A csapból kifolyó víz tisztának tűnik, de mögötte van egy a lakossági és ipari szennyezés egyre növekvő problémája ...amely évről évre egyre nehezebben ellenőrizhető. A városi lefolyás, a bányászat, az intenzív mezőgazdaság, a petrolkémiai ipar és az élelmiszertermelés miatt a szennyvíz kellemetlen nehézfém-keveréket, felesleges tápanyagokat, mérgező szerves vegyületeket és újonnan felbukkanó szennyező anyagokat, például gyógyszereket és növényvédő szereket tartalmaz.
Ez a kombináció számos folyót, tavat és víztartó réteget valóságos kémiai koktéllá alakít, ahol a víz Már nem iható, nem alkalmas biztonságos öntözésre, és súlyosan károsítja a vízi ökoszisztémákat.Ebben az összefüggésben egy mikroszkopikus szövetségesekből álló csoport egyre nagyobb hangsúlyt kap a laboratóriumokban és egyre inkább a valódi kísérleti projektekben is: a mikroalgák, a szennyező anyagok valódi felfalói és a magas hozzáadott értékű erőforrások előállítói.
Mik azok a mikroalgák, és miért olyan érdekesek a víztisztítás szempontjából?
A mikroalgák egysejtű fotoszintetizáló élőlények, amelyek vízi környezetben élnekMegtalálhatók mind édesvízben, mind sós vízben, sőt, még a meglehetősen zord körülmények között élő szennyvízben is. A növényekhez hasonlóan fényt és CO2-t használnak.2 növekedni, de ezt sokkal gyorsabb ütemben és nagyon magas fotoszintetikus hatékonysággal teszik.
Vízkezelési szempontból az teszi őket különlegessé, hogy képesek megkötik a tápanyagokat, például a nitrogént és a foszfort, elnyelik a nehézfémeket és visszatartják a mérgező szerves vegyületeketEzen szennyező anyagok közül sok a biomassza részévé válik, vagy a sejtfelszínükhöz kötődik, lehetővé téve számukra, hogy viszonylag egyszerű begyűjtési folyamatokkal eltávolítsák őket a vízből.
Továbbá, ahogy a mikroalgák növekednek Szén-dioxidot fogyasztanak és oxigént bocsátanak kiEz nagyon hasznos a tisztítórendszerekben, mivel elősegíti a szerves anyagok oxidációját, és segít megelőzni az eutrofizációs epizódokat folyókban, víztározókban és lagúnákban.
Gyors növekedésük és szélsőséges körülmények közötti tűrőképességük azt jelenti, hogy megfelelő kezelés esetén integrálhatók a következő folyamatokba: bioremediáció és biofinomító ahol a cél nemcsak a fertőtlenítés, hanem a probléma gazdasági lehetőséggé alakítása is.
Bányászatból származó nehézfémek: a kutatók előtt álló kihívás
Az egyik legösszetettebb szennyezőforrás, amellyel foglalkozni kell, a bányászati és bizonyos kohászati iparágak szennyvizeEzek a patakok általában aggasztó koncentrációban tartalmaznak kadmiumot, rezet, ólmot és más nehézfémeket, amelyek feloldódnak a vízben, és átjutnak a folyókon és a víztartó rétegeken.
Az erős bányászati hagyományokkal rendelkező területeken, mint például a környéken Tinto folyó Huelva tartománybanEgy súlyos környezeti probléma halmozódik fel évtizedek óta: a magas fémtartalmú víz, amelyet nem lehet újra felhasználni öntözésre, és amely, ha nem megfelelően kezelik, végül károsítja a talajt, a vadvilágot és az emberi egészséget. Hasonló forgatókönyv van kialakulóban a világban is. észak-svédország, ahol Európa legnagyobb ritkaföldfém-lelőhelyét azonosították, aminek következtében megnő a kitermeléssel járó kiömlések kockázata.
Hogy válaszoljanak erre a kihívásra, a csapatok a következő országokból származnak: University Huelva és Umeåi Egyetem (Svédország) Olyan mikroalgákon alapuló rendszereket fejlesztettek ki, amelyek képesek megfogni és megtartani ezeket a nehézfémeket, még akkor is, ha összekeverednek tűnnek, ami a való életben történik, és nem a tankönyvi kísérletekben.
Az első kísérletek kimutatták, hogy bizonyos mikroalgák fajai, különösen a nemzetségbe tartozók ChlorellaNagyon hatékonyan tudták eltávolítani a kadmiumot vagy a rezet, ha izolálták őket a környezetben. A kihívás azonban az volt, hogy egy lépéssel tovább menjenek, és működőképessé tegyék ezt a folyamatot. komplex fémkeverékekkel, a valódi bányászati szennyvizekben található körülményekhez hasonló körülményeket szimulálva.
