Cultivo marino vegetal - Blog Grado Ciencias del Mar

Curso: 3º Grado CCM
Asignatura: Ecología Marina
Índice
1. Introducción.__________________________________________________ Pág 3
2. Macroalgas en la acuicultura. ____________________________________ Pág 4
2.1. Macroalgas más importantes en el cultivo. _____________________ Pág 5
2.2. Factores a tener en cuenta a la hora de cultivar macroalgas. _______ Pág 6
2.3. Derivados. ________________________________________________ Pág 8
3. Microalgas en la acuicultura. ____________________________________ Pág 9
3.1. Microalgas más importantes en el cultivo. _____________________ Pág 10
3.2. Cuidados a tener en cuenta a la hora de cultivar microalgas. ______ Pág 10
3.3. Derivados. ________________________________________________ Pág 12
4. Nuevas técnicas en la acuicultura con algas. _______________________ Pág 14
5. Bibliografía. ___________________________________________________ Pág 16
1. Introducción.
Desde hace más de 3500 millones de años, las algas colonizan nuestros
mares y costas. Durante todo este tiempo han alimentado y dado cobijo a
diversas especies marinas. De igual manera son buenos bioindicadores de
contaminación o alteración de los medios en que viven.
Dentro de las algas (un conjunto muy heterogéneo de organismos que
sólo tienen en común ser seres autótrofos fotosintéticos de morfología
sencilla y que necesitan del agua al menos para su reproducción) solemos
distinguir entre micro y macroalgas. Las microalgas son generalmente
unicelulares y viven en suspensión en el agua formando parte del
fitoplancton; mientras que las macroalgas son todas pluricelulares y
suelen vivir fijadas a un sustrato, o lo que es lo mismo, bentónicas.
 Hacia una acuicultura sostenible mediante el cultivo de algas.
En función del sentido del impacto sobre el medio acuático podemos
clasificar dos tipos de acuicultura:
-
Acuicultura de organismos heterótrofos (peces, moluscos…)
Organismos que para su crecimiento retiran oxígeno y una fuente
de nutrientes orgánicos (entre los que destacan el C, N y P) del
medio y, a cambio, liberan (en su metabolismo) principalmente CO2
y distintas formas inorgánicas de N y P (como por ejemplo el
amonio, urea, etc.)
-
Acuicultura de organismos autótrofos (algas)  Organismos que
basan su crecimiento en el consumo de CO2 y nutrientes
inorgánicos (tales como N y P) utilizando como fuente de energía la
luz solar y liberando O2 en el proceso.
Los residuos animales y las aguas residuales domésticas contienen
todos los nutrientes necesarios para el crecimiento algal; el
aprovechamiento de estos residuos (cuyo coste es nulo y que, por lo
general, no contienen sustancias muy tóxicas) puede invertirse en
aumentar el crecimiento de la biomasa microalgal y, con esa biomasa,
alimentar al ganado.
2. Macroalgas en la acuicultura.
La evolución del cultivo comercial de macroalgas tiene una larga
historia. La demostración de los beneficios de su consumo, el potencial de
producción y los nuevos usos y productos obtenidos de las algas han
ayudado al aumento del esfuerzo investigador alrededor del desarrollo
de los sistemas de cultivo y las posibilidades de aumentar el número de
especies cultivables en las últimas décadas.
El cultivo de macroalgas libre (no fijadas a un sustrato) y “outdoor” (bajo
condiciones de radiación natural) puede ser dividido principalmente en:
-
Semi-intensivo (llevado a cabo en estanques y lagunas sin control
efectivo)
-
Intensivo; llevados a cabo en tanques fabricados en cemento
(raceways), fibra o plásticos de diferentes escalas (volúmenes y
superficies) donde se puede establecer un sistema de agitación del
medio (y la biomasa) y un alto grado de control y mecanización.
Figura 1. Fotos de diferentes tanques de cultivo con agitación constante a distintas escalas.
