UNIVERSIDAD DE GUAYAQUIL FACULTAD DE CIENCIAS NATURALES CARRERA DE BIOLOGÍA

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FACULTAD DE CIENCIAS NATURALES

CARRERA DE BIOLOGÍA

ESTUDIO COMPARATIVO DE TRES FERTILIZANTES

AGRÍCOLAS SOBRE EL CRECIMIENTO COMPOSICIÓN

BIOQUÍMICA DE Scenedesmus sp. UGB-RJ3009 EN CULTIVOS

DISCONTINUOS

AUTOR: MARIA ALEXANDRA QUISHPE JADÁN

TUTOR: PhD. EVER MORALES AVENDAÑO

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UNIVERSIDAD DE GUAYAQUIL FACULTAD CIENCIAS NATURALES

CARRERA BIOLOGÍA UNIDAD DE TITULACIÓN Guayaquil, 30 de Agosto de 2018

Sra.

Blga. MONICA ARMAS DE SOTO, MSc. DIRECTORA DE LA CARRERA DE BIOLOGÍA FACULTAD CIENCIAS NATURALES

UNIVERSIDAD DE GUAYAQUIL Ciudad.-

De mis consideraciones:

Envío a Ud. el Informe correspondiente a la REVISIÓN FINAL del Trabajo de Titulación ESTUDIO COMPARATIVO DE TRES FERTILIZANTES AGRÍCOLAS SOBRE EL CRECIMIENTO COMPOSICIÓN BIOQUÍMICA DE Scenedesmus sp. UGB-RJ3009 EN CULTIVOS DISCONTINUOS, de la estudiante MARIA ALEXANDRA QUISHPE JADÁN. Las gestiones realizadas me permiten indicar que el trabajo fue revisado considerando todos los parámetros establecidos en las normativas vigentes, en el cumplimento de los siguientes aspectos:

Cumplimiento de requisitos de forma:

 El título tiene un máximo de 18 palabras.

 La memoria escrita se ajusta a la estructura establecida.

 El documento se ajusta a las normas de escritura científica seleccionadas por la Facultad.

 La investigación es pertinente con la línea y sublíneas de investigación de la carrera.

 Los soportes teóricos, en su mayoría son de máximo 7 años.

 La propuesta presentada es pertinente.

Cumplimiento con el Reglamento de Régimen Académico:

 El trabajo es el resultado de una investigación.

 El estudiante demuestra conocimiento profesional integral.

 El trabajo presenta una propuesta en el área de conocimiento.

 El nivel de argumentación es coherente con el campo de conocimiento.

Adicionalmente, se indica que fue revisado, el certificado de porcentaje de similitud, la valoración del tutor, así como de las páginas preliminares solicitadas, lo cual indica el que el trabajo de investigación cumple con los requisitos exigidos.

Una vez concluida esta revisión, considero que el estudiante MARIA ALEXANDRA QUISHPE JADÁN, está apta para continuar el proceso de titulación. Particular que comunico a usted para los fines pertinentes.

Atentamente,

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CARRERA BIOLOGÍA UNIDAD DE TITULACIÓN

RÚBRICA DE EVALUACIÓN MEMORIA ESCRITA TRABAJO DE TITULACIÓN

Título del Trabajo: ESTUDIO COMPARATIVO DE TRES FERTILIZANTES AGRÍCOLAS SOBRE EL CRECIMIENTO COMPOSICIÓN BIOQUÍMICA DE Scenedesmus sp. UGB-RJ3009 EN CULTIVOS DISCONTINUOS

Autora: MARIA ALEXANDRA QUISHPE JADÁN

ASPECTOS EVALUADOS

PUNTAJE

MÁXIMO

CALF. COMENTARIOS

ESTRUCTURA Y REDACCIÓN DE LA MEMORIA 3

Formato de presentación acorde a lo solicitado 0.6 0.6

Tabla de contenidos, índice de tablas y figuras 0.6 0.6

Redacción y ortografía 0.6 0.6

Correspondencia con la normativa del trabajo de titulación 0.6 0.6

Adecuada presentación de tablas y figuras 0.6 0.6

RIGOR CIENTÍFICO 6

El título identifica de forma correcta los objetivos de la investigación 0.5 0.5

La introducción expresa los antecedentes del tema, su importancia dentro del contexto general, del conocimiento y de la sociedad, así como del campo al que pertenece

0.6 0.6

El objetivo general está expresado en términos del trabajo a investigar _0.7 _0.7 Los objetivos específicos contribuyen al cumplimiento del objetivo

general

0.7 0.7

Los antecedentes teóricos y conceptuales complementan y aportan significativamente al desarrollo de la investigación

0.7 0.7

Los métodos y herramientas se corresponden con los objetivos de la investigación

0.7 0.7

El análisis de la información se relaciona con datos obtenidos 0.4 0.4

Factibilidad de la propuesta _0.4 _0.4

Las conclusiones expresa el cumplimiento de los objetivos específicos 0.4 0.4

Las recomendaciones son pertinentes, factibles y válidas 0.4 0.4

Actualización y correspondencia con el tema, de las citas y referencia bibliográfica

0.5 0.5

PERTINENCIA E IMPACTO SOCIAL 1

Pertinencia de la investigación/ Innovación de la propuesta 0.4 0.4

La investigación propone una solución a un problema relacionado con el perfil de egreso profesional

0.3 0.3

Contribuye con las líneas / sublíneas de investigación de la Carrera/Escuela

0.3 0.3 CALIFICACIÓN TOTAL* 10 10

* El resultado será promediado con la calificación del Tutor y con la calificación de obtenida en la Sustentación oral.

Fecha: 30 de Agosto del 2018

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REPOSITORIO NACIONAL EN CIENCIA Y TECNOLOGÍA

FICHA DE REGISTRO DE TESIS/TRABAJO DE GRADUACIÓN

TÍTULO Y SUBTÍTULO: Estudio comparativo de tres fertilizantes agrícolas sobre el

crecimiento composición bioquímica de Scenedesmus sp. UGB-RJ3009 en cultivos discontinuos

AUTOR(apellidos/nombres): _{Quishpe Jadán Maria Alexandra}

REVISOR (ES)/TUTOR(ES)

(apellidos/nombres):

Revisora: Salvador Brito Miriam Tutor: Morales Avendaño Ever Darío

INSTITUCIÓN: _{Universidad de Guayaquil} UNIDAD/FACULTAD: Facultad de Ciencias Naturales

MAESTRÍA/ESPECIALIDAD:

GRADO OBTENIDO: Bióloga

FECHA DE PUBLICACIÓN: _{No. DE}

PÁGINAS:

75

ÁREAS TEMÁTICAS: _{Desarrollo biotecnológico, conservación y aprovechamiento}

sostenible de los recursos naturales

PALABRAS CLAVES/ KEYWORDS:

Densidad celular, fertilizantes agrícolas, metabolitos primarios,

Scenedesmus sp.

RESUMEN/ ABSTRACT (150-250 palabras):

En este estudio se evaluó medios de cultivo basados en fertilizantes agrícolas (F1, F2 y F3) en diferentes concentraciones (C1, C2 y C3), y su efecto sobre el crecimiento, producción de biomasa y metabolitos primarios en la microalga Scenedesmus sp., en comparación con un medio de cultivo estándar, con el propósito de hallar alternativas más económicas para el cultivo de microalgas. Los cultivos se mantuvieron durante siete días en aireación permanente, irradiancia de 234 μmol fotones m-2s-1 y fotoperiodo de 12:12h. Los tratamientos evaluados tuvieron respuestas diferentes; sin embargo, los valores obtenidos en F1 (C2 y C3) en cuanto al crecimiento y la composición bioquímica de Scenedesmus sp. fueron competitivos en comparación al medio control; tomando en consideración su bajo precio y alta disponibilidad en el mercado, demostrando así que resultan un opción viable y económica para el reemplazo de los medios nutritivos de laboratorio, principalmente en cultivos a gran escala.

