Βιοεξυγίανση και αξιοποίηση αναερόβια επεξεργασμένων αγροτο-κτηνοτροφικών και αστικών οργανικών αποβλήτων για την παραγωγή βιοτεχνολογικών προϊόντων υψηλής προστιθέμενης αξίας με τη χρήση μικροφυκών
Authors: Κούτρα Ελένη 
Published: September 2021

Η καλλιέργεια μικροφυκών στις απορροές των μονάδων παραγωγής βιοαερίου αποτελεί μία καινοτόμο και υποσχόμενη εναλλακτική διαχείρισης του υγρού κλάσματος των χωνευμένων υπολειμμάτων, επιτυγχάνοντας αποτελεσματική απομάκρυνση οργανικών και ανόργανων συστατικών, παράγοντας πολύτιμη βιομάζα για την παραγωγή βιοτεχνολογικών προϊόντων και μειώνοντας σημαντικά το κόστος της καλλιέργειας. Ωστόσο, το σκούρο χρώμα και η θολερότητα των απορροών, η τοξική συγκέντρωση αμμωνίας, η έλλειψη απαραίτητων θρεπτικών συστατικών και η παρουσία παρεμποδιστών, αποτελούν προκλήσεις για την εφαρμογή της τεχνολογίας, καθιστώντας απαραίτητη την ανάπτυξη στρατηγικών βελτιστοποίησης της διεργασίας. Στο πλαίσιο αυτό, στόχος της παρούσας Διατριβής ήταν η επεξεργασία χωνευμένων αγροτο-κτηνοτροφικών και αστικών οργανικών αποβλήτων μέσω της χρήσης μικροφυκών και η αξιοποίησή τους για την παραγωγή πολύτιμων βιο-προϊόντων. Για το σκοπό αυτό, χρησιμοποιήθηκαν δύο τύποι αναερόβιων απορροών, εννέα είδη μικροφυκών και αξιολογήθηκαν διαφορετικοί παράγοντες και συνθήκες καλλιέργειας, καθώς και δυνατότητες αξιοποίησης της παραγόμενης βιομάζας. Αρχικά, διερευνήθηκε η εφαρμογή διαφορετικών συγκεντρώσεων, 0.5-50% (v/v) αναερόβια χωνευμένων αγροτο-κτηνοτροφικών αποβλήτων και αξιολογήθηκε η απόδοση των μικροφυκών ως προς την παραγωγή βιομάζας και τη μέγιστη φωτοχημική απόδοση του φωτοσυστήματος (PSII). Ακολούθως, τα είδη Parachlorella kessleri και Acutodesmus obliquus καλλιεργήθηκαν σε 2% και 10% (v/v) φόρτιση σε αποστειρωμένες και μη- συνθήκες. Η συγκέντρωση 10% (v/v) αναερόβιας απορροής παρεμπόδισε την ανάπτυξη των ειδών P. kessleri και A. obliquus για 9-12 ημέρες, πέραν των οποίων παρατηρήθηκε συγκέντρωση βιομάζας 1.1 και 1 g L-1, συσσώρευση λιπαρών οξέων (FAs) 22.7 και 19.5% (w/w), κατανάλωση 49.7 και 32.3 mg L-1 αμμωνιακού αζώτου (ΝΗ3-Ν) και απομάκρυνση 84.2 και 84% ολικού φωσφόρου (ΤΡ), αντίστοιχα. Μεταξύ των δύο μικροφυκών, η απόδοση του είδους P. kessleri ήταν μεγαλύτερη ενώ δεν παρατηρήθηκαν στατιστικά σημαντικές διαφορές μεταξύ αποστειρωμένης και μη-αποστειρωμένης απορροής. Στη συνέχεια, πραγματοποιήθηκε έλεγχος της απόδοσης επτά επιπλέον ειδών μικροφυκών, με στόχο την επιλογή των καταλληλότερων για την βιοτεχνολογική αξιοποίηση των απορροών. Ταυτόχρονα, η ανάλυση της ταχείας επαγωγής του φθορισμού της χλωροφύλλης αξιοποιήθηκε για πρώτη φορά ως εργαλείο επιλογής ειδών που αναπτύσσονται σε χωνευμένα απόβλητα. Πέραν των ειδών P. kessleri και A. obliquus, τα μικροφύκη Chlorella vulgaris και Tetraselmis tetrathele προσαρμόστηκαν επιτυχώς στις επικρατούσες συνθήκες, με την παραγωγή βιομάζας και τον μέγιστο ειδικό ρυθμό ανάπτυξης (μmax) να κυμαίνονται μεταξύ 570-1117 mg L-1 και 0.161-0.181 d-1, αντίστοιχα. Στην περίπτωση του είδους P. kessleri παρατηρήθηκε μικρή μόνο μεταβολή στην κατάσταση της φωτοσυνθετικής συσκευής, ενώ οι φωτοσυνθετικές παράμετροι φRo και PIABS επηρεάστηκαν σημαντικά στα είδη που δεν αναπτύχθηκαν στα χωνευμένα υπολείμματα. Η σύσταση της παραγόμενης