Las algas marinas o algas marinas significa el cultivo masivo de algas con fines industriales y comerciales. Este campo se refiere tanto a las microalgas (también llamadas fitoplancton, microfitas, algas planctónicas) como a las macroalgas (a las que también se hace referencia con el término alga en francés).
El objetivo de esta actividad acuícola es producir tanto alimentos (para consumo humano o animal), complementos alimenticios, productos veterinarios y farmacéuticos, cosméticos , bioplásticos , fertilizantes e incluso fuentes de energía renovables ( algofuel , biogás ) o fitorremediación . Los usos más recientes se relacionan con las nanobiotecnologías o la ingeniería genética.
Los seres humanos han consumido algas desde tiempos prehistóricos. El aztecas practicado algas comestibles Spirulina Arthrospira la XVI ª siglo . El primer cultivo experimental de algas unicelulares fue realizado por Beijerinck en 1890, con una cepa de Chlorella vulgaris . En 1919, Warburg utilizó por primera vez un cultivo de algas como modelo de estudio en fisiología vegetal. El primer trabajo sobre el cultivo de algas en masa en estanques abiertos fue realizado por científicos alemanes durante la Segunda Guerra Mundial . A principios de la década de 1950, los investigadores del Carnegie Institute en Washington estaban interesados en cultivar algas para reducir los niveles de CO 2 ¿de qué? . En 1960, en Estados Unidos, Oswald y Golueke propusieron tratar las aguas residuales cultivando microalgas allí, y recuperar la biomasa obtenida para convertirla en metano (biogás).
Durante la década de 1970, los principales países productores de biomasa de algas fueron Israel , Japón y Europa del Este. Se trata entonces de cultivos en cuencas abiertas para la alimentación. En África y México, el cultivo de espirulina se está desarrollando con esta técnica , en el lago Chad y el lago Texcoco .
En 1978, la crisis del petróleo provocó que la Oficina de Desarrollo de Combustibles del Departamento de Energía de los Estados Unidos comenzara a trabajar en la producción de biomasa de algas y su transformación en biocombustibles. Esta obra, que se desarrollará entre 1978 y 1996, será interrumpida abruptamente antes de experimentar un nuevo auge con la búsqueda de energías renovables.
Si bien la producción de biomasa de algas tuvo un gran atractivo en la acuicultura, su interés como productores de compuestos finos en farmacología, cosmetología y en la industria alimentaria comenzó a atraer cada vez más la atención de industriales y científicos. Los fotobiorreactores han experimentado un gran interés y desarrollo técnico desde la década de 1990, debido a los controles intensificados que permiten en la producción de algas en comparación con los estanques abiertos.
El campo de la medicina también se siente atraído por las algas. La presencia de numerosas biomoléculas activas representa un beneficio inesperado en la búsqueda de nuevos compuestos de interés farmacológico. Podemos citar, por ejemplo, los carragenanos de las algas rojas que pueden prevenir infecciones virales o incluso brevis, un compuesto producido por la microalga tóxica Karenia brevis y que podría ser un compuesto eficaz en la lucha contra la fibrosis quística.
El campo de la biotecnología puede beneficiarse de la producción masiva de algas modificadas genéticamente. Por tanto, es posible utilizar la maquinaria celular de estos microorganismos para producir proteínas de interés, gracias a la ingeniería genética. El trabajo ha permitido así sintetizar y ensamblar correctamente el anticuerpo monoclonal humano IgG1 en cloroplastos modificados genéticamente de Chlamydomonas reinhardtii . De manera más general, la producción masiva de vacunas recombinantes por microalgas es posible y permite evitar ciertos riesgos de contaminación de parásitos biológicos inherentes a las biotecnologías animales.
Desde 1988, las diatomeas también han presentado un nuevo atractivo en el campo de las nanobiotecnologías: el frústulo silíceo de estas algas microscópicas es capaz de adoptar propiedades electrónicas o de permitir la administración de fármacos al organismo. Además, es posible jugar con las propiedades optoelectrónicas de la frústula incorporando en ella, por ejemplo, germanio .
