Las microalgas son organismos diminutos que utilizan la fotosíntesis para convertir moléculas inorgánicas como el dióxido de carbono, los nutrientes y el agua en proteínas, grasas y carbohidratos.
Se pueden cultivar y cosechar fácilmente para producir cultivos de biomasa («algacultura») que pueden utilizarse como alimento o para obtener bioenergía.
Los investigadores recurren a la biotecnología para responder a la demanda de fuentes de proteínas más sostenibles a medida que aumenta la producción mundial de alimentos, y las microalgas son fundamentales.
Cuando era pequeño, a mediados de la década de 1960, pasaba los días disfrutando de una idílica vida rural en una granja lechera del pueblo de Lewdown, en el corazón de Devon. Recuerdo muchos días felices explorando el glorioso campo y viviendo en armonía con la naturaleza y el medioambiente; o, al menos, así lo sentía.
Pero también recuerdo el omnipresente pozo de purines lleno de estiércol al fondo de nuestro establo. No estaba cercado, y mi madre me recordaba con frecuencia que acercarme demasiado podía significar morir ahogado en lo que, en esencia, era una enorme tina de excrementos de vaca malolientes. A los cinco años, me mantenía bien alejado.
Lo que entonces no sabíamos era que este pozo de estiércol de la granja suponía un peligro no solo para mí, sino también para el medioambiente. El estiércol, que a menudo se devuelve a la tierra como fertilizante nutritivo sin tener en cuenta sus repercusiones más amplias, libera gases de efecto invernadero, como metano, dióxido de carbono y óxido nitroso, además de otros gases nitrogenados nocivos, como el amoníaco. También puede provocar escorrentía rica en nitrógeno hacia los cursos de agua, contaminando ríos, lagos y costas y afectando, en consecuencia, a la mortalidad de los peces y al turismo.
En resumen, la infancia idílica que creía haber vivido en una granja en armonía con la naturaleza no fue exactamente así. Después, como biólogo, dediqué gran parte de mi vida a investigar microorganismos que pueden ayudar a mantener un planeta saludable. Casi 60 años después, estoy al frente de un proyecto pionero en toda Europa dedicado a transformar residuos potencialmente nocivos en algo positivo. De este modo, podemos contribuir a construir una «economía circular» que regenere la naturaleza y mantenga los materiales en circulación. Y en el centro de este trabajo hay unos extraordinarios organismos microscópicos: nuestro «oro verde».
Joyas de la naturaleza
Todos sabemos lo importantes que son los árboles para capturar carbono, pero tendemos a pasar por alto que dos tercios de nuestro planeta están cubiertos de agua. Nuestros mares y océanos están llenos de organismos tan vitales para los ciclos de vida de la Tierra como los terrestres; sin embargo, como cada uno de ellos es menos visible a simple vista que las plantas terrestres, en gran medida los ignoramos.
Las microalgas —que no deben confundirse con las macroalgas (algas marinas)— abundan en nuestros mares, lagos de agua dulce y ríos. Estos organismos diminutos son importantes «productores primarios» del planeta y actúan como fábricas de biomasa. Utilizan la luz solar mediante la fotosíntesis para convertir moléculas inorgánicas (dióxido de carbono, nutrientes y agua) en proteínas, grasas y carbohidratos, además de una gran variedad de otros compuestos orgánicos que las ayudan a crecer y sobrevivir. Estos microorganismos diminutos sustentan toda la vida de nuestros océanos y, gracias a sus altas tasas de renovación, contribuyen a alrededor del 50 % de la producción primaria del planeta.
Existen literalmente cientos de miles de especies de microalgas. Un grupo común son las diatomeas, de las que se calcula que existen 20 000 especies. Con sus paredes celulares de vidrio, delicadas y complejas como copos de nieve, las diatomeas son verdaderas joyas de la naturaleza. Otro grupo común son los cocolitóforos, cubiertos de elaboradas placas calcáreas de carbonato de calcio, parecidas a frisbis. Durante el período Cretácico, que terminó hace 66 millones de años, enormes proliferaciones de cocolitóforos formaron los acantilados blancos de Dover.
