Suplementación de aire con CO₂ extraído de la recirculación

Para mejorar la sostenibilidad e implementar los principios de la economía circular en la acuicultura, probamos la posibilidad de aumentar la captura de nitrato por parte de dos especies de microalgas verdes de aguas residuales del sistema de recirculación en acuicultura (RAS) al complementar el aire con dióxido de carbono extraído de un RAS. La adición de dióxido de carbono aumentó la densidad celular de Monoraphidium griffithii y Haematococcus pluvialis en fotobiorreactores durante períodos de crecimiento de 9 días. Sin embargo, las tasas de crecimiento y las tasas de absorción de nitrato solo mejoraron para M. griffithii. La adición de CO2 disminuyó el pH del medio con M. griffithiilo que probablemente también afectó positivamente el crecimiento de algas y la absorción de nutrientes. Estos experimentos a escala de laboratorio sugieren que el cultivo de microalgas para producir biomasa valiosa podría conectarse a un RAS para disminuir las emisiones de nitrato y CO2 en la acuicultura.

De interés

• El nitrato y el CO2 en la acuicultura de recirculación se pueden utilizar para producir biomasa de algas.

• El CO2 extraído de un filtro percolador aumentó la densidad de células de algas y las tasas de crecimiento.

• El CO2 disminuyó el pH del medio de algas y mejoró la absorción de nitrato por parte de las algas.

Introducción

Un sistema acuícola de recirculación (RAS) es una tecnología utilizada para apoyar la producción acuícola intensiva en tierra, especialmente peces, con un uso limitado de agua. Aunque cubre solo una pequeña fracción de la producción acuícola total dentro de la UE, el sistema RAS ha ganado popularidad durante la última década debido a la posibilidad de un control estricto del sistema y la producción continua en condiciones ambientales estables. En RAS, el agua pasa por diferentes instalaciones técnicas para eliminar los sólidos, para transformar el amoníaco liberado por los peces en nitrato menos dañino, para eliminar el exceso de CO2 y para matar patógenos, antes de bombear el agua de vuelta a las peceras. Durante la recirculación, la concentración de nutrientes disueltos aumenta en el sistema y este aumento se controla comúnmente diluyendo el sistema con agua dulce. El efluente RAS normalmente contiene una alta concentración de nutrientes disueltos, por ejemplo, nitratos de hasta 100 mg/l y fosfatos de hasta 45 mg/l, a cambio de desechar el agua rica en nutrientes en cursos de agua naturales o plantas de tratamiento de agua, podría usarse para el cultivo de plantas o microalgas.

La respiración de peces y bacterias en un RAS aumenta la concentración de CO2 del agua y debe eliminarse antes de bombear el agua a los tanques de peces para evitar los posibles efectos negativos de la alta concentración de CO2 en los peces. Para aumentar la sostenibilidad y disminuir la huella de carbono de los peces producidos con RAS, sería ideal utilizar no solo los nutrientes disueltos sino también el exceso de CO2 para la producción de organismos fotoautótrofos. Las microalgas podrían servir como una opción para este propósito, ya que el crecimiento de las microalgas puede estimularse mediante una adición moderada (hasta un 5 %) de CO2.

También se ha sugerido que bombeando el aire de la habitación a través de biorreactores de microalgas podrían servir como filtros de aire de la habitación. Como los RAS prácticamente siempre se construyen en interiores, sería beneficioso filtrar el aire rico en CO2 de los separadores de CO2 con microalgas: primero, disminuiría la necesidad de energía para la ventilación (importante especialmente en zonas de clima más frío en invierno cuando el aire exterior debe primero se calentará en los ventiladores) y segundo, podría aumentar la producción de biomasa en los biorreactores de algas. Hay mucha información disponible por separado sobre el uso de diferentes tipos de aguas residuales para producir microalgas a través de la biorremediación, así como de los efectos de adición de CO2 a cultivos de algas. Sin embargo, parece haber muy poca información disponible sobre la combinación de nutrientes y la captura de CO2 de las aguas residuales utilizando microalgas. En experimentos anteriores, encontramos que las microalgas verdes (Chlorophycae) son candidatas adecuadas para ser cultivadas en aguas residuales RAS a una temperatura relativamente baja (~17°C). Aquí probamos si el crecimiento y la absorción de nutrientes de dos especies previamente probadas, Monoraphidium griffithii y Haematococcus pluvialis, podrían mejorar aún más cuando se cultivan en aguas residuales RAS complementadas con CO2 extraído de un RAS. Nuestra hipótesis fue que la suplementación con CO2 aumentaría la densidad celular de las microalgas y su absorción de NO3 -N.

