Εφαρμογές μικροφυκών/κυανοβακτηρίων για την επεξεργασία αποβλήτων και την ανάκτηση προϊόντων

Abstract

Environmental pollution and fresh water crisis are the main causes constituting wastewater treatment necessary. Wastewaters are emerging from various production processes that intend to meet the human needs, such as nutrition, and they contain high concentrations of organic load, nutrients and water. During their treatment physicochemical and/or biological processes with bacteria even though they are considered very effective for the removal of organic matter, they can not achieve the complete removal of nitrogen and phosphorus while energy consumption (aeration) is also required for their treatment, secondarily producing sludge. Microalgae offer an alternative and efficient solution in wastewater treatment, by assimilating simultaneously different organic and inorganic components, including heavy metals, which are utilized for the growth and production of valuable biomass. Therefore biological treatment of wastewaters using microalgae can achieve significant pollutant removal and biomass production, which is suitable feedstock for bioenergy and/or other commercial products production (i.e. fertilizers, animal feed) in an environmentally friendly way. Due to their great phylogenetic diversity, microalgae can intracellularly accumulate a multitude of chemical components and thus being an important source of biomolecules, which are exploited in a range of commercial applications. In particular, microalgal biomass contains high amounts of proteins, lipids, carbohydrates and pigments. Their lipids can be used in the field of biofuels for biodiesel production. Their carbohydrates can be used as a source of carbon (C) for the fermentation industries, by replacing simple sugars and lignocellulosic biomass, while they have also been used for bioethanol production. Moreover, their long-chain polyunsaturated fatty acids play an important role in nutrition, improving the beneficial properties of food supplements intended for humans (i.e. vitamins) or animals (i.e. aquafeeds, animal feeds). Research studies report that proteins and pigments derived from microalgae are desirable for applications in the pharmaceutical and cosmetic industries, as they contribute to the treatment of certain diseases.Considering the above, the present PhD thesis aims to: a) biologically treat highly polluted wastewaters from the agroindustrial sector and the food industry employing mixed cultures of microalgae/cyanobacteria under non aseptic, aerobic conditions, with simultaneous recovery of the microbial biomass’s intracellular components, emphasizing mainly in lipids for bioenergy production, and b) the optimization of growth conditions of the microalgae Tetraselmis striata, a strain that presents high biotechnological interest in the field of aquaculture, as its biomass is a significant source of high added value products, such as lipids (with important profile of polyunsaturated fatty acids), carbohydrates, proteins and pigments, which can improve the health and fish growth. Initially the cyanobacterium Leptolyngbya sp. was used for the biotreatment of poultry, dairy, mixed poultry-dairy wastewaters, and out of date fruit juices. Two different production systems, those of suspended and attached growth mode were studied, taking into advantage the ability of the specific strain to form large aggregates. It should be noted that in a potential full scheme the attached growth system could significantly reduce the biomass harvesting costs by avoiding other expensive methods. At the same time, the ability of the cyanobacterium to accumulate lipids in the suspended or the attached biomass was examined for biodiesel production. Then, aiming to recover high added value products from microalgae, the microalga Tetraselmis striata was cultured in high salinity drilling water. The specific strain is of great interest for the purposes of nutrition, while using drilling seawater as growth substrate could avoid a potential degradation of biomass’s composition in case of cultivation using wastewaters. In all tested operational parameters extensive analyses of Tetraselmis striata’s biomass biochemical composition (lipids, carbohydrates, proteins, pigments) were carried out, aiming to find the optimal conditions for growth and accumulation of intracellular compounds. The experiments conducted with Leptolyngbya sp. and Tetraselmis striata took place not only at laboratory-scale (3.5-4 L) but also at pilot-scale (ranging from 9 to 280 L) bioreactors, aiming to examine the ability of the specific strains to escalate in larger working volumes, highlighting their potential for full-scale cultivation. Finally, the suitability of the recovered metabolic compounds was evaluated, for commercial applications such as biofuel production and incorporation into conventional fish feeds.

