Microalgas encapsuladas como reemplazo sustentable en la dieta de reproductores en laboratorios productores de moluscos

Impactos: 12

Técnicas de producción 

Por: David F. Willer, Samuel Furse y David C. Aldridge *

El uso de algas vivas está impulsando el uso excesivo e insostenible de energía y recursos en la producción de bivalvos. Desde los 90s, la industria de la acuicultura de bivalvos ha estado buscando alimentos alternativos no vivos para reducir su necesidad de antibióticos. Las políticas de acuicultura sostenible de la FAO y la UE identifican necesidades urgentes e inmediatas para reducir el uso de tierra, energía y antibióticos. Los avances en la producción de algas y la tecnología de microencapsulación ofrecen una solución innovadora para reducir la huella ambiental de la acuicultura de bivalvos. Esta investigación demostró que las dietas microencapsuladas sostenibles basadas en Schizochytrium podrían ayudar a apoyar una maduración sexual más efectiva en los reproductores de ostras.

La industria mundial de bivalvos –USD $17.2 mil millones de dólares- se basa en el suministro de semilla producida en laboratorios. Estimaciones recientes sugieren que se mantienen a 220 millones de reproductores de bivalvos en laboratorios a nivel mundial, usualmente alimentados con microalgas, cuya producción implica uso no sustentable de suelo, energía y antibióticos. Iluminación, temperatura y aireación permanentes son requeridas para el crecimiento de las microalgas. Más aún, las cepas y cultivos de microalgas son difíciles de mantener y con frecuencia se pierden por contaminación, por lo que deben producirse más de lo necesario, alcanzando el 50% de los costos de producción de semilla; se calcula que en 2016 el costo de un kilogramo de biomasa algal tenía un costo de producción de USD $220 dólares.

Los cultivos algales son el primer vector de enfermedades en los bivalvos, y éstas se controlan con antibióticos que causan un gran daño a los ecosistemas marinos. Los grandes productores de bivalvos no requieren recetas para adquirir antibióticos de uso veterinario, su uso no está regulado. Los alimentos secos presentan más esterilidad, razón por la que la industria los busca desde 1990 para reducir los antibióticos. Las políticas de acuicultura sustentable de FAO y la UE identifican la necesidad urgente de reducir el uso de terrenos, energía y antibióticos. 

Los avances tecnológicos en el cultivo de microalgas y su microencapsulación ofrecen una solución revolucionaria para reducir la impronta ambiental del cultivo de bivalvos. El alga Schizochytrium puede producirse heterotróficamente y a escalas industriales a USD $1.50 dólares por kilogramo, utilizando subproductos alimenticios de bajo costo y canales agrícolas. Schizochytrium tiene ventajas en la alimentación de bivalvos, por sus niveles de nutrientes como el ácido docosahexanoico (DHA) presente en más del doble que las algas comúnmente producidas en laboratorio.

Las micro cápsulas son un vehículo ideal para transferir Schizochytrium a los reproductores. Su producción masiva es sencilla y barata, y las micro cápsulas secas tienen larga vida de anaquel, por lo que su uso reduce costos. Las características de las cápsulas pueden ser manejadas para maximizar su eficiencia nutricional y para minimizar su pérdida en el agua, donde aún permanecería estéril y no sería un vector de enfermedades. El perfil nutricional de los alimentos microencapsulados en comparación a alimentos algales convencionales se muestra en la Tabla 1.


Tabla 1. Composición nutricional de las dietas de reproductores: algas vivas, micro cápsulas o algas vivas + micro cápsulas. Todos los valores están en g por 100 g de peso seco (dw). Los datos nutricionales se obtienen directamente del fabricante: para las algas vivas SeaSalter Shellfish (Whistable) Ltd, para las microcápsulas BioBullets Ltd, y para la dieta combinada se utiliza una media.

Otras ventajas son la reducción de hasta 20 veces el uso de energía, emisiones de carbón y costos de producción (ver Figura 1). Sin embargo, para que el reemplazo pueda ser rentable, el punto crítico es asegurar que los alimentos microencapsulados proveen un desarrollo sexual de la gónada de los reproductores, comparado al de los alimentos convencionales.