Como las microalgas no tienen raíces, hojas ni tallos, pueden utilizar el dióxido de carbono y los nutrientes con más eficiencia que las plantas terrestres, lo que les permite crecer más rápido. Se pueden cultivar y cosechar con relativa facilidad para producir cultivos de biomasa («algacultura») que pueden utilizarse como alimento o para obtener bioenergía. La biomasa de algas también contiene una amplia variedad de moléculas útiles que pueden emplearse en bioplásticos, biocombustibles, productos para la salud, cosméticos e ingredientes alimentarios.
Mi creciente admiración por estos fascinantes microorganismos, con su extraordinaria capacidad para crecer usando nutrientes residuales y producir algo útil, me inspiró a querer ayudar a afrontar los dos retos mundiales de la sostenibilidad y la protección del medioambiente. Me pareció evidente que utilizar el «oro verde» de la naturaleza para depurar los nutrientes residuales y, al mismo tiempo, producir piensos sostenibles y otros productos era una gran oportunidad.
A principios de los años 70, recuerdo que mi profesor de biología de nivel A, el señor Montague, nos enseñó los ciclos del carbono y del nitrógeno y nos explicó lo importante que es el equilibrio de cada uno para la vida en nuestro planeta. Incluso recuerdo que habló del efecto invernadero y del aumento de las temperaturas. Pero entonces no nos dábamos cuenta de la gravedad de la amenaza del cambio climático relacionado con el dióxido de carbono ni de que el nitrógeno se convertiría en un factor importante de los complejos desafíos medioambientales que afrontamos hoy.
Hacia una economía circular
Para tener alguna esperanza de cumplir nuestros objetivos mundiales contra el cambio climático y alcanzar un equilibrio sostenible, debemos avanzar hacia una economía circular que elimine los residuos y la contaminación, mantenga los materiales en circulación y regenere la naturaleza. Esta debe sustituir al modelo lineal actual de «usar y desechar», que ha provocado desequilibrios en los ciclos de nutrientes.
En respuesta a esta situación, los agricultores, la industria alimentaria y las empresas de aguas residuales recurren cada vez más a la digestión anaerobia (DA) para procesar sus residuos. La DA es un proceso natural en el que las bacterias de grandes tanques llamados digestores se alimentan de residuos orgánicos —aguas residuales, desperdicios de alimentos, estiércol de granja y otros residuos agrícolas— para producir biogás rico en carbono e hidrógeno, que puede capturarse y utilizarse para generar electricidad renovable y calor.
El componente nitrogenado de los residuos orgánicos queda retenido en un líquido espeso llamado digestato, que los agricultores pueden devolver a la tierra como fertilizante de origen natural, preferible a los fertilizantes sintéticos producidos mediante procesos de alto consumo energético y emisores de CO₂. Sin embargo, a medida que se ha expandido el sector de la DA, el aumento de la producción de digestato y su devolución a la tierra entrañan un riesgo de contaminación por nutrientes.
Como resultado, muchas zonas del Reino Unido y Europa están ahora sujetas a restricciones en virtud de la Directiva sobre nitratos y la legislación sobre zonas vulnerables a los nitratos (NVZ, por sus siglas en inglés), introducidas para evitar la contaminación provocada por el uso excesivo de nitrógeno devuelto a la tierra. Actualmente, el 55 % de las tierras de Inglaterra está designado como NVZ, mientras que todo el territorio de Gales está en proceso de convertirse en otra zona de este tipo.
Una forma de superar este desafío normativo es utilizar microalgas. Así, en 2017 nació nuestro proyecto europeo de economía circular, denominado ALG-AD. El objetivo último es convertir el nitrógeno que supone un riesgo para el medioambiente en microalgas que puedan utilizarse en piensos sostenibles para animales, sustituyendo así las fuentes de pienso actuales, que consumen muchos recursos. Gracias a la financiación del programa INTERREG Europa del Noroeste, la Universidad de Swansea se asoció con otras diez organizaciones de Europa noroccidental, una zona densamente poblada y de agricultura intensiva especialmente vulnerable a la contaminación de las aguas subterráneas por nitratos. Bélgica, Alemania, los Países Bajos y Dinamarca en su totalidad ya están designados como NVZ.
