title: Παραγωγή βιοτασιενεργών ουσιών με χρήση βαρέων κλασμάτων αργού πετρελαίου ως πηγή άνθρακα
Creators: name: Μανδαλενακη Αθηνα
Publisher: name: Technical University of Crete
Year: 2016

description: Κάθε χρόνο, οι ποσότητες πετρελαίου ή διυλισμένων κλασμάτων αυτού που ρυπαίνουν τις θάλασσες από ανθρώπινες δραστηριότητες ανέρχονται μεταξύ των 190 και των 706 εκατομμυρίων γαλονιών. Τα υδατοδιαλυτά συστατικά του αργού πετρελαίου και των διυλισµένων προϊόντων του, περιέχουν µια ποικιλία ενώσεων που είναι τοξικές για ένα ευρύ φάσµα θαλασσίων οργανισµών. Υπάρχουν διάφορες μέθοδοι καθαρισμού πετρελαιοκηλίδων. Τα booms and skimmers αποτελούν συνήθως την πρώτη επιλογή. Παρόλα αυτά, δεν απομακρύνουν παρά μόνο ένα μέρος του πετρελαίου από την θάλασσα (περίπου 10-15%) όταν εφαρμόζονται σύντομα μετά την διαρροή. Έτσι, δημιουργείται η ανάγκη εφαρμογής και δευτερευόντων μηχανισμών απορρύπανσης. Η πιο φιλική μέθοδος προς το περιβάλλον για τον σκοπό αυτό είναι η βιοεξυγίανση (χρησιμοποιείται και ως πρωτεύουσα μέθοδος όταν είναι αδύνατη η εφαρμογή μηχανικών μέσων απορρύπανσης).  Η βιοεξυγίανση έχει οριστεί ως "η ενέργεια προσθήκης υλικών στα ρυπασμένα περιβάλλοντα ούτως ώστε να προκληθεί επιτάχυνση των φυσικών διαδικασιών βιοδιάσπασης" (1). Η βιοδιάσπαση του πετρελαίου είναι μια από τις σημαντικότερες διεργασίες που περιλαμβάνονται στη γήρανση και την τελική απομάκρυνση του πετρελαίου από το περιβάλλον, ιδιαίτερα για τα μη πτητικά συστατικά του πετρελαίου. Πάνω από 200 είδη βακτηρίων και μυκήτων έχουν αποδείξει ότι αποικοδομούν τους υδρογονάνθρακες που κυμαίνονται από το μεθάνιο ως τις ενώσεις με περισσότερα από 40 άτομα άνθρακα.

Σκοπό της έρευνας ήταν η παραγωγή τασιενεργών ουσιών βιολογική προέλευσης χωρίς προσμίξεις πετρελαίου. Ως πηγή άνθρακα στις καλλιέργειες χρησιμοποιήθηκε βαρύ κλάσμα αργού πετρελαίου. Το κλάσμα αυτό έχει την ιδιότητα να σχηματίζει μια στερεή ‘σε μορφή πλαστελίνης’ στρώση πάνω στην επιφάνεια του υγρού. Λόγω της δυσκολίας που παρουσιάζει το συγκεκριμένο κλάσμα στο διαλυθεί στο νερό δημιουργήθηκε η ιδέα ότι οι βιοτασιενεργές ουσίες που θα απομονώνονταν από την υγρή φάση δεν θα είχαν προσμίξεις πετρελαίου.  
Για τις καλλιέργειες χρησιμοποιήθηκαν μικροοργανισμοί προερχόμενοι από ρυπασμένη θαλάσσια περιοχή με πετρελαιοειδή. Οι μικροοργανισμοί αυτοί, είναι (1) μια μικροβιακή κοινότητα της οποίας το φυλλογενετικό δέντρο φαίνεται στην εικόνα 10, (2) ο απομονωμένος μικροοργανισμός Alcanivorax borkumensis SK2 και (3) ο απομονωμένος μικροοργανισμός Paracoccus marcusii. Οι μικροοργανισμοί αυτοί έχουν την δυνατότητα παραγωγής τασιενεργών ουσιών βιολογικής προέλευσης και αποικοδομούν υδρογονάνθρακες. 
