Introducción
Entre los microorganismos fijadores de nitrógeno existen varias especies de cianobacterias, grupo muy diverso de organismos procarióticos fotoautótrofos pertenecientes al dominio Bacteria, que sintetizan clorofila a y ficobilinas, capaces de realizar procesos de vital importancia, como la fotosíntesis oxigénica.1 A pesar de tener una organización estructural y bioquímica que se corresponde con las bacterias Gramnegativas, las cianobacterias presentan características fotosintéticas similares a las algas eucariotas y plantas superiores.2
En la actualidad, los avances biotecnológicos han demostrado el potencial que poseen las cianobacterias en diversas áreas, convirtiéndose en un grupo de alto valor económico.3 Entre sus principales aplicaciones se encuentran aquellas vinculadas a la capacidad de fijación de nitrógeno, proceso que se puede llevar a cabo en células especializadas y diferenciadas morfológicamente llamadas heterocistos.4 Dicha característica posee un alto valor agronómico, fundamentándose en esta su utilización como biofertilizante natural en varios cultivos y acondicionador de suelo.5
Estos microorganismos durante su ciclo de vida incrementan la materia orgánica y excretan compuestos bioactivos (fitohormonas, vitaminas, aminoácidos), que promueven el crecimiento y desarrollo de las plantas, además de mejorar la estructura del suelo, lo que influye en su permeabilidad y capacidad de retención de agua. 6 Otro aspecto a destacar es que liberan metabolitos secundarios que ayudan al control biológico de enfermedades bacterianas y fúngicas en los cultivos, reportándose, además, que contribuyen a la conversión de formas de fósforo insolubles a formas asimilables por las plantas.7
En general se atribuye a las cianobacterias y sus consorcios buenos resultados en cuanto a la mejora de suelo, así como mayor porcentaje de germinación y producción. 8 Destacan las investigaciones sobre la inoculación de cianobacterias en cebada, trigo, avena, rábano, pepino, tomate, calabaza, algodón, caña de azúcar, chile y lechuga, con resultados positivos en la germinación, rendimiento y calidad del producto final. 7,9 Por otra parte, se han constatado los beneficios de los géneros Nostoc, Tolypothrix, Anabaena y Aulosira en arrozales.
El uso de cianobacterias como biofertilizantes para cultivos se posiciona entonces como una alternativa ecológicamente positiva y sustentable, ya que para producir este tipo de biofertilizante se puede utilizar agua no potable, lixiviados orgánicos, CO2 atmosférico, desarrollando sus cultivos en espacios reducidos o incluso en tierras poco productivas, en sistemas de fotobiorreactores.10,11,12,13
El objetivo de esta investigación fue obtener por vía biotecnológica un consorcio natural de cianobacterias a partir de suelo rizosférico de Carica papaya, para la posterior evaluación de sus potencialidades y beneficios. Los objetivos específicos estuvieron enfocados en desarrollar cultivos densos del consorcio obtenido y determinar su perfil bioquímico.
Materiales y métodos
Crecimiento y mantenimiento del cultivo
El consorcio de cianobacterias fue obtenido a partir de un subcultivo en placa Petri de suelo rizosférico de Carica papaya, el que se realizó por triplicado, incubando en medio BG11014 durante 30 días, a una temperatura de 22oC ± 2, bajo régimen de luz continua a una intensidad de 48,83 μEm-2s-1 (Luz día, Phillips, 40W) obteniendo de esta forma el cultivo primario. A partir de la detección inicial de crecimiento se identifican las cianobacterias presentes, clasificando hasta especie siempre que fue posible, en todos los cultivos primarios obtenidos, para lo que se utilizaron varias claves dicotómicas y criterios taxonómicos. 15,16,17
A partir de los crecimientos primarios se desarrollan subcultivos sólidos y aislamientos en medio BG-110 líquido, utilizando tubos de ensayo con tapa de rosca de 10 mL y placas Petri. De esta forma se obtienen los pre-inóculos para el establecimiento de los consorcios naturales.