En estos últimos, las producciones por unidad de superficie cultivada
son mayores que en los estanques semi-intensivos. La principal
desventaja del desarrollo de los sistemas intensivos es su alto coste, en
comparación con otros métodos de cultivo (por ejemplo el cultivo en mar
abierto) debido a los elevados costes de bombeo de agua, agitación del
medio y en ocasiones el enriquecimiento extra de CO2.
La importancia de factores como el diseño del tanque, el bombeo y
movimiento/agitación del agua/medio de cultivo, la irradiación, la
temperatura, el aporte de nutrientes, la concentración del carbono
inorgánico disuelto y su efecto sobre el pH del medio, la densidad
(óptima y máxima) y la competición de especies (crecimiento de epifitos
sobre las macroalgas, impidiéndoles a estas realizar correctamente la
fotosíntesis llegando incluso a morir) muestran un efecto directo sobre el
principal proceso fisiológico de las algas, la fotosíntesis, y por lo tanto,
sobre los valores máximos de producción (g Peso Seco m-2 d-1) y eficiencia
del sistema (% conversión de energía luminosa en biomasa). A mayor
control de estas variables, mayor posibilidad de incrementar la
producción y modificar la calidad de la biomasa obtenida.
El cultivo intensivo de plantas terrestres requiere un alto aporte de
nutrientes, en general fertilizantes químicos. El cultivo de macroalgas no
es una excepción. Con el fin de reducir el uso de fertilizantes y por lo
tanto reducir los costes de producción, se pueden emplear efluentes
cargados en nutrientes como los de piscifactorías. Este enfoque (que ya
abarcaremos más tarde en el apartado de sistemas multitróficos) además
produce un beneficio ambiental ya que reduce la carga de nutrientes en
los vertidos desde las instalaciones acuícolas a la costa.
2.1. Macroalgas más importantes en el cultivo.
En los últimos años ha aumentado de forma significativa el listado de
géneros de macroalgas que están siendo cultivadas con éxito, tanto en
sistemas de cultivo intensivo como en mar abierto ya que presentan algún
tipo de valor industrial o biotecnológico, por ejemplo:
-
Palmaria;
Gelidium;
Pterocladiella
Gigartina;
Hizikia;
Codium;
Sargassum;
-
Macrocystis;
Porphyra
Undaria
Ulva,
Gracilaria
Chondrus
Laminaria
-
Fucheuma
Monostroma
Enteromorpha
En la actualidad existen alrededor de
200 especies de macroalgas que se
aprovechan industrialmente, de los
cuales 10 géneros son cultivados de
forma importante.
2.2. Factores a tener en cuenta a la hora de cultivar macroalgas.
Entre los factores de mayor interés en la producción y el crecimiento de
macroalgas destacan factores físico-químicos, biológicos y técnicos, tales
como, por ejemplo, la superficie o el color del tanque ( ya que esto afecta
al crecimiento de la biomasa algal a través de la mayor o menor absorción
de luz por parte de las algas en la columna de agua)
Tabla 1. Factores que influyen en el crecimiento del cultivo intensivo.
En este apartado vamos a tratar algunos factores físico-químicos
importantes:
Temperatura.
La temperatura es un parámetro que se debe mantener controlado en
cualquier especie a cultivar, ya que presenta fluctuaciones en el medio
natural, a nivel estacional y diurno que condicionan al crecimiento de la
especie. El crecimiento y reproducción de las especies están
correlacionados con la temperatura, ya que este parámetro determina la
distribución geográfica donde habitan (ya sea en la columna de agua o en
su distribución por el globo); pocas toleran una amplitud de 20° C.
Iluminación.
La luz es de fundamental importancia como fuente de energía para la
fotosíntesis. La incidencia sobre las algas depende tanto de su intensidad
como de su calidad.
Estas varían según la profundidad y la latitud en que se desarrollan, y
de acuerdo a la hora del día y a la estación del año. Actualmente, los más
amplios estudios han señalado la importancia de la intensidad luminosa,
es decir, la cantidad de luz necesitada por las diferentes especies de algas
y, en base a ello, podemos así distinguir especies fotófilas (necesitan
fuerte intensidad luminosa) y especies esciáfilas (especies de sombra).
pH.
