Revista Cubana de Química

ISSN: 0258-5995

revcubanaquimica@cnt.uo.edu.cu

Universidad de Oriente

Cuba

Gómez Luna, Liliana M.

MICROALGAS: ASPECTOS ECOLÓGICOS Y BIOTECNOLÓGICOS

Revista Cubana de Química, vol. XIX, núm. 2, 2007, pp. 3-20

Universidad de Oriente

Santiago de Cuba, Cuba

Disponible en: http://www.redalyc.org/articulo.oa?id=443543707001

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3 Vol. XIX, Nº 2, 2007

MICROALGAS: ASPECTOS ECOLÓGICOS Y BIOTECNOLÓGICOSLiliana M. Gómez Luna

Laboratorio de Ecotoxicología Marina, Centro Nacional de Electromagnetismo Aplicado,Universidad de Oriente

Resumen

En este trabajo se presenta una descripción de la ecología de las microalgas de agua dulce, así comolas de ambientes costeros y marinos, haciendo un análisis de las especies predominantes en distintos tiposde acuatorios, tomando en consideración parámetros físico-químicos relevantes. Se explican términoscomo fitoplancton y microalga, confiriéndole a cada uno su valor conceptual, además del de biotecnologíaalgal. Asimismo, se hace referencia al papel del fitoplancton en el balance de oxígeno y dióxido de carbonoa nivel global, donde se pone en tela de juicio el papel de los bosques, en contraposición con el de losmicroorganismos fotosintetizadores, teniendo en cuenta que pueblan la mayor parte de los hábitatsacuáticos, por lo que representan la mayoría si se tiene en cuenta la proporción tierra: agua del planeta,y además, hay que considerar la eficiencia fotosintética de éstos.

Por otra parte, se explica el potencial de los microorganismos fotosintetizadores para la producciónde sustancias de interés químico, farmacéutico e industrial. Se destaca la descripción de experienciaspropias en la extracción de sustancias de interés químico-farmacéutico a partir de microalgas, y elbeneficio que reportan para el hombre, específicamente a partir de Chlorella vulgaris y Porphyridiumcruentum.

Palabras clave: biotecnología, microalgas, fitoplancton, residuales, bioderivados, bioconversión,ficología, ecología.

Abstract

In this work a description of the ecology of fresh water microalgae is presented, as well as thoseof coastal and marine environments, making an analysis of the predominant species in different systems,considering the outstanding physical and chemical parameters. Terms like phytoplankton and microalgaare explained, conferring each one their conceptual value, besides that algal biotechnology concept. Alsoreference is made to the roll of the phytoplankton in the oxygen and carbon dioxide balance at global level,when it is a discussing topic the roll of the forests versus photosynthetic microorganisms.

On the other hand, the potential of these microorganisms it is explained because of the productionof fine chemicals with pharmaceutical and industrial uses. It is remarked the description of ownexperiences in the extraction of fine chemicals with pharmaceutical and chemical uses to emphasize withChlorella vulgaris and Porphyridium cruentum.

Key words: biotechnology, microalgae, phytoplanckton, wastes, fine chemicals, bioconversion,phycology, ecology.

Introducción

Fue Hensen en 1887, quien usó por vez primera eltérmino plancton (del griego plangktós: errante), parallamar a todas las partículas organogénicas, muertas

o vivas que se mueven a merced de las aguas. Desdehace muchos años el plancton ha sido objeto deestudio. La comunidad planctónica se clasifica, segúnsus componentes, en fitoplancton y zooplancton. Elfitoplancton comprende un amplio grupo de organismos

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autótrofos mayoritariamente microscópicos, querepresentan el primer eslabón en la cadena alimenticia.

El término microalga aparece posteriormente, muyligado al desarrollo biotecnológico; éste se refiere aaquellos microorganismos que contiene clorofila a yotros pigmentos fotosintéticos, capaces de realizarfotosíntesis oxigénica. En este contexto, lascianobacterias o algas verde-azules, con estructuracelular procariota, se han considerado tradicionalmentedentro del grupo /1/.

Entre las microalgas se incluyen organismos condos tipos celulares: cianobacterias, que tienenestructuras celular procariota, y las restantesmicroalgas con estructura celular eucariota; sinembargo, el término no tiene valor taxonómico alguno.

Ecología de las algas microscópicas

Microalgas de agua fresca

Un término importante al hablar de ecología es elde Ecosistema, propuesto por Tansley en 1923 convarios sinónimos: microcosmos (Forbes, 1887), holozen(Fiederichs, 1930), biosistema (Thienemann, 1939)/2/. Son unidades naturales formadas por componentesbióticos y abióticos, cuyos intercambios llevan a unsistema estable donde ocurren procesos cíclicos nocompletamente cerrados, y cuyos efectos puedensalir del ecosistema; es la completa asociación deorganismos independientes que habitan un áreadeterminada (comunidad biótica o biota) y susrelaciones físicas, tanto con la comunidad como conel individuo y sus reacciones, no sólo entre sí, sinotambién en las condiciones físicas del entorno,formando un complejo ecológico.

Los organismos vivientes y su entorno o ambienteabiótico se encuentran inseparablemente relacionados,e interactúan uno sobre otro. Cualquier entidad cuyoscomponentes operan en conjunto para lograr ciertaestabilidad funcional, aun por un breve lapso detiempo, puede ser considerada ecosistema.

Los conceptos de ecosistema y biotopo puedenllegar a superponerse, sobre todo si se aplica en elsentido más amplio. En caso contrario, o sea, en elsentido más estrecho, es decir, considerando sólo el

lugar donde vive un grupo de especies, puede entoncescoincidir con la acepción generalizada de “hábitat”.

En la literatura algológica, sobre todo de los paísescentroeuropeos, se usa biotopo no sólo para definir ellugar topográfico, sino el conjunto de condiciones devida junto al lugar definido espacialmente, ya claramentedelimitados sus rasgos y límites físicos /2/.

De forma general, las algas son de gran relevanciapara los ecosistemas acuáticos, donde contribuyen albalance de oxígeno, y gracias a ellas, se inicia el flujode energía en estos ecosistemas.

Existen algunas especies poco exigentes, quepueden vivir en condiciones extremas: cavernas,suelos desérticos, hielos o nieves perpetuas, lagoshipersalinos, acídulos, alcalinos y con elevadastemperaturas.

A pesar de su simplicidad y amplia distribución, lasalgas habitan en sólo lugares donde existen condicionesfavorables para la colonización y el desarrollo. Estosrequerimientos o factores ecológicos limitantes son: laradiación luminosa, la temperatura, la disponibilidadde oxígeno y la concentración de determinadosnutrientes, fundamentalmente.

Los factores climáticos que incluyen un buennúmero de otros factores abióticos, pueden determinarvarias zonas de distribución como la boreal, sudboreal,templada del norte, subtropical del norte, tropical,subtropical del sur y templada del sur, entre otras.

Se pueden encontrar algas que habitan acuatorioscon características físico-químicas particulares,constituyendo indicadores, por ejemplo, Coccomonassp. e Hydrurus sp., que se desarrollan en aguas conalto contenido de calcio, mientras que en aguasdistróficas y con bajos valores de pH se desarrolla lamayoría de las desmidiáceas. En las aguas ricas ennutrientes, hasta eutróficas, son comunes lasVolvocales, Chlorococcales y Euglenofíceas.

De igual forma, hay un patrón de distribuciónpredominante para acuatorios lóticos y otro paraacuatorios lénticos. Los acuatorios de aguas corrienteso lóticos están en constante movimiento, lo que permiteuna oxigenación constante y una renovación denutrientes.

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Los manantiales fríos, ricos en carbonatos, fosfatosy nitratos, se caracterizan por la presencia deFragilaria sp., Amphora sp., Cocconeis sp.,Spirogyra sp., Tribonema sp., etcétera. Las aguaslóticas con carga mineral pueden tener unarepresentación importante de cianofitas y diatomeas.Asimismo, son típicas de ambientes acídulos lasChlamydomonas acidophila, Euglena mutabilis,Stichococcus minor y Microspora tumidula, entreotras.

