Efecto de la radiación luminosa y la concentración de CO2 sobre la actividad fotosintética de un biofilm algal

Martín Girela, Isabel (2020). Efecto de la radiación luminosa y la concentración de CO2 sobre la actividad fotosintética de un biofilm algal. Thesis (Doctoral), E.T.S. de Ingeniería Agronómica, Alimentaria y de Biosistemas (UPM). https://doi.org/10.20868/UPM.thesis.65873.

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Title: Efecto de la radiación luminosa y la concentración de CO2 sobre la actividad fotosintética de un biofilm algal
Author/s:
  • Martín Girela, Isabel
Contributor/s:
  • Fernández González, Jesús
  • Curt Fernández de la Mora, Mª Dolores
Item Type: Thesis (Doctoral)
Date: 2020
Subjects:
Faculty: E.T.S. de Ingeniería Agronómica, Alimentaria y de Biosistemas (UPM)
Department: Producción Agraria
Creative Commons Licenses: Recognition - No derivative works - Non commercial

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Abstract

La radiación luminosa, el CO2 y el agua son los tres elementos principales para que los organismos dotados de clorofila puedan realizar la actividad fotosintética. Gracias a la energía de la radiación lumínica que absorbe la clorofila de los organismos fotosintéticos, se logra un transporte de electrones desde el agua hasta los lugares celulares en que se realiza la reducción del CO2 para originar materia orgánica. En los seres eucarióticos esta actividad se produce en los cloroplastos, realizándose la captación luminosa en los fotosistemas de los tilacoides y la formación de azúcares en el estroma lipoproteico de los mismos cloroplastos. La captación de los fotones por la clorofila de los fotosistemas y la transferencia de electrones hasta el aceptor primario se produce en un lapso de tiempo muy breve (entre 10-12 a 10-9 segundos) mientras que el tiempo necesario para transportar los electrones desde el aceptor primario hasta la reducción del CO2 se estima entre 1 y 15 milisegundos , por lo que en los casos de la radiación luminosa continua (ya sea la proporcionada por el sol o las lámparas de incandescencia), la fracción de energía que está recibiendo el aparato fotosintético mientras no esté disponible el aceptor primario de electrones de la clorofila, no puede ser utilizada y se pierde por efecto de saturación momentánea de los fotosistemas hasta que se completa el ciclo de reducción del CO2. El uso de la radiación pulsada permite reducir el aporte energético para conseguir el mismo efecto que con la radiación continua, siempre que se ajusten las frecuencias y los pulsos de irradiación a los requerimientos de los fotosistemas. En la actualidad, la forma más sencilla de producir radiación pulsada, con control de la frecuencia y tiempo de irradiación en cada periodo, consiste en el empleo de diodos emisores de luz o abreviadamente LEDs (del inglés light emitting diodes) con sus correspondientes fuentes de alimentación con programación regulable. Dado el interés creciente que tiene la producción de microalgas para fines específicos es necesario producirlas en fotobiorreactores que puedan mantener condiciones controladas en cuanto a los principales parámetros que rigen su producción (iluminación, concentración de CO2, temperatura y composición del medio de cultivo principalmente). El uso de luz pulsada frente a la luz continua, que se utiliza tradicionalmente, representa una gran ventaja por el ahorro energético que supone. En este trabajo se estudia el efecto de la radiación luminosa, tanto continua como pulsada, y de la concentración de CO2 sobre la asimilación fotosintética de microalgas crecidas sobre paneles de geotextil que dan lugar a la formación de biofilms. Esta disposición en capa permite realizar los estudios sobre las mismas células, a diferencia de los realizados sobre cultivos de microalgas en suspensión o no adheridos, donde las microalgas se mueven libremente, siendo prácticamente imposible estudiar los efectos de la radiación sobre las mismas células. Este sistema de estudio representa una novedad sobre los trabajos que se han venido realizando hasta ahora para estudiar el efecto de la radiación luminosa y del CO2 sobre la actividad fotosintética de las microalgas. Para el desarrollo experimental de la