Materiales y métodos

Se llevaron a cabo dos experimentos separados entre abril y junio de 2021 en el laboratorio del departamento de ciencias biológicas y ambientales de la Universidad de Jyväskylä, Finlandia. Las especies de algas utilizadas fueron M. griffithii (cepa: NIVA-CHL 8, Noruega) y H. pluvialis (K-0084 (NIVA), Suecia). Las algas se cultivaron en fotobiorreactores, que consistían en embudos de plástico transparente (volumen total 1.5 l).

Se colocaron diez embudos en una fila, con una separación de aproximadamente 2.5 cm y se cubrieron con tapas de plástico transparente para evitar el exceso de evaporación y disminuir la probabilidad de contaminación. Cada otro embudo ( n = 5) recibieron aire de la habitación desde abajo con una bomba de aire a través de una piedra de aire (en promedio 500 ml/ min), y cada dos (n = 5) se conectaron a una bomba de aire ubicada en una bolsa de plástico hermética que recibía aire rico en CO2 de un filtro percolador RAS (volumen total de aproximadamente 4,5 m3 ) de tamaño experimental ( Fig. 1), que se usó para extraer CO2 del agua y agregar O2 . Un lado del embudo se iluminó constantemente con una luz LED (18 W, tubos AP67 T8, Valoya Oy, Finlandia) con una intensidad de luz de c. 100 μE metro −2 s −1. El agua utilizada en el fotobiorreactor procedía de otro RAS de tamaño experimental (volumen total aproximado de 750 l), que albergaba truchas arcoíris (Oncorhynchus mykiss), y se pasó por una malla de 48 μm antes de su uso. La temperatura en los fotobiorreactores varió entre 17 y 18 °C. Estas condiciones de crianza fueron similares en ambos experimentos. estimado visualmente t, respectivamente. Para M. griffithii el período t fue de nueve días. Para H. pluvialis, calculamos GR por separado para tres períodos que coinciden con la adición de aguas residuales: días 1–3, días 3–5 y días 5–6 (ver Fig. 1), y luego calculó el GR promedio para cada cultivo que se utilizará en los análisis estadísticos.

Figura 1. Una presentación esquemática de la configuración en la que se comparó el crecimiento de las microalgas entre embudos que recibieron aire de la habitación o aire rico en CO2 extraído de un filtro percolador de un sistema acuícola de recirculación (RAS) de 4,5 m3 Los embudos (5 repeticiones en ambos tratamientos) se llenaron con 1,2 l de agua residual RAS. Las bombas de aire para el tratamiento con CO2 estaban en una bolsa de plástico hermética.

La densidad de algas se cuantificó diariamente contando con un hemocitómetro (Bürker) bajo un microscopio con aumento de 100x. La temperatura del agua y la concentración de NO 3 -N se midieron con un medidor multisonda YSI Quatro (Yellow Spring Instruments, EE. UU.) y el pH con Eutech PC 450 (Thermo Scientific Eutech, Singapur). La concentración de CO2 del aire entrante se midió con AirControl COACH CO2-Monitor (Dostmann electronic GmbH, Alemania) a partir de embudos vacíos conectados a bombas de aire de laboratorio o aire de filtro percolador RAS.

M. griffithii se cultivó en modo discontinuo (todo el medio se agregó al principio) con 150 ml de suspensión de algas agregadas a 850 ml de agua residual RAS (filtrada a través de una malla de 48 μm), lo que equivale a una relación de volumen de inóculo a volumen total del 15 % y una concentración inicial de 1.3 × 10 5 células/ml (día 0).

El crecimiento de las algas se controló durante 10 días. Durante el experimento, la concentración promedio de CO2 en el aire de la habitación fue de 527 ppm (0.0527 %; mín. 497 – máx. 563 ppm) y en el aire bombeado desde el RAS, 985 ppm (0,0985 %; 910–1026 ppm).

H. pluvialis se cultivó en modo alimentado por lotes (medio agregado a intervalos predefinidos), con la adición inicial de 65 ml de suspensión de algas en 340 ml de aguas residuales RAS en fase verde vegetativa, lo que equivale a una relación entre el volumen de inóculo y el volumen total del 16% y una concentración inicial de 2.8 × 10 4 células/ml (día 0).

