UNIVERSIDAD DE LOS ANDES

FACULTAD DE CIENCIAS

DEPARTAMENTO DE CIENCIAS BIOLÓGICAS

Monografía de Estudios Ambientales

MICROALGAS: APLICACIONES E INNOVACIONES EN EL TRATAMIENTO DE

AGUAS CONTAMINADAS Y LA PRODUCCIÓN DE BIOCOMBUSTIBLES

Stefany Ayala Montaño

2015

ÍNDICE

1. Introducción

2. Biología de las microalgas

2.1 Características generales

2.2 Evolución

2.2.1 Filogenia

3. Remediación de aguas contaminadas

3.1 Aguas contaminadas con verde malaquita

3.2 Otros contaminantes

3.2.1 Aguas residuales

3.2.2 Contaminantes orgánicos

3.2.3 Contaminantes inorgánicos

3.3 Proyectos de remediación de aguas contaminadas

3.3.1 Iniciativas a nivel nacional

3.3.2 Iniciativas a nivel internacional

3.3.3 Ventajas de la ficorremediación

3.3.4 Desventajas de la ficorremediación

4. Avances científicos

4.1 Adaptación al lindano

4.1.1 Toxicidad

4.1.2 Líneas resistentes

4.2 Microalgas y Cianobacterias

4.2.1 Microorganismos termotolerantes

4.3 Otros

5. Biocombustible

5.1 Producción de Biodiesel a partir de microalgas

5.1.1 Ventajas

5.1.2 Desventajas

5.1.3 Alelopatía

5.2 Proyectos de síntesis de Biodiesel a partir de microalgas

5.2.1 A nivel nacional

5.2.2 A nivel internacional

6. Conclusiones

Bibliografía

Anexos

1. Introducción

En 2050, se estima que el tamaño de la población mundial será aproximadamente 9

billones de personas, por lo tanto iniciativas que favorezcan el uso de energías

alternativas se ha convertido en una prioridad para muchos países en el mundo. Las

microalgas además de constituir un mecanismo sostenible de generación de alimentos y

biocombustible, son de gran importancia para la remediación de aguas con diversas

fuentes de contaminación: desechos industriales, aguas residuales, aguas con

contaminación orgánica e inorgánica, lodos, efluentes residenciales y de minería. En los

ambientes contaminados, cuyo origen es muy diverso, existen diferentes tecnologías que

dependiendo de sus características pueden ayudar a su biorremediación. Algunas de

ellas son resumidas en la Tabla 1 (ver anexo).

La biorremediación de efluentes residenciales, industriales y mineros es posible

mediante el uso de la tecnología denominada ficorremediación, la cual tiene una relación

costo-beneficio muy alta, debido a que las microalgas no presentan demasiadas

exigencias nutricionales para su crecimiento. Tampoco se ven disminuidas por la

presencia de uno o varios contaminantes, ya sea porque no son tóxicos para ellas o

porque gracias a su corto tiempo de replicación, pueden adquirir resistencia para nuevos

y adversos ambientes. La formación de consorcios con otros microorganismos también

les favorece la degradación de compuestos orgánicos de cadena pesada, con un efecto

de sinergia en los diferentes ambientes y una producción mínima de residuos

secundarios (Renuka et al., 2015).

Existe un interés mundial en el desarrollo de estrategias para la producción de

combustibles alternos debido a que se estima que las reservas de petróleo se agotarán

a mediados del siglo XXI, es decir en aproximadamente 35 años. Para suplir la demanda

energética derivada del petróleo, que exigen las necesidades antropocéntricas diarias,

las diferentes entidades gubernamentales e instituciones público-privadas desarrollan

tecnologías alternativas sustentables y renovables orientadas al reemplazo del petróleo.

Los biocombustibles conocidos como el bioetanol, butanol, biodiesel, hidrógeno y

metano, tienen la enorme ventaja de que pueden ser sintetizados a partir de fuentes

orgánicas e involucran procesos de origen biológico. En particular, la producción de

biodiesel se ha posicionado como uno de los biocombustibles más promisorios, debido

a que pueden ser extraídos de dos fuentes totalmente distintas: material vegetal (como

la palma) y microalgas. Las microalgas son microorganismos que presentan alta

eficiencia fotosintética, así mismo su asimilación de dióxido de carbono y de otros

nutrientes es alta en comparación con las plantas. En adición, se ha reportado que

pueden acumular lípidos en su estructura hasta un volumen del 80%, el cual es

procesado para obtener el biocombustible. Esta acumulación de lípidos surge de la

transición entre un ambiente pobre en nutrientes a un medio rico en materia orgánica e

inorgánica (Fernández et al., 2012).

2. Biología de las microalgas

2.1 Características generales

Las microalgas son microorganismos eucariotas o procariotas unicelulares o

multicelulares litoautótrofos que incluyen las cianobacterias, algas verdes-azules y las

diatomeas (Bacellar & Vermelho, 2013). Se estima que existen alrededor de 50.000

especies, de las cuales 30.000 han sido estudiadas (Bacellar & Vermelho, 2013).

Su tamaño varía entre 1 y 50 micrómetros en diámetro y se encuentran comúnmente

presentes en los cuerpos de agua del planeta Tierra como aguas marinas, ecosistemas

estuarinos y agua dulce donde hacen parte importante de la cadena alimentaria. En estos

cuerpos de agua se ha evidenciado una alta tasa de bioabsorción y bioacumulación de

metales pesados (Kumar et al., 2015). También se han reconocido como

microorganismos que contribuyen de forma significativa a la mitigación de

concentraciones elevadas de carbono, biorremediación o la producción de

biocombustible (Kumar et al., 2015). En cuanto a las concentraciones elevadas de

carbono se refiere, las microalgas son usadas para disminuir los niveles de CO2

atmosféricos que acidifican los cuerpos de agua. Tratando de mantener el equilibrio

delicado del pH, ya que cuando el agua pasa de ácida a alcalina, el crecimiento de

algunas especies de microalgas puede verse comprometida (Raeesossadati et al., 2014).