ADJUNTO PDF: SI NO

CONTACTO CON AUTOR/ES: Teléfono: 0980401004 E-mail: alexqj93@hotmail.com

CONTACTO CON LA INSTITUCIÓN:

Nombre: Facultad de Ciencias naturales Teléfono: 043080777 – 043080758

E-mail: fcnn@ug.edu.ec

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Guayaquil, 30 de Agosto de 2018

CERTIFICACIÓN DEL TUTOR REVISOR

Habiendo sido nombrado MIRIAM JACQUELINE SALVADOR BRITO, DOCENTE TUTORA, del trabajo de titulación ESTUDIO COMPARATIVO DE TRES FERTILIZANTES AGRÍCOLAS SOBRE EL

CRECIMIENTO COMPOSICIÓN BIOQUÍMICA DE Scenedesmus sp. UGB-RJ3009 EN CULTIVOS DISCONTINUOS, certifico que el presente trabajo de titulación, elaborado por MARIA ALEXANDRA QUISHPE JADÁN con C.I. No. 0931271837, en la Carrera de Biología, Facultad

de Ciencias Naturales, ha sido REVISADO Y APROBADO en todas sus partes, encontrándose apta para su sustentación.

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© Derechos de Autor

Maria Alexandra Quishpe Jadán 2018

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CARRERA DE BIOLOGÍA

UNIDAD DE TITULACIÓN

ESTUDIO COMPARATIVO DE TRES FERTILIZANTES AGRÍCOLAS SOBRE EL CRECIMIENTO COMPOSICIÓN BIOQUÍMICA DE Scenedesmus sp. UGB-RJ3009

EN CULTIVOS DISCONTINUOS

Autor: María Alexandra Quishpe Jadán

Tutor: PhD. Ever Morales Avendaño

RESUMEN

En este estudio se evaluó medios de cultivo basados en fertilizantes agrícolas (F1, F2 y F3) en diferentes concentraciones (C1, C2 y C3), y su efecto sobre el crecimiento, producción de biomasa y metabolitos primarios en la microalga Scenedesmus sp., en comparación con un medio de cultivo estándar, con el propósito de hallar alternativas más económicas para el cultivo de microalgas. Los cultivos se mantuvieron durante siete días en aireación permanente, irradiancia de 234 μmol fotones m-2_s-1_y

fotoperiodo de 12:12h. Los tratamientos evaluados tuvieron respuestas diferentes; sin embargo, los valores obtenidos en F1 (C2 y C3) en cuanto al crecimiento y la composición bioquímica de Scenedesmus sp. fueron competitivos en comparación al medio control; tomando en consideración su bajo precio y alta disponibilidad en el mercado, demostrando así que resultan un opción viable y económica para el reemplazo de los medios nutritivos de laboratorio, principalmente en cultivos a gran escala.

Palabras claves: Scenedesmus sp., fertilizantes agrícolas, densidad celular, metabolitos primarios, plasticidad fenotípica.

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UNIDAD DE TITULACIÓN

COMPARATIVE STUDY OF THREE AGRICULTURAL FERTILIZERS ON GROWTH AND BIOCHEMICAL COMPOSITION OF Scenedesmus sp.

UGB-RJ3009 IN BATCH CULTURE

Author: Maria Alexandra Quishpe Jadán

Advisor: PhD. Ever Morales Avendaño

ABSTRACT

In this research, different culture media based on commercial agricultural fertilizers (F1, F2, F3) at 0,25; 0,5 and 1,0 g.L-1 _{(C1,C2,C3) were evaluated as well as each of}

their effects on the growth, production of biomass and primary metabolites in the microalga Scenedesmus sp. in batch cultures compared to a standard culture medium, in order to find more affordable alternatives for the cultivation of microalgae. The cultures were maintained for seven days, under photoperiod conditions 12: 12h, constant aeration and at an irradiance of 234 μmol photons m-2 _s-1_{. All the treatments}

evaluated had a different response; however, the values obtained in F1 (C2 and C3) regarding the growth and biochemical composition of Scenedesmus sp. were competitive with the control medium taking into account their low price and high availability in the market, proving that they are a viable and economical option for the replacement of nutritive laboratory culture media, mainly if large volumes of culture are required.

Keywords: Scenedesmus sp., agricultural fertilizer, cell density, primary metabolites, phenotypic plasticity.

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UNIDAD DE TITULACIÓN

RÚBRICA PARA LA EVALUACIÓN DE LA SUSTENTACIÓN DEL TRABAJO DE TITULACIÓN*

Título del trabajo: Estudio comparativo de tres fertilizantes agrícolas sobre el crecimiento composición bioquímica de Scenedesmus sp. UGB-RJ3009 en cultivos discontinuos.

Nombre del miembro del Tribunal de Sustentación: Fecha de Sustentación:

Blga. Mónica Armas de Soto MSc. Martes, 11 de septiembre del 2018 EVALUACIÓN DE LA EXPOSICION ORAL PUNTAJE

MÁXIMO

El alumno realiza una presentación con seguridad, dirigiéndose hacia el tribunal, manteniendo su atención y manejando las transparencias o cualquier otro medio con soltura.

2

Capacidad de análisis y síntesis, Capacidad de organización, planificación y habilidad en la gestión de la información, administrando el tiempo de la exposición de manera adecuada.

2

Las ideas se presentan de manera clara y comprensible, dominando el tema y utilizando recursos viables y ejemplos. La presentación es original y creativa, sin uso excesivo de animaciones. Los elementos visuales son adecuados.

2

Los contenidos que se exponen son adecuados, ajustados a la memoria escrita y en un lenguaje científico.

2 Responde adecuadamente a las preguntas del tribunal, su

actitud es respetuosa hacia los miembros del tribunal. 2

CALIFICACIÓN TOTAL** 10

*Cada miembro del tribunal utilizará una rúbrica para la evaluación de la sustentación y registrará su firma en el documento individualmente.

** El resultado será promedio con la calificación será promediado con la calificación de la memoria escrita para la obtención de la Nota Final de Sustentación del Trabajo de Titulación.

FIRMA DEL MIEMBRO DEL TRIBUNAL

FIRMA Y SELLO SECRETARIA DE LA CARRERA

C.I. No. 0907686240

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UNIDAD DE TITULACIÓN

Blga. Miriam Salvador de Castro Martes, 11 de septiembre del 2018 EVALUACIÓN DE LA EXPOSICION ORAL PUNTAJE

MÁXIMO

2

C.I. No. 0907678288

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UNIDAD DE TITULACIÓN

PhD. Xavier Álvarez Montero Martes, 11 de septiembre del 2018 EVALUACIÓN DE LA EXPOSICION ORAL PUNTAJE

MÁXIMO

2

C.I. No. 0908695364

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© Derechos de Autor

Maria Alexandra Quishpe Jadán 2018

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iii

DEDICATORIA

A mis amados padres y hermanos, por su amor, paciencia y apoyo que han hecho posible el poder alcanzar mis metas, por ser mi ejemplo y mi mayor fuerza para no rendirme y hacerme sentir que todos los esfuerzos valen la pena.

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AGRADECIMIENTOS

Agradezco a Dios, por permitirme existir y conocer a aquellas maravillosas personas que tengo junto a mí como mi familia y amigos, por poder amarlos y ser amada por ellos, en ese sentimiento sé con seguridad que está tu presencia.

A mi amada madre María, por luchar y mantenerte fuerte ante las adversidades de la vida, por seguirte manteniendo dulce y amorosa hacia mí y mis hermanos, y a la vez fuerte para poder corregirnos y crear en nosotros valores y principios fundamentales en la vida.

A mi padre Jorge y a mis hermanos Edwin y Fernando, su amor, preocupación y abundante paciencia han sido indispensables para mi desarrollo profesional y mi propio bienestar.

