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BIOTECNOLOGÍA DE  “ALGAS”

¿QUÉ ES LA BIOTECNOLOGÍA? DEFINICIONES DE BIOTECNOLOGÍA

1. DEFINICIONES

BIOTECNOLOGÍA 

Es el conjunto de procesos industriales que implican el uso de los sistemas biológicos, con la aplicación de los principios de la ciencia y la ingeniería al tratamiento de materias por medio de agentes biológicos en la producción de bienes y servicios. Desde el punto de vista científico, es cualquier técnica que utilice organismos vivos o sustancias de estos organismos para hacer o modificar un producto, mejorar plantas o animales, o desarrollar microorganismos, para usos específicos.

Haematococcus pluvialis

HISTORIA *Diferentes culturas emplearon las algas como fuente de alimentación y con fines medicinales. *1950 científicos alemanes cultivaron microalgas para obtener lípidos y proteínas. *1955-1965 avances en la tecnología del cultivo de algas y se ampliaron los objetivos de su utilización. *1965-1980 la motivación del cultivo de microalgas fue la calidad del ambiente. *1975-1982 crisis del petróleo (biocombustible). *En los últimos años se ha sumado el interés por la obtención de biomoléculas de alto valor agregado y aditivos alimenticios.

CARACTERÍSTICAS DE LAS “ALGAS”

9Unicelulares o pluricelulares, procariotas o eucariotas, viven en diferentes ambientes acuáticos. 9Constituyen la base de la cadena trófica 9Las algas se pueden definir como los principales productores primarios del medio acuático, tanto continental como marino. 9Fueron los primeros organismos con capacidad de fotosíntesis y uno de los principales agentes en la creación de la actual atmósfera terrestre 9Se conocen más de 100.000 especies, de las cuales sólo se han explorado los usos potenciales de apenas unas decenas

Lane&Arch2008

Dunaliella sp. Spirulina sp    

Anabaena sp

MICROALGAS Chroococcus turgidus Haematococcus pluvialis

“ALGAS” Durvillea antárctica

Macrocystis pyrifera

Chondrus sp.

Ceramium sp.

MACROALGAS

MICROALGAS UTILIDAD Y BIOPRODUCTOS -Biofertilizantes y acondicionadores de suelo. -Metabolitos de interés biotecnológico: vitaminas, proteínas, lípidos, pigmentos: carotenoides, clorofilas, ficobiliproteínas. -Depuración de aguas residuales, contaminadas con fertilizantes o metales pesados. -Alimento. -Piensos animales. -Combustibles biológicos: aceites para obtener biodiesel, etanol.

CIANOBACTERIAS Se las utiliza como biofertilizantes

Helecho Azolla

cianoacteria Anabaena azollae

Arrozales de la India

Anabaena sp Chroococcus limneticus

Gloeothece sp

Arrozales en Corrientes

PROTECCION PARA SUELO: Nostoc commune

COMPLEMENTO EN LA ALIMENTACIÓN

Spirulina platensis=Arthrospira platensis

SOPA DE NOSTOC

# Se la utiliza como complemento en la alimentación por sus altos contenidos en proteínas, vitaminas, minerales. # Fortalece sistema inmunológico. Se cultiva en E.E.UU., India, China, Tailandia.

BIOINDICADORAS DE MATERIA ORGÁNICA EN AGUA

Microcystis aeruginosa

Anabaena circinalis

Embalse San Roque. Marzo de 2011

CHLOROPHYTA ƒAlto contenido proteico (60%) ƒMinerales fósforo, potasio, magnesio, azufre, hierro, calcio, manganeso, cobre, zinc, yodo y cobalto. ƒVitamina C, BI, B2, B6, B12, E. ™Estimuladora del crecimiento ™Puede retardar el envejecimiento ™Actúa sobre el sistema inmunológico ™Mejora la digestión ™Desintoxicante. Neutraliza venenos ™Alimentación ™Bioconbustibles

Chlorella vulgaris

CAROTENOIDES Pigmentos con función antioxidante: astaxantina, β caroteno, luteina La Astaxantina (Chlorophyta) Se lo usa en cremas rosadas o lápiz labial, protección de la piel frente a la radiación. Mejora del sistema inmune. Haematococcus pluvialis

Cultivo de H. pluvialis

β-caroteno (Chlorophyta) -Procursor de la vitamina A -Puede inhibir el crecimiento de células cancerígenas Dunaliella salina cultivos en Australia.

CAROTENOIDES

Scenedesmus almeriensis clorofita con alto contenido en luteina

La degeneración macular asociada a la edad, o DMAE, es una enfermedad del ojo ocasionada por degeneración, daños o deterioro de la mácula.

