Curso: 3º Grado CCMAsignatura: 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

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.

En la actualidad existen alrededor de 200 especies de macroalgas que se aprovechan industrialmente, de los cuales 10 géneros son cultivados de forma importante.

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 afectana 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 de corral, cerdos, rumiantes, peces, suplementación de dietas…

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/wp-content/uploads/2012/09/AGROQUIMICA1.pdf