A mi tutor de tesis, PhD. Ever Morales Avendaño, por sus enseñanzas y correcciones en el desarrollo de esta tesis. Gracias por su motivación y constante preocupación hacia todos sus alumnos y darnos mayores oportunidades para crecer profesionalmente, además de sembrar en nosotros la semilla de ayudar a los demás con el mismo entusiasmo con el que usted lo hace todos los días.

A mis profesores, por impartir sus conocimientos de forma paciente y constante, compartiendo parte de su experiencia, anécdotas y por su apoyo reconfortante cuando lo necesitamos y a su vez empujarnos a seguir creciendo profesionalmente y nunca detenernos. A todos mis amigos, por hacer que todos estos años de preparación sean más divertidos e inolvidables, haciendo que aquellas etapas difíciles se sientan menos con su apoyo y pasen más rápido.

Gracias al Laboratorio de Biotecnología, por acogerme y confiar en mí para desarrollar este tema de tesis que forma parte de uno de sus proyectos de investigación. Gracias a los integrantes del Área de microalgas, al Blgo. Leonardo García, Dianita Macías y Yelsin Loor, por enseñar y guiarme con todo lo necesario para desarrollar esta investigación, muchas gracias por su compañía y valiosa ayuda durante todo el proceso. Así mismo agradezco a todo el personal que conforma el Laboratorio de

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v Biotecnología por sus aportaciones y su buena disposición para ayudar ante cualquier inconveniente o duda.

Y por último gracias a la Facultad de Ciencias Naturales por haberme dado la oportunidad de realizar una carrera profesional.

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vi

ÍNDICE DE CONTENIDO

INTRODUCCIÓN ...1

CAPÍTULO I ...4

1.1 PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA ...4

1.2. OBJETIVOS ...6 1.2.1. Objetivo general ...6 1.2.2. Objetivos específicos ...6 1.3. JUSTIFICACIÓN ...7 1.4. HIPÓTESIS ...10 CAPÍTULO II ...11 2.1. ANTECEDENTES ...11 2.2. MARCO TEÓRICO ...13

2.2.1. Aspectos generales de las microalgas ...13

2.2.2. Factores para el cultivo de microalgas ...14

2.2.3. Aplicaciones biotecnológicas ...14

2.2.4. Clasificación taxonómica ...16

2.2.4.1 Género Scenedesmus ...16

2.2.4.2 Plasticidad fenotípica de Scenedesmus ...17

2.2.5. Fertilizantes agrícolas ...18

2.2.5.1 Fertilizantes agrícolas en el cultivo de microalgas ...18

CAPÍTULO III ...20

3.1. METODOLOGÍA ...20

3.1.1. Material biológico ...20

3.1.1.1. Condiciones del inóculo ...20

3.1.2. Diseño experimental ...21

3.1.2.1. Medio de control ...21

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vii

3.1.3. Condiciones generales de los cultivos ...23

3.2. EVALUACIÓN DE LOS CULTIVOS ...24

3.2.1. Crecimiento ...24

3.2.1.1. Método de recuento celular ...24

3.2.1.2. Método de turbidez ...25

3.2.1.3. Determinación de la biomasa seca ...25

3.2.2. Determinación de pigmentos fotosintéticos ...26

3.2.3. Determinación de carbohidratos ...27

3.2.4. Determinación de lípidos ...28

3.2.5. Determinación de proteínas ...29

3.2.6. Caracterización de la plasticidad fenotípica ...30

3.2.6.1. Expresión del morfotipo: Unicelulares y cenobiales ...30

3.2.6.2. Dimensiones celulares ...30

3.3. ANÁLISIS ESTADÍSTICO ...30

CAPÍTULO IV ...31

4.1. RESULTADOS ...31

4.1.1. Crecimiento de los cultivos ...31

4.1.1.1. Recuento celular ...31

4.1.1.2. Turbidez ...32

4.1.1.3. Biomasa seca ...32

4.1.2. Pigmentos ...33

4.1.3. Correlación entre parámetros de crecimiento ...34

4.1.4. Carbohidratos ...34

4.1.5. Lípidos ...35

4.1.6. Proteínas ...36

4.1.7. Caracterización de la plasticidad fenotípica ...38

(21)

viii 4.1.7.2. Dimensiones celulares ...39 DISCUSIÓN ...41 CONCLUSIONES ...44 RECOMENDACIONES...46 REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS...47 ANEXOS ...58

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ÍNDICE DE TABLAS

Tabla 1. Estudios realizados referentes al efecto de los fertilizantes agrícolas en el

cultivo de distintas especies de microalgas. ... 19

Tabla 2. Diseño experimental con los factores y variables de respuesta evaluadas 21

Tabla 3. Composición del medio Basal de Bold (Bischoff & Bold, 1963) ... 22

Tabla 4. Concentración de los componentes presentes en cada fertilizante agrícola

(mg.L-1_{) en las distintas concentraciones evaluadas ... 23}

Tabla 5. Correlación entre parámetros de crecimiento de Scenedesmus sp. ... 34

Tabla 6. Valores obtenidos de los parámetros de crecimiento y macromoléculas

(pigmentos, carbohidratos, lípidos y proteínas) en los cultivos de Scenedesmus

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x

ÍNDICE DE FIGURAS

Figura 1. Células de Scenedesmus en cenobios de ocho células. ... 16

Figura 2. Células de Scenedesmus sp. UGB-RJ-3009 observadas en microscopio a 40X. ... 20

Figura 3. Cultivos de Scenedesmus sp. UGB-RJ-3009 en un sistema autotrófico con aireación. ... 24

Figura 4. Diagrama de flujo del protocolo para la extracción y cuantificación de pigmentos liposolubles. ... 26

Figura 5. Diagrama de flujo del protocolo seguido para la extracción y cuantificación de carbohidratos. ... 27

Figura 6. Diagrama de flujo del protocolo seguido para la extracción y cuantificación de lípidos. ... 28

Figura 7. Diagrama de flujo del protocolo seguido para la extracción y cuantificación de proteínas.. ... 29

Figura 8. Curvas de crecimiento (cel.mL-1_{) de los cultivos de}_Scenedesmus_sp.

RJ-3009 en los tratamientos con fertilizantes agrícolas. ... 31

Figura 9. Turbidez medida por densidad óptica (750nm) de los cultivos de

Scenedesmus sp. UGB- RJ 3009... 32

Figura 10. Biomasa seca (mg.L-1_{) en los cultivos de}_Scenedesmus_{sp. UGB-RJ-3009}

al sexto día. ... 33

Figura 11. Concentración de Clorofila a, Clorofila b y carotenoides, en los cultivos de Scenedesmus sp. UGB-RJ-3009. ... 34

Figura 12. Contenido de carbohidratos al sexto día de edad de los cultivos. ... 35

Figura 13. Contenido de lípidos en los cultivos de Scenedesmus sp. UGB- RJ 3009 al sexto día. ... 36

(24)

xi

Figura 14. Contenido de proteínas en los cultivos de Scenedesmus sp. UGB-RJ-3009 ... 37

Figura 15. Observación de células de Scenedesmus sp. en los distintos medios de cultivo evaluados.. ... 38

Figura 16. Población de morfotipos (%) unicelulares y de cenobios de Scenedesmus

sp. RJ-3009 en los diferentes tratamientos. ... 39

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ÍNDICE DE ANEXOS

Anexo 1. Siembra de cultivos con Scenedesmus sp. UGB-RJ-3009 ... 58

Anexo 2. Botellas con los medios de cultivo inoculados con Scenedesmus sp. con medios nutritivos en base a fertilizantes en tres concentraciones y un control ... 58

Anexo 3. Lectura de estándares en el espectrofotómetro para la elaboración de la curva de calibración de lípidos. ... 59

Anexo 4. Variación de pH en los cultivos de Scenedesmus sp. ... 59

Anexo 5. Tabla con los porcentajes de morfotipos unicelulares y cenobiales en los cultivos de Scenedesmus sp. ... 60

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xiii LISTA DE SÍMBOLOS μmol - micromol mM - milimolar mL - mililitro °C - grados centígrados cel.mL-1_{- células por mililitro}

mbar - milibar

rpm - revoluciones por minuto nm - nanómetro

% - porcentaje μL - microlitro μm - micrómetro

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CARRERA DE BIOLOGÍA

UNIDAD DE TITULACIÓN

ESTUDIO COMPARATIVO DE TRES FERTILIZANTES AGRÍCOLAS SOBRE EL CRECIMIENTO COMPOSICIÓN BIOQUÍMICA DE Scenedesmus sp.

