Βιοτεχνολογικές εφαρμογές των μικροφυκών

Τα μικροφύκη εμφανίζουν ιδιαίτερο ενδιαφέρον λόγω των πλεονεκτημάτων που παρουσιάζουν. Αυτά είναι η ευκολία στην καλλιέργειά τους, στον χειρισμό τους, στην πρόσληψη των θρεπτικών συστατικών τους και στην παραγωγή διάφορων τοξινών, η χρήση των οποίων φαίνεται να είναι ευρεία στον τομέα της ιατρικής και της φαρμακευτικής. Οι τομείς την βιοτεχνολογίας στους οποίους χρησιμοποιούνται τα μικροφύκη είναι πολλοί, όπως ο τομέας της υγείας (εμβόλια, φάρμακα), στα καλλυντικά και συμπληρώματα διατροφής, στην βιοαποικοδόμηση καθώς και στην παραγωγή βιοντίζελ . Επιπλέον, αποτελούν πηγή τροφής για πολλούς οργανισμούς.

Τομέας υγείας
Τα μικροφύκη,  παράγουν ουσίες, π. χ  τοξίνες, που έχει αποδειχθεί  ότι έχουν αξιόλογες θεραπευτικές ιδιότητες. Το μικροφύκος Nostoc elipsosporum παράγει την πρωτεΐνη κυανοβιρίνη, που εμποδίζει την διαδικασία της αντιγραφής και ελαττώνει  την παθογένεια των ρετροϊών (in vitro). Επιπλέον, η κρυπτοφυκίνη 1 (cryptophycin 1) αποτελεί ανασταλτικό παράγοντα της μίτωσης του απλού ερπητοϊού, του ιού της ιλαράς και του HIV 1. Έρευνες έχουν δείξει ότι η γλυκοπρωτεϊνη που παράγεται από το Chorella vulgaris προστατεύει από την μετάσταση όγκων και από την ανοσοκαταστολή που προκαλείται από τις χημειοθεραπείες. Επιπροσθέτως οι τοξίνες, σαξιτοξίνη και τετροδοτοξίνη έχουν ασφαλή και αποτελεσματική δράση ως τοπικό αναισθητικό. Ωστόσο η τετραδοτοξίνη (TTX) , πειραματικά έχει βρεθεί ότι περιορίζει την επιθυμία για ναρκωτικά και μπορεί να χρησιμοποιηθεί ως θεραπευτικό μέσο για την απεξάρτηση από την ηρωίνη. Το οκαδαϊκό οξύ είναι ισχυρή τοξίνη, που χρησιμοποιείται στην θεραπεία των διάφορων νευροπαθολογικών ασθενειών και των νευροεκφυλιστικών νόσων. Πολλές τοξίνες έχουν αντικαρκινική δράση και χρησιμοποιούνται για την καταπολέμηση της οστεοπόρωσης. Καροτενοειδή που προέρχονται από μικροφύκη, όπως το β-καροτένιο, η ασταξανθίνη καθώς επίσης πολυακόρεστα λιπαρά οξέα (DHA και EPA) έχει δειχθεί ότι έχουν ισχυρή αντιφλεγμονώδη και αντιοξειδωτική δράση. [1]

Εμβόλια
Τα μικροφύκη μπορούν να χρησιμοποιηθούν στην παραγωγή εμβολίων. Σε πειραματικές μελέτες έχει χρησιμοποιηθεί το Chlamydomonas reinhardtii  (μονοκύτταρο χλωροφύκος), στο οποίο είναι εφικτό να εκφράζονται στον 
χλωροπλάστη του ξένα γονίδια οπότε να παράγονται και οι αντίστοιχες πρωτεΐνες. Χαρακτηριστικό παράδειγμα αποτελεί το αντιγόνο p57 του  βακτηρίου Renibacterium saluaninarum, που προκαλεί ασθένεια στο νεφρό. Το γονίδιο που παράγει την πρωτεΐνη αυτή, εισήχθη με μετασχηματισμό  στο Chlamydomonas reinhardtii, με σκοπό να εμβολιάσουν μέσω τροφής πειραματόζωα[2]. Με τη χρήση αποξηραμένων και κατεψυγμένων μικροφυκών, ενσωματωμένα σε τροφή, υπό μορφή pellets, εμβολιάστηκαν κουνέλια. Η ανοσοποίηση των κουνελιών, για το προαναφερθέν βακτήριο, έδειξε να είναι αρκετά αποτελεσματική.

