Escrito por Sania Ortega-Andrade
Las microalgas son microorganismos fotosintéticos que producen una amplia gama de metabolitos de interés como, proteínas, lípidos, carbohidratos, pigmentos, vitaminas, toxinas con potencial antimicrobiano y antitumoral (Buono et al., 2014; Benvenuti et al, 2016; Huarancca et al., 2023) Por ello, en las últimas décadas, el estudio de la diversidad de microalgas en los ecosistemas lacustres ha aumentado, debido a que, bajo condiciones de estrés estos microorganismos liberan metabolitos secundarios de interés (Noaman et al., 2004; Baquero et al., 2008; Borowitzka, 2013).
Colección de microalgas de agua dulce cultivadas en medio sólido. Foto: Sania Ortega
Para generar un entendimiento ecológico es necesario ir al origen y reconocer los factores ambientales que influyen en las adaptaciones y comportamiento fisiológico de las microalgas. Los lagos que se ubican en Ecuador son considerados tropicales de alta montaña y se encuentran entre 2000 y 4000 m s. n. m. (Casallas, 2005). Se diferencian de los lagos de páramo no solo por su gradiente altitudinal, sino también, por el habitual alto contenido de nutrientes, pH elevado, niveles altos de eutrofización y temperaturas promedio de 17 °C. Los lagos tropicales parecen ser más eficientes en la producción de fitoplancton, aunque son más propensos a estar limitados por nitrógeno que por fósforo y no poseen variaciones estacionales abruptas (Lewis, 1996). La mayoría de las características antes mencionadas muestran un escenario desfavorable para el equilibrio ecológico de los lagos tropicales de los Andes, sobre todo, para aquellos con altas presiones antropogénicas, como son Yahuarcocha y San Pablo en Imbabura. Esto compromete a los investigadores a estudiar de forma transdisciplinaria los ecosistemas lacustres. Para lograrlo se plantearon cuatro objetivos (1) Obtener microalgas altoandinas de Yahuarcocha, San Pablo y Cuicocha, (2) Caracterizar fenotípica y genotípicamente las microalgas, (3) Determinar la influencia de los factores ambientales en el hábitat de las microalgas, y (4) Desarrollar una solución tecno-ecológica para la visualización de datos mediante un modelo dimensional de Business Intelligence (BI).
¿Dónde se desarrolla el estudio?
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Lagos de la provincia de Imbabura que forman parte del Geoparque Mundial de la UNESCO. A) Cuicocha, B) San Pablo C) Yahuarcocha Fotos: Sania Ortega-Andrade
El estudio de ejecuta actualmente en Imbabura, una provincia con un patrimonio geológico notable, donde confluyen lagos, volcanes, páramos, valles y cascadas. Territorio delimitado de esta provincia fue declarado Geoparque Mundial de la UNESCO el 17 de abril de 2019. Esta designación compromete a fomentar la educación y contribuir al fortalecimiento de la provincia en la conservación del ambiente. Por ello, el nombre del proyecto es “YAKUKIWA ", que se deriva de la lengua kichwa que significa alga. Esta iniciativa conformada por entusiastas investigadores y estudiantes universitarios busca ofrecer soluciones innovadoras para abordar los desafíos actuales.
¿Cómo se obtuvieron las microalgas?
Muestreo por arrastre con una malla de fitoplancton. Foto: Sania Ortega-Andrade
Para la recolección de las muestras se utilizó una malla de fitoplancton de 20 µm, la cual recoge y arrastra las microalgas. La malla fue colocada en diferentes puntos de lagos y lagunas del Geoparque Imbabura, donde cada punto de muestreo se registró con un GPS. Para el aislamiento y cultivo de las cepas se utilizó medios diseñados de acuerdo con las necesidades nutricionales de los microorganismos. El aislamiento y purificación de las cepas se realizó mediante la técnica de placa de estrías y dilución en serie.
¿Por qué el estudio es transdisciplinario?
Porque considera a investigadores en el área de la ecología, tecnología y biotecnología. Si queremos abordar el desafío de la producción de biomasa microalgal a mayor escala en el futuro, es necesario identificar sus características fisiológicas, optimizar los parámetros de aislamiento y cultivo sin causar deterioro en los ecosistemas.
La biotecnología ha comprobado el potencial que tienen las microalgas y más aún si provienen de un país megadiverso (Huarancca et al., 2023). Sin embargo, era necesario un estudio de su hábitat para rescatar información importante de los entornos potenciales, así como analizar el impacto de los cambios ambientales en sus poblaciones y distribución (Franklin, 2009). Los modelos de nicho ecológico se han utilizado cada vez más en ambientes acuáticos, con la finalidad de estimar la distribución potencial de especies de fitoplancton, floraciones de algas y otros grupos biológicos (Rodríguez-Gómez et al., 2021). En este sentido, la información generada es de vital importancia para mejorar la gestión y conservación de los recursos fitogenéticos presentes en los lagos altoandinos
Finalmente, uno de los desafíos importantes era la gestión de los datos para la toma de decisiones. Para abordar este problema, se está desarrollando una solución tecno-ecológica para la visualización y análisis de datos mediante un modelo BI que permita promover una cultura de ciencia ciudadana.
¿Qué resultado destaca hasta ahora?