UGB-RJ3009 EN CULTIVOS DISCONTINUOS

Autor: María Alexandra Quishpe Jadán

Tutor: PhD. Ever Morales Avendaño

RESUMEN

En este estudio se evaluó medios de cultivo basados en fertilizantes agrícolas (F1, F2 y F3) en diferentes concentraciones (C1, C2 y C3), y su efecto sobre el crecimiento, producción de biomasa y metabolitos primarios en la microalga Scenedesmus sp., en comparación con un medio de cultivo estándar, con el propósito de hallar alternativas más económicas para el cultivo de microalgas. Los cultivos se mantuvieron durante siete días en aireación permanente, irradiancia de 234 μmol fotones m-2_s-1_y

fotoperiodo de 12:12h. Los tratamientos evaluados tuvieron respuestas diferentes; sin embargo, los valores obtenidos en F1 (C2 y C3) en cuanto al crecimiento y la composición bioquímica de Scenedesmus sp. fueron competitivos en comparación al medio control; tomando en consideración su bajo precio y alta disponibilidad en el mercado, demostrando así que resultan un opción viable y económica para el reemplazo de los medios nutritivos de laboratorio, principalmente en cultivos a gran escala.

Palabras claves: Scenedesmus sp., fertilizantes agrícolas, densidad celular, metabolitos primarios, plasticidad fenotípica.

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CARRERA DE BIOLOGÍA

UNIDAD DE TITULACIÓN

COMPARATIVE STUDY OF THREE AGRICULTURAL FERTILIZERS ON GROWTH AND BIOCHEMICAL COMPOSITION OF Scenedesmus sp.

UGB-RJ3009 IN BATCH CULTURE

Author: Maria Alexandra Quishpe Jadán

Advisor: PhD. Ever Morales Avendaño

ABSTRACT

In this research, different culture media based on commercial agricultural fertilizers (F1, F2, F3) at 0,25; 0,5 and 1,0 g.L-1 _{(C1,C2,C3) were evaluated as well as each of}

their effects on the growth, production of biomass and primary metabolites in the microalga Scenedesmus sp. in batch cultures compared to a standard culture medium, in order to find more affordable alternatives for the cultivation of microalgae. The cultures were maintained for seven days, under photoperiod conditions 12: 12h, constant aeration and at an irradiance of 234 μmol photons m-2 _s-1_{. All the treatments}

evaluated had a different response; however, the values obtained in F1 (C2 and C3) regarding the growth and biochemical composition of Scenedesmus sp. were competitive with the control medium taking into account their low price and high availability in the market, proving that they are a viable and economical option for the replacement of nutritive laboratory culture media, mainly if large volumes of culture are required.

Keywords: Scenedesmus sp., agricultural fertilizer, cell density, primary metabolites, phenotypic plasticity.

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INTRODUCCIÓN

El aumento continuo de la población mundial ha desencadenado una importante reducción de los recursos naturales que son explotados para satisfacer las necesidades básicas humanas a través de prácticas insostenibles como la producción agrícola desmedida e irresponsable para la obtención de alimento y de biodiesel; el deterioro y destrucción de ecosistemas terrestres y acuáticos; la quema de combustibles fósiles y la emisión de diferentes gases de efecto invernadero (García-Gonzalez, 2014). Todos ellos han conducido a graves repercusiones ambientales; tales como el calentamiento global, acidificación de los océanos, aumento de lluvias ácidas, suelos infértiles, eutrofización de aguas, entre otras (Bakuei, Ghazaleh, Najafpour, Jahanshahi, & Mohammadi, 2015), generando la necesidad de hallar nuevas alternativas que permitan lograr los mismos objetivos de forma eficaz y a la vez reducir el deterioro progresivo del ambiente (Velichkova, Sirakov & Georgiev, 2013).

Las microalgas y cianobacterias son consideradas como uno de los biorecursos con mayor potencial en el desarrollo biotecnológico, registrándose a lo largo de los últimos años una extensa variedad de estudios referentes a su aplicación con distintas finalidades, seleccionando aquellas especies que han demostrado características de gran relevancia como una rápida tasa de crecimiento, alta tolerancia a cambios de los parámetros ambientales, biomasa con un alto contenido nutricional, una mayor capacidad de asimilación de CO2 y de nutrientes disueltos en el agua que a su vez

permitirán mejorar el rendimiento y disminuir costes en la producción de alimentos, medicinas, suplementos nutricionales, biorremediación; además de considerarse como una opción viable en la generación eficiente y sostenible de biocombustibles (Kim et al., 2007; Soares et al., 2017; Toledo-Cervantes, Garduño-Solórzano, Campos, Martínez-García & Morales, 2018).

Entre las microalgas, los géneros Scenedesmus y Desmodesmus

(Scenedesmaceae) abarcan un alto porcentaje de las investigaciones realizadas y forman parte de los primeros grupos cultivados a nivel de laboratorio, debido al rápido crecimiento y fácil mantenimiento de sus cultivos en comparación al de otras microalgas; así mismo, su alta tolerancia a variaciones de las condiciones

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2 ambientales han permitido que estas se distribuyan de forma abundante en los cuerpos de agua dulce de casi todo el mundo (Kim et al., 2007; Lürling, 2003). Ambos géneros, también se caracterizan por presentar una alta producción de biomasa cuya composición bioquímica está enriquecida con múltiples metabolitos de interés y de gran cotización en el mercado. De acuerdo a estos aspectos, dependiendo de la especie y de las condiciones del cultivo, se han llegado a registrar máximos niveles de proteína, carbohidratos y lípidos (65%, 50% y 40%; respectivamente), con un extenso perfil de aminoácidos esenciales y ácidos grasos poliinsaturados; además de contener vitaminas, minerales y pigmentos con propiedades antioxidante, anti-infamatorio, antiagregante y vasoconstrictor, entre otros (Nayak, Thirunavoukkarasu & Mohanty, 2016; Ramírez, Ragagnin, Queiroz & Jacob, 2015; Velichkova et al., 2013).

En el área de la acuicultura, las microalgas de la familia Scenedesmaceae son cultivadas a gran escala especialmente para la producción de alimento vivo, siendo una de los grupos que ofrecen un mayor aporte nutricional en base a los requerimientos propios de especies zooplanctónicas (cladóceros y rotíferos), larvas de peces y camarones, beneficiándose de su alto contenido en ácidos grasos (Omegas 3 y 6) y de proteínas (Shah et al., 2018; Toyub, Miah, Habib & Rahman, 2008). En el sector industrial es necesaria la generación de biomasa microalgal en mayores proporciones para la obtención de moléculas de alto valor comercial. No obstante, se requiere de fuentes de nutrientes efectivas y económicamente viables que reemplacen a aquellos medios de cultivos formulados con reactivos químicos de grado analítico y de elevados precios (Nayak et al., 2016).

El presente estudio forma parte del proyecto de investigación “Evaluación y optimización del cultivo de la cepa de la microalga carotenogénica Scenedesmus sp (UGB-RJ-3009) bajo la influencia de parámetros físicoquímicos” financiado por la Dirección de Investigaciones y Proyectos Académicos (DIPA) y llevado a cabo por el grupo de investigación del Área de microalgas y cianobacterias del Laboratorio de Biotecnología de la Facultad de Ciencias Naturales.

