¿La producción de Biopetróleo es una estrategia de bloom o floración algal? (Salvador González Carcedo)

Ciertamente, de los trabajos de nuestro profesor Gomis impulsor en España del cultivo de microalgas para generar biopetróleo, me había llamado la atención la elevada densidad que alcanzan los torres de producción algal (170 millones de células/ml) lo cual hace pensar en un componente del nanoplacton, pero no había racionalizado que para alcanzar esta densidad se precisa que en estas pocas horas/días en que se genera el bloom cada unidad celular se multiplique hasta un millón de veces.

Es evidente que, para mantener este ritmo de multiplicación, debe de existir en forma disponible (y mantenerse en el caso de esos reactores) una gigantesca cantidad de nutrientes, tales como el N y suficiente CO2 para satisfacer sus necesidad fotosintetizadora y de generación de biomasa. Por ello hay que disponer (artificial o naturalmente) de fuentes masivas y seguras de CO2.  Sin embargo para frenar el crecimiento algal y pasar a una fase de “tranquilidad reproductiva” debe de existir un déficit nutricional de… Fosfato, Silicato y posiblemente litio y otros elementos traza en estado iónico, necesarios para soportar la demanda de ATP y el trepidante metabolismo que exige la construcción masiva de sus estructuras.

La verdad es estamos poco acostumbrados a hablar del Si como nutriente (y menos del Litio), pero da la casualidad de que las diatomeas (silicoflageladas) lo procesan para desarrollar sus espectaculares espinosas estructuras y para conformar y estabilizar los polisacáridos de membrana, de la misma forma que lo precisan los cereales para conformar su tallo lo cual hace que tengan un requerimiento estricto de sílice. Y no pongo este ejemplo de forma caprichosa, dado que la membrana que soporta los sistemas captadores de luz en aquellas microalgas y en el trigo, tiene como rasgo común: la presencia de unos fosfolípidos especiales llamados Sulfo-cloro quinovósidos.  Y el Dr. Gomis y aquellos que se dedican al cultivo de algas, deberán de evitar que el alga genere ácido domóico (u otras algo-toxinas), pues su acción sobre los sistema membranales de “receptores de glutamato”, cierran el canal de cloro, que es absolutamente necesario para la formación de las estructuras que soportan a los sistemas de captura de fotones.

Además, algunos organismos necesitan cantidades relativamente elevadas de metales traza, aunque, en la mayor parte de los casos, se desconoce su función concreta. Así, por ejemplo, tanto Gymnodinium catenatum (Doblin et al. 2000) como Chattonella verruculosa (Imai et al. 1996) necesitan selenio y el crecimiento de Pseudonitzschia pungens se ve muy favorecido por el litio (Subba Rao et al. 1998). En el fitoplancton se ha demostrado también la necesidad de niveles relativamente elevados de níquel (Price & Morel 1991).

Volviendo al tema, y siguiendo con mi lógica, he de pensar (coincidiendo o no con mi colega Gomis) que las vibraciones de los fondos marinos, precursoras de terremotos, pueden ser la causa que se precisa para la puesta en solución de tan ingente cantidad de silicio soluble en los fondos de aguas costeras y necesario para el desarrollo de un bloom. No debemos olvidar que el Si es un elemento esencial en el cultivo de muchas de estas algas (sin él, su multiplicación exacerbada se frena, pero no su actividad fotosintética y su funcionalidad metabólica, permitiendo la existencia de dos fases distintas de su ciclo vital).

Pero ¿cual es el impacto ambiental de estos bloom de diatomeas o de dinoflagelados?

Es evidente que como vegetales, estas microalgas son capaces de realizar la función fotosintética. Así, mientras están en fase de multiplicación rápida (bipartición) del bloom, durante el día, la actividad fotosintética es muy intensa y por tanto, el agua se hipersatura de O2 y el pH se eleva. Por el contrario, durante la noche se desarrolla la tendencia contraria, pues su alto ritmo metabólico, consume cantidades ingentes de O2 y libera CO2,  preparando al medio para poder proseguir, al día siguiente, la captura fotosintética de CO2 y la formación de biomasa (el Dr Gomis no precisa de este ciclo dado que usa iluminación adecuada supongo que continua, pero si de una fuente segura y suficiente de CO2). 