Η περιβαλλοντική ρύπανση και η κρίση του γλυκού νερού είναι οι κύριες αιτίες που καθιστούν την επεξεργασία των υγρών αποβλήτων αναγκαία. Υγρά απόβλητα προκύπτουν κυρίως από διάφορες παραγωγικές διαδικασίες που σκοπό έχουν να καλύψουν κύριες ανάγκες του ανθρώπου, όπως τη διατροφή του, και αποτελούνται από υψηλές συγκεντρώσεις οργανικού φορτίου, θρεπτικών συστατικών και νερού. Κατά την επεξεργασία τους οι φυσικοχημικές ή/και βιολογικές διεργασίες με χρήση βακτηρίων αν και θεωρούνται πολύ αποτελεσματικές για την απομάκρυνση του οργανικού φορτίου, δεν οδηγούν σε πλήρη απομάκρυνση αζώτου και φωσφόρου, ενώ απαιτείται κατανάλωση ενέργειας (παροχή αερισμού) για τη διαχείρισή τους, παράγοντας δευτερογενώς λάσπη. Τα μικροφύκη προσφέρουν μια εναλλακτική και αποτελεσματική λύση στην επεξεργασία των αποβλήτων, καθώς μπορούν να αφομοιώσουν ταυτόχρονα διαφορετικά οργανικά και ανόργανα συστατικά, συμπεριλαμβανομένων και ορισμένων βαρέων μετάλλων, αξιοποιώντας τα για την ανάπτυξη και την παραγωγή πολύτιμης βιομάζας. Συνεπώς, η χρήση μικροφυκών στη βιολογική επεξεργασία υγρών αποβλήτων μπορεί να επιτύχει σημαντική αφαίρεση ρύπων σε συνδυασμό με την παραγωγή βιομάζας, η οποία στη συνέχεια μπορεί να αξιοποιηθεί στην παραγωγή βιοενέργειας ή/και την παραγωγή άλλων εμπορικών προϊόντων (π.χ. λιπασμάτων, ζωοτροφών) με τρόπο φιλικό προς το περιβάλλον. Τα μικροφύκη εξαιτίας της μεγάλης εξελικτικής φυλογενετικής ποικιλομορφίας τους, μπορούν να συσσωρεύουν ενδοκυτταρικά πληθώρα χημικών συστατικών αποτελώντας σημαντική πηγή για εκμετάλλευση των παραγόμενων βιομορίων σε εύρος εμπορικών εφαρμογών. Συγκεκριμένα η βιομάζα μικροφυκών περιέχει σε υψηλές ποσότητες πρωτεΐνες, λιπίδια, υδατάνθρακες και χρωστικές ουσίες. Τα λιπίδια μικροφυκών μπορούν να χρησιμοποιηθούν στον τομέα των βιοκαυσίμων και στην παραγωγή βιοντίζελ. Οι υδατάνθρακές τους μπορούν να αποτελέσουν πηγή άνθρακα (C) για τις βιομηχανίες ζύμωσης αντικαθιστώντας τα απλά σάκχαρα και τη λιγνοκυτταρινούχα βιομάζα ενώ, έχουν χρησιμοποιηθεί και στην παραγωγή βιοαιθανόλης. Επίσης, τα πολυακόρεστα μακράς αλυσίδας λιπαρά τους οξέα, παίζουν σημαντικό ρόλο στη διατροφή, προσδίδοντας ευεργετικές ιδιότητες στα συμπληρώματα διατροφής που προορίζονται για τον άνθρωπο (π.χ βιταμίνες) ή τα ζώα (π.χ. ιχθυοτροφές, ζωοτροφές). Επιπλέον, ερευνητικές εργασίες αναφέρουν πως οι πρωτεΐνες και οι χρωστικές ουσίες μικροφυκών παρουσιάζουν ιδιότητες επιθυμητές στη βιομηχανία φαρμάκων και καλλυντικών καθώς, συμβάλλουν στη θεραπεία ορισμένων ασθενειών. Με γνώμονα τα ανωτέρω, η παρούσα διδακτορική διατριβή έχει στόχο: α) τη βιολογική επεξεργασία επιβαρυμένων υγρών αποβλήτων του αγροτοβιομηχανικού τομέα και της βιομηχανίας των τροφίμων χρησιμοποιώντας μεικτές καλλιέργειες