Se requieren modelos de crecimiento de las algas marinas para el diseño eficiente de granjas sostenibles, económicamente viables y ambientalmente seguras.
Las grandes granjas de macroalgas (> 1 km) pueden proporcionar medios sostenibles y ambientalmente seguros para la producción de biomasa para las biorefinerías, sin expandir las tierras agrícolas o los requerimientos de agua dulce.
Un nuevo estudio de la Tel Aviv University y de la Berkeley University desarrolló un modelo multi-escala para el crecimiento de la macroalga Ulva sp. y el secuestro de nitrógeno en un granja de cultivo intensivo, regulado por la temperatura, la luz y los nutrientes.
El estudio destaca que el establecimiento de una granja de macroalgas cerca a los estuarios de los ríos reduce significativamente las concentraciones de nitrógeno en el río y previene la contaminación ambiental en arroyos y océanos.
El estudio fue liderado por el estudiante doctoral Miron Zulman, bajo el asesoramiento conjunto del Prof. Alexander Golberg de la Porter School of Environmental and Earth Sciences y el Prof. Alexander Liberzon de la School of Mechanical Engineering en Tel Aviv University. El estudio se realizó en colaboración con el Prof. Boris Rubinsky de la Faculty of Mechanical Engineering en la University of Berkeley.
Granja modelo de macroalga
Como parte del estudio, los investigadores construyeron una granja modelo para el cultivo de macroalga cerca del estuario del río Alexander, a cientos de metros del mar abierto.
El río Alexander fue elegido debido a las descargas de nitrógeno contaminante de los campos y asentamiento cerca del mar Mediterráneo.
Los datos para el modelo se recopilaron durante dos años a partir de estudios de cultivos controlados.
El “precio” del nitrógeno
Los investigadores explican que el nitrógeno es un fertilizante necesario para la agricultura, pero tiene un “precio” ambiental. Una vez que el nitrógeno llega al océano, se dispersa aleatoriamente y daña varios ecosistemas.
Como resultado, el estado actualmente gasta una gran cantidad de dinero en el tratamiento de las concentraciones de nitrógeno en el agua y existen acuerdos internacionales que limitan la carga de nitrógeno en los océanos, incluido el mar Mediterráneo.
“Mi laboratorio investiga los procesos básicos y desarrolla tecnologías para la acuicultura”, explica el Prof. Golberg.
“Estamos desarrollando tecnologías para el cultivo de algas marinas en el océano, con el fin de fijar el carbono y extraer de ellas varias sustancias, como proteínas y almidones, para producir también productos agrícolas en el océano”.
Un modelo de granja de algas
Según Golberg, el estudio demuestra que si las macroalgas se cultivan de acuerdo con el modelo que desarrollaron, en las proximidades de arroyos y estuarios de ríos, pueden absorber el nitrógeno para cumplir con los estándares ambientales y prevenir su dispersión en el agua y así neutralizar la contaminación ambiental.
“De esta forma, producimos una especie de ‘instalación de descontaminación natural’ con un significativo valor ecológico y económico, debido a que las algas pueden venderse como biomasa para uso humano” destacó.
Los investigadores añaden que el modelo matemático predice los rendimientos de la granja y vincula el rendimiento de las macroalgas y la composición química con la concentración de nitrógeno en el río.
“Nuestro modelo permite a los acuicultores marinos, así como a los organismos gubernamentales y ambientales, saber de antemano cuál será el impacto y cuáles serán los productos de una granja de algas marinas, antes de establecer una granja real” agregó Miron Zollman.
“Gracias a las matemáticas, sabemos cómo hacer los ajustes también en las grandes granjas agrícolas y maximizar los beneficios ambientales, incluida la producción de las cantidades de proteínas deseadas desde el punto de vista agrícola”.
“Es importante comprender que todo el mundo se está moviendo hacia la energía verde y que las algas marinas pueden ser una fuente importante”, agregó el profesor Liberzon, “y sin embargo, hoy en día, no existe una sola granja con la capacidad tecnológica y científica probada. Las barreras aquí también son científicas: no sabemos realmente cuál será el impacto de una gran granja en el ambiente marino. Es como pasar de un huerto fuera de la casa a un sinfín de campos de cultivo industrial”.
“Nuestro modelo proporciona algunas de las respuestas, con la esperanza de convencer a los responsables de la toma de decisiones de que dichas granjas serán rentables y respetuosas con el medio ambiente. Además, uno puede imaginar escenarios aún más trascendentales. Por ejemplo, la energía verde”.
Liberzon destaca que si supiéramos cómo aprovechar las tasas de crecimiento de la energía en mejores porcentajes, sería posible embarcarnos en un crucero de un año con kilogramo de algas marinas, sin combustible adicional más allá de la producción de biomasa en un ambiente marino.
“La interesante conexión que ofrecemos aquí es el cultivo de algas marinas a expensas del tratamiento del nitrógeno”, concluye el profesor Goldberg.
“De hecho, hemos desarrollado una herramienta de planificación para establecer granjas de algas marinas en los estuarios de los ríos para abordar los problemas ambientales y obtener los beneficios económicos”, afirmó.
Goldberg destaca que ofrecen el diseño de las granjas de algas en arroyos y ríos que contienen grandes cantidades de residuos de nitrógeno relacionados con la agricultura para rehabilitar el arroyo y evitar que el nitrógeno llegue al océano, mientras que se cultivan algas marinas como alimento. De esta manera, la acuicultura complementa la agricultura terrestre”.
Conclusión
Los modelo multi-escala provee una herramienta importante para las autoridades ambientales y los acuicultores de algas marinas que deseen escalar sus granjas para una mayor biorremediación y/o producción de biomasa de macroalgas, promoviendo el desarrollo sostenible marino y la bioeconomía basada en las algas.
Referencia (acceso abierto):
Zollmann, M., Rubinsky, B., Liberzon, A. et al. Multi-scale modeling of intensive macroalgae cultivation and marine nitrogen sequestration. Commun Biol 4, 848 (2021). https://doi.org/10.1038/s42003-021-02371-z