Los objetivos de esta investigación buscan explorar nuevas opciones que suplan los costosos medios de cultivo empleados a nivel de laboratorio, evaluando tres fertilizantes agrícolas inorgánicos de bajo precio y amplia disponibilidad en el

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3 mercado, considerando las variaciones en el crecimiento celular, producción de biomasa y metabolitos como proteínas, carbohidratos, lípidos, pigmentos (clorofila a,

b, y carotenoides); además de registrar características fenotípicas como forma, tamaño y número de células por cenobio, en comparación a un medio de cultivo estandarizado sobre la especie de microalga dulcecuícola Scenedesmus sp. disponible en el cepario de microalgas y cianobacterias del Laboratorio de Biotecnología de la Facultad de Ciencias Naturales.

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CAPÍTULO I

1.1 PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA

La investigación sobre microalgas está enfocada en diversas aplicaciones biotecnológicas orientadas a la obtención de una gran variedad de productos de interés para el ser humano. Tradicionalmente, estos organismos han tenido una alta aceptación en las industrias alimenticia y acuícola debido a su alto contenido nutricional, abundante en carbohidratos, lípidos, ácidos grasos poliinsaturados, proteínas, vitaminas, minerales y antioxidantes. Así mismo, la producción de pigmentos lipídicos, como clorofila y carotenoides, resultan de gran importancia para la elaboración de productos farmacéuticos, cosmetológicos y alimentarios, siendo los de mayor relevancia las ficobiliproteínas en cianobacterias y los diferentes tipos de carotenoides (Gómez, 2007).

Las microalgas requieren del aporte específico de nutrientes, en las concentraciones adecuadas y en formas químicamente biodisponibles en su medio para asegurar su óptimo crecimiento y desarrollo, existiendo ciertas variantes en cuanto al tipo de elementos y sus proporciones de acuerdo a la especie que se desee cultivar (Silva-Benavides, 2016). Los macronutrientes, micronutrientes (elementos traza) y ciertas vitaminas proporcionados a través de los medios de cultivo, influyen directamente en los parámetros de crecimiento, sobrevivencia y composición bioquímica celular, de manera que, ante la carencia de uno o varios de aquellos elementos, o en las cantidades inadecuadas pueden llegar a generar ciertas limitaciones en tales parámetros (Ochoa, 2016).

Los medios de cultivo microalgales preparados a nivel de laboratorio requieren de reactivos de grado analítico que pueden llegar a ser excesivamente costosos al momento de trabajar con volúmenes de cultivo superiores, representando uno de los factores de mayor interés en la producción masiva de estos organismos con fines comerciales, en donde se toma como prioridad la implementación de alternativas más económicas, que a su vez permitan la generación rápida de biomasa de excelente calidad, sobre todo con altos porcentajes de moléculas como carbohidratos, lípidos, proteínas y pigmentos, destinados a la elaboración de diferentes compuestos con

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5 alto valor comercial (Brito, Milani, Pereira, González & Morán, 2006; Valenzuela et al., 2005).

Existen diversos estudios basados en la evaluación de fertilizantes agrícolas comerciales como sustitutos de los medios de cultivo estándares formulados para microalgas, principalmente por su bajo costo, mayor asequibilidad y fácil aplicación en los cultivos. Sin embargo, debido a la variabilidad de su composición química, es necesario conocer la respuesta de las células ante el estímulo de cada fertilizante y las fluctuaciones en las tasas de crecimiento y producción bioquímica de moléculas de gran interés como carbohidratos, lípidos, proteínas y pigmentos (Brito et al., 2006).

Para el mejoramiento del cultivo de microalgas, se requiere de la formulación de medios de cultivo, además de condiciones físico-químicas adecuadas, que permitan una mayor producción de biomasa enriquecida con metabolitos de interés durante un corto periodo de tiempo, además de reducir los costes de producción a gran escala, generando así una producción con una más alta rentabilidad. En consecuencia, este estudio se plantea comparar la acción de tres fertilizantes agrícolas en el cultivo de la microalga Scenedesmus sp. UGB RJ-3009 y determinar las modificaciones dadas en la tasa de crecimiento, densidad celular, polimorfismo y producción de proteínas, lípidos, carbohidratos y pigmentos en comparación a los valores generados con el medio de cultivo estándar Basal de Bold (Bischoff & Bold, 1963).

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6

1.2. OBJETIVOS

1.2.1. Objetivo general

 Evaluar el efecto de tres fertilizantes agrícolas en el crecimiento y producción de proteínas, lípidos, carbohidratos y pigmentos en la microalga Scenedesmus sp. UGB-RJ 3009 en cultivos discontinuos.

1.2.2. Objetivos específicos

 Comparar el crecimiento de Scenedesmus sp. entre un medio de cultivo convencional seleccionado y tres fertilizantes agrícolas comerciales.

 Cuantificar la producción de biomasa, proteínas, carbohidratos, lípidos y pigmentos (carotenoides y clorofila a y b) en los diferentes tratamientos.

 Determinar cuantitativamente la expresión del morfotipo celular en los tratamientos en relación a los medios de cultivos a ser analizados.

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7

1.3. JUSTIFICACIÓN

Las microalgas son organismos fotosintéticos que han sido aprovechados en beneficio del hombre de numerosas formas desde hace varios siglos; los primeros registros existentes con respecto a su aplicación como complemento alimenticio se remontan al siglo XVI, encontrando alimentos elaborados con la biomasa de cianofitas del género Arthrospira (Spirulina) (García, 2014). Durante la Segunda Guerra Mundial, investigadores alemanes empezaron a producir diatomeas en cantidades masivas con el fin de obtener lípidos y proteínas de manera rápida, dando así un inicio para este grupo de organismos en el campo de la biotecnología y el desarrollo humano, que con el pasar de los años ha ido evolucionando significativamente, encontrando a su vez una amplia variedad de aplicaciones en distintos sectores, y consecuentemente expandiéndose a diversos países; hasta hace pocos años se calculó que la biomasa microalgal producida a nivel mundial oscilaba entre 5 a 10 mil toneladas por año, generando un aproximado de 1250 millones de dólares (Álvarez & Gallardo, 1989; Cañavate, 2011; Pástor & Pozo, 2013).

El cultivo de microalgas ofrece una mayor rentabilidad a nivel industrial, en comparación a la mayoría de organismos terrestres. Esto se debe a que presentan altas tasas de crecimiento ocupando una menor unidad de superficie, requiriendo tan sólo de luz, agua, CO2 y algunas sales como nutrientes inorgánicos para producir

altos rendimientos de biomasa con una extensa variedad de macromoléculas como carbohidratos, lípidos, proteínas y pigmentos, e incluso metabolitos secundarios de mucho interés sobre todo en el área agroalimenticia, biomédica, cosmetológica y bioenergética (Bolaños & Martínez, 2016; Manso, 2015). Adicionalmente, constituyen una alternativa económica y ecológicamente amigable basada en su eficacia en la producción de O2, biorremediación de efluentes con metales pesados y otros

contaminantes, asimismo su capacidad de captación de CO2 del medio contribuye a

la formación de los grandes sumideros de dióxido de carbono en los océanos; los cuales han sido verificados a través de numerosas investigaciones (Cabrera & Pulla, 2014; Olarte & Valencia, 2016).

La producción de microalgas a gran escala ha permitido la elaboración de una amplia gama de productos en la industria alimenticia y farmacéutica, en donde se han utilizado principalmente para mejorar la calidad nutricional de los alimentos, tanto de

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8 animales como de seres humanos, inclusive en el sector de la acuicultura se utilizan como base para la elaboración de piensos y como alimento vivo (Gutiérrez, Ocampo, Montoya & Sánchez, 2016). Los múltiples pigmentos como clorofilas, carotenoides y ficobiliproteínas son utilizados para la elaboración de colorantes naturales, fármacos anti-inflamatorios, antioxidantes, profilácticos, mantenimiento de la estructura de los tejidos, anti-agregantes y vasoconstrictores plaquetario.

