Selección de iluminación LED en cuevas basado en los espectros de acción de la fotosíntesis : reducción del biodeterioro de espeleotemas por biofilms de algas y cianobacterias.

Cueva ur 2016. VI Congresos español sobre Cuevas Turísticas . El Karst y el hombre: las cuevas como Patimonio de la humanidad. Editores: Bartolomé Andreo Navarro y Juan José Durán Valsero. pp, 71-79. Edita Asociación Española de Cuevas Turísticas (ACTE) (2016), 528 p ISBN: 978-84-617-4702-3 Selección de sistemas de iluminación LEDs en Cuevas basado en los espectros de acción de la fotosíntesis: reducción del biodeterioro de espeleotemas por biofilms de algas y cianobacterias F. Álvarez-Gómez (1)*, Y. del Rosal (2), R. Guzmán (3), S. Mohamed (3), S. Merino (4), M. Hernández-Mariné (5) , N. Korbee (1), F.L. Figueroa (1) [email protected]* (1) Dpto. Ecología y Geología, Universidad de Málaga, Málaga (España) (2) Fundación Cueva de Nerja, Málaga (España) (3) Dpto. Expresión Gráfica, Diseño y Proyecto, Universidad de Málaga, Málaga (España) (4) Dpto. Matemática Aplicada, Universidad de Málaga, Málaga (España) (5) Dpto. Botánica, Universidad de Barcelona, Barcelona (España) Resumen En las cuevas turísticas, la presencia de luz natural y/o artificial junto con elevados valores de humedad relativa y de CO2, pueden inducir el desarrollo de microorganismos fotosintéticos sobre estructuras kársticas, identificables por su color verdoso y que pueden producir meteorización biológica de los materiales naturales presentes en la cueva. En la Cueva de Nerja (Málaga), el nivel de CO2 (variable en función del número de visitantes), humedad relativa y temperatura, condicionan la tasa de actividad fotosintética y por lo tanto, el crecimiento de algas y cianobacterias que junto a otros microorganismos heterotróficos, constituyen los biofilms (mal verde). Los métodos químicos empleados con anterioridad para reducir los biofilms (peróxido de hidrógeno, ozono, hipoclorito sódico, etc.), suelen ser muy agresivos para los materiales endokársticos que componen la cueva produciendo por ende, meteorización físico-química. También, la aplicación de agua a presión como método físico, podría incluso producir un mayor desarrollo de microorganismos al incrementar la humedad de los biofilms potenciando su crecimiento. Por otro lado, la reducción de los periodos de iluminación podría reducir la proliferación de algas pero no impediría su reaparición, ya que no es posible eliminar la iluminación en su totalidad por los fines turísticos que la cueva persigue. Una alternativa, es la utilización de una iluminación que reduzca la actividad fotosintética y que a su vez, produzca un estrés fisiológico en los organismos fotosintéticos aminorando su crecimiento. En este estudio, se presenta un procedimiento basado en el conocimiento fotobiológico de algas y cianobacterias (espectros de acción de la fotosíntesis) para seleccionar diferentes fuentes de luz LED (RGB) y sus diferentes combinaciones que resulten más efectivas en la reducción de la fotosíntesis y por lo tanto, en la reducción de las tasas de crecimiento de microalgas y cianobacterias que conforman los biofilms. Esta primera aproximación teórica, permitiría conocer a priori, las fuentes de iluminación basadas en la tecnología LED para posteriormente, adaptar de un modo sencillo, la calidad y la intensidad de la luz empleando combinaciones programables de fuentes de luminarias LEDs de distinta composición espectral con el fin de reducir al nivel máximo posible, de acuerdo a la irradiancia efectiva, el rendimiento y producción fotosintética. En este trabajo se presentan diferentes combinaciones de LEDs (rojo, verde, azul) que producen una disminución/aumento de la actividad fotosintética en 7 especies de algas y cianobacterias cuyos espectros de acción se encuentran publicados en la literatura científica. La efectividad fotosintética de estos LEDs se expresa a través del rendimiento de asimilación fotónico (APP %) en base a la diferentes calidades espectrales estudiadas. PALABRAS CLAVE: Biofilms, Cianobacteria, Espectros de acción, Fotosíntesis, LEDs, Microalgas Abstract In tourist caves, the presence of natural and/or artificial light in addition to high values of relative humidity and CO2, can induce the development of photosynthetic microorganisms on karstic structures, identifiable by its green color. They can produce biological weathering natural materials in the cave. In the Cueva de Nerja (Malaga), CO2 levels (it is variable depending on the number of visitors), relative humidity and temperature, determine the rate of photosynthetic activity and therefore the growth of algae and cyanobacteria and with other heterotrophic microorganisms, they conform the biofilms (maladie verte). Chemical methods previously used to reduce biofilms (hydrogen peroxide, ozone, sodium hypochlorite, etc.), are usually very aggressive for endokarstic materials in the cave producing thus physicochemical weathering. Also, the application of pressurized water as a physical method could even produce a further development of microorganisms due to the increase the humidity of biofilms favouring its growth. On the other hand, reducing