2.2 Evolución

El análisis filogenético de las microalgas continúa siendo un tema de constante

evaluación, debido a que no existe hasta la fecha una única clasificación taxonómica. De

hecho, este grupo tan diverso y abundante puede ser clasificado de diversas maneras

entre las que se encuentran clasificación filogenética, genética y de función. Existen 7

grupos principales en los cuales pueden ser agrupadas: algas verdes, rojas, pardas,

doradas, diatomeas, cianobacterias y algas verde-amarillas. Esta clasificación se

encuentra basada en las relaciones filogenéticas existentes, en la cual en cada grupo las

microalgas comparten una ancestría común, además de unas características especiales

que permite diferenciarlas de los otros grupos (Harriëtte et al., 2011).

2.2.1 Filogenia

Algas verdes

Se caracteriza por ser un grupo diverso de organismos eucariotas que han sido

clasificados como el phylum Chlorophyta. Por ende, todas los los organismos que han

sido agrupados como algas verdes, contienen clorofila a y b, que le proporciona su color

característico. Las Chlorophyta lposeen de uno a cuatro flagelos, muy importantes en

motilidad (Plantlife, 2011). Por otro lado, bajo diversas condiciones de nutrientes, las

algas pueden producir almidón y aceites que almacenan al interior de la célula,

comúnmente explotado para fines comerciales. Chlorella es una especie representativa

de las Chlorophyta, la cual es crecida a gran escala gracias a su elevado valor comercial

(Harriëtte et al., 2011).

Algas rojas

Este grupo también conocido como rodofitas, puede ser diferenciado de forma simple de

los demás grupos de algas debido a la ausencia de flagelos y centriolos, así como la

producción de pigmentos como la ficocianina, ficobilisomas y ficoeritina. En cuanto a sus

características ecológicas, las algas rojas son esenciales en la cadena trófica como

productores primarios. Adicionalmente, tienen un rol significativo en el mantenimiento de

los arrecifes coralinos y un importante valor comercial gracias a la variedad de productos

comestibles y geles que se fabrican a partir de este grupo extenso que ha colonizado

numerosas áreas en todo el mundo (Freshwater & Wilson, 2000).

Algas pardas

Son algas multicelulares comúnmente encontradas en agua marina o salada (Harriëtte

et al., 2011). Se caracterizan por la presencia generalizada de la clorofila a y c, sin

embargo el pigmento fucoxantina enmascara el color verde característico de la clorofila.

Adicionalmente, la principal fuente de carbohidratos es el “laminaran”, debido a la

ausencia de almidón como fuente de reserva. De este grupo de algas, se fabrican y

comercializan pastas dentales, helados, sopas, entre otros productos. Algunas algas

pardas que por su gran tamaño, pueden ser vistas a simple vista son Macrocystis

pyrifera, Ascophyllum nodosum y Laminaria hyperborea (Guiry, 2015).

Algas doradas

Su ecosistema es el agua dulce, a diferencia de las algas pardas. Sin embargo hay

reportes que evidencian el crecimiento de unos pocos microorganismos en agua salada.

Son un grupo unicelular flagelado con la mayoría de las especies fotosintéticas,

necesarias para que se dé el crecimiento de zooplancton en el cuerpo de agua (Harriëtte

et al., 2011). Algunos organismos pertenecientes a este grupo son considerados

heterotróficos facultativos, debido a su difícil crecimiento en condiciones ambientales

adversas y de micronutrientes. Por ende su aplicación industrial es mucho más limitada.

Aún sigue siendo inconclusa la relación que presenta este grupo con otros grupos

cromistas, esclarecer las diferencias requiere de técnicas moleculares.

Raphidiophyceae, Eumastigophyceae, Xanthophyceae, Silicoflagellata,

Sarcinochrysophyceae son familias de microorganismos que antes se pensaban

pertenecientes a las algas doradas, no obstante, no han podido ser agrupados y por

ende, se tratan de forma individual. (Berkeley, 1995).

Diatomeas

Constituidas por algas unicelulares que son altamente diversas (más de 100.000

especies), constituyen la mayor parte de biomasa en la tierra, por lo tanto son conocidos

como productores primarios. Pueden producir aceites como reserva celular energética y

presentan sílica en su estructura (Harriëtte et al., 2011). El tamaño de estos organismos

puede variar entre 10 y 200 micrómetros. Tienen cloroplastos con una pigmentación

dorada-parda debido a la presencia de ciertos pigmentos como la fucoxantina.

Adicionalmente se caracterizan por tener clorofilas a y c (UNAM, 2012).

Algas azules o cianobacterias

Son capaces de producir toxinas, algunas de ellas tóxicas para los humanos. Su alta

concentración en cuerpos de agua, ha sido asociado con mala calidad y deterioro hídrico.

Altas concentraciones de materia orgánica, favorecen la proliferación de estos

microorganismos. Tantos compuestos orgánicos disueltos, inducen la aparición de

microorganismos que agotan el oxígeno disuelto. Éste fenómeno tiene una relación

directa con la disminución abrupta de la diversidad marina y microbiana benéfica del

cuerpo de agua. Por otro lado, se caracterizan por la producción de almidón como

reserva celular y presentan altas concentraciones de proteína en su estructura. Es por

esto que la especie Spirulina es cultivada mundialmente para la producción de

suplementos dietarios de origen vegetal, que pueden llegar a suplir las necesidades

nutricionales diarias de las personas que consumen el suplemento (Harriëtte et al., 2011).

Algas verde-amarillas

Son microorganismos filogenéticamente relacionados con las algas pardas, pero a

diferencia de ellas, habitan en un ecosistema de agua dulce, a excepción de

Nannochloropsis, el cual crece a altas tasas en ambientes con alta concentración de sal,

hecho que convierte a este microorganismo en un organismo halófilo. Las algas verde-

amarillas tienen un tiempo de replicación tan corto, que son cultivadas en grandes

reactores, son producidas en masa como materia prima para la obtención de biodiesel

(Harriëtte et al., 2011).