Estos cambios diarios en la tensión de gases, acompasados en velocidad al ritmo de desarrollo del número de población, es muy posible que aleje de su área de expansión a predadores y si algunos caen en la tentación de comer en “mal momento”, puede morir por anoxia.  Sin embargo, cuando hablamos de desarrollos bajo acuicultura, las consecuencias pueden ser mas graves, dado que el pez “cultivado” no puede escapar (Hishida et al. 1999; Martin et al. 2000).

Cuando estamos ante un proceso natural, aparece la fase de decaimiento algal, (la multiplicación celular se frena y la estabilidad de población se acompasa con la mortalidad celular).

Ahora, aparece un incremento significativo de su necromasa, susceptible de degradación bacteriana, lo que conlleva un consumo sustancial del O2 en el agua, además del incremento de número y variedad bacteriana.  Si por la razón que sea, el consumo de O2 del ciclo diario no está compensado por su producción, vía fotosintética o por transferencia de aguas ricas en O2, se generarán situaciones subóxicas y/o anóxicas y el resurgimiento de bacterias “ad hoc” cuyas formas de respiración tendrán un protagonismo especial. Esta situación justifica la aparición de ácido sulfídrico y/o grandes cantidades de amonio en las aguas, lo que conlleva  efectos adversos o incluso mortalidad entre organismos marinos aeróbicos, dada su gran difusión en el agua. Y…también justifica la presencia de las bacterias anammox, como reguladoras de toxicidad, en esta tipo de aguas.

Estos procesos, que son frecuentes en áreas de alta producción animal (marina), son especialmente peligrosos en las zonas en las que los períodos de alta productividad fitoplanctónica se alternan con otros de acumulación de la biomasa contra la costa por causa del hundimiento de las masas de agua, o bien, en zonas de circulación o intercambio de agua restringido. Ello ocurre con cierta frecuencia en Ecuador (Jiménez 1996), Perú (IOC of UNESCO 1994) y África del Sur (Horstman 1981) donde la mortalidad de peces, moluscos, crustáceos es elevada desde el punto de vista ecológico, y muy costosa por el lado económico.

Por otro lado, muchos de los flagelados que conforman los bloom algales tienen una nutrición mixotrofa o heterótrofa e incluso algunos con una gran componente autótrofa (caso de Alexandrium tamarense) pueden utilizar fuentes orgánicas de nutrientes e incluso ingerir bacterias (Smayda, 1997). Chrysochromulina polylepis, Prymnesium parvum y Heterosigma akashiwo son también mixótrofos facultativos, que fagocitan grandes cantidades de bacterias cuando tienen deficiencia de fósforo (Moestrup and Thomsen 1995) y regulando estas poblaciones asociadas.

Hay grandes evidencias de que la expansión (frecuencia, distribución, densidad y tipo) de los blooms algales está relacionada en todo o en parte con fenómenos de cambio global como la distribución y abundancia de las especies.  Por ello, podemos hablar de la influencia del clima en los cambios de densidad de población humana (y de sus migraciones), que conlleva incrementos de la presión de captura sobre los bancos de pesca y de la producción agrícola y acuícola, cuyas prácticas e impactos condicionan los fenómenos de eutrofización biológica de las aguas terrestres y costeras.

A los efectos de distribución de especies, la dinámica de las masas de agua tiene una gran importancia tanto en el desarrollo de sus poblaciones como en su dispersión o acumulación, dada la limitada capacidad de movimiento de los organismos fitoplanctónicos.  Sin embargo, su acción depende mucho de cada organismo pues si es móvil pueden neutralizar, en cierta medida, los movimientos descendentes del agua.  Así aunque estos tipos de organismos proliferan frecuentemente en picnoclinas, este aspecto marca una gran diferencia ente los flagelados (móviles) y las diatomeas (sin órganos mótiles).

Como consecuencia, los mecanismos que favorecen la acumulación de las diatomeas del género Pseudonitzschia, no son los mismos que los que se dan en diversas especies de dinoflagelados, (caso de Gymnodinium catenatum con alta capacidad natatoria) (Fraga et al. 1989).

