Introducción
Las microalgas se caracterizan por presentar altas tasas de reproducción, gran adaptabilidad a diferentes condiciones ambientales,1) un ciclo biológico relativamente breve y una alta eficiencia fotosintética; siendo capaces de convertir la energía solar en biomasa con una eficiencia de dos a cinco veces mayor que las plantas superiores 2característica en la que se fundamenta su interés comercial.
Numerosas investigaciones han puesto de manifiesto el potencial de estos microorganismos fotosintetizadores para la producción de una gran variedad de sustancias de interés químico-farmacéutico e industrial, además de sus aplicaciones en la alimentación animal y en la purificación de aguas residuales. No obstante, la característica más importante del cultivo de microalgas es su versatilidad, posibilitando la integración de diferentes aplicaciones en un único proceso tecnológico, lo que constituye una ventaja desde el punto de vista económico.2)
Entre las microalgas dulceacuícolas Chlorella es uno de los géneros más estudiados, describiéndose hasta la fechas unas 44 especies, 3 de ellas al menos cinco de gran interés comercial: C. vulgaris, C. pyrenoidosa,4C. ellipsoidea5C. sorokiniana6 y C. kessleri.7,8.9) No obstante, C. vulgaris ha sido la especie más estudiada.10) Esta microalga unicelular, presente en la Tierra desde el periodo pre-Cámbrico10 tiene múltiples ventajas como su bajo costo y fácil cultivo, alta velocidad de crecimiento y la habilidad de adaptarse a diferentes ambientes,11) lo que facilita su cultivo en áreas pequeñas y en regiones normalmente no sustentables para el desarrollo de cultivos agrícolas.
La especie C. vulgaris fue descrita en 1890 por el microbiólogo holandés Martinus Willem Beijerinck, quien obtuvo cultivos puros de esta microalga, siendo este el primer cultivo de microalgas eucariotas. A partir de entonces se desarrolló el interés por sus aplicaciones biotecnológicas, con la búsqueda de nuevas especies promisorias. C. vulgaris posee un rápido crecimiento en condiciones autotróficas, heterotróficas y mixotróficas,10característica que han promovido su producción comercial. 12
El concepto de producción masiva se establece en 1942, durante la Segunda Guerra Mundial, cuando Harder y von Witsch utilizan C. pyrenoidosa y Nitzchia palea para la producción de lípidos. 2 Ya en 1948, después de realizar estudios sobre la composición química de Chlorella sp., Spoerhr y Milner sugieren el uso de las microalgas como fuente de proteínas, debido a la carencia global de éstas. Durante estos años, en una leprosería venezolana, Jorgensen y Convit comenzaron a concentrar Chlorella en una charca eutrófica que tenía un bloom constante de esta microalga; administrándola a los pacientes después de su cocción, 13 siendo esta una de las primeras evidencias de su aplicación médica.
En 1952 se celebra el Primer Simposio sobre el ¨Cultivo masivo de algas¨ y un año después, aparece el primer trabajo publicado que resume los avances del cultivo de microalgas: "Algal culture from Laboratory to Pilot Plant"; siendo su principal objetivo el desarrollo de cultivos de Chlorella para la producción de alimento,14) por lo que sus beneficios en el sector agrícola no son recientes.2) A partir de la biomasa de C. vulgaris pueden obtenerse disímiles productos: suplementos nutricionales,15) lípidos,16 enzimas,17) proteínas,18) almidón,19) polímeros,20) toxinas,21) pigmentos,2 vitaminas,22) antioxidantes,18) isotopos bioquímicos estables, estimuladores del crecimiento2) y biocombustibles.23,24,25,26,27) Esta es comercializada como alimento animal,28) como suplemento nutricional para humanos y en cosmética, siendo su uso ampliamente extendido en la industria biomédica y farmacéutica, por sus propiedades anticancerígenas, antibacteriales,29) antivirales, anticoagulantes y antinflamatorias. Destaca además su uso en la agricultura 30 y en el tratamiento de aguas residuales, por su capacidad de adsorber metales pesados y su utilidad en la biorremediación de la contaminación orgánica.31) A nivel de mercado su potencial está relacionado fundamentalmente con la producción de proteínas y suplementos nutricionales, productos de gran atractivo comercial; esperándose para 2025 que el mercado global de estos productos alcance una tasa de crecimiento anual compuesto (TCAC) del 10,25 %.