periods of lighting could reduce algal blooms but not prevent their recurrence, since it is not possible to remove lighting entirely due to the touristic use of the cave. An alternative is the use of lighting that reduces photosynthetic activity and which in turn, produces a physiological stress on photosynthetic organisms decreasing its growth. In this study, a procedure based on the photobiological knowledge of algae and cyanobacteria (action spectra of photosynthesis) and the selection of different LED light sources (RGB) is presented. Different LED combinations which are most effective in reducing photosynthesis and therefore, in reducing growth rates of microalgae and cyanobacteria that form biofilms are analyzed. As a first approach, it is evaluated the useful of light sources based on LED technology to then adapt in a simple manner, the quality and intensity of the light sources using programmable combinations of LEDs luminaries of different spectral composition in order to reduce as maximal as possible, according to the effective irradiance, the photosynthetic yield and production. . In this work different combinations of LEDs (red, green, blue) that produce a decrease/increase in photosynthetic activity in 7 species of algae and cyanobacteria whose action spectra are published in the scientific literature are presented. Photosynthetic effectiveness of these LEDs is expressed through photonic absorption performance (APP %) based on the different spectral qualities studied. Key Words: Action spectrum, Biofilms, Cyanobacteria, Microalgae, LEDs, Photosynthesis. Introducción Las algas y cianobacterias son organismos autótrofos que junto con otros organismos heterótrofos (hongos y bacterias) conforman comunidades complejas denominadas biofilms (Stewart and Franklin, 2008). Estos ecosistemas microbianos organizados pueden causar meteorización biológica en materiales naturales o artificiales alterando en este caso, el patrimonio de interés geológico, arqueológico y cultural. Así pues, es de vital importancia conocer las respuestas fisiológicas a las variables ambientales procedentes de la fracción autótrofa del biofilms para poder diseñar estrategias preventivas y correctoras que disminuyan el impacto que estos biofilms generan sobre las geoformas. La luz, entre otros, es la variable más importante relacionada con la producción de organismos fotosintéticos. La irradiancia, calidad espectral, distribución y utilización de la luz en el proceso fotosintético, es un aspecto básico en la producción o disminución del crecimiento a través de la fotosíntesis. El uso de LEDs para el crecimiento de organismos fotosintéticos se ha incrementado en los últimos años ya que esta tecnología de iluminación permite crear composiciones o formas espectrales de banda estrecha, con un menor tamaño y volumen para la fuente emisora de luz y con una mayor vida útil (Bula et al., 1991; Brown et al., 1995) . Por consiguiente, la característica más deseable de la radiación para disminuir la asimilación fotónica es en base a los fundamentos teóricos de los espectros de acción, combinando mediante tecnología LED, bandas de emisión que no se encuentren entre las bandas espectrales más efectivas para la fotosíntesis y además, conocer el efecto interactivo de la intensidad de luz y la forma espectral de las fuentes de iluminación sobre la fotosíntesis de las especies con un impacto potencial sobre bienes de interés cultural. Además, la iluminación LED tiene una serie de ventajas con respecto a la iluminación tradicional: - Eficiencia: alta eficiencia por tener una alta luminosidad por energía consumida (LEDs de hasta 150 lm/W). - Reproducción cromática: poseen una gran disipación térmica, incrementando su durabilidad e Índices de Reproducción Cromática (CRI) por encima del 80%. Un CRI por debajo del 80% perjudica la visión, aspecto importante en Cuevas turísticas con Patrimonio cultural. Por otro lado, las zonas expuestas con un CRI por debajo del 80%, no cumplen las exigencias en prevención de riesgos laborables. - Gama de colores: existen una amplia gama de colores, desde 2700 K hasta más de 6000 K - Alta durabilidad: los LEDs se pueden montar en un encapsulado de alto rendimiento que reduce el calor acumulado pudiendo disipar entre 250-400 mW aunque los más habituales en el mercado solo disipan 150 mW. En cada diodo LED puede haber dos puntos de luz o núcleos que permiten un menor consumo y un bajo esfuerzo térmico con lo que se consigue una mayor durabilidad en el producto final (más de 50.000 horas) con unas pérdidas de luminosidad mínimas (30% de caída en 50.000 horas). - Encendido-Apagado: Se pueden programar de forma sencilla, ciclos de encendido y apagado así como combinaciones espectrales que más interesen dependiendo de la comunidad fotosintética de un momento concreto. Es por esto que, es de gran interés determinar el efecto de la calidad espectral (además de la irradiancia) sobre la fotosíntesis de algas y cianobacterias que conforman los biofilms pues proporcionan una información clave para definir con rigor la estrategia de control del crecimiento de los biofilms, esto es, la de incorporar fuentes de luz que disminuyan las