Πηγή τροφής
Τα μικροφύκη αποτελούν πηγή τροφής για το ζωοπλαγκτό αλλά  και για τις ανώτερες μορφές ζωής. Αποτελούν  τροφή με υψηλή θρεπτική αξία και έχουν εύπεπτη μορφή. Επίσης, η παρουσία τους στις ιχθυοκαλλιέργειες δημιουργεί το κατάλληλο περιβάλλον προκειμένου να επιβιώσουν και να αναπαραχθούν τα ψάρια.

Καλλυντικά-Συμπληρώματα διατροφής
Τα μικροφύκη χρησιμοποιούνται και για την παραγωγή καλλυντικών. Το μικροφύκος Dunaliella salina, έχει ισχυρή αντιοξειδωτική δράση, περιέχει μεγάλη ποσότητα καροτενοειδών  και χρησιμοποιείται ως συστατικό των καλλυντικών αλλά και ως συμπλήρωμα διατροφής. Η πολύ γνωστή σπιρουλίνα, που χρησιμοποιείται ως συμπλήρωμα  διατροφής από τους ανθρώπους προέρχεται από γένος βρώσιμων κυανοβακτηρίων (Arthrospira maxima, Arthrospira platensis, Arthrospira fusiformis).

Η σπιρουλίνα περιέχει όλα τα θρεπτικά συστατικά που χρειάζεται ο οργανισμός, βιταμίνες και ιχνοστοιχεία. Αποτελεί πηγή οργανικού σιδήρου και δεν είναι καθόλου τοξική ως τροφή. Είναι 58 φορές πιο πλούσια σε σίδηρο συγκριτικά με το ωμό σπανάκι και 28 φορές πλουσιότερη, σε σχέση με το ήπαρ του ωμού βοδινού. Επίσης, αποτελεί πηγή βιταμίνης Ε και β-καροτίνης.  Αντίθετα από την συνθετική βιταμίνη-Α και εκείνη των ιχθυελαίων, το β-καροτένιο είναι μη τοξικό, ακόμη και σε μεγάλες ποσότητες.

Βιοαποικοδόμηση
Στα μικροφύκη, πραγματοποιείται μία πλειάδα βιοχημικών διαδικασιών, που μπορούν  να μειώσουν την τοξικότητα μη ουσιωδών ιχνοστοιχείων, όπως Hg και Cd. Χρησιμο είναι να αναφερθεί και η ομοιόσταση κατά των βαρέων μετάλλων, στο κυτόπλασμα. Στο μικροφύκος Chlamydomonas reinhardtii, παρατηρήθηκε υψηλή συγκέντρωση κυστεΐνης. Το αμινοξύ αυτό διαθέτει μία σουλφυδρολομάδα, στην οποία συνδέεται η τοξική ουσία. Πρωτεΐνες που απομονώθηκαν από τον παραπάνω μικροοργανισμό ήταν πλούσιες σε κυστεΐνη, συγκριτικά με αντίστοιχες πρωτεΐνες που απομονώθηκαν από τον αντίστοιχο μικροοργανισμό, ο οποίος όμως είχε αναπτυχθεί σε φυσιολογικό υπόστρωμα, χωρίς τοξικές ουσίες. Διαθέτουν μηχανισμούς ανθεκτικότητας σε διάφορα ξενοβιοτικά ακολουθώντας ενδοκυτταρικές βιοχημικές διαδικασίες.