Considerando sus aplicaciones potenciales, el mercado de Chlorella se segmenta en cuatro sectores básicos: la industria alimentaria, farmacéutica, cosmética y otras aplicaciones industriales (producción de piensos y biocombustibles), siendo las principales compañías que comercializan productos obtenidos a partir de Chlorella: DIC Corporation (Japón), Cellana Inc. (EUA), Taiwan Chlorella Manufacturing Company (China), Algaetech International Sdn Bhd (Malasia), Cyanotech Corporation (EUA.), Blue BioTech Int. GmbH (Alemania), Algatechologies ltd. (Israel), Pond Technologies Inc. (Canadá), E.I.D. - Parry (India) Limited (India), Tianjin Norland Biotech co., ltd., (China), AlgaeCan Biotech Ltd. (Canadá), Corbion NV (Holanda), Qponics Limited (Australia), Royal DSM (Holanda), Heliae Development, LLC (EUA), Sun Chlorella Corporation (Japón).32) Si bien hay otras compañías con éxito creciente por sus propuestas innovadoras y en expansión como NeoAlgae (España).
Si bien se ha demostrado la utilidad de los bioderivados de interés para la agricultura a partir de esta microalga, su generalización es aún limitada, pues a nivel de mercado otros productos son más lucrativos.32) Aun cuando podría constituir una alternativa viable para el desarrollo agrícola, a la vez que se valoriza su uso en la remediación y/o protección ambiental.11)
En Cuba, el cultivo de C. vulgaris ha sido desarrollado a diferentes escalas por varias instituciones, fundamentalmente con fines investigativos y para la alimentación animal. Entre estas se pueden mencionar la Universidad de Oriente; 34,35 las universidades de Cienfuegos y Santa Clara; el Centro de Investigaciones de Energía Solar,2,17,22,35) el Instituto de Investigaciones Pesqueras36,37,38 entre otras, sin que exista en la actualidad un impacto económico o social relevante relacionado con el aprovechamiento intensivo o extensivo de sus beneficios a nivel nacional, ni una aplicación generalizada en el sector agrícola.
En este trabajo se presenta un estudio exploratorio-descriptivo realizado a través de una revisión sistemática con herramientas de metaanálisis, mediante el uso del software Publish or Perish v7, con descriptores o palabras clave previamente seleccionadas, considerando la configuración de la investigación y esencialmente los objetivos de esta; logrando compilar, sistematizar, analizar y resumir información útil que permita evaluar las posibles aplicaciones inmediatas de C. vulgaris en la agricultura en contexto, así como fundamentar el diseño de nuevas investigaciones en este campo.
Materiales y métodos
Para explicar las principales tendencias en las investigaciones sobre Chlorella se realizó un estudio exploratorio descriptivo a través de una revisión sistemática con herramientas de metanálisis, utilizando el sofware Publish or Perish mediante el uso de palabras clave o descriptores, previamente seleccionadas, siguiendo la metodología descrita por Sánchez-Meca,39) con los siguientes términos de búsqueda en inglés y español: Chlorella, Chlorella vulgaris (+ biofertilizer, magnetic field, agriculture, soil conditioner, bioproducts) “Chlorella vulgaris” (+ biofertilizer + magnetic field), en el período comprendido entre 1938 y 2020.
Se realizó una búsqueda general y luego en temas específicos considerando los intereses investigativos a corto y largo plazo. Por su efectividad se utilizó la estrategia de búsqueda de frases en el caso de las búsquedas específicas. El diagrama con la estrategia del metanálisis se presenta en la figura 1, utilizando las recomendaciones metodológicas de PRISMA..(40 Las referencias citadas fueron buscadas utilizando el Google Académico y búsquedas específicas por bases de datos o por revistas, cuando fue necesario.
