Fotosíntesis en algas

Gen. Volvox
Gen. Volvox

Resumen
Según los resultados obtenidos por diversas experiencias llevadas a cabo en el laboratorio a lo largo de los años por diversos investigadores, se puede observar que las algas poseen mecanismos de regulación muy variados para adaptarse a distintos medios. A partir de estos resultados, actualmente se están siguiendo diversas tendencias para su aplicación en biorremediación, producción de biocombustibles, entre otros.

Keywords
Alga, fotosíntesis, Protista, diatomeas, CO2, biocombustibles, biorremediación.

Introducción

Se tratan de organismos autótrofos que realizan la fotosíntesis oxigénica. El mecanismo de la fotosíntesis que realizan estos seres unicelulares o pluricelulares es el mismo que encontramos en las plantas C3.

Los pigmentos encontrados tienen unas características espectroscópicas que les permiten aprovechar todo el rango PAR, un indicio de su parentesco con las algas vasculares es la presencia de clorofila a y b, así como pigmentos carotenoides.

Son organismos de organización sencilla que no llegan a formar tejidos diferenciados como encontramos en plantas vasculares y pertenecen al reino Protista. Se considera un grupo polifilético en el que se pueden encontrar hasta más de 45.000 especies distintas: desde algas microscópicas hasta las que pueden llegar a medir cien metros.

Otro aspecto que las diferencia de las plantas vasculares, es la falta de un verdadero embrión y de una envuelta pluricelular que rodee a los gametangios y esporangios; mientras que lo que las distingue principalmente de los hongos es su capacidad fotosintética.

Se las puede encontrar en diversos ecosistemas, aunque fundamentalmente son muy dependientes del agua; aún así se han registrado indicios de la presencia de algas endolíticas (en el interior de rocas), también se pueden encontrar en la nieve con lo cual podremos decir que son ubicuas. En los sistemas acuáticos las algas son los productores primarios, siendo así la base de la cadena trófica.

Los principales filos que podemos encontrar y sus pigmentos característicos se resumen en la Tabla 1.

Cyanophyta Prochlorophyta Chlorophyta: Charophyta: Euglenophyta:
Algas verde-azules

Clorofila a

Ficocianina c

Aloficocianina

Ficoeritrina c

β caroteno

Xantofilas

Clorofila a y b

7 tipos de carotenoides:

•       β caroteno

•       Zeaxantina

 

Algas verdes

Clorofila a y b

α, β y γ carotenos

Muchas xantofilas

 

Clorofila a y b

α, β y γ carotenos

Muchas xantofilas

Clorofila a y b

β caroteno

Muchas xantofilas

 

Phaeophyta: Chrysophyta: Pyrrhophyta: Cryptophyta: Rhodophyta:
Algas pardas

Clorofila a y c

β caroteno

Fucoxantina

Otras xantofilas

Algas doradas y diatomeas

Clorofila a y c

α, β y ε carotenos

Muchas xantofilas

Dinoflagelados

Clorofila a y c

β caroteno

Muchas xantofilas

 

Clorofila a y c

α, β y ε carotenos

Ficobilinas

Xantofilas

•       aloxantina

•       crocoxantina

•       monadoxantina

Algas rojas

Clorofila a y d

β carotenos

Ficocianina C y D

Aloficocianina

Ficoeritrina R y B

Muchas xantofilas

Tabla 1: Principales filos y pigmentos en algas.

Respuestas fisiológicas a factores ambientales

La luz y las algas

La iluminación submarina es considerablemente distinta de la que hay en la atmósfera, la mayor parte de la luz roja es absorbida por una profundidad de 25 m en el agua cristalina del océano. Las longitudes de onda del anaranjado, amarillo y verde son absorbidas rápidamente una tras otra. A una profundidad de casi 200 m en agua cristalina sólo se encuentran las longitudes de onda medias del azul. No sólo hay una pérdida de varias longitudes de onda con la profundidad, sino que también la intensidad de luz disminuye. Así, las algas pueden adaptarse a diferentes intensidades de radiación y también a una diferente composición espectral de la energía radiante. Esto lo consiguen modificando los pigmentos antena.

