Revista Latinoamericana de BiotecnologíaVolumen Ambiental y Algal 1 No.1, 2010 RELBAA Revista Latinoamericana de Biotecnología Ambiental y Algal RELBAA www3.inecol.edu.mx/relbaa Cédula de integración No. 00000-354. Folio No. 00000-355 Reserva 04-2009-062211101200-102 ISSN en trámite. Revista Latinoamericana de Biotecnología Ambiental y Algal RELBAA Editor en Jefe Eugenia. J. Olguín Editores Asociados Gabriel Acién Fernández Gloria Sánchez Galván Ever Morales Avendaño Hugo Moreira Soares INECOL MEXICO Sitio Web: www3.inecol.edu.mx/relbaa Revista Latinoamericana de Biotecnología Ambiental y Algal RELBAA Editor en Jefe Eugenia J. Olguín Instituto de Ecología, A.C., México Editores Asociados Gabriel Acién Fernández Universidad de Almería, España . Gloria Sánchez Galván Instituto de Ecología, A.C., México Ever Morales Avendaño Universidad del Zulia, Venezuela Hugo Moreira Soares Universidade Federal de Santa Catarina, Brasil Comité Editorial Katiushka Arévalo Niño Universidad Autónoma del Estado de Nuevo León, México María Elizabeth Hernández Alarcón Instituto de Ecología, A.C., México Juan José Peña Cabriales Centro de Investigación y de Estudios Avanzados del Instituto Politécnico NacionalIrapuato, México Bertha Olivia Arredondo Vega Centro de Investigaciones Biológicas del Noroeste, S.C., México Sylvie Le Borgne Universidad Autónoma Metropolitana-Cuajimalpa, México Sergio Revah Universidad Autónoma Metropolitana-Cuajimalpa, México Roberto De Philippis Università degli Studi di Firenze, Italia Adriana Matiz Villamil Pontificia Universidad Javeriana, Colombia Elisa Esposito Universidade de Mogi das Cruzes, Brasil Óscar Monroy Hermosillo Universidad Autónoma Metropolitana-Iztapalapa, México Mónica Cristina Rodríguez Palacio Universidad Autónoma Metropolitana-Iztapalapa, México Jorge Luis Folch Mallol Universidad Autónoma del Estado de Morelos, México Marcia Morales Ibarria Universidad Autónoma Metropolitana-Cuajimalpa, México Eliora Z. Ron Tel-Aviv University, Israel Joan García Universidad Politécnica de Cataluña, España Raúl Muñoz Universidad de Valladolid, España Georgina Sandoval Centro de Investigación y Asistencia en Tecnología y Diseño del Estado de Jalisco, México Jorge Gómez Hernández Universidad Autónoma Metropolitana-Iztapalapa, México Leopoldo Naranjo Briceño Instituto de Estudios Avanzados, Venezuela Avigad Vonshak Ben-Gurion University of the Negev, Israel Mariano Gutiérrez Rojas Universidad Autónoma Metropolitana-Iztapalapa, México Adela Irmene Ortiz López Universidad Autónoma Metropolitana-Cuajimalpa, México Producción Editorial R.E. González-Portela y M.M. Loera-Quezada Diseño de portada: J. Sandria, Instituto de Ecología, A.C., México REVISTA LATINOAMERICANA DE BIOTECNOLOGÍA AMBIENTAL Y ALGAL // INSTITUTO DE ECOLOGÍA, A.C. © Derechos Reservados Se aceptan trabajos en español. A. por lo menos el primer año. Ocasionalmente aparecerán números especiales. Los manuscritos enviados se someterán a un proceso riguroso de revisión por pares. Finalmente. Se considera a la Biotecnología Ambiental como un campo multidisciplinario que integra las ciencias y la ingeniería con el objeto de aprovechar el potencial bioquímico de los microorganismos. esta revista se publicará exclusivamente en este formato y estará accesible al público en general sin costo. usar y regular sistemas biológicos para la remediación de ambientes contaminados (suelo. y también con bioprocesos más limpios para el desarrollo sustentable. Sin embargo. farmacéutico o energético y/o para lograr el reciclaje de nutrientes de aguas residuales y/o la captura de carbono y su transformación en biomasa algal. aire. .C. para desarrollar. Asimismo. plantas. Se adopta la definición de Producción más Limpia de Naciones Unidas: “es la aplicación continua de una estrategia ambiental integrada y preventiva a procesos. citando la referencia completa como aparece en todas las páginas de cada uno de ellos. revisiones críticas y notas científicas relacionados con la biotecnología ambiental y algal.Revista Latinoamericana de Biotecnología Ambiental y Algal RELBAA Objetivos y Temática La Revista Latinoamericana de Biotecnología Ambiental y Algal (RELBAA). es importante señalar que en esta revista también se incluye la temática de los Bioprocesos más Limpios. es la primera revista en la región. se considera a la Biotecnología Algal como un campo en donde se integran las ciencias y la ingeniería para el aprovechamiento de las microalgas y de las macroalgas con la finalidad de generar nuevos productos de interés alimentario. agua). es esencial que los usuarios citen los artículos dando crédito a los autores y a la revista. ofrece un foro para que la comunidad científica y tecnológica latinoamericana. La revista es una publicación semestral a cargo de un grupo de investigadores del área de Biotecnología Ambiental del Instituto de Ecología. comunique sus investigaciones en el ámbito internacional. Considerando que la tendencia actual es la publicación en formato electrónico logrando ahorro de papel. productos y servicios para incrementar la eco-eficiencia y reducir riesgos a los seres humanos y el medio ambiente”. animales y su material genético. así como para generar procesos ambientalmente pertinentes para el uso sustentable de los recursos naturales y la conservación del medio ambiente. dedicada a la publicación de trabajos inéditos de carácter científico y/o de desarrollo tecnológico. Por otra parte. inglés y portugués. en consideración a que contribuyen al desarrollo industrial sustentable. ............ 91 Nota Científica Spirulina (Arthrospira) platensis en la prevención del fotodaño celular producido por luz ultravioleta en ratones CF1 Lucía López-Agüero... 1 2010 Artículos originales de investigación Effect of culture medium and nutrient concentration on fatty acid content of Chaetoceros muelleri Juan Manuel Pacheco Vega..... Ana M...... Mónica M................... Silvia S....... Araceli Tomasini............. Willibaldo Schmidell y Hugo M............ Amim.... Marco Antonio Cadena Roa... Laura B......... Fajardo (Argentina) ................. Santana...... Olguín (México) ........... Ángeles E.. Perez............... Loera-Quezada y Eugenia J.. López y María A. Lucía Sena D’Anna................ Dariel Tovar Ramírez y Carlos Rangel Dávalos (México) ....................... Kazimierz Wrobel y Katarzyna Wrobel (México) .......... 31 Revisiones críticas Mecanismos de interacción con cromo y aplicaciones biotecnológicas en hongos J................... Farias.. Reyna López.......... Jorge Zegarra Narro.... Cristina Zaccaro. Perez. Argentina) Adriana A........ Alejandro Coreño Alonso.. y Daynet Sosa del Castill o (Venezuela) . Stella y Gloria Zulpa (Argentina) ... Héctor González.... Francisco Javier Acevedo Aguilar..... Silvina Camarda.......... Georgina E.... Analia M...... Strobl.... Clara M... 47 Arthrospira platensis como biofactoría de metabolitos secundarios de interés farmacológico: el ácido pipecólico Leopoldo Naranjo-Briceño... M.... Rubén Torres Parra........... 6 Variación estacional de arsénico total en algas comestibles recolectadas en el Golfo San Jorge (Chubut........................... 16 Eliminação autotrófica de nitrogênio pela oxidação de tiossulfato através de uma cultura mista de microrganismos Rafael S.... M..... Félix Gutiérrez Corona. 1 No.. Fabrício B.... 64 Las microalgas oleaginosas como fuente de biodiesel: retos y oportunidades Maribel M.... Espino Saldaña....... Francisco José Fernández..............Revista Latinoamericana de Biotecnología Ambiental y Algal RELBAA CONTENIDO Vol........ 117 ......................................... Storni........ del Pilar Sánchez Saavedra... Soares (Brasil) ..... Diego Rojas-Tortolero....................... Apartado Postal 19-B. El mayor porcentaje de ácidos grasos altamente insaturados (HUFA) se obtuvo al utilizar el medio f/2 (8. * 1 Author of correspondence: pacheco@uabcs. La propuesta de este trabajo fue determinar el efecto de las formas de nitrógeno y su concentración en el contenido de ácidos grasos polinsaturados (PUFA) de Chaetoceros muelleri. 2 Centro de Investigación Científica y de Educación Superior de Ensenada (CICESE). 22860. Se concluye que para obtener el mayor contenido de HUFA en C. Baja California Sur. f/2 and f/4) were used. The purpose of this study was to determine the effect of nitrogen sources and their concentration in the polyunsaturated fatty acid (PUFAs) contents of cultured Chaetoceros muelleri. .mx Resumen Los ácidos grasos en microalgas bajo cultivo pueden ser modificados por las condiciones de cultivo. ésta debe ser cultivada en el medio f/2 o su equivalente AF/2.65%). muelleri fue mantenida en cultivos estáticos a 19°C y una intensidad de luz de 150 mmol m-2s-1. 23000. Las microalgas se cultivaron en tres diferentes concentraciones de medio de cultivo (f. AF/2 y AF/4). La Paz. Chaetoceros muelleri.P. La microalga C. El medio de cultivo experimental fue preparado con fertilizantes agrícolas líquidos (AF) en tres diferentes concentraciones (AF. El medio fue utilizado como control. muelleri.C. C. Chaetoceros muelleri was batch cultured at 19°C and a continuous light intensity of 150 mmol m -2s-1. ácidos grasos. M. Dariel Tovar Ramírez3 y Carlos Rangel Dávalos1 Universidad Autónoma de Baja California Sur (UABCS).Pacheco et al. AF/2 and AF/4). medio de cultivo.P. Marco Antonio Cadena Roa1. México. The experimental medium was prepared with liquid agricultural fertilizers (AF) in three concentrations (AF. Baja California Sur..P. Baja California. 2010. fertilizantes agrícolas. La Paz. Apartado Postal 2732 C. La microalga se cosechó en la fase exponencial. México. Three different concentrations of culture medium (f. mientras que el menor porcentaje se obtuvo al utilizar el medio a base de fertilizantes agrícolas (5. f/2 y f/4). Kilómetro 107 Carretera Tijuana-Ensenada.78%). Rev Latinoam Biotecnol Amb Algal 1(1):6-15 6 Artículo original de investigación Effect of culture medium and nutrient concentration on fatty acid content of Chaetoceros muelleri Juan Manuel Pacheco Vega1*. Se encontró una relación directa entre la cantidad de HUFA y la concentración de nutrientes en ambos tipos de medio de cultivo. Departamento de Acuicultura. Ensenada. 3 Centro de Investigaciones Biológicas del Noroeste (CIBNOR) S. Apartado Postal 128. Palabras clave: microalgas. 23080. Adicionalmente. dicha práctica disminuye el costo de nutrientes. del Pilar Sánchez Saavedra2. Abstract Fatty acid content in microalgae can be modified by culture conditions. C. La extracción de ácidos grasos fue por transterificación directa y su cuantificación por cromatografía de gases. México. culture medium. 1986. muelleri is one of the most commonly used due to its biochemical composition and ease of production. Miliou et al. causing variations in biomass yield and biochemical composition (Lourenco et al. ammonium and nitrate).78%). The highest HUFA percentage was obtained with f/2 medium (8. source and concentration of nitrogen (Reitan et al.80"N. which is also related to the content of highly polyunsaturated fatty acids (HUFAs) (Spektorova et al. 1. Meireles et al. light intensity and spectral composition. Several groups of marine organisms (e. Richmond 2003).g. fertilizers frequently contain more than one nitrogen source. Rev Latinoam Biotecnol Amb Algal 1(1):6-15 7 Chaetoceros muelleri was harvested at lag phase. Extraction of fatty acids was performed by direct transesterification and quantified by gas chromatography. It is concluded that C.20"W) at the Universidad Autonoma de Baja California Sur. muelleri strain used in this study was obtained from the microalgae culture collection of the Centro de Investigación Científica y de Educación Superior de Ensenada (CICESE). For culture maintenance. seawater was . fishes and shrimps) require an exogenous incorporation of PUFA due to their inability to synthesize them. However. while the lowest was obtained with AF/2 medium (5. For plastic bag cultures. Additionally. Introduction Microalgae cultures are used to feed fish larvae. urea. Key words: microalgae. 2003). fatty acids. muelleri must be cultured with f/2 medium or its equivalent AF/2 in an effort to obtain the highest HUFAs content. The experiments in this study were conducted at Pichilingue Aquaculture Laboratory (latitude: 24°16'12.Pacheco et al. Materials and methods 2. The main strain was isolated from the Oceanic Institute of Hawaii.g. Survival and growth of these organisms is determined by the nutritional quality of these cultures. 2003). USA in 1981. The biochemical composition of microalgae can be modified as a function of culture conditions such as temperature.1 Culture maintenance The C. Among the different microalgae species used in aquaculture. crustacean larvae and mollusks in all stages (Meireles et al. Seawater was filtered through 10.65%). A direct relationship between HUFA concentration and nutrient concentration in both culture media was found. the use of AF/2 medium results in a more cost effective option. 5 and 1 m cotton filters and UV irradiated. The culture was kept non-axenic and in f/2 medium (Guillard 1975) at 19 ºC with continuous white light at 150 µmoles m-2s-1. 2006).. Agricultural fertilizers are widely used in the preparation of media for microalgae in outdoor cultures for commercial aquaculture in Northwest México (López-Elías et al. The aim of this study was to compare the production of HUFA by C. Chaetoceros muelleri. seawater was sterilized as described by Guillard and Ryther (1962). 1994). 2002. 2010. 2. muelleri grown with different concentrations of a standard medium (f medium) and with a non-conventional medium obtained from agricultural fertilizers containing different nitrogen sources (e. Polyunsaturated fatty acids (PUFAs) have specific physiological functions such as being structural components of phospholipid biomembranes (Trautwein 2001. longitude: 110°19'19. C. This may affect their relative availability for microalgae uptake and growth. agricultural fertilizers. 2005). 0 2.1 4. Lipids were determined colorimetrically according to . (1956).8 22.0 10. AF/4 (Table 1) Table 1.6%). three nutrient concentrations were used: f.0 mg L -1 2. Rev Latinoam Biotecnol Amb Algal 1(1):6-15 8 disinfected as mentioned by Hemerick (1973).0 40.4 500..0 1.5* 2.0 31.4 4.0 180.0 126.0 31. with 32% total nitrogen provided as urea (16.0 20.2 250. Phosphoric acid Sodium phosphate Silica Micronutrients EDTA-Fe Copper sulfate Zinc sulfate Cobalt chloride Manganese chloride Sodium molybdate Vitamins Biotin Cyanocobalamin (B12) Thiamine HCl (B1) *Only nitrate AF mL L -1 AF/2 ml L -1 AF/4 mL L -1 f mg L -1 f/2 mg L -1 f/4 mg L-1 37. (1951) modified by Malara and Charra (1972).0 180.8%).1 4. Cell concentrations were measured daily with a Beckman DU 640 spectrophotometer at 550 nm.2 Acclimation of the microalgae in the culture media Triplicate non-axenic cultures were kept for eight days in 250 ml Erlenmeyer flasks with 150 ml of the three control nutrient concentrations (f.0 2.6 19. These proportions matched the phosphorous and nitrogen concentrations of the f/2 medium.6 44.0 1.4 %).0 90. Component / Macronutrients Nitrogen: Nitrate (7.5 0.0 gL -1 29.0 20.0 360. AF/2.5 mg L -1 8. The pH was measured daily with an Orion 301 pH meter and maintained at 7- 8.0 90.9 11.0 126.3 9.0 20.5 10.9 11. Urea (16.5 15 g L-1 2.6 1.0 gL -1 59. Agricultural fertilizers were prepared with 72% phosphoric acid as the source of phosphorous plus a liquid fertilizer. 2010. Triplicate samples were used to evaluate biomass production and cell composition. Carbohydrates were determined according to White (1987) and Dubois et al.0 mg L -1 4. Nutrient composition and concentration of the different culture media used in the present study.0 2.5 10.0 0.3 9.8 1000. For each culture condition plastic translucent bags of 28 cm x 66 cm (9 L). The specific growth rate was measured as described by Fogg and Thake (1987).0 1.0 360.0 mg L -1 4.0 40.0 63. Protein content was determined according to Lowry et al.0 2.0 gL -1 150* 10 60 gL -1 75* 5 30 g L-1 8.8%). Ammonium (7. AF/2.5 0.0 5.Pacheco et al.5 mg L-1 0.8 22.0 mg L -1 2.0 63. f/4) and nonconventional (AF.0 20. were conducted in triplicate. The f/2 medium (Guillard 1975) was used as control. f/4 and AF.4%) and ammonium nitrate (15. AF/4) culture media.0 1.0 118.2 2. For both culture media. The cultures were maintained at 19 °C with continuous light at 150 µmoles m -2s-1. f/2.6 44.6 19.0 5. Total dry weight was determined gravimetrically according to Sorokin (1973). f/2.0 10. after extraction with the method of Bligh and Dyer (1959) modified by Chiaverini (1972).4 Statistic analysis Statistical analysis was performed using STATISTIC 7.. f/2 and f/4 had lower content (Table 3).05) (Table 2).25 mm X 0. When variances were homogeneous and residuals were normally distributed. while maximum growth rates were observed with the f. f and f/2 treatments. AF/4. The lowest density was obtained in the treatment AF/4.5. USA). 2. specific growth rate. Results Cell concentration and growth rate was significantly different among treatments (P<0. The major saturated fatty acid (SFA) was obtained AF/4 medium.3 Extraction and characterization of fatty acids Samples of each experimental condition (400 mL) were collected on the fourth day of culture post acclimation. a Tukey a posteriori test was used to identify significant differences among treatments (P< 0. while AF. Injection of the samples was then performed in a gas chromatograph. fitted with a Mass Detector 1200L.05).05). AF/2. AF/2.2 ml min-1. which f/4 had lower protein content (P<0. In addition.Pacheco et al. SIGMA). no significant differences were observed for the culture media treatments (P>0. f/2 and AF/2 media (Table 2). dry weight and proximal composition of C. the highest protein content was observed with the AF.05).25 um (SUPELCO). Varian CP-3800. 3. The microalgae had the slowest growth rate in AF/4 medium. In terms of the proximal composition. f. . 2010.0 software for Windows (Statsoft. The samples were injected in 1 µl volumes into a capillary column Omegawax 250 of Funded Silica with dimensions of 30m X 0. Significant differences were found in the growth rate among treatments (P<0. while maximum density was obtained with the AF treatment. The extraction of fatty acids was done by direct transesterification (Carrapiso and Garcia 2000). muelleri due to the culture medium and concentration (P< 0.05).05) (Table 2).05). Percentage data obtained from the proximal composition and fatty acid profiles were arcsine-square-root transformed prior to analysis. The carbohydrate content was not significantly different among treatments (P>0. further confirmation was performed by comparing the masses of the obtained compounds with those in a mass spectra (NBS75K and NIST98) library. Identification of fatty acids was made by comparing the obtained retention times with those of commercial standards of methyl-esters of PUFA (Kit. Differences in cell concentration. Samples were then lyophilized with a LABCONCO freeze dry system/freezone 4. (1963). Differences in the percentage of each fatty acid as a function of the culture media and concentration of nutrients were determined with a two-way analysis of variance. Regarding lipid content. 2. There were significant differences in the fatty acid profiles of monounsaturated (MUFA) polyunsaturated (PUFA) and highly unsaturated fatty acids (HUFA) of C. The carrier gas was helium (99%) at a flowrate of 1. Rev Latinoam Biotecnol Amb Algal 1(1):6-15 9 Pande et al. Each sample was concentrated to 30 mL by centrifugation at 3000 rpm for 18 min using an IEC Centra GP8R. muelleri cultured under the experimental conditions were determined by one-way analysis of variance (ANOVA). 1 (0. specific growth rate (divisions day-1).18%).11) 29.832 (0.6) 58.Pacheco et al. values with the same letter within the same row indicate that they are not significantly different (P>0.45%) and the highest value was for F/4 treatment (36.0) Dry weight 57.0) b a a a a AF/2 2907.3 (0. 2010.6)a 7. 2007). Rev Latinoam Biotecnol Amb Algal 1(1):6-15 10 Table 2.9) 18.9 (0.2) 7.6 (2. Mean values and standard deviations of cell concentrations (106 cells ml-1).3)a 21.1 (45.5 (5.548 (0.479 (0.6 (5.25%) and the highest percentage was for treatment f/2 (8. Different nitrogen sources could have affected microalgae growth. eicosapentaenoic acid (EPA) and docosahexaenoic acid (DHA) due to culture medium and concentration. Significant differences were obtained in the concentration of HUFAs (P<0.1 (206.3)a 0.7) 6.2) 6.5 (0.2 (0.5 (141.2 (3. For instance.8) a a a b b AF 3818.4) Lipids 6. The lowest PUFA was for AF/4 media (4.2) 19. Parameter Culture medium f Cell concentration 1846.2)a 77.1) 54.8 (2.8)a The lowest SAFA concentration was found in f media (50.2) 17.05) such as arachidonic acid (ARA). As expected.2) 71.9 (3.7 (19.4)e 0.6) 18.7 (478.07)c 29.0 (0.2 (0.05).6 (2.6) 7. those media with the lowest concentrations of nutrients (f/4 and AF/4) showed the lowest cell densities.10) 27.8 (152.914 (0.860 (0. reduced nitrogen forms (ammonium and urea) are preferred over more oxidized forms.62%) while that the highest value was for f/2 treatment (17.0 (1. The EPA (20:5 n-3) levels in both culture media and all concentrations were significantly different (P<0. a>b>c>d>e>f). The lowest MUFA concentration was found in the AF/4 treatment (28. .4 (2.6 (3.05. Docosohexaenoic acid (22:6 n-3) was only detected in the AF/2 treatment (Table 3).7 (0.9)f 0.1 (0. dry weight (µg per 106 cells) and proximate composition (as percentage of dry weight) of Chaetoceros muelleri cultures in f and AF media prepared with agricultural fertilizer (AF) at different nutrient concentrations.378 (0.33%) and the highest in AF/2 media (63.51%). muelleri can be altered by the culture medium and the nutrient concentration in the medium.2) b a a a b AF/4 803.65%).2) b a a a a f/2 2482.9)d Specific growth rate Proteins 0. such as nitrate or nitrite (Iriarte et al.4 (6. The lowest HUFA percentages were observed in treatment AF/4 (1. Arachidonic acid (20:4 n-6) was not detected in the AF treatment.1) Carbohydrates 16.5 (0.4 (6. Discussion The biochemical composition of C. possibly due to the effect of low nutrient concentration on the metabolic processes of the microalgae (Darley 1987)..0 (2. as it is well known that in plant tissues nutrient assimilation and transport is modulated by nitrogen sources.13) 25.0) b a a a a f/4 488. Standard deviation is indicated in brackets.95%).7) 52.1)d 0.4 (2.2)b 0. 4.11) 22.02) 28. 21 b 6.35 b 1.23 c trace 4.59 f/4 13.81 c 1.38 a 0.37 b 0.19 b 1. a>b>c>d>e>f).not detected.47 a 4.21 a 63.55 d 0.48 a 0.95 b 0.82 14.14 b 0.49 0.06 e 4.65 0.19 ab 1.08 b 0.04 c 0.07 de 0.41 a 8.58 c 0. Mean values of fatty acids of Chaetoceros mulleri cultures in f and AF media with different nutrient concentrations.62 33.69 c 1.26 c 4.09 b 33.17 a 32.46 b 28.25 4.43 b 0.12 f 1.98 bc 0.28 b 0.11 a 0.82 17. .05 a 21.18 4. 11 .80 b 4.63 b 53.96 a 5.48 b 0.77 0.05.04 bc 0. Data is presented as percentage of fatty acids.18 b 0..02 27.85 bc 0.5 AF/4 13.29 b 0.17 d 0.08 c 0.40 a 25. values with the same letter within the same row indicate that they are not significantly different ( P>0.41 ab 0.34 b 0.07 0.89 c 1.21 AF 25.32 bc 1.31 AF/2 15.24 b 7.70cde Trace 1.62 0.39 ab 0.78 12.14 a 0.11 a 1.72 c 2.69 34.06 c 0.50 ab 1.50 c 0.95 Fatty acid Saturated 14:00 15:00 16:00 17:00 18:00 19:00 20:00 21:00 Sum SAFA Monounsaturated 16:1 (n-7) 16-1 (n-5) 17:1 22:1 (n-7) 22:1 (n-9) 20:1 (n-6) Sum MUFA Polyunsaturated 16:2 (n-4) 16:3 (n-3) 18:2 (n-6) 18:3 (n-3) 18:4 (n-3) 20:4 (n-6) 20:5 (n-3) 22:6 (n-3) Sum HUFA (ARA.30 b 4. 2010.33 f/2 24.25 b 0.94 5.05 c 3.80 b 51.18 a 0.80 36.95 a trace 0. EPA and DHA) 29.13 d 1.04 c 0.44 c 0.68 a 1. Culture medium f 18.70 Sum PUFA 14. Rev Latinoam Biotecnol Amb Algal 1(1):6-15 11 Table 3.37 a 47.34 bc 0.10 a 0.19 a 36.78 bc 1.80 b 52.28 d 0.15 ab 0.80 a c 1.17 c 2.11 b 2.13 c 36.45 c 50.73 c 0.58 c 3.71 a trace 1.61 32.18 b 0.10 a 28.11 a 36.11 a 0.81 a 29.06 ab 3.03 b 0.17 d 1.51 27.28 a 53.64 Trace= detection of fatty acids present in trace amounts.15 a 0.65 ab 0.52 4.33 c 1.Pacheco et al.57 b 0.38 ce 0.15 a 0.35 b 0.99 d 1.45 3. However. Results in this study also show that the fatty acid profile of C. NH4+ permeates through biological membranes (Martinez-Espinoza 2003). An increase in the lipid content of the cultures with lower nutrient content was observed. urea was the only chemical form that yielded a high quantity of 20:5 n-3 fatty acids. no significant differences were found in the content of other HUFAs. it is known that there is a periplasmic protein that makes solute binding easier. due to nitrogen limitation during the log phase. muelleri may vary when different nitrogen sources are used (Post-Beittenmiller et al. The low dry weight in the microalgae cultured with f/2 and AF/2 is attributed to the decline of nutrients in the media. Liang and Mai (2005) found that in C. Previous studies with Euglena gracilis found that the desaturase acitivty is stimulated when cultures are in the presence of NH+4. Martinez-Espinosa 2003). which are enzymes that initiate the formation of ACP protein transporters (Mcginnis and Sommerfeld 2000). 2006). muelleri. 2007). results obtained with Nannochloris atomus and Tetraselmis sp. this not always applies to the HUFA proportion. These trends were also observed in the present study. (2007). In addition. 1992 and Liang et al. Rev Latinoam Biotecnol Amb Algal 1(1):6-15 12 South and Whittick (1987) described that nitrogen sources that are reduced to ammonium (NH+4) are preferably used for amino acid biosynthesis. Therefore. which eventually leads to a decrease in the cellular content. In other studies. since the accumulation of lipids in microalgae can be induced by nitrogen limitation in the medium (Sánchez-Saavedra and Voltolina 2005. On the other hand. The biosynthesis of fatty acids in chloloroplasts may be regulated by acetyl coenzime-A and malanolin-ACPs. these results suggest that by the third day of culture (harvest day). thus producing in this way the highest levels of HUFA. 1998. 2010. The low protein concentration in the f/2 medium could have had an effect on the low cell densities obtained. induced stress by reducing nutrient concentration in the culture media increased the total lipid content of the microalgae. Low (f/4 and AF/4) and high (AF) nutrient concentration diminished the HUFA concentration in C. 1994). muelleri.. followed by nitrates and ammonia. Medina-Reyna and Cordero-Esquivel. the microalgae had not been able to accumulate carbohydrates. such as DHA. For instance. The nitrogen deficiency in the microalgae. gracilis the total amount of MUFA increased while that of PUFA decreased with culture age. Desaturases catalyze the formation of double bonds for the conformation of unsaturated fatty acids (Martin et al. This was also observed by Matos Moura et al. our results show that the nutrient concentrations of f/2 and AF/2 facilitate cell intake. Also.Pacheco et al. in eukaryotic cells such as C. . muelleri can be modified by the concentration and source of nitrogen. In that same study. Collectively. The present results do not show a clear relationship among the contents of HUFAs. We found no differences in the percentages of carbohydrates. These are integral cytoplasmic proteins with ATPase activity associated that regulate the intake of NO-3 and NO-2 into the cell (Wu and Stewart. in a study by the later authors. In cyanobacteria. quantitative differences between distinct forms of nitrogen can be determined from the intake of nutrients by cells. showed that the lipid content decreases when a limitation of phosphorus exists (Reitan et al. 1998). possibly affected protein synthesis. the proportion of PUFA in C. thus reducing the amount of soluble protein available for metabolic processes. However. . Guan-Qun C. G. University of Wisconsin Press.. R..Ed. lipids or carbohydrates) it is recommended to use the culture medium accordingly. 1962. Bligh. 1987. J.L. Villefranche-sur-Mer. 1956.J. K. Inv Mar Valparaiso 35(1): 71-84 Liang.. 2007. Hemerick. 2006.I. Culture of phytoplankton for feeding marine invertebrates. R. Effects of nitrogen source and UV radiation on the growth. who mentioned that total lipids in C. Smith. Quiñones. 236p. Culture of Marine Invertebrates Animals. Colorimetric method for determination of sugars and related substances. 2000. Relación entre actividad enzimática y biomasa de ensambles fitoplanctónicos en el sistema pelágico. Dyer. E. chlorophyll fluorescence and fatty 5. P. Techniques d’ extraction et analyses des lipids. In: Handbook of Physiological Methods. Food Chem 109(1): 88-94. Salinas-Flores for critical and English review of the original manuscript. Beardall. 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Depending on the desired major cellular component (proteins.L.. L..F.K. muelleri is affected when the culture medium contains a low concentration of nutrients (f/4 and AF/4). Studies on marine planktonic diatoms I.Pacheco et al. 1972. Acknowledgments This work was supported by the internal project AICM-CTM-04-11-25-11-05-24 of Universidad Autónoma de Baja California Sur and the project SEP-CONACyT 454844. R.. Can J Physiol Biochem 37:911-917. pp 29-60. 2003. Blackwell Publishing. Cordero-Esquivel. Tesis Doctoral. Roussy. Université de Paris. K. O. Post-Beittenmiller. Anal Biochem 6:415-423. Sánchez-Saavedra. Gallegos-Simental. S. Crecimiento y composición bioquímica de la diatomea Chaetoceros muelleri (Lemerman). L. Notes de Travail. Universidad de Alicante.. McGinnis.E.S. J.. Facultad de Agroquímica y Bioquímica. Braz Arch Biol Technol 50(3): 461-467. 6:11p. M.X. Plant Physiol 100:923-930. C.J. packed cell volume and optical density. 1994.C. Koening. C.. Martin. 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Introduction to Phycology. London. J Agric Food Chem 51: 22372241. Wu. 622p.. I. Mass culture of Monochrysis lutheri Droop. (alga verde) en tres zonas del Golfo San Jorge (Argentina) y evaluarlas desde el punto de vista de la inocuidad alimentaria. sitio que recibe efluentes de la actividad petrolera e industrial. axial. M. 3 Cátedra de Toxicología y Química legal. oscilaron entre 21. Farias2.. Strobl1.9 a 39.) con variación estacional en AM y PM. Gerencia de Tecnología y Medio Ambiente (CNEA). no supondría un riesgo para la salud dado que Porphyra columbina bioconcentra más As que Ulva sp. fue determinar la variación estacional del arsénico total (As) en Porphyra columbina (alga roja) y Ulva sp. Chubut. Universidad da Buenos Aires (UBA). ambas alejadas de la actividad antropogénica y la desembocadura del Arroyo La Mata (AM).com. Laura B. Argentina. Chubut. Las zonas de muestreo fueron Bahía Solano (BS) y Punta Maqueda (PM). Buenos Aires. las medianas fluctuaron entre 3. * Autor de correspondencia: aaperez@sinectis. es de 15 µg-1kg de peso corporal por semana. Analia M. Universidad Nacional de la Patagonia San Juan Bosco – Comodoro Rivadavia. Argentina. Perez1. La Ingesta Semanal Tolerable Provisional de As (ISTP-OMS) para As inorgánico. 2010.s. aportaría valores de As cercanos al ISTP si se tratara sólo de As inorgánico. En Ulva sp. Buenos Aires..ar Resumen En las costas Patagónicas Argentinas las macroalgas marinas son explotadas para la obtención de ficocoloides destinados a la alimentación y asimismo podrían utilizarse como indicadoras de bioacumulación de contaminantes metálicos. con detector de estado sólido. López 3 y María A. que es la especie más tóxica. J. Rodrigo 527 (9000) Comodoro Rivadavia. El As total se cuantificó mediante un espectrómetro de emisión de plasma inductivo (ICP-OES) multielemental simultáneo. Silvina Camarda1. Fajardo1 1 Centro Regional de Investigación y Desarrollo Científico Tecnológico (CRIDECIT). Se recomienda llevar a cabo estudios de especiación de As para evaluar el riesgo real asociado a la ingesta de As a partir de macroalgas comestibles recolectadas en el Golfo San Jorge que bioacumulan As. Silvia S. Para una persona de 70 kg correspondería un ISTP de 1050 µg As por semana. mientras que el consumo de Ulva sp.3 µg g-1 peso seco (p. Argentina. En Porphyra columbina las medianas de la concentración de As total. El consumo de 30 g de Porphyra columbina seca por semana.Perez et al.s. . Perez1*. Rev Latinoam Biotecnol Amb Algal 1(1):16-30 16 Artículo original de investigación Variación estacional de arsénico total en algas comestibles recolectadas en el Golfo San Jorge (Chubut. 2 Comisión Nacional de Energía Atómica. Ulva sp. El objetivo de este trabajo. Argentina) Adriana A. y las variaciones estacionales se dieron en BS y PM. Porphyra columbina.0 a 8. arsénico total.8 µg g-1 p. Argentina. Palabras clave: macroalgas. Clara M. total arsenic. and seasonal variations for the metalloid were observed in AM and PM. simultaneous inductively coupled plasma. meteorización. (green seaweed) from three places of Gulf San Jorge (Argentina) and to evaluate them from the point of view of food safety. 1981). ranged from 21. el arsénico es . Sampling sites were located at Bay Solano (BS) and Punta Maqueda (PM) (non polluted areas. Algunos de esos elementos vertidos. For Ulva sp.) intake per week would provide As values near to the As ISTP.9 to 39. se encuentra ampliamente distribuido en la naturaleza formando diferentes compuestos minerales. El arsénico (As). 1980).Perez et al. In contrast. erosión de rocas. seasonal variations were detected in BS and PM. a 30 g of Porphyra columbina (d.0 at 8. aproximadamente 360 millones de km2. as well as to use them as pollutants biomonitors.w. un metaloide de color gris acero y de olor aliáceo. and represents a higher risk. Argentina. es uno de los ambientes más expuestos a los contaminantes debido a que es el receptáculo final de todas las descargas naturales y de la actividad humana. Ellos son un espejo de la vida del planeta Tierra (Gerlach. 2001). marine seaweeds are exploited to obtain ficocoloids and food. Los naturales provienen de la formación de menas.050 µg As per week. Arsenic concentration. pueden considerarse como un gigantesco vertedero para todos los desperdicios del hombre.. Considering As only present as inorganic As. Los aportes de origen antropogénico son consecuencia de la actividad humana. would not represent a threat for human health. the intake of Ulva sp.). Esta inmensidad contribuye al mito de que tienen una capacidad de dilución infinita y que por lo tanto. sedimentos y biota marina. in Porphyra columbina. would be expected.78 µg g-1 (d. Arsenic levels ranged between 3. area that receives effluents from the oil activity.optical emission spectrometry (ICP-OES) provided with axial view and of solid state detectors.. como es el caso del As. En su mayor parte.. Keywords: seaweed.w.).3. Sus concentraciones se ven incrementadas fácilmente con la contaminación generada por la actividad antropogénica. lixiviación y fenómenos asociados al vulcanismo. For a 70 kg person. Porphyra columbina bioaccumulate much more As than Ulva sp. a PTWI of 1. principalmente procedentes de la actividad industrial (Pérès. 1. Introducción El medio ambiente recibe aportes de elementos de origen natural y antropogénico. Total As was quantified by multielemental. Porphyra columbina. Provisional Tolerable Weekly Intake (PTWI) value of 15 µg As week-1kg-1 corporal weight is referred to inorganic As. Rev Latinoam Biotecnol Amb Algal 1(1):16-30 17 Abstract In Argentinean’s Patagonian coast. 