El pH se define, como el logaritmo de la concentración de iones de
hidrógeno en el agua. En el agua varía dependiendo de la concentración
de amonio y el nivel de CO2 disuelto en el agua, siendo el agua de mar
alcalina por su alta concentración de cationes.
Debido a esto, el rango de fluctuación del pH del agua de mar oscila
entre 7,8 y 9.
Oxígeno disuelto.
Es sin duda el más importante de los gases en lo que concierne a la
vida de los animales al ser indispensable para la respiración de los
organismos y facilitar la degradación de la materia orgánica detrítica y la
realización de los ciclos bioquímicos. Este gas procede de la atmósfera y
de la actividad fotosintética de las plantas acuáticas. Su concentración
está estrechamente relacionada con la fotosíntesis.
Nutrientes.
Los nutrientes se pueden agrupar en macronutrientes (N, P, C),
micronutrientes (Fe, Zn, Cu, etc.), vitaminas y oligoelementos. Entre
ellos, el N y P son elementos que limitan el crecimiento algal en la mayor
parte de los ambientes naturales y la concentración de estos en el agua,
permite establecer un balance entre la tasa de aporte y la demanda de este
nutriente por productores primarios.
Estudios realizados en el crecimiento de Gracilaria, han demostrado
que el nitrógeno es el nutriente limitante primario en sistemas de cultivos
marinos, siendo un elemento utilizado por los organismos para producir
un número complejo de moléculas (aminoácidos, proteínas o ácidos
nucleicos).
En solución acuosa, el amonio crea un equilibrio de la concentración de
amoniaco, lo que conlleva a una menor toxicidad, es decir, se asimila el
amoniaco y el amonio, a pesar de ser el primero más tóxico que el otro.
2.3. Derivados.
Existen aplicaciones tanto para nuestra propia alimentación como para
otras muchas relacionadas con la investigación y desarrollo.
En las últimas décadas, la producción mundial de macroalgas ha
estado dirigida, en su mayor parte, al consumo humano y la industria de
los ficocoloides (agar, carragenatos y alginatos). Otras aplicaciones de
importancia industrial con relevancia son la obtención de fertilizantes
agrícolas, el consumo animal o, más recientemente, los mercados de la
cosmética y la talasoterapia. Con un mercado menor, pero potencialmente
muy interesante, la obtención de metabolitos con actividad biológica,
farmacológica, medicinal o biotecnológica de las algas en general, y de las
macroalgas en particular, ha aumentado significativamente. Entre estas
sustancias se encuentran como ejemplos representativos: pigmentos
(ficobiliproteínas y carotenoides), polisacáridos sulfatados, compuestos
halogenados, sustancias “antifouling”, lectinas, fucoidanos y sustancias
con actividad antioxidante.
En el escenario actual en el que aumenta el interés por el
aprovechamiento de biomasa para la producción alternativa de biodiésel,
las algas se encuentran en el punto de mira por diversos motivos, entre
los que se encuentran:
- la nula competición por terreno para el cultivo de especies
terrestres
- la capacidad para reducir las emisiones de CO2 a través del
proceso fotosintético.
La eficiencia fotosintética de los vegetales marinos se encuentra
alrededor del 6-8%, valores mayores a los estimados para vegetales
terrestres (1.8-2.2%), y teniendo en cuenta su composición bioquímica, la
biomasa de micro- y macroalgas puede ser considerada seriamente para
la conversión de energía solar y la producción de biodiésel, añadiendo así
una aplicación potencial con interés añadido a la producción de biomasa
de macroalgas en los sistemas integrados.
Aunque fisiológicamente el metabolismo del carbono y su relación con
la producción de polisacáridos, lípidos y ácidos grasos en macroalgas han
sido ampliamente estudiados, no existe demasiada información sobre la
producción de biodiesel, al contrario de lo que sucede con las microalgas,
probablemente debido a las bajas concentraciones de lípidos, frente a las
altas de polisacáridos, encontradas en macroalgas.
