrates that Chlorella vulgaris soluble polysaccharide is thermostable until 240°C and degradation occurs in three distinct phases. Differential scanning calorimetry (DSC) analysis showed the characteristic exothermic transition of Chlorella vulgaris soluble polysaccharides with crystallization temperature peaks at 144.1°C, 162.3°C and 227.7°C. The X–ray diffractogram illustrated the semicrystalline nature of these polysaccharides. Silver nanoparticles (AgNPs) had been biosynthesized using a solution of Chlorella vulgaris soluble polysaccharides. The pale green color solution of soluble polysaccharides was turned brown when it was incubated for 24 hours with 100 mM silver nitrate in the dark, it showed peak maximum located at 430 nm. FT-IR analysis for the biosynthesized AgNPs reported the presence of carbonyl, –CH₃, >CH₂, C–H,–OH and –NH functional groups. Scanning and transmission electron microscopy show that AgNPs have spherical shape with an average particle size of 5.76. Energy-dispersive X-ray (EDX) analysis showed the dominance of silver. The biosynthesized silver nanoparticles were tested for its antimicrobial activity and have positive effects against Bacillus sp., Erwinia sp., Candida sp. Priming seeds of Triticum vulgare and Phaseolus vulgaris with polysaccharides solutions (3 and 5 mg mL⁻¹) resulted in significant enhancement of seedling growth. Increased root length, leaf area, shoot length, photosynthetic pigments, protein content, carbohydrate content, fresh and dry biomass were observed, in addition these growth increments may be attributed to the increase of antioxidant activities.