Condiciones experimentales para el desarrollo de los consorcios de cianobacterias
Para el desarrollo de los consorcios se utilizan frascos de 1000 mL de capacidad, estableciendo cultivos discontinuos a partir de un inóculo de 100 mL. Se establecen consorcios obtenidos de forma natural a partir de previos aislamientos.8
Medio de cultivo
El medio BG-110, sin nitrógeno, se formula con la finalidad de promover la fijación del nitrógeno; 14 este fue modificado al sustituir los microelementos por solución de Algal (BIONOVA, S.A).
Condiciones generales de la instalación
Se establecen cultivos aireados con un flujo de aireación continua de 0,32 Lmin-1, a una temperatura promedio de 20 ±2⁰C, con iluminación continúa obtenida por medio de lámparas fluorescentes de 40 W, a una intensidad luminosa de 48,83 μEm-2s-1. Esta fue medida y ajustada diariamente con una estación meteorológica (TP LM 8000 4 en 1, China, error: ±8 lx). La aireación previene el auto ensombrecimiento y la fotoinhibición, así como el incremento del tiempo de exposición de las células en zonas iluminadas y la frecuencia de iluminación de estas. 18
Los valores de pH fueron medidos y ajustados convenientemente con un pH metro Mettler Toledo AG (China), manteniendo los valores entre 7 y 7,6 u. Cada cultivo se realizó por triplicado.
La cinética de crecimiento se evaluó mediante la determinación de la concentración de pigmentos y el peso seco de los cultivos.19
Metodología para el análisis de la concentración de pigmentos fotosintéticos
Se evaluó el porcentaje de clorofila a y carotenoides de cada consorcio, para lo cual se tomaron 5 mL de cultivo, previa homogenización con un vortex WiseMix VM-10 (Corea), realizando seis réplicas por experimento. Las muestras se centrifugaron en una centrifuga Sigma 3-16KL (Alemania) a 10 000 g durante 15 min. Posteriormente se descartó el sobrenadante con la ayuda de una pipeta Pasteur. A partir del pellet se realizó la extracción mediante la adición de 2 mL de metanol al 95% (Quality Chemicals, España). Este procedimiento se realizó durante 24 h en oscuridad, a -4ºC, para evitar la oxidación de las clorofilas.
Previa medición de la densidad óptica, las muestras se clarifican por centrifugación a 10 000 g durante 5 min. Se realizan mediciones del sobrenadante en un espectrofotómetro Thermo Genesys 10S UV-Vis (China) 8 a 480 y 665 nm, diluyendo convenientemente, previa lectura en el espectrofotómetro. La concentración de pigmentos fotosintéticos se obtuvo a partir de la ecuación propuesta por Marker: 20
Para la determinación de los pigmentos carotenoides se utilizó la ecuación propuesta por Strickland y Parsons 21 (1972):
donde
VE es el volumen del extracto y VM el volumen de la muestra (5mL).
Para la extracción de las ficobiliproteínas: ficocianina (FC), aloficocianina (AFC) y ficoeritrina (FE) se tomaron 5 mL de cultivo, previa homogenización, realizando seis réplicas por experimento, de acuerdo con la descripción previa. Cada muestra se centrifugó a 10 000 g por 15 min, utilizando una centrifuga Sigma 3-16KL (Alemania).
Se descartó el sobrenadante y se añadieron 4 gotas de glicerol (BDH PROLABO®, Ecuador) al pellet. La extracción se realizó en oscuridad a -4°C durante 24 h. Se induce así la ruptura celular con la aplicación del proceso de congelación-descongelación de la biomasa de cianobacterias, a lo que se suma el efecto osmótico con glicerol, para la liberación de los pigmentos hidrosolubles de naturaleza proteica, tanto de las ficoeritrinas como de las ficocianinas, 22 realizando dos congelaciones y descongelaciones sucesivas.