3. Remediación de aguas contaminadas

Independiente de la naturaleza del origen de los diferentes contaminantes que pueden

estar presentes en un cuerpo de agua (entre los cuales se encuentran los contaminantes

orgánicos e inorgánicos), el tratamiento de aguas contaminadas de forma general se ha

venido manejando de forma convencional, a través de la adición de nitrógeno y fósforo.

Sin embargo, estos compuestos pueden causar la eutroficación del agua, que se

entiende como el proceso por el cual el cuerpo de agua adquiere una alta concentración

de nutrientes (especialmente fosfatos y nitratos), éstos favorecen la proliferación de algas

que al morir se descomponen y dejan elevados niveles de materia orgánica, la cual es

finalmente aprovechada por microorganismos descomponedores que agotan los niveles

disponibles de oxígeno, causando la muerte de otros organismos presentes en el agua.

Reduciendo drásticamente la diversidad de la misma (USGS, 2014).

Por lo tanto, emplear diferentes estrategias sostenibles en la descontaminación de

aguas, ayuda a prevenir problemas a largo plazo, entre los cuales se encuentran riesgos

para la salud por exposición a aguas contaminadas. Así como la contaminación de otros

cuerpos de agua en donde desembocan. El uso de microalgas, permite la remoción del

fósforo y los nitratos del agua, debido a que lo usan como fuente de energía,

disminuyendo así la probabilidad de eutroficación del agua. Adicionalmente, éstos

microorganismos pueden usar químicos residuales e integrarlos a su metabolismo,

remover metales pesados mediante adaptación y de la misma forma, tolerar compuestos

altamente toxigénicos presentes en aguas contaminadas provenientes de diversas

fuentes (Abdel-Roauf et al., 2012).

3.1 Aguas contaminadas con verde malaquita/ Efluentes de desperdicios

de textiles

La industria textil y sus desperdicios se ha convertido en una de las principales fuentes

de contaminación a nivel del mundo. Los tintes usados en la industria textil, varían en su

efectividad durante el proceso de fijación desde un 60 a un 90%. Por lo tanto, la cantidad

de tintes que contaminan el agua es considerable. Se calcula que de este tipo de

industrias, no todos los tintes se disponen de forma correcta para su eliminación,

aproximadamente el 15% termina contaminando las efluentes de agua. Uno de los

efectos más importantes que genera es nuevamente la eutroficación del agua, alteración

del pH, aumento en la demanda bioquímica de oxígeno (BOD) y demanda química de

oxígeno (COD). Alterando el equilibrio del ecosistema acuático y por ende afectando la

viabilidad de los organismos (vertebrados e invertebrados) y microorganismos allí

presentes (El-kassas & Mohamed, 2014).

3.2 Otros contaminantes

Existe otro grupo importante de contaminantes que derivan de la actividad agrícola, la

irrigación salina y los desechos de agroquímicos. Los cuales continúan siendo una gran

fuente de contaminación de suelos y agua debido a las prácticas extensivas que se llevan

a cabo en países productores como Colombia. Reportes revelan que la proporción de la

contaminación del agua es mucho mayor. De hecho aproximadamente el 87% de los

contaminantes presentes en los cuerpos de agua derivan de esta importante actividad,

consecuencia de la alta demanda que genera la producción de alimentos para una

población (Abdel-Roauf et al., 2012). Las microalgas han demostrado presentar una alta

eficiencia en efluentes con diversas fuentes de contaminación, los desechos de la

industria agrícola no son la excepción (Universidad de Cádiz, 2014).

3.2.1 Aguas residuales

Unas de las contaminaciones más comunes de la cual no se puede prescindir es la

causada los desechos humanos o también conocidas como Aguas residuales. Ante un

sistema ineficiente de tratamiento de estos desechos y en ausencia de estrategias

eficientes de saneamiento, muchos países en vía de desarrollo e inclusive aquellos

lugares donde se carece de todo sistema de potabilización y tratamiento de aguas, esta

contaminación constante y permanente está generando problemas de salud a corto,

mediano y largo plazo.

Se deben emplear estrategias competitivas por su precio y sencillas en su técnica de

aplicación para la remediación de estos contaminantes de tipo orgánico. Además de los

compuestos carbonados de cadena pesada y liviana que caracterizan este tipo de

contaminación, la presencia de microorganismos es bien conocida, cuya dispersión a

otros cuerpos de agua es favorecida por el movimiento de las corrientes, la conección

entre un cuerpo de agua y otro, así como la posible infiltración al suelo y contaminación

de acuíferos subterráneos.

Conociendo que algunos de esos microorganismos son potencialmente patógenos

(eliminados por personas enfermas o personas portadoras asintomáticas), el tratamiento

de aguas no solo debe estar enfocado a la remoción de contaminantes químicos sino la

eliminación de estos microorganismos que atentan de forma directa contra la salud de

toda la población, es especial de aquellas personas que son susceptibles a adquirir una

infección como mujeres embarazadas, niños menores de 5 años y adultos mayores.

Entre los microorganismos más comunes encontramos virus causantes de hepatitis,

bacterias que provocan fiebre tifoidea, cólera y tuberculosis. Algunos protozoos que

causan disentería, así como huevos de nemátodos (Abdel-Roauf, 2012). Por lo tanto,

adicional al uso de las microalgas para la biorremediación de estos ambientes, deben

existir programas que promuevan la eliminación de los microorganismos patógenos.

Estrategias que idealmente no generen daños al medio ambiente pueden ser usadas

para este fin, como por ejemplo el control biológico (basado en predación) de las

poblaciones de microorganismos. Sumado a esto, la creación de programas de

contingencia, disposición y desecho de estos microorganismos que presentan riesgo

moderado y grave para la población también es importante, para que de esta forma el

problema de la contaminación por aguas residuales pueda ser atacado desde un punto

de vista integral, con efectos duraderos a largo plazo.

