Βιοαποκατάσταση γαλακτοκομικών αποβλήτων με τη χρήση φωτοσυνθετικών μικροοργανισμών και παραγωγή βιομάζας υψηλής διατροφικής αξίας
Authors: Στρατηγάκης Ναπολέων-Χριστόφορος 
Published: November 2024

Στην παρούσα διατριβή μελετήθηκε η μικροβιακή κατεργασία και αξιοποίηση αποβλήτων τυροκομείου με υψηλό ρυπαντικό φορτίο. Στόχος ήταν ο συνδυασμός της αποκατάστασης των αποβλήτων με την παραγωγή πολύτιμων μεταβολιτών. Στα πλαίσια αυτά χρησιμοποιήθηκε ένα πράσινο μικροφύκος Chlorella sp. που απομονώθηκε από ευτροφικό ποτάμι στην Κρήτη και ένα αζωτοδεσμευτικό βακτήριο Clostridium pasteurianum που απομονώθηκε από δείγμα χώματος.Τα απόβλητα φέρουν εξαιρετικά υψηλό ρυπαντικό φορτίο άνθρακα, αζώτου και φωσφόρου, καθώς και υψηλή θολερότητα και κυμαινόμενα επίπεδα NaCl. Γι' αυτούς τους λόγους επιλέχθηκε η Chlorella sp. για την κατεργασία των αποβλήτων, καθώς εμφανίζει εξαιρετική φωτοσυνθετική ικανότητα σε χαμηλό φωτισμό, και ανθεκτικότητα σε δυσμενή περιβάλλοντα. Τα απόβλητα τυροκομείου παρουσίασαν έλλειψη σε ιχνοστοιχεία, καθιστώντας απαραίτητη την προσθήκη τους. Το μικροφύκος προσαρμόστηκε αποτελεσματικά στο περιβάλλον του τυρογάλακτος και του διηθήματος ορού, με την παραγωγή βιομάζας να είναι ανάλογη με εκείνη των συνθετικών μέσων. H Chlorella εμφάνισε ικανοποιητική προσαρμογή κατά την αύξηση του όγκου καλλιέργειας στα απόβλητα, λόγω περιεκτικότητας των αποβλήτων σε θρεπτικά συστατικά, και λόγω της μεταβολικής ευελιξίας του μικροφύκους. Έπειτα, η καλλιέργεια του μικροφύκους στο τυρόγαλα οδήγησε σε σημαντική μείωση του ρυπαντικού φορτίου άνθρακα, αζώτου και φωσφόρου, καθώς και σε αξιοσημείωτη απομάκρυνση νατρίου. Η βιομάζα Chlorella που παράχθηκε από τα απόβλητα ήταν πλούσια σε πολύτιμους μεταβολίτες, όπως πρωτεΐνες, χρωστικές και πολυακόρεστα λιπαρά οξέα. Το βιοχημικό προφίλ της βιομάζας του μικροφύκους το καθιστά κατάλληλο για εφαρμογές ως βιοδραστικό συστατικό τροφίμων και ζωοτροφών.Τα πειράματα έδειξαν ότι η αλατότητα είναι μια καθοριστική αβιοτική παράμετρος καταπόνησης για τα χλωροφύκη. Η Chlorella παρουσίασε εντυπωσιακή ανάπτυξη και φωτοσυνθετική ικανότητα στο πρωτογενές κλάσμα αποβλήτων, το οποίο αποδόθηκε στην περίσσεια θρεπτικών συστατικών που περιέχει, καθώς και στη χαμηλή αλατότητα. Αντίθετα, η ακραία αλατότητα στο δευτερογενές κλάσμα αποβλήτων οδήγησε σε αναστολή της ανάπτυξης του μικροφύκους. Για την αντιμετώπιση της αλατότητας, πραγματοποιήθηκε 1:1 ανάμειξη του πρωτογενούς με το δευτερογενές, για την παρασκευή ενός κλάσματος με ανεκτά