Los flagelados fitoplanctónicos que, en su inmensa mayoría son atraídos por la luz (fototaxis positiva), tienden a acumularse en zonas de hundimiento de agua, mientras que las diatomeas lo hacen en picnoclinas, ya que estas restringen el intercambio turbulento de las capas de agua superficiales con las profundas (Franks 1992).

Existen diversos mecanismos que asocian la dinámica oceanográfica y la distribución de especies a la hora de justificar los bloom.

Un modelo de interacción, asociado a flagelados (Donahay and Osborn 1997) es aquél en el que el desarrollo de la población más importante se produce en una picnoclina de la plataforma y desde allí se extiende a una zona amplia.  Los organismos producidos en el área restringida verticalmente, son después arrastrados contra la costa por desplazamiento de las masas de aguas en esa dirección. El apilamiento de agua en la costa produce una corriente descendente, que puede ser neutralizada por la natación en dirección ascendente de los flagelados, que por tanto se van acumulando en esa zona. Esto ocurre con proliferaciones de Crysochromulina polylepis y Gymnodinium mikimotoi (Gyrodinium aureolum).

Otro tipo de combinación que favorece a los dinoflagelados ha sido sugerida en episodios de Gymnodinium catenatum por Figueiras et al. (1996). Ahora, las poblaciones del dinoflagelado se desarrollarían conjuntamente con las de diatomeas durante el período de afloramiento. Cuando el viento sopla en dirección opuesta, el agua se apila contra la costa y se hunde arrastrando a diatomeas y a diversos flagelados, con poca capacidad de natación, hasta capas profundas, no iluminadas, mientras que Gymnodinium catenatum se mantiene. Cuando el hundimiento cesa y se produce un afloramiento muy ligero, las poblaciones de G. catenatum (mayoritarias), se desarrollan con ventaja al partir de una concentración inicial más alta. Este tipo de modelo es aplicable a otras especies de características semejantes en relación a la natación (Alexandrium catenella, Alexandrium monilatum o Gymnodinium polykricoides).

Si las especies no son dominadoras de la comunidad fitoplanctónica, (caso del género Dinophysis), la forma en que las floraciones se relacionan con las características hidrológicas de la zona, resulta más oscura.

La relación entre los blooms de diatomeas y las características hidrográficas, se conoce desde hace muchos años, debido a que estas proliferaciones forman el grueso de los blooms primaverales de los mares templados, son básicos para el mantenimiento y productividad de los ecosistemas.  Básicamente las diatomeas se ven favorecidas por la turbulencia, siempre que exista alguna barrera, como el fondo o una picnoclina, que impida que una parte sustancial de sus poblaciones se pierdan en capas no iluminadas (Harris 1986).

Para otras formas de regulación por parte del medio físico leer las revisiones de Smayda (1997) y Donahay and Osborn (1997).

Un aspecto diferente al nutricional, “generador de impacto” es la capacidad de estas algas (solo cuando se encuentran en fase de expansión) de liberar mucopolisacáridos con capacidad para formar geles, pues modifican la estructura del agua, y alteran sus propiedades reológicas y osmóticas. Ello conlleva la asfixia de los peces al modificar la disponibilidad de los gases.

Es el caso de distintas especies de dinoflagelados, como Gymnodinium impudicum que cuando se multiplican generan cultivos cuyo medio adquiere un aspecto gelatinoso, aunque su número de población es moderado. La repercusión que se deriva es la formación, en superficie, de espumas que el viento puede trasladar.

En el NO de España saben de estos mucopolisacáridos. Durante la fase final de la proliferación de un episodio de Lepidodinium viride, se produjeron sustancias modificadoras de la viscosidad, en tal concentración, que las burbujas de O2 producidas por la actividad fotosintética quedaban atrapadas en una capa de unos cuarenta centímetros de espesor. Además, dentro de esta capa, las células aparecían asociadas unas a otras. Este problema también aparece en Heterosigma akashiwo (flagelado), generando la muerte de otros seres vivos, especialmente peces (Jenkinson & Arzul 1998).