2010. The aim of this study was to determine the seasonal variation of total arsenic (As) in Porphyra columbina (red seaweed) and Ulva sp.. El medio acuático y en especial el marino. Los océanos cubren alrededor del 71% de la superficie terrestre. Authors strongly suggest to carry out speciation studies related to As species present in edible seaweeds from San Jorge Gulf to evaluate the real health risk. Ulva sp. In conclusion. far from anthropogenic activities) and the mouth of the Arroyo La Mata (AM). Los océanos contienen más de 30 elementos. pueden llegar a ser tóxicos para el crecimiento y el metabolismo de los vegetales y los animales marinos (Yun et al. metales o metaloides presentes en cantidades traza en los tres compartimentos: agua. expressed in µg g-1 dry weight (d.w. . En Japón. 1997).. Además de ser utilizadas para la alimentación. Se conocen unas 25. Caliceti et al. La utilización de las macroalgas como alimento humano es una de las aplicaciones más antiguas y se remonta al año 2. estas últimas de menor toxicidad como es la arsenobetaína (que se encuentran en concentraciones elevadas en los pescados. médico-farmacológicas. 2007). la existencia de consumidores mayores al promedio porque siguen una dieta macrobiótica y no se dispone de antecedentes correspondientes en la Argentina. 2000). se están convirtiendo en una auténtica revolución en materia alimentaria debido a su contenido en nutrientes (Darcy. El As..Vrillón. 1984) por lo que se estima una ingesta de 3. Solamente se cuenta con datos previos realizados en la zona. preparados cosméticos y en la restauración ambiental (Mabeau y Fleurence.. 1990). Rev Latinoam Biotecnol Amb Algal 1(1):16-30 18 transportado en el ambiente por el agua. El As (III) es capaz de unirse a los grupos sulfihidrilos e inhibir la acción de determinadas enzimas relacionadas con el metabolismo celular y la respiración (Soria et al. asimismo se debe considerar en todos los países. contribuirían con una ingesta de 85 a 124 mg de ácido . como plantas medicinales y en cosmética. 1989. 2010. Darcy-Vrillon. y está considerado como un carcinógeno para el hombre. 1998). agropecuarias. en China. se han detectado especies arsenicales inorgánicas y orgánicas. los cuales determinaron que el consumo de 30 g de Porphyra columbina seca (tres cucharadas de algas seca y molida). La ingesta media de algas marinas en los países occidentales está lejos de ser la de los países orientales.. como As (V) o As (III). pulmón y piel. En los países occidentales el uso de algas ha estado relacionado tradicionalmente con la industria farmacéutica y cosmética. siendo incorporadas directamente en estado fresco o seco. Este hábito tan antiguo se observa aún en varios países del sureste de Asia.700 a.. los alimentos y por malos hábitos higiénicos en el trabajo (Falcó et al. y el hombre utiliza para alimentarse unas 160 (25 verdes.3 g en peso seco por día (Darcy-Vrillon.6 kg de algas marinas secas por persona (Fujiwara-Arasaki et al. En Europa. existen especies con posible utilización en alimentación como Porphyra columbina y Ulva sp. Van Netten et al.000 especies de algas.C. 1993). Es genotóxico y un conocido carcinógeno asociado especialmente con cáncer de hígado. Rose et al. moluscos y crustáceos) y los arsenoazúcares presentes en macroalgas marinas y en algunos moluscos (Cullen y Reimer.. 2002). Paralelamente. ingresa al hombre por vía digestiva a través del agua. En sus formas inorgánicas pueden producir intoxicaciones tanto agudas como crónicas. 2006). minerales y vitaminas y otros nutrientes específicos como los ácidos grasos poliinsaturados (Mabeau y Fleurence.. 2007). 1993). 54 pardas y 81 rojas) (Leister y Morris. En los organismos marinos. (Fajardo et al.Perez et al. desde hace unos años. Sin embargo.. los griegos y los romanos las empleaban como alimento. 1993. las algas llegan a representar hasta un 25% de la dieta diaria. tienen aplicaciones industriales. 1995) y es generalmente reconocido por ser mas tóxico que el As (V) (Rose et al. En las últimas décadas se ha incrementado el consumo directo de distintas especies de algas por los beneficios nutricionales y terapéuticos ya que constituyen un alimento rico en proteínas. 1993. donde está usualmente en forma inorgánica.. 1993. Las algas del litoral marítimo argentino constituyen recursos naturales renovables económicamente importantes (Ferrario et al. Los japoneses consumen anualmente un promedio de 1. La mayoría de las algas de la costa patagónica argentina son explotadas para la obtención de ficocoloides. 1997. De toda la costa Argentina es el golfo más pronunciado. su consumo puede representar un peligro para la salud pública. las zonas de muestreo elegidas de Norte a Sur fueron: 1) Bahía Solano (BS): a 20 km al norte Comodoro Rivadavia Provincia de Chubut (45º 38’ L.). en el Sudeste asiático y China (Yasui et al.) y As inorgánico (32.5) en un alga utilizada para la alimentación humana.O.). 2004) y en forma más exhaustiva desde que se ha encontrado una elevada concentración de As total (103–149 µg g-1 p. 2002. Almela et al.S. FSA. llamada hiziki (Hizikia fusiforme). 1998).S. 2003.).s.S. Provincia de Chubut (45º 52’ L.0 g de proteínas. 67º 34’ L. las algas y productos derivados. con un régimen macromareal alto.Perez et al. En tal sentido. en la Provincia de Santa Cruz (46º 01’..69.. Rev Latinoam Biotecnol Amb Algal 1(1):16-30 19 ascórbico. Se caracteriza por estar alejada de la actividad antropogénica. 1995). Materiales y Métodos . 2) Desembocadura del Arroyo La Mata (AM): se ubica a 10 km al Sur de Comodoro Rivadavia.. al Sur de Comodoro Rivadavia. entre el Cabo Dos Bahías y el Cabo Tres Puntas. Laparra et al. Los tres lugares de muestreo se observan en la Figura 1. Se guardaron en bolsas de polietileno y se transportaron refrigeradas a 5 ºC al laboratorio. aunque también pueden ser utilizadas como bioindicadoras de contaminación y agentes de remediación del ecosistema marino (Riget et al.. estacionalmente (verano.. Por dicha razón.. (alga verde) del Golfo San Jorge (Argentina) y evaluar su seguridad como alimento. 3) Punta Maqueda (PM): se ubica a 30 km. 200 a 272 mg de magnesio. La costa es muy irregular.50 m. 2002). Se caracteriza por estar alejada de la actividad antropogénica y por poseer una restinga rocosa con piletas de marea de poca extensión y profundidad. Almela et al. carecen de regulación específica respecto al As.O. El objetivo de este trabajo fue determinar la variación estacional del As total en Porphyra columbina (alga roja) y Ulva sp.O. de 6. 2009). invierno y primavera) durante el año 2002. Existe otro aspecto a tener en cuenta además de los beneficios nutricionales y es el que las algas presentan una elevada capacidad de bioconcentrar no sólo elementos esenciales. Considerando estas características. Morita y Shibata.1. Al realizar la colecta se lavaron las algas in situ con abundante agua de mar para liberarlas de cuerpos extraños y de otras clases de algas (epífitas). en función de la estación del año en que sean recolectadas (Fajardo. L. y 11.2 a 9. En las zonas de muestreo se colectaron las especies de interés: Porphyra columbina y Ulva sp. 2010. 67º 30’ L. 2. si las algas provienen de áreas contaminadas. Desde el punto de vista de la evaluación de la seguridad alimentaria de estos productos. 2. Recibe efluentes de la actividad industrial y petrolera.. posee accidentes menores y plataformas de abrasión (localmente llamadas restingas) que quedan expuestas en bajamar...3 de fibra dietética. en julio del 2004 la British Food Standard Agency advirtió no ingerir esta alga por su elevada concentración de As inorgánico (Besada et al. sino también elementos tóxicos del medio ambiente. denominada Cuenca del Golfo San Jorge (Sciutto. 2004. 1983. En Argentina.1 Zona de Muestreo El Golfo San Jorge está situado en la costa de las provincias del Chubut y de Santa Cruz.. 400 a 636 mg de potasio. Las puntas de este golfo encierran una cuenca sedimentaria rica en hidrocarburos. 67º 21’ L. 1990. la estimación de la ingesta de arsénico inorgánico a través del consumo de algas está siendo estudiada en países europeos. con acantilados activos que poseen una altura promedio de 2. otoño.6 a 16. Finalmente el material se guardó en envases plásticos.3 Control de calidad del método analítico La exactitud de la metodología se evaluó de acuerdo a requerimientos de la Norma IRAM 301:2005 (equivalente a ISO/IEC 17025:05) y la guía EURACHEM-CITAC. Bélgica). Rev Latinoam Biotecnol Amb Algal 1(1):16-30 20 Figura 1. pretratamiento y mineralización de las especies estudiadas fue lavado con detergente neutro. IRMM.2 Lavado del material El material utilizado en la recolección.. Golfo San Jorge sitios de muestreo: Bahía Solano. sumergido en HNO3 al 50% v/v durante 24 h y enjuagado 6 veces con agua ultra pura. 2000.001 g) y un blanco de reactivos. Arroyo La Mata y Punta Maqueda En el laboratorio se lavaron con agua ultra pura y se secaron a temperatura ambiente durante 24 horas. empleando un material de referencia certificado (CRM) BCR 279 Sea lettuce.100 ± 0. enjuagado con agua.Perez et al. Los resultados no mostraron diferencias significativas con los valores certificados. Ulva lactuca (Institute for Reference Materials and Measurements. a -20º C hasta el momento de su procesamiento. El material de referencia certificado (0. 2010. fueron tratados y mineralizados en las mismas condiciones que las muestras para ser analizados cada 25 determinaciones. El agua ultra pura fue obtenida por bidestilación en destilador de vidrio convenientemente tratado con ácido nítrico y luego enjuagado con agua ultra pura. Se conservaron réplicas en congelación y se apartó material algal para ser herborizado. 2. . Bruselas. La precisión evaluada como repetibilidad fue del orden del 5% para los ámbitos de concentraciones evaluadas en este trabajo (Tabla 1). 2. El argón fue de calidad soldadura para alimentación de la descarga.Perez et al.5 Mineralización Se pesaron 0. Para evaluar la asociación entre variables se utilizó el método de las diferencias aplicando la prueba de Wilcoxon-Mann Whitney y Kruskal-Wallis empleando el test de Student-Newman-Keuls como prueba posthoc. 2.T. (n=10) Elemento Certificado Encontrado Recuperado µg g-1 p. que fueron llevadas a un digestor de microondas para su puesta en solución.05 y altamente significativo un p<0. multielemental simultáneo. hasta el momento de su cuantificación.17 93. Illinois.09 ± 0.s. a una potencia de 1200 watts (Sapp. respectivamente. . Se descongelaron. 1994). cuyo software operativo es el ICP. Rev Latinoam Biotecnol Amb Algal 1(1):16-30 21 Tabla 1. Ma. provistos por Indura S.s. µg g-1 p.4).: peso seco 2. EEUU)..OPTIMA (Winlab 32 Versión 2.6 Análisis elemental cuantitativo Las determinaciones de As se realizaron mediante un espectrómetro de plasma inductivo de argón (ICP OES).7 Análisis estadístico Los resultados descriptivos se expresaron como promedio con su desviación estándar y mínimo–máximo (Min-Max) para poder comparar con los datos de bibliografía y como mediana y quartilo (Q25 . Todos los mineralizados fueron guardados en recipiente de polipropileno a – 20 ºC.s. USA) y se le agregaron 2 o 4 ml de HNO3 (J. provisto de detector de estado sólido y automuestreador marca Perkin Elmer Optima 3100 XL (Perkin Elmer. Concentración promedio ± DE en material certificado de referencia BCR 279 (Sea lettuce) año 2002.02 y se consideró como estadísticamente significativo un valor de p<0.A. Darmstadt. axial. se colocaron en vasos de Teflón (Parr Instrument Company.100 ± 0.20 2. Los cálculos estadísticos se realizaron con el paquete informático INSTAT 2. Se emplearon argón y nitrógeno calidad ultrapuro para el enfriamiento de los detectores y para el sistema óptico.3 ± 4. 1991).87 ± 0.200 ± 0.8 p. % As 3.001 g de la muestra seca y molida de cada unidad muestral.01 (Dawson y Trapp.Q75) por tener una distribución no paramétrica. se llevaron a peso constante mediante el método indirecto por desecación en estufa a 100 ± 5º C (AOAC. para ajustar los valores de acidez a los de las respectivas curvas de calibración. respectivamente. Se colocaron en bombas de digestión. 2. 2. Baker ACS. USA). (Argentina) en ambos casos.001 g ó 0. 2006) y se molieron en morteros de porcelana. 2010. Los valores de concentración de As (p/p) se obtuvieron corrigiendo esos valores por las pesadas y diluciones correspondientes. Las muestras se analizaron por duplicado. Las concentraciones halladas en solución en las muestras analizadas se obtuvieron por interpolación en las respectivas curvas de calibración. Las líneas analíticas fueron elegidas a partir de la biblioteca del equipo. Alemania) en HNO3 1.4 Determinación de humedad y molienda De todas las algas recolectadas se eligieron al azar siete organismos de cada especie (siete muestras) los cuales fueron procesados individualmente. previa dilución 1/10. Las curvas de calibración se realizaron por sucesivas diluciones de un estándar comercial de As de concentración 1000 g As/ml (CertiPUR Merck.5 M. 05) siendo la desembocadura del Arroyo La Mata donde el alga exhibió valores mas altos (Tabla 3) .3 (27.2 (12.7) 43.s. en Ulva sp.5 (27.1) x ± DE (Min-Max) Mediana (Q25-Q75) x ± DE (Min-Max) Mediana (Q25-Q75) x ± DE (Min-Max) Mediana (Q25-Q75) Otoño Invierno Primavera x ± DE (Min-Max) Mediana (Q25-Q75) Superíndices distintos en la misma fila indican diferencias estadísticamente significativas (p<0.5) 21.4 (31.s.5 a (24.7) 36.0) Punta Maqueda 22. Arroyo La Mata y Punta Maqueda durante el año 2002. Discusión Del análisis de la Tabla 2 se desprende que las concentraciones de As encontradas en Porphyra columbina. 2010.3 a (37.3) 25.4-43.3) 29.84. Arroyo La Mata y Punta Maqueda (n=7) Estación del año Verano Bahía Solano 28.7-42. oscilaron entre 21.9a (20. recolectadas en Bahía Solano.8 µg g-1 p.7-41.1 (29.1 a (27.6) 22. las concentraciones de As (que oscilaron entre 3.1 5.9 a 39.3 a (33.0 a (30. Resultados En las Tablas 2 y 3 se observan las concentraciones de As en Porphyra columbina y en Ulva sp.8-49.38. Tabla 2.24.1-65.5-39.2 a (33.3-31.) en Bahía Solano.6-31.4-42.7-38.9) 34.8) Nd Arroyo La Mata 33.8 (26.s.5 (27.7-39.9-44.05).9) 34. petroleros no habría descargas de este elemento.8-36.7) 35.8) 39.) presentaron diferencias estadísticamente significativas entre los lugares de muestro en invierno y verano (p<0.8) 36.8 a (19. y que no existen diferencias estadísticamente significativas entre los lugares de muestreo (p>0.1) 37..1) 36.Perez et al. Concentraciones de As en Porphyra columbina (µg g-1 p.9 a (29.0) 25.4-27.3 (22.1 (18.9-39. Nd: no determinado.3 µg g-1 p.6-38. y en Ulva sp.: peso seco 4. DE: desviación estándar.1 a (33. .3) 37. Sin embargo.3) 30.s.3) 34.0 a 8.66.65. p.3) 35.9-37.2-38.4 (18.7 12.6-44. En las Figuras 2 y 3 se observan las variaciones estacionales de las concentraciones de As en Porphyra columbina.1-31.7 a (33. Esto indicaría que a pesar de que la desembocadura del Arroyo La Mata es una zona que recibe los efluentes industriales y..94.9-28.24.05) en cada estación del año.3) 35. respectivamente.8-34. Rev Latinoam Biotecnol Amb Algal 1(1):16-30 22 3.1 (37.716.611. 69) Nd Arroyo La Mata 5.05).09-3.95-9.61-10.62-7.560.2) 8.92) x ± DE (Min-Max) Mediana (Q25-Q75) x ± DE (Min-Max) Mediana (Q25-Q75) x ± DE (Min-Max) Mediana (Q25-Q75) x ± DE (Min-Max) Mediana (Q25-Q75) Otoño Invierno Primavera Superíndices distintos en la misma filas indican diferencias estadísticamente significativas (p<0. 1974). Este estudio se llevó a cabo en Groenlandia en una área alejada de fuentes antropogénicas de metales y así las .42-8.7-9.39-7. esta especie es sensible a pequeños cambios de concentración de As y debería tenerse en cuenta durante el proceso de selección de una especie bioindicadora de contaminación de As.36) 4.94 (6.150.05). se observa un comportamiento similar excepto en AM donde no existió variación estacional.78 a (8. Castellanos et al.79 (6.92-3. Nd: no determinado.10) 7.2-10.08-8.46) 6. Concentraciones de As en Ulva sp. interacciones entre metales y otros elementos.762.35) 9.42 (2. DE: desviación estándar.311.25) 6.23) 7.. 2010. La idea de que las concentraciones de metal disminuyen en la macroalga durante los periodos de crecimiento y aumentan durante el periodo inactivo en invierno ha sido considerada desde hace mucho tiempo (Fuge y James.97 (3.00 a (6.16 a (7. En Porphyra columbina hay disminución de las concentraciones en verano en PM y BS mientras que en la desembocadura del arroyo La Mata las concentraciones diminuyen en los meses de invierno y primavera y en Ulva sp.02 a (3.01 (6.11-8.93 (3.12 b (5. Entre ellos se describen los medioambientales (variaciones en las concentraciones de metal en solución.04) 7.09-8.s.731.45) 3. Existen distintos factores que pueden explicar las variaciones estacionales.39) 6. o pueden ser debidas a las interacciones entre todos estos factores. (1995) observó la variación estacional en las concentraciones de metal en Fucus vesiculosus.) en Bahía Solano.74-6.59 a (7.53) 7.45-6.04) 6.39) 7.210.13-11.221.: peso seco Este comportamiento podría sugerir que aunque en ésta alga verde se hayan registrado las concentraciones mas bajas de As. 2002.79 0..7) 8.641.03 a (2.86-5. En las Figuras 2 y 3 se observa que existió variación estacional estadísticamente significativa en ambas especies (p<0. (Haritonidis y Malea. los metabólicos (dilución de volúmenes de metal debido al crecimiento). 1995.54 (2. pH).98) 7. p. salinidad.51 (4. (µg g-1 p.88) 8. Arroyo La Mata y Punta Maqueda (n=7) Estación del año Verano Bahía Solano 2.14) 8.90-9.s.67 (7. Riget et al.44 a (6.23) Punta Maqueda 4.46) 6.612.94-7. 2005).3 (4..71 (6.98 0.Perez et al.27-7.20-8.47 b (3. como lo han referido varios autores en estudios similares realizados sobre la bio concentración de metales pesados en Ulva sp.10 a (7.75-8.80 a (3.69) 7. Caliceti et al.79-7. Rev Latinoam Biotecnol Amb Algal 1(1):16-30 23 Tabla 3. . 1998). 2002). superíndices distintos en la misma zona y lugar indican diferencias estadísticamente significativas (p<0. Variación estacional de la concentración de As total en Ulva sp. por lo tanto.001). (medianas ± DE).Perez et al. en invierno fue cuando las concentraciones eran más altas ya que el crecimiento era mínimo y estas disminuyeron en verano cuando el crecimiento era máximo. y a factores abióticos como la salinidad y temperatura (Villares et al. sin embargo. Verano Otoño Invierno Primavera Figura 3. Verano Otoño Invierno Primavera Figura 2. Variación estacional de la concentración de As total en Porphyra columbina (medianas ± DE). 2010. en todos los casos la variación no podría explicarse por este fenómeno. 1999) atribuyeron el modelo de variación estacional de las concentraciones de varios metales en Ulva rigida y Enteromorpha al crecimiento y a los factores como la edad del tejido examinada.. Haritonidis y Malea (1995.001). . se puede presumir que las concentraciones más altas de As en dicha estación se deberían a su crecimiento. Si se considera que Porphyra columbina tiene un máximo de crecimiento al fin del invierno y a los comienzos de la primavera (Boraso de Zaixso. Rev Latinoam Biotecnol Amb Algal 1(1):16-30 24 fluctuaciones encontradas deberían reflejar las variaciones naturales. superíndices distintos en la misma zona y lugar indican diferencias estadísticamente significativas (p<0. en este estudio se describió que la variación estacional podría ser atribuible al crecimiento. s. Ulva sp.06 19 ±4.5 Referencias Djingova et al.2 ±0. Ulva sp.15 1..25 ± 0.20 4.... (2009) Phaneuf et al.1 4. en el Golfo San Jorge como para establecer patrones de comparación.. Porphyra sp.13 28. (2009) Besada et al. Concentraciones de As (µg g-1 p. Porphyra sp.05 6. (1999) Caliceti et al. 2010. (2002) Almela et al. (2009) .41–7. (2007) Ródenas de la Rocha et al. Tabla 4.10 6.2 13 ±13 20. Ulva sp.19 9. (2009) Ródenas de la Rocha et al.28 ± 0.. (2002) Martín Rose et al. Ulva sp. (1996) Phaneuf et al. Porphyra sp.3 ±0.4 7±3 5. descritos en este estudio son del mismo orden que los documentados por varios autores (Tabla 4). (2005) Besada et al..0 ±2. Porphyra sp. Porphyra sp.30 3.) en especies de Ulva sp.70 1.5-11.25 1. los niveles de As tanto para Porphyra columbina como para Ulva sp. Porphyra sp... Ulva sp.70 ± 1.. Porphyra sp. (1987) Vasquez.. Porphyra umbilicales Área Golfo de Thermaikos (Grecia) Chile Québec (Canadá) Laguna de Venecia Italia España Sud África Península de Delmarva EEUU Bahía de Cienfuegos (Cuba) Bahía de Cienfuegos (Cuba) España Québec (Canadá) Lago de Venecia Italia Chile España Inglaterra Korea Japón Francia España As 4.. (2009) Ródenas de la Rocha et al. Ulva sp. En general. (2007) Castellanos et al. (1999) Caliceti (2002) Vasquez (1996) Almela et al.. Rev Latinoam Biotecnol Amb Algal 1(1):16-30 25 No está estudiado el comportamiento ecológico de Ulva sp.Perez et al. (2005) Castellanos et al. de distintas áreas geográficas del mundo (promedios o rangos) Especies Ulva lactuca Ulva sp.5 18-29 6.. (2006) Chaudhuri et al.07 6.. Ulva fasciata Ulva rigida Porphyra sp. y Porphyra sp.9–49.00 28.20.. (2002) Misheer et al. (2009) en productos comerciales de algas comestibles.. (2002) en España. un estudio realizado por Farías et al. con una media de 30 µg g-1 p. (2006) en las costas de Africa y por Wei et al.s. (2003) en China y mas bajos que los descriptos por Sfriso et al. Figura 4: Concentraciones de As total en Ulva sp.. Además. superíndices distintos en la misma zona y lugar indican diferencias estadísticamente significativas (p<0. 2010. (4 a 65 µg g-1 p. como puede observarse en la Figura 4. las concentraciones medias anuales de As en Ulva sp. Desde el punto de vista de la evaluación de riesgos.) (Sfriso et al.. por Almela et al. Por tal motivo. por Misheer et al.s. 1990..Perez et al. el contenido de As total en alimentos carece de valor toxicológico. fueron significativamente mas bajas que en Porphyra columbina (p<0. los valores reportados en este estudio para las dos especies estudiadas coinciden con los resultados obtenidos por Muse et al. 2000) y más altos que los encontrados en Cuba en la Bahía de Cienfuegos (Castellanos et al. es necesaria la cuantificación del As inorgánico. Varios autores (Phillips... (1989) en macroalgas de dos localidades de la provincia de Chubut. Asimismo. Esto sugiere que la acumulación de As depende de las características particulares de las algas marinas más que de los niveles medioambientales de este elemento (Besada et al 2009). no como As total y la Ingesta Semanal Tolerable Provisional (ISTP) recomendada . término que engloba a las especies arsenicales cancerígenas y de mayor toxicidad de las cuantificadas hasta ahora en alimentos: As (III) + As (V). Esta secuencia se observa en las algas de este estudio. Rev Latinoam Biotecnol Amb Algal 1(1):16-30 26 Caliceti et al. 2005). describieron que la acumulación de As total en diferentes algas marinas es función de la especie algal.. Almela et al. (2002) en la Antártida mostró resultados para algas rojas en los que las concentraciones de As oscilaban entre 5 y 28 µg g-1 p.. Los valores de As son también del mismo orden que los analizados por Besada et al. La OMS establece el valor de referencia toxicológico para el As como As inorgánico..001).s. La secuencia de mayor a menor capacidad de bioacumulación observada por dichos autores es: algas marrones > algas rojas > algas verdes. En tal sentido. 2002). y Porphyra columbina (Promedio anual ±DE...001). (2002) en Italia.). Aunque actualmente la concentración de As total no es un parámetro útil. 5. Agradecimientos A la Dra. fue el realizado por Norman et al. así como realizar monitoreos periódicos para llevar a cabo estudios de especiación de As y así poder evaluar el riesgo real en las algas comestibles recolectadas en el Golfo San Jorge. (1987) quien incluyó además del As inorgánico a los ácidos monometilarsónico y dimetilarsínico. La ingesta de 30 g de Porphyra columbina seca por semana aportaría valores de As cercanos al ISTP si se considerara que todo el As estuviese presente como As inorgánico. es el parámetro utilizado.Perez et al. 1993). 1998). las variaciones estacionales se dieron en BS y PM. considerando el máximo valor de As detectado (39. Valencia. España por su valioso aporte para el desarrollo del presente trabajo. En Ulva sp. el ISTP para un sujeto de 70 kg que habita en la zona de estudio sería de 1179 µg. . Rev Latinoam Biotecnol Amb Algal 1(1):16-30 27 es de 15 µg semana-1 kg-1 de peso corporal. como es el caso de Australia y Nueva Zelanda (ANZFA. sobrestimando probablemente el contenido de As inorgánico (Almela et al. Sería prioritario notificar a los consumidores de estos cambios estacionales y establecer vedas de consumo de macroalgas en temporadas de mayor acumulación del As. la cual se observó AM y PM. se conseguiría compatibilizar la comercialización y la protección del consumidor. 1997) y de 3 g g-1 p. que regulan específicamente los niveles de As inorgánico en algas proponiendo 1 concentraciones de 1 g g. Conclusiones Existió variación estacional de la concentración de As total en Porphyra columbina. valor que supera el límite establecido por la OMS. menores a los encontrados en la Porphyra columbina. Los niveles de As en Ulva sp. Si se estableciera una legislación específica para los contenidos de As inorgánico en las algas. Si se supone un consumo de 30 g de Porphyra columbina seca por semana (Fajardo.s. 2010.s como Francia y USA. lo que para un sujeto de 70 kg correspondería a 1050 µg As semanales (Almela. El primer aporte al respecto. en el estudio de las implicancias toxicológicas derivadas del consumo de algas comestibles. As (III) + As (V).. 2002).p. Este análisis amerita llevar a cabo estudios de especiación del As. ésta no supondría un riesgo para la salud. es de destacar la mayor capacidad de bioacumulación de As que posee Porphyra columbina respecto a Ulva sp. (Mabeau y Fleurence. En el caso de la ingesta de la misma cantidad de Ulva sp. Sería pues conveniente seguir el ejemplo de legislaciones más avanzadas.. para evaluar el riesgo real que supone el consumo de estas algas. Considerando los aspectos toxicológicos y su posibilidad de ser utilizados para la alimentación humana. hace suponer que su consumo no constituiría un riesgo para la salud.3 µg g-1 en invierno) y en el hipotético caso de que todo el As fuera inorgánico. Dinoraz Vélez del Instituto de Agroquímica y Tecnología de Alimentos. Estos datos deberán ser considerados en el proceso de su recolección para el consumo humano. 2006). . J. España: Ediciones Díaz Santos p. A. J. Government Printing Office..L. Y. A..uk/multimedia/pdfs/arse nicseaweed. Smichowski. J Agric Food Chem 50: 918–23. Chaudhuri. Farías. Universidad Nacional de la Patagonia San Juan Bosco. S. Heavy metals total arsenic and inorganic arsenic contents of algae food products. Porphyra columbina (Rhodophyta): II. Rosslein.M. AOAC Association of Analytical Communities...A. Angel R. Heavy metals biomonitoring by seaweeds on the Delmarva Peninsula. R.. 2002. Physis 55:9–15. M. M. Almela. K. C. 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Uma nova tecnologia para remover alguns destes poluentes dos efluentes é a desnitrificação autotrófica pela oxidação de compostos de enxofre como tiossulfato (S2O3-2). Alfredo Huch 475. oxidação de enxofre. Um reator de 10 L de volume útil foi alimentado diariamente durante 211 dias para adaptar a biomassa. C. 476 CEP: 88010-970 Florianópolis SC Brazil 2 Departamento de Química. outros poluentes como metais pesados. sulfeto (S-2) e enxofre elementar (S0).35 mgN-NO3-/mg S-SO4-2). para remover nitrogênio na forma de nitrato (N-NO3-) pela oxidação de compostos de enxofre na forma de tiossulfato (S-S2O3-2). Santana2.br Resumo Atualmente o principal impacto poluidor nos recursos hídricos é ocasionado pelo lançamento de efluentes industriais e esgotos domésticos sem tratamento. Um balanço de massa feito para o reator em condições de pseudo estado estacionário demonstrou que o processo tratava-se da desnitrificação autotrófica do nitrato. Palavras chave: desnitrificação autotrófica. Rio Grande RS Brazil * Autor de correspondência: soares@enq. apresentando um grande potencial para sua aplicação em larga escala.. além de micro poluentes de difícil biodegradação. A matéria orgânica continua sendo aquela de maior impacto. No entanto. provenientes de plantas de tratamento de efluentes domésticos e industriais. Concluiu-se que é possível estabelecer este processo a partir de uma cultura mista de microrganismos facilmente encontrados em sistemas de tratamento de efluentes convencionais.ufsc. 2010. Centro Tecnológico. apresentando valores de relação entre a produção de sulfato e remoção de nitrogênio (YN/S) similares ao estequiométrico (0. Campus Universitário. nitrogênio. Laboratório de Engenharia Bioquímica. Soares1* 1 Departamento de Engenharia Química Universidade Federal de Santa Catarina.Amim et al. têm sido matéria de investigação. utilizando o tiossulfato como doador de elétrons. inicialmente inoculado com uma mistura de bactérias aeróbias e anaeróbias. realizados com a cultura mista de microrganismos enriquecida. Willibaldo Schmidell1 e Hugo M. . Fabrício B. Uma remoção de nitrogênio acima de 90% e uma conversão total do enxofre na forma de tiossulfato a sulfato foi obtida quando o processo apresentava-se estável. Thiobacillus denitrificans. comprovaram os resultados do balanço de massa apresentando valores similares da relação YN/S. submetidas a um meio autotrófico. fósforo e enxofre.P. remoção de nitrogênio. Este processo é realizado pela bactéria Thiobacillus denitrificans. Neste trabalho foi enriquecida uma cultura mista de microrganismos. .35 mgN-NO3/mg S-SO4-2).L-1). curtume (1800 mgSO4-2. 2003). This process is performed by Thiobacillus denitrificans.. it was enriched a mixed culture of microorganisms. However. other pollutants such as heavy metals.L1 ). suinocultura (1000 mgN-NH4+. usina de álcool e açúcar (450 -1610 mgN. matéria orgânica. podendo-se citar a químico-farmacêutica (340 mgNNH4+. toxicidade aos microrganismos e ao homem (Gadekar et al. Vaiopoulou et al. Nitrogen removal above 90% and a complete conversion of the sulfur as thiosulfate to sulfate was reached when the process was stable. 1. L-1). showing similar values for YN/S.L-1). Keywords: autotrophic denitrification. nitrogen.. 2005. presenting a great potential for its application in full scale plants. phosphorous and sulfur. Mittal. inoculated with a mixture of aerobic and anaerobic bacteria cultures from industrial and domestic wastewater treatment plants. e substâncias como nitrogênio e enxofre. Thiobacillus denitrificans. Kinetic assays in batch reactors with the enriched microorganisms confirmed the results obtained in the mass balance. sulfide (S-2). Rev Latinoam Biotecnol Amb Algal 1(1):31-46 32 Abstract Nowadays. odor ofensivo. Carrera. In this work.. além do fato da amônia gerar demanda química de oxigênio (Liu e Koenig.L-1) entre outras (Ramos et al. ocasionada pelo lançamento de efluentes industriais e esgotos domésticos sem tratamento. 2002). 2010. curtume (200-500 mgN-NH4+. Várias indústrias promovem a geração de efluentes contendo elevadas concentrações de nitrogênio. Introdução Atualmente. nitrogen removal.. Estes efluentes contêm diversos poluentes como metais pesados. A new technology used to remove some of these pollutants in wastewaters is the autotrophic denitrification by the oxidation of reduced sulfur compounds. the main environmental impact is the pollution of the water resources caused by industrial and domestic wastewater without treatment. such as thiosulfate (S2O3-2). demanda química de oxigênio. 2005). doença em recém nascidos (nitrato).Amim et al. have being a matter of investigation. toxicidade aos peixes (amônia). A 10 L net volume reactor was used to adapt the biomass during about 211 days of operation. to remove nitrogen as nitrate (N-NO3-) by sulfur oxidation as thiosulfate (S-S2O3-2). corrosão de aço e concreto. Kimura et al. submitted to an autotrophic media.L-1). 2002. and elementary sulfur (S0). A reactor input and output mass balance on a pseudo steady state conditions demonstrated the main processes occurred was the nitrate autotrophic denitrification using thiosulfate as final electron acceptor. O impacto ambiental gerado pelo enxofre consiste principalmente pela formação da chuva ácida. sulfur oxidation. showing a nitrate removal and sulfate production yield (YN/S) similar to the stoichiometric value (0. 2006. o principal impacto poluidor é a degradação dos recursos hídricos. It was concluded that it is possible to establish this process starting from a mixed culture of microorganisms easily found in conventional wastewater treatment systems. besides recalcitrant micro pollutants. fermento (5000 . Os impactos ocasionados pelo nitrogênio no meio ambiente são o fenômeno da eutrofização.L-1). abatedouros (200mgN-NH4+. 2007. The organic matter is still the main pollutant that causes environmental impact on developing countries because of the large quantities it is generated. Entre as empresas que possuem efluentes com essas características destacamse a têxtil (1800-2000 mg SO4-2. . Verstraete e Philipps. 2004). Os processos de tratamento para remoção de nitrogênio estão amplamente difundidos na literatura. ou até 1500 – 7200 mg SO4-2.L-1).L-1).. A versatilidade metabólica propicia grande aplicação em sistemas de tratamento biológico. em processos em batelada e contínuo. L-1).. 1999. Rev Latinoam Biotecnol Amb Algal 1(1):31-46 33 mg SO4-2. vem se desenvolvendo um processo que realiza a desnitrificação autotrófica do nitrogênio utilizando formas reduzidas de enxofre como doadores finais de elétrons como tiossulfato. A maior dificuldade destes processos é a de atender aos parâmetros da legislação. o .L-1. membro do -Proteobacteria (Wang et al. A desnitrificação autotrófica via enxofre ocorre principalmente pela atuação do microrganismo Thiobacillus denitrificans. Os destinados à remoção de enxofre. De acordo com a resolução do Conselho Nacional de Meio Ambiente Brasileiro (Conama 357/2005) para lançamento de efluentes nos corpos d’água. Assim. da Silva. 2006. por isso a importância de desenvolvimento de novas tecnologias. 2000.. consistem na redução de sulfato a sulfeto com posterior oxidação de sulfeto a enxofre elementar e no “stripping” do sulfeto (Sipma et al. Anammox e NOx (Schmidt et al. As condições ótimas para crescimento são: temperatura entre 28 e 30 ºC. possibilitando a integração dos ciclos bioquímicos do nitrogênio e do enxofre. 350–550 mg SO4-2. até hoje desenvolvidos.. Constatou-se ainda o baixo acúmulo de nitrito durante a realização do processo. devem ser mantidos os limites de 20 mgN-NH4+. Canon. 1998. além de preservar as características e padrões de cada classe de água (por exemplo águas doces. Moon et al. entre outras (Menert et al..L-1 e 1. utilizando o mesmo microrganismo. 