A diferencia de los manantiales, los ríos y arroyos,tienen diferentes profundidades, caudal, lecho,turbidez, concentración de nutrientes, y aporte ocarga contaminante, debido a la influencia antrópica,siendo también acuatorios lóticos. Aquí la florafitoplanctónica es muy diversa, y en dependencia devariaciones estacionales o situaciones espaciotemporales, puede existir predominio de clorofitas ocianofitas, y diatomeas, fundamentalmente; puedendistinguirse además algas rodofíceas.

De forma general, el patrón de distribución esvariado, destacando la presencia de microalgasepilíticas, epífitas y epipélicas. Es común la presenciaen ríos y arroyos de Ulotrix sp., Spirogyra sp.,Achnantes sp., Oedogonium sp., Tribonema sp.,Cymbella sp., Euglena sp., Scenedesmus sp.,Chlorella sp., Navicula sp., Nitzchia sp., Zygnemasp., Mougeotia sp. Este patrón está correlacionadocon la carga contaminante, el caudal, la temperatura,el pH y la disponibilidad de oxígeno y luz.

Así, dependiendo de la distribución espacial devalores de los factores limitantes, dentro de unamisma localidad, pueden llegar a definirsesublocalidades, con una composición propia deespecies, o colonizada por comunidades alginasespecíficas.

Es importante hacer referencia al sistemasaprobiológico, el que ha sido establecido teniendo encuenta los criterios de Kolkwitz, Marsson, Liebemann,Sladecek, Zelinka y Marvan /2/. Este sistemadetermina la existencia de varias zonas de acuerdocon la carga contaminante y características físico-químicas de las aguas, como son: la zona coprozoica,€ polisapróbica, € polisapróbica, € polisapróbica, €mesosapróbica, € mesosapróbica, € mesosapróbica,zona oligosapróbica y zona cataróbica.

Sin embargo, este sistema tiene sus variaciones enel trópico, y en diferentes zonas cuyo nivel decontaminación rompe con los estándares establecidosinternacionalmente, si se tiene en cuenta la descripciónoriginal hecha por los diferentes autores que hancontribuido con su implementación. La zona cataróbica,por ejemplo, está asociada al nacimiento de los ríos yarroyos, pero puede darse el caso de la existencia defuentes contaminantes desde el mismo nacimiento delacuatorio, por lo que el patrón descrito variaría.

En el caso de los acuatorios lénticos, caracterizadospor la inmovilidad de sus aguas, excepto cuando semanifiesta turbulencia por corrientes convectivas opor la acción del viento, son representativos loscharcos, embalses, lagos y lagunas salobres,presentando una flora influida por característicaslocales, fundamentalmente.

En acuatorios lénticos eutróficos, particularmentericos en calcio, es común la presencia de Eudorinasp., Pediatrum sp., Dictyosphaerium sp.,Closterium sp., Scenedesmus sp. y Straurastrumsp.; mientras que los oligotróficos pobres en calcio,presentan otro patrón poblacional y menorconcentración de especies; en este caso puededetectarse un predominio de diatomeas comoAsterionella formosa, Melosira ambigua,Mallomonas sp., Peridinium sp., Ceratium sp.,Ankistrodesmus sp. y Pediatrum duplex, entre otrasespecies.

Actualmente, los acuatorios lénticos como losembalses son explotados por la acuicultura, por lo quesus características van a depender del manejo deéstos por los acuicultores. De forma general, al igualque otros microorganismos, los fotosintetizadoresimpactan la vida del hombre de diversas formas(figura 1).

Es aún reciente la discusión sobre el papel delfitoplancton en el balance de oxígeno y dióxido decarbono a nivel global, donde se pone en tela de juicioel papel de los bosques, en contraposición con el de losmicroorganismos fotosintetizadores, teniendo encuenta que pueblan la mayoría de los hábitats acuáticos,por lo que representan mayoría si se tiene en cuentala proporción tierra: agua del planeta; además deconsiderar la eficiencia fotosintética de éstos.

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Numerosas investigaciones han puesto demanifiesto el potencial de los microorganismosfotosintetizadores para la producción de sustancias deinterés químico, farmacéutico e industrial /1/, ademásde su utilización en la alimentación animal y eltratamiento de las aguas residuales.

Por otra parte, cabe citar los efectos tóxicos dealgunas especies fitoplanctónicas, que traen aparejadostrastornos de salud y hasta la muerte de animales yhumanos.

Dentro de las aguas interiores pueden existiracuatorios con un grado de salinidad significativo,cuyo contenido principal es el cloruro de sodio ysulfatos. Esta flora se denomina halófila, y puedediferir de las algas netamente marinas. De formageneral, según Hustedt, éstas pueden ser polihalóbicas,euhalóbicas, mesohalóbicas, oligohalóbicas; ademásde las halófobas, que no toleran valores de salinidadaltos.

Puede haber algas que resisten altos contenidos desales, constituyendo indicadores de la salinidad delagua, como Navicula salinarum y Anomoeoneissphaerophora.

Es importante definir términos importantes a lahora de hablar de algas de agua dulce como:limnoplancton, referido al plancton de los lagos;heleoplancton: plancton de los embalses, ypotamoplancton, que es el plancton de los ríos.

Microalgas de ambientes costeros ymarinos

Menos del 1% de la energía solar disponible en lasuperficie del mar es absorbida por organismosautótrofos. Éstos constituyen el primer eslabón en lacadena alimentaria, y la vía de entrada de energía a unecosistema; de aquí que se denominen productoresprimarios. Los productores primarios de losecosistemas costeros y marinos son autótrofos y seencuentran en el primer nivel trófico; éstos soportanal mundo viviente a través de la fotosíntesis.

A menudo, el término productividad primaria seintercambia con el de autotrofía, y se puede definircomo el proceso biológico mediante el cual se sintetizancompuestos orgánicos ricos en energía a expensas delCO2, agua y otros nutrientes.

Los principales productores primarios en zonascosteras son: algas (macroalgas y microalgas),cianobacterias, fanerógamas que crecen en lossedimentos y los dinoflagelados simbiontes presentesen los arrecifes, además de la vegetación costera.Hay que considerar la importancia de los manglares,que forman densos bosques en la zona intermareal,formando un importante ecosistema costero.

Salvo algunas excepciones, el primer nivel tróficode las tramas alimentarias marinas, lo forma elfitoplancton, que es el productor primario másabundante.

Fig. 1 Impacto de las microalgas en la vida del hombre.

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El fitoplancton está compuesto por organismosmicroscópicos que se ubican, fundamentalmente en lacolumna de agua, esencialmente en la zona fótica; sinembargo, se encuentran especies epipélicas, epilíticas,epizoicas, epífitas, neustónicas y bentónicas.

Por su tamaño, el fitoplancton puede clasificarseen: picoplancton, ultraplancton, nanoplancton ymicroplancton. Al igual que su tamaño, presentaformas muy diversas. Se conoce que en todos losambientes marinos, especialmente en aguas oceánicas,el nanoplancton (o el fitoplancton de menor tamaño)es el productor primario más importante.

Dentro del fitoplancton se destaca la relevancia delas cianobacterias (< 5µm), las que son abundantes enzonas estuáricas e intermareales. Algunas especiesde cianobacterias son capaces de utilizar el nitrógenoatmosférico, por lo que son fijadoras de nitrógeno;estas especies son comunes en las costas, ygeneralmente viven asociadas a plantas marinas.

Entre los productores primarios se encuentran lasmacroalgas, pertenecientes, fundamentalmente, a tresdivisiones del reino Plantae: Phaeophyta, Rodophytay Chlorophyta, y las fanerógamas o plantas superiores,pertenecientes a la división Antrophyta. Lasmacroalgas y plantas bentónicas están expuestas amás limitaciones ambientales que el fitoplancton, porlo que a nivel global, producen menos biomasa.

La síntesis continua de materia orgánica por elfitoplancton depende de una serie de condicionesbióticas y abióticas. Los factores que modulan laproductividad primaria de forma general son:

­ Disponibilidad de nutrientes (concentración yfuente de nutrientes).

