Χρήση μικροφυκών για την επεξεργασία και αξιοποίηση αγροβιομηχανικών υγρών αποβλήτων

Abstract

Agro-industrial liquid waste currently represents one of the most significant and complex challenges to maintaining the ecological balance of aquatic ecosystems worldwide. Its exceptionally high pollutant load, characterised by elevated concentrations of organic carbon, nitrogen, and phosphorus, as well as specific physicochemical properties, often renders conventional treatment methods inadequate or economically unfeasible. In this context, the modern scientific community is turning towards the adoption of alternative and innovative solutions, integrated with the principles of the circular economy, aiming to combine effective pollutant reduction with the simultaneous recovery of valuable resources. This doctoral dissertation focuses on this approach, investigating the use of photosynthetic organisms as a promising and environmentally friendly bioremediation practice. Specifically, the microalga Chlorella sorokiniana and the macrophyte Lemna minor were studied – two organisms noted for their resilience and ability to grow on demanding substrates while producing biomass of high commercial value. The research aimed to address the scientific gap in waste management from diverse sources, such as dairies, juice factories, breweries, wineries, and hot sauce production units. Through a series of eight experiments in batch bioreactors, the phytoremediation capacity of these organisms was evaluated under the influence of critical parameters.

Τα αγρο-βιομηχανικά υγρά απόβλητα αποτελούν σήμερα μία από τις σημαντικότερες και πιο σύνθετες προκλήσεις για τη διατήρηση της οικολογικής ισορροπίας των υδατικών οικοσυστημάτων παγκοσμίως. Το ιδιαίτερα υψηλό ρυπαντικό τους φορτίο, το οποίο χαρακτηρίζεται από υψηλές συγκεντρώσεις οργανικού άνθρακα, αζώτου και φωσφόρου, καθώς και από ιδιαίτερα φυσικοχημικά χαρακτηριστικά, καθιστά τις συμβατικές μεθόδους επεξεργασίας συχνά ανεπαρκείς ή οικονομικά ασύμφορες. Στο πλαίσιο αυτό, η σύγχρονη επιστημονική κοινότητα στρέφεται προς την υιοθέτηση εναλλακτικών και καινοτόμων λύσεων που εντάσσονται στις αρχές της κυκλικής οικονομίας, επιδιώκοντας τον συνδυασμό της αποτελεσματικής μείωσης των ρύπων με την ταυτόχρονη ανάκτηση πολύτιμων πόρων. Η παρούσα διδακτορική διατριβή εστιάζει σε αυτή την κατεύθυνση, διερευνώντας την αξιοποίηση φωτοσυνθετικών οργανισμών ως μια πολλά υποσχόμενη και περιβαλλοντικά φιλική πρακτική βιοαποκατάστασης. Συγκεκριμένα, μελετήθηκε η χρήση του μικροφύκους Chlorella sorokiniana και του μακρόφυτου Lemna minor, δύο οργανισμών που διακρίνονται για την ανθεκτικότητά τους και την ικανότητά τους να αναπτύσσονται σε απαιτητικά υποστρώματα, παράγοντας παράλληλα βιομάζα με υψηλή εμπορική αξία. Η έρευνα στόχευσε στον περιορισμό του επιστημονικού κενού σχετικά με τη διαχείριση αποβλήτων από ποικίλες πηγές, όπως τυροκομεία, χυμοποιεία, ζυθοποιεία, οινοποιεία και μονάδες παραγωγής καυτερής σάλτσας. Μέσω μιας σειράς οκτώ πειραμάτων σε βιοαντιδραστήρες διαλείποντος έργου, αξιολογήθηκε η φυτοεξυγιαντική ικανότητα των οργανισμών αυτών υπό την επίδραση κρίσιμων παραμέτρων, όπως η φωτοπερίοδος και η προσθήκη αζώτου σε μορφές αμμωνιακού και νιτρικού αζώτου. Παράλληλα, δοκιμάστηκαν διαφορετικές πειραματικές διατάξεις, συγκρίνοντας καλλιέργειες ενός ή δύο σταδίων και συστήματα βιοαντιδραστήρων σε σειρά, τόσο σε προ-επεξεργασμένα όσο και σε ανεπεξέργαστα απόβλητα. Κατά τη διάρκεια της πειραματικής διαδικασίας, παρακολουθήθηκε στενά η ανάπτυξη των οργανισμών και η μεταβολή των συγκεντρώσεων βασικών ρύπων, όπως το χημικά απαιτούμενο οξυγόνο (COD) και το άζωτο, προκειμένου να προσδιοριστεί η συνολική απόδοση της μεθοδολογίας. Τα αποτελέσματα ανέδειξαν την υψηλή αποτελεσματικότητα και των δύο οργανισμών στην επεξεργασία των εξεταζόμενων αποβλήτων. Η Chlorella sorokiniana πέτυχε μέγιστη ανάπτυξη στα μη επεξεργασμένα υγρά απόβλητα, ενώ η απομάκρυνση του οργανικού φορτίου βελτιστοποιήθηκε υπό συνθήκες περιοδικού φωτισμού. Επιπλέον, η προσθήκη αζώτου λειτούργησε καταλυτικά για τον εμπλουτισμό της βιομάζας σε πρωτεΐνες, οι οποίες άγγιξαν το εντυπωσιακό ποσοστό του 59%, καθώς και σε πολύτιμες χρωστικές όπως το β-καροτένιο και η χλωροφύλλη-α. Αντιστοίχως, το μακρόφυτο Lemna minor έδειξε εξαιρετική προσαρμοστικότητα, με τα απόβλητα της μονάδας καυτερής σάλτσας να αποτελούν το ιδανικότερο υπόστρωμα για την παραγωγή βιομάζας. Η συγκριτική αξιολόγηση έδειξε ότι και οι δύο οργανισμοί μπορούν να επιτύχουν υψηλά ποσοστά απομάκρυνσης ρύπων, με τη λουτεΐνη να φτάνει σε παρόμοια υψηλά επίπεδα και στις δύο περιπτώσεις κατά την καλλιέργεια δύο σταδίων. Συμπερασματικά, η διατριβή τεκμηριώνει ότι η χρήση των συγκεκριμένων φωτοσυνθετικών οργανισμών αποτελεί μια βιώσιμη στρατηγική που μετατρέπει τα υγρά απόβλητα από περιβαλλοντικό πρόβλημα σε πρώτη ύλη για την παραγωγή προϊόντων υψηλής προστιθέμενης αξίας, ενισχύοντας ουσιαστικά τη βιώσιμη ανάπτυξη και την προστασία του φυσικού περιβάλλοντος.