3.2.2 Contaminantes orgánicos

En un cuerpo de agua que se encuentra contaminado por aguas residuales, existe una

mezcla básica tanto de componentes orgánicos e inorgánicos. Siendo los primeros los

más abundantes (¾ partes). Entre los componentes que pueden ser clasificados como

orgánicos, debido a la presencia de carbonos, se encuentran los carbohidratos, grasas,

proteínas, aminoácidos y ácidos volátiles (Abdel-Roauf, 2012).

3.2.3 Contaminantes inorgánicos

Los constituyentes inorgánicos presentes en un cuerpo de agua con efluentes

contaminadas de aguas residuales, como sucede en Bogotá, pueden incluir altas

concentraciones de calcio, sodio, potasio, magnesio, sulfuro, fosfato, bicarbonato,

amonio, sales y metales pesados (Abdel-Roauf, 2012). Siendo los metales pesados

aquellos compuestos de los que existen mayores reportes de contaminación. Esto se

puede deber a que son los contaminantes más estudiados debido a la relevancia de los

riesgos que presentan sobre la salud de las poblaciones tanto a corto, mediano y largo

plazo. Poblaciones que en su mayoría, no tienen acceso a agua potable y una

alimentación deficiente. Teniendo en cuenta estas características y la constante

exposición a aguas contaminadas, la vulnerabilidad de este tipo de poblaciones es

evidente. Implementar estrategias integrales que mejoren sus condiciones de vida es

totalmente necesario, entre ellas un sistema efectivo y no tóxico de remoción de metales

pesados del agua, junto con la implementación de programas de potabilización y

acueducto por parte del sector público, son requerimientos básicos para que la calidad

de vida de estas personas mejore.

3.3 Proyectos de remediación de aguas contaminadas

3.3.1 Iniciativas a nivel nacional

B&B CORE (2009): La bioremediación de aguas con desechos gaseosos o líquidos

(provenientes de diferentes sectores como la industria, la minería y la vivienda) es posible

mediante el uso de la tecnología denominada Phycore, la cual constituye un paso

fundamental para la transformación a su estado natural de un cuerpo de agua

contaminado. Libre de químicos, malos olores y lodos (Innpulsa Colombia, 2014).

Consiste en una iniciativa costo-efectiva (7 centavos de dólar por barril) respaldada por

innpulsa e innovandes, cuyo fundador, un estudiante doctoral de la Universidad de los

Andes, Jaime Eduardo Guiterrez probó su experimento durante un año en “una base

petrolera de Campo Rubiales descontaminando el agua, eliminando los desechos tóxicos

que le quedan tras el proceso de extracción del crudo. Y ese método, denominado

ficorremediación, pasó la prueba” (Universidad de los Andes, 2014). Las ventas

proyectadas a 2018 alcanzan los 23,7 millones de dólares (Innpulsa Colombia, 2014).

3.3.2 Iniciativas a nivel internacional

Phycoremediation (PHYCORE): Phycoremediation es un proyecto que nace de la alianza

entre CORE BIOTECH (Colombia) y Phycospectrum (India) que instaló exitosamente un

sistema integrado de tanques de 20kL en la planta de Pacific Rubiales (cerca a Bogotá).

Involucra el uso de algas en el proceso de remoción de contaminantes tales como

xenobióticos que son usados como fuente nutricional (son degradados enzimáticamente)

y CO2 proveniente del aire contaminado a través de la fotosíntesis. Este proyecto es

desarrollado en diversos ambientes, por lo que es llevado a cabo a través de tres etapas

que conllevan a la implementación de la tecnología. La primera de ellas consiste en

estudios de laboratorio, seguido de pruebas piloto en algas y la comercialización de éstas

a larga escala (Phycospectrum, 2009). Los resultados superan el 90% de

biorremediación como se puede observar en la figura 1 (ver Anexo).

Phycospectrum: Empresa líder del mundo en la biorremediación de aguas mediante el

uso de la ficorremediación. Con casa matriz en India, cuenta con un centro de

investigación ambiental de ficoespectro (PERC), en el cual se hace investigación en

ciencias ambientales con un énfasis en control de polución, ficorremediación de efluentes

industriales y aguas residuales, producción de biomasa de algas, mitigación del dióxido

de carbono y programas de bio-energía. Son los creadores de la revista JABU (Journal

of Algal Biomass Utilization (Phycospectrum, 2015).

Biotech of America: Es una empresa dedicada a la biorremediación de derivados de

aguas contaminadas, tierra contaminada y limpieza de superficies mediante la acción de

microorganismos capaces de degradar hidrocarburos orgánicos (químicos alifáticos) e

inorgánicos como hidrocarburos aromáticos polinucleares. Con sus productos se busca

estabilizar biológicamente el sistema, evitando modificaciones y perturbaciones. Los

productos contienen acondicionadores para el suelo, así como macro y micro nutrientes

seleccionados para el crecimiento. Usado en derrames en aguas subterráneas o

superficiales (Bio Tech of America, 2015).

3.3.3 Ventajas de la ficorremediación

La relación costo-beneficio es muy alta, debido a que éstos microorganismos no

requieren de la adición continua ni excesiva de nutrientes. Tampoco se ven disminuidos

por la presencia de uno o varios contaminantes. El hecho de que sean de origen

biológico, les ha permitido tener una gran acogida en diferentes sectores, debido a que

en la remediación no habrá generación de contaminantes ni químicos residuales

peligrosos para el ambiente ni para la comunidad. Su amplia diversidad, le permite a las

microalgas adaptarse a un gran número de ambientes en los cuales pueden formar

consorcios con otros microorganismos (hongos, bacterias y/o arqueas) que tienen un

efecto de sinergia degradativo en los diferentes ambientes contaminados (Renuka et al.,

2015)

3.3.4 Desventajas de la ficorremediación

Una de las desventajas más notorias del uso de micro o macro algas es la limitación de

la aplicabilidad en ambientes no acuáticos, debido a que únicamente su crecimiento se

encuentra altamente favorecido en recursos hídricos. No constituye una alternativa para

ser usada en descontaminación de tierra o suelos. De forma adicional, existe una

dependencia fuerte del recurso solar, puesto que son microorganismos fotosintéticos.