Οι τασιενεργές ουσίες είναι οργανικά, αμφίφιλα μόρια και αποτελούνται από ένα υδρόφοβο και ένα υδρόφιλο τμήμα. Το υδρόφιλο τμήμα κάνει τις τασιενεργές ουσίες διαλυτές στο νερό και μέσω του υδρόφοβου τμήματός τους, συσσωματώνονται σε διεπιφάνειες και μειώνουν την επιφανειακή τάση υδατικών διαλυμάτων. Έτσι, με την προσθήκη τασιενεργών ουσιών σε ρυπασμένες με πετρελαιοειδή περιοχές, αυξάνεται η διαλυτότητα των υδρογονανθράκων και κατ’ επέκταση η βιοδιαθεσημότητα τους. Αυτό έχει ως αποτέλεσμα την διευκόλυνση της βιοαποικοδόμησης του ρύπου από τους μικροοργανισμούς.
Οι βιοτασιενεργές ουσίες που απομονώθηκαν στα πλαίσια αυτής της διπλωματικής εργασίας αποτελούνταν ως επί το πλείστον από Ραμνολιπίδα, που είναι μια κατηγορία Γλυκολιπιδίων. Σήμερα, τα Ραμνολιπίδια θεωρούνται ως οι πιο αποτελεσματικές βιοτασιενεργές ενώσεις.
Οι μικροοργανισμοί καλλιεργήθηκαν σε τεχνητό θαλασσινό νερό ONR7 με την προσθήκη θρεπτικών ουσιών αζώτου και φωσφόρου και με πηγή άνθρακα βαρέα κλάσματα αργού πετρελαίου. Την μέγιστη συγκέντρωση Ραμνολιπιδίων την παράγει ο μικροοργανισμός Alcanivorax borkumensis SK2. Η συγκέντρωση αυτή είναι 52,5g/L και επιτυγχάνεται έπειτα από 22 ημέρες. Στα πλαίσια αυτής της έρευνας περιγράφονται διάφορες χρήσεις που θα μπορούσαν να έχουν οι συγκεκριμένοι μικροοργανισμοί. 
description: Every year, human activities release between 190 and 706 million gallons of crude oil or refined petroleum products in the sea. The components which dissolve in the water contain a variety of compounds which are toxic to a wide range of marine organisms. There are several methods for cleaning up an oil spill. Booms and skimmers are generally the first choice but can only remove a portion of the spill, which ranges from 10 to 15% when the method is applied shortly after the leak. Hence, it is necessary to implement secondary mechanisms to remove the remaining part of the spill. Bioremediation is the most ‘green’ method for this purpose (bioremediation can also be used as primary method when it is impossible to use mechanic methods). According to the United States EPA (Environmental Pollution Agency), bioremediation is a “treatment that uses naturally occurring organisms to break down hazardous substances into less toxic or non-toxic substances”. Biodegradation of oil is one of the most important processes included in oil weathering and in the final cleanup of the environment, specifically when it comes to the non-volatile components of oil. It is proven that more than 200 species of bacteria and fungi have the ability to degrade hydrocarbons consisting of 10 to 40 carbon atoms.
The main purpose of this thesis was to produce biosurfactants of high quality. The carbon source used in the cultures was heavy fraction of crude oil. This fraction has the characteristic that it forms a kind of a solid layer on the surface of the liquid. Because of its difficulty to get dissolved in the water, the idea was created that surfactants isolated from the liquid would not have any oil impurities.
The bacteria used for this thesis were derived from a sea area polluted with oil. These microorganisms are 1) a microbial community whose phylogenetic tree is shown in Figure 10, 2) the isolated microorganism Alcanivorax borkumensis SK2 and 3) the isolated microorganism Paracoccus marcusii. All of these microorganisms have the ability to produce biosurfactants and to degrade hydrocarbons. Surfactants are usually organic compounds that are amphiphilic, meaning they contain both hydrophobic groups (their tails) and hydrophilic groups (their heads). Surfactants will diffuse in water and adsorb at interfaces between oil and water reducing thus, the surface tension of the solution. Hence, adding surfactants in areas which are polluted with petroleum increases the solubility of hydrocarbons and like this, the bioavailability of them. By increasing the bioavailability of the oil, it is much easier for the microorganisms to biodegrade it. The biosurfactants which have been isolated during the experiments of this thesis are characterized to be Rhamnolipids which is a category of Glycolipids. Nowadays, Rhamnolipids are considered to be the most effective types of biosurfactants. The solution in which the microorganisms were cultured consisted of artificial seawater ONR7, nutrients such as nitrogen and phosphorus, and heavy crude oil fractions. From the microorganisms which were used, Alcanivorax borkumensis SK2 is the one that produces the highest concentration of Ramnolipids. This concentration is 52,5g/L and its production takes place after 22 days. Furthermore, included in this thesis are the descriptions of some possible applications for every microorganism.