Rusia – Los científicos de la Immanuel Kant Baltic Federal University y de la Kemerovo State University publicaron una revisión científica Biomolecules que analiza el aislamiento de sustancias biológicamente valiosas de las microalgas y evaluaron su actividad biológica.
El interés en el cultivo de microalgas se ha incrementado entre los investigadores debido a su capacidad para sintetizar varias sustancias biológicamente activas, el rápido crecimiento de la biomasa y la capacidad para ajustar su composición química dependiendo de las condiciones de cultivo.
En la actualidad, pueden distinguirse dos áreas principales para el uso de las microalgas: la producción de biomasa como un aditivo biológicamente activo, y el cultivo de microalgas para el subsecuente aislamiento de sustancias biológicamente activas de la biomasa.
Sustancias biológicamente activas
Las microalgas son ricas en nutrientes y sustancias biológicamente activas, como las proteínas, polisacáridos, lípidos, ácidos grasos poliinsaturados, vitaminas, pigmentos, ficobiliproteínas, enzimas, etc. Las sustancias biológicamente activas de las microalgas son capaces de exhibir efectos antioxidantes, antibacteriales, antivirales, antitumorales, regenerativos, antihipertensivos, neuroprotectores e inmunoestimulantes.
Estas sustancia vienen siendo altamente demandados en la farmacología, medicina, cosmetología, industria química, piscicultura, industria de energía, agricultura, y en la producción de alimentos y piensos funcionales.
Factores que afectan la producción de biomasa
El nivel de acumulación de biomasa y la productividad de sustancias biológicamente activas es un importante indicador de la efectividad de una especie y cepa de microalga. Estos parámetros están influenciados por muchas condiciones, incluido la composición del medio de cultivo, temperatura, pH, fase de crecimiento, método de cosecha e iluminación.
De acuerdo con el reporte de los investigadores, la temperatura de cultivo recomendada para la máxima producción de biomasa de varios tipos de microalgas está en el rango de 27 a 30 oC. Con el incremento de la temperatura de cultivo a 35 oC, la producción de biomasa disminuye agudamente.
“Una significativa acumulación de biomasa fue observado en el día 14 de cultivo para todas las microalgas estudiadas” destacan.
Durante la fase de crecimiento autotrófico, las microalgas producen oxígeno y fijan el dióxido de carbono. Una parte del carbono fijado es usado para mantener las células y el crecimiento, mientras que la otra parte es almacenado en varias formas, dependiendo de los diferentes tipos de microalgas.
Las microalgas requieren de 1.8 a 2.0 kg de CO2 para producir 1.0 kg de biomasa. Debido a esta relación estequiométrica, la cantidad de CO2 presente en el aire (0.03%) no es suficiente para una alta productividad del cultivo. De esta forma, con la finalidad de incrementar la eficiencia de la fotosíntesis, el medio con el cultivo de microalgas debe ser suplementada con carbono, ya sea en forma de sales, como bicarbonato, o introduciendo aire enriquecido con CO2.
Los investigadores citan investigaciones en las que se demostró que cuando se suministró aire (600 mL/min) al fotobiorreactor, las microalgas mostraron un crecimiento óptimo con un contenido de CO2 de hasta el 20% en el aire suministrado.
“Esto permite utilizar el CO2 de la combustión industrial, generando en promedio un 5.0% de CO2, en el cultivo de microalgas. Este enfoque combina una fuente de carbono económica para las microalgas y reduce las emisiones de CO2” indicaron.
Los investigadores destacan que el suministro de CO2 a los cultivos de microalgas pueden incrementar la productividad de la biomasa; no obstante, una disminución en el pH debido a un incremento en la disponibilidad de CO2 en la fase acuosa puede impedir el crecimiento de ciertos tipos de microalgas.
Métodos de cultivos de microalgas
Las condiciones para el cultivo de microalgas pueden ser divididas en tres métodos principales: fotoautotróficos, heterotróficos y mixotróficos.
Fotoautotrófico es el método de cultivo comúnmente usado. Las microalgas usan la luz (usualmente solar) como fuente de energía y carbono inorgánico (por ejemplo dióxido de carbono) como fuente de energía.
Con el cultivo heterotrófico, las microalgas también pueden utilizar carbono orgánico en ausencia de luz. Debido a su capacidad de crecer en la oscuridad, las microalgas que crecen durante el cultivo heterotrófico son mucho menos exigentes en la proporción de superficie a volumen que en el cultivo autótrofo.
El cultivo mixotrófico es un modo generalizado de dos etapas en el que las microalgas tienen un alto contenido inicial de carbono orgánico, pero son inducidas para la asimilación asotrófica del CO2 debido al agotamiento de las sustancias orgánicas y la producción de oxígeno a través de la fotosíntesis.
