Influencia de la luz sobre la producción y la composición de la biomasa microalgal de Spirulina platensis LMPA55

Abstract

La cianobacteria Spirulina (Arthrospira) platensis es una microalga con gran potencial biotecnológico, no solo porque permite su utilización como biomasa, dado su gran valor nutritivo, sino también porque puede ser utilizada para la obtención de varios productos de interés como vitaminas, clorofila, carotenoides, ficocianina, etc. El cultivo de microalgas para la obtención de biomasa o como método de producción de metabolitos de interés, depende de muchos factores, entre los que se encuentran el medio de cultivo, la luz, el pH, la temperatura y la agitación. La luz es el factor más importante en el desarrollo de los organismos fotosintéticos, dado que representa la principal fuente de energía. El crecimiento de las microalgas no solo puede verse modificado por la intensidad de la luz, sino que también depende de los ciclos de luz y oscuridad (fotoperíodos) a los que son sometidos los cultivos, y a la coloración de la luz incidente (longitud de onda). El efecto de estos factores sobre el crecimiento de las microalgas y la producción de compuestos de interés, dependen tanto de la especie microalgal como de la cepa en estudio. El objetivo del presente trabajo de tesis fue analizar la influencia de la intensidad de la luz, de los fotoperíodos y de distintas longitudes de onda sobre la producción de biomasa y la composición bioquímica de la microalga Spirulina platensis LMPA55, con especial énfasis en la obtención de pigmentos, los cuales tienen particular interés biotecnológico. Varios tiempos de exposición a la luz fueron evaluados. Un fotoperíodo de 18 horas de luz y 6 horas de oscuridad resultaría una opción válida para la producción de biomasa, lípidos y ficocianina en cultivos de S. platensis. Cuando el cultivo fue sometido a 6 horas de luz y 18 de oscuridad la producción de biomasa disminuyó notablemente. El uso de luz continua podría considerarse una alternativa para incrementar la producción de biomasa y carotenoides en cultivos de S. platensis. Sin embargo, implicaría un mayor costo energético en comparación con los procesos que poseen ciclos de luz y oscuridad. Tanto la intensidad de la luz como la cantidad de horas de exposición a la misma estarían en relación con la velocidad específica de crecimiento de esta cepa de S. platensis. El efecto de la intensidad de la luz se estudió sometiendo los cultivos a un rango entre 150 y 4500 lux. A medida que se aumentó la intensidad de la luz se incrementó la producción de la biomasa. Las intensidades de luz para una óptima producción de biomasa microalgal difieren de las intensidades que optimizan la producción de algún metabolito en cultivos de S. platensis. Una intensidad de luz de 1500 lux, representaría una opción para obtener una considerable cantidad de biomasa e incrementar la producción de ficocianina, sin afectar la composición bioquímica de los cultivos de S. platensis. La aplicación de una baja intensidad 2 de luz (150 lux), o de luz azul, serían una alternativa para estimular la producción de lípidos, carbohidratos y pigmentos en cultivos de S. platensis. No obstante, bajo estas condiciones el crecimiento se encuentra limitado. El efecto de la longitud de onda se estudió mediante la utilización de luces de color rojo, azul, amarrillo y verde. La aplicación de luz roja sobre cultivos de S. platensis favorecería la producción de biomasa e incrementaría el contenido de lípidos y ficocianina, pero a un costo mayor de gasto energético. Con el objetivo de aumentar la producción de pigmentos, se realizaron cultivos de S. platensis en dos etapas. En una primera etapa se estimuló la producción de biomasa a una intensidad de luz de 2500 lux, y en una segunda etapa se favoreció la producción de pigmentos sometiendo a los cultivos a una baja intensidad de luz (700 lux), ó a un cambio de longitud de onda (la presencia de luz azul). Los cultivos de S. platensis realizados en dos etapas, no respondieron con un aumento del contenido pigmentario. Esto podría deberse al inicio tardío de la segunda etapa, la cual podría haber afectado los mecanismos de adaptación de la cepa a las nuevas condiciones de cultivo. Si bien los resultados obtenidos no fueron los esperados, el cultivo de S. platensis llevado a cabo en dos etapas con cambios en las condiciones de luz, representaría una alternativa viable e interesante para modificar la producción de sus pigmentos. No obstante, esta estrategia necesita ser estudiada en profundidad.

The cyanobacterium Spirulina (Arthrospira) platensis is a microalgae with great biotechnological potential, not only because it allows its use as biomass, due its great nutritional value, but also because it can be used to obtain several interest products such as vitamins, chlorophyll, carotenoids, phycocyanin, etc. The microalgae cultivation to obtain biomass or as a production method of interest metabolites, depends on many factors, among which are the culture medium, light, pH, temperature and agitation. Light is the most important factor in growth of photosynthetic organisms, since it represents the main source of energy. The microalgae growth can not only be modified by the light intensity, but also depends on the light and dark cycles (photoperiods) to which the cultures are subjected, and of the incident light coloration (wavelength). The effect of these factors on the microalgae growth and the production of interest compounds, depend both on the microalgal species and on the strain under study. The aim of this thesis was to analyze the influence of light intensity, photoperiod and wavelengths on the biomass production and the biochemical composition of the microalgae Spirulina platensis LMPA55, with special emphasis on pigments obtaining, which has a particular biotechnological interest. Several light exposure times were evaluated. A photoperiod of 18 hours of light and 6 hours of darkness would be a valid option for the production of biomass, lipids and phycocyanin in S. platensis cultures. When the culture was subjected to 6 hours of light and 18 of darkness the biomass production decreased markedly. The use of continuous light could be considered an alternative to increase the production of biomass and carotenoids in S. platensis cultures. However, it would imply a higher energy cost in comparation to processes that have light and dark cycles. Both the light intensity and the exposure time to light would be related to the specific growth rate of this strain of S. platensis. The light intensity effect was studied by subjecting the cultures to a range between 150 and 4500 lux. As the light intensity increased, the biomass production increased. The light intensities for an optimal microalgal biomass production differ from the intensities that optimize the production of some metabolite in S. platensis cultures. A light intensity of 1500 lux, would represent an option to obtain a considerable amount of biomass and increase the production of phycocyanin, without affecting the biochemical composition of the S. platensis cultures. The application of a low light intensity (150 lux), or blue light, would be an alternative to stimulate the production of lipids, carbohydrates and pigments in S. platensis cultures. However, under these conditions growth is limited. The wavelength effect was studied by using red, blue, yellow and green light. The application of red light on S. platensis cultures would stimulate the biomass production and increase the content of lipids and phycocyanin, but with a higher energy cost. In order to increase the pigments production, S. platensis cultures were carried out in two stages. In a first stage, the biomass production was stimulated at a light intensity of 2500 lux, and in a second stage the pigments production was favored, subjecting the culture to a low light intensity (700 lux), or to a change of wavelength (the presence of blue light). The S. platensis cultures carried out in two stages, did not respond with an increase in the pigmentary content. This could be due to the late start of the second stage, which could have affected the strain adaptation mechanisms to the new culture conditions. Although the results obtained were not as expected, the S. platensis cultivation carried out in two stages with changes in the light conditions, would represent a viable and interesting alternative to modify the production of their pigments. However, this strategy needs to be studied in depth.