Se añadieron más 405 ml de aguas residuales los días 4 y 7 (volumen total 1215 ml). La concentración promedio de CO2 en el aire de la habitación fue de 526 ppm (rango 493–575 ppm) y en el aire de RAS fue de 925 ppm (805–1166 ppm) (Fig. 2).

Los análisis estadísticos se realizaron con SPSS versión 26 (IBM SPSS Statistics). Las posibles diferencias entre los tratamientos (suplemento de aire vs. CO2) en SGR se compararon con muestras independientes t-test ya que las varianzas muestrales no difieren (test de Levene). Las diferencias en la densidad celular, la concentración de nitrato y el valor del pH se analizaron comparando las medias diarias de los tratamientos con GLM ANOVA de medidas repetidas.

El día se incluyó como factor intrasujeto y el tratamiento como factor intersujeto. El supuesto de esfericidad se probó con la prueba de Maulchy y, si se violó la esfericidad, se usaron los valores corregidos de Greenhouse-Geisser. La normalidad de los datos se probó con la prueba de Kolmogorov-Smirnov, pero no siempre se cumplió la suposición. Se informan los resultados de rmANOVA, ya que el riesgo de resultado falso positivo no se ve muy afectado por la violación de la normalidad de ANOVA. Para las comparaciones post-hoc se utilizaron los valores corregidos de Bonferroni. Un valor de p < 0,05 se utilizó como nivel de significación estadística.

Resultados y discusión

La suplementación con dióxido de carbono aumentó las densidades celulares (Fig.3 ; M. griffithii rmANOVA, F 1,8 = 22,759, p = 0,001 y H. pluvialis rmANOVA, F 1,8 = 22,935, p = 0,001). Además, la interacción entre día y tratamiento fue significativa con ambas algas (M. griffithii: rmANOVA, F 2.3 = 8.368, p = 0.002, H. pluvialis : rmANOVA, F 3.7 = 3.164, p = 0.031), demostrando que el CO2 además aumentó la densidad de algas durante el experimento.

ciones de crecimiento en nuestro experimento fueron adecuadas para probar el efecto de la adición de CO2 para estas algas.

experimento, los cultivos que recibieron CO2 adicional extraído del RAS tuvieron una concentración de nitrato significativamente más baja en las aguas residuales cuando se usó M. griffithii ( Fig. 4a; rmANOVA, F 1,8 = 26.848, p = 0.001) pero con H. pluvialis la concentración promedio de nitrato no fue menor en CO2 tratamiento ( Fig. 4b; rmANOVA, F 1,8 = 3.168, p = 0.113).

Parece que el posible aumento en la absorción de nutrientes junto con el aumento de la concentración de CO2 puede depender de la especie de microalga. Se documentó que la absorción de nutrientes (tanto amonio como nitrato) aumentó con la microalga verde Desmodesmus communis cuando la aireación se complementó con 2% de CO2

Por otro lado, la adición de CO2 (0–20 %) no tuvo un efecto significativo en la eficiencia de eliminación de nutrientes (amonio, nitrito, nitrato, fosfato) cuando Chlamydomonas acidophilase utilizó incluso si la productividad de las algas aumentaba a concentraciones de CO2 del 5 % y del 10 %.

Figura 2. Concentración de CO2 en el aire de la habitación (símbolos abiertos) y aire extraído de un Sistema de recirculación de acuicultura (RAS, símbolos rellenos) en dos experimentos de crecimiento con microalgas verdes. El primer experimento se realizó con Monaraphidium girffithii (MG) y el segundo con Haematococcus pluvialis (HP).

La tasa de crecimiento (GR, d -1) se calculó para cada cultivo como (Ln N 2 -Ln N 1) * t -1, donde N 1 y N 2 fueron concentraciones de microalgas (ml -1) al principio y al final del período de crecimiento exponencial

La tasa de crecimiento promedio ± DE durante nueve días para M. griffithii fue de 0,43 ± 0,01 día −1 y 0,48 ± 0,02 día −1 en cultivos sin y con suplementos de CO2, respectivamente (t 8 = 4,23, p = 0,003) y para H. pluvialis los valores respectivos fueron 0,44 ± 0,08 y 0,52 ± 0,16 (t 8 = 1,26, p = 0,24). Para H. pluvialis, la tasa de crecimiento y las densidades fueron similares en comparación con resultados anteriores en nuestro laboratorio en cultivo por lotes o en experimentos donde se probaron diferentes tipos de medios de cultivo y condiciones ambientales.