El diseño y la operación de un sistema de cultivo microalgas juega un rol decisivo en la productividad de la fotosíntesis y la eficiencia económica. El diseño debe contemplar un camino corto para la luz, el volumen óptimo del líquido para una adecuada agitación y dispersión de la luz.
Se han desarrollado sistemas de cultivo a gran escala para la producción de microalgas. Ellos usualmente trabajan bajo condiciones fotoautótrofas y pueden ser divididos en dos grupos principales: sistemas abiertos o cerrados. El 90% de la producción de biomasa de microalgas en todo el mundo se realiza a través de sistemas de cultivo abiertos.
Los sistemas abiertos suelen utilizar estanques poco profundos hechos de canales alineados (2-10 m de ancho y 15-30 cm de profundidad) en forma de circuitos simples donde la agitación es proporcionada por impulsores giratorios. Estos reactores se pueden ampliar fácilmente y los costos de inversión y funcionamiento son relativamente bajos.
Las principales desventajas de los sistemas de cultivos abiertos son la complejidad del control de proceso, así como la incapacidad de organizar procesos de cultivo continuos. La alta susceptibilidad a la contaminación por otras microalgas y microorganismos, las dependencias en las condiciones del clima y las fluctuaciones diarias de temperatura hacen del sistema abierto sea inadecuado para el cultivo a gran escala.
Los fotobiorreactores cerrados fueron diseñados para superar las desventajas de los sistemas abiertos. Estos sistemas permiten una operación continua y ofrecen una productividad más alta de biomasa y calidad, además de una más alta eficiencia fotosintética. La evaporación es minimizada a través del uso del sistema cerrado. Sin embargo, estos sistemas son difíciles de escalar debido a su compleja organización y la reducción de la penetración de la luz con el incremento de la concentración celular y la remoción del oxígeno generada durante la fotorespiración es un problema serio.
Actividad biológica de sustancias de microalgas
Actividad antitumoral
En los últimos años, las investigaciones han demostrado que los alginatos, fucoidanos, zosterol, polisacáridos sulfatados únicos, enzimas y péptidos de microalgas poseen actividad antitumoral.
Investigadores evaluaron la actividad antitumoral de un extracto acuoso de microalgas de aguas canadienses contra varias líneas celulares de cáncer, incluyendo cáncer de pulmón, próstata, estómago, mama, páncreas y osteosarcoma. Los autores analizaron la capacidad del extracto de microalgas para inhibir la formación de colonias en células cancerosas. El extracto de microalgas in vitro mostró una pronunciada actividad anticolonia.
Actividad antimicrobiana
Las microalgas son capaces de sintetizar numerosos metabolitos con propiedades antimicrobianas, antivirales y antifúngicas. Se conoce que muchas microalgas pueden sintetizar un sistema químico de defensa con la finalidad de sobrevivir en un ambiente competitivo. La luteína y el ácido ferúlico, los ácidos grasos y orgánicos poliinsaturados, los metabolitos activos y otras sustancias biológicamente activas únicas aisladas de microalgas exhiben actividad antimicrobiana.
Actividad antioxidante
El antioxidante es una molécula biológica que protege al cuerpo o compuestos vitales del proceso oxidativo bajo la influencia de radicales. Muchos antioxidantes naturales frecuentemente son incluidos en varios cosméticos como un ingrediente activo y para proteger sus componentes de los procesos de oxidación. Los carotenoides, dimetilsulfóxido, compuestos de nitrógeno y fenólicos únicos aislados de microalgas poseen actividad antioxidante.
Conclusiones
Según los investigadores, debido a la amplia diversidad de microalgas, la alta flexibilidad metabólica y las diversas condiciones de cultivo, su real potencial aún no se ha evaluado completamente. Los investigadores que trabajan con microalgas se enfrentan a las siguientes tareas:
a) mejora de los fotobiorreactores;
b) mejora de la productividad de las cepas (métodos de selección e ingeniería genética);
c) búsqueda de cepas con nuevas propiedades;
d) estudio de la influencia de las condiciones de cultivo en el contenido de sustancias biológicamente activas en las células;
e) optimización de los procesos de cultivo (menores costos y mayor rendimiento del producto);
f) ecologización de la producción (introducción de ciclos de producción cerrados, reducción de residuos, uso más completo de los componente útiles);
g) evaluación de los riesgos ambientales, económicos y médicos del escalamiento de la producción. {mprestriction ids=»*»}
Referencias (acceso abierto):
Dolganyuk, Vyacheslav; Belova, Daria; Babich, Olga; Prosekov, Alexander; Ivanova, Svetlana; Katserov, Dmitry; Patyukov, Nikolai; Sukhikh, Stanislav. 2020. «Microalgae: A Promising Source of Valuable Bioproducts.» Biomolecules 10, no. 8: 1153. https://doi.org/10.3390/biom10081153 {/mprestriction}