­ Disponibilidad, calidad, orientación e intensidadde la luz.

­ Temperatura.­ Salinidad.­ pH.­ Pastoreo (predadores).­ Disponibilidad de oxígeno y dióxido de carbono.

Los requerimientos nutricionales y de energía (luz)de los productores primarios están, con frecuencia,

especialmente separados en el medio marino. La luzestá disponible en la superficie, mientras que lasreservas de nutrientes están concentradas en aguasque están por debajo de la zona fótica.

Para vivir, estos organismos deben hacerlo en lazona fótica, ya que la luz se impone como un factorlimitante fundamental para su distribución. Laprofundidad de dicha zona está determinada porvarias condiciones, incluyendo la absorción atmosféricade la luz, el ángulo entre el sol y la superficie del mar,además de la transparencia del agua.

Existe una profundidad en la cual la intensidad dela luz es tan pobre que no ocurre la fotosíntesis; éstavaría, de unos metros en la zona costera a 200 m enmares claros tropicales. La profundidad en la que nohay productividad primaria neta se conoce comoprofundidad crítica.

Además de la intensidad, es importante considerarla calidad de la luz, es decir, su composición espectral,puesto que de ésta dependerá, en gran medida, elproceso fotosintético.

El aparato fotosintético de todos los productoresprimarios marinos, excepto las cianobacterias, estálocalizado en los cloroplastos, donde se encuentran lospigmentos fotosintéticos que absorben la energíaluminosa para convertirla en energía química.

La fotosíntesis ocurre a expensas del PAR(Radiación Fotosintéticamente Activa), que va de 400a 700 nm. Sin embargo, el patrón de absorción no esel mismo para los diferentes pigmentos, los que leconfieren características de color distintivas a cadaorganismo. Por otra parte, la calidad espectral de laradiación varía con las condiciones climáticas, a lolargo del día, con los cambios estacionales y en lacolumna de agua.

Es importante considerar que el efecto acumulativodel pastoreo cíclico, conjuntamente con las variacionesen cuanto a disponibilidad de la luz y nutrientes, creaun complejo patrón de productividad primaria, quevaría estacional y geográficamente.

Los requerimientos de nutrientes varían de formaespecífica entre las diferentes especies; pero, deforma general, la materia orgánica es utilizada de

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manera colectiva, ya que contiene C, H, O, N, P,trazas de vitaminas y otros elementos necesarios paramantener la vida.

Para conocer cuánto de estos elementos necesitanlos productores primarios, se puede recurrir a unanálisis elemental, donde la proporción arroja,aproximadamente los siguientes datos:

110 C: 230 H: 75 O: 16 N: 1 P

Además de estos elementos (macronutrientes), senecesitan trazas (micronutrientes) de hierro,manganeso, cobalto, zinc y cobre, entre otros.

La disponibilidad de estos nutrientes en el mediomarino es afectada en ocasiones por la contribuciónde escurrimientos, cambios del pH de las aguas, sobretodo en zonas estuáricas, y la erosión.

Es importante señalar, que cualquier alteración enla disponibilidad y concentración de nutrientes puedeproducir fenómenos de afloramientos de determinadasespecies. Se conoce por ejemplo, que una disminuciónen la concentración de hierro (Fe) en el Canal Inglésdurante la primavera, provocó un bloom de diatomeas,sugiriendo que la disponibilidad de hierro puede limitarla talla y composición de las poblacionesfitoplanctónicas.

De igual forma, aumentos en las concentracionesde fosfatos, sulfatos, nitratos y otros, provocan laeutroficación de las aguas, trayendo consigo, enocasiones, la aparición de floraciones de especiestóxicas.

Por otra parte, es necesario mencionar losfenómenos de afloramientos o surgencias llevannutrientes a la zona fótica, provocando aumentosbruscos en la productividad primaria. Cabe citar elejemplo del fenómeno meteorológico El Niño: lacorriente fría y productiva del Perú fluye en contrastecon la parte de tierra de la línea costera, que es másbien seca y árida. Cada verano, cerca de las Navidades,la corriente cálida que viene del Norte, (llamada asípor el niño Jesús) va hacia el Sur, provocando lluviasy temperaturas más cálidas. Ocasionalmente, estaintrusión de aguas tropicales va más allá de lo normal,permaneciendo más tiempo y provocando abundanteslluvias en el “desierto” costero.

El fenómeno de El Niño trae consigo el crecimientorepentino de plantas en las áridas costas; esta mismacorriente trae masas de agua menos densas, cálidas,y ricas en nutrientes. En los años donde el efecto essevero, hay disminución de las poblaciones costeras,desapareciendo poblaciones completas de peces yaves marinas que dependen de ellos.

En estas costas peruanas, los afloramientos osurgencias son masivos, y se ven interrumpidossolamente por el fenómeno de El Niño; en su ausencia,la productividad llega a ser de 300 g C m­2 año­1, conel consiguiente aumento de otras poblaciones costeras.

No fue hasta hace unas pocas décadas que losoceanógrafos fueron conscientes de que,aparentemente el fenómeno es consecuencia decambios atmosféricos globales.

De forma general, la productividad primaria puedeser: bruta, que no es más que la cantidad total demateria orgánica producida vía fotosíntesis en elmedio marino y neta, que es la cantidad de materiaorgánica disponible para los consumidores, protistasno fotosintetizadores y descomponedores.

En el medio marino y oceánico, la productividadprimaria varía notablemente en tiempo y espacio, y losanimales que viven de los autótrofos deben adaptarsea estos patrones. Usualmente, la productividadfotosintética neta puede estimarse mediante lavelocidad de evolución de O2 ó de consumo del CO2.

En la primera mitad del pasado siglo, el método delas botellas (claras y opacas) fue ampliamente utilizadopara estimar la productividad primaria del fitoplancton,usando carbono marcado radiactivamente (C14).Actualmente, la productividad primaria puede serdeterminada mediante el uso de radioisótoposmarcadores para medir el crecimiento algal encondiciones naturales y el contenido total de clorofilapor medio de radiómetros transportados por satélites,expresándose en g C m­2 año­1 ó g C m­2 día­1.

La medición remota vía satélite ha sido la primeratécnica salida a la luz para determinar la productividadprimaria a escala global. En la actualidad, uno de losmétodos más aceptados para la determinación de laproductividad primaria global ha sido desarrollado

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después de realizar el artificio de dividir al mundo en57 regiones biogeoquímicas (Longhurst et al., 1995).De esta forma puede observarse la evoluciónfitoplanctónica en semanas, meses y años.

En las zonas costeras, la productividad primaria esmayor, con valores entre 193 y 800 g de C m­2 año­1.La productividad primaria es una de las formas deevaluar el flujo de carbono en un ecosistema dado oa nivel global, pero sólo a nivel de superficie, no alinterior del océano. Es importante considerar, queesta productividad en las zonas de afloramientos osurgencias, es mayor que a nivel global, donde alcanzaun área de 8,44 · 106 km2, e incluye a las provincias(ARAB, CCAL, CNRY, CHIL y BENG), definidaspor importantes corrientes oceánicas. El estimado dehoy es mayor que el de Ryther en 1969, quienconsideró un área de 0,36 · 106 km2. Asimismo, laproductividad primaria oceánica total ha sido estimadacomo 2,5 a 4 veces mayor que la de las provinciascosteras.

De forma general, altas latitudes, regiones pocoprofundas y las zonas de afloramientos (Corriente de

Somalia, Corriente del Oeste de Australia, Corrientede California, del Perú, de Canarias y de Bengala)soportan una gran productividad primaria, la que esmás frecuente en los meses cálidos, cuando la luz noes un factor limitante.

Las regiones oceánicas, especialmente en trópicosy subtrópicos, donde una fuerte termoclina y picnoclinason permanentes, y en mares polares, donde la luz eslimitante la mayor parte del año, existe una bajaproductividad primaria (<50 g C m­2 año­1).

