Las mediciones de la fase gaseosa volátil brindan señales cuando las algas cultivadas para productos sostenibles están siendo amenazadas.
Los perros bien entrenados son bien conocidos por usar su agudo sentido del olfato para identificar explosivos, contrabando e incluso ciertas enfermedades. Ser capaces de automatizar tales habilidades de detección podría ser útil en una variedad de entornos, desde aeropuertos hasta edificios públicos.
Ahora, los químicos de la University of California San Diego han desarrollado una tecnología para monitorizar la salud de los cultivos de algas, una de las fuentes más prometedoras del mundo para productos sostenibles que se están desarrollando para contrarrestar los problemas globales derivados de los contaminantes de combustibles fósiles y el desperdicio de productos.
Los investigadores colaboraron con un proyecto del Departamento de Energía han desarrollado una técnica de medición en tiempo real que podría ahorrar cientos de millones de dólares en pérdidas de biomasa de algas.
“Para tener suficientes algas para suministrar materiales renovables, biocombustibles, bioplásticos y nutracéuticos, debemos encontrar formas de aumentar la producción y el rendimiento de algas”, dijo Robert Pomeroy, autor principal del estudio y miembro del Departamento de Química y Bioquímica.
“Mantener las algas saludables es una forma de lograrlo. No podemos perder acres de estos cultivos”.
El método económicamente más competitivo de cultivar algas es hacer crecer los diminutos organismos acuáticos en estanques “raceway” a gran escala. Sin embargo, la producción de biomasa en sistemas abiertos deja al cultivo vulnerable a la contaminación por una variedad de invasores microscópicos.
Los organismos infecciosos que se pastorean las algas incluyen a virus, bacterias y hongos, que pueden diezmar los cultivos de algas en horas.
El equipo de UC San Diego desarrolló un nuevo método para evaluar gases volátiles, que son compuestos orgánicos emitidos a menudo por procesos microbianos.
CIMS
Usando un instrumentos desarrollado en el laboratorio de la profesora Kimberly Prather de UC San Diego, los investigadores idearon una forma automatizada de realizar mediciones en tiempo real de gases volátiles utilizando una técnica conocida como espectrometría de masas de ionización química, o CIMS, un método previamente utilizado en medicina, defensa y control de drogas.
La tecnología monitoriza continuamente la salud normal de las algas al rastrear sus emisiones de gases volátiles a través de su ciclo de crecimiento y floración.
Cuando los organismos invasores o los depredadores atacan e inducen el estrés, esto resulta en un cambio en las firmas de gases volátiles.
Usando CIMS, los científicos demostraron que pueden detectar instantáneamente la disrupción y alterar a los cultivadores de algas para que tomen medidas con la finalidad de salvar el cultivo.
“Si conoces que hubo un ataque al cultivo, por parte de insectos o bacterias, entonces podrás mitigar el daño o cosechar antes de que se produzca algún daño”, dijo Pomeroy, quien trabaja con el químico Mike Burkart y el biólogo Steve Mayflied en el programa Food and Fuel for the 21st Century.
“Las bacterias están diseñadas para atacar y comer las algas y su crecimiento es exponencial. Podrías estar bien un día con bonitas algas verdes y al día siguiente es un desastre de barro marrón. Así que esto no es como perder el 10 por ciento de su cosecha de trigo: de la noche a la mañana podría perder toda la cosecha de algas”.
El sistema CIMS, anotaron los investigadores en sus experimentos, detectó la contaminación del pastoreo por organismos infecciosos 37 a 76 horas antes que los métodos de monitoreo tradicionales que se han usado por años, incluida la microscopía y la fluorescencia.
Los investigadores desarrollarán más estudios para mejorar más el CIMS para aplicaciones en el campo de las algas.
El profesor Prather es el director fundador del National Science Foundation (NSF) Center for Aerosol Impacts on Chemistry of the Environment (CAICE), un NSF Center for Chemical Innovation.
“En CAICE, uno de nuestros principales objetivos es desarrollar enfoques analíticos en línea únicos para detectar mezclas complejas en los sistemas biológicos y ambientales”, dijo Prather.
“Este es un excelente ejemplo de como la espectrometría de masa fue desarrollada para una aplicación diferente, la medición de las emisiones oceánicas de fase gaseosa, se está utilizando ahora para abordar un problema de relevancia social. Existen innumerables aplicaciones en los campos del medio ambiente y la salud sobre cómo estas mediciones de espectrometría de masas en línea se pueden utilizar para abordar problemas desafiantes”.
CIMS, indican los investigadores, podría adaptarse para monitorear la salud de otras fuentes valiosas, como el queso, la cerveza, anticuerpos monoclonales y ciertas carnes cultivadas en laboratorio, todas las cuales son susceptibles a los ataques de organismos infecciosos.
Referencia (acceso abierto):
Jon S. Sauer, Ryan Simkovsky, Alexia N. Moore, Luis Camarda, Summer L. Sherman, Kimberly A. Prather, Robert S. Pomeroy. 2021. Continuous measurements of volatile gases as detection of algae crop health. Proceedings of the National Academy of Sciences Oct 2021, 118 (40) e2106882118; DOI: 10.1073/pnas.2106882118