Finalmente, las microalgas pueden servir como filtros naturales para recolectar metales pesados y partículas tóxicas, y pueden usarse en programas de fitorremediación. Un ejemplo es el programa de rehabilitación del lago Salton Sea en California, que está muy contaminado por desechos agrícolas.
En 2018, el cultivo de algas representa más de una cuarta parte de la producción acuícola en tonelaje. Esta producción tiene un valor de mercado de 7.400 millones de euros. El 99% de la producción es asiática.
No todas las especies de algas son cultivables todavía. Por lo tanto, algunas macroalgas todavía se recolectan en el mar o en la playa , a partir de depósitos naturales. Otros se cultivan en "campos marinos", como el alga parda Laminaria japonica (4,9 millones de toneladas por año) y Undaria pinnatifida (2,7 millones de toneladas por año).
Las microalgas se pueden cultivar en masa en cuencas abiertas (lagos, lagunas, cuencas naturales o estructuras artificiales, como cuencas "raceway") o en fotobiorreactores cerrados.
Ciertas macroalgas también se cultivan en una cubeta tipo "raceway" con agitación mecánica ( Chondrus crispus ), o por burbujeo intenso a baja presión ( Gracilaria , Palmaria ).
Las principales ventajas de las cuencas abiertas siguen siendo su facilidad de construcción y el hecho de que son rápidamente operativas y productivas. Pero los cultivos son difíciles de controlar allí, dependiendo de la concentración atmosférica de CO 2 y de la luz natural, al carecer de mezcla del volumen de cultivo, no tienen productividad durante largos períodos y pueden contaminarse fácilmente por parásitos o depredadores externos.
Por el contrario, los fotobiorreactores son más costosos de construir y más complejos de configurar, pero proporcionan un mejor control de los cultivos y una producción más sostenible a lo largo del tiempo. Hay tres tipos principales:
Cabe señalar también que para resolver los problemas de irradiancia de la luz en el cultivo del fotobiorreactor, se han propuesto sistemas iluminados en el interior del volumen de cultivo mediante lámparas de fluorescencia. Estos sistemas tienen la ventaja de poder esterilizarse en caliente y bajo presión, pero siguen siendo difíciles de usar en un entorno externo.
Algunas microalgas pueden cultivarse sin luz, de forma heterótrofa , utilizando sustratos orgánicos como fuentes de nutrientes. Estos sistemas de cultivo permiten la producción de compuestos de alto interés farmacéutico y son habituales los cultivos comerciales de Chlorella en fermentadores agitados. También se han propuesto procesos más complejos, como ciclos alternos día / noche para el establecimiento de ciclos fotosintéticos y heterotróficos. Por tanto, la microalga Euglena gracilis puede cultivarse según este método para producir α-tocoferol .