BACILLARIOPHYCEAE (Diatomeas) -Filtros -Industria química, cosmética, farmacéutica -Bioindicadoras ambientales, pH, salinidad, -Reconstrucción de paleoambientes -Petróleo -Medicina forense

Los filtros de diatomeas tienen una gran eficiencia, los poros tienen de 1 a 3 µm de diámetro

Yacimiento de tierra de diatomeas en Río Negro

Tierra de diatomeas

BACILLARIOPHYCEAE (Diatomeas)

Cosmética (Peeling)

Insecticida

Construcción

Medicina forense

DEPURACIÓN DE AGUAS RESIDUALES

Cyanobacteria:Anacystis sp, Anabaena sp. Euglenophyta:Euglena viridis, E. acus

Bacillariophyceae:. Chlorophyta: Chlorella vulgaris, Pediastrum sp Cosmarium sp Gonphonema sp ELIMINACIÓN DE METALES PESADOS ELIMINACION DE NITRATOS

(Cr, Cu, Pb, Hg)

BIOCOMBUSTIBLE (etanol) Chrysophyceae: Ochromonas sp.

PetroSun ha announced it will begin operation of its commercial algae-to-biofuels facility on April 1st, 2008. The facility, located in Rio Hondo Texas, will produce an estimated 4.4 million gallons of algal oil and 110 million lbs. of biomass per year off a series of saltwater ponds spanning 1,100 acres. Twenty of those acres will be reserved for the experimental production of a renewable JP8 jetfuel.

CONTENIDOS DE ACEITES EN ALGUNAS MICROALGAS (Clorofitas y diatomeas)

MACROALGAS: UTILIDAD Y BIOPRODUCTOS -Producción de ficocoloides: agar, carragenano y alginatos -Industria textil, del papel y del vidrio -Industria alimenticia -Industria agropecuaria -Cosmetología -Industria farmacéutica

Clorofitas: Codium sp

Ulva lactuca Gigartina mamilosa

-Usos medicinales

Feófitas: Macrocystis sp. Sargassum sp Rodófitas: Porphyra sp Polysiphonia sp.

CHLOROPHYTA -Alimentación de animales -Agricultura, elaboración de fertilizantes -Alimento en dieta humana naturista, sopas , mezclada con harina para la elaboración de pan, galletas y como condimentos

Chaetomorpha dubyana

Ulva lactuca

Codium fragile

RHODOPHYTA -Producción de agar, ficocoloide utilizado para cultivos bacteriológicos y en la eborración de dulces, gelatinas salsas, sopas, embutidos. -Producción de carragenano, ficocoloide usado como aditivo, gelificante y espesante de productos lácteos -Producción de carbonato de calcio , para corregir pH de suelos ácidos y para elaboración prótesis humana

-Alimentación humana, nori, dulse, wakame -Cosmetogía, fabricación de cremas -Farmacología, una dieta rica en Porphyra reduce ciertos cánceres y niveles altos de colesterol.

-Pinturas

Porphyra sp

. Gigartina papillosa

Corallina officinalis

PHAEOPHYTA . -Producción de alginatos, usado para fijar colores en telas, fabricación del vidrio, papel, como estabilizador y espesante en pinturas. Elaboración de mermeladas, productos de panificación.

-Alimento para animales y el hombre

Sargassum sp

-Cosmetología, cremas, shampoo, para caída del cabello, acné. -Fertilizantes, los arribazones de algas han constituido una fuente de abono para las tierras de cultivo. Aparte de abonar, las algas mejoran las características nutritivas del suelo e impiden el crecimiento de malas hierbas. -Farmacología, recubrir medicamentos, laxantes cremas reductoras -Medicinales, para la cura contra el bocio.

Macrocystis pyrifera

Durvillea antarctica

Fucus vesiculosus

USO DE ALGAS EN LA GASTRONOMIA

Spagueti de mar (Chlorophyta Caulerpa) Sushi (Rhodophyta, Porphyra) Dulse (Rhodophyta Palmaria palmata)

Las algas constituyen el alimento nacional de muchos paises como por ej. China que consume mas de 70 spp.. Japon 20 spp. Irlanda, Chile, etc..

Kombu (Pheophyta) Musgo de Irlanda (Rhodophyta)

Wakame (Pheophyta)

5. SISTEMAS DE PRODUCCIÓN

SIN manipulación del  hombre (Extensivos)

Agua Dulce

‐ Lagos ‐ Lagunas

Agua Salada

Mar

Sistemas de producción Sistema abierto CON  manipulación del  hombre (Intensivos)

Sistema semi‐abierto Sistema cerrado

Lago Texcoco Mexico (Aztecas) Lago Chad (N africa)

SISTEMAS DE PRODUCCIÓN

Agua Dulce

-Lagos ‐Lagunas

SIN manipulación del hombre (Extensivos) Agua Salada

Lago Texcoco México (Aztecas) Lago Chad (N África)

Mar Cultivo multitrófico (algas, crustáceos, peces y herbívoros )

Abierto Estancos

CON intervención del hombre Intensivos

Sistema semi cerrado

Sistema cerrado

-Volumen limitado -Numero pequeños de células -Fines experimentales

Continuos

Fotobiorreactores

-Aporte continuo de medio -Gran numero de células -Fines industriales

SISTEMAS ABIERTO

Cosecha de Macrocystis en Chile

SEMICERRADO O EN INVERNADERO

Fotobiorreactores

Sistemas abiertos

Fotobioreactores

ESCALA

LABORATORIO

PLANTA PILOTO

INDUSTRIAL

CULTIVO EN LABORATORIO Cultivos unialgales: cuando contienen una sola especie algal. Cultivos estancos: volumen limitado Número pequeños de células. Usos Fines experimentales. Test ecotoxicologícos Alimentación de microcrustáceos