Mikroalgák és polimerek biofilmjei: egy természetes szűrő, amely hulladékot hasznosít
Ezen kutatócsoportok előrehaladásának kulcsa az összefogásban rejlett. ipari hulladékból származó polimer anyagokkal készült mikroalgákA drága hordozók vagy egyszer használatos kémiai reagensek használata helyett úgy döntöttek, hogy maradék kénből és használt főzőolajból – két olyan melléktermékből – készülnek, amelyeket általában kidobnak.
Amikor a mikroalgák érintkezésbe kerülnek ezzel a polimer anyaggal, egy biofilm, amelyben a sejtek erősen tapadnak a hordozó felületéhezEz a film egy természetes szűrőt hoz létre, amely felfogja a kadmiumot, a rezet és az ólmot, jelentősen növelve a szennyezett víz, a mikroalgák és a polimer közötti érintkezési felületet.
Az eredményeket szakfolyóiratban publikálták Zöld kémia Azt mutatják, hogy nyolc óra kezelés után a rendszer képes eltávolítja a kadmium és a réz körülbelül 95%-át, az ólom több mint felét jelen vannak a vízben, még viszonylag magas koncentrációk mellett is (8-10 milligramm/liter nagyságrendben).
Ezek a kísérletek különösen a mikroalgákra összpontosítottak Chlorella sorokinianaFigyelemre méltó a robusztus sejtfala, a közepesen és magas toxicitású környezetet elviselő képessége, valamint a nagyon gyors növekedési üteme, amely néhány nap alatt befejezi fejlődési ciklusát. Más szóval, ez egy faj jól alkalmazkodik a szélsőséges körülményekhez és nagyon hatékony a tisztításban.
Egy másik érdekes szempont, hogy ez a rendszer megfelelő tervezéssel lehetővé teszi, hogy visszanyerjük a csapdába esett fémeket a polimerből és a mikroalgákból ipari újrahasznosítás céljából. Ez a hangsúlyt a probléma egyszerű áthárításáról (tiszta víz, de szennyezett biomassza) egy olyan megközelítésre helyezi át, amely lezárja a kört ezen fémek kinyerésével és értéknövelésével.
Hogyan reagálnak a mikroalgák a nehézfémekre
A Huelvai Egyetem kutatócsoportja a következő témákra összpontosított: A fotoszintetizáló élőlények genetikai fejlesztéserészletesen tanulmányozta, hogy mi történik a mikroalgák sejtjein belül és kívül, amikor nehézfémekkel teli víznek vannak kitéve.
Látták, hogy körülötte A fémek 90%-a a sejtfelszínhez tapadva marada mikroalga falához rögzül. A fennmaradó 10% behatol a sejtbe, ahol oxidációs és redukciós folyamatok aktiválódnak, hogy csökkentsék ezen elemek toxicitását.
Ezen fémek egy része felhalmozódik a vakuólumok, kissejtes organellumok amelyek tárolórekeszekként működnek. Ez mindenekelőtt a kadmiummal fordul elő, ami arra utal, hogy a mikroalgák speciális mechanizmusokkal rendelkeznek a nagyon mérgező szennyező anyagok kezelésére.
Bár a belső felhalmozódás segít csökkenteni a környezeti toxicitást, kihívást is jelent: ha az összes biomassza nehézfémekkel telítődik, akkor a bioüzemanyagként vagy hozzáadott értékű összetevőként való közvetlen felhasználása korlátozott, hacsak nem fejlesztenek ki hatékony eljárást a ... először vonják ki ezeket a fémeket a biomasszából.
Ezért a jelenlegi munka egy része a mikroalgák növekedésének ösztönzését vizsgálja. előnyben részesítik a fémeket a felületükön és elősegítik azok későbbi deszorpcióját, így mind a fémek, mind maga a tisztítórendszer újra felhasználható, ezáltal integrálva egy egyértelmű körforgásos gazdasági megközelítést.
Fémeken túl: kőolajvegyületek és petrolkémiai szennyezés
Nem csak a nehézfémek okoznak fejfájást a szennyvízben; vannak más is kőolajból és petrolkémiai iparból származó szerves vegyületeksok közülük perzisztens és rendkívül mérgező a halakra, madarakra és emberekre nézve.