Tesis, se realizó una profunda revisión bibliográfica del tema, incluyendo la definición, características y clasificación actualizada de las microalgas, con descripción de las principales especies cultivadas, y la revisión de los sistemas actuales de producción de microalgas, con especial detalle de los fotobiorreactores de biofilm. También se realizó la revisión bibliográfica del proceso fotosintético y la estructura celular implicada, dedicando especial atención a la aclimatación del aparato fotosintético frente a las variaciones de luz, el efecto de la luz continua (blanca y roja) y de la luz roja pulsada sobre la Actividad Fotosintética Neta. Asimismo, se revisó la literatura científica más actual sobre el efecto de la concentración de CO2 sobre la Actividad Fotosintética Neta de las microalgas. El trabajo experimental comprendió tres bloques de experiencias para analizar diversos aspectos de la asimilación fotosintética de cultivos microalgales en biofilm, en relación con los factores: tipos de radiación (Luz Roja Continua, Luz Blanca Continua y Luz Roja Pulsada), densidad de flujo fotónico fotosintético (Photosynthetic Photon Flux Density, PPFD), concentración de CO2 y, frecuencia y duty cycle de la Luz Roja Pulsada. En el primer bloque de experiencias se estudió la Actividad Fotosintética Neta, la Actividad Respiratoria y la Actividad Fotosintética Bruta de un biofilm de microalgas sometido a diversos niveles de irradiación continua (51, 255, 511, 766 y 1.021 μmol de fotones m-2s-1) en combinación con diversos niveles de CO2 (400, 750, 1.000, 2.500, 5.000, 10.000 y 15.000 ppm) para dos tipos de iluminación: luz continua de espectro integral (incandescencia) y luz continua monocromática roja (LEDs de 625-630 nm). Los objetivos fueron los siguientes: 1) determinar la combinación de tipo de luz (Luz Roja Continua o Luz Blanca Continua), concentración de CO2 y nivel de irradiancia que produce la mejor respuesta sobre la Actividad Fotosintética Neta; 2) estudiar la Actividad Respiratoria en función de la concentración de CO2; 3) Calcular y analizar la Eficiencia Cuántica y el Requerimiento Cuántico de la Actividad Fotosintética Bruta para Luz Roja Continua y para Luz Blanca Continua, a partir de los resultados de la Actividad Fotosintética Neta y la Actividad Respiratoria. Los valores más altos de la Actividad Fotosintética Neta para la combinación entre fuente de irradiación, concentración de CO2 y nivel de irradiancia, tanto para la Luz Roja Continua como para la Luz Blanca Continua, se consiguieron con el mayor PPFD y la mayor concentración de CO2 ensayadas (1.021 μmol de fotones m-2s-1 y 15.000 ppm de CO2), obteniéndose un valor de 16,0 ± 1,2 μmol CO2 m-2s-1 para la Luz Roja Continua y de 18,9 ± 4,3 μmol CO2 m-2s-1 para la Luz Blanca Continua. En cuanto a la comparativa entre los diferentes tipos de luz (Luz Roja Continua y Luz Blanca Continua), no se apreciaron diferencias significativas entre ambos tipos de tratamientos, siendo por tanto la Luz Roja Continua tan eficiente como la Luz Blanca Continua. Con respecto a la Actividad Respiratoria de un biofilm de microalgas en condiciones de oscuridad, aumenta al aumentar el nivel de PPFD en el periodo luminoso anterior, dentro de un rango de concentraciones de CO2 inferiores 5.000 ppm, mientras que para las concentraciones de 10.000 y 15.000 ppm la actividad respiratoria disminuye considerablemente para todos los niveles de PPFD. Los valores obtenidos en el rango de concentraciones de CO2 entre las 400 y las 5.000 ppm oscilaron entre el valor de 1,5 μmol CO2 m-2s-1 para las condiciones iniciales sin iluminación previa, hasta los 3 μmol CO2 m-2s-1 para las condiciones de oscuridad que siguieron al periodo de iluminación con 766 μmol de fotones m-2s-1. Las tendencias observadas sobre la Actividad Fotosintética Bruta están en línea con las observadas para la Actividad Fotosintética Neta. La Actividad fotosintética Bruta aumenta la hacerlo el PPFD y la concentración de CO2, tanto para la Luz Blanca Continua como para la Luz Roja Continua, con la excepción de que a partir de 5.000 ppm de CO2 con Luz Roja Continua, los valores de la Actividad Fotosintética Bruta disminuyen levemente, sin que haya diferencias significativas entre los valores