Modelling of photosynthesis, respiration and nutrients yield coefficients in Scenedemus almeriensis culture as a function of nitrogen and phosphorus.

Abstract

Se aplicaron técnicas foto-respirométricas para evaluar la actividad fotosintética en organismos fototróficos. Estos métodos permiten analizar la respuesta fotosintética bajo diferentes condiciones. En este trabajo, se estudió la influencia de la disponibilidad de nutrientes (nitrato, amonio y fosfato) en la fotosíntesis y la respiración de Scenedesmus almeriensis mediante mediciones foto-respirométricas cortas. Tanto la fotosíntesis como la respiración aumentaron hasta un valor de saturación y posteriormente disminuyeron, mostrando inhibición a concentraciones altas. En cuanto a la influencia de la concentración de fósforo en las células de microalgas, se observó una tendencia hiperbólica similar, aunque no se detectó inhibición a concentraciones elevadas. A partir de estos datos experimentales, las tasas de respiración y fotosíntesis de S. almeriensis se modelaron utilizando la ecuación de Haldane para los datos de nitrato y amonio, y la ecuación de Monod para los datos de fosfato. Además, se realizaron experimentos para determinar los coeficientes de rendimiento de nitrógeno y fósforo en los cultivos de S. almeriensis. Los resultados mostraron que estos coeficientes no son constantes y se modifican según la concentración de nutrientes, evidenciando el fenómeno de absorción de lujo. Finalmente, los modelos propuestos se incorporaron en una herramienta de simulación para evaluar la actividad fotosintética y los coeficientes de rendimiento de nutrientes de S. almeriensis cuando se utilizan diferentes medios de cultivo y aguas residuales como fuente de nitrógeno y fósforo para su crecimiento.

Photo-respirometric tecniques are applied for evaluating photosynthetic activity in phototrophic organisms. These methods allow to evaluate photosynthetic response under different conditions. In this work, the influence of nutrient availability (nitrate, ammonium, and phosphate) on the photosynthesis and respiration of Scenedesmus almeriensis was studied using short photo-respirometric measurements. Both photosynthesis and respiration increasing until saturation value and consecutively diminishing, presenting inhibition by high concentrations. Regarding the influence of phosphorus concentration in microalgae cells, a similar hyperbolic trend was observed but no inhibition was observed at high concentration. Based on these experimental data, the respiration, and the photosynthesis rate of S. almeriensis were modelled using Haldane equation for nitrate and ammonium data, and Monod equation for phosphate data. In addition, experiments were performed to determine the yield coefficients for both nitrogen and phosphorus in S. almeriensis cultures. The data showed that the nitrogen and phosphorous coefficient yields are not constant, being modified as a function of nutrients concentration, presenting the luxury uptake phenomena. Finally, the proposed models were incorporated into a simulation tool to evaluate the photosynthetic activity and the nutrient yield coefficients of S. almeriensis when different culture media and wastewaters are used as a nitrogen and phosphorous source for its growth.