Η καλλιέργεια Μικροφυκών στην επεξεργασία λυμάτων για παραγωγή βιομάζας και λιπιδίων και η επίδραση των νανοσωματιδίων ZnO στην ανάπτυξη των μικροφυκών
Authors: Αραβαντινού Ανδριάννα 
Published: September 2021

Το αντικείμενο της παρούσας διδακτορικής διατριβής ήταν η μελέτη ανάπτυξης καλλιεργειών καταλλήλων μικροφυκών για την ταυτόχρονη επεξεργασία λυμάτων και παραγωγή λιπιδίων με απώτερο σκοπό την μείωση του κόστους της παραγωγής βιομάζας από μικροφύκη και τη χρησιμοποίησή της για παραγωγή βιοντίζελ. Εξαιτίας της αυξανόμενης χρήσης των νανοσωματιδίων (ΝΣ) σε βιομηχανικές και οικιακές εφαρμογές και τη διάθεση όλο και περισσοτέρων νανοσωματιδίων σε εγκαταστάσεις επεξεργασίας λυμάτων (ΕΕΛ) και στη συνέχεια στο περιβάλλον, θεωρήθηκε επιτακτική η ανάγκη της διερεύνησης των επιπτώσεων των νανοσωματιδίων στη βάση της τροφικής αλυσίδας των υδάτινων οικοσυστημάτων που είναι τα μικροφύκη. Παρά τη ραγδαία όμως αύξηση της χρήσης των νανοσωματιδίων η παρακολούθηση και ο έλεγχός τους εξακολουθεί να είναι ελλιπής, ενώ παράλληλα ελάχιστες είναι οι διαθέσιμες πληροφορίες για τις πιθανές επιδράσεις τους. Στην παρούσα διατριβή επιλέχθηκε να διερευνηθεί η επίδραση των νανοσωματιδίων ZnO, τα οποία είναι και ένα από τα πιο ευρέως χρησιμοποιούμενα νανοσωματίδια.Τα περιορισμένα αποθέματα των συμβατικών πηγών ενέργειας είναι ο βασικός λόγος που καθιστά αναγκαία τη στροφή του ανθρώπου σε εναλλακτικές πηγές ενέργειας. Τα μικροφύκη αποτελούν μία από τις πλέον υποσχόμενες εναλλακτικές πηγές για την παραγωγή βιοκαυσίμων. Σε αντίθεση με άλλες καλλιέργειες που χρησιμοποιούνται σήμερα για την παραγωγή βιοκαυσίμου, όπως σογιέλαιο, φοινικέλαιο και αραβοσιτέλαιο ορισμένα στελέχη φυκών περιέχουν έως και 70% λιπίδια. Επιπλέον, τα μικροφύκη χρησιμοποιούν CO2 ως πηγή άνθρακα για να αναπτυχθούν και αυτό έχει ως αποτέλεσμα τη μείωση των εκπομπών CO2 που συμβάλουν στο φαινόμενο του θερμοκηπίου. Η καλλιέργεια μικροφυκών για την επεξεργασία λυμάτων και την παραγωγή βιοκαυσίμου αποτελεί μια μέθοδο που χρήζει περαιτέρω διερεύνηση σε ότι αφορά την αποτελεσματικότητά τους.Για αυτό το σκοπό στην παρούσα διατριβή αρχικά έγινε η αναγνώριση των ειδών των μικροφυκών που διαβιούν στο περιβάλλον των λυμάτων από δύο ΕΕΛ. Τα αποτελέσματα έδειξαν ότι η χλωρίδα και η πανίδα διαφέρει στις δύο ΕΕΛ παρόλο που βρίσκονται γεωγραφικά κοντά και επικρατούν παρόμοιες κλιματολογικές συνθήκες. Στη συνέχεια επιλέχθηκαν 10 είδη μικροφυκών με υψηλή περιεκτικότητα λιπιδίων βάσει της υπάρχουσας βιβλιογραφίας. Στα είδη που επιλέχθηκαν