obtenidos para 5.000, 10.000 y 15.000 ppm de CO2. Las mayores Eficiencias Cuánticas se lograron en las condiciones de mínima irradiancia (51 μmol fotones m-2 s-1) y máxima concentración de CO2 (15.000 ppm), lográndose eficiencias del 8,63 % y 10,20 % para la Luz Roja Continua y la Luz Blanca Continua respectivamente -las cuales están próximas al máximo teórico establecido (entre el 10 y el 12 %)- correspondientes a un empleo de 11,59 y 9,81 fotones de Luz Roja Continua y la Luz Blanca Continua respectivamente por cada molécula de CO2 absorbida. La mínima eficiencia se obtuvo en las condiciones de máxima irradiancia (1.021 μmol fotones m-2 s-1) y menor concentración de CO2 (400 ppm) con un valor del orden del 0,67 %. En el segundo bloque de experiencias, se estudió el efecto de la Luz Roja Continua y la Luz Roja Pulsada, sobre la Actividad Fotosintética Neta de un biofilm de microalgas. Los niveles ensayados de PPFD de Luz Roja Continua fueron de 51, 255, 511, 766 y 1.021 μmol de fotones m-2s-1. La Luz Roja Pulsada se ensayó con tres frecuencias (0,1, 1 y 10 kHz) y cuatro duty cycle (5, 25, 50 y 75 %, que proporcionaron unos PPFD respectivos de 51, 255, 511 y 766 μmol de fotones m-2s-1). El objetivo fue determinar si la Luz Roja Pulsada producía un aumento en la Actividad Fotosintética Neta con respecto a la Luz Roja Continua, y en caso afirmativo, conocer la combinación de frecuencia y duty cycle que mayor aumento de Actividad Fotosintética Neta producía. Los resultados mostraron que estadísticamente no existían diferencias significativas entre la Luz Roja Pulsada y la Luz Roja Continua para un mismo PPFD excepto para el nivel de irradiación de 51 μmol de fotones m-2s-1 entre la Luz Roja Continua y la Luz Roja Pulsada de 1 y 10 kHz. En el tercer bloque de experimentos, se estudió el efecto de la Luz Roja Pulsada a muy altas frecuencias (10, 30, 70 y 100 kHz) y bajo duty cycle (5%) con el fin de determinar que frecuencia producía mayor Actividad Fotosintética Neta. Los resultados mostraron que no existían diferencias estadísticas significativas entre las frecuencias empleadas, por lo que la frecuencia de 10 kHz y 5 % de duty cycle sería recomendada. Los resultados obtenidos en este estudio permiten establecer las condiciones óptimas de irradiación y de concentración de CO2 para el desarrollo de cultivos de microalgas en condiciones artificiales, sobre todo por el ahorro potencial de energía que puede suponer el empleo de Luz Roja Pulsada con baja irradiancia y muy altas frecuencias, frente a los sistemas tradicionales que utilizan irradiación continua. El fotobiorreactor laminar (PBR-L) desarrollado en el Grupo de Agroenergética de la UPM resulta muy adecuado para la producción de biomasa de microalgas en forma de cultivos adheridos (biofilm) y podría utilizarse con gases de escape y de emisiones con elevado contenido en CO2. ----------ABSTRACT---------- Light radiation, CO2, and water are the three main elements needed for carrying out the photosynthetic activity by organisms endowed with chlorophyll. Thanks to the energy of the light radiation absorbed by chlorophyll of photosynthetic organisms, the transport of electrons is performed from water to cellular sites where the reduction of CO2 is carried out to originate organic matter. In eukaryotic beings, this activity occurs in the chloroplasts, the capture of light energy in the photosystems of their thylakoids, and the formation of sugars in the lipoprotein stroma of their own chloroplasts. The capture of photons by the chlorophyll of the photosystems and the transfer of electrons to the primary acceptor occurs in a very short period of time (between 10-12 to 10-9 seconds) whereas the time needed to transport electrons from the primary acceptor until the reduction of CO2 is estimated between 1 and 15 milliseconds, so in cases of continuous light radiation (provided either by the sun or incandescent lamps), the fraction of energy received by the photosynthetic apparatus when the primary electron acceptor of chlorophyll is not available cannot be used, so it is lost due to the momentary saturation of the photosystems until the CO2 reduction cycle is completed. The use of pulsed radiation makes it possible to reduce the energy input to