Finalmente los resultados de la degradación tienden a tomar más tiempo si se compara

con un tratamiento químico (Chappell, 1997).

4. Avances científicos

4.1 Adaptación al lindano

El lindano es un insecticida con alta prevalencia en el ambiente. Se conoce por su alta

toxicidad y posibles efectos sobre la salud humana y los organismos que habitan los

diferentes ecosistemas que se encuentran comprometidos por el uso excesivo de este

compuesto químico. Su uso se encuentra prohibido ya que contamina en su mayoría a

los cuerpos de agua. Adicionalmente, estudios revelan que el lindano se bioacumula en

los organismos presentes en esos ecosistemas contaminados. Diferentes estudios se

han realizado sobre la selección de microalgas resistentes en ambientes con

concentraciones no inferiores a 5mg/L y de máximo 40 mg/L, en los cuales la remoción

de este contaminante por parte de los microorganismos alcanza el 99%. Por lo tanto, la

biorremediación mediante el uso de células resistentes surge como una gran alternativa

para eliminar lindano y otros contaminantes orgánicos clorados (González et al., 2012).

A pesar de la alta toxicidad del Hexachlorocyclohexane (HCH), comúnmente llamado

Lindano, se encontró 600.000 toneladas de desechos de este compuesto entre los años

1940 y 1990, proveniente de las empresas farmaceúticas y agrícolas. Los efectos de este

compuesto, se encuentran bien estudiado en animales vertebrados, sin embargo, se

desconocen sus efectos sobre la ecología poblacional de los microorganismos acuáticos

y el ciclado de nutrientes, siendo los cuerpos de agua, el ecosistema que más se ve

afectado por los desechos de este compuesto (González et al., 2012).

De gran importancia en el ecosistema acuático, es el estudio tanto de las cianobacterias

como de las microalgas debido a el impacto que tienen sobre la cadena alimentaria, al

generar la mitad de la producción primaria. Consecuentemente si estos microorganismos

no logran adaptarse al Lindano, las consecuencias ecológicas por la prevalencia y la

incidencia de este compuesto tóxico, podrían ser devastadoras (González et al., 2012).

4.1.1 Toxicidad

Pruebas de toxicidad al Lindano fueron llevadas a cabo tanto para las microalgas como

para las cianobacterias, las cuales presentan diferencias en los grados de tolerancia al

compuesto. De las cianobacterias, D. chlorelloides fue inhibida cuando la concentración

fue mayor a 5mg/L. Sin embargo, S. intermedius logró responder satisfactoriamente aún

en concentraciones de 15 mg/L, en donde otros microorganismos se vieron inhibidos. A

40 mg/L, S. intermedius parecía haber sido eliminada del ecosistema, no obstante, luego

de unos días de incubación, las microalgas empezaron a adquirir su color característico

nuevamente. Lo anterior sucedió debido a la selección de células resistentes. El

mecanismo por el cual éstas pueden resistir ante semejante condición letal es

desconocido (González et al., 2012).

4.1.2 Líneas resistentes

Estudios en microalgas mesófilas demuestran que la adaptación al Lindano es

consecuencia de una sola mutación (específica en un locus), esto explica la rápida

capacidad de adaptación si se compara en el escenario en el cual las mutaciones

responden a múltiples pasos sucesivos. De las cianobacterias, la línea resistente S.

intermedius es la responsable del abrupto cambio de la concentración del Lindano

alrededor de 60 días de tratamiento. A diferencia de lo que se creía, la disminución de

este compuesto no tiene relación alguna con los procesos abióticos allí generados. Esto

fue corroborado mediante el seguimiento de un control negativo de muestra

contaminada, a la cual no se le agregó el inóculo del microorganismo y en donde se

esperaba que el ambiente jugará un papel fundamental en la degradación de Lindano.

Al finalizar el día 60 la concentración de éste para el control negativo era igual a la

concentración del primer día (González et al., 2012).

4.2 Microalgas y Cianobacterias

De forma general, cuando se habla de microalgas se denotan los microorganismos

fotosintéticos que contienen clorofila a (en su mayoría) y otros pigmentos en su interior y

que son capaces de realizar fotosíntesis oxigénica. A pesar de que las cianobacterias

también pueden realizar fotosíntesis, estos microorganismos difieren sustancialmente de

las demás microalgas por la estructura celular que presentan, la cual se asemeja a la

estructura de una bacteria y por consiguiente son clasificados como microorganismos

procariotas (extremadamente diversos). A pesar de que la mayoría de las microalgas son

organismos totalmente eucariotas, el grupo taxonómico en su conjunto pueden se

considerado tanto procariota como eucariota debido a la presencia de las algas azules o

cianobacterias (Chico, 2010).

De forma más específica, las microalgas que son procariotas o también llamadas

cianobacteria, carecen de organelos como mitocondria, núcleo, aparato de Golgi y de

estructuras de motilidad como los flagelos. Es decir, son organismos menos complejos,

sin embargo presentan ilimitadas aplicaciones. En las microalgas eucariota, estos

organelos ejercen una labor importante en el control celular y de las funciones, por ende

son microorganismos con una organización celular que les permite realizar tareas mucho

más complejas (Bacellar & Vermelho, 2013)

4.2.1 Microorganismos termotolerantes

La temperatura constituye un factor determinante en la tasa de utilización del CO2,,

debido a que la solubilidad del gas carbónico es óptimo cuando el medio se encuentra a

temperaturas frías (no supere los 20 °C) . Las microalgas tienen su rango óptimo de

temperatura de crecimiento que oscila entre 15 °C y 26 °C grados Celsius. Para la

biorremediación de sistemas de producción que manejan altas temperaturas, existen

especies de microalgas termotolerantes con la capacidad de crecer en temperaturas

mayores a 55 °C y concentraciones de gas carbónico que sobrepasan el 40%.