Por otra parte, existen numerosos estudios que demuestran que las personas que incluyen en su dieta alimentos ricos en clorofila a, tienden a reducir el riesgo de presentar algún tipo de cáncer (Streit et al., 2015). Estos compuestos alcanzan un gran valor en el mercado internacional y su demanda va en aumento, en conjunto con el desarrollo de la tecnología industrial, la biotecnología y la demanda internacional de nuevos medicamentos y compuestos de alimentación (Portillo et al., 2007).

Las microalgas del género Scenedesmus han sido evaluadas para la obtención de una amplia gama de bioproductos como precursores de fármacos y como complementos alimenticios. Además de, su notoria eficiencia en el tratamiento de aguas residuales por su acción rápida y eficaz en la remoción de nutrientes y metales pesados, además de poder capturar el CO2 del medio contribuyendo así a formar los

grandes sumideros de dióxido de carbono en los océanos (Olarte & Valencia, 2016). Existen diversos estudios sobre este grupo de microorganismos en relación a los medios de cultivo empleados para su crecimiento. Sin embargo, tan solo unas pocas especies han demostrado un crecimiento óptimo en los medios de cultivo formulados para algas dulceacuícolas, exhibiendo así un lento crecimiento en medios en donde otras sí llegan a prosperar (Tapia & Manrique, 2015; Martínez et al., 2005).

Generalmente, en el cultivo de microalgas a gran escala se emplean diferentes fertilizantes como reemplazo de los medios de cultivo preparados a nivel de laboratorio; los cuales requieren de reactivos de grado analítico que resultan excesivamente costosos y difíciles de adquirir para tales proporciones masivas; siendo el uso de fertilizantes una opción más asequible y económica que ha permitido generar altas densidades de crecimiento y, en muchos casos obtener un producto con valores equitativos o mayores en su composición bioquímica en comparación a los

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9 otorgados con los medios de cultivo estándares (González, Buitrago & Frontado, 1999; Panta, Macay, Moncayo &Vélez, 2016; Valenzuela et al., 2005).

La presente investigación pretende encontrar alternativas que permitan complementar o cubrir las necesidades nutricionales de Scenedesmus sp., mediante el mejoramiento del medio de cultivo estandarizado para este tipo de organismos, generando así un incremento de la producción de biomasa y a la vez un mayor aprovechamiento de las moléculas de interés comercial; tales como, proteínas, lípidos, carbohidratos y pigmentos, a través de la implementación de fertilizantes agrícolas comerciales, como una opción económica y rentable para la producción masiva de esta microalga.

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1.4. HIPÓTESIS

Hipótesis alternativa (Ha):

El uso de fertilizantes agrícolas como medio de cultivo para la microalga

Scenedesmus sp. inducirá diferencias significativas en su crecimiento y composición bioquímica con respecto al medio de cultivo estándar (BBM).

Hipótesis nula (H0):

El uso de fertilizantes agrícolas como medio de cultivo para la microalga

Scenedesmus sp. no inducirá diferencias significativas en su crecimiento y composición bioquímica con respecto al medio de cultivo estándar (BBM).

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11

CAPÍTULO II

2.1. ANTECEDENTES

Estudios realizados con microalgas clorofitas sobre el uso de diferentes fertilizantes en los cuales cultivaron tres especies de microalgas dulceacuícolas; Kirchneriella obesa, Scenedesmus quadricauda y Chlorococcum infusorium, empleando dos fertilizantes (Fert I y Fert II) y el medio F/2 de Guillard como control en volúmenes de 32 L de cultivo. Las máximas concentraciones para las tres especies se registraron al décimo día en el control y en el Fert I, en el caso de S. quadricauda alcanzó una densidad de 0.16 x106 _cel.mL-1_{(control) y 0.12 x10}6_cel.mL-1_{(Fert I) y tasas de}

duplicación de 1.44 y 1.14; respectivamente. Entre los resultados se logró demostrar la eficacia del uso del fertilizante (Fert I) en comparación al medio de cultivo estándar F/2 principalmente como una alternativa para disminuir costos en los cultivos de estas microalgas (Ortega-Salas & Reyes-Bustamante, 2012).

Por otra parte, en una investigación realizada en base al efecto de los fertilizantes agrícolas sobre el cultivo de Chlorella sorokiniana (Silva-Benavides, 2016) se evaluaron dos fertilizantes agrícolas comerciales NPK 20-20-20 y NPK 22-10-7 (+MgO) complementados con sulfato de magnesio, bajo condiciones de intensidad lumínica de 150 μmol fotones m-2_s-1_{, ajuste diario a pH 7 y con adición de CO}

2 en el

flujo de aire, mantenidos durante nueve días. Entre los resultados, se determinó que con el fertilizante NPK 20-20-20 (1,0 g.L-1_{) + 0,27 g.L}-1_MgSO₄_.7H₂_{O, registrando la}

máxima densidad al sexto día (3,25 g.L-1_{) con un alto contenido proteínico (50,10 ±}

0.1%) y de carbohidratos (37,32 ± 0.27%). Se concluyó que estos fertilizantes agrícolas, en conjunto con la adición de MgSO4, pueden utilizarse para el cultivo de C. sorokiniana, generando un crecimiento y producción de biomasa similar a la obtenida con un medio de cultivo estándar.

La evaluación de fertilizantes agrícolas como medios nutritivos para el cultivo de

Scenedesmus sp. fue estudiada por Nayak et al. 2016; quienes determinaron la producción de biomasa y contenido lipídico en un cultivo discontinuo de

Scenedesmus sp.; con utilización de una combinación de urea con distintas concentraciones de fertilizante inorgánico NPK, bajo condiciones de luz continua de 60 μmol fotones m-2_.d-1_{. En estos estudios se demostraron óptimos resultados en}

(40)

12 aquellos tratamientos con las más altas concentraciones del fertilizante (1.0 g.L-1_),

con las cuales obtuvo una producción de biomasa de 1.19 g.L-1_{, y una productividad}

de 66.1 mg.L-1_.d-1_{, tasa de crecimiento específico de 0.265 μ.d}-1_{y un alto porcentaje}

de lípidos (28.55%); mediante esta investigación se llegó a demostrar que el aporte de nutrientes a partir de fertilizantes agrícolas puede ser empleado de forma óptima para el correcto rendimiento de los cultivos de esta cepa microalgal.

Soares et al. (2017), realizaron cultivos discontinuos de Scenedesmus sp. evaluando el crecimiento y composición bioquímica para lo cual emplearon como medio nutritivo distintos fertilizantes agrícolas manteniendo el cultivo con adición de 5% de CO2 y utilizando como control el medio BG11. De acuerdo a una cinética de

16 días, se produjo una alta densidad celular y producción de biomasa (7.3 ± 0.9 ×107_cel.mL-1_{y 1.7 g.L}-1_{, respectivamente). En cuanto a la composición de proteínas,}

carbohidratos y lípidos se produjo 558.4 ± 23.1 mg.L-1_{, 287.1 ± 55.1 mg.L}-1_{y 271.5}

± 17.6 mg.L-1_{; respectivamente. Concluyendo que el uso de fuentes de nutrientes de}

grado comercial es una alternativa efectiva y de bajo costo para optimizar la producción de los pigmentos, proteínas, carbohidratos y lípidos de esta microalga a gran escala.