tasas fotosintéticas y por lo tanto el crecimiento y expansión de los biofilms sobre las formaciones geológicas de interés (patrimonio natural y cultural). Además, se debe escoger una fuente de luz que disminuya la actividad fotosintética sin comprometer la calidad visual y la seguridad de los visitantes. Material y métodos Para este estudio, se utilizaron LEDs tipo RGB (por sus siglas en inglés de red, green, blue, en español «rojo, verde y azul»). Estos diodos presentan 3 semiconductores por diodo para cada color (rojo, verde y azul) (Figura 1). Mediante el control de estos colores primarios, es posible obtener diferentes combinaciones mediante la regulación de la corriente eléctrica que atraviesa uno u otro semiconductor. Por ejemplo, si solo circula corriente por los semiconductores rojo y verde (no circulando por el azul) el color resultante será el amarillo. El principio optoelectrónico por el que funciona este tipo de LEDs se conoce como electroluminiscencia y el color de la luz (correspondiente a la energía del fotón) se determina a partir de la banda de energía del semiconductor. Las configuraciones espectrales estudiadas fueron las 3 conformadas por los colores básicos (rojo, verde y azul) y 12 combinaciones de estos. (Figura 2). Figura 1. Fotografías de las fuentes lumínicas para los colores primarios (RGB) y de las combinaciones resultantes entre ellos. Las configuraciones espectrales fueron medidas con un espectrorradiómetro (Sphere Optics, Contoocook, NH, USA). Este instrumento permite cuantificar la energía asociada a cada longitud de onda (nm) en W m-2 posteriormente convertida a unidades fotónicas (µmol fotones m-2 s-1) a partir de la Ley de Planck (De Vos, 2008). La temperatura de color (K) fue calculada a partir de la longitud de onda máxima (λmax) utilizando la Ley de Desplazamiento de Wien (Lang, 2013). La iluminancia expresada como Lux (lumen m-2) fue calculada a partir de la constante fototópica (Stockman and Sharpe, 2008) (Figura 2). Las medidas fueron tomadas a 20 cm de la fuente lumínica. Para este estudio, se utilizaron 7 espectros de acción (Figura 3) obtenidos de la bibliografía para diferentes organismos fotosintéticos (Tabla 1) a fin de cubrir todo el intervalo espectral PAR (radiación fotosintéticamente activa; 400-700 nm). Es importante recalcar que, en función de la división a la que pertenezcan los organismos fotosintéticos, tendrán un patrón pigmentario diferente así como otros compuestos accesorios que ayuden a la producción fotosintética mediante la absorción de otras longitudes de onda diferentes a la clorofila a (Rowan, 1989). El espectro de acción para una especie, guarda una estrecha relación con el espectro de absorción en cuanto a su forma pero es necesario destacar que una mayor absorción por parte del equipo pigmentario a una determinada longitud de onda, no tiene porqué corresponderse con una mayor acción fotosintética en dicha longitud de onda pues no solo influye la cantidad y calidad pigmentaria si no su distribución energética en los dos fotosistemas. Figura 2. Espectro electromagnético (280-730 nm) para los LEDs primarios (RGB) medido para cada uno de los colores básicos de forma independiente y expresado en unidades relativas. Podemos decir que el espectro de acción de la fotosíntesis, es la eficiencia relativa en la generación de una respuesta biológica en función de la longitud de onda incidente como por ejemplo, la liberación de oxígeno o la tasa de transporte electrónico durante el proceso fotosintético. (Haxo and Blinks, 1950; McCree, 1972). Tabla 1. Taxonomía, abreviaturas, y referencias para los espectros de acción empleados División Especie Abreviatura Referencia Heterokontophyta Chaetoceros sp. C Neori et al.,1986 Chlorophyta Ulva taeniata Ut Luning and Dring, 1985 Rhodophyta Porphyra perforata Pp Haxo and Blinks, 1950 Rhodophyta Porphyra perforata* Pp* Haxo and Blinks, 1950 Cyanophyta Microcoleus sp. M Jorgensen, 1987 Cyanophyta Trichodesmium theibautii Tt Subramaniam, 1999 Cyanophyta Thichodesmium erythraeum Te Subramaniam, 1999 * Indica la porción verde del talo (carente en biliproteínas) Así pues, el espectro efectivo de la fotosíntesis (Eef) se obtiene multiplicando, para cada longitud de onda (nm), el espectro absoluto de la fuente LED (ELED) expresado en unidades de energía (W m-2), por el espectro de acción (Eacción) para cada una de las 7 especies. Eef = Σ (ELED x Eacción) (1) El rendimiento de asimilación fotónico expresado en tantos por ciento (APP %) (por sus siglas en inglés de Assimilation Performance Photons), es el cociente entre el espectro efectivo y el espectro de trasmisión absoluto de la fuente LED) multiplicado por 100. APP (%) = (Eef / ELED) * 100 (2) Valores más altos de APP (%), indican un mayor aprovechamiento de los fotones incidentes por parte de una fuente lumínica en el proceso fotosintético. Resultados Para el 71% de las especies estudiadas en base a sus espectros de acción (Figura 3), la luz azul presenta la calidad espectral que menos favorece el rendimiento de asimilación fotónico (APP %). De lo contrario, para el 57% de estas especies, la luz verde es la calidad espectral que más favorece el APP % (Tabla 3).