Efecto de la radiación luminosa y la concentración de co2 sobre la actividad fotosintética de un biofilm algal
- Autores: María Isabel Martín Girela
- Directores de la Tesis: Jesús Fernández González (dir. tes.), María Dolores Curt (codir. tes.)
- Lectura: En la Universidad Politécnica de Madrid ( España ) en 2020
- Idioma: español
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- Tesis en acceso abierto en: Archivo Digital UPM
- Resumen
La radiación luminosa, el CO2 y el agua son los tres elementos principales para que los organismos dotados de clorofila puedan realizar la actividad fotosintética. Gracias a la energía de la radiación lumínica que absorbe la clorofila de los organismos fotosintéticos, se logra un transporte de electrones desde el agua hasta los lugares celulares en que se realiza la reducción del CO2 para originar materia orgánica. En los seres eucarióticos esta actividad se produce en los cloroplastos, realizándose la captación luminosa en los fotosistemas de los tilacoides y la formación de azúcares en el estroma lipoproteico de los mismos cloroplastos.
La captación de los fotones por la clorofila de los fotosistemas y la transferencia de electrones hasta el aceptor primario se produce en un lapso de tiempo muy breve (entre 10-12 a 10-9 segundos) mientras que el tiempo necesario para transportar los electrones desde el aceptor primario hasta la reducción del CO2 se estima entre 1 y 15 milisegundos , por lo que en los casos de la radiación luminosa continua (ya sea la proporcionada por el sol o las lámparas de incandescencia), la fracción de energía que está recibiendo el aparato fotosintético mientras no esté disponible el aceptor primario de electrones de la clorofila, no puede ser utilizada y se pierde por efecto de saturación momentánea de los fotosistemas hasta que se completa el ciclo de reducción del CO2.
El uso de la radiación pulsada permite reducir el aporte energético para conseguir el mismo efecto que con la radiación continua, siempre que se ajusten las frecuencias y los pulsos de irradiación a los requerimientos de los fotosistemas. En la actualidad, la forma más sencilla de producir radiación pulsada, con control de la frecuencia y tiempo de irradiación en cada periodo, consiste en el empleo de diodos emisores de luz o abreviadamente LEDs (del inglés light emitting diodes) con sus correspondientes fuentes de alimentación con programación regulable.
Dado el interés creciente que tiene la producción de microalgas para fines específicos es necesario producirlas en fotobiorreactores que puedan mantener condiciones controladas en cuanto a los principales parámetros que rigen su producción (iluminación, concentración de CO2, temperatura y composición del medio de cultivo principalmente). El uso de luz pulsada frente a la luz continua, que se utiliza tradicionalmente, representa una gran ventaja por el ahorro energético que supone.
En este trabajo se estudia el efecto de la radiación luminosa, tanto continua como pulsada, y de la concentración de CO2 sobre la asimilación fotosintética de microalgas crecidas sobre paneles de geotextil que dan lugar a la formación de biofilms. Esta disposición en capa permite realizar los estudios sobre las mismas células, a diferencia de los realizados sobre cultivos de microalgas en suspensión o no adheridos, donde las microalgas se mueven libremente, siendo prácticamente imposible estudiar los efectos de la radiación sobre las mismas células. Este sistema de estudio representa una novedad sobre los trabajos que se han venido realizando hasta ahora para estudiar el efecto de la radiación luminosa y del CO2 sobre la actividad fotosintética de las microalgas.
Para el desarrollo experimental de la Tesis, se realizó una profunda revisión bibliográfica del tema, incluyendo la definición, características y clasificación actualizada de las microalgas, con descripción de las principales especies cultivadas, y la revisión de los sistemas actuales de producción de microalgas, con especial detalle de los fotobiorreactores de biofilm. También se realizó la revisión bibliográfica del proceso fotosintético y la estructura celular implicada, dedicando especial atención a la aclimatación del aparato fotosintético frente a las variaciones de luz, el efecto de la luz continua (blanca y roja) y de la luz roja pulsada sobre la Actividad Fotosintética Neta. Asimismo, se revisó la literatura científica más actual sobre el efecto de la concentración de CO2 sobre la Actividad Fotosintética Neta de las microalgas.
El trabajo experimental comprendió tres bloques de experiencias para analizar diversos aspectos de la asimilación fotosintética de cultivos microalgales en biofilm, en relación con los factores: tipos de radiación (Luz Roja Continua, Luz Blanca Continua y Luz Roja Pulsada), densidad de flujo fotónico fotosintético (Photosynthetic Photon Flux Density, PPFD), concentración de CO2 y, frecuencia y duty cycle de la Luz Roja Pulsada.
En el primer bloque de experiencias se estudió la Actividad Fotosintética Neta, la Actividad Respiratoria y la Actividad Fotosintética Bruta de un biofilm de microalgas sometido a diversos niveles de irradiación continua (51, 255, 511, 766 y 1.021 µmol de fotones m-2s-1) en combinación con diversos niveles de CO2 (400, 750, 1.000, 2.500, 5.000, 10.000 y 15.000 ppm) para dos tipos de iluminación: luz continua de espectro integral (incandescencia) y luz continua monocromática roja (LEDs de 625-630 nm). Los objetivos fueron los siguientes: 1) determinar la combinación de tipo de luz (Luz Roja Continua o Luz Blanca Continua), concentración de CO2 y nivel de irradiancia que produce la mejor respuesta sobre la Actividad Fotosintética Neta; 2) estudiar la Actividad Respiratoria en función de la concentración de CO2; 3) Calcular y analizar la Eficiencia Cuántica y el Requerimiento Cuántico de la Actividad Fotosintética Bruta para Luz Roja Continua y para Luz Blanca Continua, a partir de los resultados de la Actividad Fotosintética Neta y la Actividad Respiratoria.
