Efecto de diferentes fuentes de nitrógeno y de fósforo sobre la producción y la composición de la biomasa microalgal de Arthrospira (Spirulina) plantesis LMPA55

Abstract

Spirulina platensis fue la primer cianobacteria cultivada utilizando la biotecnología moderna. Su elevado contenido de proteínas, su composición particular en aminoácidos y ácidos grasos esenciales, y su contenido de vitaminas, hacen que resulte una microalga de interés para la alimentación humana y animal. No obstante, su biomasa resulta una fuente interesante de determinados productos como pigmentos y polisacáridos. Su uso se ha extendido desde la aplicación original en la alimentación, a la producción de productos químicos para diagnóstico clínico, investigación biológica, de uso cosmético y de aplicación terapéutica. Incluso ha sido considerada como materia prima potencial para la producción de biocombustibles. Los medios para el cultivo de microalgas están conformados por distintas sustancias que sirven de nutrientes para su crecimiento y desarrollo. Los nutrientes que los componen se pueden clasificar, según su concentración en macronutrientes y en micronutrientes. Los macronutrientes participan en la formación de las moléculas estructurales, mientras que los micronutrientes cumplen un papel metabólico específico en la fisiología celular. Por lo tanto, la composición del medio de cultivo en macronutrientes, en especial en fósforo y en nitrógeno, influye en el crecimiento de las microalgas, afectando a la velocidad de crecimiento, a la producción de biomasa y a su composición bioquímica. El medio de cultivo Zarrouk es el más comúnmente utilizado para el cultivo de S. platensis. El nitrato de sodio y el fosfato ácido de potasio son las fuentes de nitrógeno y de fósforo que lo componen. Se estudió la producción y la composición bioquímica de la biomasa para distintas concentraciones de estas fuentes. Se verificó que a bajas concentraciones de nitrato de sodio la velocidad específica de crecimiento de S. platensis manifestaba un aumento, lo que permitiría incrementar productividades con un menor costo de medio de cultivo. No obstante, a bajas concentraciones también se observó una disminución en los contenidos de proteínas y de ficocianina, dado que este pigmento podría ser utilizado como reserva frente una limitación de nitrógeno. En lo que respecta al fosfato ácido de potasio, no se observaron cambios significativos en la producción y la composición bioquímica de la biomasa, aún a bajas concentraciones, lo que se atribuiría a la capacidad de S. platensis para acumular fósforo en forma de gránulos de polifosfato. Dado que el costo de los nutrientes representa un 25% del costo total de producción en el cultivo de microalgas, es conveniente emplear fuentes de nitrógeno y de fósforo económicas, y que permitan conseguir productividades adecuadas. Tal es el caso de los fertilizantes (como la urea y los superfosfatos) que resultan ser fuentes alternativas de nutrientes económicamente atractivas. Se estudió en el efecto de distintas concentraciones de cloruro de amonio y de urea, en la producción y la composición bioquímica de la biomasa de S. platensis. A bajas concentraciones de urea se observaron incrementos en la producción de la biomasa, en la velocidad específica de crecimiento, en el contenido de lípidos y en el contenido de carbohidratos. Estos resultados conducirían a posibles mejoras en las productividades y a una disminución en el costo del medio del cultivo. Si bien el cloruro de amonio y la urea son fuentes de nitrógeno fácilmente asimilables por S. platensis, a determinadas concentraciones resultan tóxicas para la microalga debido al amoníaco que se genera a partir de las mismas. Este efecto inhibitorio pudo ser verificado para ambas fuentes. También se estudió el efecto de distintas concentraciones de fosfato monocálcico sobre S. platensis, el cual es parte de la composición de los fertilizantes superfosfato. Frente a esta fuente de fósforo no se observaron cambios significativos en la composición bioquímica de la biomasa, por lo que su uso resultaría atractivo dado que permitiría reducir el costo de cultivo. Sin embargo, la escasa solubilidad del fosfato monocálcico representa una desventaja para el cultivo por la turbidez que genera. Esta turbidez dificulta la penetración de la luz ocasionando una disminución del crecimiento y un consecuente descenso en las productividades.

Spirulina platensis was the first cyanobacteria grown using modern biotechnology. Its high content of proteins, its particular composition in amino acids and essential fatty acids, and its vitamin content, make it a microalgae of interest for human and animal feed. However, its biomass is an interesting source of certain products such as pigments and polysaccharides. Its use has extended from the original application in feed, to the production of chemical products for clinical diagnosis, biological research, cosmetic use and therapeutic application. It has even been considered as a potential raw material for the production of biofuels. The culture media of microalgae are made up of different substances that serve as nutrients for their growth and development. The nutrients that compose them can be classified, according to their concentration, in macronutrients and micronutrients. Macronutrients participate in the formation of structural molecules, while micronutrients play a specific metabolic role in cellular physiology. Therefore, the composition of the culture medium in macronutrients, especially phosphorus and nitrogen, influences microalgae growth, affecting growth rate, biomass production and biochemical composition. Zarrouk culture medium is the most commonly used for the cultivation of S. platensis. Sodium nitrate and potassium acid phosphate are the sources of nitrogen and phosphorus of that culture medium. Production and biochemical composition of the biomass for different concentrations of these sources was studied. It was observed that at low concentrations of sodium nitrate an increase in the specific growth rate was observed, which would allow increasing productivities with a lower cost of cultivation. However, at those concentrations a decrease in proteins and phycocyanin contents was also observed, since this pigment is used as a reserve against a nitrogen limitation. With regard to potassium hydrogen phosphate, no significant changes were observed in the production and biochemical composition of the biomass, which would be attributed to the ability of S. platensis to accumulate phosphorus as polyphosphate granules. Given that the cost of nutrients represents 25% of the total cost of production in the cultivation of microalgae, it is convenient to use inexpensive sources of nitrogen and phosphorus, and to achieve adequate productivities. Such is the case of fertilizers (such as urea and superphosphates) which are economically attractive sources of nutrients. It was studied the effect of different concentrations of ammonium chloride and urea on the production and biomass composition of S. platensis. At low urea concentrations, increases in biomass production, specific growth rate, lipids and carbohydrates content were observed. These results would allow possible improvements in productivities and a decrease in the cost of cultivation. Although ammonium chloride and urea are sources of nitrogen easily assimilable by S. platensis, at certain concentrations they are toxic for microalgae due to the ammonia that is generated from them. This inhibitory effect could be verified for both sources. The effect of different concentrations of monocalcium phosphate, which is a component of superphosphate fertilizers, was also studied. In the face of this source of phosphorus no significant changes were observed on the biochemical composition of the biomass, so its use is attractive given that it would reduce the cost of cultivation. However, the low solubility of monocalcium phosphate represents a disadvantage for cultivation due to the turbidity generated. This turbidity hinders the penetration of light, causing a decrease in growth and a consequent decrease in productivities.