Se obtuvieron en total 7731 trabajos, a partir de los cuales se procedió a eliminar duplicados (n=1463), trabajos fuera de contexto (n=812), referencias incompletas (n=9), y artículos en árabe, mandarín, griego, malayo y/o ruso (n=143); incluyéndose aquellos en idioma español, inglés, portugués, alemán, francés e italiano. Como resultado de este análisis se conformó una base de datos con 5304 artículos, a partir de la que se realizan los estudios bibliométricos, el análisis de los temas y la selección de artículos para la revisión del tema específico de Chlorella vulgaris sobre el que hará énfasis: bioproductos de interés para la agricultura.
Para la determinación de los temas y para la revisión de aspectos cualitativos se consideraron títulos y resúmenes; además de la lectura del artículo completo en caso de dudas. Para el análisis de la base de datos se consideraron los siguientes indicadores bibliométricos:
Métrica y estadística: total de artículos y distribución por años, distribución de artículos por temas (temas principales y tendencias), artículos y autores más citados.
Análisis cualitativo centrado en el uso de C. vulgaris en la agricultura: bioproductos de interés agrícola, compañías que comercializan estos productos, cultivos en los que se han obtenido resultados positivos, y principales resultados.
Resultados y discusión
Estado de las investigaciones sobre Chlorella
De acuerdo con el metanálisis realizado existe un interés creciente en las investigaciones sobre Chlorella desde 1938 hasta la actualidad (figura 2), distinguiéndose 3 períodos (1938-1953, 1954-1998, 1999-2020) con un total de 82, 984 y 4236 publicaciones, respectivamente. En el segundo período hay 12 veces más publicaciones que en el período anterior, mientras que en el último período hay 50 veces más publicaciones que en el segundo; con un máximo de publicaciones en 2019, con 378 artículos.
Es importante destacar que, del total de artículos, 27 han sido citado más de 500 veces, lo que representa el 0,5%; siendo 4 los más citados, con más de 1 000 citas (tabla 1). El artículo más citado con 2 084 citas corresponde a: “Valuable products from biotechnology of microalgae” del año 2004, el que pertenece al tema: Productos de interés biotecnológico, aplicaciones comerciales e industriales.
De los cinco artículos más citados, dos se refieren a la microalga C. vulgaris. Estos trabajos han sido publicados en revistas con un factor de impacto mayor de 3: Journal of Biotechnology, Enzyme and Microbial Technology, Applied Microbiology and Biotechnology y Chemical engineering and processing: process intensification.
Para el análisis de las principales revistas se escogieron al azar 1 622 artículos, identificándose 14 que han publicado más de 10 artículos (tabla 2). Plant Physiology resultó ser la revista con mayor número de artículos (n=180), esta es una publicación de la Editorial American Society of Plant Biologists (EUA), tiene un índice H= 296, y está ubicada en el 1er cuartil del Scimago Journal Report (SJR), con un índice de 3, 62.
Respecto a los temas se identificaron en total 16 y 43 subtemas, los que se listan a continuación junto con la distribución de artículos (tabla 3). El tema con mayor número de artículos es: cultivo, metabolismo y procesamiento de la biomasa de Chlorella, siendo el subtema con más artículos aquel que trata aspectos sobre el cultivo general de Chlorella. Del total, 666 artículos (42 %) corresponden a C. vulgaris. Lo que significa la importancia de dicha especie.
De los temas identificados, 11 corresponden a aplicaciones, para un total de 2248 artículos, lo que representa el 42 % del total. De estos 1121 corresponden a C. vulgaris, esto es el 50 % del total de artículos referidos a aplicaciones. Esta especie posee una amplia gama de aplicaciones en relación con sus componentes y la naturaleza de estos,41) su biomasa y extractos tienen aplicaciones energéticas, ambientales, cosméticas, médico-farmacéuticas y agrícolas.
Luego de un análisis de la cantidad de artículos por períodos y del porcentaje que representa el número de artículos publicados en los últimos tres años, respecto al total de los últimos cinco años, se identifican las tendencias, correspondientes a temas y subtemas con porcentajes mayores del 70 % (tabla 4).
Entre los temas que constituyen tendencia destacan las aplicaciones médicas, la obtención de biomateriales, las aplicaciones del campo magnético vinculada a diferentes propósitos, fundamentalmente relacionados con el manejo de cultivos, mejoras del rendimiento y calidad de la biomasa, así como las aplicaciones en la agricultura, las que ocupan un lugar importante, y el lugar número 9 de acuerdo con la cantidad de artículos publicados. Estos representan el 3 % (n= 160) del total de artículos, de ellos el 49 % corresponde a C. vulgaris (78 artículos), lo que constituye otra evidencia de la relevancia de la especie.