Cyanidiium caldarim, Galdieria partita, y Cyanidioschyzon melorae pueden crecer a 50

°C. La toma de metales tóxicos por parte de estos microorganismos ha demostrado ser

superior a un gran número de métodos fisicoquímicos empleados para la remoción de

metales (Kumar et al., 2015).

Dentro de las microalgas, para dos especies mutantes termo-tolerantes de Chlorella spp.:

MT-7 and MT-15 , se reporta su temperatura de crecimiento que es 1.4 a 1.8 veces mayor

que el promedio: 25°C y 3.3 a 6.7 mayor: 40 °C si se compara con los microorganismos

silvestres cuya temperatura de crecimiento promedio no supera los 30 °C. En adición, se

encontraron dos mutantes pertenecientes a las cianobacterias: Thermosynechococcus

sp. CL-1 (TCL-1) y Nannochloropsis sp. oculta (NAO), los cuales pueden crecer entre un

rango de temperaturas que oscilan los 40 y los 55 °C, con capacidad de tomar CO2 del

medio, a una concentración de 0.237 g/ L. Así mismo

Chlorogleopsis sp., crece a 50 °C (termófila) tiene la capacidad de tomar 1.24 g/L de

dióxido de carbono presente en un medio contaminado (Raeesossadati, et al., 2014).

4.3 Otros

El estudio y uso extensivo de las microalgas viene desde muchos años atrás debido a la

variedad de aplicaciones que de ellas derivan. Algunas de estas aplicaciones son la

producción de comida para humanos, energía, comida para animales acuáticos,

generación de antioxidantes, carotenoides, ácidos grasos poliinsaturados, vitaminas,

antivirales, medicamentos anticáncer y producción de gas hidrógeno con

Chlamydomonas reinhardtii como organismo modelo. Una gran parte de estas

aplicaciones proviene de metabolitos secundarios, algunos de los cuales sólo son

generados bajo condiciones de estrés y/o condiciones óptimas de crecimiento. En el caso

particular de los alimentos que se producen para humanos, el primer reporte de su uso

data de 1520 por Hernán Cortés en México, de allí se ha venido popularizando la

producción de un alimento altamente protéico conocido como la Spirulina. También

existen reportes desde aproximadamente 1910 en los cuales comercialmente se hace

uso de las microalgas para la producción de comida para organismos tanto de agua dulce

como salada (Skjånes, et al., 2013).

Otra aplicación importante, es la identificación de nuevos compuestos con actividad

biológica (bioprospección) que ha sido estudiado en las algas con el objetivo de la

creación de productos farmacéuticos de gran valor comercial (Skjånes, et al., 2013). El

estudio que se ha llevado a cabo en especies nativas australianas de microalgas como

Scenedesmus sp.,Nannochloropsis sp. y Dunaliella sp., ha permitido elucidar el valor

nutricional y la composición bioquímica de metabolitos secundarios, que incluso

presentan mayor potencial que los productos derivados de Spirulina y Chlorella. Algunos

de esos metabolitos son : ácido linoléico, araquidónico y eicosapentanóico, así como

pigmentos antioxidantes. Estos hallazgos permiten el surgimiento de nuevos centros de

investigación y proyectos que se incursionen en el estudio del potencial que también

tienen las microalgas en el sector alimenticio, farmacéutico y cosmético (Kent, et al.,

2015).

5. Biocombustibles

5.1 Producción de Biodiesel a partir de microalgas

Se sabe que el uso excesivo de combustibles ha generado una gran problemática

ambiental a nivel de desechos y el cambio climático causado por gases invernadero. Este

hecho no sorprende, conociendo que los combustibles usados en el mercado, provienen

en un 90% de recursos fósiles (Barraza et al., 2009)

Surge entonces como alternativa sostenible el uso de microalgas como fuente primaria

para la producción de biocombustibles. Gracias a que estos microorganismos pueden

llegar a generar un alto número de biomasa, consecuencia de la transformación de la

energía solar en compuestos carbonados, la acumulación de lípidos y triacilgliceroles

que pueden ser transformados en bioetanol, biometanol y biodisel (Maity, et al., 2014).

El biodiesel puede ser clasificado en dos grandes grupos: primarios y secundarios. En el

grupo primario la generación de biocombustibles se da a partir de residuos forestales,

madera, residuos animales y gases de vertedero. El grupo secundario comprende: el

biodiesel, butanol y bioetanol. El bioetanol y el butanol pueden se producidos mediante

la fermentación de la caña de azúcar, almidón de trigo, cebada, entre otros; en cambio,

el biodiesel puede ser producido químicamente a partir de grasas animales, soya, girasol

y palma de coco. Estos últimos se consideran biocombustibles de primera generación.

Aquellos de segunda generación pueden ser producidos a partir de materiales

compuestos en alta concentración de lignocelulosa (principal componente de la pared

celular de las plantas), como por ejemplo, la paja, la madera y la hierba (Barraza et al.,

2009).

