Voda tečúca z kohútika vyzerá čistá, ale za ňou je rastúci problém domáceho a priemyselného znečistenia ...ktorý sa každým rokom stáva ťažšie kontrolovateľným. Medzi mestským odtokom, ťažbou, intenzívnym poľnohospodárstvom, petrochemickým priemyslom a výrobou potravín nesie odpadová voda nepríjemnú zmes ťažkých kovov, nadbytočných živín, toxických organických zlúčenín a nových kontaminantov, ako sú liečivá a pesticídy.
Táto kombinácia premieňa mnohé rieky, jazerá a vodonosné vrstvy na skutočné chemické koktaily, kde voda Prestáva byť pitná, nie je vhodná na bezpečné zavlažovanie a vážne poškodzuje vodné ekosystémy.V tejto súvislosti nadobúda v laboratóriách a čoraz viac aj v reálnych pilotných projektoch významnú úlohu skupina mikroskopických spojencov: mikroriasy, skutoční požierači znečisťujúcich látok a generátori zdrojov s vysokou pridanou hodnotou.
Čo sú to mikroriasy a prečo sú také zaujímavé pre čistenie vody?
Mikroriasy sú jednobunkové fotosyntetické organizmy žijúce vo vodnom prostredíMožno ich nájsť v sladkej aj slanej vode, a dokonca aj v odpadovej vode s pomerne drsnými podmienkami. Rovnako ako rastliny, využívajú svetlo a CO2.2 rásť, ale robia tak oveľa rýchlejšie a s veľmi vysokou fotosyntetickou účinnosťou.
Z hľadiska úpravy vody sú ich výnimočné vďaka ich schopnosti... zachytávajú živiny ako dusík a fosfor, absorbujú ťažké kovy a zadržiavajú toxické organické zlúčeninyMnohé z týchto znečisťujúcich látok sa stávajú súčasťou ich biomasy alebo sa fixujú na povrchu ich buniek, čo umožňuje ich odstránenie z vody relatívne jednoduchými procesmi zberu.
Okrem toho, ako rastú mikroriasy Spotrebúvajú oxid uhličitý a uvoľňujú kyslíkToto je veľmi užitočné v čistiarnych systémoch, pretože podporuje oxidáciu organickej hmoty a pomáha predchádzať eutrofizácii v riekach, nádržiach a lagúnach.
Ich rýchly rast a schopnosť prosperovať v extrémnych podmienkach znamená, že pri dobrej starostlivosti ich možno integrovať do procesov... bioremediácia a biorafinéria kde cieľom nie je len dekontaminácia, ale aj premena problému na ekonomickú príležitosť.
Ťažké kovy z ťažby: výzva, ktorej čelia výskumníci
Jedným z najzložitejších zdrojov znečistenia, s ktorým sa treba vysporiadať, je odpadová voda z ťažobného a niektorého hutníckeho priemysluTieto toky bežne obsahujú znepokojujúce koncentrácie kadmia, medi, olova a iných ťažkých kovov, ktoré sa rozpúšťajú vo vode a prenikajú riekami a vodonosnými vrstvami.
V oblastiach so silnou baníckou tradíciou, ako napríklad v okolí Rieka Tinto v provincii HuelvaVážny environmentálny problém sa hromadí už desaťročia: voda s vysokým obsahom kovov, ktorú nemožno opätovne použiť na zavlažovanie a ktorá, ak nie je správne upravená, nakoniec ovplyvňuje pôdu, voľne žijúce zvieratá a ľudské zdravie. Podobný scenár sa objavuje aj v... severné švédsko, kde bolo identifikované najväčšie ložisko vzácnych zemín v Európe, s následným zvýšeným rizikom únikov spojených s ťažbou.
Aby odpovedali na túto výzvu, tímy z University of Huelva a Univerzita v Umeå (Švédsko) Vyvinuli systémy založené na mikroorganizmoch, ktoré sú schopné zachytiť a udržať tieto ťažké kovy, aj keď sa zdajú byť zmiešané, čo sa deje v reálnom živote a nie v učebnicových experimentoch.