Παραγωγή βιοντίζελ
Το βιοντίζελ είναι εναλλακτικό του συμβατικού καυσίμου ντίζελ και παράγεται από ανανεώσιμες βιολογικές πηγές, όπως οι φυτικές και ζωικές λιπαρές ουσίες. Η κατανάλωση του έχει αρκετά οφέλη διότι είναι βιοδασπώμενο, μη τοξικό και εκπέμπει πολύ μικρές ποσότητες επιβλαβών αερίων. Το βιοντίζελ μπορεί να παραχθεί χρησιμοποιώντας καλλιέργειες μικροφυκών,  όπως του Scenedesmus obliquus (Χλωροφύκος), Botryococcus braunii (Χλωροφύκος), Cylindrotheca sp. (Χλωροφύκος), Schizochytrium sp. κλπ. Έχουν πολύ υψηλότερους ρυθμούς ανάπτυξης και παραγωγικότητας σε σύγκριση με άλλα φυτικά είδη γεωργικών καλλιεργειών, καθώς και άλλα υδρόβια φυτά. Η παραγωγή λιπαρών (κατάλληλων για την παραγωγή biodiesel) που μπορεί να περιέχει η βιομάζα των μικροφυκών μπορεί να φτάσει μέχρι και το 30% (w/w).

Η διαδικασία παραγωγής βιοντίζελ από τα μικροφύκη ξεκινά με την καλλιέργεια του μικροφύκους σε κατάλληλο μέσο (συνήθως θαλασσινό νερό) με σκοπό την αύξηση της βιομάζας του οργανισμού στα επιθυμητά επίπεδα. Στο στάδιο αυτό είναι απαραίτητη η παροχή στον οργανισμό των κατάλληλων στοιχείων και συνθηκών (π.χ. CO2, ηλιακό φως) που χρειάζονται για να αναπτυχθούν. Μόλις η βιομάζα φτάσει στα επίπεδα που επιθυμούμε, γίνεται συγκομιδή της. Ακολουθεί κατάλληλη επεξεργασία (εκχύλιση με ειδικό διαλύτη) ώστε να ανακτηθούν τα λιπαρά οξέα από τα μικροφύκη, τα οποία στη συνέχεια θα μετατραπούν σε βιοντίζελ. Το υπόλειμμα της βιομάζας μπορεί να χρησιμοποιηθεί ξανά για διάφορες άλλες διεργασίες. [4]

Όπως αναφέρθηκε προηγουμένως, τα μικροφύκη αποτελούν ιδιαίτερη πηγή ενδιαφέροντος στον τομέα παραγωγής βιοκαυσίμων χάρη στην ικανότητά τους να αναπτύσσονται και να αυξάνουν την βιομάζα τους με ταχύτατους ρυθμούς, καθώς και στην υψηλή τους περιεκτικότητα σε λιπαρά οξέα (σε ορισμένες περιπτώσεις μπορεί να φτάσει το 80% του ξηρού τους βάρους). Το ενδιαφέρον αυξάνεται συνεχώς, καθώς οι ενεργειακές ανάγκες του ανθρώπου όλο και αυξάνονται, ενώ ταυτόχρονα εξαντλούνται οι πηγές απ’ όπου αντλείται αυτή η ενέργεια. Ωστόσο, η παραγωγή βιοντίζελ από τα μικροφύκη καθίσταται δύσκολη από διάφορες τεχνικές και οικονομικές δυσκολίες, οι οποίες, όμως, θα ξεπεραστούν όσο γίνονται πρόοδοι στους τομείς της βιοτεχνολογίας και της παραγωγής καυσίμων. [5]