Se identifican en las aplicaciones agrícolas los siguientes subtemas: acondicionadores de suelos, biofertilizantes, biocontroladores de patógenos, herbicidas y usos agroecológicos. Por su importancia se presenta un breve análisis de las aplicaciones de Chlorella en la agricultura, a partir de los artículos revisados en este estudio.
Aplicaciones de Chlorella en la agricultura
El perfil bioquímico de Chlorella varía de acuerdo con la especie (o cepa), el medio de cultivo utilizado42 y las condiciones ambientales. Muchas investigaciones se han enfocado en la búsqueda de alternativas viables, relacionadas con el tratamiento de efluentes de varias industrias,43) destacando el uso del lactosuero, residual del procesamiento de la soya, de la industria pesquera, vinazas,44) residual aviar,45) residuales urbanos,33,38) efluentes domésticos tratados,8) bioabono líquido, solución hidropónica residual,16) entre otros, los que han sido utilizados con éxito como medios de cultivo alternativos, lo que definitivamente valoriza el potencial de aplicación agrícola.
Chlorella es un agente formador de suelos, gracias a la producción de polisacáridos y sustancias mucilaginosas que le proveen de minerales y ayudan a estructuración.11) El empleo de esta microalga ayudan además a prevenir la erosión, incluso en zonas desérticas. La contribución de estos microorganismos a la estabilización de los suelos se hace evidente incluso en ambientes áridos, semiáridos,46 polares y alpinos.11,47) Los consorcios de cianobacterias, microalgas y bacterias del suelo favorecen además la fertilidad, la captación y retención de agua, la producción primaria, eliminan contaminantes, y en general, mantienen la estabilidad del suelo. 46
Existen rizobacterias que pueden crecer en consorcio con C. vuglaris: Pseudomonas putida (2:1), Serratia proteomaculans (3:1) y Stenotrophomonas maltophilia (3:1) en diferentes proporciones (microalga: bacteria), permitiendo cambios significativos en la morfología de las raíces de plantas, sugiriéndose efectos sinérgicos entre estas que promueven la germinación y el crecimiento radicular.48) La adición de C. vulgaris en los suelos reduce el contenido de nitrato en suelos no inundados, lo que resulta un beneficio adicional, en términos de reducción de lixiviados de nitrógeno.49)
Se ha descrito que la biomasa seca de C. vulgaris, mezclada con estiércol de oveja, añadida al suelo, e incubada durante 15 semanas permite la mineralización del carbono orgánico, la que aumenta en proporción directa con la tasa de adición, en el rango entre 16 y 40 %, corroborándose el aumento de las formas disponibles de cobre, manganeso y zinc, lo que demuestra las bondades del empleo de C. vulgaris como agente acelerador de la biodegradación de la materia orgánica del suelo, sin alterar sus propiedades químicas.50)
El uso de C. vulgaris como acondicionador de suelos ha mostrado efectos positivos en la germinación, el aumento del volumen de las raíces, la estimulación de la síntesis de clorofilas y la acumulación de carotenoides.11) El uso de clorofitas y cianofitas como biofertilizantes, lo que se conoce como alginización; término desarrollado por Venkataraman a finales la década de 1966,51,52,53) juega un papel importante en la construcción de la fertilidad del suelo, con el consecuente incremento de su productividad.