Prvé pokusy ukázali, že určité druhy mikrorias, najmä rodu ХлореллаDokázali veľmi účinne odstrániť kadmium alebo meď, keď boli izolované v prostredí. Výzvou však bolo ísť o krok ďalej a zabezpečiť, aby tento proces fungoval. s komplexnými zmesami kovov, simulujúc podmienky podobné podmienkam v skutočných banských odpadových vodách.
Biofilmy z mikrorias a polymérov: prirodzený filter, ktorý využíva odpad
Kľúčom k pokroku týchto výskumných tímov bolo spojenie mikroriasy s polymérnymi materiálmi získanými z priemyselného odpaduNamiesto použitia drahých nosičov alebo jednorazových chemických činidiel sa rozhodli navrhnúť materiál vyrobený zo zvyškovej síry a použitého kuchynského oleja, dvoch vedľajších produktov, ktoré sa bežne vyhadzujú.
Keď mikroriasy prídu do kontaktu s týmto polymérnym materiálom, biofilm, v ktorom bunky pevne priľnú k povrchu nosičaTáto vrstva vytvára prirodzený filter, ktorý zachytáva kadmium, meď a olovo, čím výrazne zväčšuje kontaktnú plochu medzi kontaminovanou vodou, mikroriasami a polymérom.
Výsledky publikované v špecializovanom časopise Zelená chémia Ukazujú, že po ôsmich hodinách liečby je systém schopný odstrániť približne 95 % kadmia a medi a viac ako polovicu olova prítomné vo vode, a to aj pri práci s relatívne vysokými koncentráciami (rádovo 8 – 10 miligramov na liter).
Tieto pokusy sa zamerali najmä na mikroriasy Chlorella sorokinianaVyznačuje sa robustnou bunkovou stenou, schopnosťou tolerovať prostredie so strednou až vysokou úrovňou toxicity a veľmi vysokou rýchlosťou rastu, pričom svoj vývojový cyklus dokončí v priebehu niekoľkých dní. Inými slovami, je to druh dobre prispôsobený extrémnym podmienkam a veľmi účinný pri čistení.
Ďalším zaujímavým aspektom je, že tento systém umožňuje pri správnom návrhu, získať späť zachytené kovy z polyméru a mikroorganizmov na opätovné použitie v priemysle. Tým sa pozornosť presúva z jednoduchého prenosu problému (čistá voda, ale kontaminovaná biomasa) na prístup, ktorý uzatvára cyklus získavaním a zhodnocovaním týchto kovov.
Ako mikroriasy reagujú na ťažké kovy
Výskumná skupina na Univerzite v Huelve sa zamerala na Genetické zdokonaľovanie fotosyntetických organizmov, podrobne študoval, čo sa deje vo vnútri a mimo buniek mikrorias, keď sú vystavené vode nasýtenej ťažkými kovmi.
Videli to okolo 90 % kovov zostáva pripojených k povrchu bunkyukotvené v stene mikroriasy. Zvyšných 10 % preniká do bunky, kde sa aktivujú oxidačné a redukčné procesy, aby sa znížila toxicita týchto prvkov.
Niektoré z týchto kovov sa nakoniec hromadia v vakuoly, organely malých buniek ktoré fungujú ako úložné priestory. Toto sa deje predovšetkým s kadmiom, čo naznačuje, že mikroriasy majú špecifické mechanizmy na spracovanie vysoko toxických znečisťujúcich látok.
Hoci vnútorná akumulácia pomáha znižovať environmentálnu toxicitu, predstavuje aj výzvu: ak sa všetka táto biomasa zaťaží ťažkými kovmi, jej priame využitie na biopalivá alebo zložky s pridanou hodnotou je obmedzené, pokiaľ sa nevyvinie účinný proces na... najprv extrahovať tieto kovy z biomasy.
Preto sa niektoré zo súčasných prác zaoberajú tým, ako podporiť rast mikroorganizmov. prednostne adsorbujú kovy na svoj povrch a uľahčiť ich následnú desorpciu, aby sa kovy aj samotný čistiaci systém mohli opätovne použiť, čím sa integruje jasný prístup obehového hospodárstva.