3. Microalgas en la acuicultura.
Las microalgas han sido ampliamente estudiadas en varios aspectos y
se ha sugerido que pueden ser una nueva arma para luchar contra la
deficiencia en materia proteica que existe en el mundo debido a sus altas
tasas de reproducción, adaptabilidad a distintas condiciones ambientales
y su omnipresencia en cualquier medio acuático donde existan nutrientes,
fuente de carbono y luz, junto con el apropiado rango de temperaturas.
Este hecho se ve potenciado por los altos rendimientos de biomasa con
elevados niveles de proteína obtenidos, tanto en cultivos de laboratorio
como exteriores.
Las microalgas convierten compuestos inorgánicos en proteínas
celulares nutricionalmente valiosas para reemplazar a las proteínas de
origen animal y vegetal tradicionales, utilizadas en las dietas de animales
y en la dieta humana. La biomasa microalgal es útil como alimento de
peces, crustáceos, moluscos, ganado, aves, conejos y cerdos y,
posiblemente (con ciertas precauciones), para el hombre.
Hasta la fecha, la producción de biomasa microalgal se dirigió
fundamentalmente a unas pocas especies de agua dulce consideradas
como potencial suplemento en la dieta, mientras que no se consideran las
microalgas marinas como fuente alimenticia.
El mar ofrece, con la tecnología actual, los más variados e importantes
recursos de alimentos. Dentro de estos, las microalgas marinas pueden
suponer un importante potencial como fuente proteica o como
complemento de una dieta ya que:
-
-
-
-
Utilizan energía lumínica para asimilar el CO2 como fuente de
carbono.
Las microalgas crecen fotosintéticamente con altas tasas de
productividad y no son tan sensibles a las variaciones estacionales
en sus rendimientos en biomasa.
Incorporan los N, P y demás nutrientes minerales del medio a su
propia biomasa, con lo que realizan el paso de materia inorgánica a
materia orgánica.
La biomasa microalgal puede duplicarse cada 24 horas. Esto
representa una de las fuentes proteicas más rápida y económica
posible.
Contienen un alto contenido proteico de alta calidad.
Acumulan cantidades apreciables de lípidos y carbohidratos.
No presentan problemas toxicológicos y tienen un valor nutritivo.
3.1. Microalgas más importantes en el cultivo.
En los primeros trabajos sobre el cultivo masivo de microalgas las
especies (todas de agua dulce) más utilizadas han sido:
-
Uronema
Coelastrum
Spirulina
-
Chlorella
Scenedesmus
Dando las especies de Chlorella y Scenedesmus un rendimiento
excelente tanto en cultivos de laboratorio como en exteriores. Esto es
debido a que ambas presentan un excelente crecimiento, con altas tasas
de multiplicación y elevado contenido en proteína y, además, son fáciles
de manipular en experiencias de laboratorio
Para el tratamiento de aguas residuales las microalgas más efectivas son:
-
Micratinium
Oocystis
Oscillatoria
Chlamydomonas
-
Euglena
Ankristodesmus
Micratinium
Oscillatoria
Como biofertilizadores se utilizan las microalgas verde-azuladas
fijadoras del nitrógeno atmosférico tales como Anabaena y Nostoc
La única microalga verde-azul utilizada para cultivo masivo es Spirulina.
3.2. Factores a tener en cuenta a la hora de cultivar microalgas.
La actividad fotosintética de un cultivo microalgal depende de
distintos factores, siendo los más importantes luz, temperatura, pH,
nutrientes, condiciones fisiológicas del alga y concentraciones de CO2 y
O2 disponible.
Es conveniente una suficiente agitación del medio de cultivo, y este
hecho incide directamente en el cultivo masivo de microalgas. La
agitación implica una combinación de varios efectos, como es el
movimiento del agua, mejorar la distribución de luz a las células y evitar
y reducir que las células microalgales se depositen en el fondo del
recipiente de cultivo.