Una vez retirada la muestra del congelador se añaden 2 mL de agua destilada y se agita vigorosamente, homogenizando con la ayuda del vortex. Posteriormente, se centrifugó a 10 000 g por 15 min. Las lecturas se realizaron en el espectrofotómetro a 562, 615 y 652 nm. Para el cálculo de la concentración de ficobiliproteínas se utilizaron las fórmulas propuestas por Bennett y Bogorad.23
donde
VE es el volumen del extracto (4mL) y VM el volumen de la muestra (5mL)
Metodología para la determinación del peso seco: el peso seco se determinó en días alternos durante 21 días, según la técnica propuesta por Tredici y col. (1991). 24,25 Para ello se tomaron alícuotas de 10 mL de cultivo y se filtraron por medio de membranas de celulosa de 5 μm de diámetro de poro (Millipore®), previamente secadas y pesadas. Se utilizó una estufa (MCW WS200, GRR), sometiendo las muestras a 70 ºC por 24 h. Los pesajes se realizaron en una balanza digital analítica (OHAUS PA114C, Estados Unidos). Se realizaron tres réplicas por muestra. Con estos resultados se ajustan los valores de la concentración de pigmentos, expresándolos en mgL-1.
Determinación de proteínas
La determinación de proteínas se realizó transcurridos 21 días del cultivo, a través del método propuesto por Lowry. 26,27
El contenido de proteínas se calculó según la siguiente ecuación (López y col., 2010): 28
donde:
C es la concentración de proteína (mgL-1) obtenida de la curva de calibración,
V es el volumen (L),
D es el factor de dilución y
m peso de biomasa seca (mg).
Cuantificación de lípidos
A los 21 días de cultivo, las muestras fueron cosechadas por centrifugación a 15 000 g por 10 min a 20ºC, con una centrífuga refrigerada (Sigma 3-16KL, Alemania). Las muestras fueron secadas en estufa (Boxun, China), a 80oC. La determinación de lípidos se realizó a partir del método de Ryckebosh, 29 utilizando como solvente de extracción la mezcla Folch (cloroformo: metanol; v: v). El contenido de lípidos en las muestras (% m/m) se calculó utilizando la siguiente ecuación:
donde:
mE- peso extraído de lípidos
(mM)- peso de muestra
Determinación de nitrato en el medio de cultivo
Para la determinación del contenido de nitrato del medio se colectan 100 mL de sobrenadante, previa centrifugación del cultivo a 15 000 g por 10 min, a 20 oC, con una centrífuga refrigerada (Sigma 3-16KL, Alemania). Las determinaciones se realizan a los días 7, 14, 21 días, para establecer las comparaciones pertinentes. Las muestras fueron refrigeradas para su traslado al Laboratorio de la Empresa Nacional de Análisis y Servicios Técnicos, donde se realizaron las determinaciones por el método de electrodo selectivo, ensayo que cumple los requisitos de la Norma Cubana NC-ISO/IEC 17025:2006.30
Resultado y discusión
Descripción del consorcio
El consorcio de cianobacterias fue obtenido de forma natural a partir de subcultivos y aislamientos de suelo rizosférico de Carica papaya. En la figura 1, se muestra la apariencia de las colonias obtenidas en el cultivo primario. Estas son de aspecto gelatinoso con color verde intenso y bordes irregulares. Las cianobacterias identificadas son: Nostoc commune, Calothrix sp., Aphanothece mitussima (figura 2); siendo Calothrix sp. la especie mayoritaria.

Fig. 1 Apariencia de las colonias obtenidas en el cultivo primario de suelo rizosférico de Carica papaya con medio BG110

Fig. 2 Vista al microscopio óptico del consorcio con presencia de las cianobacterias Nostoc commune, Calothrix sp., Aphanothece mitussima, a 40x
Entre las cianobacterias nitrofijadoras más comunes está el género Nostoc, el que incluye un grupo variable de especies que se caracterizan por la formación de grandes colonias gelatinosas.31 Posee ciclos de vida complicados, con la formación de hormogonios móviles, que participan en la reproducción, 32 en la dispersión de las especies en su hábitat natural, 33 ) (34) y en asociaciones simbiontes.35 En la mayoría de los casos se desarrolla en el tricoma un solo heterocisto en ambos extremos e intercalados, a una distancia más o menos constante, mientras que los acinetos se presentan en largas cadenas.36
El tamaño y forma de la célula, el tipo de heterocistos y forma de las colonias macroscópicas son usados normalmente como caracteres distintivos en la taxonomía tradicional 31. Son comunes en hábitats terrestres y acuáticos 34 donde juegan un papel significativo a nivel ecosistémico. Tienen la capacidad de fijar nitrógeno, mejoran la calidad de los suelos pobres en nutrientes, incrementan de forma natural la productividad en arrozales no fertilizados, 34,37 y ayudan a la estabilización del suelo.38 Algunas especies forman asociaciones simbióticas con hongos (para formar líquenes), hepáticas, briófitos, cicadas, helechos, e incluso con angiospermas.32 No se ha descrito previamente su presencia en ambientes de cultivo de Carica papaya.