Las tablas siguientes presentan una serie de ejemplos de cultivo experimental de algas extraídos de la literatura científica:
| Profundidad de la piscina (cm) | Localización | Algas marinas | Productividad máxima (g / l / día) |
|---|---|---|---|
| 13-15 | Israel | Spirulina platensis | 0,18 |
| 1 | República Checa | Chlorella sp. | 2.5 |
| Biorreactor | Orientación | Localización | Algas marinas | Productividad máxima (g / l / día) |
|---|---|---|---|---|
| Tubular | horizontal | Italia | Spirulina maxima | 0,25 |
| Tubular | horizontal | Israel | Spirulina platensis | 1,6 |
| Tubular | inclinado | Singapur | Chlorella pyrenoidosa | 3,64 |
| Columna | vertical | España | Phaeodactylum sp. | 0,69 |
| Columna | vertical | Israel | Isochrysis galbana | 1,6 |
| Plato | inclinado | Israel | Spirulina platensis | 4.3 |
| Algas marinas | Tasa máxima de crecimiento (h -1 ) | ||
|---|---|---|---|
| Fotosíntesis | Heterotrofia | Mixotrofia | |
| Chlorella vulgaris | 0,11 | 0.098 (glucosa) | 0,198 (glucosa) |
| Haematococcus pluvialis | 0,013 | 0,009 (glucosa) | 0.024 (glucosa) |
| Scenedesmus acutus | 0.061 | 0.04 (glucosa) | 0.048 (glucosa) |
| Spirulina platensis | 0,026 | 0,008 (glucosa) | 0.026 (glucosa) |
La producción de macroalgas representa el 88% de la producción mundial de algas. Desde el desarrollo del cultivo de algas y la maricultura para muchas especies de interés comercial, se ha vuelto mucho más importante que la recolección : 14,8 millones de toneladas producidas en 2005 contra 1,3 millones de toneladas recolectadas. Casi todas estas culturas se hacen en Asia. En 2005, las algas pardas fueron las macroalgas más cultivadas (7,8 millones de toneladas), seguidas de las algas rojas (4,8 millones de toneladas). Las algas verdes representan entonces solo 13.000 toneladas. La mayor parte de la producción tiene lugar en Asia.
Las algas pardas más cultivadas son Saccharina japonica (4,9 millones de toneladas por año) y Undaria pinnatifida (2,7 millones de toneladas por año). Entre las algas rojas, las más cultivadas son Porphyra tenebra (1,39 millones de toneladas), Euchema sp . (1,38 millones de toneladas) y Gracilaria sp . (1,03 millones de toneladas).
Su producción se vende principalmente en forma de alimentos para los mercados de China y Corea del Sur y Japón. También se cultivan por sus ficocoloides : los carragenanos extraídos del alga roja Chondrus crispus sirven como agentes gelificantes, al igual que el agar-agar . También se utilizan como torta para la alimentación animal.
La comercialización a gran escala de microalgas comenzó en la década de 1960 en Japón, con el cultivo de Chlorella. El segundo ejemplo fue el establecimiento de cultivos al aire libre de espirulina a lo largo del lago Texcoco por Sosa Texcoco SA en 1977. A principios de la década de 1980, 46 grandes sitios en Asia producían más de una tonelada de microalgas por mes (principalmente de el género Chlorella ). La producción de ß-caroteno por Dunaliella salina se convirtió en la tercera producción comercial más grande del mundo ya en 1986 con el establecimiento de instalaciones privadas en Australia, seguida pronto por iniciativas israelíes y estadounidenses. En un período de 30 años, el cultivo de algas se ha desarrollado significativamente hasta alcanzar producciones anuales del orden de mil toneladas:
| Algas marinas | Producción anual | País | Aplicaciones y derivados |
|---|---|---|---|
| Espirulina ( Arthrospira ) | 3000 t (peso seco) | China, India, Estados Unidos, Birmania, Japón | Nutrición humana y animal, cosmética, ficobiliproteínas |
| Clorella | 2000 t (peso seco) | Taiwán, Alemania, Japón | Nutrición humana, acuicultura, cosmética |
| Dunaliella salina | 1200 t (peso seco) | Australia, Israel, Estados Unidos, China | Nutrición humana, cosméticos, ß-carotenos |
| Aphanizomenon flos-aquae | 500 t (peso seco) | EE.UU | Nutrición humana |
| Haematococcus pluvialis | 300 t (peso seco) | Estados Unidos, India, Israel | Acuicultura, astaxantina |
| Crypthecodinium cohnii | 240 t (aceite DHA) | EE.UU | Aceite de DHA |
| Shizochytrium | 10 t (aceite DHA) | EE.UU | Aceite de DHA |
Un alimento acuícola es un compuesto destinado a la alimentación acuícola. Además del uso de microalgas y macroalgas para aplicaciones (agro) alimentarias, cosméticas o nutracéuticas, estos organismos también tienen su lugar en la nutrición acuícola. El uso de algas (macroalgas y microalgas) en esta zona ha sido objeto de investigación durante algún tiempo. Aunque las microalgas se explotan ampliamente en los sistemas de alimentación de las operaciones de acuicultura (piscicultura, cultivo de mariscos, astacicultura / peneicultura), este uso es más específico para las etapas larvaria y juvenil que para la alimentación de adultos. En cuanto a las macroalgas, se están llevando a cabo estudios con el objetivo de remediar el uso de harinas de animales (pescado) que plantean preocupaciones desde el punto de vista de la normativa europea. De hecho, desde la crisis de la encefalopatía espongiforme bovina (EEB o "enfermedad de las vacas locas"), el Parlamento Europeo estableció regulaciones estrictas sobre el uso de harinas y grasas de origen animal en 2001. (Reglamento (CE) N ° 999 / 2001 y Orden de18 de julio de 2006). Además, la Organización de las Naciones Unidas para la Agricultura y la Alimentación ( FAO ) ha destacado una sobreexplotación de los recursos naturales . Sin embargo, la mayoría de los alimentos acuícolas se obtienen a partir de productos y coproductos pesqueros.