Figura 1. La ventaja de sostenibilidad de las nuevas dietas microencapsuladas. El gráfico de radar demuestra menores emisiones de CO2, menor uso de energía y un uso más eficiente de los recursos económicos en nuevas dietas microencapsuladas. La comparación es relativa a la forma más eficiente para producir forma de algas vivas autótrofas cultivadas a escala industrial (algas fotobiorreactoras) y algas cultivadas en un criadero de bivalvos relativamente eficiente en la actualidad. Tenga en cuenta los ejes rotos de las algas de criadero. También notamos que un reemplazo del 100% de las algas vivas requerirá una mayor adaptación de la formulación de micro cápsulas para un mayor contenido de proteínas.

Resultados

Maduración sexual: peso de las gónadas. Se probó el impacto de sustituir microalgas con Schizochytrium microencapsulada en el peso de las gónadas. Ambas dietas resultaron en un aumento en el caso del ostión europeo O. edulis después de un tratamiento de seis semanas. El peso promedio de las gónadas fue significativamente mayor en los ostiones alimentados con microalgas, micro cápsulas o algas + micro cápsulas, en comparación con los organismos antes del pre-acondicionamiento. El peso de las gónadas de ostiones alimentados con micro cápsulas fue el mayor, aunque no fue significativamente diferente del grupo alimentado con microalgas.

Maduración sexual: abundancia de ácidos grasos y lípidos. Se tuvo evidencia macroscópica de que Schizochytrium microencapsulada es un reemplazo efectivo de las microalgas, por lo que se continuó con una investigación molecular de contenido de lípidos en las gónadas, para disponer de una mejor explicación.

Se utilizó espectrofotometría de masas para determinar la abundancia y el perfil de los ácidos grasos. Los resultados mostraron que el contenido fue mayor en todos los organismos después del proceso de pre-acondicionamiento. Las mayores diferencias en abundancia (mayores al 400%) se presentaron en los ácidos grasos 16:0, 18:0, 18:1, 20:5 (EPA) y 22:6 (DHA).

La mayor diferencia en la abundancia relativa de ácidos grasos comparada con el grupo controles antes del pre-acondicionamiento se encontró en los ostiones alimentados con micro cápsulas: en 40 de los 45 ácidos grasos la diferencia fue significativamente mayor. En particular, la diferencia en 20:5 y 22:6 fue 12 veces mayor. La diferencia en abundancia de ácidos grasos después de acondicionamiento fue también significativamente mayor en los ostiones alimentados con micro cápsulas comparada con aquellos alimentados con microalgas + micro cápsulas, en 41 de 45 casos.

Los cultivos algales son el primer vector de enfermedades en los bivalvos, y éstas se controlan con antibióticos que causan un gran daño a los ecosistemas marinos.

La abundancia de otros lípidos en gónadas de O. edulis fue también mayor en el grupo post acondicionamiento que en el pre-acondicionamiento, aunque solo hubo diferencias significativas entre las dietas en 30 de los 792 lípidos evaluados. La abundancia significativa de lípidos en los ostiones alimentados con micro cápsulas provee una explicación bioquímica a nuestras observaciones iniciales del incremento en la masa gonádica.

Maduración sexual: histología. Los cortes histológicos de las gónadas revelan que los ostiones alimentados con micro cápsulas o algas + micro cápsulas se encontraban en un estado de madurez sexual más avanzado a las seis semanas de iniciado el acondicionamiento que aquellos alimentados solamente con microalgas. Estos últimos progresaron de presentar gónadas inactivas a espermatogénesis avanzada, con folículos llenos de espermatogonias y espermatocitos. En contraste, los ostiones alimentados con micro cápsulas y con micro cápsulas + microalgas alcanzaron una madurez completa, presentando folículos densos con espermátidas.

Discusión

Los alimentos microencapsulados favorecen la maduración sexual de los ostiones. Nuestras investigaciones demuestran que la dieta basada en Schizochytrium microencapsulada favorece la maduración sexual de los reproductores de ostión, mejor aún que las dietas convencionales basadas en microalgas. Las gónadas de los ostiones alimentados con micro cápsulas presentaron mayor peso, contenían mayores niveles de ácidos grasos omega-3 -cruciales para la maduración sexual- y experimentaron  una espermatogénesis acelerada.

Los amplios incrementos en EPA y DHA son de particular importancia en las micro cápsulas, en relación con los ostiones alimentados con microalgas. El EPA es la fuente primaria de energía en la maduración de gametos, que a niveles más altos incrementa la calidad de gametos y la tasa de desarrollo. El DHA es la base de la estructura y función de las membranas celulares de los gametos, que conforme aumenta de niveles se incrementa la calidad de los gametos y la tasa de sobrevivencia de los ovocitos.