2004. além dos novos processos.. Wang et al.L-1. Diante desta situação é necessário promover o tratamento de efluentes evitando-se a degradação do meio ambiente. não associando outros metabolismos que ocorrem em um ambiente natural. Mais recentemente. estabeleceram o processo de desnitrificação autotrófica via oxidação de enxofre elementar. Ahn. 10 mgN-NO3-. sulfeto e enxofre elementar. Sharon. utilizando sulfeto de hidrogênio como doador de elétrons e nitrato como aceptor. Concluiu-se que os fatores determinantes para estabelecimento do processo são a razão S-2/NO3.L-1). Outra questão importante a ser lembrada é que todos os processos mencionados promovem a remoção destes compostos separadamente. Estudos atuais caracterizam o Thiobacillus denitrificans como anaeróbio facultativo. Boshoff et al. Wang et al..0 mgS-2. 2005. nitrito e óxidos de nitrogênio como aceptores finais de elétrons. Roger et al.Amim et al. há necessidade de se verificar a obtenção de culturas de microrganismos mais facilmente disponíveis e abundantes. classe 1. mineração (drenagens ácidas de minas. faixa de pH entre 6 e 8 (Kelly & Wood. Beller et al.. 2005. capazes de realizar o processo de desnitrificação autotrófica via oxidação de compostos reduzidos de enxofre. 2003. 2006). onde estão presentes vários substratos passíveis de metabolização havendo necessidade de se investigar estas interações. com cultura pura de Thiobacillus denitrificans. em condições anaeróbias. Possui a capacidade de crescer em condições aeróbias. 2010.L-1 e 250 mgSO4-2. 2005). Oland. Krishnakumar et al.. 2004). (2003). destacando-se o de nitrificação/desnitrificação. obtendo eficiência de remoção de nitrogênio de 90%. (2005) investigaram a cinética de desnitrificação. além de. Visando a operação de reatores em escala real. quando se trata um efluente real. 2006). oxidar compostos de enxofre utilizando nitrato. quimioautotrófico obrigatório.(5/3 a 5/2 sendo as ideais) e a concentração de sulfeto (< 300 mgS-2. dosagem esta suficiente para manter o pH em torno de 8. A contribuição de S-SO4-2 adicionado ao meio de cultivo pela adição da solução de nutrientes foi de apenas 4. Outra coleta foi realizada no sistema de tratamento anaeróbio de uma Tabela 1: Solução de nutrientes do meio estoque.35 4. sendo o inóculo Casan submetido a um sistema de peneiramento.1 Microrganismos O inóculo utilizado para estabelecer o processo de desnitrificação e oxidação do enxofre foi coletado de duas fontes distintas.10 1.25 Os reagentes eram adicionados ao meio sintético a partir de duas soluções estoques. e o inóculo anaeróbio foi drenado para reduzir o teor de água do mesmo.7H2O ZnSO4. sendo esta desprezada no computo dos resultados. Tiossulfato (SS2O3-2). além de solução de meio nutriente. 2010. da Companhia de Águas e Saneamento do Estado de Santa Catarina (Casan).57 1.2H2O CuSO4.0 mg. Material e Métodos 2. localizada em Santa Catarina.2 Meio de cultivo O reator era alimentado diariamente com solução sintética contendo nitrato (N-NO3-). Além disso. .L-1.99 21.61 0. uma de enxofre (10 g S-S2O3-2.L-1.4 mL da solução de nutrientes a cada 2 L alimentado.L-1) e outra de nitrogênio (10 g N-NO3-. conforme apresentado na Tabela 1.L-1 e uma proporção de 50% (m/m) de cada lodo. para remoção de partículas suspensas. sistema de Lodos Ativados.4H2O CoCl2. adicionava-se diariamente 1. (1999). a este processo.7H2O CaCl2. 2. O inoculo inicial foi de 4g SSV. adaptado de Campos et. indústria de bebidas.L-1).MoO24.99 7. como fonte de carbono e tampão.5H2O (NH4)6. obtida de processos convencionais de tratamento biológico. Composto EDTA . bicarbonato (NaHCO3-). Realizou-se uma coleta de lodo na Estação de Tratamento de Esgoto. como fonte de enxofre. O volume adicionado de cada solução estoque variou de acordo com cada fase de operação do reator contínuo. como fonte de nitrogênio. era adicionada a fonte de carbono do meio.06 1.34 5.6H2O KH2PO4 Concentração (g/L) 55.L-1).2H2O MnCl2.2H2O FeSO4. além de caracterizar os seus parâmetros cinéticos e compará-los aos apresentados na literatura para as culturas puras de Thiobacillus denitrificans. sendo utilizado 200 mL a cada 2L alimentado. Os referidos inóculos passaram por um tratamento preliminar.Amim et al. al. A partir de uma solução estoque de bicarbonato de sódio (40 g. 2. uma vez que a faixa de concentração deste íon estudada foi de 100 a 500 mg. Rev Latinoam Biotecnol Amb Algal 1(1):31-46 34 objetivo deste trabalho foi o de adaptar uma cultura mista de microrganismos.. A alimentação era realizada uma vez ao dia.+ H2O → 10SO4-2 + 4N2 +2H+ Tabela 2 . Durante a alimentação agitava-se o conteúdo do reator para promover a sua homogeneização. Baseado na análise de sólidos do efluente e na . Rev Latinoam Biotecnol Amb Algal 1(1):31-46 35 2. o inóculo era coletado retirando-se a biomassa do reator juntamente com o efluente diário (2L). Inicialmente o espaço da fase gasosa do reator foi lavada com argônio para garantir anaerobiose. Fases de operação do reator Carga mgS-S2O3-2.Condições de operação do reator contínuo. 2006).35. Para permitir uma homogeneidade do sistema inseria-se argônio (gás inerte) mantendo o efluente em constante agitação durante a coleta do lodo. mantendo um tempo de retenção hidráulica (TRH) de 5 dias. A operação do reator dividiu-se em três fases. com volume total de 20L. 2010.L-1 Concentração mgN-NO3-. volume útil de 10L. o que implica em uma relação mássica S/N de 2. A retirada de líquido tratado era feita quando o reator estava em repouso garantindo a sedimentação do lodo e retirada do sobrenadante. O sistema era completamente vedado. num regime semi-contínuo.L-1 Tempo de retenção hidráulica TRH (d) Fase I 20 100 35 5 Fase II 60 300 105 5 Fase III 100 500 175 5 (1) 2.variaram de acordo com a condição de operação aplicada ao reator. evitando-se a introdução de oxigênio.. ou N/S de 0. contribuindo para eliminar possíveis interferências durante os experimentos com o inóculo. Este procedimento garantia a eliminação das substâncias contidas no efluente. sendo mantida a relação estequiométrica de S/N. 26 cm de comprimento e 36 cm de profundidade.Amim et al. O reator anaeróbio foi operado durante 211 dias à temperatura ambiente.d)-1 Concentração mgS-S2O3-2.857.4 Ensaios cinéticos de desnitrificação autotrófica Definidos os ensaios a serem realizados. A composição de S-S2O3-2 e NNO3. sendo cada fase correspondendo a progressões de carga de enxofre.(L. conforme descrito na Tabela 2. 5S2O3-2 + 8 NO3. propiciava-se a decantação do lodo para. medindo 22 cm de largura. A progressão de carga aplicada tinha por finalidade permitir uma adaptação gradativa da biomassa. Analisando-se a estequiometria proposta na Equação 1 observa-se uma relação de 5 moles de S2O3-2 para 8 moles de NO3-. extrair o sobrenadante. isto é. sendo alimentado com meio sintético. Posteriormente analisava-se o teor de sólidos e prosseguia-se com a lavagem do lodo. em seguida.3 Reator semi-contínuo A adaptação da cultura mista de microrganismos foi feita em um reator sem mistura mecânica. de acordo com a Equação 1 (Santana. Ensaios preliminares realizados por Amim (2008). observa-se que esta poderia ser aumentada. garantindo-se assim uma atividade maior dos microrganismos e aproximando a concentração de enxofre a efluentes industriais. que interfere no consumo de tiossulfato oxidando-o. Assim.L-1) de meio sintético para a realização da cinética. total conversão de tiossulfato a sulfato. Para evitar a introdução de oxigênio de uma amostragem para outra. 3. modelo OXI 340. permitindo o rápido aumento de carga. adicionava-se argônio em cada frasco. Finalizado o tempo de inserção de argônio. realizando-se as análises em questão. (1975).1 Operação do Reator Contínuo Na Figura 1 estão apresentados os valores das concentrações de nitrato.Amim et al. Observa-se que as fases I e II foram mais curtas em decorrência do objetivo do estudo. eram transferidos 150 mL de amostra do meio para dezesseis frascos de soro. A operação do reator foi caracterizada por três fases distintas. e do enxofre elementar. pois não foi atingido o limite do sistema. Não houve qualquer indicação de inibição do processo pelas elevadas concentrações de nitrato e de tiossulfato aplicados. 3. A determinação do potencial de oxidação e redução fez-se através de uma sonda marca Digimed. Resultados e Discussão . As determinações de sólidos suspensos voláteis e sulfato e tiossulfato. e a baixa formação de amônio. foi monitorado para verificar se este poderia estar sendo formado por algum outro metabolismo. O referido meio era submetido a 10 minutos de argônio para garantir a eliminação de oxigênio. A determinação de oxigênio dissolvido fez-se através de oxímetro WTW portátil. para testar as metodologias analíticas de acompanhamento dos ensaios. a verificação da oxidação do tiossulfato adicionado dá-se pela recuperação do enxofre na forma de sulfato. quando adicionado ao meio de cultivo. até a sua completa vedação. com o concomitante consumo de nitrato. apesar de não ter sido adicionado na alimentação. 1995).5 L (mantendo-se a concentração celular de 2gSSV. demonstraram que há limitações nas determinações analíticas do tiossulfato. De acordo com a cinética em estudo coletam-se amostras de tempos em tempos. Rev Latinoam Biotecnol Amb Algal 1(1):31-46 36 concentração desejada para o ensaio preparava-se 2.L-1 para realizar ensaios cinéticos. O nitrogênio amoniacal (N-NH4+) foi analisado pelo método colorimétrico de Nessler segundo Vogel (1981). descrito por Cataldo et al. foram realizadas de acordo com o Standard Methods for Examination of Water and Wastewater (APHA.. Na seqüência os frascos eram inseridos em um incubador rotativo a uma temperatura de 30 °C (1°C). conforme descrito na Tabela 2. foi adaptado e empregado para a determinação de nitrato. Em termos de cargas aplicadas. Planejou-se atingir a concentração de 500 mgS-S2O3-2. O nitrogênio na forma amoniacal.5 Metodologias analíticas O método do ácido salicílico. 2010. utilizando-se de um analisador modelo TH44. 2. Destaca-se ainda a elevada conversão de substrato. durante os 211 dias de operação. amônio e sulfato medidos no efluente do reator nas três fases do processo. 00. Na Figura 2 observa-se a variação do pH no reator. em média. Estes estão coerentes com o estudo de Monn et al.. Nesta fase III houve uma oscilação maior da concentração de nitrato no efluente devido à remoção de biomassa do reator para a realização dos ensaios cinéticos.Amim et al.70 a 8. 2010. . Na Tabela 3 observam-se as eficiências do processo em cada etapa de operação. e na fase III identificouse um pequeno residual de nitrato. Nas fases I e II praticamente ocorreu desnitrificação total. O pH permaneceu em uma faixa de 7. para microrganismos como Thiobacillus denitrificans em cultura pura. Rev Latinoam Biotecnol Amb Algal 1(1):31-46 37 Figura 1: Monitoramento das concentrações dos íons durante a operação do reator contínuo. (2005) que apresentam conversões similares com o cultivo de Thiobacillus denitrificans em cultura pura. que promoveu a redução da eficiência. Fase I II III Remoção de Nitrogênio 92% 95% 88% Conversão a sulfato 100% 100% 100% O controle do pH neste processo é de fundamental importância. que. 2000). Tabela 3: Eficiência média do processo em cada etapa de operação do reator contínuo. no valor 8. II e III.37 e. nas fases I. caracterizando assim períodos com residual de nitrato e variação de sulfato. A manutenção do pH foi somente devido a adição de bicarbonato no meio não havendo necessidade de se adicionar ácidos ou álcalis. Os estudos realizados por Santana (2006) direcionaram os procedimentos praticados neste trabalho. mas o processo foi capaz de se restabelecer com altas eficiências de remoção de ambos substratos. (2003) e Wang et al. é considerado ideal (Kelly & Wood. D: vazão específica (d-1) (2) μN: velocidade específica de consumo de nitrato (mg N-NO3-. 2010. Rev Latinoam Biotecnol Amb Algal 1(1):31-46 38 Figura 2: Variação do pH no reator contínuo Para se chegar às velocidades de conversão dos substratos e formação de produtos faz-se necessário o balanço de massa do sistema.d)-1). Considerando-se um estado pseudoestacionário para determinados períodos do reator.L-1). Supõe-se que todo o nitrato está sendo reduzido a N2 e não ocorra acúmulo de nitrito. Nitrato consumido (N-NO3-) A Equação 2 apresenta o balanço de massa para o nitrogênio na forma de nitrato.L-1). rearranjando a Equação 4 temos a Equação 4: (3) NO 3 D N NO3 e N NO3 s X (4) Sendo D calculado pela Equação 5: D Onde: Q: vazão de alimentação (2 L. d N NO3 D N NO3e D N NO3 s N X dt Onde: N-NO3-e: concentração de nitrogênio (nitrato) na alimentação do reator (mg NNO3-. pode-se escrever: d N NO3 0 dt Assim.2 d 1 V 10 L (5) . X: concentração celular (gSSV.d-1) V: volume do reator (10 L) Q 2L / d 0.(gSSV. conforme descrito a seguir.L-1). que está sendo convertido em nitrogênio gasoso.. N-NO3-S: concentração de nitrogênio (nitrato) no efluente ou no reator (mg NNO3-.Amim et al. L-1) 41.Amim et al. Rev Latinoam Biotecnol Amb Algal 1(1):31-46 39 Através da Equação 4 pode-se calcular a velocidade específica de consumo de nitrato de cada fase de operação do reator. evidenciando assim a possibilidade de redução deste e conseqüentemente o aumento da atividade dos microrganismos.41 I II III Observando-se os resultados percebem-se os baixos valores de velocidades específicas de consumo de nitrato. (g SSV.L-1) 3.d)-1).L-1). . D: vazão específica (d-1) μs: velocidade específica de produção de sulfato (mg S-SO4-2. Para realização destas medidas definiu-se o período considerado em estado pseudo- estacionário. o reator tinha como principal função manter a flora bacteriana ativa e adaptar os microrganismos ao processo de desnitrificação autotrófica via oxidação do enxofre.41 3.73 6.83 μN (mg N-NO3-. e a concentração celular média de cada fase.35 182. (6) De forma similar ao desenvolvimento das equações para o nitrato.08 2. Sulfato produzido (S-SO4-2) Devido à ausência de uma metodologia capaz de quantificar a variação da concentração de tiossulfato em efluentes. Entretanto. conforme apresentado na Tabela 4. além das concentrações médias de nitrato afluente e efluente.(gSSV. X: concentração celular (gSSV. adotando-se as mesmas considerações para a vazão específica (D).30 114. isto se deve em parte ao TRH elevado. explicitadas na Tabela 5.57 N-NO3-s (mg. Demonstra-se ainda que.. o balanço de massa de enxofre limitou-se a formação de sulfato.d)-1) 2.12 21.L-1).L-1) 3.20 7. Fase Período (dias) 12-25 32-50 57-211 N-NO3-e (mg. esta velocidade também aumentou ratificando a adaptação dos mesmos ao processo. Tabela 4: Velocidades específicas de consumo de nitrato durante as três fases de operação do reator contínuo. 2010. à medida que houve um incremento na concentração de substrato. o mesmo período de estado pseudo-estacionário e a concentração celular determinaram-se as velocidades de produção de sulfato. O balanço de massa de sulfato foi calculado baseado na Equação 6.03 11.11 X (g SSV. d S SO42 D S SO4 2 s s X dt Onde: S-SO4-2: concentração de sulfato produzido no reator (mg S-SO4-2 . (g SSV. 3. d) 2.03 11. houve um incremento nas velocidades específicas de produção de sulfato à medida que foram aumentadas as concentrações dos substratos. d)-1) 6.77 YN/S (mgN-NO3-/mg S-SO4-2) 0.62 X (g SSV.41 μS (mg S-SO4-2/g SSV.83 μS (mg S-SO4-2.77 I II III Assim como para as velocidades específicas de consumo de nitrato.19 38.2 Ensaios Cinéticos com a Cultura de Microrganismos Para caracterizar a cultura mista de microrganismos adaptada e enriquecida no reator foram realizados ensaios cinéticos para avaliar a atividade destes microrganismos.35 mgN-N2. YN / S N S (7) Tabela 6: Relação YN/S em cada fase de operação do reator contínuo.08 2. Rev Latinoam Biotecnol Amb Algal 1(1):31-46 40 Tabela 5: Velocidades específicas de formação de sulfato durante as três fases de operação do reator contínuo. a relação entre nitrogênio removido (N-N2) e sulfato produzido (S-SO4-2) é de 0. Estes ensaios foram realizados em cada fase de operação. ratificada pelos valores de YN/S próximos ao estequiométrico (0. 2010.20 7.34 548. visto que aumentou a disponibilidade de substratos e por tratar-se de uma cultura mista.L-1) 107. Para verificar se o processo de desnitrificação via oxidação do tiossulfato de fato ocorreu segundo a Equação 1.30 21. d) 6.294 Os resultados indicam que o processo estabelecido no reator anaeróbio é a desnitrificação via oxidação do tiossulfato. determinou-se a relação YN/S (fator de conversão do sulfato produzido em nitrogênio removido) através da Equação 7.(mg S-SO4-2)-1.41 3. . Isto pode ter ocorrido pela oxidação de tiossulfato por outros processos metabólicos que a desnitrificação autotrófica.332 0. Fase I II III μN (mg N-NO3-/g SSV.38 326. Este cálculo baseou-se nas velocidades específicas de consumo de nitrato (ou formação de N2) e velocidades de produção de sulfato determinadas no item anterior.Amim et al.L-1) 3. Na Tabela 6 estão apresentados estes valores.. Salienta-se ainda que houve uma redução do fator à medida que a concentração de substratos foi elevada. Relação entre a produção de sulfato e remoção de nitrogênio De acordo com a Equação 1.349 0. Fase Período (dias) 12-25 32-50 57-211 S-SO4-2s (mg.19 38.30 21.35 mgN-NO3-/mg S-SO42 ). As condições do ensaio foram: manutenção da temperatura em 30°C. Rev Latinoam Biotecnol Amb Algal 1(1):31-46 41 seguindo a metodologia descrita no item 2.60 8.0 150.0 0.857).20 8.20 8.Amim et al.L -1 9. 4 e 5 pode-se observar o resultado destes ensaios.00 7.0 40.0 20.0 SO4-2 pH Concentração mg.4. variação da concentração de substrato de acordo com 120.00 8. a concentração celular de 2 gSSV.L-1.80 8.00 7.0 Figura 3 : Ensaio cinético de monitoramento da cultura de microrganismos na fase I – 100 mgSS2O3-2.80 0 1 2 3 4 5 Tempo (h) 6 7 8 N-NH4+ N-NO360.0 -1 aquelas aplicadas nas fases de operação (utilizou-se a relação estequiométrica mássica S/N de 2.80 8.20 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 Tempo (h) 300.0 250.0 200. Monitoramento da Biomassa 9.40 8.0 80. 2010.40 8.L-1 Monitoramento da biomassa 350. Nas Figuras 3.0 0.L 100.0 100.0 Concentração mg.0 50.60 7.0 N-NH4+ N-NO3S-SO4-2 pH Figura 4: Ensaio cinético de monitoramento da cultura de microrganismos na fase II – 300 mgSS2O3-2.L-1 .. As velocidades de consumo de substrato (rS) e velocidades específicas de consumo de substrato (μS).L -1 500. todos chegaram a sua conversão máxima no período de ensaio. que à medida que se aumentou a concentração de tiossulfato na alimentação mais tempo foi necessário para que os substratos fossem consumidos.0 100.h)-1 dS dT S= concentração. mgSSV. conseqüentemente. Rev Latinoam Biotecnol Amb Algal 1(1):31-46 42 Monitoramento da biomassa 9.. Através destas curvas podem ser calculadas as velocidades de consumo de substratos e.00 7. mg.60 7. 2010.0 400. pelos dados das figuras. h .(gSSV.0 300.0 200. mg.L-1 T= tempo. foram calculadas de acordo com as Equações 8 e 9 respectivamente: rs Sendo: rS= velocidade de consumo de substrato ou velocidade de formação de produto.80 8. observando-se que as variações das concentrações de sulfato e nitrato são praticamente lineares em função do tempo durante as primeiras 8 horas de experimento.0 0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24 Tempo (h) 8. porém.20 N-NH4+ N-NO3S-SO4-2 pH Figura 5 : Ensaio cinético de monitoramento da cultura de microrganismos na fase III – 500 mgSS2O3-2. Estas velocidades foram calculadas a partir dos valores de inclinação das tangentes das respectivas curvas de concentração de substrato (nitrato) e produto (sulfato) com o tempo.0 0.(L. as velocidades específicas de consumo de substrato. mg.20 Concentração mg. o que permite o cálculo das respectivas velocidades.L-1 T= tempo. mg.40 8.Amim et al. h (8) s * Onde: μS= velocidade específica de consumo de substrato ou formação de produto.L-1 S= concentração.h)-1 1 dS x dT (9) x= concentração celular.L-1 Observa-se. Rev Latinoam Biotecnol Amb Algal 1(1):31-46 43 Na Tabela 7 estão representadas as velocidades específicas de consumo de nitrato e produção de sulfato.35 mgN-NO3-. utilizando uma cultura mista. Conclusões A principal conclusão deste trabalho foi de que é possível estabelecer o processo de desnitrificação autotrófica via oxidação de compostos reduzidos de enxofre.h)-1) e 24.(mg SSO4-2)-1). indicando que o bicarbonato deve atuar como fonte essencial de carbono e muito importante como corretivo de pH em processos de desnitrificação autotrófica e que o processo simultâneo de oxidação de tiossulfato e assimilação de carbono orgânico não ocorre. o segundo foi para verificar a influência da adição da fonte de carbono autotrófica na forma de bicarbonato.848 15.(gSST. Novamente. calculadas através das Equações 2 e 3 para cada uma das fases. no caso o tiossulfato. As diferenças podem ser atribuídas ao crescimento celular. Para uma das condições. em concordância com o balanço de massa realizado para a operação do reator semicontínuo.(gSST. atingindo-se o equilíbrio do processo em poucos dias de . como reatores de lodos ativados e anaeróbios tratando efluentes industriais.261 YN/S mgN-NO3(mg S-SO4-2)-1 0.39 (mgN-NO3.(gSSV.(gSSV. partindo de um inóculo misto e de fácil disponibilidade.616 5.61 (mgS-SO4-2. Calculou-se também o fator de conversão de sulfato produzido em nitrogênio removido (YN/S) em cada fase de operação.Amim et al.h)-1 3. 2010. realizado pelos microrganismos. que não está computado na estequiometria apresentada e a algum outro metabolismo menos expressivo.387 μS mgS-SO4-2 .32 0. μN mgN-NO3.23 0.. em reator SBR. Chegou-se a conclusão de que não ocorre nenhuma transformação abiótica na conversão do tiossulfato.156 3.28 Fases Fase I Fase II Fase III O incremento dos valores de μN e μS evidencia a adaptação e o aumento da atividade biológica com a maior concentração de substratos. Santana (2006) obteve resultados similares estudando a eliminação autotrófica de nitrogênio via integração do ciclo do enxofre. 4. confirma-se que o processo realizado pela cultura mista de microrganismos desenvolvida é a desnitrificação via oxidação do tiossulfato.619 19. Santana (2006) obteve velocidades específicas de consumo dos substratos de 5.h)-1). operado em distintas condições. A resposta da flora de microrganismos foi imediata. Amim (2008) realizou alguns ensaios complementares: o primeiro foi para verificar se a oxidação do tiossulfato poderia estar sendo promovida por alguma falha operacional com a introdução de oxigênio no sistema. porém. Concluiu-se também que a ausência de bicarbonato inibe o processo. por tratar-se de uma flora mista. ratificada pelos valores de YN/S próximos ao estequiométrico (0. um pouco inferiores aos encontrados na operação contínua do biorreator.h)-1 9. Tabela 7: Resultados dos ensaios cinéticos. Para sustentar a afirmação de que o processo tratava-se apenas da desnitrificação autotrófica utilizando o tiossulfato como aceptor de elétrons. L. A..W. facultatively anaerobic bacterium Thiobacillus denitrificans. Baeza. Duncan. Comun Soil Sc. F.A. SC. exceto alguns períodos de instabilidade provocados por retirada de material celular do reator. J. Rapid colorimetric determination of nitrate in plant tissue by nitration of salicylic acid. Beller. Chakichrla.M. Water Res 38: 2651-2658. Nitrification at high ammonia loading rates in a activated sludge unit. DC. T. 2006. R.. M. Campos. A.L. 2004. J. 1975.M. M. tiossulfato.. Universidade Federal de Santa Catarina. Bioresource Technol 68: 141-148.P. D. Confirmation of Thiobacillus denitrificans as a species of the 5. Tese de Doutorado (Engenharia Ambiental) Escola de Engenharia de São Carlos. 2006. P. APHA.A.A. Kelly. D. Lema. Amim.H. P. G.Amim et al... J. Plant Anal 6: 71-80. G. V. R.G. Standard methods for the examination of water and wastewater. P.. Richardson. 2008. S. Tannery effluent as a carbon source for biological sulphate reduction.Sustainable nitrogen elimination biotechnologies: A review. J. Larmier. D. (4): 1473-1488. Vicent. Rev Latinoam Biotecnol Amb Algal 1(1):31-46 44 operação do sistema. American Public Health Association. Wood. P. porém há muito que investigar na área. J. J. Florianópolis. Batch and continuous biooxidation of sulphide by Thiomicrospira sp. Process Biochem 41: 1709-1721. Referências Ahn. Wood. Dissertação de Mestrado (Engenharia Química). 1995.. Y.D.. 2006. Cataldo.P. Garrido-Fernandes.... A conversão do tiossulfato a sulfato foi de 100% e a do nitrato foi superior a 90%.. São Carlos.E. Schrader. Biodessulfatação com posterior oxidação parcial do sulfeto em reatores operados em bateladas seqüências. Coleman. Mendez.edn. Os resultados mostram o grande potencial de aplicação em larga escala deste processo. 2000.S. é o estabelecimento de condições do processo para que oxide as formas mais reduzidas de enxofre (S-2) em enxofre elementar... Chain. 1999. J. Agradecimentos Agradecemos ao CNPq e à FAPESC pelo financiamento desta pesquisa e a CAPES pela bolsa de mestrado. AWWA. para que este possa ser removido do sistema e promover um processo de eliminação conjunta de nitrogênio e enxofre. P.. Avaliação de parâmetros cinéticos de uma cultura mista de microrganismos destinados à eliminação autotrófica de nitrogênio via oxidação de . J Bacteriol 188. S. 176 p. A.E. Biological nitrogen removal of highstrength ammonium industrial wastewater with two-sludge system. 6. J.L. Uma das questões que devem ser abordadas. Rose.R. 2005. Youngs. Letain. Assim. observaram-se velocidades de consumo de nitrato e de produção de sulfato compatíveis com as reportadas na literatura para culturas puras de Thiobacillus denitrificans. Através dos ensaios cinéticos com a cultura mista desenvolvida. Hill. WEF. Boshoff.. 2010. The genome sequence of the obligately chemolithoautotrophic. H. Water Res 37: 42114221. Departamento de Engenharia Química. Da Silva. SP.. Haroon M. foram obtidos valores para o fator de conversão de sulfato produzido em nitrogênio removido (YN/S) próximos ao indicado pela estequiometria.A.M. Gadekar. A. Lafuente. CVO: reaction kinetics and stoichiometry.. Washington. Nemati. Kelly. Universidade de São Paulo. além da melhor caracterização e identificação da cultura mista de microrganismos.. Carrera.. 19th. indicando que o principal metabolismo ocorrido foi o da desnitrificação autotrófica utilizando o tiossulfato como aceptor final de elétrons. T. 2003.. Water Res 40: 2436 -2446. . Melidis.. A. M. Schmid. Clar. 2006. Liu.B.. Thermochim Acta 420: 89-98.Y. Reuse of tannery wastewaters by combination of ultrafiltration and reverse osmosis after a conventional physical-chemical treatment. D... A. Vieira. Biological nitrogen and phenol removal from saline industrial wastewater by submerged fixed-film reactor. Treatment of sulphide containing wastewater with sulphur recovery in a novel reverse fluidized loop reactor (RFLR).. Y. J. J. Universidade Federal de Santa Catarina. Moon. I. I. A. S. Sipma. Roca. A. Water Res 39: 639-647.. M. Quarta edição.. Kim.. 2003... J Hazard Mater 142: 175-183. S. M. 2007. Use of autotrophic sulfur-oxidizers to remove nitrate from bank filtrate in a permeable reactive barrier system. Santana. Verstraete. Env Pol 102: 717-726.. Miron. J. Sliekers. in the subclass of the Proteobacteria. E. F. Treatment of wastewater from abattoirs before land application .-H. Vilu. Bock. M. J. Mittal. R. 157 p. Ahn. B.. Jetten. 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Análise Inorgânica Quantitativa.. (mgSSV..d)-1) .L-1) X: concentração celular (gSSV.(L. YN/S: relação entre a produção de sulfato e remoção de nitrogênio (mgN-NO3-/mg S-SO4-2) μN: velocidade específica de consumo de nitrato (mg N-NO3-. mg.d)-1) μs: velocidade específica de produção de sulfato (mg S-SO4-2.L-1) Q: vazão de alimentação (2L.(gSSV.(gSSV.d-1) rS: velocidade de consumo de substrato ou velocidade de formação de produto. mg.L-1) N-NO3-S: concentração de nitrogênio (nitrato) no efluente ou no reator (mg N-NO3-.L-1 T: tempo (h) V: volume do reator (L) x: concentração celular. Rev Latinoam Biotecnol Amb Algal 1(1):31-46 46 Lista e Símbolos D: vazão específica (d-1) N-NO3-: concentração de nitrogênio (nitrato) (mg N-NO3-.Amim et al. 2010.L-1).h)-1 S-S2O3-2: concentração de enxofre (Tiossulfatotiossulfato) (mgS-S2O3-2L-1) S-SO4-2: concentração de sulfato produzido no reator (mg S-SO4-2L-1) S: concentração.L-1) N-NO3-e: concentração de nitrogênio (nitrato) na alimentação do reator (mg N-NO3-. y Rhyzopus sp.Gutiérrez et al. se han realizado estudios sobre los mecanismos de interacción con el cromo. El cromo es considerado como un contaminante ambiental. 2010. Ángeles E. Las formas del cromo estables en el ambiente son el cromo trivalente [Cr(III)] y el cromo hexavalente [Cr(VI)].mx Resumen Esta contribución tiene como objetivo revisar los estudios realizados acerca de los mecanismos fúngicos de interacción con el cromo y las aplicaciones de dichos mecanismos en el contexto de la Biotecnología Ambiental. Georgina E. Pichia sp. Dichas cepas comprenden levaduras como Candida sp. Francisco Javier Acevedo Aguilar2. Iztapalapa. . Candida sp. biotratamiento de efluentes industriales. debido a su amplio uso en distintas actividades industriales. Espino Saldaña1. bioacumulación. Col. Guanajuato..3. y de bioacumulación. se han descrito cepas fúngicas capaces de realizar el proceso de transformación de Cr(VI) a especies reducidas. caracterizándose éste por la unión pasiva del metal con componentes de la superficie celular. Con algunos de dichos organismos se han implementado procesos biotecnológicos de biotratamiento de efluentes industriales. la fabricación de explosivos.. Kazimierz Wrobel2 y Katarzyna Wrobel2 1 Departamento de Biología y 2Departamento de Química. Noria Alta s/n. el curtido de pieles.. Rev latinoam Biotecnol Amb Algal 1(1):47-63 47 Revisión crítica Mecanismos de interacción con cromo y aplicaciones biotecnológicas en hongos J. biosorción.Vicentina C. 3 Departamento de Biotecnología. La influencia negativa de la acumulación de cromo sobre las poblaciones de microorganismos del suelo ha sido ampliamente descrita. Félix Gutiérrez Corona1*.09340 Del. En estudios recientes.F. entre las cuales se encuentran el cromado electrolítico. A esto se suma que el Cr(VI) es altamente soluble. Alejandro Coreño Alonso1. México. * Autor de correspondencia: felixg@quijote. Universidad de Guanajuato. y los hongos filamentos Aspergillus sp. Candida sp. Gto. Palabras clave: hongos. etc.. en el cual ocurre la entrada del metal a las células con gasto de energía. con la consecuente toxicidad para los ecosistemas. por un mecanismo bioquímico desconocido hasta la fecha. D.. Campus Guanajuato. Lecythophora sp. Las especies reportadas incluyen levaduras como Saccharomyces cerevisiae.ugto. biotransformación. Penicillium sp.. siendo este último altamente tóxico y mutagénico para distintas formas de vida.P. Aspergillus tubingensis y Penicillium sp.186. Saccharomyces cerevisiae. Universidad Autónoma Metropolitana-Iztapalapa. Francisco José Fernández3. Av San Rafael Atlixco No. Araceli Tomasini3. biorremediación. cromo. Aureobasidium pullulans y los hongos filamentosos Aspergillus sp. así como la consecuente aparición de poblaciones de organismos adaptados (tolerantes) al ambiente hostil. 36050. C. organismos predominantes del suelo que actúan como eficientes biotransformadores. haciendo énfasis en algunas de las direcciones futuras de investigación y desarrollo tecnológico. la mayoría de los cuales se han centrado en los procesos de biosorción.. lo que lo hace móvil en el suelo y en ambientes acuáticos. En el caso de los hongos. División de Ciencias Naturales y Exactas.P. Reyna López1. 1. Aspergillus tubingensis and Penicillium sp. Actualmente se ha establecido que diversos compuestos de cromo. biotransformation. el Cr(III) se encuentra en forma de óxidos. there have been several studies on the mechanisms of interaction with chromium. with emphasis on some future directions for research and technological development The metal Chromium (Cr) is considered an environmental pollutant due to its widespread use in several industrial activities. El cromo en el ambiente Entre los metales. and bioaccumulation. etc. the latter being highly toxic and mutagenic to various life forms. characterized by the passive binding of the metal to components of the cell surface. Recent studies have described fungal strains capable of performing the transformation of Cr(VI) to reduced species by an unknown biochemical mechanism. las formas más comunes y estables en el ambiente son el Cr trivalente Cr(III) y el Cr hexavalente Cr(VI). biotreatment of industrial effluents and bioremediation. manufacture of explosives. 1991). 1990). Lecythophora sp. las cuales poseen propiedades químicas distintas. biosorption. por lo cual es mucho menos móvil. is the fact that Cr(VI) is highly soluble. cromatos y dicromatos. Added to this. chromium. son . El Cr(VI) es un fuerte agente oxidante y en presencia de materia orgánica es reducido a Cr(III). These strains include yeasts such as Candida sp. most of which have been focused on biosorption processes. Key words: fungi. considerado la forma más tóxica del cromo. hidróxidos o sulfatos poco solubles. bioaccumulation. making it mobile in soil and aquatic environments with toxic consequences for ecosystems. esta transformación es más rápida en ambientes ácidos (McGrath y Smith. soil predominant organisms that act as efficient bioconverters. Rev latinoam Biotecnol Amb Algal 1(1):47-63 48 Abstract This contribution aims to review studies on the fungal mechanisms of interaction with chromium and the applications of these mechanisms in the context of environmental biotechnology. que debido a su gran solubilidad son altamente móviles en el suelo y en ambientes acuáticos. The stable forms of chromium in the environment are trivalent chromium [Cr(III)] and hexavalent chromium [Cr(VI)]. en forma de óxidos. y existe unido a materia orgánica en el suelo y en ambientes acuáticos (Palmer y Wittbrodt. among them electroplating. 2010. Saccharomyces cerevisiae.. Candida sp. El Cr(VI). el cromo ha atraído amplio interés público y de agencias regulatorias debido a la toxicidad que ejerce sobre los ecosistemas. The negative influence of the accumulation of chromium on soil microbial populations has been widely described. and the consequent emergence of populations of organisms adapted (tolerant) to the hostile environment. and Rhyzopus sp. Por otra parte. leather tanning. In the case of fungi. Sin embargo. Aunque puede existir en varios estados de oxidación. Aureobasidium pullulans and the filamentous fungi Aspergillus sp. The reported species include yeasts such as Saccharomyces cerevisiae. in which case the entry of the metal to the cells occurs with energy expenditure. El cromo es un metal de transición localizado en el grupo VI-B de la Tabla Periódica. se encuentra usualmente asociado al oxígeno en forma de cromatos (CrO42-) y dicromatos (Cr2O72-). Pichia sp and the filamentous fungi Aspergillus sp.Gutiérrez et al. niveles elevados de Cr(VI) pueden sobrepasar la capacidad reductora del ambiente y puede así persistir como un contaminante. incluyendo microorganismos y animales. With some of these organisms studies have been carried out to implement biotechnological processes for the clean up of industrial effluents. poseen propiedades fundamentales como biotransformadores y juegan un papel importante en los ciclos geoquímicos de los metales (Gadd. 2001).Gutiérrez et al. debido a que poseen mecanismos activos o pasivos que les permiten removerlo o destoxificarlo. 1993). etc. con el consecuente daño oxidativo. 