όρια αλατότητας για το μικροφύκος. Τα κύτταρα του μικροφύκους που εκτέθηκαν στην υψηλή αλατότητα των αποβλήτων είχαν μικρότερο μέγεθος λόγω ωσμωτικής καταπόνησης. Στα δείγματα τυρογάλακτος η Chlorella σχημάτισε μικροαποικίες στην επιφάνεια των στερεών τυρογάλακτος, επιτρέποντας την προστασία από την αλατότητα. Η προσκόλληση αυτή αποδόθηκε σε ηλεκτροστατικές αλληλεπιδράσεις του πολυσακχαρίτη του μικροφύκους με τις καζεΐνες. Τα υψηλά επίπεδα αλατότητας προκαλούν παρεμπόδιση στη φωτοσυνθετική ικανότητα του μικροφύκους, οδηγώντας σε μεγαλύτερη απομάκρυνση σακχάρων από τα απόβλητα. Παράλληλα, το μικροφύκος απομάκρυνε αποδοτικά νάτριο από το τυρόγαλα, μέσω μηχανισμού βιοπροσρόφησης. Η επίδραση αλατότητας στα κύτταρα οδήγησε σε συσσώρευση βιοδραστικών λιπαρών οξέων στη βιομάζα. Η αύξηση της αρχικής κυτταρικής συγκέντρωσης στα απόβλητα δεν οδήγησε σε βελτιωμένη παραγωγή βιομάζας, αλλά είχε θετική επίδραση στην απομάκρυνση σακχάρων και φωσφόρου. Επόμενα πειράματα έδειξαν ότι το τυρόγαλα έχει ανεπάρκεια στα στοιχεία του μαγγανίου και του σιδήρου. Η στοχευμένη προσθήκη αυτών των δυο μπορεί να αντικαταστήσει την προσθήκη του διαλύματος ιχνοστοιχείων στα απόβλητα, οδηγώντας στην ίδια παραγωγή βιομάζας Chlorella. Το σύστημα συνεχούς καλλιέργειας του μικροφύκους στα απόβλητα επέτρεψε την παραγωγή βιομάζας σε δυο κύκλους καλλιέργειας, επιτρέποντας ταυτόχρονα την περαιτέρω απομάκρυνση ρυπαντών.Στο τελευταίο κεφάλαιο μελετήθηκε η χρήση των αποβλήτων ως υπόστρωμα για την παραγωγή H2 μέσω σκοτεινής ζύμωσης από το C. pasteurianum. Τα αποτελέσματα έδειξαν ότι η υδρόλυση της λακτόζης είναι απαραίτητη, λόγω αδυναμίας αφομοίωσης του δισακχαρίτη. Τα απόβλητα τυροκομείου είναι κατάλληλα υποστρώματα για την παραγωγή βιο-H2, με την παραγωγικότητα να είναι μεγαλύτερη ή σε συγκρίσιμα επίπεδα με τα συνθετικά μέσα. Το βακτήριο παρουσίασε αξιοσημείωτη ικανότητα απομάκρυνσης σακχάρων και οργανικού φορτίου από τα απόβλητα, αλλά σημαντικά χαμηλότερη απομάκρυνση φωσφόρου σε σύγκριση με τη Chlorella.Τα αποτελέσματα της διατριβής υπογραμμίζουν τη δυνατότητα αξιοποίησης των αποβλήτων τυροκομείου για την παραγωγή βιομάζας μικροφύκους και βιοϋδρογόνου. Η μικροβιακή κατεργασία αποβλήτων αποτελεί μια βιώσιμη λύση για τη διαχείριση αποβλήτων και την παραγωγή εμπορικά αξιοποιήσιμων προϊόντων. Συνεπώς, η κατεργασία αποβλήτων τυροκομείου με μικροοργανισμούς αποτελεί μια περιβαλλοντικά φιλική και οικονομικά προσιτή προσέγγιση, υποστηρίζοντας τη βιώσιμη ανάπτυξη και την κυκλική οικονομία.