Βιοαποκατάσταση γαλακτοκομικών αποβλήτων με τη χρήση φωτοσυνθετικών μικροοργανισμών και παραγωγή βιομάζας υψηλής διατροφικής αξίας

Abstract

This thesis focuses on the microbial treatment and valorization of high-strength dairy wastewaters. The aim of this study the combination of wastewater remediation with the production of valuable microbial metabolites. The green microalga Chlorella sp., which was isolated from a eutrophic river in Crete, and a nitrogen-fixing Clostridium pasteurianum, isolated from a local soil sample, were used for this purpose. Dairy wastewaters have consistently high levels of carbon, nitrogen and phosphorus, in addition to turbidity, and varying NaCl concentrations. Chlorella sp. was selected for the treatment of these wastewaters, due to its photosynthetic adaptability under low light regimes, and its resistance to adverse environments. These wastewaters lack essential trace elements, necessitating their addition. The microalga adapted well in cheese whey and whey permeate, producing biomass comparable to synthetic media. Scaled-up Chlorella cultures in wastewaters showed excellent adaptation, which was attributed to the excess nutrient content of the waste, as well as the alga’s metabolic flexibility. Treatment of cheese whey with Chlorella led to a significant reduction in the polluting loads of carbon, nitrogen, phosphorus, in addition to a notable removal of sodium. Algal biomass produced in wastewater media was rich in valuable metabolites, such as proteins, pigments, and polyunsaturated fatty acids, making it suitable for food and feed applications. Experiments indicated that salinity is a critical abiotic stress factor for microalgae. Chlorella showed impressive growth and photosynthetic activity in the primary wastewater fraction, due to the high availability of nutrients and low salinity. In contrast, extreme salinity in the secondary wastewater fraction inhibited algal growth. To address this limitation, the mixing of the primary and secondary fractions in 1:1 ratio took place, in order to create a substrate with tolerable salinity levels for Chlorella. Cells exposed to high salinity had reduced size due to osmotic stress. In cheese whey samples, Chlorella formed microcolonies on the surface of whey solids, providing protection from salinity. Cellular adhesion was attributed to electrostatic interactions between the microalga’s exopolysaccharide and caseins. While high salinity hindered photosynthesis, it also led to greater sugar removal from the wastewater. Additionally, Chlorella effectively removed sodium through a biosorption mechanism, while salinity stress led to the accumulation of bioactive fatty acids in the biomass. An increase in the inoculum size of Chlorella in wastewater did not improve biomass production; however, this parameter allowed for an improvement in sugar and phosphorus removal. Further experiments revealed that cheese whey lacked the essential trace elements of manganese and iron. A targeted supplementation with these elements could replace the addition of Hunter's trace solution in cheese whey, while maintaining similar biomass production. Algal treatment of cheese whey under a continuous system allowed for the production of Chlorella biomass over two cycles and also lead to further removal of pollutants. The final chapter examined the use of dairy wastewaters as a substrate for hydrogen production through dark fermentation by C. pasteurianum. Results showed that the hydrolysis of lactose was necessary, due to the bacterium’s inability to assimilate this disaccharide. Dairy wastewaters proved to be an appropriate substrate for bio-H2 production. Hydrogen production in whey permeate among all wastewater fractions was comparable to or higher than synthetic media. The bacterium demonstrated notable sugar and organic load removal but much lower phosphorus removal compared to Chlorella. The results of this thesis highlight the valorization potential of dairy wastewaters for the production of microalgal biomass and biohydrogen. Microbial treatment systems offer a sustainable solution for waste management and the production of commercially valuable products. Thus, the microbial treatment of dairy wastewaters represents an environmentally friendly and economically viable approach, adhering to the principles of sustainable development and circular economy.

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.