3. suelos y efluentes de industrias. siendo mutagénico y carcinogénico en animales y mutagénico en bacterias (Losi et al. Burford et al. 2. Se ha propuesto que la toxicidad del Cr(VI) se debe a que dentro de las células se generan intermediarios reducidos de cromo que en presencia de H2O2 funcionan como catalizadores de una reacción tipo Fenton. 1993. esto último en el contexto del desarrollo de nuevas tecnologías para el tratamiento de efluentes industriales y para la biorremediación de sitios contaminados. El Cr(VI) es considerado la forma más tóxica del metal. De manera general dichos mecanismos comprenden: (Fig. (Calder. generando Especies Reactivas de Oxígeno (ERO). Las células fúngicas interaccionan con el cromo a diferentes niveles. fabricación de explosivos. los compuestos de Cr(III) son relativamente inocuos debido a que son insolubles y no pueden atravesar las membranas biológicas.. Sumner et al. algunos de los cuales son de interés básico y de importancia biotecnológica. 1988). el periplasma y la membrana plasmática. Interacciones de los hongos con el cromo Los hongos son organismos ubicuos en la naturaleza. 2003). (2005) establecieron que en la levadura Saccharomyces cerevisiae la oxidación de proteínas es el principal mecanismo de toxicidad de Cr(VI). así como la consecuente aparición de poblaciones de organismos adaptados (tolerantes) al ambiente hostil (Cervantes et al. siendo las proteínas glicolíticas y las de choque térmico las principalmente oxidadas. 2010. además de que la oxidación es isoforma específica. produciendo peroxidación de lípidos... tales como cromado electrolítico. Liu y Shi. oxidación de proteínas y ácidos nucleicos (Ercal et al. 1981). 1994). 2001. El Cr(VI) es altamente tóxico para todas las formas de vida. En ciertas especies se conocen con detalle dichos mecanismos. fabricación de colorantes y pigmentos. Rev latinoam Biotecnol Amb Algal 1(1):47-63 49 contaminantes ambientales presentes en agua. hasta el citoplasma y los organelos celulares. expulsión y captura del metal. Es común que los microorganismos nativos de sitios contaminados con cromato muestren resistencia al ión. El Cr(III) funciona como un oligoelemento esencial para los seres humanos (Anderson. 1988. que predominan en el suelo. Hasta la fecha se desconoce si dicho mecanismo explica la toxicidad del Cr(VI) en otros sistemas biológicos. Por otra parte. 2001). Katz y Salem. desde la pared celular. debido a que dicho metal es ampliamente utilizado en distintas actividades manufactureras. . Toxicidad del cromo Los efectos biológicos del Cr dependen de su estado de oxidación. aleación de metales.. La influencia negativa de la acumulación del cromo sobre las poblaciones de microorganismos del suelo ha sido ampliamente descrita.. Dichos microorganismos requieren detectar y regular los niveles intracelulares de cromo a través de sistemas de homeostasis que mantienen un balance entre la incorporación. 1). aunque en altas concentraciones pueden presentar los mismos efectos tóxicos que los de Cr(VI) (Wong y Trevors. 1989). curtido de pieles. debido a que atraviesa fácilmente las membranas biológicas y puede ser transportado activamente al interior de las células por medio del transportador de sulfato (Borst-Pauwels. 3) Incorporación y bioacumulación. 2007). Fukuda et al. Entre los hongos filamentosos se han descrito cepas de Aspergillus sp.. que puede ser: 1) directa (enzimática) o 2) indirecta (no enzimática). y 5) Inmovilización. (Acevedo Aguilar et al.Gutiérrez et al. Candida sp. Candida sp. Biotransformación de Cr(VI) a especies reducidas (reducción química) Dentro de las células microbianas el Cr (VI) puede ser reducido a Cr (III) por sistemas reductores. Penicillium chrysogenum (Pazouki et al. En años recientes dichos estudios se han incrementado. FGSFEP (Guillén-Jiménez. Rev latinoam Biotecnol Amb Algal 1(1):47-63 50 Biotransformación de Cr(VI) a especies reducidas (reducción química). Figura 1.. 2008). NGV-9 y Aureobasidium pullulans (Villegas et al. 2001). 2006. así como Lecythophora sp... los organismos descritos poseen tolerancia a Cr(VI) y fueron aislados de sitios contaminados con cromato. 4. los organismos descritos incluyen levaduras como Candida maltosa (Ramírez-Ramírez et al. así como las maneras de unión e incorporación a las células y la inmovilización mediante la formación de complejos.. La Figura 2 muestra la capacidad de transformación del Cr(VI) a Cr (III) en cultivos de las cepas tolerantes a Cr(VI) Ed8 . 2004). Hace varios años se habían descrito algunos reportes sobre hongos capaces de reducir el Cr (VI) a Cr (III) (Cervantes et al. Mecanismos de interacción de los hongos con el cromo. 2008). Penicillium sp (Acevedo Aguilar et al.. 2010. 2008) y Aspergillus versicolor (Das et al.. ya sea de efluentes o licor de curtido de tenerías o suelo conteniendo residuos industriales. 2008). que pueden incluir rutas enzimáticas y no enzimáticas.... 2006. una cepa industrial de Saccharomyces cerevisiae (Ksheminska et al. NGV-1. 2006). Se ilustran los posibles modos de transformación química. 2008). 4) Biosorción de Cr(III) y Cr(VI). Fukuda et al.. En la mayoría de los casos. Hasta la fecha. Además de las observaciones hechas con los hongos filamentosos Aspergillus sp. Rev latinoam Biotecnol Amb Algal 1(1):47-63 51 de Aspergillus sp y H13 de Penicilium sp. debido a la presencia de Cr(VI). 2009). Recientemente. 2006) y Candida sp (Villegas et al. y Penicillium sp. sólo en la levadura Candida maltosa se ha reportado actividad de cromato reductasa en extractos libres de células (Ramírez-Ramírez et al. 2006. 2004). proponiéndose que esto refleja que la reducción de Cr(VI) ocurre en el medio extracelular (Ksheminska et al. 2008) la reducción de Cr(VI) ocurre en el medio de cultivo. (2006). 2). Reducción de Cr(VI) a Cr(III) por las cepas Ed8 de Aspergillus sp y H13 de Peninicillium sp (A) y aspecto de los cultivos (B). Cromo total unido a la biomasa después de diferentes tiempos de incubación en presencia de Cr(VI) (C). se desconoce el papel de esta actividad en la reducción in vivo del Cr(VI). dicha transformación ocurrió con muy poca unión de cromo a la biomasa ( 1. se ha indicado que en cepas de las levaduras Saccharomyces cerevisiae (Ksheminska et al. 2006).. ya sea enzimático o no enzimático. como se muestra.. mencionadas líneas arriba (Fig.Gutiérrez et al. Tomado de Acevedo Aguilar et al. aunque no se probó si dicha actividad es la responsable de la reducción de Cr(VI) in vivo. ha desaparecido completamente. 2008).. el color amarillo de los cultivos.. se ha detectado actividad de cromato reductasa en extractos libres de células de la cepa Ed8 de Aspergillus tubingensis (Coreño Alonso. 2006). Figura 2.0 % del cromo total presente en el medio). se desconoce que tipo de sistema participa en la destoxificación del Cr(VI). Después de 60 h. con muy poca unión de Cr a la biomasa.. En varios géneros de bacterias se ha documentado la actividad de . 2010. lo que indicó que la reducción del Cr(VI) ocurre en el medio extracelular (Acevedo et al. la cual es resistente a cromato y posee alta eficiencia para reducir el Cr(VI) a Cr(III) en el medio extracelular (Acevedo Aguilar et al. 1) Biotransformación directa (reducción enzimática) En los hongos se tiene poco conocimiento sobre los sistemas de reducción de Cr(VI).. intracelular o extracelular.. dichas enzimas poseen propiedades bioquímicas conocidas (nitrato reductasa... Aspergillus nidulans (Natorf et al. 2006.Gutiérrez et al. la falta de esta proteína conduce a un nivel de expresión bajo en los genes de los transportadores SULI y SUL2. 2008) y levaduras (Ksheminska et al.. un sistema de permeasas que transporta diferentes aniones como sulfatos y fosfatos (Borst-Pauwels. proponiéndose que la misma puede constituir un mecanismo de resistencia a Cr(VI) por participar en su destoxificación (Cervantes y Campos García. 2001). 2008). dicha incorporación esta sujeta a represión metabólica por azufre. 1998). 2007).. 1998) y Penicillium chrysogenum (Van de Kamp et al. 1997.. 1993. 2008) se deba a la producción y excreción de moléculas similares a las descritas en bacterias o bien. 1997). se encontró que el Cr(III) formado por reducción de Cr(VI) en el medio extracelular se encuentra acomplejado con. Villegas et al. La incorporación de sulfato es un punto importante de regulación del metabolismo del sulfato en otros hongos. 2003). se obtuvo por la observación de que algunos mutantes resistentes a cromato de hongos filamentosos y levaduras mostraron una dramática disminución en el transporte de sulfato (Cervantes et al. . 3) Incorporación y bioacumulación En la levadura Saccharomyces cerevisiae se ha descrito que el Cr(VI) puede incorporarse a las células por un transportador aniónico no específico. en su momento. respectivamente (Kamaludeen et al. deberá determinarse si dichos compuestos corresponden a moléculas reductoras de Cr(VI). También.. cerevisiae la expresión de dichos genes es modulada positivamente por el regulador transcripcional MSN1. 2003). las cuales se desconocen hasta ahora. como el ión ferroso Fe(II) y H2S. dicho sistema es codificado por los genes SUL1 y SUL2 (Cherest et al. cerevisiae (Ksheminska et al. Tao y Marzluf. se ha propuesto que en la levadura Schizosaccharomyces pombe el glutatión puede proteger de la toxicidad del Cr(VI) por su capacidad de amortiguar al ión hidroxilo producido en su presencia (Pesti et al.. la cual afecta la expresión de los genes codificantes de las permeasas de sulfato en Neurospora crassa (Marzluf. se demostró que las bacterias Shewanella oneidensis y Shewanella sp. ferrireductasa y algunas flavoproteínas) y algunas son capaces de reducir al Cr(VI) in vitro.. al menos.. En el caso de la cepa industrial de S. acoplando la oxidación de moléculas orgánicas y de hidrógeno a la reducción de ión férrico Fe(III) y sulfato. 2006). que produzcan moléculas reductoras de Cr (VI) específicas. recientemente. En el caso de bacterias. causa que se acumule menos cromo en las células y produce el fenotipo de tolerancia a Cr(VI) (Chang. Rev latinoam Biotecnol Amb Algal 1(1):47-63 52 cromato reductasa. Se ha descrito que en la levadura S.. La reducción extracelular de Cr(VI) por células fúngicas podría deberse a la producción y excreción de moléculas reductoras. Evidencia adicional sobre el uso del sistema de transporte de sulfato para la incorporación del cromato. 2010. 2) Biotransformación indirecta (reducción no enzimática) En el interior de las células microbianas los reductores no enzimáticos mas potentes pueden ser el glutatión y la cisteína. Es factible que la reducción extracelular de Cr(VI) observada en hongos filamentosos (Acevedo et al. secretan flavinas como parte de un sistema extracelular de transferencia de electrones (Marsili et al. dos compuestos distintos producidos por la levadura. 2000). se ha descrito que producen y excretan substancias reductoras. de naturaleza desconocida. 1981). flavin reductasa. 2002). 2010... 8. 2001 Congeevaram et al. que incluyen los medios de cultivo. la cual pertenece a la superfamilia de transportadores CHR. 1998).. 2006 Sin embargo. Una vez que inicia la incorporación del cromo.. existen homólogos de la proteína bacteriana ChrA (Cervantes y Campos-García... se ha descrito que tanto levaduras como hongos filamentosos son capaces de acumular concentraciones elevadas de cromo en la biomasa. 2002 Bai y Abraham. como ejemplo.. Ramírez Díaz et al. es claro que entre los organismos que remueven el cromo a altas concentraciones iniciales de este en el medio figuran las especies de Aspergillus. 2006 Mala et al. 2008). Es importante mencionar que en los reportes mencionados se usaron diferentes condiciones. Concentración inicial de metal (mg/L) 5 240 100 100 500 2150 72 Remoción (%) 97 97 80 92 75 71 78 Tiempo (h) 92 36 4 18 168 36 36 Metal Cr(VI) Cr(III) Cr(VI) Cr(VI) Cr(VI) Cr(III) Cr(VI) Microorganismo Aspergillus foetidus Aspergillus oryzae Rhizopus nigricans Aspergillus sp.0 6. por funcionar como una bomba expulsora del ión (Cervantes y Campos-García. 2007 Srivastava y Thakur. que dificultan las comparaciones.5 mg de cromo por g de biomasa. (Srivastava y Thakur. pero no en el de levaduras. probablemente implicadas en el transporte de sulfato y cromato (Nies et al. la concentración inicial del metal. (Zafar et al. La Tabla 1 muestra reportes de remoción de cromo del medio por acumulación del metal en la biomasa de distintos géneros y especies de hongos. 2007). 2006b) y Rhizopus sp.0 5.5 5. la concentración de cromo y la relación metal/biomasa. Rev latinoam Biotecnol Amb Algal 1(1):47-63 53 Recientemente. 2007. como el pH del medio. 2006 Mala et al. cabe mencionar que la levadura Pichia guillermondii (Ksheminska et al.5 Referencia Prasenjit et al.0 5.0 2..Gutiérrez et al. Aspergillus niger Aspergillus Níger MTCC2594 Aspergillus niger MTCC2594 pH 7.. 2007) acumulan alrededor de 13.. 2005) y los hongos filamentosos Aspergillus sp. En las bacterias Pseudomonas aeruginosa y Cupriavidus metallidurans la proteína ChrA constituye un determinante de resistencia a Cr(VI). la especie química de éste y la temperatura.2 y 4. 2002 Nasseri et al. Tabla 1. la función de estas proteínas CHR homólogas no ha sido analizada. En hongos.0. este puede ser acumulado por las células fúngicas durante el crecimiento. La acumulación del metal es influida por diversos factores. Remoción de cromo por bioacumulación/biosorción del metal con biomasa de hongos. respectivamente. . se ha mostrado que en el genoma de algunos hongos filamentosos.0 5. . 2007 Aspergillus sp.. en esta estructura existen principalmente polisacáridos.Gutiérrez et al. 2001). Si Si Si N. 2008 Srivastava y Thakur. 4) Biosorción de Cr(III) y Cr(VI) Se ha descrito la captura de cromo en la superficie de hongos filamentosos y de levaduras. Reportes de bioacumulación/biosorción de cromo en hongos filamentosos y levaduras en los últimos 5 años. 2006a Hongo filamentoso.i. como glucanas. En años recientes se han incrementado las investigaciones sobre el empleo de biomasa fúngica para remover cromo.. Pillichshammer et al. también. Dado que en dichos estudios se empleó biomasa viva. como resultado de su unión con componentes de la pared celular. Cervantes et al. y otros componentes menores como lípidos y melaninas (Gadd. Pillichshammer et al. 2010. los cuales pueden estar asociados con proteínas. 2 Levadura.1 N... La Tabla 2 muestra reportes descritos en los últimos 5 años. 2001).i. 2006 MTCC 2594 1 Aspergillus sp.i Si N. Candida tropicales. 2004 Kaszycki et al. N. 1995. Esta unión del cromo a la superficie de los hongos ocurre de un modo independiente de energía. 1995. 2001). en los que se incluyen los resultados de estudios hechos en cultivos con hongos filamentosos o levaduras. 1993.1 N3 Aspergillus versicolor1 Candida intermedia2 Pichia guilliermondii2 ATCC 201911 Fusión de Candida2 tropicalis y Candida lipolytica2 1 Si Si N.i.1 Hirsutella sp.1 N2.. las biomasas de Rhizomucor arrhizu. los ... Rev latinoam Biotecnol Amb Algal 1(1):47-63 54 Tabla 2.1 Aspergillus sp. quitina y quitosana. la cepa de MP/92/3/4 de Mucor hiemalis mostró una eficiencia mayor para biosorber Cr(III) a su biomasa. Penicillium chrysogenum y Aspergillus carbonarius NRC401121 son excelentes biosorbentes (Cervantes et al. 2004 Yin et al. Penicillium sp. Si Zafar et al.. Cervantes et al. No investigado. Bioacumulación/ Organismo Bioacumulación/ Biosorción de Referencia Biosorción de Cr(VI) Cr(III) Aspergillus niger1 Si Si Mala et al. comparado con la unión de Cr(VI) (Pillichshammer et al. N. 2008 Si Si Si Si Si Das et al.i..i.i.1 N. Entre varios aislados de hongos filamentosos. 2006b Srivastava y Thakur.i.1 Aspergillus sp... El micelio de los hongos zigomicetos Mucor mucedo y Rhizomucor miehei tratado químicamente muestra alta eficiencia para unir Cr. 1995)... 1995. predominando los realizados con los primeros. 2007 Rhizopus sp. Si Si Fukuda et al.. Si Congeevaram et al. de manera similar a lo descrito con otros metales y se le ha denominado biosorción (Volesky y Holan. 2008 Pas et al. Si Aspergillus sp. N. su efecto estimulatorio sobre la reducción de Cr(VI) por la cepa Ed8.. (2008). que actúan como efectivos acomplejantes del Cr(III) unido a arcillas y otros componentes (Dubbin.. en las que se concluyó que en A.. Por ello.. En el reporte de Das et al. (2009). Es factible que la estimulación de la reducción microbiana de Cr(VI) por ácidos carboxílicos tenga un papel importante en la atenuación natural de dicho ión (Coreño Alonso et al. Coreño Alonso et al. la cual ocurre en el medio extracelular (Acevedo Aguilar et al. como citrato. puede explicarse en base a que actúan favoreciendo la reacción de reducción de Cr(VI). mediante el empleo de espectroscopía fotoelectrónica de rayos X. se describe que en Aspergillus versicolor ocurre la unión de Cr(VI) a la pared celular del micelio y que los componentes de ésta causan su reducción a Cr(III). 2004). (2008). Es probable que la interacción de los hongos con el cromo involucre dos o más de los mecanismos mostrados en la Figura 1. Figura 3. Ejemplo de esto lo constituyen las recientes observaciones de Das et al.. Dichos compuestos son productos del metabolismo microbiano abundantes en el suelo. versicolor ocurre reducción de Cr(VI) a Cr(III) y también unión de ambos iones a la superficie celular... 3. salicilato o tartrato (Fig. Rev latinoam Biotecnol Amb Algal 1(1):47-63 55 datos obtenidos pueden deberse a los procesos de bioacumulación y/o de biosorción de cromo. Otra indicación proviene de la observación de que la eficiencia de reducción de Cr(VI) a Cr(III) en la cepa Ed8 de Aspergillus sp. . Efecto de ácidos carboxílicos en la eficiencia de reducción extracelular del Cr(VI) en la cepa Ed8 de Aspergillus tubingensis. 2009).Gutiérrez et al. se estimula dramáticamente por la presencia en el medio de ácidos orgánicos. el cual une electrostáticamente al Cr(VI) conduciendo a la formación de acúmulos del metal en capas sobre la pared celular. mencionado en la Tabla 2. Adaptado de Coreño Alonso et al.. 2009). acomplejando al producto de esta. identificada como un aislado de Aspergillus tubingensis (Coreño Alonso et al. 2010. 2006). 2009). Biosorción de Cromo En 1995 se hizo un esfuerzo para resumir el tipo y eficacia de los biosorbentes. 2000).. En otros casos se producen fenotipos de hipersensibilidad a Cr(VI)..Zn-superoxido dismutasa y la péptido metionina sulfóxido reductasa(Sumner et al. 2006). en varios casos. están sujetos a regulación transcripcional.. Los procesos microbianos de biosorción y de . Rhizopus cohnii (Li et al.. 2003) como en hongos filamentosos (Marzluf. así como en aislados nativos de sitios contaminados. de entonces a la fecha los estudios han continuado de manera intensiva. 1998). en biorreactores o inmovilizada en diferentes matrices. 2005). así como los procesos de tratamiento por biosorción (Volesky y Holan. implicados en el transporte sulfato. Tao y Marzluf. 1995). para remover por biosorción el cromo presente en medio de cultivo o en efluentes industriales. 2001). Sin embargo. Aspergillus sp. 1993. Penicillium chrysogenum (Deng et al. 2008) y otros. como la alkil hidroperóxido reductasa (Nguyen-Nhu y Knoops. 1998. o bien por la alteración de proteinas que protegen del efecto oxidativo del Cr(VI). Respecto de los hongos. en la Tabla 3 se muestra que la biomasa de Aspergillus sp. 1986). 7. considerándose en muchos casos el empleo de biomasa fúngica.. los genes SUL. Van de Kamp et al. los organismos utilizados incluyen Rhizopus nigricans (Bai y Abraham. Como ya se mencionó. Natorf et al. 2010. Aplicaciones biotecnológicas Los procedimientos convencionales para la remoción del cromato de sitios contaminados son de tipo fisicoquímico e incluyen la reducción química seguida de la precipitación. 2005). 2007). intercambio iónico o adsorción sobre carbón activado. incubada en un biorreactor puede utilizarse para la remoción por biosorción del Cr presente en los efluentes de una tenería o en medio de cultivo (Srivastava y Thakur. 2002) o la Cu. Tolerancia a Cr(VI) La tolerancia a cromato ha sido descrita en cepas fúngicas de laboratorio mediante inducción con agentes mutagénicos. 1998. (Srivastava y Thakur. debido a que en los efluentes existen otros compuestos que son tóxicos. 2006 a. los estudios se realizan utilizando biorreactores.b). se demostró que la tolerancia al Cr(VI) se debe a la alteración del transporte de sulfato. ya que pueden servir de base para el desarrollo de procedimientos limpios y económicos para el tratamiento de aguas naturales. de efluentes industriales o para la biorremediación de suelos contaminados. la eficiencia de remoción de Cr es menor a la observada en medio de cultivo. tanto de levaduras como de hongos filamentosos. 2006a). que conduce a una menor incorporación de cromato (Cervantes et al..Gutiérrez et al. 6. En algunos casos. 1997. Rev latinoam Biotecnol Amb Algal 1(1):47-63 56 5. tanto en levaduras (Chang. e Hirsutella sp. kaolinita o ceniza. transformación química de cromo son promisorios y de importancia práctica en el contexto de la biotecnología ambiental... la mayoría de esos métodos requieren de alta energía o de cantidades grandes de reactivos (Shrivastava et al. alúmina. Trichoderma viride (Bishnoi et al. cultivada en lote. A continuación se describen estudios realizados en hongos sobre dichos procesos. como resultado de la alteración de la ATPasa vacuolar o de estructuras vacuolares (Gharieb y Gadd.. . transferencia de electrones en superficies minerales. Remoción de Cr por biomasa de la cepa FK1 de Aspergillus sp. que provienen del metabolismo microbiano y que son abundantes en el suelo. mediante la adición de cargas positivas por la inserción en la misma del polímero polietilenimina. Porcentaje de disminución de cromo presente en: Medio de Efluente cultivo* industrial** 65 30 70 48 85 60 Tiempo de incubación (días) 1 3 5 * El cromo inicial fue de 500 ppm de Cr(VI). la subsecuente aplicación de la tecnología de separación magnética hace el proceso más conveniente. Fig 4 A. tubingensis de realizar de manera sostenida la disminución de los niveles de Cr(VI). Fig. incubada en bioreactor. En otros estudios se ha considerado el empleo de biomasa fúngica generada como producto secundario de fermentaciones a nivel industrial para la producción de alimentos.. se implementó un procedimiento continuo de biotratamiento de efluentes industriales en base a ciclos de recarga de efluentes utilizando medio con agentes acomplejantes (Coreño-Alonso et al. Se puede anticipar que la reducción del Cr(VI) en ambientes contaminados resulta de una interacción compleja de procesos bióticos y abióticos. Transformación química del cromo Dado que la movilidad y la toxicidad del Cr dependen de su estado de oxidación. tubingensis se estimula por ácidos orgánicos como el citrato. tales como carbohidratos y proteínas. Rev latinoam Biotecnol Amb Algal 1(1):47-63 57 Tabla 3. determinado como Cr total. El Cr(VI) puede ser reducido a Cr(III) en el suelo por reacciones redox con especies inorgánicas acuosas. de alrededor de . reacción con substancias orgánicas no húmicas. B). 2010. 8. así como por el acomplejamiento del Cr(III) en formas solubles (Buerge y Hug. ejemplo de esto lo constituye P. Adaptado de Srivastava y Thakur (2006a). En este caso se ha considerado realizar modificaciones a la superficie de la biomasa micelial. ** El cromo inicial presente en el efluente fue 557 ppm. Tomando en cuenta la concentración inicial de Cr(VI) en los efluentes.. 1991). Algunos ligantes solubles orgánicos pueden influenciar el destino del Cr ubicado bajo las superficies a través de complejos con la forma reducida Fe(II) u oxidada Fe(III) del Fe. 1998). Como ya se mencionó. Debido a la alta densidad de grupos amino en las moléculas del polímero. chrysogenum. las reacciones redox que involucran al Cr son importantes en la determinación de su destino en el ambiente y el riesgo de este para la salud humana.Gutiérrez et al. Otro enfoque novedoso ha consistido en la preparación de microesferas magnéticas biofuncionales para la adsorción y recuperación de Cr (VI). 3). sulfuros o intermediarios orgánicos reactivos.. la eficiencia de reducción de Cr(VI) de la cepa Ed8 de A. En este procedimiento se utilizó biomasa pulverizada del hongo Rhizopus cohni en la preparación de las microesferas. la actividad microbiana también puede contribuir a la reducción de Cr(VI) a través de la liberación del ión ferroso. en este caso la biosorción ocurrió en forma de Cr(VI) por efecto de la biomasa fúngica (Li et al. salicilato o tartrato (CoreñoAlonso et al. 2008). 2006). En base a esta observación y a la capacidad de la biomasa de la cepa Ed8 de A. 2009. utilizado para la producción de penicilina. bebidas o productos farmacéuticos. la biomasa modificada mostró potencial zeta positivo así como alta capacidad de adsorber Cr (VI) (Deng et al. 2009. Como ya se mencionó.. o reducción por substancias húmicas del suelo (Palmer y Wittbrodt. 2003). en combinación con el hongo Ganoderm lucidum. ya que después de 3 ciclos de recarga se obtuvo la reducción de cerca de 140 μg/ml de Cr(VI) después de 24 h (Fig. El Cr (III) producido fue removido utilizando una columna con el hongo Ganoderm lucidum como absorbente y exceso de donador de electrones del efluente del bioreactor.6 mg Cr(VI) por g de suelo en 20 días (Jeyasingh y Philip. Figura 4. Uno de dichos estudios incluyó el empleo de bacterias no identificadas. Los reportes sobre aplicaciones de microorganismos para estudios de biorremediación de suelos contaminados con cromato son escasos. nativas de un sitio contaminado. 2005). nativas del sitio contaminado. En otros estudios se ha probado la adición de fuentes de carbono a suelo contaminado analizado en columna. debido a la acción de microorganismos presentes en el suelo. con 10 g/L de peptona como fuente de electrones y un tiempo de retención hidraulica de 8 h. en esas condiciones. 2004). el bioreactor operado en esas condiciones redujo completamente 5. éste último utilizado para remover por biosorción el Cr (III) formado. Los resultados obtenidos indicaron que la reduccion de 50 mg/L de Cr(VI) por las bacterias fue máxima. 2010. Se obtuvo una mejora adicional en la eficiencia del sistema utilizando medio suplementado con una mezcla de salicilato y tartrato. Tomado de Coreño Alonso et al. de alrededor de un 80%. tubingensis para el diseño de procesos de biotratamiento de efluentes industriales contaminados con Cr(VI). Las flechas indican recargas de efluente con la concentración de Cr(VI) utilizada al inicio de las incubaciones (50 mg/L). Proceso continuo de remoción de Cr(VI) de efluentes industriales (residuos de una cromadora) por reducción con biomasa de la cepa Ed8 incubada en medio con el acomplejante citrato (A).. 4A). las cuales se utilizaron en bioreactores para tratar suelo contaminado con Cr(VI). Rev latinoam Biotecnol Amb Algal 1(1):47-63 58 50 μg/ml. En otro trabajo se observó que la adición de nitrato y de . en uno de esos estudios se observó que la adición de triptona de soya a suelo adicionado de 1000 mg/L de Cr(VI) incrementa la reducción del ión.. o una mezcla de salicilato y tartrato (B). Estos resultados indican la utilidad biotecnológica de la cepa Ed8 de A. (2009). 4B).000 mg/L) de Cr(VI) (Tokunaga et al. la capacidad específica de adsorción de Cr (III) de G.Gutiérrez et al. y 3 ciclos de recarga de 50 μg/ml cada uno. Lucidum en la columna fue de 576 mg por g (Krishna y Philip. Se encontró que la reducción máxima de Cr(VI) ocurrió con el empleo de 15 mg de biomasa bacteriana por g de suelo (peso húmedo). En otro estudio se utilizaron bacterias reductoras de Cr(VI) no identificadas. con 50 mg de melasas por g de suelo como fuente de carbono. aunque tal acción no es observada en suelo con mayores concentraciones (10. en medio con citrato se redujeron alrededor de 180 μg/ml después de 96 h (Fig. posiblemente resultante de la acción de varios sistemas de regulación transcripcional y asociada con los efectos primarios y secundarios de la interacción de los metales con los componentes celulares.. producción de proteínas y funcionamiento de rutas metabólicas. 2003). herramientas poderosas para conocer los cambios y respuestas a nivel genómico en la expresión de genes. puede revelar procesos metabólicos y/o mecanismos no presentes en modelos de laboratorio. se obtuvo información que revela los cambios transcripcionales asociados con la exposición a los metales (transcriptoma). de lípidos o de proteínas (Sumner et al. cerevisiae la oxidación de proteínas es el principal mecanismo de toxicidad de Cr(VI).. El análisis de estos dos tipos de información reveló que varias rutas de transducción de señales conservadas parecen estar involucradas en la respuesta a la exposición a metales. podrá hacerse una selección y manipulación adecuada de genes de interés para mejorar características particulares de los microorganismos con fines biotecnológicos. como la levadura sensible a Cr(VI) S. el análisis del transcriptoma. 2005) se estableció que en S. 2008). Derivado de lo anterior. que ha sido ampliamente utilizada para la elucidación de distintos procesos biológicos fundamentales. gracias a la facilidad de su manipulación por procedimientos de genética molecular. como consecuencia de la exposición a metales. Ya sea en modelos de laboratorio o en cepas fúngicas de origen ambiental. agregados a una columna de flujo no saturado de 15 cm adicionada de 65 mg/L de Cr(VI). cerevisiae (Jin et al. bajo condiciones similares a las de la zona vadosa.. En el caso de los microcosmos en lote. En el futuro. la presencia de los mencionados nutrientes causó 87% de reducción de los 67 mg/L de Cr(VI) presentes al inicio del experimento. Adicionalmente. Nuevos enfoques y direcciones de los estudios En pocos estudios en relación con las respuestas a cromo se han usado modelos microbianos de laboratorio. cerevisiae. estudios complementarios de fisiología molecular pueden permitir establecer el papel de los genes/proteínas identificados como de expresión/producción diferencial en las propiedades de resistencia a Cr(VI) y/o en la capacidad de transformarlo a formas reducidas. utilizando cepas mutantes afectadas en funciones de reparación de daño a ADN. Por otra parte. en un periodo de 45 días (Oliver et al. En estudios recientes se ha analizado a nivel genómico la respuesta a Cr(VI) y a otros metales en el modelo de laboratorio S. proteómicos y de metabolómica. Otros aspectos de importancia para una comprensión más profunda de las 9.700 genes no esenciales y la sensibilidad a aquellos (deletoma).. así como sobre la relación entre la expresión de alrededor de 4. que podrían ser relevantes para las propiedades de tolerancia y capacidad de destoxificación del ión. será necesaria la integración de los resultados de la combinación de estudios de transcriptoma. los mismos nutrientes. a fin de lograr obtener una panorámica de las respuestas celulares a nivel del organismo completo. 2010. En uno de dichos estudios. que usualmente son tolerantes al ión.Gutiérrez et al. del proteoma y del metaboloma constituyen . causaron la reducción e inmovilización de 10% del cromo. la caracterización de aislados de levaduras y de hongos filamentosos nativos de sitios contaminados con Cr(VI). Rev latinoam Biotecnol Amb Algal 1(1):47-63 59 melasas acelera la reducción de Cr(VI) a Cr(III) por una comunidad microbiana nativa estudiada en microcosmos en lote o en columnas de flujo no saturado. Estos estudios indican que la respuesta al estrés causado por el cromato y otros metales es compleja. . M. 10. Hexavalent chromium removal in vitro and from industrial . Essentiality of chromium in humans. F. Coreño Alonso. Aunado a lo anterior. J.. se requerírán de nuevos estudios en biorreactores. Ávila-Rodríguez. K. K.. S... Can J Microbiol 52(9):809-815. de éstos. F. Wrobel. wastes. será de importancia incrementar los estudios sobre la implementación de procedimientos de biorremediación de suelos contaminados con cromo. el menos entendido a nivel bioquímico es la biotransformación. 2006. using chromate-resistant strains of filamentous fungi indigenous to contaminated wastes. Existen escasos estudios en relación con las respuestas a cromo en los hongos. Biotechnol Prog 21(6):16921699. 2008..F. M. Ulloa. ya sea en las células o en el medio extracelular. Bai. Coreño Alonso y F. T. Wrobel. A.F. J.J. Anal Bioanal Chem 392(1-2):269-276. R. que redunden en procesos efectivos y económicos. Caruso.. Se requiere contar con un mayor número de estudios en bioreactores que conduzcan a mejoras en la ingeniería de los procesos para el biotratamiento de efluentes industriales y de procedimientos para la biorremediación de sitios contaminados. A. Wrobel.. México. la bioacumulación y la biotransformación. A.E. considerando también el empleo de condiciones ambientales y nutricionales adecuadas. Acevedo Aguilar recibieron una beca de posgrado del CONACyT y del CONCYTEG. tanto en cultivos sumergidos como en fase sólida. Referencias Acevedo-Aguilar. Acevedo Aguilar. genómica y metabolómica contribuya al entendimiento de los cambios asociados con respuestas a la toxicidad del ión y/o de importancia para la destoxificación del mismo. Espino-Saldaña. León-Rodríguez.. I.. K. A futuro. Rev latinoam Biotecnol Amb Algal 1(1):47-63 60 interacciones de las células fúngicas con el cromo.Gutiérrez et al. De igual forma. solas o combinadas en consorcios con bacterias. empleando cepas fúngicas seleccionadas. Reconocimientos Este trabajo se realizó con el apoyo de los proyectos CB-2005-01-51635 de CONACyT y UG-IBE-07-04 de la Universidad de Guanajuato. K.J. Aspectos adicionales de mejora futura comprenden la modificación y optimización de las condiciones de interacción microorganismo-metal.. por lo que se espera que la aplicación de los enfoques de proteómica.L.A.J. Analytical speciation of chromium in in-vitro cultures of chromate-resistant filamentous fungi... que conduzcan a una mayor eficiencia en la reducción del Cr(VI). Sci Total Environ 86(1-2):75-81. A. K. México. como la espectroscopía fotoelectrónica de rayos X.. Conclusiones Los mecanismos fúngicos de interacción con el cromo promisorios en el contexto de la Biotecnología Ambiental son la biosorción. o nuevas modificaciones químicas de la biomasa que incrementen la eficiencia en la biosorción del metal. Gutiérrez Corona. Anderson.. Lappe.R. J. Abraham. Lofthus.E. 1989. Gutiérrez-Corona. P. Continuous adsorption and recovery of Cr(VI) in different types of reactors. esta información puede servir para el desarrollo de nuevas variedades fúngicas con capacidades mejoradas. 2005. es la utilización de tecnologías de alta resolución tales como la microscopía electrónica de transmisión (MET) y de barrido (MEB). espectroscopía de dispersión de rayos X y de aquellas que permitan la detección de las especies estables del cromo.. a fin de alcanzar mejoras en la ingeniería de los procesos de tratamiento de efluentes y de su escalamiento.. 2010. Wrobel. L...P. Lee. G.. FEMS Microbiol Rev 25(3):335-347. K. Silver. Interactions of fungi with toxic metals. 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Palabras clave: L-lisina. the synthesis of lysine occurs through two distinct biosynthetic pathways. ácido pipecólico u otros metabolitos de interés farmacológico. péptidos no-ribosomales. several studies have demonstrated the biochemical capacity of A. la síntesis de lisina tiene lugar por medio de dos rutas biosintéticas distintas. Abstract The cyanobacteria are an innovative alternative to be used as cellular factories to produce large amount of secondary metabolites of pharmacological interest. 2 Asociación Civil Gente de Ciencias (GDC) 3 Dirección de Área de Agricultura y Soberanía Alimentaria. whereas in . a través del catabolismo de L-lisina. La presente revisión tiene como objetivo principal el estudio del metabolismo de ácido pipecólico en diversos organismos y sus posibles aplicaciones biotecnológicas en la industria farmacéutica. en ambos casos. Lucía Sena-D’Anna1.Naranjo-Briceño et al.. Asimismo. Sartenejas. 2010. ácido pipecólico. Diego Rojas-Tortolero1. Sin embargo. en plantas el ácido pipecólico se sintetiza vía sacaropina. diversos análisis bioquímicos han demostrado la alta capacidad de A. platensis de acumular lisina intracelularmente. mientras que en hongos filamentosos el ácido pipecólico se sintetiza vía ácido -aminoadípico. Fundación Instituto de Estudios Avanzados (IDEA) * Autor de correspondencia:
[email protected] Resumen Las cianobacterias constituyen una alternativa innovadora para ser utilizadas como factorías celulares con el fin de producir grandes cantidades de metabolitos secundarios de interés farmacológico. platensis como factoría celular para producir P6C. En la naturaleza. el intermediario piperideín-6carboxílico (P6C) es el precursor inmediato del ácido pipecólico. C/ Hoyo de la Puerta-Baruta. se plantea el uso de A. Héctor González2.gob. polyketides and alkaloids in microorganisms and plants. poliquétidos y alcaloides en microorganismos y plantas. En este sentido. platensis to accumulate lysine intracellularly. y Daynet Sosa del Castillo3 1 Dirección de Área de Energía y Ambiente. Fundación Instituto de Estudios Avanzados (IDEA). Jorge Zegarra Narro2. In nature. Pipecolic acid is related to lysine metabolism in diverse organisms and is an important component and precursor for the biosynthesis of several bioactive compounds such as immunosuppressants. Caracas 1080. In fact. -aminoadipato. non-ribosomal peptides. Rev Latinoam Biotecnol Amb Algal 1(1):64-90 64 Revisión crítica Arthrospira platensis como biofactoría de metabolitos secundarios de interés farmacológico: el ácido pipecólico. biosíntesis. Venezuela. Leopoldo Naranjo-Briceño1*. El ácido pipecólico está relacionado con el metabolismo de lisina en diversos organismos y es un componente y precursor importante de la biosíntesis de diversos compuestos bioactivos tales como: inmunosupresores. 1983. platensis ha sido estimada por sus propiedades medicinales y nutricionales (Ciferri. The present review is focused at the study of the pipecolic acid metabolism in diverse organisms and their potential biotechnological applications in the pharmaceutical industry. Belay et al. 1993. Introducción Arthrospira platensis es una cianobacteria filamentosa fotosintética y alcalófila original de ambientes bicarbonatados que pertenece a la familia de las Oscillatoriaceae. 2002. entre otros. un aminoácido esencial requerido en la dieta diaria de mamíferos. entre otros (Singh. 2006. 2006). Gong. Jaime et al. ii) la ruta del . 1983). tales como. 2007). platensis y otras microalgas se ha demostrado en una amplia gama de usos. A. in both cases. 2006. 1989. 1. Subhashini et al. con la finalidad de disminuir o incrementar la biosíntesis de algún metabolito o un producto final en particular. 2005. through the aminiadipate pathway to form L-lysine. 2001). ácidos grasos. vitaminas. pipecolic acid or other metabolites with pharmacological interest is disscused. 1985. Likewise.). 2007. Desde el punto de vista alimentario. Thajuddin y Subramanian. 2006). División Cyanophyta (Ciferri. Desde épocas ancestrales A. En este sentido. tiene lugar por medio de dos rutas biosintéticas completamente distintas: i) la ruta del ácido diaminopimélico y. Mosulishvili et al. However. the piperidine-6-carboxylic acid (P6C) metabolite is the immediate precursor of pipecolic acid. la ingeniería metabólica surge como un campo interdisciplinario que apunta a mejorar las características celulares de los organismos usando la biología molecular como herramienta para modificar las rutas metabólicas y/o la regulación de las mismas (Stafford y Stephanopoulos. 2007). Esto. Rev Latinoam Biotecnol Amb Algal 1(1):64-90 65 filamentous fungi the pipecolic acid is synthesized via -aminoadipic acid. vitaminas. 1996. pipecolic acid. through the catabolism of L-lysine. Colla et al. como biocatalizadoras en procesos de biotransformación (Utsukihara et al. proteínas. proteínas heterólogas. 2005. cyanobacteria. 2007) y en la producción de biocombustibles (Chisti. 2005. para la producción de hidrógeno (Juantorena et al. platensis constituye una fuente potencial de pigmentos. ácidos nucleicos y aminoácidos (Ciferri y Tiboni. RamírezMoreno y Olvera-Ramírez. biosynthesis. . la fijación de gases de efecto invernadero (de Morais. Sánchez et al. 2007). agentes antitumorales. Desde el punto de vista farmacológico. aminoácidos. carbohidratos.aminoadipato (también denominada ruta del ácido -aminoadípico). Actualmente A. minerales.. Henrikson. Ramírez-Moreno y Olvera-Ramírez. platensis tiene un alto interés biotecnológico y económico tanto para la industria alimentaria como farmacológica. 2005. 1983. in plants pipecolic acid is synthesized via saccharopine. enzimas. en la degradación de herbicidas organofosforados (Lipok et al. 2007). las cianobacterias constituyen una alternativa innovadora para ser utilizadas como factorías celulares para producir grandes cantidades de metabolitos secundarios con interesantes actividades farmacológicas tales como antibióticos. -aminoadipate. En la naturaleza. 2010. the use of A. Thajuddin y Subramanian. Ramírez-Moreno y Olvera-Ramírez. además de ser fácilmente digerible (Ciferri. 2004. Lodi.Naranjo-Briceño et al. 1996. la síntesis de lisina. Pane et al. como bioacumuladoras de metales pesados (Chojnacka. platensis as a cell factory to produce P6C. 2005. el potencial biotecnológico de A. 2007). Más recientemente. Spolaore. 2007). 2006. Keywords: L-lysine. Belay et al. -AA--SA: aminoadipato--semialdehído. lys7: gen que codifica la sacaropina reductasa de P. chrysogenum. . se muestra la conversión de ácido -aminoadípico en ácido pipecólico.Naranjo-Briceño et al. Ruta biosintética del -aminoadipato para la formación de L-lisina descrita en hongos. componente y precursor de numerosos metabolitos secundarios con interesantes actividades biológicas. 2010. chrysogenum vía -aminoadipato--semialdehído y sacaropina.. Rev Latinoam Biotecnol Amb Algal 1(1):64-90 66 Figura 1. Se muestra la ruta de conversión de ácido pipecólico en lisina descrita en P. Así mismo. P6C: ácido piperideín-6-carboxílico. en plantas. Naranjo et al. Además de ser un intermediario del catabolismo de lisina en mamíferos. el P6C es el precursor inmediato del ácido pipecólico. 2001. 1962. 2001. Wickwire et al. Dodt et al. El ácido pipecólico es un importante metabolito secundario que se forma a partir del metabolismo de lisina en diversos organismos que incluye mamíferos. péptidos no-ribosomales. levaduras y hongos (Aspen y Meister. Esto se debe a que en estos microorganismos el ácido pipecólico se convierte en L-lisina . Sim y Perry. Bañuelos et al. bacterias. en equilibrio químico constante con su cadena abierta el aminoadipato--semialdehído). a través del catabolismo de Llisina (Goncalves-Butruille et al. es importante resaltar que. Así mismo. levaduras y hongos. 2001. Mientras que en hongos filamentosos se ha descrito que el ácido pipecólico se sintetiza vía ácido -aminoadípico. y comprende siete reacciones enzimáticas consecutivas para formar lisina. 2004. En este sentido. Kurtz y Bhattacharjee. 1996). el ácido pipecólico tiene una gran importancia ya que es capaz de complementar la auxotrofía de lisina en cepas mutantes de levaduras y hongos. 1990b. 2. tales como: el ácido -aminoadípico y el piperideín-6carboxílico (P6C. 2010. 1960. Baginsky y Rodwell. 1962. análisis bioquímicos han puesto en clara evidencia la alta capacidad de A. 1999a. 1997. Hijarrubia et al. Lejohn. 1985. bacterias. 2006). 1967. plantas. Aspergillus nidulans y Rhodotorula glutinis. 1999. dicha ruta provee diversos precursores para el metabolismo secundario. 1963. el ácido pipecólico se sintetiza vía sacaropina. 2002. plantas. IJlst et al.. se plantea el uso de A. Weidner et al. Desde el punto de vista nutricional. en ambos casos. 1992. platensis de acumular lisina intracelularmente (Ramírez-Moreno y Olvera-Ramírez. 1990a. Casqueiro et al. Bhattacharjee. a través de la ruta del -aminoadipato (Aspen y Meister. ácido pipecólico y otros metabolitos de interés farmacológico. 1) para la biosíntesis de lisina (Vogel.Naranjo-Briceño et al. 2004). Garrad y Bhattacharjee. La ruta biosintética del -aminoadipato comienza con la condensación de cetoglutarato y acetil-CoA. 2009). La presente revisión tiene como finalidad el estudio del metabolismo de ácido pipecólico en diversos organismos y sus posibles aplicaciones biotecnológicas en la industria farmacológica. 2004). 1996. tales como Penicillium chrysogenum. 1971. Teves et al. Naranjo et al. 2001. Metabolismo del ácido pipecólico 2. platensis como biofactoría y de algunas estrategias de ingeniería biosintética del metabolismo de L-lisina para incrementar la síntesis de P6C.1. El interés farmacológico sobre el estudio del ácido pipecólico radica en el hecho de que este inminoacido es un componente y precursor de la biosíntesis de diversos compuestos bioactivos. el ácido pipecólico es un componente y un precursor importante de numerosos metabolitos secundarios de microorganismos y plantas. Rev Latinoam Biotecnol Amb Algal 1(1):64-90 67 Se ha descrito que los hongos y las euglenofitas utilizan la ruta del aminoadipato (Fig. Hartline y Rodwell. 2000. poliquétidos y alcaloides. Wickwire et al. El ácido pipecólico y su relación con el metabolismo de lisina en diversos organismos El ácido pipecólico es un iminoácido de seis átomos de carbono que desempeña distintas funciones metabólicas en diversos organismos. Además. 2000. Goncalves-Butruille et al. 1975. tomando en cuenta sus ventajas comparativas. tales como: inmunosupresores. No obstante. Rothstein y Saffran. Naranjo et al. 1971. 2000. 1997. en el cerebro. Sin embargo. tal como muestra la Figura 2. Dicha enzima se caracteriza por tener en el extremo amino terminal un dominio de unión a ADP formado por una alternancia . Reuber et al. Los resultados obtenidos por este grupo de investigación sugerían que la oxidación del ácido pipecólico en primates y humanos se llevaba a cabo a través de una ruta similar a la encontrada en Pseudomonas putida (Baginsky y Rodwell. 1996. Dodt et al. En la ruta del catabolismo de lisina vía sacaropina. 2000). la lisina se transforma en P6C a través de dos reacciones consecutivas llevadas a cabo por la sacaropina deshidrogenasa y la sacaropina reductasa. El P6C se encuentra en equilibrio químico constante con el -aminoadipato--semialdehído. la lisina puede ser catabolizada por dos vías distintas: por la ruta de la sacaropina o por la ruta del ácido pipecólico (IJlst et al. (1997). Zhu et al. En primates y humanos. Reuber et al. (1997) establecieron que la sarcosina. aislaron y purificaron la pipecolato oxidasa de conejos. 2010. 2000. Tal como sucede en plantas (Goncalves-Butruille et al.Naranjo-Briceño et al. estas dos reacciones son catalizadas por una única enzima bifuncional. un monómero amarillo. . Además. la oxidación del aminoadipato--semialdehído produce ácido -aminoadípico. Rev Latinoam Biotecnol Amb Algal 1(1):64-90 68 utilizando -aminoadipato--semialdehído y sacaropina como intermediarios. Mamíferos En mamíferos. por lo que la lisina se cataboliza predominantemente vía ácido pipecólico a través de dos reacciones enzimáticas usando ácido piperideín-2carboxílico (P2C) y su cadena abierta 2-ceto6-aminocaproato como intermediarios (IJlst et al. 1967). Dodt et al. 2000. demostraron que el ácido pipecólico se oxida mediante dos reacciones consecutivas de deshidrogenación para formar ácido aminoadípico (Mihalik y Rhead. de tal manera que el P6C se abre espontáneamente al pH fisiológico para formar -aminoadipato--semialdehído. posee un peso molecular deducido de 46 kDa. se había descrito que el ácido pipecólico se oxida inicialmente a P6C a través de una pipecolato oxidasa (ácido pipecólico + O2 P6C + H2O2). (1991). 1989). ii) la vía ácido aminoadípico (a través de la ruta del aminoadipato para la formación de L-lisina). un motivo altamente conservado en flavoproteínas. la cual esta constituida por 390 aminoácidos. la actividad de esta enzima bifuncional es muy baja. la ruta del ácido pipecólico es la más activa. Dicha proteína. 2000. 2000).. Con relación a la biosíntesis de ácido pipecólico. en el cerebro. Zhu et al. La primera pipecolato oxidasa caracterizada y purificada en mamíferos fue descrita en primates por Mihalik et al. el ácido pipecólico y la prolina eran buenos sustratos para esta enzima. en la naturaleza existen dos vías principales que son: i) la vía sacaropina (a través del catabolismo de L-lisina) y. Tang et al. (1991). En esta bacteria. 2000b). 2000a. Aunque la lisina se cataboliza principalmente a través de la ruta de la sacaropina en la mayoría de los tejidos. Posteriormente. Mihalik et al. A continuación se describe el metabolismo de este importante iminoácido en algunos organismos. . P6C: ácido piperideín-6carboxílico. Aunque la lisina se cataboliza principalmente a través de la ruta de la sacaropina en la mayoría de los tejidos. -AA--SA: -aminoadipato--semialdehído. . (A) Ruta del catabolismo de lisina vía sacaropina y (B) Ruta del catabolismo de lisina vía ácido pipecólico. P2C: ácido piperideín-2-carboxílico. Rev Latinoam Biotecnol Amb Algal 1(1):64-90 69 Figura 2. en el cerebro. 2010. la ruta del ácido pipecólico es la más activa.Naranjo-Briceño et al. Representación esquemática de las dos rutas catabólicas de lisina presentes en mamíferos. Naranjo-Briceño et al., 2010. Rev Latinoam Biotecnol Amb Algal 1(1):64-90 70 Más adelante, IJlst et al. (2000) describieron la clonación del gen que codifica la pipecolato oxidasa en humanos a partir de ADNc usando la información de la secuencia de nucleótidos de genes que codifican pipecolato/sarcosina oxidasas descritas previamente en conejos y ratones. La hipotética pipecolato oxidasa de humanos presentó una alta homología con la sarcosina oxidasa de ratones y algunas de las sarcosinas oxidasas monoméricas descritas en bacterias. Además, la proteína deducida también mostraba un dominio de unión a ADP- similar a la pipecolato oxidasa de conejos. En paralelo, Dodt et al. (2000) describieron la clonación del gen que codifica la pipecolato oxidasa de humanos por genética reversa usando la secuencia de aminoácidos de la pipecolato oxidasa purificada de primates. El ADNc clonado presentó un marco de lectura abierta de 1170 pares de bases que codifica una proteína de 390 aminoácidos con una alta identidad con todas las sarcosinas oxidasas y deshidrogenasas descritas, especialmente, con la sarcosina oxidasa monomérica de Bacillus sp. NS-129. Además, Dodt et al. (2000) también demostraron que esta enzima oxidaba tanto el ácido pipecólico como la sarcosina, tal como lo habían descrito previamente Reuber et al. (1997) con la pipecolato oxidasa de conejos. Con relación a la localización subcelular, en humanos, ratones y primates el ácido pipecólico se metaboliza en los peroxisomas (IJlst et al. 2000; Dodt et al. 2000). En conejos, perros, cerdos y ovejas la oxidación del ácido pipecólico es predominantemente mitocondrial (Singh et al. 1989; Mihalik y Rhead, 1991) mientras que, en ratas, este compuesto puede ser metabolizado tanto en mitocondrias como en peroxisomas (Rao et al. 1993). La identificación y caracterización de la pipecolato oxidasa humana tiene una gran importancia en el campo de la salud humana, ya que se ha descrito que la acumulación de ácido pipecólico es una de las principales anormalidades bioquímicas asociada con pacientes que sufren un desorden generalizado en la biogénesis de los peroxisomas (peroxisome biogenesis disorder o PBD), entre los que destacan: el síndrome cerebro-hepato-renal de Zellweger, una enfermedad genética que se caracteriza por la ausencia de peroxisomas morfológicamente distinguibles; la adrenoleucodistrofía neonatal y la hiperpipecólico acidaemia (Wanders et al. 1989, 1988; Mihalik y Rhead, 1989; Mihalik et al. 1989; Rao et al. 1993). También, se ha descrito que pacientes con enfermedades crónicas, especialmente, con encefalopatía hepática, presentan niveles altos de ácido pipecólico en plasma sanguíneo (Fujita et al. 1999). Los pacientes con PBD se caracterizan por presentar un profundo retraso mental, una migración neuronal anormal y una degeneración excesiva del sistema nervioso central. En los pacientes con PBD los peroxisomas se encuentran ausentes con la deficiencia concomitante de todas las enzimas peroxisomales. La acumulación de ácido pipecólico en estos pacientes se debe a una actividad deficiente de la enzima pipecolato oxidasa, lo que indica que esta enzima se encuentra fuertemente implicada en la degradación del ácido pipecólico a ácido aminoadípico y que podría ser peroxisomal al menos en humanos y monos (IJlst et al. 2000; Mihalik y Rhead, 1989; Wanders et al. 1988). Aunque se ha caracterizado la pipecolato oxidasa e identificado el producto de su reacción, el mecanismo exacto de oxidación del ácido pipecólico no está aún totalmente claro. Sin embargo, se ha descrito que la pipecolato oxidasa cataliza la conversión de ácido pipecólico en P6C el cual, de manera espontánea, se encuentra en equilibrio con su forma lineal el -aminoadipato-- Naranjo-Briceño et al., 2010. Rev Latinoam Biotecnol Amb Algal 1(1):64-90 71 semialdehído (Kramar et al. 1989; Mihalik y Rhead, 1989; Wanders et al. 1989; Rao y Chang, 1990a; Dodt et al. 2000; IJlst et al. 2000). Posteriormente, el -aminoadipato-semialdehído se convierte a su vez en ácido -aminoadípico a través de una reacción de deshidrogenación dependiente de NAD (Chang et al. 1990; Rao y Chang, 1990b). Plantas Las plantas producen una inmensa cantidad y variedad de compuestos orgánicos, de los cuales, la gran mayoría parecen no estar implicados directamente con los procesos de crecimiento y desarrollo de las mismas, es decir, son metabolitos secundarios (Croteau et al. 2003). En plantas, el ácido pipecólico se considera un metabolito secundario mientras que su análogo, el aminoácido prolina, se considera como un metabolito primario. En plantas, se ha descrito que el ácido pipecólico deriva del catabolismo de lisina vía -aminoadipato--semialdehído (Goncalves-Butruille et al. 1996). Posteriormente, el P6C podría reducirse a ácido pipecólico mediante una reacción análoga a la catalizada por la pirrolina-5carboxilato (P5C) reductasa (EC 1.5.1.2) (Stewart y Larher, 1980; Rosenthal, 1982; Galili, 1995). Momordica charantia (bitter melon), una planta de la familia Cucurbitaceae de gran interés en la medicina tradicional china y africana contiene en sus frutos y semillas, entre otros aminoácidos libres, ácido pipecólico (Salawu et al. 1999). Esta planta presenta propiedades antibióticas, antimutagénicas, antioxidantes, antivirales, antitumorales, astringentes, depurativas, afrodisíacas, inmunomodulares, citotóxi-cas, así como actividad inmunosupresora e insecticida, entre otras (Leung et al. 1987; Romeo, 1984). Tradicionalmente, se recomienda para combatir problemas de la piel (dermatosis, quemaduras, erupciones, soriasis, etc.), la gonorrea, el reumatismo, la artritis, el lupus, la diabetes, como estimulante del apetito, para la regulación de la fertilidad, para tratamientos gastrointestinales y como insecticida. M. charantia ha sido utilizada para el tratamiento de ciertos tipos de cáncer e infecciones virales (Leung et al. 1987) y se ha encontrado que el extracto hexánico de esta planta posee actividad inhibitoria sobre amastigotes y promastigotes de diversas especies de Leishmania (Jaramillo, 2000). Así mismo, el ácido pipecólico es un fitoquímico que se acumula en grandes cantidades en algunos miembros de la familia Fabaceae y se ha descrito que es el principal constituyente de la reserva de aminoácidos libres en el género Medicago (Stewart y Larher, 1980; Rosenthal, 1982). Además, el ácido pipecólico, se ha detectado en frutos inmaduros (pericarpio y semillas) de Coffea arabica y Camellia sinensis (Higuchi et al. 1995), mientras que en Sophora secundiflora, Cycas circinalis y Phaseolus vulgaris se ha identificado en semillas (Izaddoost et al. 1976; Li et al. 1996). Las plantas conviven con una comunidad depredadora muy activa constituida por bacterias, insectos, hongos y vertebrados herbívoros, por lo cual han desarrollado diversos mecanismos de defensa que le han permitido su supervivencia en este medio tan hostil (Norton, 2002). El estudio de factores tóxicos y anti-nutritivos en las leguminosas Albizia lebbeck y Calliandra calothyrsus permitió identificar la presencia de ácido pipecólico en sus hojas (Marlier et al. 1979; Romeo, 1984; Romeo, 1988). Es importante destacar que el ácido pipecólico y sus derivados que han sido aislados de las hojas de C. calothyrsus poseen propiedades insecticidas y fitotóxicas (Romeo, 1984), por lo cual, estos compuestos podrían tener un gran interés comercial en el campo de la industria agroalimentaria. Por otro lado, se ha observado que pequeñas concentraciones de ácido pipecólico inhiben el crecimiento Naranjo-Briceño et al., 2010. Rev Latinoam Biotecnol Amb Algal 1(1):64-90 72 de la radícula de semillas germinadas en Astragalus sinicus y Morus alba, y se ha demostrado que la conversión de lisina a ácido pipecólico induce floración en Lemna paucicostata 151 (Fujioka et al. 1987). También, se ha descrito que el ácido pipecólico es un soluto asociado con la adaptación osmótica de Ptelea sp., una planta xerófita que se desarrolla en hábitats áridos y semiáridos (Steward y Larher, 1980; Romeo, 1988). Bacterias En algunas especies de Pseudomonas se ha descrito que el ácido pipecólico proviene del catabolismo de lisina (Baginsky y Rodwell, 1967; Hartline y Rodwell, 1971). En P. putida, la L-lisina se convierte inicialmente en D-lisina y P2C. Posteriormente, el P2C se convierte en ácido pipecólico por acción de la P2C reductasa (Payton y Chang, 1982). Por otro lado, en Streptomyces hygroscopicus, el ácido pipecólico también deriva del catabolismo de L-lisina. Esta bacteria produce rapamicima, un inmunosupresor que contiene en su estructura una molécula de ácido pipecólico (Khaw et al. 1998). Además, se ha descrito que en el genoma de Escherichia coli existe una “P6C reductasa” que cataliza la reducción de P6C en ácido pipecólico. Fujii et al. (2002) demostraron con experimentos in vivo e in vitro que la actividad P6C reductasa la lleva a cabo la pirrolina-5carboxilato (P5C) reductasa (EC 1.5.1.2) codificada por el gen proC. La P5C reductasa cataliza la reducción de P5C en Lprolina, una actividad enzimática encontrada en una gran variedad de organismos (Leisinger, 1987). Por otro lado, se ha estudiado la capacidad osmoprotectora del ácido pipecólico en E. coli (Gouesbet et al. 1994) y Sinorhizobium meliloti (Gouffi et al. 2000), donde se ha demostrado que es un compuesto efectivo capaz de optimizar el crecimiento de estos microorganismos bajo condiciones inhibitorias de osmolaridad. Hongos filamentosos y levaduras Al igual que en otros organismos, en levaduras y hongos filamentosos el ácido pipecólico es un intermediario importante que se encuentra estrechamente relacionado con el metabolismo de lisina. El ácido pipecólico tiene un papel nutricional importante en Aspergillus nidulans (Aspen y Meister, 1962) y Rhodotorula glutinis (Kurtz y Bhattacharjee, 1975), sin embargo, se ha descrito que no posee ninguna función en la ruta biosintética de lisina de Saccharomyces cerevisiae (Glass y Bhattacharjee, 1971; Kurtz y Bhattacharjee, 1975). A continuación se menciona el papel que desempeña el ácido pipecólico en el metabolismo de lisina en diferentes especies de hongos y levaduras. 2.2. Conversión de ácido pipecólico en Llisina Rhodotorula glutinis La biosíntesis de lisina en R. glutinis, una levadura roja aeróbica obligada, se lleva a cabo a través de la ruta del -aminoadípico como ocurre en levaduras y otros hongos filamentosos (Broquist, 1971). Kurtz y Bhattacharjee (1975), demostraron que algunos mutantes auxótrofos de lisina de R. glutinis podían crecer en medio mínimo suplementado con ácido pipecólico, sugiriendo la importancia nutricional del ácido pipecólico en este microorganismo. Además, demostraron en la cepa silvestre de R. glutinis que el ácido pipecólico se convierte en -aminoadipato-semialdehído. Por otro lado, Kurtz y Bhattacharjee (1975) también demostraron que en S. cerevisiae, a diferencia de los resultados obtenidos en R. glutinis, el ácido pipecólico no jugaba ningún papel en la biosíntesis de lisina. Posteriormente, Kinzel y Bhattacharjee (1979) presentaron por primera vez evidencias genéticas y bioquímicas de los pasos específicos implicados en la ruta de conversión de ácido pipecólico se convertía en lisina vía -aminoadipato--semialdehído y sacaropina. Kinzel y Bhattacharjee (1982). Rev Latinoam Biotecnol Amb Algal 1(1):64-90 73 Así mismo. se caracteriza por ser soluble y tener un grupo sulfihidrilo esencial para su actividad. glutinis. leguminicola la L-lisina es el precursor en la biosíntesis de ácido pipecólico (Wickwire et al. 1). La pipecolato oxidasa de R. nidulans y en el alga Euglena gracilis. y el P6C se convierte en sacaropina y lisina a través de dos reacciones enzimáticas consecutivas catalizadas por la sacaropina reductasa y la sacaropina deshidrogenasa respectivamente (Fig. 1990a. En estos hongos filamentosos. el ácido pipecólico se convertía en -aminoadipato--semialdehído (en equilibrio con el P6C). 1980). anisopliae y R. Wickwire et al.6S. donde la D-lisina es el precursor del ácido pipecólico (Fangmeier y Leistner. no requería de aceptores de electrones internos o de una cadena transportadora de electrones. un intermediario de la ruta del ácido -aminoadípico para la formación de lisina (Fig. leguminicola. Penicillium chrysogenum Naranjo et al. La clonación del gen que codifica la sacaropina reductasa en P. Guengerich y Broquist. 1997). Sim y Perry. en presencia de la pipecolato reductasa.8aS-1-acetoxi-6aminooctahidroindolizina) y la swainsonina (1. anisopliae y el hongo parásito R. chrysogenum (denominado gen lys7). describieron por primera vez la purificación parcial y las propiedades de la pipecolato oxidasa de R. A diferencia de N. (2001) demostraron que P. 1990b). se convertía enzimáticamente en sacaropina y lisina. 1997. Kinzel y Bhattacharjee (1979). Posteriormente. glutinis presenta un peso molecular aproximado de 43 kDa. .Naranjo-Briceño et al. 2010. 2.2. crassa. tal como muestra la Figura 3. así como la caracterización bioquímica y molecular de mutantes auxótrofos de lisina que eran incapaces de utilizar ácido pipecólico para complementar dicha auxotrofia (lys-/Pip-). 1).. concluyeron que el ácido pipecólico era un precursor circunstancial de lisina en R. glutinis y que éste no era un intermediario de la ruta biosintética de lisina. chrysogenum es capaz de utilizar ácido pipecólico para complementar los requerimientos nutricionales de varios mutantes auxótrofos de lisina (lys-). el -aminoadipato--semialdehído. demostraron que la reacción llevada a cabo por la pipecolato oxidasa no requería ningún cofactor externo y el producto de su reacción. 1990a. 1973. el ácido pipecólico es un producto del catabolismo de lisina y un precursor inmediato para la formación de alcaloides octahidroindolizinicos tales como: la slaframina (1S. Aunque para ese momento se había descrito que el ácido pipecólico estaba implicado en la biosíntesis de lisina en A. Además. a diferencia de la pipecolato oxidasa de Pseudomonas.8-trihidroxioctahidro indolizina). se ha descrito que en M. permitió determinar que en este hongo filamentoso el ácido pipecólico se convierte en lisina a través de su conversión en ácido piperidín-6-carboxílico (P6C) por acción de la pipecolato oxidasa. la capacidad que tiene la enzima purificada de oxidar el ácido pipecólico in vitro indicaba que. se basa en que estos aminoácidos están implicados en la biosíntesis de alcaloides octahidroindolizínicos (Sim y Perry. Además. La detección de peróxido de hidrógeno indicó que la reacción de oxidación podía ser escrita como se indica a continuación: ácido pipecólico + O2 -aminoadipato-semialdehído + H2O2. determinaron que. las bases bioquímicas. glutinis.3. Biosíntesis de ácido pipecólico vía sacaropina Metarhizium anisopliae y Rhizoctonia leguminicola El interés de estudiar el metabolismo de lisina y del ácido pipecólico en M. Wickwire et al. genéticas y enzimáticas de la conversión de ácido pipecólico en lisina solamente se habían determinado en R. Por otro lado. 1990. leguminicola es capaz de sintetizar ambos alcaloides. permitieron determinar inequívoca- mente que el P6C. Mientras que R. Mientras que R. -AA--SA: -aminoadipato--semialdehído. La reacción llevada a cabo por la sacaropina oxidasa se resume a continuación: Sacaropina + O2 P6C + Glutamato + H2O2. 1986. Wickwire et al.4. mientras que la swainsonina es un potente inhibidor de manosidasas que tiene una importante actividad antitumoral y es usado como agente quimioterapéutico en pacientes con cáncer (Sim y Perry. Dennis et al. (1990a). Goss et al. Experimentos biológicos. Por otro lado. El ácido pipecólico deriva del catabolismo de Llisina y es un precursor inmediato para la síntesis de alcaloides octahidroindolizinicos. leguminicola es capaz de sintetizar ambos alcaloides. P6C: ácido piperideín-6-carboxílico. Representación esquemática de la biosíntesis de ácido pipecólico vía sacaropina en los hongos filamentosos Metarhizium anisopliae y Rhizoctonia leguminicola. Biosíntesis de ácido pipecólico vía ácido -aminoadípico Hongos filamentosos . además. La slaframina es un alcaloide con actividad parasimpatomimética. 2. (1990b) también demostraron en R. y no el P2C. Los resultados obtenidos por Wickwire et al. anisopliae solamente es capaz de producir swainsonina. 1997. Dennis. anisopliae solamente es capaz de producir swainsonina. leguminicola el P6C se forma a partir del catabolismo de L-lisina. se encuentra implicado en la conversión de L-lisina en ácido pipecólico en R. 1986). 1995. Wickwire et al. un metabolito secundario que tiene una potente actividad antitumoral. sino que se llevaba a cabo por acción de una flavoenzima no descrita anteriormente a la que denominaron sacaropina oxidasa. (1990b) demostraron que en R. M. M. bioquímicos y la identificación de los productos de las reacciones por espectrometría de masas o RMN. Humphries et al. leguminicola. leguminicola que la conversión de sacaropina en P6C no era catalizada por la acción de una sacaropina reductasa dependiente de NADP como se esperaba. (1990a)..Naranjo-Briceño et al. Wickwire et al. 2010. Rev Latinoam Biotecnol Amb Algal 1(1):64-90 74 Figura 3. el P6C es el precursor inmediato del ácido pipecólico. (2000). demostraron que ambas enzimas son necesarias para llevar a cabo la bioconversión de L-lisina a ácido pipecólico en E.1. Estos autores. Sin embargo. se recupera después de la transformación de dicha mutante con el gen lys7 intacto presente en un plásmido de replicación autonóma. Mercian y Lonza. Para lo cual. La cepa interrumpida (denominada P. Rev Latinoam Biotecnol Amb Algal 1(1):64-90 75 Se ha descrito en varios organismos que el ácido pipecólico se forma a través del catabolismo de lisina. En P. demostró que P. este mutante podría ser utilizado para producir metabolitos secundarios de importancia farmacológica que contengan ácido pipecólico.se crece con L-lisina como única fuente de nitrógeno y se añade ácido D. chrysogenum SR1. La cepa P. la LAT convierte L-lisina en P6C y éste se reduce a ácido pipecólico por acción de la P5C reductasa presente en el genoma de la bacteria. 2000. chrysogenum la ruta de biosíntesis de ácido -aminoadípico es muy activa. Aspen y Meister (1962) demostraron en A. coli. chrysogenum es capaz de sintetizar ácido pipecólico a partir del ácido -aminoadípico. El método usado en el . chrysogenum sintetiza ácido pipecólico a partir del ácido -aminoadípico y no a partir del catabolismo de lisina (Fig.Naranjo-Briceño et al. que esta fue la primera evidencia descrita en hongos filamentosos de que el ácido pipecólico deriva de la ruta biosintética de lisina.con una cepa interrumpida en el gen lys2 que codifica la -aminoadipato reductasa.. nidulans que el ácido pipecólico deriva de la ruta biosintética de lisina (vía anabólica) y no de su catabolismo (Fig. (2002). Es interesante resaltar. 2008). entre otras. Thayer. El proceso de obtención de ácido pipecólico que emplea la compañía Mercian es un claro ejemplo del poder enantioselectivo de las bacterias. nidulans que eran capaces de acumular ácido pipecólico cuando crecían sobre medio mínimo con cantidades limitantes de lisina y que este procedía mayoritariamente del ácido -aminoadípico. la cual. coli JM109 el gen lat de Flavobacterium lutescens que codifica la Llisina-6-aminotransferasa (LAT) descrito previamente por Fujii et al. Más recientemente. Fujii et al. Cuando el mutante P. En este sistema. por lo tanto. La comparación de la cepa SR1. se acumulan intracelularmente niveles altos de ácido pipecólico. Este proceso se basa en utilizar una cepa recombinante de E. el cual se convierte sucesivamente en picolinamida. pipecolamida racémico y finalmente en ácido pipecólico. chrysogenum SR1-) carece de actividad sacaropina reductasa. el proceso de obtención de ácido pipecólico que emplea la compañía “Lonza” consiste en utilizar picolinonitrilo como iniciador de la biotransformación. 1). Por otro lado. insertaron en E. L--aminoadípico al medio de cultivo. (2004) demostraron que P. (2002). chrysogenum fue interrumpido de manera dirigida por la técnica de la doble recombinación homóloga. entre ellos ácido pipecólico. Obtención de ácido pipecólico y sus derivados por biotransformación La industria química fina (Fine Chemicals Industry) ha tenido un gran auge durante los últimos años. coli y L-lisina como iniciador para llevar a cabo la biotransformación de L-lisina a ácido pipecólico. son dos compañías farmacéuticas que se dedican a manufacturar químicos finos. chrysogenum SR1. Algunas aplicaciones biotecnológicas del ácido pipecólico en la industria farmacológica 3. sobre todo en el área biofarmacéutica y de la agricultura (Stinson. 1). 3. identificaron algunas mutantes auxótrofas de lisina de A. Naranjo et al. 2010.es auxótrofa de lisina y acumula P6C. El gen lys7 que codifica la sacaropina reductasa en P. Los resultados obtenidos por Fujii et al. acumula niveles altos de P6C y de ácido pipecólico. sometidas a altas temperaturas y a severas y prolongadas épocas de sequía (Stewart y Larher. 1990b). Wickwire et al. No obstante. 1994) y Sinorhizobium meliloti (Gouffi et al. Luego de haber disminuido la osmolaridad ambiental. chrysogenum SR1-. La ruta del -aminodipato para la biosíntesis de lisina de P. 2000.. En respuesta a la elevada osmolaridad del ambiente. 