achieve the same effect as continuous radiation if those frequencies and irradiation pulses are adjusted to the requirements of the photosystems. Nowadays, the simplest way to produce pulsed radiation, with control of the irradiation frequency and time in each period, is the use of Light-Emitting Diodes or LEDs with their corresponding power sources with adjustable programming. Given the growing interest in the production of microalgae for specific purposes, it is necessary to produce them in photobioreactors that can maintain controlled conditions regarding the main parameters that govern their production (mainly lighting, CO2 concentration, temperature, and composition of the culture medium). The use of pulsed light versus continuous light, which is traditionally used, represents a great advantage due to the energy savings it entails. In this work, the effect of continuous and pulsed light radiation and of the concentration of CO2 was studied on the photosynthetic assimilation of microalgae grown on geotextile sheets that give rise to the formation of biofilms. This arrangement in layers allows the development of studies on the same microalgae cells, unlike those carried out with suspended microalgae cultures or non-adhered cultures, where microalgae move freely, making it practically impossible to study the effects of radiation on the same cells. For this reason, this study represents a novelty with respect to previous studies of the effect of light radiation and CO2 concentration on the photosynthetic activity of microalgae. To design the experiments of this Thesis, a thorough bibliographic review of the subject was carried out, including the definition, characteristics, and current classification of microalgae. Current microalgae production systems were reviewed as well, including biofilm photobioreactors. The literature on the photosynthetic process and the cell structure involved was also reviewed, paying special attention to the acclimatization of the photosynthetic apparatus to light variations, and the effect of continuous light (white and red) and Pulsed Red Light on the photosynthetic activity. Likewise, the most updated scientific literature on the effect of CO2 concentration on the net photosynthetic activity rate was reviewed. The experimental work comprised three blocks of experiments to analyse various aspects of the photosynthetic assimilation of microalgae biofilm cultures, in relation to the factors: type of radiation (Continuous Red Light, Continuous White Light, and Pulsed Red Light), Photosynthetic Photon Flux Density, CO2 concentration, and frequency and duty cycle of Pulsed Red Light. In the first block of experiments, the Net Photosynthetic Activity, the Respiratory Activity, and the Gross Photosynthetic Activity of a microalgae biofilm subjected to various levels of continuous irradiation (51, 255, 511, 766 and 1,021 μmol photons m-2s-1) were studied in combination with various levels of CO2 (400, 750, 1,000, 2,500, 5,000, 10,000 and 15,000 ppm) for two types of illumination: continuous integral spectrum light (incandescence) (Continuous White Light) and continuous red monochromatic light (625-630 nm LEDs). The objectives were: 1) to determine the combination of wavelength, CO2 concentration, and irradiance level that produces the best response on Net Photosynthetic Activity; 2) to study the Respiratory Activity as a function of CO2 concentration; 3) to calculate and analyse the Quantum Yield and the Quantum Requirement of the Gross Photosynthetic Activity for Continuous Red Light and for Continuous White Light, from the results of the Net Photosynthetic Activity and the Respiratory Activity. The best results in Net Photosynthetic Activity for the combination of irradiation source, CO2 concentration, and irradiance level, for both Continuous Red Light and Continuous White Light, were obtained with the highest PPFD and the highest CO2 concentration tested. (1,021 μmol of photons m-2s-1 and 15,000 ppm of CO2), obtaining a value of 16.0 ± 1.2 μmol CO2 m-2s-1 for Continuous Red Light and 18.9 ± 4.3 μmol CO2 m-2s-1 for Continuous White Light. Regarding the comparison between the different types of light (Continuous Red Light and Continuous White Light), no significant