Friss kutatás, megjelent a folyóiratban Toxicskimutatták, hogy bizonyos mikroalgák képesek felhasználni policiklusos aromás szénhidrogének és más kőolajszármazékok szénforráskéntMás szóval, képesek „megenni” ezen szennyező anyagok egy részét, lebontani vagy kevésbé káros molekulákká alakítani azokat.
A Huelvai Egyetemen már dolgoznak olyan projekteken, mint például AlgaPol, ahol adszorbens polimerek és mikroalgák kombinált használatát alkalmazzák a petrolkémiai iparból származó összetett szennyező anyagok kezelésére: a fenolos származékoktól a rendkívül veszélyes policiklusos aromás vegyületekig.
Ez a fajta kutatás a biofilmek és a mikroalga-polimer hibrid rendszerek koncepciójának adaptálására törekszik, hogy ne csak fémek keverékeivel működjenek, hanem szénhidrogéneket és perzisztens szerves anyagokat tartalmazó kiömlések, amelyre még mindig nincs teljesen kielégítő ipari kezelés.
Az eredmények azt mutatják, hogy jó fajválasztással és a hordozóanyagok finomított tervezésével a mikroalgák lehetnek a kíméletesebb fertőtlenítési technológiák kulcsfontosságú eleme, alacsonyabb energiafogyasztással és kevesebb agresszív kémiai reagens felhasználásával.
Mikroalgák az olajsajtoló malmok szennyvízében: fertőtlenítés és biotermékek előállítása
Egy másik nagy érdeklődésre számot tartó terület a kezelés Az olívaolaj-sajtolók és az olívaolaj-ágazat kibocsátásaiEzek a vizek magas koncentrációban tartalmaznak szerves anyagokat és mérgező fenolos vegyületeket, amelyek nagymértékben megnehezítik közvetlen kibocsátásukat vagy öntözési célú felhasználásukat szigorú előzetes kezelés nélkül.
A Kémiai, Környezeti és Anyagmérnöki Tanszék csapata Egyetem Jaen tanulmányozta a mikroalgák használatát Neochloris oleoabundans hogy pontosan ezeket az olajsajtoló malmokból származó vizeket kezeljék, figyelemre méltó eredményeket elérve mind a fertőtlenítésben, mind az ipari alkalmazásokban a biomassza előállításában.
A folyóiratban megjelent tanulmány Mérnöki tudományok az élettudományokbanEz azt mutatja, hogy az olajszennyezés súlyosbodhat tápanyagforrás e mikroalga szabályozott növekedéséhezA szennyvíz kezdeti toxicitása ellenére a kiválasztott faj képes boldogulni, és a vízben jelenlévő vegyületeket erőforrásként felhasználni saját fejlődéséhez.
A vizsgálatok során egy közötti csökkenést figyeltek meg a fő szennyező anyagok 66%, illetve 94%-a ezekből a vizekből, elérve a végső, újrahasznosításra alkalmas szennyvizet. Ugyanakkor a mikroalga nagyon érdekes összetételű biomasszát halmozott fel: körülbelül 56% szénhidrát, 51% lipid és 49,5% fehérje.
Ezekkel az arányokkal a biomassza felhasználható a következők előállítására: biodízel, bioetanol, biotrágyák, kozmetikai összetevők vagy állati takarmányezáltal új üzletágakat generálva az olívaolaj-termeléssel párhuzamosan, és megerősítve az olajfaligetek körforgásos gazdasági modelljét.
Szennyvízkeverékek: tápanyagok optimalizálása és toxicitás csökkentése
A Jaéni Egyetem kutatói nem csupán az olajmalomból származó egyetlen vízfolyást vizsgálták. Kiértékelték három különböző típusú szennyvíz: az olajbogyók őrlés előtti mosásához használt víz, a centrifugálás utáni olajmosáshoz használt víz, és egy áramló víz a következőből: városi szennyvíztisztító telepről.
Minden pataknak megvan a saját „személyisége”: az olajsajátítókból származó patakok sok szerves anyagot és fenolos vegyületet hordoznak, míg a városi frakció főként A nitrogén és a foszfor elengedhetetlen a mikroalgák növekedéséhezAz ötlet az volt, hogy megfelelő arányban kombinálják őket, hogy hígítsák a toxicitást, miközben biztosítják a szükséges tápanyagokat is.
A keverékek beállításával egy sokkal stabilabb folyamatot értek el, amelyben a mikroalga a toxicitás miatti összeomlás nélkül növekedhetett, és a következőket érték el: 94%-os csökkenés a nitrátok és nitritek, 93%-os a kémiai oxigénigény és 66%-os a fenolos vegyületek esetébenMás szóval, egy nagyon mélyreható tisztítási folyamat, amely olyan hulladékot használ, amely egészen a közelmúltig komoly fejfájást okozott az olívaolaj-sajtolóknak.