2010. se conoce que cepas de P. 1998. los compuestos compatibles pueden ser liberados al ambiente y subsecuentemente ser utilizados como osmoprotectores por otros organismos que se encuentren bajo estrés hiperosmótico (Gouffi et al. animales y bacterias. ya que su sustrato. Rev Latinoam Biotecnol Amb Algal 1(1):64-90 76 último paso de la conversión es la fermentación con especies de Pseudomonas. 1997. chrysogenum interrumpidas en el gen lys2 que codifica la -aminoadipato reductasa acumulan niveles altos de ácido aminoadípico (Casqueiro et al. 2002) actualmente esta explorando el “P6C World” y obteniendo una colección de productos químicos útiles para la farmacología derivados del P6C usando biotransformación. chrysogenum es muy activa ya que el ácido -aminoadípico. 1980. 2002). 2002. Además. un intermediario de la ruta. 2000).2. la capacidad osmoprotectora de ácido pipecólico ha sido solamente estudiada en E. 2002). 3. entre dichos productos se encuentran: el ácido aminoadípico y el ácido pipecólico. En bacterias. Asano y Ito. se ha descrito que la cepa de P. 2001. 1990a. Bayles y Wilkinson. interrumpida en el gen lys7 que codifica la sacaropina reductasa. coli (Gouesbet et al. incluyendo plantas. la compañía farmacológica “Mercian” (Fujii et al. Por otro lado. Aunque la actividad enzimática implicada en la reducción de P6C a ácido pipecólico ha sido encontrada en varios microorganismos. Romeo. por lo que podría utilizarse para producir metabolitos secundarios de importancia farmacológica que contengan ácido pipecólico (Naranjo et al. Los mecanismos de osmoregulación son muy similares en todos los organismos vivos. ellos acumulan concentraciones intracelulares relativamente altas de iones inorgánicos y solutos compatibles. 2000). 3. es un precursor esencial para la biosíntesis de penicilina. El ácido pipecólico como osmoprotector Osmoprotectores son aquellos compuestos que son capaces de optimizar el crecimiento celular bajo condiciones inhibitorias de osmolaridad. no se ha podido caracterizar la enzima que cataliza dicha conversión. 1988). Wickwire et al. Un aspecto que se debe considerar se refiere al desarrollo del denominado “P6C World” usando biotransformación (Asano y Ito. que otros estudios señalan que es preferible usar un sólo enantiómero de la molécula como osmoprotector.3.Naranjo-Briceño et al. mientras. anisopliae se ha descrito que el ácido pipecólico es un intermediario del catabolismo de lisina y un precursor inmediato en la síntesis de alcaloides octahidroindolizínicos (Sim y Perry. se ha descrito que el ácido pipecólico y sus derivados están relacionados con la adaptación osmótica en algunas leguminosas y especies xerófitas que se desarrollan en hábitats secos y alcalinos. Estos alcaloides tienen interesantes aplicaciones en el campo . el P6C. entre los se encuentra el ácido pipecólico. es un compuesto químicamente inestable (Fujii et al. leguminicola y M. donde se ha demostrado que la osmoprotección de las células al estrés salino solamente es efectivo cuando están presentes los dos isómeros del ácido pipecólico. El ácido pipecólico como precursor de alcaloides octahidroindolizínicos En R. Los solutos compatibles son moléculas orgánicas de bajo peso molecular recién sintetizadas. En plantas. 2004). 2002). (1991). Además.4. el ácido pipecólico se utiliza como sustrato de algunas PKS en S. La arquitectura modular entre los péptidos sintetasas no ribosomales (NRPS) y los poliquétidos sintasas (PKS) presenta una fuerte analogía. anisopliae incrementa significativamente la producción de swainsonina. MA6548 (Motamedi y Shafiee. Se ha descrito que S. lo cual indica que modificaciones genéticas en la ruta biosintética de lisina podrían inducir un aumento de la síntesis de dicho alcaloide en este microorganismo. se puede obtener una sólida interpretación sobre los principios básicos de organización y arquitectura de los NRPS. hydroscopius incrementa la producción de rapamicina en un 150 %. hydroscopius con los que se obtienen metabolitos secundarios (análogos de la rapamicina) con nuevas o incrementadas actividades farmacológicas. antitumorales y antifúngicos (Reynolds y Demain. Una organización análoga ha sido encontrada en la agrupación de genes biosintéticos de FK506 en Streptomyces sp.Naranjo-Briceño et al. puede ser debido a su conversión en ácido pipecólico. 1997). 1999).. 1995. representando biofactorías que permiten obtener una diversidad estructural ampliamente extendida de productos naturales (Cane y Walsh. se ha demostrado experimentalmente que inhibe la tasa de crecimiento de melanomas y metástasis humanos produciendo una mínima toxicidad cuando es administrada en pacientes con cáncer (Sim y Perry. 3. 1986). hydroscopius es capaz de sintetizar ácido pipecólico a partir de L-lisina (Paiva et al. El ácido pipecólico como sustrato de péptidos sintetasas no-ribosomales (NRPS) Los péptidos sintetasas no ribosomales son proteínas que están organizadas en unidades funcionales interactivas denominadas módulos. 1995. sacaropina. lo cual. 2001). Cheng y Demain. En estos hongos filamentosos. 1998). Se ha observado que la adición de L-lisina a los caldos de cultivo de M. un inmunosupresor relacionado con FK506 en este microorganismo. como la swainsonina. Basados en estos datos y en estudios bioquímicos avanzados. 2010. El potencial de la . 1996. se ha descrito en este microorganismo que el ácido pipecólico es un precursor de la rapamicina (Molnar et al. Esta mezcla NRPS-PKS consiste en un módulo de NRPS para la incorporación de ácido pipecólico integrada en un PKS. En este sentido. Dennis et al. Humphries et al. Molnar et al. En la actualidad. ascomyceticus una enzima que activa ácido pipecólico que se encuentra implicada en la biosíntesis de la inmunomicina. 1995). 1997. Sim y Perry (1997) desarrollaron métodos analíticos mediante HPLC con los que es posible estudiar los niveles intracelulares de cada uno de los metabolitos precursores de la swainsonina: lisina. hydroscopius var. 1986. 1996). que tiene una potente actividad antitumoral. La primera mezcla NRPS-PKS fue identificada en la agrupación de genes biosintéticos de rapamicina en Streptomyces hydroscopius (Schwecke et al. Por otro lado. tales como: inmunosupresores. La adición de L-lisina a los caldos de cultivo de S. han descrito en S. 1990. Rev Latinoam Biotecnol Amb Algal 1(1):64-90 77 de la salud humana. 1993). 3). ambos sistemas se han encontrado combinados de manera natural (NRPS-PKS). De hecho. ácido -aminoadípico y ácido pipecólico. En los últimos años se ha incrementado el número de secuencias descritas de NRPS. Dennis. el catabolismo de lisina procede vía sacaropina (Fig. los cuales catalizan un conjunto de reacciones catalíticas que llevan a la formación de un péptido (Doekel y Marahiel. Con el objetivo de monitorizar el efecto que producen los cambios en las condiciones de cultivo o las provocadas por modificaciones genéticas sobre la producción del metabolito secundario swainsonina. Goss et al. Nielsen et al. Por otro lado. Se han investigado y propuesto diferentes aproximaciones fisiológicas y tecnológicas para maximizar la productividad del cultivo masivo de microalgas (Chaumont. el factor “costo de la tierra” es determinante tanto para el establecimiento de un sistema de producción microalgal abierto o cerrado. Grobbelaar. se conoce que en los sistemas abiertos existen costos asociados al establecimiento y operación (transferencia de masa y agitación) que suelen ser más 4. 2003). El estudio del principio de los mecanismos que integran los NRPS podría permitir la modificación racional de sus multi-dominios. los fotobiorreactores cerrados presentan una serie de ventajas que incluyen: el cultivo en altas densidades. ácido pipecólico y otros metabolitos secundarios de interés farmacológico Uno de los principales problemas con el desarrollo de compuestos bioactivos a partir de fuentes naturales es el hecho de que estas proveen un suministro limitado. y a pesar del consenso entre los biotecnólogos de microalgas de que la producción fotoautotrófica de metabolitos secundarios de alto valor industrial requiere del uso de fotobiorreactores cerrados y de su operación exitosa a nivel experimental. económico y agronómico. 2010. los sistemas de producción de microalgas han sido clasificados en dos grandes grupos. costosa recuperación del producto de medios diluidos y la dificultad en el control de la temperatura. el costo por este recurso deberá ser bajo. lo cual. i) los sistemas abiertos.Naranjo-Briceño et al. 2001). 1993. 2003). Además de los inconvenientes asociados a los sistemas de cultivo a cielo abierto. la disponibilidad de procesos estandarizados se ve restringida (Olaizola. Rev Latinoam Biotecnol Amb Algal 1(1):64-90 78 maquinaria biosintética se ha visto desarrollado por la reciente identificación de dominios enzimáticos integrados (Doekel y Marahiel. fácil contaminación. mayor control de las condiciones y mantenimiento de un cultivo puro. Richmond 1996. A pesar de que las microalgas ofrecen ventajas comparativas en la denominada “fase de descubrimiento” de nuevos compuestos de interés biológico. Por lo tanto. independientemente del sistema de producción. A. En el primer caso. tierras impactadas por la actividad antrópica o tierras baldías. ii) los sistemas cerrados (fotobiorreactores y biorreactores del tipo fermentadores). Todo ello. En este sentido. son principalmente canales de poca profundidad tipo “pista de carreras” en los que el cultivo está expuesto a la atmósfera y. En este sentido. platensis como biofactoría para producir P6C. 2000. los cuales. biotecnólogos de . Sin embargo. permitiría enriquecer las alternativas terapéuticas actuales en la lucha contra las enfermedades en general. 2001). La baja densidad celular obtenida en estos sistemas origina varios inconvenientes que incluyen: la baja productividad. tales como: zonas desérticas. facilidad para la cosecha y un menor costo de inversión (Contreras-Flores et al. 2003).. 2000). con baja fertilidad natural. su utilización a nivel comercial es escasa y limitada a unas pocas especies (Olaizola. microalgas coinciden en el hecho de que el perfeccionamiento de la tecnología asociada a los sistemas de cultivo a cielo abierto llegó a su límite. Un aspecto que debe ser considerado en la producción microalgal masiva es la existencia de “restricciones” en el sistema “costo-productividad de biomasa”. El costo por este recurso debe ser bajo por lo que generalmente se escogen sitios de bajo valor comercial. en los cuales el contacto con la atmósfera es limitado o nulo (Contreras-Flores et al. 2003). abriría un camino lleno de posibilidades para “rediseñar” productos naturales existentes y ampliar la complejidad química que nos ofrece la naturaleza (Doekel y Marahiel. dependiendo de los productos específicos que se requieran y de la duración de los ciclos de luz y oscuridad. Aunado al aumento de la productividad volumétrica a nivel de fotobiorreactores. la ruta biosintética asociada a un determinado compuesto podría ser transferida a un organismo más fácilmente cultivable. que los sistemas cerrados poseen costos menores “aguas abajo”. mientras. los adelantos biotecnológicos proporcionan una vía mucho más racional y vanguardista para incrementar la eficiencia de los programas de mejora de cepas a través del uso de la ingeniería metabólica.. En este sentido.Naranjo-Briceño et al. No obstante. por alcanzar mayores densidades de cultivo. entre otros. por lo contrario. Este método. el diseño de fotobiorreactores podría estar alcanzando su límite en lo que se refiere a la reducción de los costos de producción. 2000). Lee (1990. ha sido generalmente muy efectivo sobre todo para incrementar la producción de antibióticos en diversos hongos filamentosos (Gutiérrez et al. En cualquier caso. muchos compuestos químicos de interés son producto del metabolismo secundario. la tolerancia al estrés abiótico y el flujo metabólico de productos bioquímicos. aminoácidos. son comparables. Por último. 2003). proteínas heterólogas. Este hecho ha sido corroborado en la obtención de pigmentos de interés a partir de A. agentes antitumorales. enzimas. este último activado en condiciones no conducentes al crecimiento rápido. aunque es muy laborioso. La superproducción de metabolitos secundarios ha sido abordada habitualmente por mutagénesis clásica de las cepas de producción. No obstante. La utilización de las cianobacterias como factorías celulares para producir metabolitos secundarios con importantes actividades biológicas tales como antibióticos. comunicación personal). representa un especial interés para la industria farmacológica. sino en los pasos para la conversión del carbono fotosintéticamente fijado en biomasa estructural. el autor advierte que aunque las microalgas poseen una alta productividad primaria. platensis (Rojas. Más allá. heterotrófica. Una aproximación propuesta para lograr el aumento de la productividad es la combinación de sistemas de cultivo que combinen distintas formas de nutrición (fototrófica. así como el mejoramiento de los ya identificados y. Lee (2001) reporta que la principal limitación del crecimiento de microalgas a cielo abierto podría no estar en la captura de la energía lumínica. Otros investigadores. Las tendencias de investigación más recientes . el incremento de la producción de compuestos químicos a partir de microalgas requiere de la obtención de nuevas cepas con características fisiológicas y bioquímicas mejoradas orientadas a incrementar: la velocidad de crecimiento. la consecuencia lógica es que la productividad volumétrica de biomasa tanto en los sistemas cerrados como abiertos debe ser lo suficientemente alta como para compensar estos costos. 2) desarrollo de sistemas de producción adecuados que permitan el escalamiento a nivel industrial. Más allá. los fotobiorreactores parecen ser la vía más prometedora para el futuro de la producción de microalgas a gran escala (para una revisión ver Olaizola. afirman que las cantidades producidas por unidad de área. Olaizola (2003) describe que el proceso para la producción de compuestos bioactivos contempla al menos dos etapas: 1) la identificación de nuevos compuestos. tanto en fotobiorreactores como en sistemas abiertos. 2010. vitaminas. 2001) afirma que el sistema fotosintético y el metabolismo postfotosintético requiere ser modificado genéticamente para vencer la limitación en la utilización de la energía lumínica para el crecimiento y formación de productos. Por tanto. mixotrófica) de forma cíclica. osmoprotectores. Rev Latinoam Biotecnol Amb Algal 1(1):64-90 79 altos. . se propone la utilización de la tecnología del ADN recombinante. levaduras y bacterias. Naranjo et al. 3). 2001. el suministro ajustado de ácido -aminoadípico a los caldos de cultivo podría incrementar la acumulación de P6C y de ácido pipecólico. para incrementar el flujo metabólico hacia la acumulación de P6C y biosíntesis de ácido pipecólico en A. hongos. Así mismo. el ácido pipecólico se sintetiza vía ácido aminoadípico a través de la ruta del aminoadipato (Aspen y Meister. no sólo sobre la ruta de biosíntesis de dicho compuesto. Unas de las estrategias más utilizadas en ingeniería metabólica son: i) el incremento del número de copias de los genes de la ruta biosintética de interés y. platensis posea una ruta similar a la del ácido diaminopimélico para biosintetizar lisina y de que el ácido pipecólico se sintetice vía sacaropina. 2000b. 2010. Esto se debe a que dichos genes son responsables de las dos primeras reacciones enzimáticas de la ruta catabólica de L-lisina descrita tanto en plantas como en hongos filamentosos. 1999b. regulación génica. enzima dependiente de NADPH que cataliza la conversión de P6C y glutamato a sacaropina en la ruta del aminoadipato (Johansson et al. Naranjo et al. 2001. mientras que en plantas el ácido pipecólico se sintetiza vía sacaropina. (Gutiérrez et al. a la vez que se suministre concentraciones ajustadas de Llisina o sacaropina a los caldos de cultivo. 1). En este caso. ii) el incremento de la expresión de genes mediante el cambio de sus regiones promotoras por promotores de genes constitutivos o de genes de expresión fuerte del metabolismo secundario. Bhattacharjee. 2004. Posteriormente.1). donde la L-lisina se cataboliza en sacaropina y P6C mediante dos reacciones consecutivas llevadas a cabo por la sacaropina deshidrogenasa y sacaropina reductasa. intermediario inmediato anterior a la sacaropina y precursor directo del ácido pipecólico (Fig. 1996). Naranjo et al. tales como rutas de secreción. a través del catabolismo de Llisina (Goncalves-Butruille et al. se . platensis. Rev Latinoam Biotecnol Amb Algal 1(1):64-90 80 consideran que para mejorar la producción de un determinado compuesto hay que actuar. si se requiere modificar el flujo metabólico en alguna ruta biosintética con la finalidad de inducir la acumulación de algún metabolito de interés. Para ello. Por otro lado. transporte. Se ha reportado que el ácido pipecólico se forma a partir del metabolismo de lisina en diversos organismos incluyendo mamíferos. 1985. etc. la desviación del flujo metabólico para la biosíntesis de lisina hacia la acumulación intracelular de P6C y ácido pipecólico podría llevarse a cabo mediante la interrupción dirigida del gen que codifica la sacaropina reductasa. Naranjo y Moret (2008). respectivamente. la sacaropina reductasa o ambos. plantas. 2000). sería aconsejable incrementar el número de copias de los genes estructurales que codifican la sacaropina deshidrogenasa. 1). partiendo del caso de que A. 2004). Liu et al. 1962. platensis posea una ruta similar a la del -aminoadipato para biosintetizar lisina y de que el ácido pipecólico se sintetice vía ácido aminoadípico (Fig. 2004). Partiendo del caso de que A. llevaron a cabo el primer reporte sobre la identificación parcial de genes biosintéticos de lisina en cianobacterias. 2005). el P6C podría reducirse a ácido pipecólico mediante la acción de la pipecolato reductasa (Fig. Dicha interrupción génica provocaría la acumulación de P6C. se procede a la interrupción dirigida del gen asociado a su conversión enzimática mediante diversas técnicas moleculares tales como de recombinación simple o doble recombinación homóloga (Casqueiro et al. En este sentido. En hongos. a través del catabolismo de L-lisina (Fig. sino adicionalmente sobre otras rutas que indirectamente pudieran afectar la primera.Naranjo-Briceño et al. 2000a. Por otro lado. Neurospora crassa (NCBI CAC28679.or. Gibberella zea. crassa. Sin embargo. platensis Lefevre. Acceso GenBank FJ798613) en el genoma de A.. La figura 4 muestra un árbol filogenético obtenido por MEGA 3. los hongos y levaduras (Eucariota) y la cyanobacteria en estudio (Procariota).Naranjo-Briceño et al. 450 aa). 449 aa). Saccharomyces cerevisiae (NCBI P38999. 450 aa). platensis cepa Lefevre que muestra un 40% de identidad con los genes lys7 y lys3 que codifican la sacaropina reductasa de los hongos Ascomycetes P. . respectivamente. mostró la existencia de un marco abierto de lectura con una identidad de 40% en el genoma de Neurospora crassa (Broad Institute. platensis contra genomas de diferentes hongos depositados en Bases de Datos de acceso público. Aspergillus fumigatus.kazusa. Saccharomyces cerevisiae y la secuencia obtenida a partir del ADN genómico de la cepa A. 448 aa). Acceso XM_956002) que codifica una hipotética sacaropina reductasa. Así mismo. ORF. No. ii) la existencia de una ruta similar a la del -aminoadipato descrita en hongos presente en el genoma de esta cianobacteria. Acceso GenBank FJ798612) empleando los oligonucleótidos SR-F (5´GACTTGGTGAT(C/T)TCGCTGAT(C/T)3´) y SR-R (5´CTCGAACTTGTGCTGGAGCAT-3´). Los resultados obtenidos revelaron la existencia de una secuencia nucleotídica de 653 pb (No. platensis (http://www. grisea. 2010.cgi?species=118562). platensis y. platensis Lefevre. M. Rev Latinoam Biotecnol Amb Algal 1(1):64-90 81 amplificó por PCR un fragmento de ADN interno del gen que codifica hipotéticamente la sacaropina reductasa de la cepa A. grisea. tales como: Penicillium chrysogenum (NCBI CAC87475. N. y Schizosaccharomyces pombe (NCBI Q09694. los cuales de separan visiblemente entre sí y de A. el porcentaje de identidad obtenido con los genes que codifican la sacaropina reductasa reportada en hongos y levaduras podrían sugerir que: i) el fragmento de ADN clonado corresponde a una región interna del gen que codifica la sacaropina reductasa de A.jp/codon/cgibin/showcodon. la búsqueda de secuencias de ADN homólogas a la clonada en A. Dichos oligonucleótidos se diseñaron tomando en cuenta las secuencias aminoacídicas de hongos y levaduras depositadas en el GeneBank. P. es de esperarse la discriminación de estos debido a su evidente distancia evolutiva. chrysogenum y M. 446 aa). Schizosaccharomyces pombe. y el uso de codones reportado para A.1 (método Neighbour-Joining con Bootstrap de 2. chrysogenum. Magnaporthe grisea (NCBI AAF91081. El árbol obtenido muestra dos grupos claramente definidos constituidos por las 6 especies de hongos filamentosos y las 2 especies de levaduras. platensis Lefevre 1963/M-132-1 (No. Tomando en cuenta que las secuencias de ADN estudiadas pertenecen a dos tipos celulares radicalmente diferentes.000 repeticiones y el modelo Jukes Cantor) basado en el alineamiento múltiple de secuencias nucleotídicas parciales de los genes que codifican la sacaropina reductasa de: Aspergillus flavus. 1996). No obstante. En este sentido. 2000a. Zhu et al. existen ventajas comparativas de la utilización de A. crassa. Así mismo. respectivamente (Kemper et al. se debe tomar en cuenta que en plantas y animales se ha descrito que el catabolismo de L-lisina tiene lugar vía sacaropina a través de dos reacciones enzimáticas consecutivas llevadas a cabo por la sacaropina deshidrogenasa (SDH) y la sacaropina reductasa (SR). platensis Lefevre y secuencias nucleotídicas internas de los genes que codifican sacaropinas reductasas en diversos hongos y levaduras. 2007): . Aspfu: A. fumigatus. 26.. 2003. por el contrario. Hallmann. Neuro: N. flavus. Schiz: S. b). Sacch: S. 2010. las cuales se resumen a continuación (Olguín. chrysogenum con proteínas bifuncionales SR/SDH de plantas (Zea mays y Arabidopsis thaliana) y animales (Homo sapiens y Mus musculus). Penic: P. Arthr: A. cerevisiae. Por otra parte. tal como ocurre en las plantas y animales (GoncalvesButruille et al. se ha descrito que existe una gran similitud entre las proteínas bifuncionales SR/SDH y las proteínas mofuncionales SR y SDH. pombe. platensis Lefevre. zea. respectivamente) (Naranjo. y que en las proteínas bifuncionales SR/SDH los dominios SR y SDH se encuentran localizados en el extremo carboxilo terminal y en el extremo amino terminal de la proteína. reveló un porcentaje de identidad considerable con la región carboxilo terminal de las proteínas bifuncionales estudiadas (28.Naranjo-Briceño et al. platensis corresponde realmente al gen que codifica la SR monofuncional en la ruta del aminoadípico para la biosíntesis de lisina o. las cuales son sintetizadas a partir de un único gen que codifica un polipéptido bifuncional (Epelbaum et al. platensis como posible factoría celular para producir P6C. Por lo tanto. Gibbe: G. Olaizola. Magna: M. 1999). 2000. el alineamiento de la proteína monofuncional SR de P. los resultados obtenidos preliminarmente deberán confirmarse a través de sólidos experimentos moleculares y bioquímicos para determinar si el fragmento de ADN clonado en A. Árbol filogenético de fragmento de ADN clonado de A. Rev Latinoam Biotecnol Amb Algal 1(1):64-90 82 Figura 4. se trata de un gen que codifica una proteína bifuncional SR/SDH asociada al catabolismo de la lisina. Nótese la presencia de 2 grupos bien diferenciados correspondientes a los hongos y las levaduras. 31 y 31%. chrysogenum. separados entre sí y de la cianobacteria. 2003). ácido pipecólico u otros metabolitos secundarios de interés farmacológico. Aspfl: A. 2003. 1997. grisea. desde el punto de vista productivo. Tang et al. Becker.. Metabolism of pipecolic acid in a Pseudomonas species. V. Fierro. T. Pipecolate oxidase and dehydrogenase. Biochemistry 1:606611. Reconocimientos Este trabajo de investigación fue financiado por el Sub-Proyecto BID-FONACIT No. T. Gene 226:51-59. Cambridge University Press Cambridge.. Ministerio del Poder Popular para la Ciencia. Y.. Moret por su apoyo técnico.. A. M. tanto en sistemas abiertos como en cerrados. los cuales tendrían una aplicación importante en el campo de la salud humana y animal.Naranjo-Briceño et al. Rev Latinoam Biotecnol Amb Algal 1(1):64-90 83 • Fácilmente cultivable y cosechable a niveles industriales. peces y camarones) y creación de la Red Venezolana de Investigación en Microalgas”. bioquímica. • Alta productividad volumétrica.. Characterization and lysine control expression of the lys1 gene of Penicillium chrysogenum encoding homocitrate synthase. y Rodwell.. • Ha sido ampliamente investigada desde múltiples puntos de vista (molecular. vitaminas. • Cultivable en medios de bajo costo (inclusive aguas residuales). • Capacidad de acumular compuestos de alto valor agregado y la fácil extracción de los mismos. Gutiérrez. • Capacidad de algunas cepas de crecer bajo condiciones heterotróficas y mixotróficas. con posibilidad de ser cultivada axénicamente. enzimas. Selected abstract from the 5th Japanese Symposium on the Chemistry of Biocatálisis. F. Aspen. M. y Meister A. Belay.W. 1993. Conversion of -aminoadipic acid to L-pipecolic acid by Aspergillus nidulans. J Bacteriol 94(4):10341039. Ota Y. Martín.. 2002. Microalgae: Biotechnology and Microbiology. porcinos. y Shimamatsu H. J. Tecnología e Industrias Intermedias de Venezuela. Belay. UK.. 1999a. 1967. J. Los autores agradecen a la Lic. J Appl Phycol 8:303-311. entre otros. Bañuelos.. lo cual aumenta la probabilidad de mantener los cultivos monoalgales. Conclusiones El interés farmacológico sobre el estudio del ácido pipecólico radica en el hecho de que este inminoacido es un componente y precursor de la biosíntesis de una amplia diversidad de compuestos biológicamente activos. O. En la presente revisión se propone la utilización de A. Ota. tales como los del tipo SOx y NOx. 1996. proteínas heterólogas. Baginsky. • Presenta múltiples usos para la biomasa una vez extraídos los compuestos de interés. Casqueiro. . ELSEVIER. tales como antibióticos.W. 1962. E. • Capacidad de crecer a valores de pH elevados.. platensis como posible factoría celular para producir P6C.L. Y. S. V. 5. ácido pipecólico u otros metabolitos secundarios con interesantes actividades farmacológicas. • Sumidero de gases que acompañan al CO2 en los sistemas típicos de combustión (en caso de que sean usados para el cultivo y el secuestro de carbono). • Capacidad de soportar altas temperaturas.. 1994..J. A. Referencias Asano. Hijarrubia. • Ciclo de vida corto. agentes antitumorales.F. 2006000537 “Desarrollo y optimización del cultivo de microalgas promisorias en la nutrición animal (aves. Spirulina (Arthrospira): potencial application as an animal feed supplement. aminoácidos. A. y Ito. Miyakawa K. J Appl Phycol 5:235-241.J.. Kato. fisiológica y ecológíca). J Mol Catal B-Enzym 18:173-197. 2010. Current knowledge on potential heath benefits of Spirulina. F.... Koch. Reichert. Lewis. Gutiérrez. Gutiérrez..M.. F. 1038(3):300-305. Y. Ciferri. G. Broquist. 1999a.. J. Peña-Castro. Chojnacki. Appl Microbiol Biotechnol 43(6):1096-8. 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Congregación El Haya. 2. c) selección del tipo de reactor o de una combinación de ellos para lograr máxima producción de biomasa al mínimo costo y d) optimización de los métodos actualmente disponibles para extracción de lípidos y transesterificación de ácidos grasos para disminuir sus altos costos e impactos ambientales negativos. e) Las microalgas son excelentes captadoras de CO2 . Loera-Quezada y Eugenia J. la tecnología para la producción de biodiesel a partir de microalgas. lagunas abiertas. aún enfrenta grandes retos para lograr una producción a escala comercial y de manera rentable. destacan el uso de condiciones de estrés fisiológico y el uso de aguas residuales para reemplazar agua destinada al uso agrícola. microalgas oleaginosas. Rev Latinoam Biotecnol Amb Algal 1(1):91-116 91 Revisión crítica Las microalgas oleaginosas como fuente de biodiesel: retos y oportunidades Maribel M. sugieren proyecciones optimistas para lograr avances en el corto y mediano plazo que permitan producirlo a un costo competitivo. es de los bioenergéticos que muestran un valor negativo. f) Con relación a la emisión de gases invernadero. Olguín* Red de Manejo Biotecnológico de Recursos. b) estrategias de cultivo muy efectivas para lograr el máximo posible de productividad de lípidos y de biomasa al menor costo. México. Se discute el entorno ambiental que ha generado la necesidad de este tipo de producto. Las ventajas de este bioenérgetico de segunda generación y el escenario actual de precios del petróleo al alza. A. los gases efecto invernadero (GEI) y la producción de Bioenergéticos.C.mx Resumen La presente revisión proporciona información actualizada con relación a los principales retos científico-tecnológicos que se deben enfrentar y resolver para lograr producir biodiesel a partir de microalgas a un costo competitivo. lípidos. Palabras clave: bioenergéticos. b) Sólo este bioenergético tiene una verdadera huella ecológica pequeña. en agua salobre o en aguas residuales. cambio climático. Veracruz 91070. disminuyendo así la presión sobre el agua dulce requerida para la producción de alimentos. d) Las microalgas oleaginosas pueden ser cultivadas en agua de mar. Instituto de Ecología. * Autor de correspondencia: eugenia. 351. 2010.5 Carretera Antigua a Coatepec No. Entre los más importantes destacan: a) selección de cepas con mayores productividades de biomasa y de lípidos. triacilglicéridos. Sin embargo.edu. mejores perfiles de lípidos y mejor adaptabilidad a condiciones de cultivo a gran escala.olguin@inecol. tales como: a) Las microalgas tienen un rendimiento de aceite mucho mayor que cualquier cultivo convencional.Loera-Quezada y Olguín. c) En contraste con otros bioenergéticos. 2010. in order to accomplish the highest biomass and lipid productivity at a minimum cost and e) optimization of currently available processes for lipid extraction and transesterification of fatty acids to decrease their high costs and negative environmental impacts. 2007). compared to conventional crops for biodiesel production. compared to the land surface required by other bioenergy sources. Rev Latinoam Biotecnol Amb Algal 1(1):91-116 92 Abstract This review provides current information regarding the scientific and technological challenges to be addressed and solved in order to enhance the cost-effectiveness of the integral process for producing biodiesel from microalgae. Global warming. avoiding the pressure of the use of fresh water for food production. Keywords: Bioenergy sources. los cambios en la intensidad o frecuencia de eventos climáticos extremos y el aumento del promedio mundial del nivel del mar. d) microalgae can be cultivated either in sea water. 1. brackish water or wastewater. research on induction of higher lipid content by physiological stress and successful cultivation in wastewater. Several advantages of microalgae compared to other sources of biodiesel are also discussed: a) microalgae produce a significantly higher yield of lipids. e) microalgae perform excellent at CO2 capture. there are still several scientific and technological challenges to solve before large scale production at competitive cost can be accomplished. suggest optimistic projections for achieving production of biodiesel from microalgae at competitive prices in the medium and long term. concerning the highest biomass productivity and highest oil yield. open ponds. greenhouse gases and production of bioenergy are discussed primarily to provide a general framework. b) to design very effective culture strategies to achieve high biomass and lipid productivity at a competitive cost. oleaginous microalgae. However. Entre los efectos más graves destacan los aumentos observados del promedio mundial de la temperatura del aire y del océano. Among the more important are: a) selection of the best performing strains. photobioreactors. The several advantages that this second generation bioenergy source possess and the international scenario of fossil oil prices rising once again. c) a smaller territorial surface is required for fulfilling the current diesel from petrol demand. raceways. despite all the advantages shown by microalgae to produce biodiesel. Desde hace décadas. triacylglicerides. d) selection of the best performing reactor design or a combination of various types. lipids. afectando la estabilidad económica y social del planeta. the best lipid profile and the best adaptability to large scale production. las modificaciones en los patrones de preci- pitación. b) this bioenergy source shows the smallest ecological print. se conoce la estrecha relación entre el aumento continuo de emisiones de gases de efecto invernadero (GEI) y el cambio global (IPCC. Como respuesta a esta problemática del cambio global en los últimos años. Introducción Indudablemente. f) biodiesel from microalgae shows a negative release of greenhouse gases. entre otros. global warming. además de la ambiental. is still full of opportunities. el deshielo generalizado de glaciares. It is concluded that there are several opportunities in each of the challenges to confront and a combination of scientific knowledge and entrepreneur skills are required for the design of competitive processes. el cambio climático es uno de los grandes desafíos del siglo XXI ya que sus impactos son globales y cada vez más severos. Among the most important culture strategies.Loera-Quezada y Olguín. las políticas ambientales han favorecido un incremento en el uso de biocombustibles a . cosmetología. es de primordial importancia y representa un gran reto científico y tecnológico. sino que también contribuya al secuestro de CO2 atmosférico (Schenk et al. (Rosenberg. la sustentabilidad de la producción de estos biocombustibles se ha visto fuertemente cuestionada. Estos nuevos desarrollos tecnológicos.. a baja productividad de biomasa y de lípidos. La tendencia mundial es reducir al máximo el uso de combustibles fósiles y reemplazarlos con biocombustibles que sean renovables. Olguín. canola.. bioetanol. consisten en seleccionar las mejores cepas y establecer estrategias de cultivo para que se logre el máximo posible de productividad de biomasa y de lípidos. existen muy pocos reportes con relación al uso de agua residual para el cultivo de microalgas oleaginosas y la producción simultánea de biodiesel.. materia orgánica. 2008). es una alternativa bastante promisoria y ambientalmente sustentable.Loera-Quezada y Olguín. principalmente para sustituir los combustibles fósiles utilizados en el transporte vehicular. metales pesados y de xenobióticos. Otra limitación importante en este tipo de desarrollo. palma de aceite. 2009). 2008). tales como el biodiesel. además de que producen metabolitos secundarios con aplicación en la industria farmacéutica. Sin embargo. Existe amplia experiencia en el uso de microalgas para el tratamiento de aguas residuales. Para lograr una sustentabilidad económica y ambiental. 