Αξιολόγηση της ποιότητας του εδάφους μετά από εφαρμογή βιοτεχνολογικά επεξεργασμένων υγρών αποβλήτων ελαιοτριβείου

Abstract

Even though olive oil production is one of the most successful and profitable industries in the Mediterranean, managing olive mill wastewater (OMW), i.e., the liquid effluent generated from the olive oil production process, is a major environmental problem. The uncontrolled discharge of OMW poses significant environmental risks due to its extremely high organic load and the presence of phenolic compounds in high concentrations, which are responsible for antimicrobial and phytotoxic activity. For many years, soil has been the main recipient of OMW, which has gradually led to soil degradation. However, in the context of a sustainable circular bioeconomy, combined with reports underlining the positive effects of OMW on soil after appropriate treatment, there is a focused interest not only in the management of waste but, more importantly, in its reuse. Among the most effective strategies for OMW degradation and detoxification is the biological treatment of OMW with microorganisms, such as fungi. The thesis is divided into three chapters, and their content is briefly presented in the following paragraphs. In the first chapter, the most suitable fungus for the treatment of OMW was selected, and the ability of this fungus per se and in combination with Chlorella vulgaris to detoxify OMW in a bioreactor system was investigated. Both treated and untreated OMW are applied to soil in mesocosms to study their short-term effect on the soil nematodes. According to our results, P. ostreatus AMRL 133 was found to be the most suitable for OMW detoxification, while the exclusive treatment with this fungus reduced the phenolic content of OMW more effectively compared to the combined treatment. The application of untreated OMW reduced all nematode abundances. The combined treatment did not significantly affect free-living nematodes, contrasting with the fungal treatment alone. Plant parasitic nematodes were reduced to the same levels after the application of both treated materials. The most cohesive and robust nematode network was formed in the soil that received the fungal-treated OMW. In the second chapter, the effect of the repeated application of treated OMW on the soil microbial community was examined. Based on our results, while the microbial biomass tended to recover to pre-application levels, the microbial community composition was different from the initial one. At the same time, each additional OMW application resulted in a more homogeneous microbial community. Repeated applications resulted in soil enrichment with available phosphorus, potassium, and organic carbon. NAG showed an increasing trend over time. In the third chapter, untreated and treated OMW, at two concentrations were applied to soil in mesocosms to study their effect on the microbial and nematode community, soil physicochemical characteristics, and plant growth, 10 and 45 days after application. Referring to the effects on soil organisms, the effect of sampling time and the combined effect of time and treatment were limited. On the contrary, the type of treatment was the main variable that led to differences, with the samples where the highest waste dose was applied, most often the treated ones, recording the highest biomass. The highest fungal biomass was recorded after the application of untreated OMW, regardless of concentration. In enzyme activities, the combined effect of time and treatment led to significant differences between samples. The application of treated OMW regardless of concentration resulted in higher plant biomass compared to the untreated OMW, which is probably the reason for the higher number of phytoparasitic nematodes in these samples.