Cuando se decide generar biocombustible a partir de microalgas, mantener estable la

concentración de estos microorganismos resulta ser esencial, ya que la producción de

aceites es directamente proporcional a la concentración de estos microorganismos en el

medio determinado donde se estén cultivando. Se conoce que las microalgas pueden

crecer de forma favorable a partir de efluentes que se encuentren contaminadas, por ello,

resulta muy atractivo el uso de estos microorganismos ya que tienen un efecto positivo

de crecimiento y de degradación de ambientes. A pesar de que estos microorganismos

generan mecanismos de tolerancia a los compuestos tóxicos que pueden estar presentes

en cuerpos de agua contaminados, se debe estar monitoreando de forma frecuente que

su concentración no caiga a niveles en los cuales no sería rentable cultivarlos para la

producción de biocombustibles. En adición a los compuestos químicos tóxicos, la

población de microalgas también puede llegar a verse disminuida ante la presencia de

microorganismos que las depreden como los rotíferos. Una de las alternativas que

permiten subvertir este obstáculo es el uso de alelopatías (ver numeral 5.1.3) (Lim et al.,

2012)

5.1.1 Ventajas

El uso de microalgas resulta ser una alternativa de bajo costo para la generación de

combustibles, gracias a su rápido crecimiento en medios que pueden estar

contaminados. Otro aspecto relevante, es que estos microorganismos poseen la

habilidad de sintetizar y acumular del 50% al 80% de su peso seco en lípidos, los cuales

son almacenados en el citoplasma en forma de inclusiones lipídicas o cuerpos lipídicos.

Sin embargo, el porcentaje de acumulación varía de una especie a otra (Fernández et

al., 2012).

Gracias al metabolismo particular de las microalgas, la producción de biocombustibles

mediante procesos no tóxicos y biodegradables es posible. Estos procesos de naturaleza

química o enzimática, permiten la transesterificación de los lípidos almacenados en las

inclusiones lípidicas. Otra de las ventajas importantes del uso de las microalgas, es que

estos microorganismos son autotrófos, por lo tanto, pueden crecer tanto en ambientes

abiertos como en sistemas confinados, como lo son los biorreactores de vidrio. Sus más

importantes requerimientos para poder crecer son luz solar, sales, CO2, fósforo

(fosfatos), nitrógeno (nitratos) o amonio para algunas de crecimiento rápido. Aquellas

que no son fotosintéticas tienen requerimientos adicionales de nutrientes y compuestos

orgánicos fáciles de conseguir. Adicionalmente, existen algas mixotróficas que tienen la

habilidad de comportarse como organismos autotróficos o no fotosintéticos dependiendo

de los estímulos del ambiente, por ejemplo bajo condiciones de estrés nutricional ante la

ausencia de altas concentraciones de nitrógeno (Bacellar & Vermelho, 2013).

5.1.2 Desventajas

La producción de biocombustibles a partir de microalgas, se ha visto limitado por el

surgimiento de contaminantes químicos, microorganismos interferencia y

microorganismos predadores. El control riguroso del pH y los medios altamente salinos,

disminuyen la carga microbiana no deseada. Además de los requerimientos nutricionales

anteriormente mencionados, las microalgas requieren trazas de micronutrientes como

Mg, Ca, Mn, Zn, Cu y Mb, así como algunas vitaminas para tener una alta productividad.

Acompañado de una alta temperatura, que favorece el metabolismo de estos

microorganismos y el constante movimiento del agua para que la luz solar se distribuye

uniformemente entre la biomasa como se observa en la tabla 2 (ver anexos), una alta

productividad y una alta producción de lípidos, consecuencia del estrés generado en las

microalgas es alcanzado de forma eficiente mediante el uso de biorreactores con un

costo elevado, cuya inversión, mantenimiento, costos operativos y equipamiento resulta

ser la mayor dificultad a la hora de implementar proyectos de producción de

biocombustible con microalgas (Bacellar & Vermelho, 2013).

La contaminación por microorganismos patógenos (no predadores), no tiene un efecto

directo sobre la viabilidad de las microalgas. El pH del medio si tiene influencia, el cual

se puede constituir como una limitante del crecimiento de los microorganismos de

interés. Por lo tanto, se requiere un constante monitoreo fisicoquímico de estas aguas

(Bacellar & Vermelho, 2013).

5.1.3 Alelopatía

Teniendo en cuenta que cultivar las microalgas con fines de producción de

biocombustible, resulta más económico en campo abierto, la contaminación del medio

en el cual están creciendo se convierte en un aspecto a considerar en el diseño de

estrategias integrales de manejo de plagas y enfermedades. Como se puede observar

en la figura 2 (ver anexo), la alelopatía constituye una estrategia de control que ha venido

siendo estudiada debido a la efectividad que posee. Ésta es entendida como el fenómeno

por el cual el organismo produce una o más moléculas que afectan de forma directa el

crecimiento, la reproducción y por último la supervivencia de otros organismos. Este

mecanismo incluye la alelopatía positiva y negativa. En la primera de ellas, se tiene un

efecto positivo sobre un organismo determinado, estos metabolitos le ayudan a

sobrevivir. De forma contraria, la alelopatía negativa tiene un efecto inhibitorio del

crecimiento y del aprovechamiento de los recursos por parte de los organismos, es por

esto que el interés de muchas empresas se centra en la alelopatía negativa. Sin

embargo, esto depende del contexto del problema que se quiera resolver. Por ejemplo,

es útil cuando se desea limitar la reproducción de las poblaciones indeseables. Esta

alternativa es usada como mecanismo para potenciar el control biológico de plagas en la

agricultura (Bacellar & Vermelho, 2013).

Estas biomoléculas, las cuales en su mayoría son metabolitos secundarios determinan

la abundancia de las especies y su distribución ecológica en un área determinada. Es

efectiva también cuando es usada como alternativa de control de depredación. Un

ejemplo de alelopatía negativa es la producción de compuestos tóxicos de P. aciculiferum

sobre Synura petersenii (Chrysophyceae), limitando su crecimiento. Peridinium

inconspicuum (Dinophyceae), Cyclotella sp. (Bacillariophyceae), Cryptomonas sp., and

Rhodomonas lacustris (Cryptophyceae), también han demostrado producir sustancias

que tienen efecto de lisis celular sobre otros microorganismos. Incluso, estudios revelan

que las microalgas, pueden alimentarse de sus depredadores mediante fagotropismo, en

el cual la acción de toxinas paralizantes se encuentran involucradas (Bacellar &

Vermelho, 2013).

