Χρήση μικροφυκών/κυανοβακτηρίων για την παραγωγή προϊόντων από ρεύματα αποβλήτων

Abstract

The main issue of the modern era is the continuously increasing global demand for food and energy, combined with the degradation of the natural environment. The growth of the global population, projected to reach 10.4 billion by 2100, leads to increasing energy demands and a rise in environmental pollution. Additionally, the expansion of global industry contributes to ongoing atmospheric pollution and the contamination of aquatic ecosystems. As a result, the treatment of wastewater through sustainable methods—such as the use of microalgae and cyanobacteria—has become imperative. Using these microorganisms for wastewater treatment is considered ideal, as they not only biodegrade the wastewater but also produce intracellular products. This doctoral dissertation focused on the investigation of biological methods for the treatment of wastewater streams using bacteria and photosynthetic microorganisms, and on the simultaneous evaluation of high value-added bioproducts. Specifically, the following were examined: a) The cultivation of newly identified marine strains of microalgae and cyanobacteria in artificial media. b) The treatment of traditional cream dessert (pudding) production line wastewater using an attached-growth biological filter with indigenous microorganisms and suspended-growth reactors with cyanobacteria (Leptolyngbya sp., Arthrospira sp., Geitlerinema sp.), and the treatment of secondary cheese whey using marine strains (Geitlerinema sp., Picochlorum costavermella).c) The treatment of table olive wastewater using the marine microalga Picochlorum costavermella, in photobioreactors at laboratory and pilot scale (1 L, 10 L, 40 L).d) The biodegradation of pharmaceutical industry wastewater using the cyanobacterium Leptolyngbya sp. under different system operation modes. It was found that marine strains were successfully cultivated in artificial high-salinity media, and that organic and inorganic components were effectively removed in all tested substrates. Specifically, through the biological filter, significant removal of organic components and solids from the traditional cream (pudding) wastewater was achieved, while the cyanobacterial cultures further reduced the organic load. Furthermore, the biological treatment of secondary cheese whey and table olive wastewater (substrates with particularly high salinity) was successfully achieved using marine strains of microalgae and cyanobacteria. Finally, the acclimatization of Leptolyngbya sp. to pharmaceutical wastewater led to successful biodegradation and a reduction in the phytotoxic effects of the wastewater. All systems recorded high bioproduct yields, depending on the experimental conditions. As observed, the selection of appropriate species and experimental conditions determined the optimal performance of each system.

Το κυριότερο πρόβλημα της σύγχρονης εποχής είναι η συνεχώς αυξανόμενη παγκόσμια ζήτηση για τροφή και ενέργεια, σε συνδυασμό με την υποβάθμιση του φυσικού περιβάλλοντος. Η αύξηση του παγκόσμιου πληθυσμού, με πρόβλεψη τα 10,4 δισεκατομμύρια έως το 2100, επιφέρει αυξανόμενες ενεργειακές απαιτήσεις και αύξηση της περιβαλλοντικής ρύπανσης. Επίσης, η αύξηση της βιομηχανίας παγκοσμίως συνεισφέρει στη συνεχόμενη ατμοσφαιρική ρύπανση αλλά και ρύπανση των υδατικών οικοσυστημάτων. Ως αποτέλεσμα, είναι πια επιτακτική η επεξεργασία των υγρών αποβλήτων με βιώσιμες μεθόδους, όπως είναι η χρήση μικροφυκών και κυανοβακτηρίων. Η χρήση αυτών των μικροοργανισμών για την επεξεργασία υγρών αποβλήτων κρίνεται ιδανική, καθώς πέραν της βιοαποδόμησης των αποβλήτων παράλληλα παράγονται ενδοκυτταρικά προϊόντα. Η παρούσα διδακτορική διατριβή επικεντρώθηκε στη διερεύνηση βιολογικών μεθόδων για την επεξεργασία ρευμάτων υγρών αποβλήτων με χρήση βακτηρίων και φωτοσυνθετικών μικροοργανισμών, και στην ταυτόχρονη αξιολόγηση των βιοπροϊόντων υψηλής προστιθέμενης αξίας. Συγκεκριμένα, εξετάστηκαν τα παρακάτω: α) Η ανάπτυξη νέων ταυτοποιημένων θαλάσσιων στελεχών μικροφυκών και κυανοβακτηρίων σε τεχνητά μέσα. β) Η επεξεργασία αποβλήτου παραδοσιακής κρέμας χρησιμοποιώντας βιολογικό φίλτρο προσκολλημένης ανάπτυξης με γηγενείς μικροοργανισμούς και αντιδραστήρες αιωρούμενης ανάπτυξης με κυανοβακτήρια (Leptolyngbya sp., Arthrospira sp., Geitlerinema sp.), και η επεξεργασία τυρογάλακτος με θαλάσσια στελέχη (Geitlerinema sp., Picochlorum costavermella). γ) Η χρήση του θαλάσσιου μικροφύκους Picochlorum costavermella για την επεξεργασία αποβλήτων επιτραπέζιας ελιάς, σε φωτοαντιδραστήρες εργαστηριακής και πιλοτικής κλίμακας (1 L, 10 L, 40 L).δ) Η βιοαποδόμηση αποβλήτων φαρμακοβιομηχανίας με το κυανοβακτήριο Leptolyngbya sp. υπό διαφορετικούς τρόπους λειτουργίας των συστημάτων. Διαπιστώθηκε η επιτυχής ανάπτυξη των θαλάσσιων στελεχών σε τεχνητά μέσα υψηλής αλατότητας, και η αποτελεσματική απομάκρυνση των οργανικών και ανόργανων συστατικών σε όλα τα εξεταζόμενα υποστρώματα. Συγκεκριμένα, μέσω του βιολογικού φίλτρου επιτεύχθηκε σημαντική απομάκρυνση οργανικών συστατικών και στερεών του αποβλήτου της παραδοσιακής κρέμας, ενώ οι καλλιέργειες κυανοβακτηρίων επέφεραν περαιτέρω απομάκρυνση του οργανικού φορτίου. Επίσης, με τα θαλάσσια στελέχη μικροφυκών και κυανοβακτηρίων κατέστη επιτυχής η βιολογική επεξεργασία του δευτερογενούς ορού γάλακτος και των αποβλήτων επιτραπέζιας ελιάς, υποστρωμάτων με ιδιαίτερα υψηλή αλατότητα. Τέλος, ο εγκλιματισμός του Leptolyngbya sp. στο απόβλητο φαρμακοβιομηχανίας οδήγησε σε επιτυχή βιοαποδόμηση και μείωση της φυτοτοξικής επίδρασης των αποβλήτων. Σε όλα τα συστήματα καταγράφηκαν υψηλά ποσοστά περιεκτικότητας βιοπαραγόμενων προϊόντων, ανάλογα τις συνθήκες των πειραμάτων. Όπως διαπιστώθηκε, η επιλογή των κατάλληλων ειδών και των πειραματικών συνθηκών καθόρισε τη βέλτιστη απόδοση του εκάστοτε συστήματος.