En el momento de abordar un cultivo masivo de microalgas, uno de los
factores a considerar es la concentración inicial óptima ya que juega un
importante papel en el desarrollo del cultivo. Concentraciones demasiado
bajas pueden perderse, principalmente, por fotoinhibición mientras que,
si son demasiado altas se producen pérdidas debido a la falta de
oxigenación o a una ineficiente utilización de la energía lumínica, debido
al ensombrecimiento que ejercen las microalgas entre sí.
El pH es uno de los factores más importantes en el cultivo microalgal,
ya que determina la solubilidad del dióxido de carbono y los minerales en
el medio de cultivo e influye directa o indirectamente en el metabolismo
de las microalgas. Cada microalga tiene un óptimo de pH para su cultivo.
A su vez, el pH de los cultivos microalgales se ve afectado o puede ser
influenciado por varios factores, como composición y capacidad tampón
del medio de cultivo, cantidad de O2 disuelto, temperatura (que a su vez
controla la solubilidad del CO2) y actividad metabólica de las células
microalgales.
Respecto a los nutrientes, se sabe que los cultivos microalgales
requieren macronutrientes, como nitrógeno y fósforo, además de varios
micronutrientes y vitaminas. Cada microalga tiene sus necesidades
específicas que han de ser cuidadosamente calculadas. Para cada especie
debe establecerse la concentración óptima de nutrientes, manteniéndose
por lo menos un nivel mínimo que permita obtener resultados
reproducibles. Una posibilidad de simplificar el proceso es la utilización
de desechos, que reduce la necesidad de aporte de nutrientes, reciclando
al mismo tiempo los residuos.
Figura 2. Factores que afectan
a la producción de la biomasa
microalgal.
3.3. Derivados
Existen multitud de aplicaciones potenciales para las microalgas:
producción de proteína, tratamiento de aguas residuales, renovación de
agua, acuicultura, extracción de productos químicos y bioconversión en
energía entre otras.
Figura 3. Distintas utilizaciones de las microalgas.
Alimentación.
Alimentación para aves
suplementación de dietas…
de
corral,
cerdos,
rumiantes,
peces,
Posibles usos terapéuticos de las microalgas.
Efecto de hipocolesterolemia, tratamiento de la obesidad, comidas
naturales o dietéticas a base de microalgas...
Figura 4. Factores que afectan a la aceptabilidad de un producto.
4. Nuevas técnicas en la acuicultura con algas.
Acuicultura Multitrófica Integrada (AMTI)
Sistemas multitróficos.
El papel que juegan las algas (tanto micro- como macroalgas) en estos
sistemas se basa en el aprovechamiento, a través del proceso fotosintético,
del exceso de nutrientes disueltos generados por los animales,
(principalmente N y P), además del CO2 producido por el proceso
respiratorio de los peces, convirtiéndolos en biomasa y O2. En general,
plantas y algas (autótrofos) permiten el establecimiento de equilibrios con
respecto a los animales o microbios (heterótrofos) en el sistema de forma
natural.
La biofiltración mediante vegetales fotosintéticos, como las algas, es
asimiladora y recrea en el sistema de cultivo un miniecosistema con
distintos niveles tróficos en la conocida como Acuicultura Multitrófica
Integrada (AMTI). Si el sistema está adecuadamente equilibrado, la
autotrofía de las algas contrarresta la heterotrofía de los peces, crustáceos,
moluscos y bacterias, y no sólo con respecto a los nutrientes, sino también
con respecto al oxígeno, pH y CO2. Los biofiltros con algas pueden
reducir en un solo paso la mayoría del impacto general sobre el
ecosistema de los cultivos marinos y ayudar a estabilizar el medio de
cultivo y, lo que es más importante, transforma lo que considerábamos
residuos en nueva biomasa que puede tener valor comercial, siendo por
lo tanto una vía de diversificación de la acuicultura.