Utilizando soluciones acuosas e hidrolizados de la biomasa de Chlorella sp. y C. vulgaris como biofertilizante y/o promotor del crecimiento se ha promovido la germinación de semillas de cultivos como melón, tomate, pepino y maíz, 54 constatándose efectos positivos en la germinación en Cucumis melo L., en medios con niveles intermedios o bajos de nitrógeno, fósforo, potasio y carbono, logrando índices de germinación de 92-95 %, con altos índices de velocidad de germinación.55) Asimismo, se ha promovido el crecimiento de la raíz y el brote de semillas de Solanum lycopersicum y Cucumis sativus, siendo las concentraciones más efectivas 0,17 y 0,25 gL-1 de suspensión algal, respectivamente.56) En cultivos de Zea mays, semillas plantadas en un suelo suplementado con C. vulgaris y abono orgánico durante 75 días, presentaron un crecimiento del 50 % a los 60 días, lográndose un aumento en la velocidad de crecimiento desde las etapas tempranas.57
Otros estudios muestran los beneficios de C. pyrenoidosa (11,8 × 104 célmL-1) como biofertilizante, incrementando el sistema radicular del arroz (Oryza sativa), la germinación rápida en C. sativus y el aumento del contenido de clorofilas en cultivos de arroz, pepino, lechuga (Lactuca sativa) y berenjena (Solanum melongena).58)
En el cultivo de cebolla (Allium cepa) se han empleado con éxito extractos de C. vulgaris (3 g de extracto seco por kg de suelo) lo que ha permitido mejoras en el crecimiento y el rendimiento, observándose mejoras en parámetros como el área foliar, grosor del cuello, la longitud, el diámetro y el peso del bulbo, y el contenido de pigmentos, así como en la composición bioquímica.59)
Los extractos líquidos de C. vulgaris se han utilizado para mejorar el crecimiento del frijol chino o judía mungo (Vigna radiata) favoreciendo el crecimiento del brote, la longitud de la raíz y el peso del grano; observándose, además, una composición mineral mayor de la harina en las plantas tratadas con C. vulgaris.60,61) Estos extractos líquidos se han utilizado con éxito como fertilizantes foliares en cultivos de fresas (Fragaria vesca), aumentando su producción en un 22 %, con la aplicación de soluciones de C. vulgaris al 25 %, directamente en forma de spray a 4°C.62)
Suspensiones acuosas de extracto seco de C. vulgaris (0,5-2%) han mostrado efecto nematicida en el tratamiento de la vid (Vitis vinifera) infectada con Xiphinema index. Se ha utilizado además el extracto seco para la protección de las plantas contra el nematodo agallador Meloidogyne arenaria. Experimentos de laboratorio y en macetas con tomate (cv. Bele y cv. Ideal) y plantones de uva (cv. Cabernet Sauvignon), muestran que incluso a dosis bajas se manifiesta un doble efecto: por un lado, suprimen el desarrollo del parásito y, por otro, se estimula fuertemente el crecimiento de las plantas, lo que constituye una ventaja más de los efectos de esta microalga, que fundamentan su aplicación práctica.63,64) Por último, destaca el uso de Chlorella fusca en suspensión como pesticida foliar, el que ha sido efectivo contra la antracnosis ocasionada por Colletotrichum orbiculare en hojas de pepino.64)
A partir de Chlorella spp. se obtienen biofertilizantes que incrementan la fertilidad de los suelos con mínimo costo ambiental. Estos se presentan en varias formulaciones, aportando componentes que inciden en el crecimiento y productividad de los cultivos, además de producir sustancias antibacterianas, antifúngicas y nematicidas, pudiendo ser utilizados como pesticidas, herbicidas o en general, agentes de control10, siendo además, ricos en fitohormonas estimulantes del crecimiento.65)
Considerando que la actividad agrícola es prioritaria en el contexto internacional y nacional, y las reflexiones realizadas en Cuba, enfocadas a la producción de alimentos, explicándose que esta necesita ser asumida de otra manera,66) debería considerarse la aplicación y valorización de los bioderivados de interés agrícola obtenidos a partir de Chlorella spp., promoviendo su desarrollo a partir de cepas locales, no sólo en función de transformar los índices productivos, sino de reemplazar los agroquímicos por productos agroecológicos, que minimizarían los costos ambientales de la producción agrícola, garantizando soluciones sostenibles.
Conclusiones
Existe un interés creciente en las investigaciones sobre Chlorella y específicamente sobre C. vulgaris, siendo los temas diversos, en relación con su potencial de aplicación. Se demuestra la relevancia de las aplicaciones en la agricultura como biofertilizante, acondicionador de suelo, nematicida y pesticida, lo que resulta de gran interés para el desarrollo de la agroecología. Los bioproductos obtenidos a partir de Chlorella spp. constituyen alternativas útiles que deben tener mayor aplicación práctica en el contexto nacional.