Otro género muy común es Calothrix; este se caracteriza por presentar tricomas atenuados dispuestos de forma paralela entre sí y perpendiculares a la superficie. Pueden estar entremezclados, formando colonias, o como filamentos solitarios. 31 Normalmente los tricomas suelen terminar en un pelo multicelular, desarrollado en respuesta a la limitación de fósforo y/o hierro.39 Tienen un heterocisto basal y, en algunas especies se pueden observar, además, heterocistos intercalados. Ocasionalmente pueden presentar falsas ramificaciones.40
Los hormogonios se forman en los extremos apicales de los tricomas bajo condiciones ricas en fósforo y estos pueden tener vacuolas de gas.40 Se han descrito sólo unas pocas especies de Calothrix capaces de desarrollar acinetos. 41 En diversos estudios se ha mostrado que pueden establecer asociaciones simbióticas con varios organismos eucariotas.42
Los miembros de este género tienen una distribución global muy extendida. Se encuentran en una gran variedad de ambientes marinos, de agua dulce y terrestres, y en acantilados; 43 en tapetes cianobacterianos antárticos, 44 arrozales, 45 arrecifes tropicales 46 y fuentes termales 47, de aquí que su presencia sea mayoritaria.
Crecimiento y perfil bioquímico de la biomasa
Para analizar el crecimiento del consorcio, una vez establecidos los cultivos, se tuvo en cuenta la variación del peso seco; este método es utilizado para determinar el crecimiento de especies filamentosas en cultivos no homogéneos, 8 en los que es difícil seguir el crecimiento por recuento celular. La variación del peso seco se presenta en la figura 3.

Fig. 3 Variación del peso seco del consorcio de cianobacterias obtenido a partir de suelo rizosférico de C. papaya, durante 21 días de cultivo
Los resultados de la evaluación de la variación del crecimiento del consorcio mediante peso seco confirman el crecimiento adecuado de este, y la existencia de especies diazótrofas, capaces de crecer en ausencia de nitrógeno.1 Se alcanza un peso seco de 240 mgL-1 ±0,02, al final del ensayo, lo que indica que la biomasa obtenida es cinco veces mayor que la de partida (p≤0,05). La productividad media obtenida es de 11,42 mgL-1dia-1. El aumento del peso seco del consorcio está relacionado principalmente con la síntesis y acumulación de proteínas, las cuales representan un porcentaje elevado del peso seco de la biomasa de cianobacterias.19
El medio BG110 es un medio selectivo exclusivo para cianobacterias con la capacidad de fijar nitrógeno, no permitiendo el crecimiento de microorganismos dependientes de otras fuentes de nitrógeno; las cianobacterias primero realizan su fijación y luego lo utilizan para sus actividades metabólicas.48 Sin embargo, en un consorcio se establecen relaciones sinérgicas entre los microorganismos, por lo que A. minutissima, especie no diazótrofa, crece a expensas del nitrógeno fijado por las otras dos especies del consorcio, con capacidad nitrofijadora.
Pigmentos fotosintéticos
Respecto a la composición de clorofila a y carotenos (figura 4), se obtuvo una concentración significativamente mayor de clorofila a ambos pigmentos al día 21 de cultivo; con valores de 0,175±0,004 µgmL-1 y 0,10±0,02 respectivamente (p≤0,05).

Fig. 4 Concentración de clorofila a y carotenoides en el consorcio de cianobacterias el primer y último día de cultivo
Bajo condiciones de deficiencia de nitrógeno, la síntesis de clorofila disminuye y el contenido celular empieza a declinar, mientras que los pigmentos carotenoides pueden seguir sintetizándose por más tiempo para después disminuir a una velocidad mucho menor que la clorofila; sin embargo, la presencia de especies diazótrofas hace que aun al día 21 exista síntesis de clorofila, a expensas del nitrógeno fijado, con una concentración 1,6 veces mayor que la inicial, mientras que los carotenos se duplican; lo que definitivamente indica que existe un crecimiento celular sostenido.
