Análisis de la influencia de la temperatura en la respuesta fotosintética de cultivos de Nanochloropsis gaditana bajo regímenes de luz continua

Abstract

Resumen: Las microalgas son organismos microscópicos fotosintéticos que se caracterizan por ser fuente de biomoléculas y metabolitos de elevada importancia biológica y presentar unas características metabólicas novedosas. Por ello, su estudio por parte de la biotecnología microalgal va en aumento y adquiere cada día más relevancia. Los modelos de crecimiento y de fotosíntesis se utilizan para estudiar el crecimiento en masa de las microalgas en función de las variables características del régimen de luz, con objeto de diseñar fotobiorreactores más adecuados para maximizar la productividad y disminuir el costo del proceso. La presente investigación se centra en estudiar la influencia de la irradiancia y de la temperatura en la velocidad fotosintética de cultivos diluidos de Nannochloropsis gaditana en regímenes de luz continua. Para ello, se han realizado una serie de experimentos a cuatro temperaturas (15, 20, 25 y 28 °C) y valores de irradiancia incidente entre 45 y 3105 μmol fotones·(m2·s)-1, midiendo la tasa fotosintética mediante la evolución del oxígeno disuelto en el medio de cultivo, y se han obtenido curvas P-I que muestran la relación existente entre el crecimiento microalgal y la irradiancia incidente a cada temperatura ensayada. El análisis de las curvas P-I se ha realizado mediante el ajuste de los datos experimentales a dos modelos de fotosíntesis, un modelo sigmoideo de tipo ecuación de Hill de tres parámetros y el modelo mecanístico propuesto por Camacho Rubio et al. (2003), y a un modelo de crecimiento, el propuesto por Molina et al. (1994). Los valores de los parámetros de estos modelos, que muestran un elevado grado de ajuste, se encuentran dentro de los rangos de valores habituales publicados en bibliografía para los mismos. Los parámetros Pm y µmax, que representan la velocidad de fotosíntesis y de crecimiento máximas, respectivamente, presentan valores máximos a la temperatura de 20 °C, mientras que los parámetros Ik y α, que representan la afinidad de la microalga por la luz, presentan valores mínimos a la temperatura de 25 °C, por lo que se estima que el intervalo de temperaturas óptimo para el cultivo de esta microalga se encuentra entre 20 y 25 °C. Para estudiar la dependencia de la respuesta fotosintética con la temperatura se han realizado regresiones no lineales de los parámetros Pm y µmax, obtenidos con los modelos anteriores, a las ecuaciones de tipo Arrhenius propuestas por Topiwala y Sinclair (1971) y Esener et al. (1983). Los parámetros Pm y µmax han demostrado presentar una clara influencia de la temperatura y su ajuste al modelo de Topiwala y Sinclair ha sido satisfactorio, aunque se recomienda recopilar un mayor set de curvas P-I y a un rango de temperaturas más amplio con el fin de obtener resultados con mayor significación estadística. Abstract: Microalgae are photosynthetic microscopic organisms characterized for being a source of biomolecules and metabolites of high biological importance and novel metabolic characteristics. Therefore, the study of microalgae by microalgal biotechnology is growing rapidly and becoming each day more relevant. Growth and photosynthesis models are used for studying the mass growth of microalgae as a function of the light regime characteristic variables, in order to design photobioreactors that can maximize productivity and reduce the cost of the process. This research focuses on studying the influence of irradiance and temperature on the photosynthetic rate of dilute cultures of Nannochloropsis gaditana under continuous light. These series of experiments have been conducted at four different temperatures (15, 20, 25 y 28 °C) and irradiance values ranging from 45 to 3105 μmol photons·(m2·s)-1, by measuring the photosynthetic rate based on the evolution of dissolved oxygen in the culture medium, and P-I curves have been obtained showing the relationship between microalgal growth and incident irradiance at each of the temperatures tested. The analysis of the P-I curves was done by fitting the experimental data to two photosynthesis models, a sigmoidal model with a Hill-type function of three parameters and a mechanistic model proposed by Camacho Rubio et al. (2003), and to a growth model proposed by Molina et al. (1994). The values obtained for the parameters of the models, which all show fairly good fits, lie within the usual ranges described for these parameters in the literature. For the parameters Pm and µmax, which represent the maximum values of the photosynthesis and growth rates, respectively, the maximum value was obtained at T =20 °C, while for the parameters Ik y α, which represent the affinity of the microalgae for light, the minimum value was obtained at T =25 °C, so for this microalga the optimum temperature interval is 20 to 25 °C. To study the dependence of the photosynthetic response with the temperature, nonlinear regressions of the parameters Pm and µmax, obtained with the previous models, to the Arrhenius-type equations proposed by Topiwala and Sinclair (1971) and Esener et al. (1983) were performed. The results show that the parameters Pm and µmax have a clear dependence on temperature and the fit of these data to the model by Topiwala and Sinclair is satisfactory, although collecting a larger set of P-I curves at a wider temperature range is recommended in order to obtain results that are statistically relevant.