Biotecnología de las microalgasUso y aplicaciones de las microalgas

Tradicionalmente, las algas microscópicas hansido cultivadas para diferentes fines (figura 2). Porotra parte, se han utilizado condiciones naturalesfavorables para su desarrollo, por lo que se conocenlagos donde aparecen blooms masivos temporales deespecies beneficiosas para el hombre, explotándoseel cultivo in situ.

Las ventajas del cultivo de microalgas se puedenresumir en tres puntos según Cohen (1986):

1. El cultivo de microalgas es un sistema biológicoeficiente de utilización de la energía solar para producirmateria orgánica. Las microalgas crecen más rápidoque las plantas terrestres y es posible obtener mayoresrendimientos anuales de biomasa.

2. La composición bioquímica pueden modificarsefácilmente variando las condiciones ambientales y/ola composición del medio de cultivo.

3. Bajo ciertas condiciones, muchas especies demicroalgas pueden acumular en altas concentracionescompuestos de interés comercial, tales como proteínas,

lípidos, almidón, glicerol, pigmentos naturales obiopolímeros.

Se han propuesto y desarrollado numerosasaplicaciones de las cianobacterias y microalgaseucariotas en diversos campos tecnológicos, en cultivomasivo o continuo, libres o inmovilizadas, vivas oprocesadas, algunas de las cuales se encuentran enplena explotación comercial. Existen publicacionesrelativamente recientes, compiladas en libros talescomo Microalgal Biotechnology /1/, Algal andCyanobacterial Biotechnology (Cresswell et al.,1990), Introduction to Applied Phycology(Akatsuka, 1990), o Microalgae. Biotechnologyand Microbiology /4/, donde se destacan lassiguientes aplicaciones:

Fig. 2 Diferentes usos de las microalgas.

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­ Acuicultura: Actualmente las microalgasconstituyen la principal fuente de alimento utilizada enla nutrición de moluscos, rotíferos y fases larvarias decrustáceos, siendo además utilizadas comocomplemento en las dietas de peces o como mediopara mantener la calidad del agua.

­ Tratamiento de agua: Las microalgas seemplean en el tratamiento de aguas residuales,detoxificación biológica y control de metales pesadosen aguas naturales o en aguas industrialmentecontaminadas.

­ Agricultura: Utilización de la biomasa microalgalcomo biofertilizante.

­ Biomedicina y farmacología: utilización endietas de adelgazamiento y tratamientos de heridas;algunas microalgas presentan efectoshipocolesterolémicos, actividad antibacteriana,antifúngica, inmunoreguladora y antitumoral.

­ Alimentación humana y pienso animal: Lasmicroalgas representan una fuente de proteína ­Single Cell Protein – con posibles aplicaciones ennutrición humana, pero principalmente se utiliza comocomplemento de piensos animales. Los hidrolizadosproteicos son de gran utilidad en la industria médicofarmacéutica.

­ Industria química y alimenticia: Producción desustancias de interés comercial, tales como vitaminas,pigmentos, fitol, aminoácidos, polisacáridos, glicerol,enzimas, promotores de crecimiento en industrias defermentación; ceras, biosurfactantes, fosfolípidos ylecitinas, ácidos grasos esenciales y prostaglandinas,o la utilización de los lípidos algales para la producciónde combustibles líquidos.

Algunas sustancias de interésquímico farmacéutico

Existen numerosos productos de interés químico­farmacéutico que pueden extraerse a partir de célulasen cultivo de microalgas.

Se conoce que el extracto acuoso de Chlorellavulgaris tiene propiedades estimulantes sobre elcrecimiento de células y microorganismos. A partir dela clorofila extraída de diferentes especies de

microalgas, se obtiene un extracto con propiedadesantisépticas y desinfectantes; asimismo, se puedeobtener un hidrolizado proteico con propiedadesbioestimulantes de varias especies, y polisacáridosextracelulares ácidos con propiedadesinmunomoduladoras, principalmente a partir dePorphyridium cruentum.

Las cepas utilizadas para estos fines debenobtenerse a partir de colecciones de cultivoreconocidas, o bien depositarse en éstas, toda vezdescubierto un nuevo producto a partir de cualquiercepa local.

En el caso de los ejemplos de sustancias de interésquímico­farmacéutico citados, es relvante el uso deChlorella vulgaris Beijerinck, que pertenece a laclase Chlorophyceae; orden Chlorococcales(Chlorellales), familia Oocystaceae /5/ yPorphyridium cruentum Vischer, que pertenece a laclase Rodophyceae; orden Porphyridiales, familiaPorhyridiaceae (Vonshak, 1988). En este sentido,es de gran importancia considerar que en los paísestropicales la aclimatación en cultivos a cielo abierto,en condiciones climatológicas totalmente diferentesa las de su lugar de procedencia, con una temperaturamedia de 30±2 °C y altos niveles de irradiación solardurante todo el año, es un proceso lento, por lo que lascepas locales adquieren un valor relevante.

La biotecnología algal: conceptosbásicos y perspectivas

El uso y conservación de los recursos naturales esuno de los temas más abordados en los últimos años,debido a la preocupación creciente por la constanteagresión sobre el medio ambiente que provoca laactividad industrial y urbana.

Por otra parte, la mayoría de las drogas útiles parael hombre son de origen natural. Hasta hace algunosaños, la fuente primaria eran las plantas terrestres. Sinembargo, aproximadamente el 70 % del planeta estácubierto por agua, por lo que muchos organismosacuáticos han sido objeto de estudio y explotacióncomercial, fundamentalmente las macroalgas /6/;mientras que numerosas especies de microalgasrepresentan hoy un recurso natural no explotado.

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Debido a la importancia de estos microorganismosen la alimentación animal y humana, la utilidad de lassustancias que de ellas se extraen y el desarrollotecnológico alcanzado en esta área de investigación,han aparecido en trabajos recientes términos comoBiotecnología solar /7/ y Biotecnología algal /4, 8, 9/,que de cierta forma reflejan el interés por la evolucióntecnológica alcanzada, consecuencia lógica de unlargo proceso histórico que comenzó hace millones deaños cuando el hombre, espontáneamente, empezó autilizar las microalgas en su alimentación.

Una de las aplicaciones más interesantes de lasmicroalgas es la relacionada con las sustancias deinterés químico­farmacéutico, debido a la utilidadpráctica que éstas encuentran en biomedicina,farmacología, fitocosmética y en la industriaalimentaria.

A partir de diferentes especies de microalgas seextraen sustancias como vitaminas, pigmentos,alcoholes, aminoácidos, polisacáridos sulfatados,glicerol, ácidos grasos poliinsaturados, enzimas,extractos acuosos reguladores del crecimiento, ceras,biosurfactantes, fosfolípidos, lecitinas, betaínas yprecursores de prostaglandinas, dependiendo de lasque sean capaces de sintetizar.

Algunas sustancias poseen efectos terapéuticoscomo: cicatrizantes, inmunorreguladores,anticancerígenos, tensorreguladores, antiinflamatorios,hipocloesterolémicos, entre otros /1, 9, 10/.

La multiplicación de los descubrimientos en elcampo de la Bioquímica, la Genética, la Biologíamolecular y celular desde mediados del 60 a los 80,hizo posible la aparición de una nueva biología. Cabemencionar la revolución en el campo de la Bioquímicaen lo que a la enzimología respecta (elucidación deestructuras y funciones de enzimas, así como suutilización industrial e inmovilización); eldescubrimiento de técnicas de modificación ytransferencia de ADN entre organismos; en el campode la virología las investigaciones sobre bacteriófagos;investigaciones relacionadas con la genética moleculary el desarrollo de técnicas de la ingeniería genética.

En 1978, la Federación Europea de Biotecnologíaadoptó la siguiente definición de Biotecnología:

"Las Biotecnologías permiten, gracias a laaplicación integrada de los conocimientos y las técnicasde la bioquímica, la microbiología, la genética y laingeniería química; aprovechar en el plano tecnológicolas propiedades y posibilidades de los microorganismosy de los cultivos celulares.