Al reciclar el nitrógeno no deseado y convertirlo en algo útil, podemos evitar que se escape a la atmósfera y a las vías fluviales, reduciendo así la contaminación tanto de la tierra como de la atmósfera. Las microalgas convierten naturalmente el nitrógeno en proteínas y otras moléculas nutritivas que pueden volver a incorporarse a la cadena alimentaria. Cinco años después del lanzamiento del proyecto, ya hemos demostrado que una solución de economía circular de este tipo es viable a escala industrial.
Una nueva fuente de proteínas
El crecimiento previsto de la población del planeta durante el próximo medio siglo significa que se espera que la producción mundial de alimentos aumente al menos un 50 %. También se nos anima a reducir el consumo de proteínas cárnicas para disminuir las emisiones de gases de efecto invernadero y la deforestación. Por eso, las nuevas fuentes de proteínas son una prioridad absoluta, y las microalgas son una opción prometedora. Empresas como Nestlé ya están investigando las microalgas como fuente alternativa de proteínas, tanto para piensos como para la alimentación humana.
Aunque el sector de producción de microalgas aún está en sus inicios, resulta muy atractiva la posibilidad de producir una nueva fuente de proteínas sin los problemas asociados a la carne y la soja. Además, poder cultivar microalgas cerca de los lugares donde los agricultores las utilizarán como pienso ofrece otra ventaja clara.
Uno de los principales desafíos de nuestro proyecto europeo ha sido probar esta tecnología para desarrollarla a escala operativa completa. Por ello, hemos trabajado directamente con el sector de la DA mientras procesa residuos alimentarios y agrícolas, que nos proporciona nitrógeno de producción industrial (en forma de digestato) para cultivar nuestras microalgas.
En el Reino Unido, a solo 30 millas de la granja de Devon donde viví de niño, hemos construido una instalación piloto de «algas-DA» en una empresa de DA situada junto a la granja lechera Langage. Langage-AD tiene capacidad para procesar 20 000 toneladas de residuos alimentarios al año y producir biometano para generar calor y electricidad. Nos proporcionaron un gran invernadero calefactado situado justo al lado del lugar donde se procesan los residuos. Era el emplazamiento ideal para nuestro «fotobiorreactor de algas»: una serie de tubos verticales transparentes en los que se cultivan microalgas en un medio acuoso con nutrientes, expuesto tanto a la luz natural como a la artificial.
Se han construido otras dos instalaciones hermanas de fotobiorreactores en Bretaña, Francia, y Gante, Bélgica. Todos los socios han realizado estudios exhaustivos para determinar cómo procesar mejor el digestato y optimizar la absorción de nutrientes. Descubrimos que a nuestras microalgas no les gustaba que hubiera demasiado; con muy poco, apenas ocurría nada.
De forma prometedora, hemos descubierto que las microalgas cultivadas con digestato son más ricas en proteínas que las cultivadas con nutrientes inorgánicos de uso más habitual, y que los niveles de proteínas alcanzan hasta alrededor del 80 % de la biomasa total producida. Esto es más del doble de la cantidad de proteínas presente en la carne y los productos de soja. En un mundo donde hay una escasez creciente de proteínas y se buscan alternativas a la carne, esto supone una verdadera ventaja.
Actualmente, alrededor del 75 % de la cosecha mundial de soja se utiliza como fuente de proteínas en los piensos para animales. Al igual que la producción de carne de vacuno, la producción de soja está bajo escrutinio por su papel en la deforestación, especialmente en Brasil y Argentina. Además, el transporte de soja por todo el mundo genera una enorme huella de carbono. Por si fuera poco, transportar soja a zonas de agricultura intensiva altera el equilibrio mundial del nitrógeno, lo que provoca «puntos críticos de nutrientes» y un aumento de las NVZ.