Otra forma de interacción asociada a diatomeas se deriva de la estructura de sus exoesqueletos (frústulo o caparazón silícico resistente y provisto de prolongaciones, espinas o espículas), que pueden clavarse y/o desgarrar los tejidos blandos con los que entran en contacto, afectando de forma indiscriminada a otros organismos marinos. Este es el caso de Chaetoceros convolutus y C. concavicornis (Horner et al. 1990) cuyas quetas o prolongaciones, recubiertas de finas espículas, dañan las branquias. También los flagelados del género Dictyocha con un esqueleto silíceo muy fuerte y espinoso repiten la historia. (Prego et al. 1998). En otros casos, como el de Leptocylindrus minimus, la rigidez estructural de su frústulo hace posible la obturación de las branquias de los peces, axfisiándoles (Clement et al. 2000).

La menor rigidez de las estructuras celulares de los dinoflagelados hace más difícil la génesis de lesiones mecánicas. De hecho, el único efecto de este tipo lo genera un dinoflagelado desnudo, Cochlodinium heterolobatum. Ho and Zubkoff (1979), sugieren que las deformaciones y la mortalidad de larvas de Crassostrea virginica, es consecuencia de los choques con sus células (de tamaño similar).

Existen otras formas de interacción con su entorno biológico, del que destacan la alelopatía, la predación y las patologías.

Si entendemos como sustancias alelopáticas, aquellas que producidas por un organismo alteran las funciones de otro.  En el fitoplancton su producción y detección es frecuente (Smayda 1997). Así una cianofícea, Gonphosphaeria aponina, produce aponina, capaz de provoca la lisis de las células de Gymnodinium breve (Eng-Wilmot et al. 1979). Este hecho permite desarrollar acciones técnicas en la lucha contra depredadores y competidores en acuicultura.

La predación es otro proceso importante en la aparición y/o control de bloom algales. Cuando la predación es intensa en las etapas iniciales de desarrollo de una población, la proliferación masiva de ésta no se ganara.

El efecto del parasitismo, revisado por Elbrächter and Schnepf (1998), es todavía difícil de evaluar.

En cuanto a las acciones antrópicas, su forma e intensidad, han cambiado de forma radical (en los últimos 30 años) y justifican ampliamente la aparición de nutrientes inorgánicos y en consecuencia la salinidad y potencial nutricional de las aguas.

Analizar la acuicultura, nos conduce a pensar que es un factor desequilibrante.  De su importancia nos da idea el que en las costas de Noruega se ha pasado de producir de no mas de 10.000 ton/año en 1970 a superar las 500.000 toneladas en 2004. Pero podemos pensar en las piscifactorías que se distribuyen a lo largo de la geografía española. Y las industrias del marisco distribuidas tanto en Europa como en Asia han generado grandes impactos directos sobre los ecosistemas marinos no solo de los aportes de nutrientes, sino también por generación de catabolitos de estos animales, con la pérdida de fitoplacton alimentario.

Los fenómeno “in crescendo” de la pérdida de suelo, por erosión. del transporte edáfico y la sedimentación de los contenidos fluviales en las zonas costeras, juegan un papel primordial. Y que en muchos casos se derivan del desarrollo agrario no sostenible respecto del suelo, de eventos tales como los incendios o del mantenimiento del suelo desnudo durante los largos periodos no productivos.

Si tenemos en cuenta que la aplicación de fertilizantes fosforados se ha multiplicada por tres, desde los tiempos pre-industriales, y los de nitrógeno alcanza niveles mucho mayores (Caraco 1995; Smil 2001; Seitzinger et al. 2002), las correlaciones contrastadas entre la aparición de explosiones algales y la aportación de nitratos, en todo el mundo, puede comprobarse en la figura.

Sin embargo debiéramos de cuidar emitir de conclusiones sencillas tal y como está actualmente de revolucionado el “cotarro” de conocimiento del ciclo del N.

Es posible que los nitratos impulsen su aparición, pero no hay que olvidar de que las algas son autótrofas, no quimiotrofas, lo cual quiere decir que la energía la obtienen de la luz y no de otros procesos respiratorios, como en el caso de las bacterias anammox.

 Dejemos entonces fijado que la asimilación de los nitratos por las algas es solo parcial y dependiente tanto de la densidad de flujo fotónico como de la temperatura del agua.