Las biotecnologías ofrecen la posibilidad de producir,a partir de recursos renovables y disponibles enabundancia, gran número de sustancias y compuestosesenciales para la vida y para mejorar la condición delhombre. Aplicadas a escala industrial, lasbiotecnologías constituyen la Bioindustria".

La bioindustria, comprende, por una parte, lasactividades industriales en las que la biotecnologíaremplaza a las tecnologías convencionales; por ejemplo,la síntesis de sustancias aromáticas, productos textiles,producción de etanol e hidrógeno; y por otra, lasactividades en las que la biotecnología desempeña lafunción motriz esencial, como la producción delevaduras, algas y bacterias, con el objetivo desuministrar proteínas, amino ácidos, vitaminas yutilización de enzimas, vinculado todo ello con laindustria alimenticia; la clonación y selección devariedades de cultivos, bioinsecticidas; vinculado a laproducción agrícola; síntesis de hormonas, interferonesy antibióticos, relacionados con la industriafarmacéutica y el tratamiento de aguas residuales,vinculado a la protección del medio ambiente.

En 1987, el Consejo Nacional de DesenvolvimientoCientífico y Tecnológico de Brasil, publicó algunasdefiniciones sobre biotecnología:

1. "Es el uso de actividades biológicas en el campode los procesos tecnológicos y de la producciónindustrial y consiste en la puesta en práctica de lamicrobiología y la bioquímica en función de la químicaindustrial y la ingeniería de fabricación.

2. La aplicación de organismos, sistemas o procesosbiológicos en las plantas industriales y el sector de losservicios.

3. Uso de un proceso biológico en el que se recurrea células microbianas, vegetales o animales, o a suspartes para obtener bienes y servicios.

4. Ciencia de los procesos productivos basada enla acción de los microorganismos y sus constituyentes

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activos y procesos que funcionan en las células ytejidos de los organismos superiores.

5. La concepción, optimización y transposición agran escala de procesos bioquímicos y celulares parala producción industrial de productos útiles y suscorrespondientes aplicaciones.

6. Conjunto de procesos industriales que involucransistemas biológicos.

7. El uso de organismos vivos o sus constituyentesen procesos industriales.

8. Transformación industrial de materiales porparte de microorganismos u otros agentes biológicoscon fines productivos o bienes y servicios.

9. Uso integrado de la bioquímica, microbiología eingeniería para lograr una aplicación tecnológica(industrial) de las capacidades de los microorganismos,de cultivos celulares, tejidos y sus partes.

10. Aplicación de la bioquímica, biología,microbiología e ingeniería química a los procesos oproductos industriales, incluyendo aquellos relacionadoscon la salud, energía y agricultura y al medio ambiente.

11. El uso de sistemas celulares para la obtenciónde productos o desarrollo de procesos industriales.

12. Aplicación de principios científicos eingenieriles al tratamiento de materiales para producirbienes y servicios mediante agentes biológicos.

13. Es cualquier técnica que usa microorganismosvivos o sus partes para obtener o modificar productos,mejorar plantas y animales o desarrollarmicroorganismos para usos específicos".

De todas las definiciones pudiera resumirse, que labiotecnología es un campo de acción interdisciplinario,donde encuentran aplicación fundamental labioquímica, la microbiología, la biología y la ingenieríaquímica, permitiendo el desarrollo de tecnologíasidóneas para el dominio de los sistemas biológicos enbeneficio del hombre.

Existieron etapas esenciales en el surgimiento dela biotecnología y sus especializaciones. En 1953Sanger establece la estructura completa de la insulina,y Watson y Crick, demuestran que el ADN tieneestructura de doble hélice. En 1963, Nirenberg, descifrala clave genética "El mensaje hereditario", la relaciónclave genética y estructura proteica.

En 1967 se automatiza la determinación deestructuras proteicas basadas sobre las técnicas deanálisis de Sanger y el método de degradación deEdman y Begg. En 1978 Dayhoff y Eck comercializanestos aparatos, y ese año se determina la secuenciaaminoacídica de más de 500 proteínas,confeccionándose un "Atlas". Comienzan adesarrollarse técnicas de determinación de ADN. En1980, Hood y Hunkapiller, del Instituto de Tecnologíade California, perfeccionan el microanalizador deproteínas, lo que permite establecer la secuencia de100 a 200 aminoácidos por día a partir de 10 ng deproteínas. En 1981 Gilbert, Maxam y Sanger, en laUniversidad de Harvard, elaboran un método rápidode análisis del ADN; se hace posible determinar lasecuencia de 1 000 nucleótidos por semana con unsólo operador. El equipo se comercializa entre 1982­1985.

Ya se habían vencido dos etapas de análisis (60­70/70­80) y la tercera debía ser la de la síntesis. En1963 Merrifield sentó las bases para la construccióny comercialización de las primeras máquinasautomáticas de síntesis de polopéptidos. De 1970 a1972, Khorana sintetiza ADN; en 1977 Itakura sintetizagenes de la somatostatina, los que fueron introducidosen células de E. coli, por técnicas de recombinacióngenética, perfeccionadas por Boyer; quedademostrado, por primera vez, la expresión de geneshumanos en células bacterianas. La síntesis sedesarrolla sobre soportes sólidos, y en 1980 Itakuradesarrolla el primer ensamblador de genes.

Todos estos progresos técnicos determinaron elavance de los conocimientos biológicos y sentaron lasprimeras bases para el surgimiento de la biotecnología;pero corresponde, por medio de la integración dematerias afines, de conocimientos sólidos, formar lasbases de nuevas biotecnologías o mejor, nuevasespecializaciones dentro de la biotecnología,coherentes, con fuerza y vida propias; éstas han detener carácter singular, y deben sustentarse ensistemas biológicos que funcionen de modo natural, noartificial, y cuyos mecanismos bioquímicos metabólicosse dominen en provecho del hombre.

Albert Sasson en 1984 planteó que uno de losprocesos biotecnológicos más antiguos, por no serabsoluto, era la fermentación microbiana, ya que en

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1891, en una tablilla babilónica que data de 600 añosa. de C., se descubre la preparación de la cerveza.Los sumerios fabricaban 20 tipos de cerveza en el 3ermilenio a. de C. Hoy podemos hablar de una de lasmás nuevas de las biotecnologías: La biotecnologíasolar o algal, y no por ello se puede negar su antigüedad.El término como tal aparece en 1987, citado por loscientíficos radicados en Canadá, De Paw y De laNoüe.

En un sentido amplio puede definirse como latecnología de cultivo y explotación de microorganismosfotosintéticos, donde las algas microscópicas tienenun papel preponderante.

De esta forma, la biotecnología algal (ex situ o insitu), a gran escala, puede ayudar a reducir lasconcentraciones globales de CO2 y al mismo tiempoproveer una fuente ilimitada de biomasa, la cual puedeser un instrumento en la transformación de la industriade los combustibles fósiles, a la basada en fuentes deenergía renovables. Sin embargo, existe una tendenciaa la explotación de especies productoras de sustanciasterapéuticas muy valiosas, suplementos nutricionalesque combinen en su modo de acción algún beneficioterapéutico y biomasa rica en vitaminas.

De forma general, se puede hacer referencia a lasventajas de este campo de acción interdisciplinario:

1. Se pueden hacer cultivos continuos, por lo quehay una producción importante de biomasa por área.

2. Las microalgas contienen poco materialestructural y alto contenido proteico, de carbohidratos,lípidos y vitaminas.

3. Son inocuas y comestibles.4. Muchas especies de microalgas pueden crecer

en aguas hipersalinas, lo que permite elaprovechamiento de zonas semiáridas u oceánicas,con alta radiación solar, no útiles para otros fines.

5. La biomasa ofrece muchas posibilidades; es uncultivo muy versátil.

No obstante, existen requerimientos esencialespara el desarrollo de la biotecnología algal:

1. Inversión inicial en equipamiento y construccióncivil.

2. Suministro de nutrientes y Regulación de lascondiciones de cultivo.

3. Extracción de las algas o cosecha.

4. Secado para su almacenamiento y distribución.

5. Extracción de bioderivados de interés hastaproducto terminado.

Los procesos biotecnológicos son creadores denuevas industrias con bajas demandas energéticas, ytienen orientación práctica hacia la búsqueda del éxitocientífico y económico.