βιομάζας των ειδών P. kessleri, A. obliquus, C. vulgaris και T. tetrathele σε λιπίδια ήταν 23.8%, 12.1%, 24.5% και 3.9%, αντίστοιχα, με κυριότερα FAs τα ελαϊκό (C18:1), παλμιτικό (C16:0) και λινολενικό (C18:3n3 ή ω-3) οξύ. Επιπλέον, και στις τέσσερις περιπτώσεις παρατηρήθηκε σχεδόν πλήρης απομάκρυνση NH3-N, ωστόσο η αφομοίωση του αζώτου ήταν σημαντικά χαμηλότερη, με τιμές μεταξύ 4.89-15.03%. Στη συνέχεια, τα αποδοτικότερα είδη αναπτύχθηκαν σε φωτο-βιοαντιδραστήρες διαλείποντος έργου, ενώ ταυτόχρονα έγινε προσπάθεια αύξησης της απόδοσης των καλλιεργειών και μείωσης των απαιτήσεων νερού, μέσω της προσθήκης οργανικού άνθρακα, απαραίτητων μακρο- και μικρο- συστατικών ή υγρών αποβλήτων. Η προσθήκη τυρογάλακτος (CW) στην καλλιέργεια του είδους P. kessleri είχε ως αποτέλεσμα την υψηλότερη συγκέντρωση βιομάζας, 2.68 g L-1 εντός 18 ημερών. Η συγκέντρωση χλωροφύλλης μειώθηκε σημαντικά παρουσία 5 g L-1 γλυκόζης, ενώ η προσθήκη MgSO4 διατήρησε τα επίπεδα χρωστικών της καλλιέργειας. Όσον αφορά στη συσσώρευση λιπιδίων, παρουσία υψηλής συγκέντρωσης οργανικού άνθρακα, το ποσοστό των FAs μειώθηκε σημαντικά και το κλάσμα των κορεσμένων FAs αυξήθηκε έναντι των πολυακόρεστων λιπαρών οξέων (PUFAs). Παράλληλα, αναπτύχθηκε ένα μαθηματικό μοντέλο για την περιγραφή της συμπεριφοράς του είδους P. kessleri σε αναερόβια χωνευμένα αγροτο-κτηνοτροφικά απόβλητα, όπου περιοριστικός παράγοντας για την ανάπτυξη θεωρήθηκε το φως, βρίσκοντας εφαρμογή σε διαφορετικές διατάξεις αλλά και αποστειρωμένες και μη- συνθήκες, με μεγάλη ικανότητα πρόβλεψης της παραγωγής βιομάζας και της απομάκρυνσης των θρεπτικών συστατικών Ν και P. Επιπλέον, κατά την καλλιέργεια του βιομηχανικού είδους C. vulgaris, η προσθήκη 15% (v/v) CW σε 10% χωνευμένα αγροτο-κτηνοτροφικά απόβλητα αύξησε τόσο τον μέγιστο ειδικό ρυθμό ανάπτυξης (μmax) όσο και την παραγωγή βιομάζας σε 0.84 d-1 και 1.63 g L-1, αντίστοιχα. Παρόλα αυτά, δεν κατέστη εφικτή η περαιτέρω αύξηση της συγκέντρωσης της αναερόβιας απορροής, καθώς αυξανομένης της συγκέντρωσης του χωνευμένου υπολείμματος παρατηρήθηκε μείωση του μmax, αύξηση της συγκέντρωσης των ετερότροφων μικροοργανισμών και πλήρης παρεμπόδιση της ανάπτυξης σε συγκέντρωση απορροής 80% (v/v). Αντίθετα, η αναερόβια απορροή αστικών οργανικών αποβλήτων αξιοποιήθηκε σε ποσοστό 100%, οδηγώντας σε συγκέντρωση μικροφυκών 1.24 g L-1. Ταυτόχρονα, διερευνήθηκαν οι πιθανές χρήσεις και εφαρμογές της παραγόμενης βιομάζας, συμπεριλαμβανομένων της παραγωγής βιοκαυσίμων, κυρίως βιοντίζελ και βιοαιθανόλης, συμπληρωμάτων ζωοτροφών, αντιοξειδωτικών και αντιμικροβιακών παραγόντων, οι οποίοι ελέγχθηκαν ως προς την πιθανή αναστολή της ανάπτυξης των παθογόνων βακτηρίων, Escherichia coli και Bacillus subtilis. Η σύσταση της παραγόμενης βιομάζας καθορίστηκε τόσο από τις συνθήκες καλλιέργειας όσο και τον τύπο της απορροής, με υψηλότερα ποσοστά τις πρωτεΐνες και τους υδατάνθρακες. Αντίθετα, η ανεπαρκής κατανάλωση των θρεπτικών συστατικών δεν ευνόησε τη συσσώρευση λιπιδίων, εντούτοις η υψηλή περιεκτικότητά τους σε PUFAs καθιστά το εν λόγω κλάσμα πολύτιμο. Τέλος, εκχυλίσματα του είδους C. vulgaris ανέστειλαν την ανάπτυξη του παθογόνου βακτηρίου B. subtilis, με τιμές ελάχιστης ανασταλτικής συγκέντρωσης (MIC) μεταξύ 0.3-2.85 mg mL-1.