La concentración de clorofilas está estrechamente relacionada con la asimilación del nitrógeno inorgánico, pues este elemento resulta esencial en la estructura de estos componentes celulares, los cuales son responsables primarios de la fotosíntesis.49 Las clorofilas permiten obtener información sobre el crecimiento y la capacidad fotosintética de las cianobacterias. Además, el incremento del contenido de clorofila celular influye en la eficiencia de los complejos proteicos colectores de luz, lo que genera un aumento de la capacidad fotoquímica.
Este aumento puede contribuir al incremento del ATP utilizable en la respiración celular para la síntesis de macromoléculas (carbohidratos, proteínas, lípidos, entre otros) y en último término, es útil para evaluar la cinética de crecimiento.50
Es importante señalar que los carotenoides tienen dos funciones principales: sirven como pigmentos recolectores de luz en la fotosíntesis y protegen contra el daño fotooxidativo. La síntesis y acumulación de carotenoides está regulada por las condiciones de crecimiento y las señales ambientales.51,52
En la tabla 1 se muestra la concentración de ficocianina, aloficocianina y ficoeritrina los días 7, 14, 21, obteniéndose una mayor concentración de aloficocianina, ficoeritrina el día 14, y de ficocianina el día 21.
Tabla 1 Concentración de ficobiliproteínas: ficocianina, aloficocianina y ficoeritrina en el consorcio a los días 7,14 y 21

Letras diferentes por columna indican diferencias significativas (p≤0,05)
Los diferentes géneros de cianobacterias presentan determinado contenido de ficobiliproteínas; el género Nostoc, por ejemplo, contiene ficocianina y ficoeritrina o ficoeritrocianina, mientras que el género Calothrix, al que pertenece la especie mayoritaria en el consorcio presenta mayor contenido de ficoeritrina, mostrando adaptación cromática, o bien contiene ficocianina o ficoeritrocianina.40
En el consorcio hay tres especies de cianobacterias y, consecuentemente se obtienen las tres ficobiliproteínas que estas sintetizan.53 La ficoeritrina no siempre es hallada en las cianobacterias, 54 pero en este caso se detectó en el consorcio natural desarrollado, lo que puede estar relacionado con la presencia de Calothrix sp.
Concentración de proteínas, carbohidratos, lípidos y nitrato
La biomasa del consorcio tiene una composición mayoritaria de carbohidratos (47,22±8,03 %) y proteínas (31,25±8,49 %) al final del experimento (día 21); mientras que los lípidos representan el 13,92±2,95%.
Concentraciones similares se reportan en otras investigaciones, 55,56 en las que se explica, que de acuerdo con el género se presentan porcentajes de proteínas del 17,62% al 23,94%. Asimismo, valores similares de lípidos han sido reportados en estudios previos.57
La variación de la concentración de nitrato se evaluó en los días 7,14 y 21 de cultivo, esta fue disminuyendo discretamente al transcurrir los días de establecido el consorcio desde 5 ±0,16 mgL-1 el día 7 a 4,03 ±0,12 mgL-1 el día 21 (p≤0,05). Esta variación en la concentración del nitrato en el medio pudo estar relacionada al desarrollo de heterocistos.58,59
Durante la formación de heterocistes comienza la degradación específica de algunas proteínas, lo que puede conllevar a la pérdida de varias funciones, como la actividad del fotosistema II, así como la supresión y destrucción de partes de la maquinaria de fijación de CO2.60 A pesar de que la formación del proheterocisto involucra cambios celulares profundos, este es un proceso reversible; al agregar nitrógeno al medio, este revierte hacia la forma de célula vegetativa.60
Conclusiones
Se desarrolla un consorcio natural a partir de la rizosfera de C. papaya, el que está formado por las especies de cianobacterias diazótrofas: Nostoc commune y Calothrix sp., identificándose, además, Aphanothece mitussima. Se confirma la existencia de capacidad diazotrófica, siendo mayoritaria la cianobacteria Calothrix sp. La biomasa del consorcio tiene un contenido mayoritario de carbohidratos y proteínas.