Por eso, ahora es fundamental buscar nuevos compuestos que permitan garantizar productos sanos, seguros y de calidad, así como preservar los recursos naturales.
La mayoría de las especies explotadas en acuicultura requieren un aporte de proteínas, lípidos, vitaminas, minerales y antioxidantes. En cuanto a los carbohidratos, la ingesta debe controlarse de acuerdo con la dieta de la especie. Además, a la formulación de los alimentos también se añaden determinados compuestos como colorantes y conservantes, siendo su función principalmente la de mejorar el aspecto visual y la conservación de los productos acabados.
Las algas tienen muchas cualidades nutricionales que satisfacen las necesidades de las especies acuícolas en términos de proteínas, lípidos, vitaminas, minerales, antioxidantes y fibras. Además, algunas especies tienen pigmentos como Haematococcus pluvialis que produce astaxantina que se utiliza para la coloración rosada del salmón, la trucha y el camarón. Así, las algas parecen ser una alternativa a las harinas y grasas animales que se utilizan actualmente.
Recientemente se han realizado estudios sobre el uso de macroalgas (en forma de gránulos o harina) en la alimentación de peces o moluscos de piscifactoría. LMP Valente y su equipo evaluaron el uso de Gracilaria bursa-pastoris , de Ulva rigida y Gracilaria cornea (granulada) como ingrediente en piensos para juveniles de lubina ( Dicentrarchus labrax ). Los resultados de este estudio de 2005 mostraron que el uso de Gracilaria bursa-pastoris y Ulva rigida (hasta un 10% en la dieta) no afectó el rendimiento del crecimiento, la utilización de nutrientes o la composición del animal. Para Gracilaria cornea su incorporación solo se puede hacer hasta un 5% en la dieta porque más allá de esta se alcanza el rendimiento de crecimiento del animal. P. Dantagnan y su equipo llevaron a cabo un segundo estudio. En este estudio se evaluó la composición de ácidos grasos (poli) insaturados (PUFA) en la trucha arco iris ( Oncorhynchus mykiss ) según la adición o no de harina de algas pardas ( Macrocystis pyrifera ) en los alimentos. Se probaron diferentes niveles de algas: 0%, 1,5%, 3% y 6%. Aquí los resultados muestran que la adición de harina de Macrocystis pyrifera no influye en la composición muscular del animal. Por otro lado, se observó que con niveles de 3% y 6% el contenido de PUFA aumenta significativamente (y más particularmente para ácido linoleico (LIN), ácido eicosapentaenoico (EPA) y ácido docosahexaenoico (DHA)) los cuales son conocidos por su efectos positivos en la salud humana. En este estudio, por lo tanto, se encuentra que el uso de algas pardas en la alimentación animal puede tener un efecto positivo en la salud humana.
En vista de los resultados actuales, las microalgas y las macroalgas parecen tener su lugar en los alimentos para la acuicultura.