differences were recorded between both types of treatments; therefore, the Continuous Red Light was revealed as efficient as the Continuous White Light. Regarding the Respiratory Activity of a microalgae biofilm in dark conditions, it increases with the increase in the level of PPFD in the previous light period, within a range of CO2 concentrations lower than 5,000 ppm, while for concentrations of 10,000 and 15,000 ppm the Respiratory Activity decreases considerably for all PPFD levels. The values obtained in the range of CO2 concentrations between 400 and 5,000 ppm ranged from the value of 1.5 μmol CO2 m-2s-1 for the initial conditions without previous lighting, up to 3 μmol CO2 m-2s-1 for the dark conditions that followed the illumination period with 766 μmol photons m-2s-1. The trends observed for Gross Photosynthetic Activity are in line with those observed for Net Photosynthetic Activity. Gross Photosynthetic Activity increased as PPFD and CO2 concentration did, for both Continuous White Light and Continuous Red Light, with the exception of 5,000 ppm of CO2 with Continuous Red Light, where the values of Gross Photosynthetic Activity decreased slightly, without significant differences between the values obtained for 5,000, 10,000 and 15,000 ppm of CO2. The highest Quantum Yields were achieved under the conditions of minimum irradiance (51 μmol photons m-2s-1) and maximum CO2 concentration (15,000 ppm), achieving efficiencies of 8.63 % and 10.20 % for Continuous Red Light and Continuous White Light respectively, which are close to the theoretical maximum established (between 10 and 12%) corresponding to the use of 11.59 and 9.81 photons of Continuous Red Light and Continuous White Light respectively for each absorbed CO2 molecule. The minimum efficiency was obtained under the conditions of maximum irradiance (1,021 μmol photons m-2s-1) and lower CO2 concentration (400 ppm) with a value of around 0.67 %. In the second block of experiments, the effect of Continuous Red Light and Pulsed Red Light on the Net Photosynthetic Activity of a microalgae biofilm was studied. The Continuous Red Light PPFD levels tested were 51, 255, 511, 766, and 1021 μmol photons m-2s-1. The Pulsed Red Light was tested with three frequencies (0.1, 1, and 10 kHz) and four duty cycles (5, 25, 50, and 75%, which provided the respective PPFDs of 51, 255, 511, and 766 μmol photons m-2s-1). The objective was to determine if the Pulsed Red Light produced an increase in the Net Photosynthetic Activity with respect to the Continuous Red Light and if so, to know the combination of frequency and duty cycle that produced the greatest increase in the Net Photosynthetic Activity. The results showed that there were no significant differences between the Pulsed Red Light and the Continuous Red Light for the same PPFD, except for the comparison of the treatments of 51 μmol of photons m-2s-1 with Pulsed Red Light (1 and 10 kHz) and Continuous Light. In the third block of experiments, the effect of Pulsed Red Light at very high frequencies (10, 30, 70, and 100 kHz) and low duty cycle (5 %) was studied in order to determine the frequency that yielded the highest Net Photosynthetic Activity. Therefore, the frequency of 10 kHz and 5 % duty cycle would be recommended. The results obtained in this study allow to establish the optimal irradiation and CO2 concentration conditions for the development of microalgae cultures under artificial conditions, especially due to the potential energy savings that the use of Pulsed Red Light with low irradiance and very high frequencies represents compared to traditional systems that use continuous irradiation. The laminar photobioreactor (PBR-L) developed in the Agro-Energy Group of the UPM is very suitable to produce microalgae biomass in the form of adhered cultures (biofilm) and could be used for cleaning engine exhaust gases and other emissions with high CO2 content.

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Item ID: 65873
DC Identifier: http://oa.upm.es/65873/
OAI Identifier: oai:oa.upm.es:65873
DOI: 10.20868/UPM.thesis.65873
Deposited by: Archivo Digital UPM 2
Deposited on: 14 Jan 2021 07:28
Last Modified: 14 Jan 2021 07:28
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