Microcrustáceo Daphnia magna

CULTIVOS EN LABORATORIO

Cámaras de cultivos

Cultivo en habitaciones acondicionadas

ASPECTOS TECNICOS ILUMINACIÓN Se usan tubos fluorescentes “blanca fría” (tienen un rango de longitud de onda 300-700 nm necesario para la fotosíntesis. El número de lámparas que se utilicen dependerá de la altura y diámetro de los recipientes de cultivo. Algunas especies toleran luz continua, otras requieren fotoperíodo para un optimo crecimiento.

AIREACIÓN Los volúmenes de cultivo inferiores a un litro no necesitan aireación porque el intercambio gaseoso a través de los tapones de algodón es suficiente y la difusión de CO2 es adecuada. Diariamente se los agita suavemente. Para cultivos de mayor volumen es indispensable una aireación directa; para asegurar el aprovisionamiento de carbono y evitar que las células sedimenten.

MACRONUTRIENTES: C, H, O, N, P, K, Mg

NUTRIENTES REQUERIDOS

MICRONUTRIENTES: Fe, Mn, Cu, Zn, Mo, V, B, Cl, Co, Ca, Si, Na Micronutrientes orgánicos: Biotina, Tiamina, FACTORES DE CRECIMIENTO: adenina, acido giberelico, acido indolacetico QUELATOS: EDTA

TEMPERATURA La mayoría de las algas crecen bien entre 15º y 25º C. Es posible llevar a cabo cultivos en una habitación a temperatura ambiente, en verano debe controlarse la temperatura . Lo ideal es contar con una habitación climatizada, o con cámaras acondicionadas con control de luz y temperatura. Género

Tª óptima

Diámetro medio

Skeletonema

18º C

> 20 µ

Dunaliella

16º C

17.8 µ

Chlorella

25º C

5µ

Tetraselmis

18º C

18.4 µ

Monochrysis

20 – 25º C

10 µ

Isochrysis

20º C

10.2 µ

MEDIOS DE CULTIVOS ƒMedio bifásico (Provasoli): -Barro y césped con agregado de agua, empleado para diatomeas -Suelo de jardín seco y tamizado con sustancias, nutritivas agua, euglenas. -Agar 3% con agregado de nutrientes y agua. ƒMedios realizados en laboratorio (hay tantos medios de cultivo como laboratorios dedicados al cultivo de algas) En la preparación del medio de cultivo es muy importante : -Presencia de todos los nutrientes necesarios para el crecimiento. -pH optimo

FASES DE CRECIMIENTO COSECHA Y PRESERVACIÓN *Fase exponencial tardía El desarrollo de esta curva  posee diferentes etapas, siendo  representada en número de  individuos por unidad de tiempo  y, con respecto a los ciclos  biológicos característicos de  cada especie, diferentes etapas,  a saber: Fase lenta o fase lag.  Fase logarítmica o log Fase estable o de equilibrio 

*Dependiendo de la especie y tipo de cultivo, se puede realizar una cosecha diaria o semanal, se cosecha generalmente el 50% del volumen ,el 50% restante es empleado para iniciar un nuevo cultivo

MEDIDAS DEL CRECIMIENTO ALGAL Métodos de cuantificación directos:

Cámara de Neubauer

Célula de Palmer

Célula de Sedgwick-Rafter

Microscopio invertido Métodos de cuantificación indirectos: Densidad óptica, volumen celular, peso seco, estimación de la clorofila y otros pigmentos. También se pueden usar contadores electrónicos.

Espectrofotómetro

Clorofila

Contadores electrónicos

TEST ECOTOXICOLÓGICOS (Ecotoxicología es la ciencia que estudia el efecto de los tóxicos sobre el ambiente )

Para realizar un ensayo una población de una especie determinada es expuesta a una serie de concentraciones del efluente o de la sustancia tóxica durante 96 hs. Se mide la respuesta a través de los cambios en la densidad celular con respecto a un control.

Scenedesmus sp.

Chlorella vulgaris

CULTIVOS EN EL MUNDO

• En la actualidad, se restringe a unas pocas especies en unos pocos países a escala industrial, como EE.UU. (Hawai, Ca.), Australia e Israel.

• Argentina Chubut

y Buenos Aires

Oil Fox S.A Inaugura su planta de biodiesel a partir de algas (agosto 2010) Chubut

ESTADO ACTUAL Y PERSPECTIVAS - Potencial para la producción de alimentos para consumo humano, medicinas, biocombustible hasta la producción de hidrógeno con aplicaciones energéticas. -Es una actividad joven e incipiente, su desarrollo efectivo apenas cuenta con unos 50 años. -Los trabajos de screening de nuevas especies son lentos, complejos y costosos. -Dificultades para su expansión como actividad productiva. -Los sistemas de producción requieren grandes inversiones y desarrollo tecnológico.