Sin embargo, uno de los problemas que enfrenta laBiotecnología algal es el costo de los medios de cultivode las microalgas. El medio de cultivo puede constituirhasta el 75 % del costo de un producto; de aquí que lautilización de residuales sea importante en labiotecnología algal. Las aplicaciones, tanto en laalimentación, biomedicina y farmacia, así como laproducción de energía, valorizan el proceso. Noobstante, la utilización de residuales deja de ser unaalternativa en aquellos procesos en que las buenasprácticas exigen un producto ̈ limpio¨ desde el iniciodel proceso productivo.

Antecedentes históricos del uso delas microalgas

En 1980, el microbiólogo holandés Beijerickestablece cultivos puros de una microalga de aguadulce: Chlorella vulgaris. Algo más tarde, OttoWarburg (1919) consiguió en laboratorio cultivosdensos de Chlorella, e introdujo la idea de utilizarestos cultivos como una herramienta de trabajo en elestudio de la fotosíntesis. Los cultivos de microalgashan sido estudiados por numerosos investigadores,observándose que bajo condiciones de cultivoadecuadas, especialmente a una intensidad desaturación, son mucho más productivos que las plantassuperiores o las células fotoautotróficas aisladas delas mismas /11/.

El concepto de producción masiva de microalgasse llevó a cabo por primera vez en Alemania durantela II Guerra Mundial, dirigido a la producción delípidos, para lo que se utilizaron las microalgas Chlorellapyrenoidosa y Nitzchia palea /11/.

Despues de la II Guerra Mundial comenzó aconsiderarse la biomasa microalgal como un

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suplemento importante e, incluso, capaz de reemplazara las proteínas animales o vegetales convencionalespara consumo directo del ganado o del hombre,acortando la ineficiente cadena alimenticia proteica.

En la década de los 50, en Alemania Occidental,comenzaron los trabajos sobre el cultivo deScenedesmus acutus /12/, en los que se planteaba lautilización del CO2 producido en la región industrial delRhur. Estos trabajos fueron continuados por Soeder ysu grupo, que realizaron importantes aportes al cultivomasivo de microalgas /11/. También, a comienzos delos años 50, Oswald y colaboradores de la Universidadde California, Berkeley, sugirieron la utilización decultivos masivos de microalgas para tratamiento deaguas residuales y producción de proteína,simultáneamente (1975). Oswald y Golueke (1960)desarrollaron, asimismo, sistemas de producciónmasiva de algas para la bioconversión de la energíasolar en metano.

En los años 60 se destacan los trabajos realizadossobre la producción masiva de microalgas en Trêbon(República Checa) /11/.

En la década del 80 se establecen numerosasindustrias para la producción de microalgas, sobretodo de Spirulina y Dunaliella, en Taiwan, Tailandia,California, Australia, Hawai e Israel. La producciónde Dunaliella aparece como una de las másprometedoras, por sus contenidos en ß­caroteno y suspropiedades terapéuticas /1, 11/.

En años recientes, los desarrollos tecnológicospara la producción masiva de microalgas han sidosignificativos en todo el mundo. El resultado prácticode este cultivo masivo, en el contexto de producciónde microalgas para la alimentación, es el desarrollo deuna floreciente industria de Chlorella en Japón yTaiwan. Esta microalga se utiliza para la manufacturade tabletas, extractos y otros alimentos dietéticos,para los que existe en Japón un mercado bienestablecido.

En Taiwan, se han utilizado Chlorella ellipsoideay Chlorella pyrenoidosa con un rendimiento de 25­30 g/m²/día. En Asia, actualmente existen numerosasfactorías para la producción masiva de microalgas deagua dulce para la alimentación, principalmenteChlorella sp.

El desarrollo de la tecnología de cultivos algales haavanzado mucho hasta nuestros días, y Cuba se haintegrado a estos estudios, teniendo en cuenta losbeneficios que éstos, de forma general, reportan aldesarrollo de la acuicultura. Se conoce, que el desarrollode la acuicultura depende, en gran medida, de unaexitosa producción de la semilla de siembra, es decir,los alevines y las larvas precriadas, donde el uso demicroalgas, directa o indirectamente, ha sido de granimportancia.

Los microorganismos fotosintéticos se hanagrupado tradicionalmente en las categorías debacterias fotosintéticas y microalgas. Lascianobacterias suponen una de las principalescontribuciones para la biotecnología microalgal; porende, el término microalga no tiene sentido taxonómicoalguno, y dentro del mismo se pueden incluir organismoscon dos tipos celulares: las cianobacterias, que tienenestructura celular procariota, y las restantes microalgascon estructura celular eucariota.

En la actualidad, las microalgas tienen una vastaaplicación en varias vertientes de la vida humana; seutilizan como suplementos dietéticos, en medicina,farmacéutica, en la industria de los cosméticos, en labúsqueda y obtención de nuevos combustibles, para laalimentación de aves de corral, cerdos, rumiantes, yen la acuicultura, en la alimentación de peces y dezooplancton, siendo numerosas las investigacionesque citan la obtención de mayores índices de produccióncon el uso de alimento vivo.

Utilización de residuales en labiotecnología algal

En los procesos relacionados con el tratamiento deresiduales, son importantes las Single Cell Protein(SCP) o proteínas de origen unicelular, lainmovilización de enzimas e ingeniería genética. Parapoder ser utilizados como substratos, los residualesdeben reunir ciertas características:

1. Disponibilidad a lo largo de todo el año (lasindustrias estacionales son problemáticas, por lo quees recomendable generar sistemas diversificables).

2. Que sean fermentables.

3. Bajo costo.

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Es importante tener en cuenta la transiciónRESIDUO­SUBPRODUCTO­RECURSO; puestoque en cuanto un material cobra utilidad, se valoriza yencarece el proceso a posteriori. Las estrategiasdependen de la situación socio­económica particulary la tradición del país. Entre los residuos valiosos estánlas melazas, el suero lácteo:

1. Lejías bisulfíticas (industria del papel).2. Residuos celulósicos.3. Quitina de exoesqueletos.4. Almidón (agua de lavar patatas).

Durante las Guerras Mundiales aparecieronmuchas industrias de las llamadas SCP, hoydesaparecidas o muy desarrolladas. En esa época, losregistros farmacéuticos no tenían sentido práctico y,al igual que en la prueba de la vacuna de la Malaria,que fue posterior, los primeros en testar los resultadosfueron los soldados. A diferencia de aquellos tiempos,hoy se busca obtener sustancias o productos conmayor valor añadido.

El término SCP o POU (Proteína de OrigenUnicelular) fue acuñado por el M&T (Instituto deInvestigaciones Tecnológicas de Massachusetts) enlos años 70, y su éxito se debe a que eliminaba lapalabra microorganismo, comúnmente asociada apatología, por lo que más que nada constituyó unrecurso lingüístico; SCP puede ser la biomasa o unextracto proteico.

Los factores que despertaron el interés en las SCPfueron: el miedo a que se agotaran las fuentesconvencionales de proteínas, el interés ecológico y eldescubrimiento de que los microorganismos sedesarrollaban sobre el petróleo.

Tradicionalmente los microorganismos más usadosen el cultivo sobre residuales han sido las levaduras(Sacharomyces, Klyveromyces y Candida,específicamente un mutante de gran tamaño que seseparaba por decantación); microhongos, microalgas,bacterias, que por normativas sanitarias están endesuso; cultivos mixtos, y en general microorganismosGRAS (Generally Recognized as Safe), listados por elPAG (Protein Advisory Group) de la FAO.Actualmente, esta industria se desarrolla para destinarla biomasa producida a la alimentación animal.