2008. los biocombustibles en los que se ha invertido más esfuerzo son el etanol a partir de caña de azúcar y del maíz y el biodiesel a partir de aceite de soya. consideradas como fuente de biocombustibles de segunda generación. algunos de los mayores retos en el desarrollo de procesos para la producción de biodiesel con microalgas. contribuyen de manera importante a la fijación de CO2 y pueden ser utilizadas para producir una amplia gama de biocombustibles. biometano y biohidrógeno. Asimismo. girasol. Schenk et al. 2006). 2010. su cultivo para la producción de biodiesel utilizando a las aguas residuales como fuente de nutrientes. para complementos nutricionales. 2003. 2008). Actualmente. se requiere que el proceso de producción de biocombustibles no sólo sea renovable. así como a un esfuerzo para mitigar las emisiones de los GEI. acuicultura. no contaminantes y carbono neutrales. entre otros (Hernández y Olguín. Muñoz y Guieysse. están recibiendo atención y apoyo debido tanto a la preocupación por la disminución de las reservas mundiales del petróleo. Sin embargo. 2002. es que aunque muchas especies de microalgas son capaces de producir grandes cantidades de lípidos. Las microalgas oleaginosas. et al. Por lo anterior. con frecuencia las concentraciones altas de lípidos se obtienen cuando las algas son sometidas a condiciones de estrés impuestas por estímulos físicos y/o químicos (Hu et al.. principalmente porque la gran demanda de ellos requiere la conversión del uso del bosques o áreas naturales en superficies agrícolas o incluso el uso de superficies actualmente utilizadas para producción de alimentos (Majer et al. lo que con frecuencia está asociado a condiciones de limitación de nutrientes y por lo tanto. lograr este cultivo utilizando agua residual con el objeto de evitar la competencia del uso del agua para fines agrícolas. La presente revisión está enfocada a discutir las ventajas del uso de microalgas como fuente de materia prima para la producción . a pesar de las condiciones de estrés fisiológico. ya que son eficaces en la remoción de nutrientes. Considerando que una de las limitaciones actuales en la producción masiva de microalgas es todavía el alto costo de producción. Rev Latinoam Biotecnol Amb Algal 1(1):91-116 93 nivel mundial.. la tendencia mundial es reducir al máximo el uso de combustibles fósiles y reemplazarlos con biocombustibles que sean renovables. IPCC. la combustión de energéticos es responsable de poco más del 61% de las emisiones de CO2 y del 46% de los GEI (Alarco. Emisiones mundiales anuales de GEI antropogénicos entre 1970 y 2004 (IPCC. El dióxido de carbono (CO2) es el GEI antropogénico más importante. 2008. Las emisiones de CO2 originadas por actividades humanas proceden de diversas fuentes. La combustión de biomasa y la deforestación también juegan un papel muy importante (Jain. 2007) .Loera-Quezada y Olguín. como los antes mencionados. de tal manera que en la era preindustrial el valor era de aproximadamente 228 ppm y actualmente es de 385 ppm. no contaminantes y carbono neutrales. Rev Latinoam Biotecnol Amb Algal 1(1):91-116 94 de biodiesel. Figura 1. Debido a esta problemática. registrándose un aumento de aproximadamente 70% entre 1970 y 2004. 2005. 2. Aumento de los Gases de Efecto Invernadero (GEI) en la atmósfera Las emisiones mundiales de los GEI por efecto de actividades humanas han aumentado desde la era preindustrial. 2006). en los procesos industriales tales como la fabricación de cemento. 1). Sus emisiones anuales aumentaron aproxima-damente un 80% entre 1970 y 2004. 2010. el objetivo general es proporcionar información actualizada con relación a los principales retos tecnológicos que se deben enfrentar y resolver para lograr producir biodiesel a partir de microalgas a un costo competitivo. en el transporte vehicular. IPCC. 2007) (Fig. dado que este tema es muy actual y cada día se genera mucha información. En México. tales como las altas tasas de fijación de CO2 y el tratamiento de aguas residuales. además de las ventajas ambientales que ello conlleva. sin dejar de lado la discusión de algunos de los retos a nivel de proceso que aún se deben resolver. No pretende ser una revisión exhaustiva. Sin embargo. en su mayor parte de la combustión de combustibles fósiles utilizados en la generación de energía. . 2004).1 Biodiesel a partir de plantas El biodiesel es una mezcla de ésteres monoalquílicos de ácidos grasos de cadena larga derivados de recursos renovables tales como aceites vegetales o grasas animales (ASTM.Loera-Quezada y Olguín. residuos agrícolas. 2002). siendo el año 1998 el más cálido y la década de los 90. 2010). El impacto del calentamiento global en organismos y ecosistemas marinos ha sido ampliamente discutido por Brierley y Kingsford (2009). Las mejores alternativas parecen ser los biocombustibles de segunda generación. combinado con su rendimiento por hectárea. Bioenergéticos Los bioenergéticos de primera generación son una fuente sustentable de energía sólo cuando los insumos se cultivan de manera sustentable mediante “prácticas agrícolas amigables con la biodiversidad” y sólo se deberían promover los bioenergéticos con la menor huella ecológica.6°C durante los últimos 100 años. De acuerdo al documento técnico V del IPCC (IPCC. 5% (B5) y 20% (B20). aquellos que contribuyen en la reducción del uso de tierra debido a su potencial en rendimiento de energía por hectárea.. para mayor precisión. a la salud humana (Ebi. son considerados también parte de la huella ecológica de un biocombustible (Groom et al. la temperatura media de la superficie de la Tierra ha aumentado en 0. del producto. a las actividades humanas en la región ártica (IPCC. 2007). generando deshielo de los casquetes polares y el aumento promedio del nivel del mar. que no requieren tierras cultivables y que no son empleados para consumo humano. Frecuentemente. las emisiones de los gases de efecto invernadero durante el ciclo de vida . absorber los desechos de esa energía consumida y suministrar espacio para infraestructura (WWF. la huella ecológica está en función de algunos factores. tales como eficiencia energética o balance neto de energía (energía generada/energía requerida) del ciclo de vida del bioenergético. se considera que el balance de carbono en la producción de biodiesel a partir de plantas es neutral. respecto al liberado durante la combustión (Schenk et al. 2008). comparado con el diesel fósil. La huella ecológica de un país es el área total requerida para producir el alimento y fibra que consume. forestales (Kirilenko y Sedjo. El aumento de la temperatura también afecta a las actividades agrícolas (Morton. 2007) y a algunos organismos terrestres particularmente vulnerables (Deutsch et al. et al. la Jatropha curcas y especialmente las microalgas (Mata. 6751-09). los niveles requeridos de agua.. Dentro de esta categoría se encuentran los residuos ligno-celulósicos. muy probablemente la década más cálida. En el caso de los biocombustibles. La razón principal por la cual los aceites vegetales no se pueden utilizar directamente en los motores diesel es por su alta viscosidad la cual está relacionada a su estructura química. 2008). 2010. Las propiedades del biodiesel varían de acuerdo a la materia prima y entre las más sobresalientes y atractivas están su biodegradabilidad y no toxicidad.. Esta definición también es aceptada por las especificaciones de la Unión Europea (estándar EU 14214). fertilizantes y plaguicidas para el cultivo de la materia prima y la cantidad de energía requerida para cultivar y refinar la materia prima. tanto del aire como del océano. 3. 2007). Puede usarse en su forma pura (B100) o en mezclas con diesel fósil que pueden ser del 2% (B2). Sin embargo. Asimismo. se debe tomar en cuenta el carbono utilizado en todo el ciclo de producción. 2008). 2008). Rev Latinoam Biotecnol Amb Algal 1(1):91-116 95 El aumento de los GEI en la atmósfera ha resultado en el aumento de la temperatura ambiental. Conforme aumenta la 3. es decir. Loera-Quezada y Olguín, 2010. Rev Latinoam Biotecnol Amb Algal 1(1):91-116 96 longitud de la cadena carbonada de los lípidos, mayor es la viscosidad. Sin embargo, la viscosidad disminuye cuando aumenta el número de enlaces dobles (grado de insaturación). Existen cuatro procesos químicos que se utilizan para resolver el problema de viscosidad: dilución, microemulsificación, pirólisis y transesterificación, siendo este último el más recomendado y preferido (Canakci y Sanli, 2008; Shales, 2007). La reacción de transesterificación es la transformación de un triglicérido en un éster alquílico de ácidos grasos, en presencia de un alcohol (metanol o etanol) y un catalizador (un álcali o un ácido), obteniendo glicerol como subproducto. Las moléculas lineales del éster resultante reciben el nombre de biodiesel y están formadas por el éster del ácido graso y el alcohol. La reacción de transesterificación requiere de 3 moles de alcohol por cada mol de triglicéridos para producir 1 mol de glicerol y 3 moles de metil ésteres (biodiesel). El biodiesel obtenido tiene menor viscosidad, menor masa molecular, menor intervalo de ebullición y menor punto de inflamación que el triglicérido original (Canakci y Sanli, 2008; Vasudevan y Briggs, 2008). En los procesos industriales se usan 6 moles de metanol por cada mol de triglicéridos para asegurar la producción de metil ésteres o biodiesel (Fukuda et al., 2001). La figura 2 muestra un diagrama general de los procesos de producción de biodiesel. La producción de biodiesel a partir de plantas tiene algunas limitaciones, como por ejemplo: a) está en conflicto con la utilización de aceites para alimento y b) su uso se ve limitado por las grandes extensiones de terreno necesarias para la producción de semillas oleaginosas. Además, para la producción de biodiesel sólo se emplea la semilla de la planta y el resto de la biomasa se desecha; además, los cultivos son dependientes de la estación del año y su ubicación geográfica (Adamczak et al., 2009). Figura 2. Diagrama de flujo de los procesos para producción de biodiesel. Loera-Quezada y Olguín, 2010. Rev Latinoam Biotecnol Amb Algal 1(1):91-116 97 3.2 Microalgas como fuente de biodiesel Se ha reportado que diversos microorganismos tales como las levaduras Cryptococcus curvatus, Cryptococcus albidus, Lipomyces lipofera, Lipomyces starkeyi, Rhodotorula glutinis, Rhodosporidium toruloides, Trichosporom pullulan y Yarrowia lipolytica y bacterias del grupo actinomicetos tales como Mycobacterium spp., Rhodococcus spp. y Nocardia spp., son capaces de sintetizar triglicéridos intracelulares, bajo ciertas condiciones de cultivo, hasta en un 80% de su peso seco utilizando diversas fuentes de carbono (azúcares, ácidos orgánicos, alcoholes y aceites entre otras) y diferentes subproductos y/o residuos industriales o agrícolas (suero de leche, hidrocarburos, aceites vegetales, melazas de caña de azúcar, salvado de trigo, desechos de frutas y verduras.) (Li et al., 2008a; Adamczak et al., 2009). El problema al utilizar este tipo de microorganismos, es el costo de producción, dado que requieren un alto consumo de oxígeno. En contraste, en las últimas décadas se ha destacado que las microalgas representan una alternativa más conveniente que cualquier otro tipo de organismo para la producción de triacilglicéridos y su conversión a biodiesel, ya que algunas especies oleaginosas, siendo organismos fotosintéticos, sólo requieren energía solar, agua, CO2 y algunas sales para producir muy altos rendimientos de biomasa rica en lípidos (Li et al. 2008a). De hecho, son los organismos fotosintéticos más eficientes, absorben más CO2 y liberan más O2 que cualquier planta, crecen extremadamente rápido y llegan a acumular grandes cantidades de diversos productos. Algunas microalgas doblan su biomasa en 24 h y el tiempo de duplicación de biomasa durante la fase exponencial puede ser tan corto como 3.5 h (Chisti, 2007). De manera más específica, los beneficios que se obtienen al usar microalgas para la producción de biodiesel son: a) Las microalgas tienen un rendimiento de aceite mucho mayor que cualquier cultivo convencional. Es de 10 a 20 veces mayor que el derivado del aceite de palma y de 200 a 400 veces mayor que el derivado del aceite de soya (Fig. 3). b) Sólo este bioenergético tiene una verdadera huella ecológica pequeña, dado que requiere una superficie de 1-2 órdenes de magnitud menores en comparación a los cultivos convencionales o los árboles. Requiere de 1.5 a 3.2 millones de hectáreas (M has) para satisfacer el 50% de las demandas de energéticos de transportación en U.S.A. (Chisti, 2007). En contraste, la soya, principal fuente de biodiesel en U.S.A. requiere de 330 a 450 M has para un propósito similar. En México, se ha estimado que sólo se requiere el 1% de la superficie total del país, para cubrir el 100% de la demanda actual de diesel de petróleo (Garibay et al., 2009). c) Con biodiesel de microalgas cultivadas en lagunas abiertas (LA), sólo se requieren 200,000 has para producir 1 quadrillón de BTU (Sheehan et al., 1998). En contraste, se requieren aproximadamente 40 millones de has si se utiliza etanol derivado de maíz o 20 millones de has si se utiliza biodiesel derivado de frijol de soya. d) Las microalgas oleaginosas pueden ser cultivadas en agua de mar o en agua salobre, disminuyendo así la presión sobre el agua dulce requerida para la producción de alimento. Algunas otras especies aisladas de agua dulce, pueden crecer en aguas residuales, también eliminando la competencia por el uso de agua para la agricultura. e) Las microalgas son excelentes captadoras de CO2. Por cada 100 ton de microalgas producidas, se consumen 183 ton de CO2 (Chisti, 2007). Loera-Quezada y Olguín, 2010. Rev Latinoam Biotecnol Amb Algal 1(1):91-116 98 f) Con relación a la emisión de gases invernadero, es de los pocos bionergéticos con un valor negativo. Es decir, no se produce CO2 durante el ciclo de vida de producción y el valor de este parámetro para microalgas (-183 kgCO2/MJ) es el más negativo respecto a los otros bionergéticos con valores negativos (etanol a partir de pastos o de residuos celulósicos). En contraste, el diesel a partir de fuentes fósiles produce 83 kgCO2/MJ y el etanol a partir de maíz produce 81-85 kgCO2/MJ (Chisti, 2007). Productividad de aceite (L/Ha) Microalgas (2) Microalgas (1) Palma de aceite Coco Jatrofa Canola Cacahuate Girasol Grasa amarilla Mostaza Soya Algodón Maíz 0 5,950 2,689 1,892 1,190 1059 952 907 572 446 325 172 20000 40000 60000 80000 100000 120000 140000 58,700 136,900 Figura 3. Productividad de aceite de las microalgas en comparación con los cultivos convencionales (Gao et al, 2009; Schenk et al., 2008; Chisti, 2007) (1) 30% de aceite en biomasa (con base a peso seco); (2) 70% de aceite en biomasa (con base a peso seco) 4. Retos y oportunidades en la producción de biodiesel con microalgas Algunos de los parámetros claves que afectan la factibilidad económica de la producción de biodiesel a partir de microalgas son: la productividad de la biomasa microalgal, el contenido celular de lípidos y sobre todo, la productividad de lípidos (especialmente los triacilglicéridos). Este último parámetro determina el costo del proceso de cultivo, mientras que la concentración de la biomasa en el cultivo y el contenido celular de los lípidos, afectan significativamente el costo de los procesos de extracción y transformación. Por lo tanto, un proceso ideal debería permitir la producción de lípidos a la más alta productividad celular, con el contenido más alto posible en las células (Li et al., 2008b). Desafortunadamente esta situación ideal es muy difícil de encontrar en la práctica, dado que las células con alto contenido de lípidos son producidas bajo condiciones de estrés fisiológico, el cual está asociado a condiciones limitantes de nutrientes y por lo tanto, de baja productividad de biomasa y de lípidos. Por lo anterior, los mayores retos en el desarrollo de procesos para la producción de biodiesel con microalgas consisten en: Charles University in Prague (CAUP) http://botany.cuni.natur.cz/ccala/index.cz/algo/caup-gallery. para máxima producción de biomasa al mínimo costo. 2010.sbroscoff. ya que el éxito depende principalmente de ello. Botryococcus braunii. y f) lograr una extracción de lípidos y su conversión a biodiesel. y Dunaliella tertiolecta (Plancton Oceanique Station Biologique of Roscoff http://www. Figura 4. mediante estrategias de mínimo costo. foto de Chlorella vulgaris (Culture Collection of Algae. alto contenido de productos de alto .html) y foto de Nannochloropsis sp. Algunas de las especies de microalgas que se pueden emplear para la producción de biodiesel. Chlorella minutissima y Monodus subterraneus (Culture Collection of Autotrophic Organisms (CCALA) http://www. e) lograr abatir los costos de cosecha. Nitzchia sp.Loera-Quezada y Olguín. Entre las principales características deseables para cultivos a gran escala están: crecimiento rápido.cas. Rev Latinoam Biotecnol Amb Algal 1(1):91-116 99 a) seleccionar las mejores cepas. mejor perfil de lípidos y adaptabilidad al tipo de agua a utilizar y a las condiciones ambientales. 4.php). c) lograr el uso de aguas residuales.1 Selección de la especie de microalgas con mejores atributos La elección de la especie es el primer paso para el desarrollo de un proceso de producción. (Ben-Amotz.butbn. evitando contaminaciones. d) seleccionar el tipo de reactor más adecuado o una combinación de ellos. Fotos de Dunaliella salina. 2009). fotos de Nannochloris sp.fr/Phyto/RCC/). La especie debe tener las características adecuadas para condiciones de cultivo muy particulares para obtener productos específicos. en términos de máximo contenido de lípidos y máxima productividad. b) establecer estrategias de cultivo adecuadas que permitan lograr la máxima productividad de lípidos y de biomasa. (m) Neochloris oleoabundans (d) Chlorella vulgaris (d) Crypthecodinium cohnii (m) Scenedesmus obliquus (d) Neochloris oleoabundans (d) Nannochloropsis sp.5 82 NR 54 NR Especie Parietochoris incisa (d) Nannochloropsis sp. 2008. (2008) Mandal y Mallick (2009) Li et al.2 151 33. (2006) Mazzuca-Sobczuk y Chisti (2010) Xiong et al. (2008) Liang et al (2009) Matsunaga et al (2009) Cultivo bajo supresión de nitrógeno. 2005) por mencionar algunos de ellos.000 especies con especial interés en cepas productoras de lípidos.7c 27c 30. 2008). de Nannochloris (Takagi et al.. células grandes en colonias o filamentos. 1998) Posteriormente. finalmente no se hizo ninguna recomendación en cuanto a la mejor especie. Rev Latinoam Biotecnol Amb Algal 1(1):91-116 100 valor agregado.Loera-Quezada y Olguín. El objetivo principal del programa. pero si se reportó que el rendimiento por acre de aceite de microalga es aproximadamente 200 veces mayor que el máximo rendimiento de cualquier cultivo oleaginoso (Sheehan et al. 4).3c 50.. (2009) Gouveia et al. se han descrito listas numerosas de cepas de origen marino o dulceacuícolas que muestran un alto contenido de lípidos (Chisti. desarrollo en ambientes extremos..14a 43b 38c 28. tolerancia a niveles altos de CO2 (15% o más). 2009) (Fig.7c 67c 21.. gran tolerancia a condiciones ambientales. Aislaron más de 3. Contenido de aceite (% del peso seco) 60a 60a 56a ~ 42a 41. d cultivo heterotrófico. Nannochloris y Dunaliella son especies marinas con buenas ventajas para ser cultivadas en zonas costeras. Xiong et al. NR = no reportado .22 12. 2006). 2010. 2000) y con Botryococcus braunii (Li y Qin. a contaminantes y al efecto físico de la agitación o turbulencia. El Departamento de Energía de Estados Unidos financió de 1978 a 1996 un programa para desarrollar combustibles renovables a partir de algas. m = marina y d = dulceacuícola. e Ausencia de nutrientes. cultivadas en estanques al aire libre utilizando el CO2 liberado de centrales termoeléctricas que usaban carbón como combustible. La tabla 1 muestra las diferencias del contenido de aceite en algunas especies de microalgas.. b Cultivo bajo deficiencia de nitrógeno.77 82 NR 133 90 127. (m) Chlorella vulgaris (d) Nanochloropsis oculata (m) Dunaliella (m) Choricystis minor (d) Chlorella protothecoides (d) Chlorella vulgaris (d) Scenedesmus rubescens (m) a Referencia Solovchenko et al. con especies de Dunaliella (Takagi et al.3d 21d 73e Productividad de lípidos (mg L-1 d-1) NR 204 13. (2008) Rodolfi et al. no debe excretar autoinhibidores (Griffiths y Harrison. (2009) Takagi et al. Además. (2009) Widjaja et al. fue la producción de biodiesel a partir de algas con alto contenido de aceite. Tabla 1. Contenido de aceite de algunas especies de microalgas. c Cultivo con suficiencia de nutrientes. denominado Programa de Especies Acuáticas. (2008c) Gouveia y Oliveira (2009) Francisco et al (2010) Chiu et al. 2007) y existen diversos estudios con especies del género Chlorella (Liu et al. (2009) Mendoza et al. esteroles. 2008c. los cuales varían dependiendo de la especie: lípidos polares. investigaron 6 especies de microalgas tanto marinas como dulceacuícolas para elegir en términos de cantidad y calidad de aceite la mejor materia prima para la producción de biocombustibles. Hu et al.. lo cual las sitúa como adecuadas para tal fin.. (Arthrospira) aumentó de 8% a .. observándose un mayor contenido de lípidos en la fase estacionaria con respecto a la fase logarítmica (Spolaore et al. fósforo. 2010.. 2010). la fase de crecimiento y la edad del cultivo también afectan al contenido y composición de los ácidos grasos. ocurre síntesis y acumulación de grandes cantidades de triglicéridos. es particularmente promisoria para la producción de aceite.. La influencia de la deficiencia de nitrógeno sobre la síntesis de lípidos fue descrita primero en algas verdes (Shifrin y Chisholm.2 Inducción del aumento de la productividad de lípidos Las microalgas sintetizan ácidos grasos como precursores para la síntesis de varios tipos de lípidos. Los principales estímulos químicos son la deficiencia de nutrientes (nitrógeno. (2002) reportaron que en Parietochloris incisa se observó un alto contenido de triacilgliceroles (43% del total de ácidos grasos) en la fase logarítmica. Sin embargo. (2001).. acompañada por considerables alteraciones en la composición de los lípidos y ácidos grasos. Li et al. El contenido total de los lípidos en las microalgas puede variar desde 1 hasta 90% del peso seco. Gouveia y Oliveira (2009). ya se han desarrollado herramientas de manipulación genética en ciertos sistemas modelo para manipular el metabolismo central del carbono en estos organismos (Radakovits et al. Además de estos factores. Cuando las microalgas se someten a condiciones de estrés impuestas por estímulos ambientales químicos y físicos. los triacilglicéridos. encontrando que Nannochloropsis sp. Mendoza et al. con respecto a los nutrientes. dependiendo de la especie y de las condiciones de cultivo (Spolaore et al. La deficiencia de nitrógeno es. ceras. 2008). Sin embargo. los físicos son la temperatura y la intensidad luminosa. terpenos. 2010. Rodolfi et al.. Chisti. respectivamente). fosfolípidos.... Con respecto a la fase de crecimiento.. (marina) fueron las que mostraron mayor contenido de lípidos (29 y 28.. la salinidad y el pH del medio de cultivo. 2006. carotenoides.) 4. 2008).. se encuentra en etapas muy tempranas.7%. 2008. el cual aumentó hasta 77% en la fase estacionaria. 2009). lípidos neutrales. 2009. 2008. 1980). Solovchenko et al. es posible que los resultados de esta estrategia sean de mediano y largo plazo. 2007). Rev Latinoam Biotecnol Amb Algal 1(1):91-116 101 Recientemente. el factor que más afecta el metabolismo de los lípidos (De et al. 2008. Neochloris oleoabundans (dulceacuícola) y Nannochloropsis sp. azufre y silicio). 1999. reportaron que el contenido de lípidos totales de Spirulina sp. tocoferoles. aunque estudios posteriores también lo han demostrado con cianobacterias. varios grupos de investigación han incursionado en la línea de investigación para generar cepas genéticamente mejoradas. Bigogno et al. solos o en combinación. Aunque la aplicación de la ingeniería genética para mejorar la producción de lípidos en fenotipos de eucariontes. considerando que se ha enfatizado que todavía se requiere generar mucho conocimiento para posteriormente lograr manipular el metabolismo de lípidos en algas (Greenwell et al.. De igual manera. una especie marina. investigaron 30 especies para seleccionar aquellas con alta productividad en biomasa y alto contenido de lípidos. 2006.Loera-Quezada y Olguín. quinonas (Hu et al. Hu et al. (2009). Gouveia y Oliveira. glicolípidos. Olguín et al. sólo los lípidos neutrales son adecuados para la producción de biodiesel y de éstos. Rodolfi et al. Últimamente. 2008). en el género Dunaliella. se describió que a una alta intensidad luminosa. se compararon las productividades tanto en medio suficiente de nitrógeno. aunque estos datos deben considerarse con reserva. (Hoshida et al.. una intensidad luminosa baja induce la formación de lípidos polares (fosfolípidos y glucolípidos). como en medio deficiente.. el contenido de pigmentos y en la actividad fotosintética. Después de hacer crecer bajo condiciones limitantes de nitrógeno a dos cepas marinas y a dos cepas de agua dulce. 20:5n-3) en la microalga marina Nannochloropsis sp. Bajo condiciones de deficiencia de nitrógeno. Asimismo. 1983). con una productividad de biomasa de 0. acumula ácido araquidónico (AA) (20:4) y que hasta el 90% del total del AA está depositado en forma de TAGs. ésta influye notablemente en la composición química en general. los cuales están funcional y estructuralmente asociados a las membranas celulares (Hu et al. Neochloris oleoabundans puede acumular hasta el 80% de sus lípidos totales en forma de triglicéridos y la mayoría de sus ácidos grasos son saturados en el rango de 16 a 20 carbonos. en condiciones limitadas de nitrógeno. aumentó de manera significativa el contenido de AA respecto al total de ácidos grasos (Solovchenko et al. En contraste. 2010. Con respecto a la temperatura. Los autores señalaron que se pueden obtener entre 20 y 30 ton de lípidos por hectárea. Rodolfi et al. incisa. encontraron que P. se alcanzaron los más altos contenidos de ácidos grasos totales y que bajo deficiencia de nitrógeno.. se ha observado en muchas algas y cianobacterias que la insaturación de los ácidos grasos se incrementa cuando desciende la temperatura y viceversa. En relación a microalgas verdes. (2009). aunque la productividad de biomasa disminuyó a 0. En uno de sus trabajos..36 g L-1 d-1 y una productividad de lípidos de 117 mg L-1 d-1. se ha descrito que su principal lípido de reserva son los triglicéridos y que bajo condiciones de limitación de nitrógeno y con 1% de CO2. Finalmente. Generalmente. Rev Latinoam Biotecnol Amb Algal 1(1):91-116 102 28.. bajo condiciones de estrés (Tornabene et al.. También se ha reportado que la adición de 2% de CO2 estimuló la acumulación de ácido eicosapentanoico (EPA. Entre otros estudios relacionados también a la inducción de lípidos del tipo TAG (triacilglicéridos) bajo condiciones de limitación de nitrógeno. cuando se sometió a una limitación por N y además se cultivó a una intensidad luminosa muy baja (66 µmol fotón m-2 s-1) en un medio com-plejo.3 g L-1 d-1.6% del peso seco. dado que la unidad experimental utilizada para generarlos fue de un volumen de 110 litros. Con relación al efecto de la intensidad luminosa. cuando la temperatura aumenta. En experimentos realizados con fotobiorreactores (FBRs) de 110 litros. 1998). aumenta la saturación de los ácidos grasos. Recientemente. respecto a los lípidos totales (Gordillo et al. lo cual la coloca como una de las especies con mayor potencial para la producción de biodiesel. destacan los realizados con Parietochloris incisa (Trebuxiophyceae) por el grupo de Cohen en Israel. Se encontró que en el primer medio.Loera-Quezada y Olguín. seleccionaron a Nannochloropsis sp por haber acumulado el 60% de lípidos bajo estas condiciones. 2002). esta microalga marina contenía 32 % de lípidos. . el contenido de ácidos grasos alcanzó el 35% del peso seco y el AA excedió el 60% de los ácidos grasos (Khozin-Goldberg et al. muy pocos estudios sobre la inducción de lípidos por limitaciones de nutrientes se han realizado en condiciones exteriores con reactores a escala piloto. éstos aumentaron del 1% al 22%. 2008). el contenido de lípidos aumentó al 60% y la productividad de lípidos a 204 mg L-1 d-1. 2005).. ya que en muchas ocasiones. 4. Khotimchenko y Yakovleva. rica en nitrógeno y fósforo. 2006. resultando además en la preservación de los valiosos recursos hídricos.3 Uso de las microalgas como estrategia para la mitigación del CO2 y el tratamiento de aguas residuales La capacidad de las microalgas para fijar el CO2 es de 10 a 50 veces mayor que la de las plantas terrestres.. 2008). Wogan et al. Solovchenko et al.3 a 1. ya que las microalgas son capaces de remover eficientemente el nitrógeno y el fósforo así como algunos metales pesados (Mallick. 2010.8 toneladas de CO2 (Chisti. 2008). 2002. se consumen de 1. La mitigación del CO2 con microalgas puede ser económicamente más rentable y ambien- talmente sustentable cuando el proceso se combina con otro como el tratamien-to de aguas residuales (Harmelen y Oonk.. es carbono derivado del CO2. 2001. las microalgas consumen la mayor cantidad de CO2 en todo el planeta (Wang et al.. por lo tanto. las altas intensidades luminosas influyen en la disminución del contenido total de lípidos polares con el concomitante incremento de la cantidad de lípidos de almacenamiento. Wang et al. 2008). Rev Latinoam Biotecnol Amb Algal 1(1):91-116 103 En contraste. Figura 5... principalmente triglicéridos (Olguín et al. Aproximadamente la mitad de la biomasa en peso seco de las microalgas. 2005. 2008) (Fig. resultando en la eutrofización de ríos y lagos y el surgimiento de microalgas nocivas (Wang et al. 2008). Por lo tanto. 2008). Larsdotter. por tal motivo. 2008. se vierte a los cuerpos de agua.Loera-Quezada y Olguín. . 2003.. Powell et al. Olguín. La producción de biodiesel a partir de microalgas puede contribuir a la mitigación de CO2 y al tratamiento de aguas residuales en un proceso rentable y ambientalmente sustentable. el agua residual sin tratar. 2006. La combinación del tratamiento de aguas residuales y la fijación del CO2 con el cultivo de microalgas provee un incentivo adicional debido a la reducción de compuestos tales como nitratos y fosfatos.. por cada tonelada producida de biomasa algal (peso seco). 5). la combinación del cultivo de microalgas con el tratamiento de aguas residuales incrementa el beneficio ambiental de la mitigación del CO2. aurorabiofuels.asp). 2010.. Rev Latinoam Biotecnol Amb Algal 1(1):91-116 104 El uso de microalgas para tratamiento de diversos tipos de aguas residuales.ebri..shtml) y e) Lagunas abiertas (LA) también conocidas como “raceways” (http://www. c) Vertical Algae Technology (VAT) (http://www. González et al. 2008) y más recientemente con el doble propósito de tratarlas y de producir biomasa algal para la producción de biocombustibles (Bhatnagar et al.. 2010. d) FBR tipo placa (http://biofuels. Olguín et al. 2000. ha sido objeto de estudios en la última década (Phang et al. Li et al.valcent. 2006. Bécares.edu/biomaterials.. Olguín. a) FBR tubular (http://www.oilgae. 2002. Hu y Sommerfeld. 2003. debe tomarse en cuenta que pueden presentarse problemas adicionales tales como contaminación del cultivo y toxicidad de algunos compuestos presentes en las aguas residuales. 2008. 2008.com/).4 Selección del tipo de reactor más adecuado para el cultivo de microalgas oleaginosas La producción de microalgas oleaginosas con el objeto de obtener biodiesel se puede realizar tanto en reactores cerrados.uk/index.org. . Grönlund.Loera-Quezada y Olguín. Asplund. Johnson y Wen. en este último caso.com/).net/s/Home. 2004. conocidos como raceways o Lagunas Abiertas (LA) que tienen el mismo diseño que las Lagunas de Oxidación de Alta Tasa (LOATs) (Fig. Powell et al. b) FBR tubular (http://www. 2003. 2010. generalmente llamados fotobiorreactores (FBRs) o en reactores abiertos.html).6). 2010). Figura 6.. Sin embargo. 4. Tipos de reactores para el cultivo masivo de microalgas..asu. los cuales son sistemas cerrados que permiten un control más preciso de las condiciones de cultivo. de operación y de producción de biomasa.. la obtención de una alta productividad de biomasa y se puede evitar la contaminación (MolinaGrima et al.. 1999. así como de las LA o raceways.Loera-Quezada y Olguín. Sin embargo. 2008. la cual a su vez. pero tienen áreas de iluminación menores respecto al resto de los FBRs (Ugwu et al. La figura 7 muestra una comparación de diversos parámetros de diseño y costo entre los fotobiorreactores de tipo placa plana y tubulares. los tipo placa plana y los tubulares horizontales inclinados son los mejores.. el sistema de mezclado es deficiente lo que origina una baja concentración celular. se mantienen en agitación mediante paletas giratorias y en ocasiones. Algunas características de las Lagunas Abiertas (LA) y los fotobiorreactores de placa plana y fotobiorreactores tubulares (Molina Grima y Acién (2009). el cultivo de una sola especie por tiempos prolongados.. los airlift y el tipo tanque agitado son de fácil escalamiento. origina una baja productividad. costosa recuperación del producto de medios diluidos y dificultad para el control de la temperatura y el pH. sufren importantes pérdidas de agua por evaporación. y de CO2 por difusión a la atmósfera. 2008). excepto por la dificultad de escalamiento. 2008). Wogan et al. La mayoría de los FBRs expuestos a condiciones ambientales exteriores se caracterizan por tener grandes áreas de iluminación y desde este punto de vista. tienen varias desventajas: requieren de grandes áreas de terreno. 2007. 2008).. cuentan con mecanismos para suministrar CO2 y nutrientes. 2010. (Chisti. Ugwu et al. Rev Latinoam Biotecnol Amb Algal 1(1):91-116 105 Las LOATs y las LA son de forma elipsoidal con una separación central que permite formar canales poco profundos en forma de circuito cerrado. Ésta última también resulta afectada por contaminación con otras algas y/o por organismos que se alimentan de microalgas. mientras que los de columna de burbujeo. Figura 7. Estas desventajas de las lagunas abiertas estimularon el desarrollo de diversos tipos de fotobiorreactores. Ugwu et al. comunicación personal) . Las principales ventajas son el bajo costo de construcción. (Israel).Loera-Quezada y Olguín. ferredoxina. f) Nannochloropsis sp.. 1997). seca y g) biodiesel. La figura 8 muestra la producción de Nannochloropsis sp. beta caroteno y ficocianina (Carvalho et al. El debate se centra fundamentalmente en dos aspectos: los FBRs son mucho más productivos que las LA y permiten controlar mejor las posibles contaminaciones y sin embargo. El resultado de esta situación es que los procesos desarrollados en reactores cerrados no son rentables todavía a gran escala y algunas experiencias comerciales de este tipo han fracaso en los últimos años (ejemplo: planta en Alemania del Dr. utilizando lagunas abiertas. aunque la mayoría son experiencias a nivel laboratorio y muy pocas a nivel de planta piloto (Rodolfi et al. es importante mencionar que existen numerosos reportes en la literatura sobre el uso de FBRs para la producción de microalgas. c) cultivo en LOATs. 2008). Las revisiones sobre este tema son diversas. 2010. De hecho. 