Los valores más altos de la Actividad Fotosintética Neta para la combinación entre fuente de irradiación, concentración de CO2 y nivel de irradiancia, tanto para la Luz Roja Continua como para la Luz Blanca Continua, se consiguieron con el mayor PPFD y la mayor concentración de CO2 ensayadas (1.021 µmol de fotones m-2s-1 y 15.000 ppm de CO2), obteniéndose un valor de 16,0 ± 1,2 µmol CO2 m-2s-1 para la Luz Roja Continua y de 18,9 ± 4,3 µmol CO2 m-2s-1 para la Luz Blanca Continua. En cuanto a la comparativa entre los diferentes tipos de luz (Luz Roja Continua y Luz Blanca Continua), no se apreciaron diferencias significativas entre ambos tipos de tratamientos, siendo por tanto la Luz Roja Continua tan eficiente como la Luz Blanca Continua.
Con respecto a la Actividad Respiratoria de un biofilm de microalgas en condiciones de oscuridad, aumenta al aumentar el nivel de PPFD en el periodo luminoso anterior, dentro de un rango de concentraciones de CO2 inferiores 5.000 ppm, mientras que para las concentraciones de 10.000 y 15.000 ppm la actividad respiratoria disminuye considerablemente para todos los niveles de PPFD. Los valores obtenidos en el rango de concentraciones de CO2 entre las 400 y las 5.000 ppm oscilaron entre el valor de 1,5 µmol CO2 m-2s-1 para las condiciones iniciales sin iluminación previa, hasta los 3 µmol CO2 m-2s-1 para las condiciones de oscuridad que siguieron al periodo de iluminación con 766 µmol de fotones m-2s-1.
Las tendencias observadas sobre la Actividad Fotosintética Bruta están en línea con las observadas para la Actividad Fotosintética Neta. La Actividad fotosintética Bruta aumenta la hacerlo el PPFD y la concentración de CO2, tanto para la Luz Blanca Continua como para la Luz Roja Continua, con la excepción de que a partir de 5.000 ppm de CO2 con Luz Roja Continua, los valores de la Actividad Fotosintética Bruta disminuyen levemente, sin que haya diferencias significativas entre los valores obtenidos para 5.000, 10.000 y 15.000 ppm de CO2.
Las mayores Eficiencias Cuánticas se lograron en las condiciones de mínima irradiancia (51 µmol fotones m-2 s-1) y máxima concentración de CO2 (15.000 ppm), lográndose eficiencias del 8,63 % y 10,20 % para la Luz Roja Continua y la Luz Blanca Continua respectivamente -las cuales están próximas al máximo teórico establecido (entre el 10 y el 12 %)- correspondientes a un empleo de 11,59 y 9,81 fotones de Luz Roja Continua y la Luz Blanca Continua respectivamente por cada molécula de CO2 absorbida. La mínima eficiencia se obtuvo en las condiciones de máxima irradiancia (1.021 µmol fotones m-2 s-1) y menor concentración de CO2 (400 ppm) con un valor del orden del 0,67 %.
En el segundo bloque de experiencias, se estudió el efecto de la Luz Roja Continua y la Luz Roja Pulsada, sobre la Actividad Fotosintética Neta de un biofilm de microalgas. Los niveles ensayados de PPFD de Luz Roja Continua fueron de 51, 255, 511, 766 y 1.021 µmol de fotones m-2s-1. La Luz Roja Pulsada se ensayó con tres frecuencias (0,1, 1 y 10 kHz) y cuatro duty cycle (5, 25, 50 y 75 %, que proporcionaron unos PPFD respectivos de 51, 255, 511 y 766 µmol de fotones m-2s-1). El objetivo fue determinar si la Luz Roja Pulsada producía un aumento en la Actividad Fotosintética Neta con respecto a la Luz Roja Continua, y en caso afirmativo, conocer la combinación de frecuencia y duty cycle que mayor aumento de Actividad Fotosintética Neta producía. Los resultados mostraron que estadísticamente no existían diferencias significativas entre la Luz Roja Pulsada y la Luz Roja Continua para un mismo PPFD excepto para el nivel de irradiación de 51 µmol de fotones m-2s-1 entre la Luz Roja Continua y la Luz Roja Pulsada de 1 y 10 kHz.
En el tercer bloque de experimentos, se estudió el efecto de la Luz Roja Pulsada a muy altas frecuencias (10, 30, 70 y 100 kHz) y bajo duty cycle (5%) con el fin de determinar que frecuencia producía mayor Actividad Fotosintética Neta. Los resultados mostraron que no existían diferencias estadísticas significativas entre las frecuencias empleadas, por lo que la frecuencia de 10 kHz y 5 % de duty cycle sería recomendada.
Los resultados obtenidos en este estudio permiten establecer las condiciones óptimas de irradiación y de concentración de CO2 para el desarrollo de cultivos de microalgas en condiciones artificiales, sobre todo por el ahorro potencial de energía que puede suponer el empleo de Luz Roja Pulsada con baja irradiancia y muy altas frecuencias, frente a los sistemas tradicionales que utilizan irradiación continua. El fotobiorreactor laminar (PBR-L) desarrollado en el Grupo de Agroenergética de la UPM resulta muy adecuado para la producción de biomasa de microalgas en forma de cultivos adheridos (biofilm) y podría utilizarse con gases de escape y de emisiones con elevado contenido en CO2.