Ez a keletkező, lipidekben, fehérjékben és szénhidrátokban gazdag biomassza így válik egy több ipari kimenettel rendelkező erőforrásA bioüzemanyagoktól a szerves műtrágyákon át a kozmetikai vagy állati takarmány adalékanyagokig, tökéletesen illeszkedve a körforgásos gazdaság alapelveihez.
A csapat által fontolóra vett következő lépés a valódi olajsajtoló üzem körülményeihez igazítvaolyan rendszerek tervezése, amelyek képesek nagy mennyiségű szennyvízzel dolgozni az olívaolaj-szezon alatt, és ellenállnak a szennyvíz összetételének változékonyságának a szezon során.
Mikroalgák a városi és ipari szennyvíz kezelésében
A hagyományos városi szennyvíztisztítás fizikai-kémiai és biológiai folyamatokon alapul, amelyek bár hatékonyak, drága az energia és a reagensek tekintetébenés néha nehezen kezelhető iszapot termelnek. Ebben az összefüggésben a mikroalgák használatát nagyon vonzó alternatívának vagy kiegészítőnek tekintik.
A kommunális és ipari szennyvíz jellemzően a következők keverékét tartalmazza: tápanyagok (nitrogén és foszfor), nehézfémek és újonnan felmerülő szennyező anyagokEzek közé tartoznak a gyógyszerek, a személyes higiéniai termékek és a növényvédő szerek nyomai. Ezen vegyületek közül sok makacsul lebomlik, és a hagyományos kezelésekkel nehéz eltávolítani.
A mikroalgák viszont képesek arra, hogy nagy mennyiségű tápanyag megkötésére, bizonyos fémek megkötésére és a kapcsolódó baktériumokkal együttműködve összetett szerves vegyületek lebontásáraA fotoszintézis során oxigént szabadítanak fel, ami csökkenti a reaktorokban a mechanikus levegőztetés szükségességét, ami a hagyományos szennyvíztisztító telepek egyik legenergiaigényesebb aspektusa.
A legújabb tudományos szakirodalom szerint a mikroalgákon alapuló kezelőrendszerek integrálhatják a következő megközelítést: átfogó bioremediációTisztítják a vizet, oxigént termelnek és megkötik a CO₂-t.2 és felhasználható biomasszát biztosítanak bioüzemanyagokban, biotrágyákban és más nagy értékű termékekben.
Azonban nem minden tökéletes: a mikroalga biomassza begyűjtésének és szárításának hagyományos módszerei gyakran... drága és nagyon energiaigényesEz korlátozza a nagymértékű megvalósítását, ha az elválasztási és valorizációs folyamatokat nem fejlesztik.
Európai projekt WWTBP-by-Microalgae: spirulina és nagy értékű pigmentek
Az Európai Unió hatalmas szennyvízhálózattal rendelkezik, amely több mint 3,2 millió kilométernyi csővezeték...amelyeket végül tisztítótelepekre bocsátanak. Itt jön képbe az európai projekt. Szennyvízből kék pigment mikroalgák segítségével (WWTBP mikroalgák segítségével), amely bizonyos mikroalgák, például a spirulina szennyvíztisztítási lehetőségeinek kiaknázására összpontosít, miközben nagy értékű termékeket állít elő.
Ebben a projektben a spirulinát arra használják, hogy tápanyagok, például nitrátok és foszfátok megkötésére, valamint szennyező anyagok, köztük bizonyos nehézfémek eltávolításáraA víz tisztítása során fikocianint termel, egy kék pigmentet, amelyet nagyra értékelnek az élelmiszeriparban, a kozmetikai iparban és a nutraceutikumokban.
Az egyik fő szűk keresztmetszet a biomassza összegyűjtésének és szárításának költsége volt, ezért a csapat erre összpontosított hatékonyabb, alacsonyabb energiafogyasztású betakarítási technikákat fejleszteniBevezettek egy kétfázisú kezelési eljárást, és teszteltek egy új kapszulázási módszert a fotoszintetikus baktériumok számára. Synechococcus, nagyon gyakori a tengeri környezetben.
Ezenkívül egy innovatív rendszert is kidolgoztak, amely elektrokoagulációval történő szűrés a spirulina betakarításához, ami jelentősen csökkenti a szükséges energiát a hagyományos elválasztási módszerekhez képest. Ez egy lépéssel közelebb hozza ezeket a rendszereket a gazdasági életképességhez a valós alkalmazásokban.