Nuestros estudios han confirmado el potencial de las microalgas como fuente de proteínas para complementar y sustituir las proteínas de soja. Sin embargo, el cultivo de microalgas todavía no ha alcanzado una escala suficiente para tener un impacto significativo en los mercados de soja. Por eso, hasta ahora nuestros ensayos de alimentación en condiciones reales se han centrado en probar las microalgas como complemento alimentario para mejorar la salud de los lechones y de los peces. Pero sabemos que el mercado de piensos e ingredientes para animales a base de algas está destinado a crecer rápidamente.
Ampliar el uso de estas biotecnologías novedosas
Hasta la fecha, en el Reino Unido nos hemos centrado en dos especies de microalgas verdes de agua dulce que se encuentran comúnmente: Chlorella vulgaris y Scenedesmus obliquus (ambas de la división Chlorophyta). Las dos especies contienen buenos niveles de proteínas y una gran variedad de moléculas con propiedades beneficiosas para la salud, que seguimos investigando.
Pero otra característica extraordinaria de las microalgas es su diversidad. Hay decenas de miles de otras especies con una variedad asombrosa de formas y funciones que aún esperan ser exploradas.
Ahora, gracias a las bases sentadas por nuestra investigación, corresponde a las empresas pioneras, los organismos reguladores y los inversores trabajar juntos para permitir que estas nuevas biotecnologías se implanten de forma más amplia. A medida que avanzamos hacia una sociedad y una economía más circulares que lineales, que aprovechan sus residuos y evitan la contaminación medioambiental, parece que las microalgas se volverán más conocidas para todos nosotros, de una forma u otra.
Nuestro proyecto ya ha demostrado que las microalgas tienen un gran potencial para ayudar a reducir problemas relacionados con la seguridad alimentaria, como la escasez de tierras, el cambio climático y el uso ineficiente e insostenible de fertilizantes, así como las fugas de nutrientes y la contaminación del agua asociadas. De este modo, pueden contribuir a elevar los estándares medioambientales en Europa y en todo el mundo. De hecho, nuestro trabajo respalda el recientemente anunciado Pacto Verde Europeo, que promueve la economía circular y la protección de la naturaleza, así como la nueva Política Agrícola Común y su firme énfasis en prácticas agrícolas respetuosas con el medioambiente y la agroecología.
Sin embargo, todavía estamos en una etapa relativamente temprana. Como ocurre con cualquier tecnología relacionada con los residuos, es necesario examinar cuidadosamente la legislación y la regulación. Por ahora, la forma más sencilla de avanzar es utilizar residuos vegetales digeridos anaeróbicamente en lugar de residuos de origen animal, eliminando así la posibilidad de que residuos o contaminantes animales vuelvan a entrar en la cadena alimentaria.
También quisiéramos aumentar aún más la absorción del digestato por las algas y, como ocurre con cualquier tecnología nueva en desarrollo, debemos sopesar los costes y los beneficios medioambientales generales. Para ello, estamos reuniendo los resultados de todos los socios y consolidando nuestros datos para utilizarlos en un análisis del ciclo de vida. Esto permitirá también a los agricultores, productores de alimentos y otras industrias interesadas decidir si esta tecnología les conviene y qué podrían lograr mejor en función de sus necesidades particulares.
Otra forma de aprovechar las microalgas en la agricultura es utilizarlas como bioestimulantes: productos naturales que, aplicados en pequeñas cantidades, mejoran la absorción de nutrientes y la tolerancia al estrés, reduciendo así la necesidad de fertilizantes químicos. También seguimos investigando los muchos otros componentes valiosos de las células microalgales, incluidas moléculas que pueden actuar como moduladores del sistema inmunitario humano y animal, además de tener propiedades antiinflamatorias y antivirales. Solo falta aprovechar todo el potencial de las microalgas para producir nuevos productos.
Irónicamente, durante toda mi vida profesional no hice precisamente caso al consejo que me dio mi madre tantos años atrás: mantenerme alejado de la peligrosa mezcla de nutrientes que se formaba en el pozo de estiércol al fondo de nuestro establo. Pero me gustaría pensar que, al no hacerlo, he formado parte de una revolución en la forma en que concebimos y tratamos los residuos, garantizando que los valiosos nutrientes del estiércol de vaca y de otros residuos orgánicos se utilicen cada vez más en beneficio nuestro y del planeta.