πραγματοποιήθηκαν καλλιέργειες σε βιοαντιδραστήρες για 30 ημέρες και πραγματοποιήθηκε η παρακολούθηση της αύξησης της βιομάζας και η ικανότητα αφαίρεσης θρεπτικών του κάθε μικροφύκους. Από τις καλλιέργειες αυτές, προέκυψε ότι η αφαίρεση των θρεπτικών εξαρτάται από τις απαιτήσεις του κάθε μικροφύκους και διαφέρει από είδος σε είδος. Τη μεγαλύτερη αύξηση βιομάζας παρουσίασαν τα είδη των αλμυρών υδάτων αλλά για περαιτέρω μελέτη επιλέχθηκαν τρία είδη γλυκού νερού που συναντώνται και στο περιβάλλον των λυμάτων. Τα τρία είδη που επιλέχθηκαν χρησιμοποιήθηκαν σε μεγαλύτερου όγκου καλλιέργειες και μελετήθηκαν για την ικανότητα αφαίρεσης θρεπτικών, την αύξηση της βιομάζας τους και την περιεκτικότητα λιπιδίων με συνθετικό υπόστρωμα. Τα αποτελέσματα από τη μελέτη αυτών των τριών ειδών έδειξαν ότι η ανάπτυξη βιομάζας δεν είναι πάντα άμεσα συνδεδεμένη με την αφαίρεση θρεπτικών, αλλά ούτε και με την περιεκτικότητα των φυκών σε λιπίδια. Από τα δεδομένα συμπεραίνεται ότι η επιλογή του φύκους που θα χρησιμοποιηθεί για κάποια καλλιέργειας καθορίζεται και από τον τρόπο χρησιμοποίησης και αξιοποίησης της καλλιέργεια και της παραγόμενης βιομάζας.Στη συνέχεια επιλέχθηκε το μικροφύκος Chlorococcum sp. προκειμένου να γίνει η περαιτέρω μελέτη της επίδρασης των παραγόντων που επηρεάζουν την αύξησή του. Οι παράγοντες που μελετήθηκαν ήταν: i) η αρχική συγκέντρωση της βιομάζας, ii) η παροχή CO2, iii) η πηγή και η διάρκεια φωτισμού, iv) η αρχική συγκέντρωση νιτρικών και φωσφορικών στο υπόστρωμα και v) ο όγκος της καλλιέργειας. Τα αποτελέσματα αυτού του σταδίου μελέτης έδειξαν ότι η περιεκτικότητα των λιπιδίων των μικροφυκών εξαρτάται από την συγκέντρωση θρεπτικών στο υπόστρωμα και συγκεκριμένα αυξάνεται όταν υπάρχει έλλειψη νιτρικών. Η μικρή παροχή CO2 σε μια καλλιέργεια μπορεί να είναι και περιοριστικός παράγοντας στην ανάπτυξη των μικροφυκών με υψηλή συγκέντρωση βιομάζας. Η συνεχής παροχή φωτός καθ’ όλη τη διάρκεια της ημέρας οδήγησε σε καλύτερη απόδοση στην ανάπτυξη των μικροφυκών, ενώ η σταθερότητα της ακτινοβολίας που παρείχε το τεχνητό φως είχε σαν αποτέλεσμα την καλύτερη ανάπτυξη των μικροφυκών απ’ ότι η ηλιακή ακτινοβολία. Η υψηλή αρχική συγκέντρωση βιομάζας μικροφυκών οδήγησε σε μικρότερο ρυθμό ανάπτυξης, αλλά σε αρκετά μεγαλύτερη τελική συγκέντρωση βιομάζας, συγκρινόμενη με καλλιέργειες που είχαν χαμηλή αρχική συγκέντρωση μικροφυκών.