Los altos niveles de EPA y DHA en las micro cápsulas de Schizochytrium producen presumiblemente este incremento. Actualmente, no existe una clara evidencia de que los ostiones puedan sintetizar ácidos grasos de-novo a partir de cadenas precursoras.”

El rápido avance en la espermatogénesis de los ostiones alimentados con micro cápsulas es probablemente debido a los altos niveles de EPA y DHA, lo que es una relación causal demostrada en varios estudios previos, lo cual ofrece un fuerte soporte al uso de micro cápsulas como alimento para acondicionar a los reproductores.

Es de importancia considerar que para un futuro empleo de micro cápsulas la fórmula nutricional requiere ser específica, para incrementar el contenido de proteína o complementar con cultivos algales. El contenido de proteína de las micro cápsulas es menor que el de los cultivos de microalgas a6 vs. 31 g de proteína por 100 g de peso seco, Tabla 1). Las proteínas son necesarias para el desarrollo larval de los bivalvos, así como para la formación de la concha, y si son insuficientes el desarrollo larval es suprimido. Es primordial desarrollar investigaciones en una formulación con mayor contenido de proteínas en las micro cápsulas, y su influencia en el acondicionamiento de los lotes de reproductores y en el desarrollo larval.

Las micro cápsulas son un vehículo ideal para transferir Schizochytrium a los reproductores. Su producción masiva es sencilla y barata, y las micro cápsulas secas tienen larga vida de anaquel, por lo que su uso reduce costos.

Con respecto a las recientemente desarrolladas micro cápsulas, el tamaño es diseñado para aumentar la eficiencia de alimentación de los bivalvos (20 a 140 µm de diámetro), y la flotación es neutra para asegurar que las partículas permanecen a disposición de los filtro alimentadores. Esto muestra un avance sobre la utilización de microalgas secas por congelación, ya que tienden a permanecer flotando en la superficie, y pueden aglomerarse en partículas demasiado grandes para ser accesibles a los filtroalimentadores.

La cubierta gelatinosa de las micro cápsulas disminuye la pérdida de nutrientes por la pre-ingestión, al permitir que las partículas permanezcan estables y reteniendo los nutrientes, pero permitiendo una rápida digestión al interior del sistema digestivo de los ostiones. La cubierta especial permite solo fugas mínimas al ambiente, reduciendo riesgos por eutroficación. La cubierta muestra también propiedades antibacterianas, y su contenido estéril reduce los riesgos de inducir enfermedades asociadas en acuicultura a alimentos vivos, por lo que se reduce el uso de antibióticos.

Implicaciones de sustentabilidad y comerciales. El uso de microalgas vivas conduce a un uso excesivo e insostenible de energía y recursos en la producción de bivalvos. Este trabajo demuestra que el uso sustentable de dietas con base en Schizochytrium microencapsulada puede aportar una madurez sexual más efectiva en los reproductores de ostión.

Sin embargo, dado que las dietas microencapsuladas no solamente son comparables sino mejores en el desarrollo sexual de los ostiones, se encuentra un potencial para obtener beneficios económicos y sustentables. Una mejor calidad del lote de reproductores con un mayor almacenamiento de lípidos transferirá a la semilla una mejor tasa de sobrevivencia. Una maduración sexual más rápida permitirá la producción de semilla temprana en la temporada, dando más tiempo de crecimiento a las ostrillas antes de su primera temporada de invierno, con la consecuente mayor talla y tolerancia, incrementando -de nuevo- la sobrevivencia.

El incremento de la tasa de maduración sexual implica la reducción de los ciclos de acondicionamiento y una mayor producción de larva y semilla en los laboratorios. El suministro de semilla es uno de los mayores factores que limitan el crecimiento de la industria de cultivo de bivalvos, pues la demanda no es satisfecha; los alimentos microencapsulados podrían tener un rol importante en la expansión de la industria.

Para que el reemplazo pueda ser rentable, el punto crítico es asegurar que los alimentos microencapsulados proveen un desarrollo sexual de la gónada de los reproductores, comparado al de los alimentos convencionales.