Los factores abióticos también tienen un rol importante en la estimulación o inhibición de

la alelopatía en un ambiente determinado, por lo tanto si las condiciones ambientales son

favorables la producción de metabolitos con capacidad alelopática disminuye. Algunos

ejemplos de condiciones que favorecen su producción son la deficiencia de nitrógeno y

fósforo, bajas temperaturas y una pobre condición lumínica, así como un pH básico

cercano a 9,0. De forma contraria, bajo condiciones en las cuales las microalgas tienen

todos los requerimientos nutricionales al alcance, la producción de metabolitos

secundarios disminuye y por tanto su capacidad alelopática (Bacellar & Vermelho, 2013).

5.2 Proyectos de síntesis de Biodiesel a partir de microalgas

“Se estima que hay unas 350 empresas dedicadas a esta industria emergente.

Produjeron, en el año 2011, 16 millones de toneladas de biomasa de algas con un valor

de $7,400 millones, en un mercado que aumenta a una tasa de 15 a 20% por año”

(Gaskins, s.f).

5.2.1 A nivel nacional

Grubioc - Es un grupo inter-institucional de investigaciones en biocombustibles de la

Universidad del Valle. Orienta su investigación a la generación de tecnologías integrales

y sostenibles como es el caso de las microalgas para generar combustibles renovables.

Tienen un enfoque social fuerte, en el cual pretenden contribuir al desarrollo social,

económico y ambiental del entorno (GruBioc, 2010).

5.2.2 A nivel internacional

DesertBioenergy S.A. Surge de la asociación con la Universidad de la Frontera (Chile),

la cual tiene en funcionamiento la primera planta piloto del país que cultiva microalgas

para la producción de biocombustibles. “Por cada 100 kilos de biomasa se producen 10

litros de biodiesel -en unas 24 horas- y por cada 150 gramos se producen unos 200 ml

de biogás” (Dirección de Innovación y Transferencia tecnológica, 2013).

Bio-Lípidos de Puerto Rico Inc.: Tienen como meta la producción de biocombustibles con

emisiones mínimas de dióxido de carbono. La empresa proyecta producir 5.700 galones

de aceite y 31 toneladas de sólidos de algas. Adicionalmente se crearán 54 empleos

directos de tiempo completo y 110 de tiempo parcial. Cuenta con una asistencia técnica

de la Universidad de Puerto Rico y la Universidad de Georgia, así como de empresas

privadas (GruBioc, 2010).

Energreen: Es una iniciativa que surge de la asociación francesa-española desde el

2007, la cual cuenta con el apoyo de más de diez empresas privadas. Dentro del marco

del proyecto, se desarrollan estrategias de cultivo para la evaluación de las microalgas

desde dos enfoques: sistema de extracción alternativo y sistemas de transformación

enzimática del biodiesel, que prevengan la generación de sub-productos contaminantes

para el ambiente (Cloutet, 2013).

6. Conclusiones

Las microalgas al ser un grupo filogenéticamente tan diverso, tienen una amplia variedad

de aplicaciones entre las cuales destaca la producción de alimentos y de suplementos

dietarios de tipo protéico y de omega vegetal; la producción de biocombustibles y la

aplicación como agentes biorremediadores de aguas con una alta carga residual y de

desechos orgánicos e inorgánicos; así como la degradación de metales y compuestos

altamente tóxicos que no son compatibles con la vida de muchos microorganismos.

Gracias a su gran potencial y al hecho de que constituyen una alternativa sostenible y

una tecnología de bajo costo, se estima que al menos 350 empresas en el mundo se

dedican a la explotación de estos microorganismos con fines industriales (Gaskins, s.f).

Adicionalmente, existen numerosos grupos de investigación que concentran sus

esfuerzos en la producción de conocimiento nuevo de las numerosas y posibles

aplicaciones de las microalgas en diferentes sectores de la industria.

Colombia luego de Brasil y Estados Unidos se ha convertido en una potencia mundial de

producción de biocombustibles con microalgas a partir de material vegetal, en

aprovechamiento de todos los desechos vegetales que no son re-utilizados en el sector

agrícola. El desempeño que tienen las microalgas (en cuanto a la producción de aceites)

a partir de los desechos de origen vegetal que se producen por año, es mucho mayor

que los registros que se tienen de la producción de biodiesel a partir de material vegetal.

Sin embargo, la transformación de las plantas en biodiesel continúa siendo una

estrategia rentable de producción de combustible alternativo (Cavieres, 2009).

Se ha reportado que los géneros Nannochloropsis sp., Neochloris sp. y Schizochytrium

sp. presentan un rendimiento productivo de generación de lípidos que varía desde el 31

al 77%. Adicionalmente, se ha encontrado que Botrycoccus braunii puede producir entre

un 25 a un 75% de biocombustibles. No obstante, la inversión en infraestructura es

elevada, debido a la complejidad del procesos de producción. “Sin embargo, debido a la

enorme investigación y desarrollo que están realizando más de 70 compañías, 5

empresas petroleras y numerosas universidades en el mundo, se prevee que en los

próximos años se reducirán los costos y éstos serán cada vez más competitivos con los

costos que implican la producción de combustibles fósiles. En este nuevo escenario, el

biodiesel a partir de microalgas será el combustible con más chances para sustituir .el

biodiesel producido con soya, raps, jatropha y palma” (Cavieres, 2009).

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Anexos

Tabla 1. Técnicas empleadas en la biorremediación de sistemas terrestres y ambientes acuáticos

contaminados (Lozano, 2005).

Tabla 2. Cuadro comparativo del costo y la eficiencia de las microalgas bajo dos escenarios: campo

abierto y biorreactores (Bacellar & Vermelho, 2013)

Figura 1. Efluentes provenientes de industria bioenergética, reducción del 95% de la demanda química

de oxígeno (COD) y demanda bioquímica de oxígeno (BOD) mediante el uso de tecnología de algas.

PHYCORE.(JABU, 2009)

Figura 2. Estrategias de control de contaminates empleadas en la produción de microalgas a gran

esacala (Bacellar & Vermelho, 2013).