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13

2.2. MARCO TEÓRICO

2.2.1. Aspectos generales de las microalgas

Las microalgas, son organismos unicelulares con capacidad fotosintética, representados por una amplia diversidad de especies que pueden ser inmóviles o tener movilidad mediante estructuras como flagelos, en su mayoría presentan complejos ciclos de vida, protegidos por una pared celular que puede estar desnuda o recubierta por estructuras de sílice o sustancias proteicas, hallándose de manera individual o en pequeños grupos formando colonias con diversos tamaños y formas (Adedoyin, 2017). Tienen una amplia distribución, llegando a habitar en casi todos los ecosistemas acuáticos, ya sean estos marinos, dulceacuícolas, salobres, inclusive en ecosistemas terrestres y ciertos hábitats con condiciones ambientales extremas como las regiones árticas y zonas con hipersalinidad o alta alcalinidad (Osorio, Belmar & Vásquez, 2016; Perénguez & Valdez, 2017).

Entre los principales grupos de microalgas están las clases Bacillariophyceae (diatomeas), Chlorophyceae (algas verdes), Chrysophyceae (algas doradas pardas), Prymnesiophyceae y Eustagmatophyceae, cuya categorización se basa principalmente en el tipo de pigmentos fotosintéticos, considerando en menor medida ciertos componentes bioquímicos, su estructura celular y ciclo de vida (Moreno, 2012). La clasificación de estos microorganismos, sobre todo en taxones inferiores, ha sido constantemente involucrada en controversias debido a que su morfología y fisiología son altamente variables y dependientes de diferentes factores del medio; por lo cual, el uso de marcadores moleculares para su identificación ha sido una de las metodologías de mayor valor en la identificación de microalgas (Adedoyin, 2017; Radha, Fathima, Sellamuthu & Mohandas, 2012).

Desempeñan un rol de gran importancia en los ecosistemas acuáticos, siendo parte fundamental de las redes tróficas como base de la cadena alimenticia (organismos productores). Además de, aportar grandes cantidades de oxígeno para el metabolismo de organismos consumidores aeróbicos (González, 2010). Se calcula que son los responsables de fijar más del 40% del dióxido de carbono de la atmósfera durante el proceso de fotosíntesis para la producción de moléculas orgánicas, con

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14 una eficiencia superior a la de plantas terrestres (Elías, 2018; Goswami & Kalita, 2011).

2.2.2. Factores para el cultivo de microalgas

Los principales factores externos que influyen en el crecimiento y en el contenido bioquímico de estos microorganismos son la intensidad de luz, disponibilidad de nutrientes y de dióxido de carbono, temperatura y pH; dependiendo del hábitat del que provengan la salinidad puede jugar un rol importante; además de ellos, la presencia de sustancias tóxicas y de metales pesados han demostrado a través de diversos estudios su efecto sobre la densidad celular y composición química (Arredondo, Voltolina, Zenteno, Arce & Gómez, 2017; Goswami & Kalita, 2011; Peña-Castro, Martínez-Jerónimo, Esparza-García & Cañizares-Villanueva, 2004). Aunque su principal fuente de energía sea la radiación solar y el dióxido de carbono, también pueden aprovechar las fuentes de carbono orgánico por lo cual se los considera a la vez como organismos mixotróficos (Elías, 2018).

2.2.3. Aplicaciones biotecnológicas

Las microalgas poseen diversas características que las convierten en un recurso de gran interés para el desarrollo biotecnológico, tales como su alta tasa de crecimiento y su capacidad de sintetizar productos de alto valor como aminoácidos, lípidos, carbohidratos, pigmentos, vitaminas, enzimas y bioplásticos; generando grandes expectativas para su aprovechamiento en las industrias alimenticia, farmacéutica, cosmética, energética, acuicultura, así como un recurso viable para la biorremediación de aguas contaminadas (Osanai, Park & Nakamura, 2017, Radha et al., 2013).

Desde hace varias décadas el ser humano ha utilizado estos organismos como una fuente de alimento de alto valor nutricional, encontrando en su composición un elevado porcentaje de proteínas, semejante al que se puede hallar en otras fuentes convencionales como el huevo y la soya (Adedoyin, 2017); además de contener carbohidratos, ácidos grasos poliinsaturados (omegas 3 y 6), y una gran variedad de pigmentos. Entre ellos la astaxantina, zeaxantina, luteína y betacaroteno que poseen propiedades antioxidantes, todos ellos al mismo tiempo son necesarios para la

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15 elaboración y desarrollo de diversos productos farmacéuticos y nutracéuticos (Duong et al., 2015).

En el sector de la acuicultura se han obtenido múltiples beneficios debido a su alta calidad nutricional y eficiente digestibilidad al emplear estos microorganismos, ya sea como alimento vivo o en balanceados (en reemplazo del uso de harina y aceite de pescado), destinados al cultivo de cladóceros, rotíferos, moluscos, camarones y larvas de peces, influyendo en el mejoramiento de la calidad de los cultivos y el incremento de la resistencia a distintas enfermedades (Shah et al., 2018).

Los estudios realizados en base a una gran variedad de especies microalgales han demostrado su alto potencial como futuras materias primas para la generación de biocombustibles debido a su capacidad de acumular grandes reservas de lípidos, incluso hasta alcanzar la mitad de su peso seco, atrayendo y generando el interés de los sectores público y privado que se mantienen en búsqueda de la reducción de costos para su producción (Kilian, Benemann, Niyogi, & Vick, 2011). Diferentes tipos de biocombustibles han sido obtenidos con su biomasa, entre ellos biodiesel, bioaceites, bio-hidrógeno, ofreciendo una amplia variedad de alternativas ecológicamente amigables para suplir aquellos combustibles de fuentes fósiles y de limitado stock que a su vez han generado severas repercusiones ambientales (Difusa, Takukdar, Kalita, Mohanty & Goud, 2015; Velichkova et al., 2013).

Existen abundantes investigaciones que han evidenciado la eficacia de numerosas especies de microalgas como agentes de bioremediación, demostrando óptimos resultados en la remoción de nutrientes en aguas residuales (principalmente carbono, nitrógeno y fósforo), gracias a la presencia de exoenzimas capaces de degradar compuestos orgánicos en moléculas más asimilables para su metabolismo (Rodríguez, 2010). Así mismo, pueden capturar y acumular metales pesados tales como cadmio, cobre y cromo, reduciendo la concentración de estos compuestos en ecosistemas acuáticos que son liberados como producto de ciertas actividades industriales que pueden llegar a ocasionar serios problemas ambientales (Ishaq, 2016; Peña-Castro et al., 2004).

(44)

16 2.2.4. Clasificación taxonómica Imperio Eukaryota Reino Plantae Subreino Viridiplantae Phylum Chlorophyta Subphylum Chlorophytina Clase Chlorophyceae Orden Sphaeropleales Familia Scenedesmaceae Género Scenedesmus

Figura 1. Células de Scenedesmus en cenobios de ocho células. Fuente: Guiry & Guiry, 2018 (http://www.algaebase.org/search/species/detail/?species_id=fd80fe8490e537789)

2.2.4.1 Género Scenedesmus

El género Scenedesmus de la clase Chlorophyceae fue descrito por Meyen (1829), en el cual se agrupó a aquellas microalgas verdes halladas frecuentemente en cuerpos dulceacuícolas de casi todo el mundo (Peña-Castro et al., 2004),

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17 caracterizadas principalmente por la formación de cenobios de dos, cuatro y ocho células (Figura 1), con formas que varían entre ovaladas, elipsoidales ovadas, fusiformes; láminas fuertes (sin ornamentaciones y tres capas de esporopolenina) y ligeramente curveadas en las cuales las células suelen disponerse en una o dos líneas; cloroplasto parietal y almidón, recubriendo al pirenoide; sin embargo, ante determinadas condiciones ambientales pueden ser observadas predominantes en su fenotipo unicelular (Fanés, 2008; Toledo-Cervantes et al., 2018). Se ha reconocido taxonómicamente un aproximado de 74 especies para este género hasta la actualidad, sin embargo, su morfología variante e inconstante ha generado dificultades que impiden su correcta identificación (Ishaq, 2016).

