Εφαρμογές μικροφυκών/κυανοβακτηρίων για την επεξεργασία αποβλήτων και την ανάκτηση προϊόντων
Authors: Πατρινού Βασιλική 
Published: September 2023

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.