Fotobiorreactor para la obtención de biomasa y metabolitos secundarios de microalgas in vitro. Foto: Sania Ortega-Andrade
El camino es arduo y lleva su tiempo, pero ya se puede destacar el cultivo e identificación de 4 especies de microalgas de San Pablo, 5 de Cuicocha y 3 de Yahuarcocha. Particularmente, Pectinodesmus pectinatus y Ettlia pseudoalveolaris, provenientes de Yahuarcocha fueron expuestas a rayos UV-B demostrando ser resistentes al daño celular y capaces de producir antioxidantes para evitar mayores fotodaños (Huarancca et al., 2023). Su diferencial, pero importante producción de proteínas, carbohidratos y ácidos grasos abre la expectativa de su potencial uso en el área alimenticia, acuicultura, de la salud y biorremediación (Grande et al., 2023; Vornoli et al.,2023). No todas poseen una alta tasa de crecimiento, densidad celular y adaptabilidad, aspectos indispensables para la aplicación industrial.
¿Cuáles son los principales desafíos?
Unirlo todo, obtener un modelo preliminar de nicho ecológico y la automatización de un biorreactor de monitoreo ambiental es solo el inicio. A largo plazo queremos estandarizar una metodología para el seguimiento y control de especies en tiempo real. Las actividades antrópicas presionan cada vez más los ecosistemas, esto hace que necesitemos usar sabiamente las tecnologías para la toma de decisiones en el menor tiempo posible y con alta eficiencia en la ejecución de acciones (Gangadharan et al., 2021). Las soluciones tecnológicas para la visualización de datos son utilizadas con mayor frecuencia por las instituciones responsables de la conservación del ambiente (Ajaps y Mbah, 2022) y las microalgas a futuro pueden ser un factor importante para la innovación y el desarrollo del país.
Dashboard de monitoreo de los sensores de luminosidad y turbidez en el biorreactor a escala piloto. Foto: Alexander Guevara
Reconocimientos:
Proyecto financiado en la Convocatoria Investiga UTN 2023
Santiago Zárate, Carla Sandoval, Alexander Guevara, Gabriel Jácome y Sania Ortega Andrade* Docentes investigadores del Grupo de Investigación de Ciencia en Red (eCIER) de la Universidad Técnica del Norte, Ibarra, Ecuador.
Correspondencia:
Sania Ortega-Andrade: smortega@utn.edu.ec
Fuentes consultadas:
1. Ajaps, S., & Mbah, M. (2022) Towards a critical pedagogy of place for environmental conservation, Environmental Education Research, 28:4, 508-523, DOI: 10.1080/13504622.2022.2050889
2. Benvenuti, G., Bosma, R., Cuaresma, M., Janssen, M., Barbosa, M. J., & Wijffels, R. H. (2015). Selecting microalgae with high lipid productivity and photosynthetic activity under nitrogen starvation. Journal of applied phycology, 27(4), 1425-1431.
3. Borowitzka, M. A. (2013). High-value products from microalgae—their development and commercialisation. Journal of Applied Phycology, 25(3), 743-756.
4. Buono, S., Langellotti, A. L., Martello, A., Rinna, F., & Fogliano, V. (2014). Functional ingredients from microalgae. Food & function, 5(8), 1669-1685.
5. Casallas, J. (2005). Limnological investigations in Lake San Pablo, a high mountain lake in Ecuador. Universidad Técnica de Berlín, Berlín, Alemania.
6. Franklin, J. (2009). Mapping species distributions: spatial inference and prediction. Cambridge University Press.
7. Gangadharan, N., Sewell, D., Turner, R., Field, R., Cheeks, M., Oliver, S. G., Slater, N. K., & Dikicioglu, D. (2021). Data intelligence for process performance prediction in biologics manufacturing. Computers & Chemical Engineering, 146, 107226. https://doi.org/10.1016/j.compchemeng.2021.107226
8. Guevara, A., & Ortega, S. (2017). Gnoseología de los datos biológicos. Pp: 13-24. Ingeniería de Software para la Gestión de Datos Biológicos Primarios. Universidad Técnica del Norte (UTN), ISBN: 978-9942-984-15-9
9. Grande, T.; Vornoli, A.; Lubrano, V.; Vizzarri, F.; Raffaelli, A.; Gabriele, M.; Novoa, J.; Sandoval, C.; Longo, V.; Echeverria, M.C.; et al. Chlamydomonas agloeformis from the Ecuadorian Highlands: Nutrients and Bioactive Compounds Profiling and In Vitro Antioxidant Activity. Foods 2023, 12, 3147. https://doi.org/10.3390/foods12173147
10. Huarancca Reyes, T., Chiellini, C., Barozzi, E., Sandoval, C., Echeverría, C., & Guglielminetti, L. (2023). Exploring the physiological multiplicity of native microalgae from the Ecuadorian Highland, Italian Lowland and indoor locations in response to UV-B. International Journal of Molecular Sciences, 24(2), 1346
11. Noaman, N. H., Fattah, A., Khaleafa, M., & Zaky, S. H. (2004). Factors affecting antimicrobial activity of Synechococcus leopoliensis. Microbiological Research, 159(4), 395-402.
12. Rodríguez-Gómez, C. F., Vázquez, G., Maya-Lastra, C. A., Aké-Castillo, J. A., Band-Schmidt, C. J., Moreno-Casasola, P., & Rojas-Soto, O. (2021). Potential distribution of the dinoflagellate Peridinium quadridentatum and its blooms in continental shelves globally: an environmental and geographic approach. Marine Biology, 168(3), 1–14. https://doi.org/10.1007/s00227-021-03825-y
13. Vornoli, A.; Grande, T.; Lubrano, V.; Vizzarri, F.; Gorelli, C.; Raffaelli, A.; Della Croce, C.M.; Baca, S.Z.; Sandoval, C.; Longo, V.; et al. In Vitro Characterization of Antioxidant, Antibacterial and Antimutagenic Activities of the Green Microalga Ettlia pseudoalveolaris. Antioxidants 2023, 12, 1308. https://doi.org/10.3390/antiox12061308
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