2009). a) Nannochloropsis sp. Figura 8. Benneman. a escala comercial para la producción de biodiesel por la empresa Seambiotics Ltd. Otto Pulz). Cultivo de Nannochloropsis sp. e) cosecha de biomasa. Chisti (2007) favorece el uso de FBRs y sin embargo otros expertos que han tenido años de experiencias de cultivo de microalgas a escala comercial defienden ampliamente el uso de las lagunas abiertas o raceways (Ben-Amotz..). (Ben-Amotz. b) cultivo en laboratorio. 2006) y también para producción de biomasa de Spirulina (Arthrospira) grado consumo humano y acuicultura (Belay.. Rev Latinoam Biotecnol Amb Algal 1(1):91-116 106 Por otro lado. en lagunas abiertas (LA) para la producción de biodiesel en Israel (Seambiotic Ltd. d) co-bio-floculación. lo que impide un costo adecuado de producción de biomasa (ver sección de factibilidad económica). 2009. son mucho más costosos. todas las plantas de producción de microalgas a gran escala operando actualmente. 2009) . utilizan LA para la producción de astaxantina. el costo de recuperación asciende a 60% del costo total de producción (Molina Grima et al. 2007). es obtener la mayor densidad celular posible y minimizar el riesgo de contaminación. el costo de la cosecha determina la viabilidad económica de todo el proceso (Olguín. 2003).. El resultado esperado es una alta densidad celular y un alto contenido de aceite (Ryan. 2003). La segunda etapa se realiza en lagunas abiertas usando el inóculo producido en el primer paso y se estimula la biosíntesis de lípidos bajo condiciones de limitación de nutrientes. consiste en la cosecha y extracción de los mismos. menor uso de agua y menor pérdida de CO2 Mejor utilización de la luz y mejor mezclado Control en las condiciones de cultivo DESVENTAJAS Utilización deficiente de la luz Luz y temperatura difíciles de controlar Contaminación y evaporación Costosos y complejos Difícil control de la temperatura Daño celular por turbulencia Deterioro de materiales Deterioro de equipo por corrosión biológica Acumulación de oxígeno Fotobiorreactores En resumen. Ventajas y desventajas de las lagunas abiertas y los fotobiorreactores para producción de biomasa algal (Ma.Loera-Quezada y Olguín. 2009). Rev Latinoam Biotecnol Amb Algal 1(1):91-116 107 Tabla 2. 2010. Se considera en general que los problemas básicos son: a) el tamaño de las microalgas (entre 3 y 30 μm).. el sistema de cultivo híbrido (Schenk et al. TIPO DE REACTOR Lagunas Abiertas VENTAJAS Sencillos y baratos de construir Fáciles de operar y mantener Alta productividad Menor contaminación.5 Cosecha de biomasa celular y extracción de lípidos Se conoce ampliamente que uno de los cuellos de botella y retos a vencer más importante respecto a la producción de biomasa microalgal y de metabolitos en particular. 2009). ya que la mayoría de las microalgas no acumulan biomasa ni producen lípidos de manera simultánea. 2009). bajo condiciones de suficiencia de nutrientes. En el caso de algunos metabolitos o nutracéuticos de alto valor agregado como el ácido eicosapentanoico (EPA en inglés). La primera etapa se lleva a cabo en sistemas cerrados (FBRs). b) el que los cultivos tienen una densidad celular relativamente baja. Incluso. en la primera se incrementa la densidad celular y en la segunda se incrementa la acumulación de lípidos. 4. El objetivo en esta etapa. es optar por un cultivo que integra ambos sistemas. Este sistema se realiza en dos etapas. las ventajas y desventajas de ambos tipos de reactores se muestran en la tabla 2 (Ma. . La combinación de ambos sistemas es probablemente la elección más adecuada para obtener la mayor productividad tanto de biomasa como de lípidos. especialmente en las lagunas abiertas (< 0. 2008).5 kg∙m-3 de biomasa seca) y se requiere cosechar grandes volúmenes de líquido y c) que el costo de la cosecha contribuye de una manera muy importante (del 20 al 40%). Este sistema fue adaptado exitosamente para el cultivo a escala comercial (2 ha) de Haematococcus pluvialis para la producción de astaxantina y aceite (Huntley y Redalje. en procesos de tratamiento de aguas con microalgas. al costo total de producción de la biomasa. que pueden ser desde simples bolsas de plástico hasta FBRs de alta complejidad. Una manera de evitar algunas de las principales desventajas del uso de las lagunas abiertas y de los fotobiorreactores. 2001). este proceso se puede realizar con o sin rompimiento celular previo. la floculación con ciertas modificaciones a la floculación tradicional que utiliza sales metálicas que contaminan la biomasa. 2010. flotación o técnicas de electroforesis. pirúvico o derivados sulfatados (De Philippis et al. El proceso es prometedor dado que se encontraron buenos porcentajes de recuperación de más del 90% y un factor de concentración de 226 (Lee et al. Por otro lado. tales como el acetato. radicales acetilo. del grupo de los cocolitofóridos.. se ha recomendado el uso de otros procesos no convencionales para la recuperación a bajo costo de Chlorella para producción de biodiesel. En contraste. la mayoría de los métodos de floculación no son adecuados para la cosecha de biomasa algal para la producción de un bien de bajo costo como el biodiesel. 2009).. en el que se utilizaron compuestos carbonados de fácil disponibilidad. se ha determinado que los polisacáridos extracelulares son heteropolímeros aniónicos complejos que en su mayoría contienen ácido urónico y otras moléculas peptídicas. en la actualidad. se basa en el hecho de que la superficie de todas las bacterias. se desarrolló un proceso para la recuperación de la microalga marina Pleurochrysis carterae.. 2010). (2010). Johnson y Wen ( 2010) reportaron el cultivo de esta microalga sobre una superficie de espuma de poliestireno. sedimentación por gravedad. Sin embargo. Rev Latinoam Biotecnol Amb Algal 1(1):91-116 108 Los métodos más comunes de cosecha de la biomasa algal incluyen centrifugación (especialmente en el caso de las microalgas unicelulares). reportaron que el uso de almidón catiónico fue muy eficiente para flocular microalgas de agua dulce (Parachlorella. 2009). la centrifugación es el proceso más costoso y generalmente se aplica sólo cuando se recuperan metabolitos de alto valor agregado (Uduman et al. Aunque este método no convencional parece prometedor. En consideración a estos aspectos.. En relación a la extracción de los lípidos intracelulares. cianobacterias y microalgas están cargadas negativamente debido a la presencia de polisacáridos extracelulares (Lee et al. 2009). y algunos de ellos muestran interferencia con el agua de mar (Lee et al. Sin embargo. la filtración no es un método fácilmente aplicable a la producción de biodiesel a partir de microalgas. La recuperación de biomasa microbiana por floculación. filtración cuando se han formado flóculos o se trata de microalgas o cianobacterias relativamente grandes o filamentosas y en algunos casos. Scenedesmus) pero no para flocular microalgas marinas (Phaeodactylum. La extracción de los lípidos se puede realizar con solventes químicos en una o dos etapas . el Greenfloc 120 fue más eficiente que el Cargill C*Bond. El rompimiento celular puede llevarse a cabo por métodos tradicionales como el uso de la “prensa francesa” que utiliza altas presiones o por un método más moderno que es la electroporación. Vandamme et al. En el caso de las cianobacterias.65 gm-2 en base seca y un rendimiento de ácidos grasos de 2. Por otro lado. está siendo investigada por diversos grupos de investigación. Además. En consideración a que la mayoría de las microalgas oleaginosas son pequeñas o no filamentosas.Loera-Quezada y Olguín. logrando una productividad de biomasa de 25. faltan estudios a mayor escala en los que se resuelva de manera viable el raspado de las placas de poliestireno que se colocan en la base de las superficies de cultivo.31 gm-2 a escala laboratorio.. el glicerol y la glucosa para cultivarla y promover la formación de polisacáridos extracelulares y la floculación de las células. Nannochloropsis). en el cual se aplica un campo eléctrico a las células para lograr perforaciones en su pared celular. encontraron que de los floculantes de tipo de almidón catiónico disponibles en el mercado. 50 dólares por barril el 18 de Marzo del 2010 (Preciopetroleo. Factibilidad económica de la producción de biodiesel a partir de microalgas La factibilidad económica de este producto está en función del precio del petróleo.00 dólar/kg de biomasa microalgal. Los costos del barril de petróleo han sido muy variables en los dos últimos años puesto que han estado sujetos a las presiones de la economía internacional. en relación a las reacciones de transesterificación por vía enzimática.. La OPEP ha previsto que el consumo de crudo se mueva al alza.net). respectivamente). el cual ofrece las ventajas de una inversión menor de capital. Es importante mencionar que la extracción con solventes no es amigable con el ambiente. 2009). la mayoría de los trabajos que han evaluado esta situación a nivel internacional (revisado por Milledge. una operación más segura y una producción simultánea de aceite y de fracciones ricas en proteína con menos daño. Sin embargo. lo producen aún a escala comercial y a costos competitivos (Pienkos y Darzin. Esta es la razón por la cual ninguna de las 50 empresas que han surgido para producir este tipo de biodiesel. el precio del petróleo crudo de Texas alcanzó los $ 82. Por otro lado. . 2009). 2010).6%. en el que los precios del petróleo están al alza. Dentro de este contexto. fue la más eficiente tanto en el sistema libre de solvente como en el sistema con terbutanol como solvente..2% respectivamente). Rev Latinoam Biotecnol Amb Algal 1(1):91-116 109 (Schenk et al. dado que el diesel del petróleo es el principal producto con el que tiene que competir. especialmente por las emisiones a la atmósfera y por la disposición final del mismo.Loera-Quezada y Olguín.. Rodolfi et al. para la transesterificación de ácidos grasos de origen animal (Rivera et al. 2008. De hecho. 2008. 2008). 2009. Dentro de este escenario. Garibay et al. evaluaron cinco métodos diferentes ya descritos en la literatura y concluyeron que el más adecuado para extraer los lípidos de Botryococcus braunii y de Synechocystis sp.. Tran et al. 5. se han utilizado diversas enzimas para mejorar la extracción de lípidos en este tipo de proceso. fue un método de un solo paso con derivatización para formar metil ésteres “in situ”. la viabilidad del biodiesel a partir de microalgas es más factible. alcanzando porcentajes de recuperación hasta del 90% (de Moura et al. Más aún. Schenk et al.13 millones de barriles por día y ha insistido en considerar aceptable un precio de 75 a 85 dólares por barril para el 2010.8% y 5.. 2010. en comparación con extracción con n-hexano (7. tanto de células liofilizadas como de muestras líquidas (16% and 8. la limitante principal continúa siendo el costo de la producción de biomasa como lo han indicado previamente varios autores (Chisti. En consideración a lo anterior. se describió el uso exitoso de solventes de polaridad intercambiable (switchable-polarity solvents (SPS) para extraer los lípidos de Botryococcus braunii (Samori et al. (2009). Recientemente.. 2008). se han desarrollado métodos alternativos de extracción tales como el Proceso de Extracción Acuosa (AEP en inglés). coinciden en dos puntos como requisitos esenciales para que este proceso sea competitivo: a) El costo de producción de la biomasa debe ser menor a $ 1.. se ha descrito que el uso de lipasas comerciales (Novozymes) de origen microbiano y en especial la lipasa N435 obtenida de Candida antarctica e inmovilizada en soporte hidrofóbico. 2009). tras 2 años consecutivos de descensos y alcance los 85. La mezcla DBU/octanol mostró los rendimientos de recuperación más altos. 2010).. 94 1 n. Costo de biodiesel de microalgas en distintos escenarios. c) Considerar que a gran escala. el costo del galón de biodiesel en términos de equivalentes de energía fue de $ 0. Por lo anterior.5 veces más costoso que la opción más competitiva de producción de biodiesel utilizando LA. EE: Equivalentes de Energía .a. es 16. los cultivos a escala comercial de las tres especies de microalgas que ya se han explotado desde hace algunas décadas Spirulina (Arthrospira).0 $0. además del biodiesel. los fotobiorreactores presentan numerosos problemas de operación. 2006). 16. se realizan en lagunas abiertas (Borowitzka.a 3.46 Abierto 20 n. En dicho estudio se compararon los costos de producción de la biomasa tanto en fotobiorreactores (FBRs) cerrados como en lagunas abiertas (LA) y se consideraron una serie de variables que permiten disminuir los costos de producción del biodiesel como producto final.2 1. Finalmente.2 0. Dunaliella y Chlorella. una disminución del 50% en el costo de inversión y otra de 50% por reciclar el hexano utilizado durante la transesterificación.a. todavía no son una opción rentable de acuerdo al estudio de factibilidad económica de la producción de biodiesel a partir de microalgas realizado por Gao et al.29 Abierto 20 $0. La conclusión fue que la producción en FBRs cerrados.a 2.94 dólares (Tabla 3). se consideró un 30% de aumento en la productividad de la biomasa respecto a los sistemas actuales y que el costo del CO2 es mínimo ($0. Esto favorece el concepto de “Biorefinería” en la que se generan varios co-productos. se recomiendan los siguientes aspectos a tomar en cuenta tanto en el diseño de procesos.a 4. 2009) Aumento del Costo del Tipo de sistema Rendimiento Costo del CO2/kg biodiesel algal actual (%) EE1 $/gal Cerrado (50% costo de inversión. En estas condiciones.. En contraste. d) Considerar que los fotobiorreactores (FBRs).02 Abierto 0. (2009).2 dólares/kg). del tipo de los nutraceúticos.24 Abierto 30 n. cifras no realistas con relación a este parámetro. aún con consideraciones de altísimos rendimientos de biomasa (60% por arriba de los actuales reportados).54 recuperación de hexano) Abierto 15 n. Tabla 3. Es muy común encontrar en la literatura.61 Abierto 30 $0.Loera-Quezada y Olguín. Rev Latinoam Biotecnol Amb Algal 1(1):91-116 110 b) Se deben producir simultáneamente una serie de co-productos de alto valor agregado a partir de la biomasa residual que queda después de la extracción del aceite. fertilizantes y metano. b) No realizar proyecciones de gran escala utilizando datos de pequeña escala a nivel laboratorio. utilizando dos sistemas de producción: fotobiorreactores cerrados (FBRs) y lagunas abiertas (LA) o raceways (Gao et al.2 2. En esta última. deben favorecerse los financiamientos para llegar a producción de planta piloto o de gran escala. no aplica. como en la evaluación de su factibilidad económica: a) Utilizar datos reales resultados de la experimentación con relación al contenido de lípidos en la cepa a utilizar. especialmente en la de divulgación y de mercadotecnia de empresas. 2010. incluso el uso del incentivo de producción de biodiesel que se ofrece en los Estados Unidos (biodiesel tax credit). 50% 60 n. Linköpings University. que permitan mayores rendimientos a menores costos. Referencias Adamczak.5 hp. Comentarios finales La producción de biodiesel a partir de microalgas ha pasado por diversas etapas desde hace varias décadas. Economía Mexicana. 2006. están relacionados a dar respuestas creativas y rentables para lograr: a) aumentar la productividad de biomasa microalgal con el mayor contenido de lípidos del perfil adecuado. M. Rev Latinoam Biotecnol Amb Algal 1(1):91-116 111 6.. Agradecimientos Maribel M. estén dispuestas a compartir la propiedad intelectual con los investigadores latinoamericanos. 291-325. 2009.Loera-Quezada y Olguín. 2010. Bednarski. A. c) diseñar nuevos procesos de cosecha de biomasa por medio de biofloculación o uso de cepas con capacidades intrínsecas de autofloculación. G. Sweden. Vol. Nueva Época. aún falta mucho por recorrer en el campo de la verdadera vinculación para que los empresarios. 2008. d) optimizar métodos de extracción de lípidos y de su transesterificación. Projekt Mikrobiell Bioteknik 7. Los retos científicos y tecnológicos que se requieren vencer para lograr disminuir los costos de producción de biomasa algal. The application of biotechnological methods for the synthesis of biodiesel.C. Asplund. U. Alarco. el surgimiento de numerosas compañías privadas interesadas en invertir en este nuevo tipo de bioenergético es reciente. atrayendo cada vez a un mayor número de investigadores de todo el mundo. 2005-2030. b) lograr mayores rendimientos de biomasa microalgal en reactores que ofrezcan costos de inversión y de operación competitivos.. para realizar esta línea de investigación. Algal biomass growth as a step in purification of leachate. Olguín agradece el apoyo del INECOL. Loera-Quezada es becaria del Consejo Nacional de Ciencia y Tecnología. http://www. Bornscheuer. es la generación de nuevas políticas públicas a nivel nacional e internacional para el fomento de la I & D no sólo en la producción de biodiesel.astm. XV (002) pp. sino de biodiesel a partir de microalgas. Eur J Lipid Sci Technol 111(8):808-813.T.org . aunque registra un crecimiento intenso y cada año existen numerosos foros y reuniones para promover la inversión en la investigación y desarrollo de este tipo de biodiesel. W. Finalmente. ASTM Internacional. inviertan en grupos de investigación de países en vías de desarrollo. M. A. e) diseñar nuevos procesos para la generación de co-productos de alto valor agregado.C. tanto nacionales como extranjeros. También sería muy deseable que las compañías que buscan aprovechar las condiciones climáticas favorables de países en el continente americano al sur de Estados Unidos. Crecimiento económico y emisiones de CO2 por combustión de energéticos en México. El apoyo de las entidades gubernamentales más relacionadas a esta temática se hace imprescindible para lograr que los grupos de investigación avancen en sus desarrollos y se puedan llevar a cabo evaluaciones técnicoeconómicas a una escala piloto o semiindustrial. Eugenia J. así como de producción de biodiesel a costos competitivos. CONACYT-México para realizar su Doctorado en Ciencias en el INECOL. El auge académico que mostró desde los años ochentas se ha incrementado en la última década. Por otro lado. Otro factor de gran importancia que debe surgir. Y.C. M.C. [Online] Murdoch University. ed). Limnetica 25(1-2):143-154. Campbell.M. 2010. K. Paperi.K. Sili. Fukuda. B. M. Borowitzka. 2006.. 2008. Ireland. Ebi..-H.-S. C. Sheldon.. Biotechnol Adv 25(3):294-306. http://www.. Ghalambar C. Francisco. Chen.. Belay A. C. 2010. 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Ciudad Autónoma de Buenos Aires.21%.2) en plasma heparinizado y se realizaron cortes histológicos de la piel para evaluar el daño celular.ar Resumen El fotoenvejecimiento ocurre por exposición a radiaciones solares de longitudes de onda del ultravioleta (UV).44% con respecto al control. La actividad de creatina cinasa. Palabras clave: cianobacteria. creatina cinasa. fotodaño. 2010. Los ratones se pesaron semanalmente y al final de los tratamientos se extrajo sangre en la cual se determinó la actividad de creatina cinasa (ATP creatina Nfosfotransferasa.. Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas (CONICET) * 1 Autor de correspondencia: cyanob@bg. ambos tratamientos disminuyeron el fotodaño manteniendo la integridad de la epidermis e incrementando el número de folículos pilosos que en algunos casos dan origen a pelos dobles o triples lo cual indica que S. disminuyó un 49. ratones. Universidad de Buenos Aires.3.López-Agüero et al. que aumentó por efecto del UVC. Laboratorio de Fisiología Vegetal y Biología de Cyanobacteria. disminuyó la actividad de creatina cinasa en un 27.uba. Intendente Güiraldes 2620 CP 1428. 2 Laboratorio de Ecoporfirinas.fcen. Storni1. se ha señalado a las cianobacterias como fuente de numerosas sustancias bioactivas. e irradiados diariamente. los cuales pueden producir la ruptura del DNA. Mónica M. Spirulina (Arthrospira) platensis. Rev Latinoam Biotecnol Amb Algal 1(1):117-123 117 Nota científica Spirulina (Arthrospira) platensis en la prevención del fotodaño celular producido por luz ultravioleta en ratones CF1 Lucía López-Agüero1. En conclusión. Universidad de Buenos Aires. En la búsqueda de compuestos bioactivos capaces de reducir el aumento en la producción de radicales libres. . (Arthrospira) platensis. cuando se aplica a la piel con 100 μL de extracto crudo etanólico de S. (Arthrospira) platensis como complemento dietario y aplicación sobre la piel del extracto crudo etanólico de biomasa. EC2. (Arthrospira) platensis es una fuente promisoria de productos naturales con efecto antienvejecimiento. El objetivo del presente trabajo ha sido evaluar el efecto protector de Spirulina (Arthrospira) platensis en ratones expuestos a luz UVC.7. originado por el estrés medioambiental. M. En tanto que administrada como complemento dietario. Existe un especial interés por encontrar una fuente natural que produzca compuestos bioactivos capaces de reducir el aumento en la producción de radicales libres originado por el estrés medioam-biental.3. Cyanobacteria have been cited as a source of a variety of promising substances. Introducción Los rayos ultravioleta lesionan los queratinocitos.7. (Arthrospira) platensis is a promising source of natural compounds with anti-aging effect. manchas y textura engrosada.. dando como resultado su envejecimiento. En consecuencia. evitando el daño oxidativo y . la exposición repetida a la luz solar produce daños en la piel tales como arrugas.López-Agüero et al. In order to evaluate the cellular damage. and were daily irradiated. retrasa la aparición de características asociadas con el envejecimiento celular. Female adult mice CF1 were given S. S. melanocitos y fibroblastos cutáneos porque provocan la liberación de radicales libres.21%. los cuales pueden producir la ruptura del ADN. 2010. cellular membrane lipid damage and cellular metabolism interference. que agregada a cultivos de piel humana. Mice were weighted every week. en particular por luz UV.44% compared with the control when the skin was treated with 100 λ S. Creatin kinase activity increased with UVC radiation and decreased by 49. In the search of new bioactive compounds capable of reducing the free radicals produced by environmental stress. J. creatin kinase. at the end of the experiment. 2008). creatin kinase (ATP creatin kinase N-phosphotranferase. Tal es el caso de la citocinina sintética cinetina. En la búsqueda de este tipo de compuestos se ha señalado a las cianobacterias como fuente de numerosas sustancias bioactivas. o en zonas con alta polución donde la capa de ozono está disminuida (Ke et al. Spirulina (Arthrospira) platensis. EC 2. Given as dietary supplement. ultravioleta B (UVB) de 280 a 320 nm y ultravioleta C (UVC) de 100 a 290 nm. Rev Latinoam Biotecnol Amb Algal 1(1):117-123 118 Abstract Exposition to solar light may cause photoaging. due to the production in excess of free radicals. responsible for the DNA molecule rupture. Este fotoenvejecimiento ocurre por exposición a radiaciones solares ultravioleta (UV) que se clasifican en ultravioleta A (UVA) de 320 a 400 nm. The aim of this work is to evaluate the protective effect of Spirulina(Arthrospira) platensis on mice exposed to UVC light. Both treatments decreased the photodamage keeping the epidermal integrity and increasing the number of hair follicles which occasionally produced double or triple hairs indicating that S. 1996) que ejercen efecto antienvejecimiento y regulan la división celular (Kieber. (Arthrospira) platensis ethanolic crude extract. 1.2) activity was determined in heparinized plasm and histological slices of the skin were prepared. photodamage. dañar los lípidos de las membranas celulares e interferir con el funcionamiento celular (Herschenfeld y Gilchrest 1998). La radiación UVC puede ser un problema para las personas que viven a gran altura sobre el nivel del mar. El UVC es el principal agente de la carcinogénesis. Keywords: Cyanobacteria. y puede producir además quemaduras severas. 2006). y también alteraciones enzimáticas.. tales como fitorreguladores con actividad de citocininas (Ördög y Pulz. (Arthrospira) platensis decreased creatin kinase activity by 27. mice. (Arthrospira) platensis as dietary supplement or treated with biomass ethanolic crude extract topical formulation. Las longitudes de onda entre 340 y 400 nm tienen efecto a nivel de dermis y actúan sinérgicamente con los rayos UVB en el fotoenvejeci-miento y en la carcino- génesis. colocada a 20 cm de distancia de los animales. DC+ irradiación con UVC+flancos derecho e izquierdo depilados (1 cm2) IV. 2. V. modificado).001 y proteínas totales en mg/mL de cultivo 0. . 2002). USA).003. se dividieron en 6 grupos de 6 ratones cada uno y se alojaron en jaulas individuales. Rattan. 4W/G4 T5 Holland.López-Agüero et al. depositada en Facultad de Ciencias Exactas y Naturales.1 Cepa cianobacteriana y obtención de biomasa Spirulina (Arthrospira) platensis (Cianobacteria) pertenece a la colección de cultivos del Laboratorio de Fisiología Vegetal y Biología de Cyanobacteria. La biomasa de S. 2010. λ = 280 nm..175 + 1. Rev Latinoam Biotecnol Amb Algal 1(1):117-123 119 glioxidativo de las proteínas y el ADN (Arcuri. en ratones expuestos a luz UVC.5 mg de S. DC+1. Hipkiss. pulverizada y fraccionada en dosis para ser usada como complemento dietario. DC+1. con reactivos Wiener Laboratorios SAIC-Argentina.7.3.476. recibiendo diariamente los siguientes tratamientos: I. secada al aire. El objetivo del presente trabajo ha sido evaluar el efecto protector de Spirulina (Arthrospira) platensis (Cianobacteria) bajo la forma de complemento dietario o aplicación cutánea.2 en plasma heparinizado. DC+ irradiación con UVC. peso fresco promedio en g/100 mL de cultivo: 10. en medio Zarrouk (1966). Fue cultivada en un fotobiorreactor de 2 L de capacidad bajo un sistema semi-continuo. Lincoln.4 Parámetros morfológicos y bioquímicos Los ratones se pesaron semanalmente. Fueron alimentados durante 30 días con producto comercial balanceado con/sin complemento dietario y agua ad libitum según correspondiera.5 mg de S. 2. Valores promedio: densidad óptica promedio a 620 nm: 0. 2. 2. Cada 15 días se retiró 1L de cultivo y se completó el nivel con adición de medio fresco. III.00+1. platensis obtenida fue separada del medio de cultivo por filtración. Con una alícuota de biomasa fresca se preparó el extracto crudo etanólico (Zulpa de Caire et al. peso seco promedio en g/100 mL de cultivo: 0.60. 2001.3 Diseño experimental 36 ratones CF1 de 6 meses (31. aireación estéril y a temperatura controlada a 37ºC. 1990. platensis como complemento dietario VI.2 Ratones CF1 Hembras adultas crecidas y mantenidas en el Bioterio de la Facultad de Ciencias Exactas y Naturales (Universidad de Buenos Aires). El cultivo fue mantenido con luz fluorescente a 45 μmol fotón m-2 s-1 (Quantum Radiometer Photometer.829+0.31 ± 2. Nebraska 68504. Para corroborar que el material biológico se encontraba en el mismo estado fisiológico se hicieron evaluaciones bioquímicas y de crecimiento. por el método UV optimi-zado (CC-NAC: creatina cinasa activada por Nacetil cisteína).5 Cortes histológicos A los 30 días de tratamiento los ratones fueron anestesiados con éter etílico y luego 2.. platensis.168+0. y un fotoperíodo de 12:12. Para evaluar el daño celular al finalizar los tratamientos se extrajo sangre por punción ocular y se dosó la actividad de creatina cinasa (CC): ATP creatina Nfosfotransferasa. platensis como complemento dietario+irradiación con UVC En los tratamientos con irradiación (5 minutos) se utilizó una lámpara Philips. DC+ irradiación con UVC+flancos derecho e izquierdo depilados (1cm2) +aplicación cutánea de cada flanco con 100 μL de extracto etanólico de S.. 2001. Dieta Comercial (DC) II. Li-Cor. adquirida comercialmente. Materiales y métodos 2. modelo LI-185B. Universidad de Buenos Aires. EC2.21 g cada uno). En el tratamiento V (DC+1.. mientras que en el tratamiento VI (DC+1. Los animales que recibieron S. Los folículos pilosos son cortos.5 mg de S.21% con respecto al tratamiento II. encontrándose posiblemente en la fase de catagen o telogen (Cotsarelis.6 Análisis estadístico El diseño experimental fue completamente aleatorio con las repeticiones correspondientes en cada caso (n=6). en tanto que en el tratamiento VI donde los 3. 2006). Los datos fueron sometidos a un análisis de varianza (ANOVA) y para detectar diferencias entre tratamientos y entre diferentes tiempos se usó la prueba de Tukey HDS (p<0.23 y 49.. Dichas muestras fueron fijadas con formaldehído 4% en (solución amortiguadora) 0. 2010.López-Agüero et al. se observa lo mismo que en el caso anterior (Figura 3).1M fosfato para realizar cortes de crióstato. con respecto a los controles irradiados (II y III). con un 41. platensis como complemento dietario). El daño celular medido por la enzima creatina cinasa fue mayor. Para evaluar el daño celular se determinó la actividad de creatina cinasa en plasma de sangre heparinizada de los ratones para cada tratamiento (Tabla 1). la irradiación con UVC (tratamiento II) provoca la pérdida de epidermis. 2. La actividad de la enzima aumentó un 28. que difiere del II por los flancos depilados. En el tratamiento III. Se observan folículos con pelos dobles o triples (Figura 4). La epidermis está conservada. Los estudios histológicos muestran que en el tratamiento I la piel está completamente recubierta por la epidermis (Figura 1). Los folículos pilosos son cortos. 2007) y posteriormente observadas al microscopio óptico (20x). El extremo basal del folículo parece tener una forma diferente y se aproxima al celular subcutáneo.86%. no pasan al celular subcutáneo. no pasan al celular subcutáneo. observándose zonas de dermis desnuda. muchos incluso carecen de pelo (Figura 2). Los folículos pilosos se encuentran en una etapa aparentemente regresiva. Para el estudio de cortes histológicos seriados se obtuvieron muestras de piel de todos los tratamientos (de la parte depilada en el caso de los trata-mientos 3 y 4). en el tratamiento III (DC+irradiación con UVC+flancos derecho e izquierdo depilados. 1 cm2) con respecto al control I (DC).5 mg de S.44% en el tratamiento IV (DC+ irradiación con UVC+flancos derecho e . la actividad de creatina cinasa disminuye un 44. En el tratamiento IV en el que la piel depilada está protegida por una aplicación con extracto de S. platensis como complemento dietario no mostraron diferencias con el tratamiento I (Figura 5). coloreados con el Tricrómico de Masson (Ibañez et al. la epidermis está conservada a pesar de la irradiación mostrando más folículos que en los especímenes no tratados. platensis como complemento dietario + irradiación con UVC). Rev Latinoam Biotecnol Amb Algal 1(1):117-123 120 sangrados. izquierdo depilados (1cm2) + aplicación cutánea en cada flanco con 100 μL de extracto etanólico de S.59% en el tratamiento II (DC+irradiación con UVC) respecto del control I (DC). la actividad de creatina cinasa disminuye un 27. la actividad de creatina cinasa no muestra diferencia significativa con respecto al tratamiento I. Por otra parte. lo cual podría ser el comienzo de anagen. La depilación de los flancos derecho e izquierdo acentúa en un 10. platensis. En contraste. Resultados Los tratamientos aplicados durante los 30 días del experimento no modificaron el peso corporal de los ratones adultos CF1 verificándose solamente alteraciones en el metabolismo y en la piel.32% el aumento de la enzima con respecto al tratamiento II no rasurado. platensis).05). VI. DC+5 min diarios de irradiación con UVC con flancos derecho e izquierdo depilados. Corte histológico de piel de ratones CF1 del Tratamiento I.75+0. Corte histológico de piel de ratones CF1 del Tratamiento III. DC+1.35a II 62. Figura 2. Rev Latinoam Biotecnol Amb Algal 1(1):117-123 121 animales son irradiados con luz UVC. V. (Arthrospira) platensis como suplemento dietario+5 min diarios de irradiación con UVC. Tabla 1: Actividad enzimática de creatina cinasa (U/L) en plasma heparinizado de ratones bajo tratamientos del I al VI. . DC+1. Figura 3. 2010. los folículos se encuentran en fase de crecimiento (anagen).(Arthrospira) platensis como suplemento dietario. II.67+0.71+0.5mg de S.28 a Tratamientos: I.5mg de S. DC+5 min diarios de irradiación con UVC con +flancos derecho e izquierdo depilados + aplicación cutánea en cada flanco con extracto etanólico 100 μL de S(Arthrospira) platensis . son más largos y tienen un bulbo muy desarrollado.80+0. Corte histológico de piel de ratones CF1 del Tratamiento IV.35 a I 48..50 b V 44. Figura 4. TRATAMIENTOS III IV 69.45 c 35.López-Agüero et al.46 a VI 45.23+0. IV. además de mostrar una epidermis completa (Figura 6).05). DC+5 min diarios de irradiación con UVC. III. Diferentes letras indican diferencias significativas (p< 0.00+0. Dieta Comercial DC. Corte histológico de piel de ratones CF1 del Tratamiento II. Figura 1. etc. la raza. Corte histológico de piel de ratones CF1 del Tratamiento I.. Reconocimientos Dra Ángela Suburo. la actividad física y la condiciones ambientales (Brancaccio et al. (Arthrospira) platensis de sustancias con actividad biológica. Serum enzyme . hemos obser-vado. S. Wiener Laboratorios SAIC-Argentina. β carotenos. contra el fotodaño. vita-minas. N6 furfuryladenina. Si bien en la bibliografía consultada no se consignan datos referentes a la relación entre los niveles de CC y tratamientos con S. Dermac 1:42-43.López-Agüero et al. N. Este trabajo ha sido realizado en el marco del subsidio UBACYT X844. 2008. que muestran resultados similares a los inferidos por actividad de la CC.. A.(Arthrospira) platensis.M. la masa muscular. Universidad Austral. Buonauro. 2010. (Arthrospira) platensis como la aplicación de sus productos intracelulares protegen contra el fotodaño. Argentina. 4. Rev Latinoam Biotecnol Amb Algal 1(1):117-123 122 Figura 5.. por la gentil donación de los reactivos utilizados en la determinación de la actividad enzimática. Maffulli. por la realización e interpretación de los cortes histológicos.M. (Arthrospira) platen-sis produce sustancias con efecto benéfico dando protección a la epidermis y favore-ciendo el incremento del número de folículos pilosos que en algunos casos dan origen a pelos dobles y triples. Así. tales como: reguladores del crecimiento vegetal. F. 2008).. R. los resultados obtenidos en el presente trabajo de investigación indica que S. Brancaccio. Finalmente. Conclusiones Tanto la ingesta de S. de la Universidad de Buenos Aires... Kapoor y Mehta. Discusión Se sabe que niveles altos de creatina cinasa indican una alteración del funcionamiento celular que puede darse por diversos factores tales como la edad. (Arthrospira) platensis como la aplicación cutánea con extracto crudo etanólico de la biomasa protegen Arcuri. El efecto benéfico se verifica también en los estudios histológicos realizados. que tanto la ingesta de S. 1979. medido por la actividad de la enzima CC indicadora de daño celular. en las condiciones de nuestro experimento. Referencias 5. Figura 6. (Arthrospira) platensis es una fuente promisoria de productos naturales con efecto antienvejecimiento. P. Corte histológico de piel de ratones CF1 del Tratamiento IV. 1993). Argentina. 2001. Este efecto podría deberse a la presencia en S. el género. (CONICET). Limongelli. (Zulpa de Caire et al. Falso seudoaneurisma del ventrí-culo izquierdo.A. Camouse. Gilchrest. 1996..M. J. M. 1998. Maes. and a novel route of intervention. 198 p. 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