Respuestas a factores ambientales individuales

Luz

Las algas muestran diferentes respuestas fotosintéticas a la intensidad de luz. Ciertas algas están adaptadas a la luz tenue (algas de sombra), mientras que otras requieren de una gran irradiación (algas de sol). Un mecanismo probablemente fisiológico estaría en el control de la síntesis de pigmentos fotosintéticos. Las poblaciones de la misma especie colectadas en sitios distintos pueden mostrar adaptaciones bastante distintas a la intensidad de luz, además hay cambios estacionales en las tasas fotosintéticas. La morfología también afecta en la respuesta a la intensidad de la luz.

Temperatura

La respuesta fotosintética se ve afectada por la temperatura. Se piensa por lo general que los mecanismos fisiológicos en respuesta a cambios de temperatura están controlados enzimáticamente. Así, algunas algas marinas poseen enzimas que no funcionan o que sufren alteraciones a temperaturas extremas. Los cambios estacionales en la respuesta fotosintética dentro del límite óptimo de temperatura pueden deberse a cambios en los tipos de enzimas (isoenzimas) producidos en una planta durante el año. Dado que la mayoría de las enzimas ocurren en varias formas y éstas pueden diferir entre las poblaciones o especies, se supone que dichas isoenzimas pueden responder de diferentes maneras a varias temperaturas u otros factores físicos.

Salinidad

Las tasas fotosintéticas son afectadas por la salinidad. Los mecanismos estructurales y fisiológicos de tolerancia que permiten los cambios de salinidad son variables. La osmorregulación puede ocurrir aparentemente en varias formas, utilizando aminoácidos o varios carbohidratos. Cuando un alga se somete a bajas salinidades, los aminoácidos libres son eliminados de la savia celular, produciéndose una menor osmolaridad celular. Un mayor número de aminoácidos es liberado a medida que aumenta la salinidad circundante.

Desecación

En el pasado, se pensó que las algas intermareales “toleraban” los períodos de exposición, y se pensaba que este período era de “adversidad”. Sin embargo, varios estudios indican que muchas especies intermareales son fotosintéticamente más activas en dichas condiciones o que pueden requerir de una cierta exposición para su crecimiento normal. La resistencia a la desecación parece estar determinada principalmente por la proporción del área de superficie de evaporación y el volumen de los órganos y no por el contenido de mucílago o el grosor de la pared.

El CO2 como factor determinante

Las algas son un componente fundamental del plancton, el cual se define como un conjunto de organismos, principalmente microscópicos, que flotan en aguas saladas o dulces, más abundantes hasta los 200 metros de profundidad aproximadamente. Las algas forman parte concretamente del denominado fitoplancton debido a su capacidad fotosintética y representando así, la base de la cadena trófica marina y productora del 50% del oxígeno molecular necesario para la vida terrestre.

El fitoplancton se desarrolla en las aguas superficiales (hasta 30 metros de profundidad) con luz solar y sales minerales abundantes, dado que elaboran su alimento por fotosíntesis. Está compuesto por organismos:

  • Procariotas: Cianobacterias y proclorófitos.
  • Eucariotas: Xantófitos, diatomeas, criptófitos, euglenas, clorófitos, etc.

Diatomeas

Es el grupo más diverso de los componentes del fitoplancton con, aproximadamente 200.000 especies. Tienen una gran importancia ecológica, ya que genera tanto carbono orgánico como todas las selvas tropicales terrestres juntas.

Su abundancia es muy dependiente de la concentración de hierro, siendo éste su principal factor limitante por ser necesario para el transporte electrónico. Ante este problema, algunas diatomeas, como en el género Thalassiosira, han logrado adaptarse a la escasez de este elemento por la regulación de los ciclos que requieren hierro o la utilización de proteínas transportadoras con cobre.

Un ejemplo de la importancia de las diatomeas, no sólo en los sistemas acuáticos, es el papel que éstas jugaron en las glaciaciones, ya que se conoce que una de las razones por las que surgieron fue la disminución de la concentración de CO2 atmosférico. En el pasado, la concentración de hierro en las aguas marinas era muy superior, algo que favoreció a la proliferación de las diatomeas, y con ello se produjo un secuestro de carbono al quedar fijado en estos organismos y posteriormente ser secuestrado en las capas de sedimento oceánico.

 Influencia de las algas en la concentración de CO2

El efecto de las algas en las cantidades de carbono atmosférico fue objeto de estudio con el alga roja Hypnea spinella, la cual fue sometida a diferentes concentraciones de CO2. En uno de los cultivos se utilizó aire no enriquecido con CO2 (360 ppm) y en otros dos se utilizó aire enriquecido (750 ppm y 1600 ppm).