En resumen, las características generales de losmicroorganismos utilizados son:

1. Características nutricionales favorables:

Proteínas: Debe tener 35­60 % de proteínas. Laestimación no debe hacerse por el valor de 6,25; puesse sobrestima, ya que 10­15 % del nitrógeno noproteico se incluye y corresponde a bases nitrogenadasy N­acetil glicosaminas; el Bradford traeinterferencias, cuantificado por Lowry, solubilizandopreviamente en medio alcalino.

Aminoácidos esenciales: Tienen generalmentemucha lys y poca met. Las dietas ricas en cerealespueden complementarse, pues son deficitarias en lys.Existen levaduras mutantes ricas en met.

Vitaminas: Casi todos son ricos en vitaminas delcomplejo B, entre otras.

Glutatión y otros factores que potencian la acciónde la insulina.

Ácidos nucleicos: Se requiere que tengan uncontenido bajo; la mayoría de los microorganismospresentan este inconveniente, como las bacterias (20%), las levaduras (10 %), microalgas (4 %),microhongos 5 %. Existen metodologías de extracciónque encarecen el producto, pero con los nucleótidosresultantes se puede potenciar sabores (saborizantes),y valorizar así el residuo obtenido.

2. Buena digestibilidad, lo cual va muy unidoal valor nutritivo. Existen varios métodos paraaumentar la digestibilidad de la biomasa: enzimático,químico y mecánico. Para valorar la digestibilidad invitro, existe actualmente el índice de digestibilidadHSU, con el que se valora la velocidad de variacióndel pH.

3. Aceptabilidad. Es importante la textura, quees muy buena en el caso del microhongo Fusariumsemitectum, que aparece en el maíz. La aceptabilidades la conjugación de apariencia, color, olor, sabor. Enlas algas se ha visto que la aceptabilidad es mayorcuando disminuye el color verde intenso que éstaspresentan.

4. Ausencia de toxicidad. Las pruebas sonlargas y costosas, desde 6 semanas (toxicidad aguda)

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hasta los estudios multigeneracionales (15generaciones). No deben producir productoscancerígenos.

5. Bajos costos. La SCP debe competir con laharina de pescado y la harina de soja.

Requerimientos de los microorganismos que crecensobre residuales:

1. Capacidad de crecimiento sobre variasfuentes de carbono (los efluentes tienen composiciónvariada y variable).

2. Gran eficiencia de conversión de substratoen biomasa.

3. Crecimiento a temperaturas elevadas y pHextremos. Esto elimina la necesidad de refrigerar, queencarece mucho, junto con la aireación del proceso;además evita la contaminación al trabajar cerca de losextremos. Esto ofrece también la ventaja de realizarcultivos intensivos a cielo abierto.

4. Recogida simple de biomasa (decantación,filtración, floculación, centrifugación, en este ordende preferencia).

Ejemplos de producciones de SCP

Candida lypolítica (TROPINA); Methylophilusmethylopha (PRUTEEN); Hansenula anomala,Candida utilis, Klyveromyces, Paecilomycesvarioti, Chlorella vulgaris, Scendesmusquadricauda, Nizchia palea; siendo las tres últimasespecies de microalgas.

Cultivo de Chlorella vulgaris yPorphyridium cruentum

De forma general, el mantenimiento de las cepasse logra mediante cultivos “stock”, que se doblanperiódicamente para mantener el crecimiento en faselogarítmica.

Los cultivos de C. vulgaris a escala de laboratorio,crecen de forma adecuada con una iluminación de 70­150 µmoles fotón m­2 s­1, proporcionada por tubosfluorescentes DAYLIGHT MAZDAFLUOR TF40/36W, con ritmo nictimeral 12:12, a temperaturaambiente o en cámara con temperatura controlada

(18±2 ºC) y aireación constante a un flujo promedio de2 L/ min­1, siendo la última alternativa la más factible,ya que garantiza reproducibilidad en los experimentos.

Como medio de cultivo utilizado para elmantenimiento y desarrollo de los cultivos, puede serusado el sugerido por Brown /13/ modificado.

En el caso del P. cruentum, el medio idóneo es elpropuesto por Vonshak /14/, y puede someterse a lasmismas condiciones de aireación e iluminación descritaspara Chlorella.

Productos de interés químico-farmacéutico, obtenidos a partir deChlorella y Porphyridium

Obtención del extracto acuoso de Chlorellavulgaris, Beij.

Se prepara una suspensión homogénea a partir debiomasa seca en polvo de C. vulgaris, 20:250 (P: V).Esta suspensión se somete a un tratamiento térmicobreve a una temperatura próxima a la ebullición; secentrifuga durante 20 min a 2 800 g. El sobrenadantese separa de la biomasa y se somete a una segundacentrifugación para eliminar restos celulares. Elextracto se congela a ­20 °C y se liofiliza.

El extracto acuoso obtenido a partir de C. vulgaris(EC) tiene una concentración proteica superior a la decarbohidratos, mientras que los ácidos nucleicosrepresentan el 9 % del residuo sólido del extracto. Porotra parte, el extracto contiene Na, K, Mg, Cu, Zn ytrazas de Fe, Ni y Mn; además, una mezcla deaminoácidos libres y tres péptidos de bajo pesomolecular, capaces de permanecer en solución apesar de las temperaturas alcanzadas durante elproceso de obtención, que le confieren valiosascualidades nutritivas para los organismosorganotróficos, ya que, de forma general, el mediofunciona como un material proteico parcialmentedigerido; ello, además de la contribución de los hidratosde carbono y el aporte de sales minerales.

Por otra parte, el análisis de aminoácidos libres enel extracto crudo permite detectar la presencia de tresaminoácidos esenciales: lisina, histidina y leucina,además de una concentración importante de ácido

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glutámico, significativamente superior al resto de losaminoácidos presentes en el extracto; siendoimportante además el contenido de alanina, prolina,aspártico y serina; sin embargo, existe un déficit delresto de los aminoácidos.

Los medios de cultivo naturales son ricos encompuestos solubles orgánicos e inorgánicos, y muyprácticos por su fácil obtención y aplicabilidad industrial,a pesar de su variable composición. Los extractoscrudos pueden contener, según la especie de microalgay su composición específica: carbohidratos,aminoácidos, péptidos, proteínas, vitaminas y otrosfactores de crecimiento, en proporciones variables, loque está estrechamente relacionado con la metodologíade extracción y las condiciones de cultivo.

Obtención del extracto hidroalcohólico decuproclorofilinas (EHC) de Chlorellavulgaris Beij.

Para la extracción de las clorofilas y la obtencióndel extracto hidroalcohólico de cuproclorofilinas apartir de éstas, se sigue un flujo operativo relativamentesencillo. La materia prima es un extracto alcohólicode pigmentos obtenido a partir de la biomasa húmedao seca de cualquiera de las dos especies de microalgas.

La extracción alcohólica se hace con alcohol al96 % durante 1h a temperatura ambiente, con agitaciónconstante y en condiciones de semioscuridad. Despuésde centrifugar, el sobrenadante se somete a unahidrólisis alcalina, con el objetivo de romper la cadenafitólica, para lo que se utiliza una solución de hidróxidode sodio. Se hace una partición con éter de petróleo,y después de separar las fases, se hace un tratamientoácido a la fase alcohólica con una solución de ácidooxálico; con este tratamiento se elimina el átomocentral de magnesio para sustituirlo luego por el decobre, para lo cual se utiliza una solución al 50 % deCuSO4.

La fase alcohólica clarificada se rotaevapora.Con este paso se eliminan las trazas de metanol quepueden quedar en la solución como consecuencia dela hidrólisis del anillo de ciclopropanona de la moléculade clorofila. El extracto obtenido se esteriliza porfiltración en un filtro bacteriológico Sartorius conmembrana de acetato de celulosa Nuflow (Oxoid) de0,2 µm.

El extracto hidroalcohólico de cuproclorofilinas hasido evaluado como desinfectante y antiséptico. ElEHC es más efectivo que el alcohol al 70 % frente amicroorganismos tales como: Staphylococcusaureus, Salmonella typhimurium, Escherichia coliy Pseudomonas aeruginosa, y tan efectivo como elfenol al 2 % para E. coli y P. aeruginosa.