El cultivo de bivalvos es por mucho más sostenible ambientalmente que otras formas de acuicultura y de producción de carne, incluso de varios cultivos agrícolas. Por cada tonelada de proteína producida por cultivo de bivalvos en vez de peces, se ahorra el uso de nueve hectáreas de terrenos, 67 toneladas de emisiones de CO2, y 40,000 litros de agua dulce. Toda tecnología como la de las dietas con micro cápsulas que promueva el crecimiento del cultivo de bivalvos en vez de otro tipo de acuicultura debe considerarse como benéfica y merece mayor interés en investigación y en atención por parte de la industria.

Esta investigación demostró que las dietas microencapsuladas sostenibles basadas en Schizochytrium podrían ayudar a apoyar una maduración sexual más efectiva en los reproductores de ostras.

Métodos

Manufactura de las micro cápsulas. Las micro cápsulas de paredes lipídicas que contienen 50% del alga Schizochytrium en polvo fueron producidas bajo la patente de BioBullets (BioBullets Ltd, Cambridge, UK). Una premezcla acuosa compuesta del producto encapsulante en gel (que presenta propiedades antimicrobianas) con algas en polvo fue preparada; la mezcla fue bombeada a un inyector instalado en una cámara fría. Las partículas atomizadas formaron esferas casi perfectas conforme se enfriaban y caían en la base de la cámara. Un enfriamiento de partículas posterior se realizó mediante el uso de un sistema de aire dirigido, antes de descargarlas mediante un decantador ciclónico en un procesador de fluidos. Las partículas encapsuladas fueron cubiertas con una capa de surfactante con propiedades no-iónicas, para su mejor dispersión en el agua. Otro enfriamiento por fluido en capas removió el calor por la cristalización de las micropartículas se efectuó antes del empaque. Todos los componentes son de calidad de manejo de alimentos. Las micro cápsulas presentan al final un diámetro de 20 a 140 µm, forma esférica y flotación neutra.

Acondicionamiento de los reproductores. Los experimentos de acondicionamiento de O. edulis se realizaron bajo condiciones a nivel comercial en Gran Bretaña. Los experimentos duraron seis semanas, y se llevaron a cabo en tres tanques de 25 L, con aireación y flujo continuo, a 18-24°C y salinidades de 26-28 ‰, que son condiciones de laboratorio comercial. En cada tanque se colocaron 15 ostiones, y se les aportó microalgas vivas, micro cápsulas BioBullets o algas + micro cápsulas. El alimento fue el 3% diario, en peso seco de ostiones y alimento; los ostiones de la dieta algas + micro cápsulas recibieron pues el doble de alimento que los otros dos lotes. El aporte mayor a 3% no tiene efectos en la asimilación de nutrientes. El alimento fue suministrado a través del sistema continuo. Al cabo del period de acondicionamiento de seis semanas, los ostiones fueron congelados y transportados al Departmento de Zoología, Universidad de Cambridge, Inglaterra, donde se congelaron a -80°C. Antes de iniciar el periodo de acondicionamiento, una muestra de 15 organismos fue procesada de manera similar para considerarlo el grupo control.

Análisis de peso de gónadas. Se tomó la masa gonadal de nueve organismos de cada grupo, manteniendo la muestra a menos de 0°C en hielo seco. Se registró el peso húmedo de cada gónada a una precisión de ±1 mg. Las gónadas se almacenaron a -80°C.

Análisis de ácidos grasos y lípidos. Reactivos, Extracción de la fracción de lípidos y Espectrografía de masa se describen ampliamente en la publicación original.

Análisis de maduración sexual. Para evaluar la maduración sexual se procesaron las gónadas de cinco organismos de cada grupo y del control. El tejido gonadal fue fijado, cortado y teñido con hematoxilina y eosina, y fotografiado en microscopio compuesto con protocolo estándar.

Procesamiento de datos y análisis estadísticos. Los métodos son ampliamente descritos en la publicación original.

* Esta es una versión resumida desarrollada por el Dr. Carlos Rangel Dávalos, investigador y profesor de la Universidad de Baja California Sur México del artículo “Microencapsulated algal feeds as a sustainable replacement diet for broodstock in commercial bivalve aquaculture” autoría de David F . Willer, Samuel F urse  y David C . Aldridge que se publicó originalmente en 2020 a través del Journal of Scientific Reports of Nature Research (10: 12577) bajo una licencia de acceso abierto creative commons 4.0.

Se puede acceder a la versión y la información de tablas complementarias en línea a través del enlace: https://doi.org/10.1038/S41598-020-69645-0

Correo electrónico de correspondencia: dw460@cam.ac.uk

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