Este grupo de microalgas es conocido como uno de los más prometedores debido a su alta tasa de crecimiento, óptima resistencia a cambios en los parámetros físico-químicos de su medio y especialmente por su alto contenido en diferentes metabolitos de interés que alcanzan elevados precios en el mercado (Soares et al. 2017). En el sector de la acuacultura su cultivo está destinado mayormente para la alimentación del zooplancton herbívoro y de ciertos peces en estadío larval; sin embargo, su capacidad de sintetizar una amplia variedad de aminoácidos esenciales, ácidos grasos poliinsaturados y de múltiples pigmentos con propiedades antioxidantes, entre otros diferentes compuestos, demuestran la potencialidad de las microalgas de este género para ser aplicados en las industrias farmacéutica, alimenticia, cosmetológica, energética y muchas otras (Sathasivam & Ki, 2018).

2.2.4.2 Plasticidad fenotípica de Scenedesmus

Estos organismos presentan una alta plasticidad fenotípica, que se refiere a la capacidad de determinados genotipos de poder expresarse con distintos fenotipos influenciados directamente por cambios en los factores externos o ambientales, entre los más conocidos están la disponibilidad de nutrientes, estrés por contaminantes como metales pesados, aceites, petróleo, temperatura y pastoreo de ciertos grupos zooplanctónicos (Peña-Castro et al., 2004). Un alto porcentaje de las microalgas que forman parte de la familia Scenedesmaceae han sido descritos en distintos estudios como organismos con una gran plasticidad fenotípica, por lo cual se ha hallado en constante controversia con respecto a su clasificación taxonómica, debiendo priorizar

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18 su reubicación de acuerdo a criterios basados en análisis moleculares y no en su morfología (Acevedo & Ramírez, 2003).

2.2.5. Fertilizantes agrícolas

Los fertilizantes agrícolas son compuestos químicamente disponibles para las plantas y que producen un efecto positivo en su crecimiento y desarrollo; de acuerdo a su origen pueden ser de tipo orgánico (como excreciones de animales), e inorgánico cuando consisten en productos o sustancias obtenidas a través de procesos químicos; en su composición se encuentran aquellos elementos esenciales para su desarrollo, divididos en dos grupos; los macronutrientes abarcan aquellos que se requieren en mayores proporciones, tales como el nitrógeno, fósforo, potasio, azufre, calcio y magnesio. El segundo grupo es el de los micronutrientes, a pesar de que estos se hallen en menores cantidades, su presencia es esencial para distintos procesos fisiológicos, entre ellos están el hierro, manganeso, boro, cinc, cloro y cobre (Pérez, 2014; Sánchez, 2014).

2.2.5.1 Fertilizantes agrícolas en el cultivo de microalgas

En la búsqueda de alternativas que permitan reducir los costos de producción en el cultivo de microalgas, se ha evaluado el uso de otras posibles fuentes de nutrientes para sustituir a aquellos medios formulados en base a reactivos químicos de grado analítico debido a su elevado precio; entre aquellas opciones están los fertilizantes agrícolas que contienen macro y micronutrientes que a su vez son compatibles y asimilables para las microalgas (Soares et al., 2017). Varios investigadores han demostrado resultados óptimos al emplear distintos fertilizantes agrícolas en el cultivo de varias especies microalgales (Tabla 1) sobre los parámetros de crecimiento y productividad de distintos metabolitos teniendo como comparación los valores obtenidos con medios de cultivo estándares de laboratorio (Guzmán-Murillo et al., 2007; Fabregas, Toribio, Abalde, Cabezas & Herrero, 1987; Granda, 2015; Muñoz-Peñuela et al., 2012; Silva-Benavides, 2016).

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Tabla 1. Estudios realizados referentes al efecto de los fertilizantes agrícolas en el cultivo de distintas especies de microalgas.

Año Estudio Especies Parámetros evaluados Referencias

2016 Evaluación de fertilizantes agrícolas en la productividad de la microalga Chlorella sorokiniana Chlorella sorokiniana Crecimiento celular, productividad de biomasa, fluorescencia, contenido de clorofila, proteínas y carbohidratos (Silva-Benavides, 2016) 2005 Crecimiento, consumo de nutrientes y composición proximal de Rhodomonas

sp. cultivada con medio f/2 y fertilizantes agrícolas

Rhodomonas sp.

Densidad celular, tasa de crecimiento específica (µ),

contenido de proteínas, carbohidratos, lípidos y consumo de fosfato, nitrato y

amonio (Valenzuela-Espinoza, Lafarga-De la Cruz, Millán-Núñez & Núñez-Cebrero, 2005) 1987 Approach to biomass production of the marine

microalga Tetraselmis suecica (Kylin) using common garden fertilizer and soil extract as cheap nutrient supply in batch

cultures

Tetraselmis suecica

Densidad celular, turbidez, concentración de clorofila a y

contenido de proteínas

(Fabregas, Toribio, Abalde, Cabezas & Herrero,

1987)

2007

Cultivo de cuatro especies de microalgas con diferentes fertilizantes

utilizados en acuicultura Chaetoceros muelleri, Thalassiosira weissflogii, Isochrysis sp. T. suecica

Densidad celular, contenido nutricional: proteínas, carbohidratos y lípidos,

(Piña, Medina, Nieves, Leal, López-Elías &

Guerrero, 2007)

2002

Protein, carbohydrate, lipid and chlorophyll a content in Isochrysis aff. galbana

(clone T-Iso) cultured with a low cost alternative to

the f/2 medium

Isochrysis aff.

galbana

Crecimiento, composición bioquímica referente a clorofila a, proteínas, lípidos y

carbohidratos

(Valenzuela-Espinoza, Millán-Núñez & Núñez-Cebrero, 2002)

2003

The effect of agricultural fertilizer on growth rate of

benthic diatoms

Nitzschia laevis,

N. thermalis var.

minor y Navicula incerta

Densidad celular y tasa de crecimiento

(Simental & Sánchez-Saavedra, 2003) 2006 Evaluación del crecimiento, consumo de nutrientes y composición proximal de Porphyridium cruentum cultivada con

medio f⁄2 y fertilizantes agrícolas. Porphyridium cruentum Crecimiento, pigmentos, proteínas, carbohidratos y lípidos (González, 2006) 2007 Effects of fertilizer-based culture media on the production of exocellular polysaccharides and cellular superoxide dismutase by Phaeodactylum tricornutum (Bohlin) Phaeodactylum tricornutum

Densidad celular y producción de exopolisacáridos, proteínas solubles y enzima

superoxido dismutasa (Guzmán-Murillo, López-Bolaños, Ledesma-Verdejo, Roldan-Libenson, Cadena-Roa, Ascencio, Felipe, 2007)

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20

CAPÍTULO III

3.1. METODOLOGÍA

3.1.1. Material biológico

En el presente estudio se empleó la cepa de Scenedesmus sp. (UGB-RJ-3009) (Figura 2), provista por el cepario de microalgas y cianobacterias del Laboratorio de Biotecnología de la Universidad de Guayaquil, aislada del Río Jauneche, Cantón Palenque en la Provincia de Los Ríos, Ecuador.

La cepa fue conservada en placas de agar con medio Basal de Bold (Bold Basal medium) o BBM (Bischoff & Bold, 1963) y mantenida bajo condiciones controladas de laboratorio.

Figura 2. Células de Scenedesmus sp. UGB-RJ-3009 observadas en microscopio a 40X.

3.1.1.1. Condiciones del inóculo

A partir de la cepa Scenedesmus sp. UGB-RJ 3009 mantenida en placas de agar se extrajeron colonias macroscópicas y luego se transfirieron a medio BBM líquido para su escalamiento hasta un volumen de 250 mL, en ellos se determinó la densidad celular óptima y la cinética de crecimiento de la microalga para identificar la fase