μικροφυκών/κυανοβακτηρίων υπό μη ασηπτικές, αερόβιες συνθήκες, με ταυτόχρονη ανάκτηση των ενδοκυτταρικών συστατικών της μικροβιακής βιομάζας, εστιάζοντας κυρίως στα λιπίδια για παραγωγή βιοενέργειας, και β) τη μελέτη βελτιστοποίησης των συνθηκών ανάπτυξης του μικροφύκους Tetraselmis striata το οποίο παρουσιάζει υψηλό βιοτεχνολογικό ενδιαφέρον και ιδιαίτερα στον τομέα των υδατοκαλλιεργειών, καθώς η βιομάζα του αποτελεί πηγή προϊόντων υψηλής προστιθέμενης αξίας, όπως λιπίδια (με σημαντικό προφίλ πολυακόρεστων λιπαρών οξέων), υδατάνθρακες, πρωτεΐνες και χρωστικές, τα οποία βελτιώνουν την υγεία και την ανάπτυξη των ιχθύων. Αρχικά, χρησιμοποιήθηκε το κυανοβακτήριο Leptolyngbya sp. για την επεξεργασία αποβλήτων ορνιθοτροφείου, τυροκομείου, μεικτών αποβλήτων τυροκομείου-ορνιθοτροφείου και ληγμένων εμπορικών χυμών. Εξετάστηκαν δυο διαφορετικά συστήματα παραγωγής, εκείνα της αιωρούμενης και προσκολλημένης ανάπτυξης, αξιοποιώντας με αυτό τον τρόπο την ικανότητα του εν λόγω είδους να σχηματίζει επιμήκη συσσωμάτια. Να επισημανθεί ότι σε μεγάλης κλίμακας παραγωγή, το σύστημα προσκολλημένης ανάπτυξης θα μπορούσε να μειώσει σημαντικά το κόστος συγκομιδής της βιομάζας, αποφεύγοντας άλλες κοστοβόρες μεθόδους. Παράλληλα, εξετάστηκε η ικανότητα του κυανοβακτηρίου να συσσωρεύει στην αιωρούμενη ή προσκολλημένη βιομάζα λιπίδια με στόχο την παραγωγή βιοντίζελ. Στη συνέχεια, με σκοπό την ανάκτηση προϊόντων υψηλής προστιθέμενης αξίας από τη βιομάζα μικροφυκών καλλιεργήθηκε το μικροφύκος Tetraselmis striata σε νερό γεώτρησης υψηλής αλατότητας. Το συγκεκριμένο είδος παρουσιάζει ιδιαίτερο ενδιαφέρον για τους σκοπούς της διατροφής, ενώ με τη χρήση αλμυρού νερού γεώτρησης ως μέσω ανάπτυξης αποφεύγεται η υποβάθμιση της σύστασης της βιομάζας σε περίπτωση που αυτό αναπτύσσονταν σε υγρά απόβλητα. Σε όλες τις λειτουργικές παραμέτρους που εξετάσθηκαν πραγματοποιήθηκε εκτενής ανάλυση της βιοχημικής σύστασης της βιομάζας του Tetraselmis striata (λιπίδια, υδατάνθρακες, πρωτεΐνες, χρωστικές ουσίες) με σκοπό να βρεθούν οι βέλτιστες συνθήκες για την ανάπτυξη αλλά και τη συσσώρευση των ενδοκυτταρικών συστατικών. Τα πειράματα που πραγματοποιήθηκαν τόσο με το Leptolyngbya sp. όσο και με το Tetraselmis striata έλαβαν χώρα όχι μόνο σε αντιδραστήρες εργαστηριακής κλίμακας (3.5 - 4 L) αλλά και σε αντιδραστήρες πιλοτικής κλίμακας (από 9 έως και 280 L), με στόχο να εξεταστεί η ικανότητα των εν λόγω ειδών να εγκλιματίζονται σε μεγαλύτερους λειτουργικούς όγκους, αναδεικνύοντας τη δυνατότητα εφαρμογής τους και σε μεγάλης κλίμακας παραγωγή. Τέλος, αξιολογήθηκε η καταλληλότητα των ανακτηθέντων μεταβολικών προϊόντων για την αξιοποίησή τους σε εμπορικές εφαρμογές, όπως αυτές της παραγωγής βιοκαυσίμων ή της ενσωμάτωσης σε συμβατικές ιχθυοτροφές.