Para M. griffithii, la tasa de crecimiento y las densidades también fueron comparables a los experimentos realizados anteriormente con aguas residuales RAS en nuestro laboratorio. La similitud de la tasa de crecimiento en los presentes experimentos con los informados anteriormente demuestra que las condi-

Figura 3. Promedio (±SD, n = 5) de densidad de algas en fotobiorreactores con a) Monoraphidium griffithii y b) Haematococcus pluvialis ventilados con aire ambiental (triángulo, línea punteada) o aire suplementado con CO2 bombeado desde un filtro percolador de un RAS (círculo, sólido línea). M. griffithii se cultivó en modo discontinuo, H. pluvialis en modo discontinuo alimentado, donde se agregó 1/3 del medio (agua residual RAS) los días 3 y 6, y se tomaron medidas antes y después de la adición. Los asteriscos indican diferencia estadística (p < 0,05) entre los dos tratamientos. Tome en cuenta las diferentes escalas en los ejes y.

El nitrato es uno de los nutrientes más importantes que respaldan el crecimiento de las microalgas, y el nitrato está disponible en altas concentraciones, hasta 100 mg/l, en aguas residuales RAS. Por lo tanto, al combinar cultivos de microalgas con la práctica RAS, los efectos ambientales de la piscicultura podrían disminuir junto con la producción de biomasa de algas. Incluso si el consumo de agua en la agricultura intensiva RAS se reduce típicamente en más del 90% en comparación con la agricultura de flujo continuo, el volumen del efluente aún puede ser grande.

Teniendo en cuenta el tiempo requerido para el crecimiento de la biomasa de algas y su requerimiento de luz, los fotobiorreactores de algas tienen una capacidad limitada para la purificación de grandes volúmenes de efluentes. Por lo tanto, se deben desarrollar métodos para aumentar el crecimiento de algas y la absorción de nutrientes de las aguas residuales RAS para intensificar el proceso de purificación del agua. En este

Figura 4. Concentración promedio (±SD, n = 5) de nitrato de agua (NO 3 -N) en fotobiorreactores con a) Monoraphidium griffithii yb) Haematococcus pluvialis aireados con aire ambiental (triángulo, línea punteada) o aire suplementado con CO2 bombeado desde un filtro percolador de un RAS (círculo, línea continua). M. griffithii se cultivó en modo discontinuo, H. pluvialis en modo discontinuo alimentado, donde se agregó 1/3 del medio (agua residual RAS) los días 3 y 6, y se tomaron medidas antes y después de la adición. Los asteriscos indican diferencia estadística (p < 0,05) entre los dos tratamientos.

La suplementación con CO2 disminuyó el pH en cultivos con M. griffithii (Fig. 5a; rmANOVA, F1,8 = 25,716, p < 0,001) pero no en cultivos de H. pluvialis (Fig. 5b; rmANOVA, F1,8 = 5,032, p = 0,055). Se esperaba un pH más bajo en los cultivos tratados con CO2, ya que se sabe que la adición de CO2 disminuye el pH, y la adición de CO2 también se usa para mantener el pH en un nivel deseado en los fotobiorreactores. En cultivos de M. griffithii, se observó una caída significativa en el pH en el día dos (Fig. 5a). Anteriormente se informó una caída similar y un aumento posterior en el pH con Chlorella vulgaris y Chlamydomonas reinhardtii, y se explicó con la preferencia de las algas usar amoníaco sobre nitrato como liberaciones de absorción de amoníaco, protones que provocan una disminución del pH.

Por otro lado, es muy probable que el aumento del pH esté relacionado con la fotosíntesis, que se sabe que induce la acumulación de OH- y la absorción de CO2, así como la asimilación de nitrato. Como el pH óptimo para el cultivo de M. griffithii yH. pluvialis es casi neutral, la adición de CO2 provocó un doble efecto positivo en el crecimiento de ambas algas: primero, hizo que el pH fuera más favorable para el crecimiento de las algas y segundo, proporcionó a las algas carbono inorgánico para permitir un aumento en la tasa de crecimiento.

En el tratamiento con CO2, la concentración de CO2 bombeada a los cultivos desde el filtro percolador RAS fue de alrededor de 900–1000 ppm. informaron que la concentración de CO2 en el aire en la salida de un filtro de columna en cascada varió entre c. 1000 y 8400 ppm dependiendo de la profundidad de empaquetamiento de la columna de separación, la proporción de gas a líquido (es decir, aire a agua) y la concentración de CO2 en el agua, lo que resulta en un aumento de la concentración de CO2 en el aire antes y después del filtro de c. 70 a 500%.