Tras el cultivo de varios días con un periodo luminoso de luz blanca de 16 horas y un periodo oscuro de 8 horas, se prosiguió con el análisis para determinar la influencia de la concentración del CO2 por medio de varios parámetros:

Media de crecimiento→ Se observó un aumento del crecimiento ante una mayor concentración de CO2, llegando a ser un 85% mayor en aquellos cultivos sometidos a un flujo de aire enriquecido.

Reducción de la concentración de CO2Con este procedimiento se evaluó en qué tubo había una menor concentración de dióxido de carbono, y por tanto cuál era el que más carbono había fijado. En este caso, el cultivo en que más se había reducido fue en el que se utilizó un flujo de 750 ppm.

Máxima tasa fotosintética→ Se observó un aumento en los tubos sometidos a aire enriquecido con CO2.

Tasa de consumo de N-NH4+ Los compuestos nitrogenados son fundamentales para la síntesis proteica de las células y se observó un aumento del consumo en los tubos con aire enriquecido con CO2.

Finalmente, se estableció, que ante un aumento de la concentración de CO2 se da lugar a una mayor produción de Hypnea spinella, y por tanto representa un sumidero potencial de dióxido de carbono para tratamientos de biorremediación.

Aplicaciones

El uso de las algas como combustible está ganando fuerza en el sector privado y académico, a medida que se revela su potencial.

Petróleo

A pesar de las innumerables investigaciones, no existe una teoría infalible que explique sin lugar a dudas el origen del petróleo, pues ello implicaría descifrar el origen de la vida misma.

Aun así, se sabe que es un compuesto químico complejo, de origen fósil, fruto de la transformación de la materia orgánica procedente del zooplacton y algas.

Es la principal fuente de energía a nivel mundial, no renovable. Pero su precio y la contaminación del planeta incentivan la búsqueda de nuevas fuentes de energía. La ideal tendría que ser tan eficaz como los combustibles fósiles, inagotable, fácil de producir y respetuosa con el medio ambiente.

Biopetróleo

En España, la empresa BFS (BioFuel System) afirma poder producirlo.

Se trataría de acelerar el proceso que la naturaleza tardó miles de años en crear y reducirlo a tan solo unas horas, mediante el uso de microalgas. Es productivo y ecológico, porque las algas necesitan CO2. Tendría el mismo potencial energético (60%biopetróleo, 25-30% Biocarbón, 10-15% gas de síntesis combustible), no aumentaría la concentración de CO2 y no aportaría SO2.

Hidrógeno y biodiesel

La idea de utilizar algas como combustible ecológico no es nueva. En 1978, en plena crisis petrolífera se creaba en Estados Unidos el «Programa de Especies Acuáticas». En 1996, y tras 25 millones de dólares (unos 17 millones de euros) invertidos, se ponía fin al proyecto ante los escasos resultados. Sin embargo, un petróleo cada vez más caro y escaso y la creciente relevancia dada a las energías renovables han despertado de nuevo el interés por las algas.

Un equipo de diseño de Filadelfia, el 20/2 Collaborative, ha propuesto un curioso sistema para el desarrollo del nuevo barrio de Vatnsmýri, en Reykjavík (Islandia). La idea consiste en crear piscinas con algas que produzcan hidrógeno, salvando así algunos de los principales inconvenientes de este componente, considerado el combustible del futuro por muchos expertos. En la actualidad, la obtención del hidrógeno empleado en las células de combustible requiere de una fuente de energía. Por otra parte, su transporte también supone un coste energético adicional.

Los diseñadores estadounidenses se basan en los experimentos de científicos de la Universidad de Berkeley, que han trabajado con una especie de alga, la Chlamydomonas reinhardtii, la cual libera hidrógeno en vez de CO2 cuando no tiene suficiente oxígeno. Por lo tanto, se trataría de crear grandes contenedores para estas algas, en unas condiciones que les permitan sobrevivir pero generando un hidrógeno que luego se podría utilizar en el mismo lugar de su producción. Sus responsables estiman que, una vez optimizado el proceso, una de estas piscinas de diez metros de diámetro podría suministrar hidrógeno para el consumo semanal de una docena de coches.