Βιοαέριο 
Μία από τις δυνατότητες για απόκτηση ανανεώσιμης ενέργειας από μικροφύκη είναι η παραγωγή βιοαερίου χρησιμοποιώντας τη διεργασία της αναερόβιας πέψης, δηλαδή της αποσύνθεσης οργανικής ύλης κάτω από ένα περιβάλλον χωρίς οξυγόνο . Η αναερόβια πέψη βιομάζας μικροφυκών έχει αποτελέσει αντικείμενο ερευνητικών μελετών από τη δεκαετία του '50. Η πρώτη έρευνα δημοσιεύθηκε από τους Golueke et al., που ασχολήθηκαν με μία μεικτή καλλιέργεια των μικροφυκών Chlorella sp. και Scenedesmus sp. Μέχρι τώρα έχει μελετηθεί η πρόοδος και η αποτελεσματικότητα της διαδικασίας σε διάφορα είδη όπως Scenedesmus sp., Spirulina sp., Euglena sp. και Chlorella vulgaris, Melosira sp. και Oscillatoria sp.  Η παραγωγή βιοαερίου μέσω της αναερόβιας πέψης έχει αξιολογηθεί ως μια από τις πιο ενεργειακά αποδοτικές και περιβαλλοντικά επωφελείς τεχνολογίες παραγωγής βιοενέργειας  . Ωστόσο, η εφαρμογή της στα μικροφύκη εξακολουθεί να μην είναι βελτιστοποιημένη λόγω πολυάριθμων τεχνικών και χημικών περιορισμών  .

Διαδικασία 
Για να πραγματοποιηθεί η αναερόβια πέψη της βιομάζας των μικροφυκών απαιτείται αρχικά να γίνει καλλιέργεια τους. Τα πιο συχνά χρησιμοποιούμενα συστήματα καλλιέργειας είναι οι ανοικτές δεξαμενές (open ponds), οι φωτο-βιοαντιδραστήρες (PBR) και υβριδικά συστήματα που χρησιμοποιούνται επί του παρόντος σε ερευνητική και βιομηχανική κλίμακα .Μετά την καλλιέργεια, η βιομάζα μικροφυκών πρέπει να διαχωριστεί από τα απόβλητα του  βιοαντιδραστήρα. Οι βασικές μέθοδοι συλλογής μικροφυκών είναι η καθίζηση, η φυγοκέντρηση καθώς και χειροκίνητες τεχνικές  .

Ακολουθεί η διαδικασία της αναερόβιας πέψης που αποτελείται από τέσσερα στάδια: Υδρόλυση, Οξεογένεση, Ακετογένεση, Μεθανογένεση . Η διεργασία λαμβάνει χώρα σε αντιδραστήρες που ονομάζονται αναερόβιοι χωνευτήρες. Τα κύρια προϊόντα της διαδικασίας είναι:

 ένα βιοαποικοδομημένο σταθεροποιημένο απόβλητο, γνωστό ως χωνευμένο υλικό (digestate)  και 
 βιοαέριο. Το βιοαέριο αποτελείται από 50-70% μεθάνιο, ενώ το υπόλοιπο περιεχόμενο είναι κυρίως διοξείδιο του άνθρακα και μικρές ποσότητες άλλων αερίων.

Η απόδοση σε μεθάνιο εξαρτάται από το είδος των μικροφυκών, τη θερμοκρασία και το pH της αναερόβιας πέψης, τον υδραυλικό χρόνο παραμονής (HRT), το ρυθμό οργανικής φόρτισης (OLR), την προεπεξεργασία της βιομάζας των φυκών  και την παρουσία ή απουσία των αναστολέων της μεθανογένεσης  .

Πλεονεκτήματα 
Το αυξανόμενο ενδιαφέρον για την παραγωγή βιοαερίου από τα μικροφύκη προκύπτει από τα πλεονεκτήματα που έχουν έναντι άλλων πηγών παραγωγής βιοκαυσίμων. Το κύριο όφελος είναι η υψηλότερη ενεργειακή απόδοση σε σύγκριση με άλλα βιοκαύσιμα. Αυτό οφείλεται κυρίως στο γεγονός ότι δεν απαιτείται αφαίρεση των ελαίων και λιπιδίων και κατά τη διάρκεια της διαδικασίας αξιοποιούνται όλα τα μακρομόρια. Επιπλέον, τα θρεπτικά συστατικά όπως το οργανικό άζωτο ή ο φώσφορος που παραμένουν μετά την αναερόβια πέψη θα μπορούσαν να μεταλλοποιηθούν και αργότερα να ανακυκλωθούν για να χρησιμοποιηθούν στην καλλιέργεια των φυκών  .