Παρά το γεγονός ότι η παραγωγή ελαιόλαδου αποτελεί μία από τις πιο επιτυχημένες και κερδοφόρες βιομηχανίες, ιδιαίτερα στις χώρες της Μεσογείου, η διαχείριση των υγρών αποβλήτων, που παράγονται κατά τη διαδικασία εξαγωγής του αποτελούν μείζον περιβαλλοντικό πρόβλημα. Η ανεξέλεγκτη απόρριψη των υγρών αποβλήτων ελαιοτριβείου (ΥΑΕ) δημιουργεί σημαντικά περιβαλλοντικά προβλήματα, εξαιτίας κυρίως του εξαιρετικά υψηλού οργανικού τους φορτίου και της παρουσίας φαινολικών ενώσεων σε υψηλές συγκεντρώσεις, που είναι υπεύθυνες για αντιμικροβιακή και φυτοτοξική δράση. Το έδαφος, λόγω της μεγάλης δυνατότητας βιοαποικοδόμησης αποτέλεσε για πολλά χρόνια αποδέκτη των ΥΑΕ, γεγονός που σταδιακά οδήγησε στην υποβάθμιση του. Η ανάγκη όμως για ένα πιο βιώσιμο μοντέλο κυκλικής οικονομίας, σε συνδυασμό με αναφορές για τις θετικές επιδράσεις των ΥΑΕ στο έδαφος μετά από κατάλληλη επεξεργασία, οδήγησαν στην αναζήτηση τρόπων όχι μόνο για την διαχείριση των ΥΑΕ, αλλά και για την παράλληλη αξιοποίηση τους. Ανάμεσα σε αυτούς, η βιολογική επεξεργασία με τη χρήση μικροοργανισμών, όπως οι μύκητες, έχει συγκεντρώσει ιδιαίτερο ενδιαφέρον. Στο πρώτο κεφάλαιο της παρούσας διατριβής, επιλέγεται ο καταλληλότερος μύκητας για την επεξεργασία των ΥΑΕ και διερευνάται η ικανότητα του μεμονωμένα και συνδυαστικά με το μικροφύκος Chlorella vulgaris να αποτοξικοποιεί τα ΥΑΕ σε βιοαντιδραστήρα. Τα επεξεργασμένα ΥΑΕ, αλλά και μη επεξεργασμένα εφαρμόζονται σε μεσόκοσμους με φυτά L. sativa και μελετάται η βραχυπρόθεσμη επίδραση τους στους νηματώδεις του εδάφους. Το στέλεχος P. ostreatus AMRL 133 αποδείχθηκε το καταλληλότερο για την αποτοξικοποίηση των ΥΑΕ, ενώ η αποκλειστική επεξεργασία με τον P. ostreatus AMRL 133 οδηγεί σε αποτελεσματικότερη μείωση του φαινολικού περιεχομένου των ΥΑΕ συγκριτικά με την συνδυαστική επεξεργασία. Η εφαρμογή μη επεξεργασμένων ΥΑΕ στο έδαφος μειώνει όλες τις αφθονίες των νηματωδών. Η συνδυαστική επεξεργασία δεν επηρεάζει τους ελευθέρους νηματώδεις, σε αντίθεση με την αποκλειστική επεξεργασία με το μύκητα. Οι φυτοπαρασιτικοί νηματώδεις μειώνονται στα ίδια επίπεδα μετά την εφαρμογή των δύο επεξεργασμένων υλικών. Το δίκτυο των νηματωδών που διαμορφώνεται μετά την προσθήκη των ΥΑΕ αποκλειστικά επεξεργασμένων με το μύκητα είναι περισσότερο συνεκτικό. Στο δεύτερο κεφάλαιο διερευνάται η επίδραση της επαναλαμβανόμενης προσθήκης επεξεργασμένων ΥΑΕ στη μικροβιακή κοινότητα του εδάφους. Ενώ η μικροβιακή βιομάζα τείνει να ανακάμψει στα επίπεδα πριν τις εφαρμογές, η σύνθεση της μικροβιακής κοινότητας είναι διαφορετική από την αρχική. Παράλληλα, κάθε προθήκη ΥΑΕ οδηγεί σε περισσότερο ομοιογενή μικροβιακή κοινότητα. Η επαναλαμβανόμενη εφαρμογή οδηγεί σε εμπλουτισμό του εδάφους σε διαθέσιμο φώσφορο, κάλιο και οργανικό άνθρακα. Η δραστηριότητα της NAG αυξάνεται στο χρόνο. Στο τρίτο κεφάλαιο, επεξεργασμένα και μη επεξεργασμένα ΥΑΕ, σε δύο συγκεντρώσεις, εφαρμόζονται στο έδαφος, ώστε να μελετηθεί η επίδραση τους στη μικροβιακή κοινότητα, την κοινότητα των νηματωδών, τα φυσικοχημικά χαρακτηριστικά του εδάφους και την ανάπτυξη του φυτού L. sativa. Δειγματοληψίες πραγματοποιούνται 10 και 45 μέρες μετά την εφαρμογή. Αναφορικά με την επίδραση τους στους οργανισμούς, η επίδραση του χρόνου δειγματοληψίας και η συνδυαστική επίδραση χρόνος-χειρισμός είναι περιορισμένες. Αντίθετα, ο χειρισμός είναι η κύρια μεταβλητή που οδηγεί σε διαφοροποιήσεις, με τα δείγματα όπου εφαρμόζεται η υψηλή δόση αποβλήτων, συχνότερα των επεξεργασμένων, να καταγράφουν τις υψηλότερες τιμές βιομάζας. Η μυκητιακή βιομάζα είναι υψηλότερη μετά την εφαρμογή των μη επεξεργασμένων αποβλήτων ανεξαρτήτου συγκέντρωσης. Ο συνδυαστικός παράγοντας ασκεί σημαντική επίδραση στις ενζυμικές δραστηριότητες, χωρίς να διαμορφώνεται κοινό πρότυπο μεταξύ των ενζύμων. Η εφαρμογή των επεξεργασμένων αποβλήτων ανεξάρτητα από τη συγκέντρωση οδηγεί σε υψηλότερες τιμές φυτικής βιομάζας, συγκριτικά με τα μη επεξεργασμένα απόβλητα, δικαιολογώντας τον μεγαλύτερο αριθμό φυτοπαρασιτικών νηματωδών στα δείγματα αυτά.