No obstante, la mayor parte de las investigaciones se centran en las propiedades de las algas para producir un aceite que puede ser utilizado posteriormente como biocombustible. En este caso, las ventajas son muy diversas, según sus defensores. La productividad de las algas (Botrycoccus braunii mayoritariamente) es mucho mayor que la de otros elementos vegetales utilizados en la actualidad para producir biocombustibles.

CO2

Las algas no son sólo combustibles. Son alimento animal y humano y el componente esencial de una amplia gama de plásticos biodegradables para reemplazar a los producidos a partir de hidrocarburos.

Las algas hacen todo eso mientras crecen absorbiendo prodigiosas cantidades de CO2, el gas de efecto invernadero que más necesitamos reducir de la atmósfera para frenar el cambio climático.

Por ahora no son una prioridad en la investigación y desarrollo de los países ni de las grandes empresas, pero están ganando fuerza en el sector privado y académico, a medida que se revela su potencial.

Ya hay gigantes de la energía investigado sobre ellas como subproductos del desarrollo del llamado “carbón limpio”, puesto que absorben el dióxido de carbono que genera la quema de ese mineral. Pero el carbón no es más que algas de 500 millones de años de antigüedad.

Entonces, ¿por qué no dejar de buscar carbón escarbando montañas, y dedicarse en cambio a cultivar algas de rápido crecimiento y gran absorción de dióxido de carbono? No es un sueño distante. Un factor que pone a las algas por encima de casi todas las opciones energéticas, convencionales o alternativas, es su simplicidad, ubicuidad y disponibilidad.

 Desafíos e inconvenientes

Los científicos tienen así por delante algunos desafíos a los que hacer frente, como dar con la especie de alga que contenga la mayor densidad de aceite y crezca lo más rápido posible. Por otro lado, una de las grandes dificultades de trabajar con algas es su alto contenido en agua, lo que conlleva problemas en su manipulación, extracción de su contenido útil y transporte.

Asimismo, el lugar idóneo para garantizar el crecimiento de estos organismos es otro elemento que trae de cabeza a los especialistas. Las algas se comportan como pequeñas biosferas en las que si se modifica un elemento se alteran sus condiciones iniciales. Por ejemplo, si se multiplican demasiado rápido, pueden acabar muriendo al agotar su sustento. Por otro lado, la entrada de algún organismo extraño en el cultivo puede provocar modificaciones graves que lo estropeen.

Nieve con olor a sandía

En lo alto de las montañas del oeste de Norteamérica y en los Alpes, excursionistas y campistas se han encontrado en numerosas ocasiones con nieve que presenta una coloración rosácea o rojiza y aroma a sandía. Esto se debe a varias docenas de especies de cianobacterias y “algas de nieve”, entre ellas destaca el alga verde Chlamydomonas nivalis. Este alga, además de presentar la clorofila típica de estos organismos, contiene una elevada concentración de un pigmento carotenoide denominado astaxanthina, que protege las células de un exceso de luz UV.

Conclusiones

Para finalizar, podemos decir que en las algas se encuentra un gran potencial para el desarrollo de nuevos biocombustibles y biorremediación. Como resultado de los experimentos obtenidos con concentraciones diferenciales de CO2, así como el efecto que ejercen otros factores ecológicos sobre las mismas, podemos adjudicar distintos usos según la demanda.

Sin duda, la investigación en este campo tiene que seguir adelante pues los resultados hasta este momento son prometedores.

Referencias

  1. Clinton. BOTÁNICA MARINA, 1991
  2. L.E. Graham, L. W. Wilcox. ALGAE,Ed. Prentice Hall, 2000
  3. Taiz, E. Zeiger. PLANT PHYSIOLOGY, 4th Ed. Sinauer.
  4. Strasburger. TRATADO DE BOTÁNICA
  5. V. Armbrust THE LIFE OF DIATOMS IN THE WORLD’S OCEAN en Nature Vol 459|14 May 2009 doi: 10.1038/nature08057
  6. S.S., J. L. Gómez-Pinchetti ,G. García-Reina Effects of increased CO2 levels on growth, photosynthesis, ammonium uptake and cell composition in the macroalga Hypnea spinella (Gigartinales, Rhodophyta) en J Appl Phycol doi: 10.1007/s10811-011-9700-5

 

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