Έπειτα, έγινε ο έλεγχος της προσαρμογής και της απόδοσης των Chlorococcum sp. σε καλλιέργειες με πρωτοβάθμια και δευτεροβάθμια επεξεργασμένα λύματα. Οι καλλιέργειες πραγματοποιήθηκαν σε εργαστηριακής κλίμακας λίμνες και μελετήθηκε η επίδραση των συνθηκών τροφοδότησης (διαλείποντος έργου, ημι-συνεχής, συνεχής), ο υδραυλικός χρόνος παραμονής (ΥΧΠ) και η ένταση ακτινοβολίας του φωτός. Τα αποτελέσματα έδειξαν ότι η αφαίρεση των φωσφορικών στις καλλιέργειες έφτασε έως και 100%, ενώ η έλλειψη φωσφόρου παρεμπόδιζε την αφαίρεση των νιτρικών από τα λύματα. Ο χαμηλός ΥΧΠ είχε σαν αποτέλεσμα την αύξηση της βιομάζας, ενώ με την αύξηση της έντασης ακτινοβολίας αυξήθηκε και η συγκέντρωση της χλωροφυλλης α (chl-a) στην καλλιέργεια. Τα αποτελέσματα των FAMEs και του παραγόμενου βιοντίζελ από την καλλιέργεια σε λύματα έδειξαν ότι τα μικροφύκη είχαν υψηλή περιεκτικότητα σε κορεσμένα λιπαρά οξέα των οποίων οι μεθυλεστέρες τους αυξάνουν τον αριθμό κετανίων, μειώνουν τα οξείδια αζώτου (ΝΟx) και βελτιώνουν την σταθερότητα του βιοντίζελ.Επίσης, πραγματοποιήθηκε η μελέτη μικτής καλλιέργειας αυτοχθόνων μικροφυκών από την εγκατάσταση επεξεργασίας λυμάτων του Πανεπιστημίου Πατρών για την επεξεργασία πρωτοβάθμια επεξεργασμένων λυμάτων και την παραγωγή λιπιδίων. Η καλλιέργεια πραγματοποιήθηκε σε τεχνητή λίμνη των 30 L και μελετήθηκε η επίδραση των συνθηκών τροφοδότησης (διαλείποντος έργου, ημι-συνεχής, συνεχής) και της έντασης ακτινοβολίας του φωτός. Η απομάκρυνση θρεπτικών από το σύστημα έφθασε σε επίπεδα έως και 52 και 100%, για τα νιτρικά και τα φωσφορικά, αντίστοιχα. Η έλλειψη φωσφορικών στα λύματα είχε σαν αποτέλεσμα και το μικρό ποσοστό αφαίρεσης των νιτρικών. Η περιεκτικότητα λιπιδίων της βιομάζας των μικροφυκών ήταν 15%, αντίστοιχη με την περιεκτικότητα λιπιδίων της μονοκαλλιέργειας των Chlorococcum sp. Τέλος, στην παρούσα διατριβή διερευνήθηκε η βραχεία και μακροχρόνια έκθεση των μικροφυκών γλυκού νερού (Chlorococcum sp. και Scenedesmus rubescens) σε ΝΣ ZnO. Συμπερασματικά, η επίδραση των NΣ ZnO στα φύκη εξαρτάται σε μεγάλο βαθμό από το είδος του φύκους, τη συγκέντρωση των NΣ, τη σύνθεση του θρεπτικού μέσου και το χρόνο έκθεσης. Η συμπεριφορά των μικροφυκών υπό βραχεία και μακροχρόνια έκθεση σε ΝΣ διέφερε σημαντικά και ενώ αρχικά για συγκεκριμένες συγκεντρώσεις ΝΣ η τοξική επίδραση ήταν υψηλή (πλήρης παρεμπόδιση ανάπτυξης) με την πάροδο του χρόνου παρατηρήθηκε ότι τα μικροφύκη παρουσίασαν την ικανότητα να επανέλθουν. Αυτό δείχνει την ανάγκη για περαιτέρω μελέτη της τοξικότητας ΝΣ σε συστήματα επεξεργασίας λυμάτων με μικροφύκη για μεγαλύτερο χρονικό διάστημα και συγκεντρώσεις ΝΣ που παρατηρούνται στο υδάτινο περιβάλλον.