Η βιομάζα των μικροφυκών έχει υψηλότερη αποδοτικότητα στη φωτοσύνθεση,  υψηλότερη δέσμευση CO2 και υψηλότερη παραγωγή βιομάζας, σε σχέση με τα ανώτερα φυτά. Οι ρυθμοί ανάπτυξης τους είναι 100 φορές γρηγορότεροι και μπορούν να διπλασιάσουν τη βιομάζα τους σε λιγότερο από μία μέρα. Επιπρόσθετα, τα μικροφύκη επιτρέπουν την καλλιέργεια σε απόβλητα κτηνοτροφίας, θαλασσινό νερό και σε άγονες περιοχές. Όλα αυτά τα χαρακτηριστικά τα κάνουν μία πολύ καλή πηγή για παραγωγή ενέργειας, ενώ παράλληλα μπορούν συνεισφέρουν στον καθαρισμό των υδάτων και στη μείωση του διοξειδίου του άνθρακα  .

Χρήσεις 
Το (βιο)μεθάνιο που παράγεται μέσω της αναερόβιας πέψης μπορεί να χρησιμοποιηθεί ως καύσιμο για την παραγωγή θερμότητας σε λέβητα ή για τη συμπαραγωγή  ηλεκτρισμού και θερμότητας (CHP). Άλλες ενδιαφέρουσες  εφαρμογές του βιοαερίου είναι η  χρήση του ως καύσιμο μέσων μεταφοράς ή εισαγωγή του στο δίκτυο φυσικού αερίου  . Πέρα από το μεθάνιο, παράγονται και άλλα δύο παραπροϊόντα, το διοξείδιο του άνθρακα και το πλούσιο σε θρεπτικά συστατικά χωνευμένο υλικό (digestate). Το διοξείδιο του άνθρακα μπορεί να χρησιμοποιηθεί ως πηγή άνθρακα για την καλλιέργεια των μικροφυκών, ενώ το χωνευμένο υλικό ως λίπασμα και πηγή θρεπτικών για την ανάπτυξη των μικροφυκών. Έτσι, το περιβαλλοντικό και οικονομικό κόστος της χρήσης φωσφορικών και αζωτούχων λιπασμάτων μπορεί να αποφευχθεί .