En nuestro sistema el aumento de CO2, la concentración entre la entrada (aire de la habitación bombeado al filtro percolador) y la salida (del filtro) fue en promedio del 75% (el experimento con H. pluvialis) al 86% (M. griffithii). Este aumento relativamente bajo en la concentración de CO2 probablemente se debió a la baja densidad de peces (menos de 5 kg/m 3) en nuestro RAS. Sin embargo, la trucha arcoíris podría criarse en densidades entre 50 y 100 kg/m 3 en RAS. En entornos tan intensivos, se podría esperar que la concentración de CO2 del aire del desgasificador fuera mucho más alta que en el presente experimento y, en consecuencia, también podría aumentar potencialmente el crecimiento de las algas.

Se han utilizado diferentes tipos de aguas residuales para producir microalgas, y el CO2 de los gases de combustión industriales se ha utilizado para impulsar el crecimiento de microalgas. Al mismo tiempo, las microalgas sirven como limpiadores biológicos de las aguas residuales y asimilan el gas de efecto invernadero CO2. En la acuicultura, especialmente en RAS terrestres, las microalgas podrían usarse para capturar tanto los nutrientes disueltos como el CO2 para mitigar sus efectos ambientales y promover la economía circular en la acuicultura. A diferencia de muchos otros tipos de aguas residuales y gases de combustión, las aguas residuales RAS y el CO2 están libres de metales u otros contaminantes perjudiciales que podrían limitar el uso de microalgas, también para fines distintos a la producción de biodiesel.

Este experimento a escala de laboratorio no nos permite hacer estimaciones razonables de la eficiencia general de este tipo de sistema integrado en piscifactorías comerciales. Se necesitarían experimentos a escala piloto para hacer una estimación aproximada de la viabilidad comercial de dicho sistema, y la rentabilidad dependerá en gran medida del uso final de las algas seleccionadas. Sin embargo, nuestro sistema indica que la integración de cultivos de microalgas con RAS es una opción hacia una acuicultura más ecológica y ecológicamente sostenible.

El Crédito de los autores, los cuales declaran que no tienen intereses financieros en competencia ni relaciones personales conocidas que pudieran haber influido en el trabajo informado en este documento.

Juhani Pirhonen: Conceptualización, Metodología, Análisis formal, Investigación, Curación de datos, Redacción – borrador original, Supervisión, Administración del proyecto.

Silja Koukka: análisis formal, investigación, curación de datos, redacción: revisión y edición, visualización.

Katja Pulkkinen: Conceptualización, Metodología, Análisis formal, Investigación, Recursos, Curación de datos, Redacción, revisión y edición, Supervisión.

Agradecemos a Tatu Koponen por su ayuda para ejecutar el experimento con M. griffithii y Juha Ahonen por mantener el sistma RAS.

La disponibilidad de datos y refrencias estarán disponibles a petición. https://www.sciencedirect.com/science/article/piiS0044848623000157

Fuente: © 2023 Los autores. Publicado por Elsevier BV

Figura 5. Promedio (±SD, n = 5) del pH del agua en fotobiorreactores con a) Monoraphidium griffithii yb) Haematococcus pluvialis ventilados con aire ambiental (triángulo, línea punteada) o aire suplementado con CO2 bombeado desde un filtro percolador de un RAS (círculo, sólido línea). M. griffithii se cultivó en modo discontinuo, H. pluvialis en modo discontinuo alimentado, donde se agregó 1/3 del medio (agua residual RAS) los días 3 y 6, y se tomaron medidas antes y después de la adición. Los asteriscos indican diferencia estadística (p < 0,05) entre los dos tratamientos.

En conclusión, los resultados actuales pueden considerarse una prueba de concepto, lo que sugiere que el crecimiento de microalgas cultivadas en aguas residuales de RAS se puede aumentar fácilmente mediante el uso de CO2 extraído de un RAS, lo que brinda una opción para hacer que la producción acuícola sea más sostenible y ambientalmente amigable. De las dos especies de algas probadas, M. griffithii pareció ser más sensible que H. pluvialis en términos de tasa de crecimiento y absorción de nutrientes a la adición de CO2. Los experimentos se realizaron a escala de laboratorio con una concentración relativamente baja de nitrato y CO2 y, por lo tanto, se necesitaría más experimentación en un entorno comparable al de la agricultura comercial, que podría aumentar la tasa de crecimiento de algas y la absorción de nutrientes.