El extracto es activo como desinfectante,garantizando la acción letal en 5 min de exposición enpresencia de interferencias como jabón y/o proteínas,contaminantes comunes en cualquier proceso dedesinfección; asimismo, es efectivo en la desinfecciónquímica de las ropas. Sin embargo, el inconvenientefundamental es que, además de su accióndesinfectante, actúa como colorante, lo cual esimportante tener en cuenta para su posible aplicación.

El EHC al 0,7 % en solución hidroalcohólica actúacomo un desinfectante de amplio espectro con untiempo de acción letal de 5 min, con el que se garantizaun 100 % de muerte después de 1 min de exposición.

La obtención de un extracto de cuproclorofilinas apartir de microalgas ofrece las ventajas inherentes dela materia prima, referido a productividad, rendimientoy fácil extracción. Por otra parte, valoriza la biomasa,puesto que la materia prima para su obtención es unsubproducto del proceso de obtención de tabletas apartir de biomasa miroalgal.

Obtención del hidrolizado proteico deChlorella vulgaris, Beij.

Se prepara una suspensión al 10 % de biomasaseca y despigmentada de C. vulgaris; ésta se sometea hidrólisis enzimática durante 4 h con pancreatina (20µmoles Tyr min­1 por gramo de biomasa), a 37 °C, enun baño con temperatura controlada y agitacióncontinua. El pH se debe mantener entre 7,5 y 8 u. Lareacción se detiene por calentamiento a 100 °Cdurante 15 min, y la mezcla resultante se centrifuga a4 000 rpm, 10 min, separando el sobrenadante; éste seconcentra bajo presión reducida en un rotaevaporadorhasta un 10 % de materia seca y se somete a unsecado por aspersión.

Según criterios especializados, la hidrólisisenzimática de las proteínas celulares constituye una

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de las tendencias más prometedoras para incrementarla digestibilidad de la biomasa algal. La hidrólisisrepresenta una opción para obtener biopreparadosricos en aminoácidos libres y péptidos con diferentespesos moleculares, que pueden ser empleados encosmetología, en la formulación de productosbioestimulantes y alimentos especiales.

Los carbohidratos constituyen aproximadamenteel 15 % del hidrolizado proteico de C. vulgaris,mientras que las sales minerales hacen un aporte del10 %; la relación N­amínico/N­total presenta un valorsuperior al 40 %, lo que resulta apropiado para unaasimilación eficiente del producto. Por otra parte, elhidrolizado contiene una mezcla significativa deaminoácidos libres y péptidos de bajo peso molecular.Es importante la concentración de lys, aminoácidolimitante en cereales; además, éste es rico en gly, ala,glu y asp, clasificados como “dulces”, al contribuircon las propiedades organolépticas de loshidrolizados /15/.

El hidrolizado estimula de forma eficiente elcrecimiento de diferentes especies de bacterias, hongosfilamentosos y levaduras.

Obtención de polisacáridos sulfatados apartir de Porphyridium cruentum, Visch.

El cultivo se desarrolla hasta la fase estacionariade crecimiento; posteriormente, se separa porcentrifugación la biomasa, y el sobrenadante se tratacon cloruro de cetil­piridinio al 10 % para precipitar lospolisacáridos ácidos exocelulares.

La fracción precipitada se disuelve con cloruro desodio 4 M, y posteriormente se dializa durante 12 hcontra agua destilada. El dializado se precipita conetanol al 70 % y el precipitado se seca en estufa a80 °C hasta peso constante.

Los efectos promotores de la salud humanaatribuidos a las algas se han relacionado con laactivación de los mecanismos de proteccióninmunitaria, inherentes al organismo por sustanciasnaturales de elevado potencial terapéutico, resultandode una importancia especial los polisacáridos.

La fracción polisacarídica PC­I, aislada a partir decultivos de P. cruentum, y administrada

intraperitonealmente de forma repetitiva a ratones dela línea Balb/c, estimula las funciones de losmacrófagos peritoneales. Dicha fracción, en unadosis de 50 µg/ratón, incrementó de forma significativael número de células del exudado peritoneal,observándose, además, cambios en su morfología.

Por otra parte, los niveles de actividad de la enzimafosfatasa ácida lisosomal se incrementaron, sugiriendouna posible estimulación de la actividad metabólica yfuncional de las células del sistema fagocitario. Puedecitarse además que no se reporta la aparición degranulomas ni otras alteraciones macroscópicas enlos sitios de inoculación y, en algunos casos, se haobservado un ligero incremento de la masa esplénica/15/.

Usos de las microalgas: aspectos deinterés

Durante las últimas décadas, la utilización de lasmicroalgas ha ganado interés. Éstas han sido utilizadascomo modelo biológico en la investigación fundamentalpor su flexibilidad metabólica y característicasfisiológicas.

El desarrollo de la biotecnología microalgal hapermitido, no sólo el desarrollo a escala comercial decultivos de nuevas especies, sino la ampliación de lalista de aplicaciones de estos microorganismos y lassustancias de interés químico, farmacéutico e industrialque de ellas se extraen.

La microalga C.vulgaris ha sido una de las especiesmás estudiadas en investigaciones relacionadas conla extracción de sustancias biológicamente activas,por las cualidades de su biomasa y la versatilidad desus cultivos. De forma particular, la industria deexplotación de Chlorella se ha desarrollado en Japóny Taiwan, destinando la biomasa, fundamentalmente,a su uso como suplemento dietético y, en general, parala salud /16/.

En los últimos años han aparecido trabajos sobrela aplicación en biomedicina de los extractos acuososde esta microalga /17­19/; Chlorella vulgaris crecerápidamente a elevadas temperaturas y toleravalores de 37 °C, en condiciones de cultivo a cieloabierto.

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En condiciones normales de cultivo, la biomasaseca de Chlorella, obtenida a partir de cultivos a cieloabierto, puede llegar a tener un contenido proteico del50­56 %, por lo que constituye una fuente valiosa deSCP con excelente calidad nutricional.

Aunque ofrece grandes ventajas desde el punto devista nutricional, la biomasa utilizada para laalimentación debe ser sometida previamente atratamientos adecuados de disrupción celular, con elobjetivo de exponer las proteínas celulares a la acciónde enzimas proteolíticas, facilitando así sudigestibilidad; esto se debe a que al igual que lamayoría de las especies pertenecientes a la claseChlorophyceae, las células de Chlorella vulgarispresentan una pared celular celulósica rígida, quedificulta su digestibilidad por animalesmonogástricos /4/.

La utilización de los pigmentos no ha sido deinterés comercial, por el contrario, los feofórbidospresentes en la biomasa procesada constituyen unalimitación para su utilización, ya que éstos producen,después de su ingestión, irritaciones de la piel enhumanos debido a fenómenos de fotosensibilización.

El Ministerio de Salud de Japón ha fijado el límitede feofórbidos en productos de Chlorella, en 100 mgpor 100 g de alga /10/; de aquí que sea necesariodespigmentar la biomasa destinada a la elaboraciónde tabletas, lo que además de minimizar el riesgo deexceder los límites de feofórbidos, mejora laaceptabilidad de las tabletas elaboradas a partir deesta microalga.

Estos son algunos resultados de las investigacionessobre bioderivados obtenidos a partir de microalgas;sin embargo, este campo es muy amplio e interesante,teniendo en cuenta la potencialidad de estosmicroorganismos, su rápido crecimiento, eficiencia deutilización de la luz solar y la versatilidad de loscultivos, al permitir la obtención de varios bioderivadosen un proceso único.

Por otra parte, las microalgas son útiles en laalimentación animal y el tratamiento de residuales,como biofertilizantes y acondicionadores de suelos;desde el punto de vista ecológico, su cultivo a escalacomercial, a cielo abierto constituye una forma de

conservar la biodiversidad ex situ y una alternativa dela reforestación en cuanto a la evolución de oxígeno,contribuyendo a la minimización del efecto invernadero.Es por ello que representan un campo de actividadfundamental, sumamente atractivo.

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