Δυσκολίες και Τρόποι Αντιμετώπισης 

  Κυτταρικό τοίχωμα: Τα σκληρά κυτταρικά τοιχώματα των μικροφυκών θα μπορούσαν να εμποδίσουν τα ένζυμα να πέψουν τη βιομάζα, δημιουργώντας έτσι ανθεκτικότητα στην υδρόλυση . Γι αυτό απαιτείται προεπεξεργασία του κυτταρικού τοιχώματος που μπορεί να οδηγήσει σε διαλυτοποίση της οργανικής ύλης όταν συμβαίνει η υδρόλυση, κάνοντας το να διασπάται ευκολότερα. Η προεπεξεργασία αυτή μπορεί να είναι μηχανική, θερμική, χημική ή βιολογική  .
  Χαμηλό C:N / Αμμωνία: Ο χαμηλός λόγος οφείλεται στην υψηλή περιεκτικότητα της βιομάζας των μικροφυκών σε πρωτεΐνες. Κατά την αναερόβια πέψη, τα πολυπεπτίδια των πρωτεϊνών διασπόνται σε αμινοξέα και έπειτα σε άλλα ενδιάμεσα, ένα από τα οποία είναι το αμμώνιο . Η παρουσία αμμωνίου και αμμωνίας μπορεί να οδηγήσει σε συσσώρευση πτητικών λιπαρών οξέων (VFA) που επηρεάζουν επίσης αρνητικά τη διαδικασία και να οδηγήσει σε αλλαγή των επιπέδων pΗ. Έχει έτσι τοξική επίδραση στον  πληθυσμού των μεθανιογόνων βακτηρίων που δρουν στο τελευταίο στάδιο της αναερόβιας πέψης . Για την αντιμετώπιση αυτού του προβλήματος χρησιμοποιούνται τεχνικές προσαρμογής των μικροοργανισμών στην αμμωνία ώστε να μπορούν να δρουν σε υψηλές συγκεντρώσεις της αλλά και η τεχνική της βιοενίσχυσης (προσθήκη νέων μικροοργανισμών, όπως μεθανιογόνους μικροοργανισμούς ανθεκτικούς στην αμμωνία, σε μία ντόπια κοινότητα μικροοργανισμών). Μπορεί ακόμα να γίνει αύξηση του λόγου C:N με την καλλιέργεια των μικροφυκών σε συνθήκες έλλειψης θρεπτικών ή πέψη μαζί με άλλα υποστρώματα πλούσια σε άνθρακα που συνεισφέρουν στην αύξηση του λόγου .
 Υψηλό κόστος παραγωγής: Σημαντική μείωση του κόστους μπορεί να παρατηρηθεί αν τα θρεπτικά συστατικά και το φρέσκο νερό, που αποτελούν έως και το 50% των  συνολικών δαπανών  παραγωγής, αποκτηθούν με χαμηλότερο κόστος . Για παράδειγμα, η κύρια πηγή καλλιέργειας μικροφυκών μπορούν να είναι τα λύματα που θα αποτελούν τόσο πηγή νερού όσο και θρεπτικών ουσιών .Προκειμένου να μειωθεί το κόστος, προτείνεται ενσωμάτωση και συγχώνευση της αναερόβιας πέψης σε διάφορα στάδια άλλων διαδικασιών στα βιοδιυλιστήρια, προωθώντας την παραγωγή πολλαπλών προϊόντων από τη βιομάζα μικροφυκών (όπως βιομεθάνιο, λιπάσματα και θρεπτικά συστατικά για καλλιέργειες μικροφυκών) που έπειτα μπορούν να χρησιμοποιηθούν και να προστεθούν σε άλλες διαδικασίες. Στόχος είναι λοιπόν ύπαρξη μηδενικών αποβλήτων και η αποτελεσματικότερη αξιοποίηση της βιομάζας των μικροφυκών  .

Πηγές

Barsanti, L., Gualtieri, P., Algae Anatomy, Biochemistry and Biotechnology, Volume 1 ,2006, pp 281-289
Siripornadulsil, S., et al., Advances in experimental medicine and biology, Volume 616, 2007, pp 122-128
Perales-Vela  H. V., et al., Heavy metal detoxification in eukaryotic microalgae, 2006, pp 1-3
Χριστακόπουλος, Π., Τόπακας, Ε. 2015. Τεχνολογία Διεργασίας Παραγωγής Βιοκαυσίμων από Μικροφύκη. Στο Χριστακόπουλος, Π., Τόπακας, Ε. 2015. Βιοτεχνολογική παραγωγή βιοκαυσίμων. [ηλεκτρ. βιβλ.] Αθήνα:Σύνδεσμος Ελληνικών Ακαδημαϊκών Βιβλιοθηκών. κεφ 10. Διαθέσιμο στο: http://hdl.handle.net/11419/1730
Χριστακόπουλος, Π., Τόπακας, Ε. 2015. Βιωσιμότητα της Παραγωγής Βιοντήζελ από Μικροφύκη. Στο Χριστακόπουλος, Π., Τόπακας, Ε. 2015. Βιοτεχνολογική παραγωγή βιοκαυσίμων. [ηλεκτρ. βιβλ.] Αθήνα:Σύνδεσμος Ελληνικών Ακαδημαϊκών Βιβλιοθηκών. κεφ 12. Διαθέσιμο στο: http://hdl.handle.net/11419/1732

Παραπομπές

Εξωτερικοί σύνδεσμοι
 http://en.wikipedia.org/wiki/Dunaliella_salina
 http://en.wikipedia.org/wiki/Spirulina_(dietary_supplement)

Φυκολογία
Βιοτεχνολογία
Βιοαέριο