A projekt során végzett tanulmányok azt is kimutatták, hogy bizonyos körülmények között a A vörös fényű megvilágítás növeli a biomassza- és pigmenttermeléstKülönösen jó eredményeket értek el a sörfőzdék szennyvízének tisztításában, ahol a CO2-leválasztást más eljárásokkal kombinálják.2, vízkezelés, valamint kereskedelmi értékű pigmentek és biomassza előállítása.
Megvalósítási kihívások: klíma, szabályozások és társadalmi elfogadottság
Bár a technikai eredmények nagyon ígéretesek, a mikroalga alapú rendszerek tömeges alkalmazása még mindig várat magára. különféle gyakorlati kihívásokAz egyik ilyen az éghajlat: sok mikroalga-törzs rosszabbul növekszik alacsony hőmérsékleten és kevesebb napsugárzás mellett, ami jellemző az európai telekre.
Ennek az akadálynak a leküzdésére kutatócsoportok tesztelnek hideg és gyenge fényviszonyokhoz alkalmazkodott fajták, mint amilyeneket Észak-Európában találnak. Ezek az ellenálló mikroalgák akkor is képesek tisztítani a vizet, ha az időjárás nem ideális.
Továbbá a termesztőrendszerek skálázhatósága technikai és gazdasági kérdéseket vet fel: a reaktorokat és fotobioreaktorokat úgy kell megtervezni, hogy stabil terméshozam fenntartása nagy mennyiségbenjó megvilágítást biztosítanak, megkönnyítik a betakarítást, és költséghatékonyak a hagyományos technológiákhoz képest.
Egy másik fontos szempont a szabályozási és társadalmi megítélés kérdése: a mikroalga biomassza felhasználása szennyvíz olyan ágazatokban, mint az élelmiszeripar, a kozmetika vagy a gyógyszeripar Szigorú szabályozásoknak és bizonyos fokú fogyasztói bizalmatlanságnak van kitéve, annak ellenére, hogy a végtermékek tisztítottak és ellenőrzöttek.
Ezért az olyan projektek, mint a WWTBP-by-Microalgae, magukban foglalják a fejlesztést is üzleti tervek, piackutatás, jogi elemzés és kommunikációs stratégiák, azzal a céllal, hogy életképes alkalmazási réseket találjanak, és biztosítsák, hogy a folyamatok megfeleljenek minden hatályos szabályozásnak.
A mikroalgákon alapuló körforgásos gazdaság felé
A leírt kezdeményezések közül sok közös megközelítést alkalmaz: az egykor problémás hulladékot értékes erőforrássá alakítani. használt főzőolaj, maradék kén, olívaolaj-sajtoló szennyvíz vagy sörfőzde szennyvíz a mikroalgák termesztésének szubsztrátjaként vagy hordozójaként való felhasználása tökéletesen illeszkedik a körforgásos gazdaság logikájába.
Ahelyett, hogy energiát és pénzt fektetnénk csak a szennyező anyagok eltávolításába, az ötlet az, hogy olyan folyamatokat integráljunk, amelyekben a mikroalgák... Fertőtlenítik a vizet, megkötik a CO₂-t2 és biomasszát termelnek bioüzemanyagokhoz, biotrágyákhoz, természetes pigmentekhez vagy más ipari szempontból érdekes termékekhez szánják.
Az ilyen típusú rendszerek enyhíthetik a víztestekre nehezedő nyomást, csökkentve az eutrofizáció kockázatát, javítva a folyók és tavak ökológiai minőségét, és hozzájárulva a számos ipari tevékenység szénlábnyomának csökkentéseMindezt anélkül, hogy mindig agresszív vagy rendkívül drága kémiai kezelésekhez kellene folyamodni.
Még van tennivaló: kihívások vannak a méretnövelés, a betakarítás optimalizálása, a fémek kinyerése és a különböző típusú szennyvízhez való alkalmazkodás terén. A Huelva, Umeå, Jaén, Gent és más központokban szerzett tapasztalatok azonban azt mutatják, hogy a mikroalgák... sokkal több, mint egy bioüzemanyag-forrásStratégiai szövetségesek a víztisztítás és a hulladékkezelés újragondolásában.
A vízhiány, az éghajlatváltozás és a felelősségteljesebb ipari folyamatok iránti igény jellemzi a mikroalgákat, amelyek egyre inkább megszilárdítják pozíciójukat. természetes, rugalmas és meglepően sokoldalú megoldás, amely képes egyetlen rendszerben egyesíteni a biotechnológiát, a környezetvédelmet és az új gazdasági lehetőségeket.