Diferentes géneros cultivables (Ulva, Codium, Gracilariopsis,
Gracilaria, Palmaria, Hypnea, Chondrus, Kappaphycus, Porphyra,
Falkenbergia y Laminaria) han sido ensayados con éxito como biofiltros
eficaces para los efluentes con nutrientes disueltos, principalmente
amonio, bajo factores y condiciones muy diferentes mostrando tasas de
eliminación y asimilación elevadas. Sin embargo, la utilización de
macroalgas como biofiltro ha estado centrada principalmente en esa
capacidad para la eliminación de nutrientes disueltos, y no en el mercado
potencial y su valor añadido como un organismo adicional producido en
el sistema. La producción de algas también puede ser utilizada para
alimentar otras especies de alto valor añadido tales como el “abalón” y
otras especies de moluscos y equinodermos.
Figura 5. Concha de abalón; frecuentemente
empleada en la fabricación de bisutería.
Para los sistemas multitróficos, las macroalgas frente a las microalgas
tienen una serie de ventajas propias de su morfología y forma de vida
que las hacen más adecuadas. Estas ventajas de las macroalgas son las
derivadas de su tamaño y forma de vida fija a un sustrato, lo que, frente a
las microalgas, posibilita su uso en sistemas outdoor (en el exterior), su
integración en sistemas de circulación continua de agua y, además,
facilita mucho su cosecha y procesado.
Los beneficios de la incorporación de los sistemas de cultivo de
macroalgas, en el desarrollo de los ya comentados sistemas multi-tróficos
integrados, no están únicamente relacionados con la posibilidad de
disminuir los desechos producidos que puedan causar problemas de
eutrofización (y sus aspectos ecológicos relacionados). La posibilidad de
cultivar peces con algas y otros organismos marinos disminuiría los
costes, permitiendo la producción de dos o más organismos en un solo
sistema y así, considerando algunos de los factores descritos
anteriormente como el flujo y aporte de nutrientes y CO2, aumentar los
rendimientos de la producción.
Figura 6. Esquema
básico de un sistema
multitrófico
A) sistema AMTI de
cultivo combinado entre
macroalgas y peces
B) posibles usos a la
biomasa macroalgal
obtenida en el sistema.
5. Bibliografía.
Libros.
 Herrero C., Cabezas B., Abalde J. y Fabregas j., Avances en tecnología de microalgas
para nutrición animal, 1985, Universidad de Santiago de Compostela.
 González González, R., Cultivo y valoración de Hydropuntia cornea (Rhodophyta) y
Ulva rigida (Chlorophyta) para la producción de biodiesel. Dinámica de la
disponibilidad de amonio y de las condiciones de irradiación sobre la calidad de la
biomasa, 2008-2010, Tesis presentada y públicamente defendida para la obtención del
título de máster oficial en cultivos marinos.
 Fidalgo Rosselló, P., Optimización del cultivo de las macroalgas Ulva rigida, Hypnea
spinella e Hydropuntia cornea en efluentes de cultivos marinos, 2006, Trabajo realizado
en el Instituto Canario de Ciencias Marinas del Gobierno Autónomo de Canarias, Gran
Canaria, España, bajo la dirección de María del Pino Viera Toledo y Ricardo Haroun
Trabaue y presentado como requisito parcial para la obtención del Título de Master
Universitario Internacional en Acuicultura, otorgado por la Universidad de Las Palmas
de Gran Canaria (ULPGC), el Instituto Canario de Ciencias Marinas (ICCM), y el centro
Internacional de Altos estudios agronómicos Mediterráneos de Zaragoza (CIHEAM).
 Vázquez Ferreiro, U., Incera Filgueira, M., Fernández Otero, R., Maroto Leal, J.,
Macroalgas en la Acuicultura Multitrófica Integrada Peninsular, 2011, Cetmar (centro
tecnológico del mar).
Páginas Web.
http://ag.arizona.edu/azaqua/AquacultureTIES/publications/Spanish%20WHAP
/GT7%20INTRO.pdf
 http://www.natureduca.com/acui_cultiv_otros_algas.php
 http://www.fundame.org/cientificas/pdfs/acuicultura/Acui_capitulo3_01.pdf
 http://danival.org/100%20biolomar/1500biomar/algae/alga_2.html
http://www.blog.marinebiotechnology.org/wpcontent/uploads/2012/09/AGROQUIMICA1.pdf