Viac ako kovy: ropné zlúčeniny a petrochemické znečistenie
Ťažké kovy nie sú jediným problémom v odpadových vodách; existujú aj organické zlúčeniny získané z ropy a petrochemického priemyslumnohé z nich sú perzistentné a vysoko toxické pre ryby, vtáky a ľudí.
Nedávny výskum publikovaný v časopise Toxické látky, ukázali, že niektoré mikroriasy môžu používať polycyklické aromatické uhľovodíky a iné zlúčeniny odvodené od ropy ako zdroj uhlíkaInými slovami, sú schopné „zjesť“ časť týchto znečisťujúcich látok, degradovať ich alebo ich transformovať na menej škodlivé molekuly.
Na Univerzite v Huelve už pracujú na projektoch ako napr. AlgaPol, kde sa kombinuje použitie adsorpčných polymérov a mikrorias na riešenie komplexných kontaminantov z petrochemického priemyslu: od fenolových derivátov až po vysoko nebezpečné polycyklické aromatické zlúčeniny.
Tento typ výskumu sa snaží prispôsobiť koncept biofilmov a hybridných systémov mikrorias a polymérov tak, aby fungovali nielen so zmesami kovov, ale aj s úniky s obsahom uhľovodíkov a perzistentných organických látok, pre ktoré stále neexistuje plne uspokojivé priemyselné spracovanie.
Pokroky naznačujú, že s dobrým výberom druhov a prepracovaným dizajnom podporných materiálov môžu byť mikroriasy kľúčová súčasť šetrnejších dekontaminačných technológií, s nižšou spotrebou energie a menším použitím agresívnych chemických činidiel.
Mikroriasy v odpadových vodách z olivových mlynov: dekontaminácia a výroba bioproduktov
Ďalšou oblasťou veľkého záujmu je riadenie Vypúšťanie z mlynov na olivový olej a zo sektora olivového olejaTieto vody obsahujú vysoko koncentrované organické látky a toxické fenolové zlúčeniny, ktoré výrazne bránia ich priamemu vypúšťaniu alebo použitiu na zavlažovanie bez dôkladnej predchádzajúcej úpravy.
Tím z Katedry chemického, environmentálneho a materiálového inžinierstva University of Jaen študoval použitie mikrorias Neochloris oleoabundans presne upravovať tieto vody z olivových mlynov, čím sa dosahujú pozoruhodné výsledky v dekontaminácii aj pri výrobe biomasy s priemyselnými aplikáciami.
Štúdia zverejnená v časopise Inžinierstvo v biologických vedáchTo dokazuje, že úniky ropy sa môžu stať zdroj živín pre kontrolovaný rast tejto mikroriasyNapriek počiatočnej toxicite odpadových vôd je vybraný druh schopný prosperovať a využívať zlúčeniny prítomné vo vode ako zdroj pre svoj vlastný vývoj.
V štúdiách sa pozorovalo zníženie medzi jednou 66 % a 94 % hlavných znečisťujúcich látok týchto vôd, čím sa dosiahol konečný výtok vhodný na opätovné použitie. Zároveň mikroriasa nahromadila biomasu s veľmi zaujímavým zložením: približne 56 % sacharidov, 51 % lipidov a 49,5 % bielkovín.
S týmito pomermi sa táto biomasa môže použiť na výrobu bionafta, bioetanol, biohnojivá, kozmetické prísady alebo krmivo pre zvieratáčím sa vytvárajú nové obchodné oblasti súbežne s výrobou olivového oleja a posilňuje sa model obehového hospodárstva pre olivové háje.
Zmesi odpadových vôd: optimalizácia živín a zníženie toxicity
Výskumníci z Univerzity v Jaéne neštudovali len jeden prúd vody z mlyna na olivy. Vyhodnotili tri rôzne typy odpadových vôd: voda použitá na umývanie olív pred mletím, voda použitá na umývanie oleja po odstreďovaní a prietok z mestská odpadová voda z ČOV.
Každý potok má svoju vlastnú „osobnosť“: tie z olivových mlynov obsahujú veľa organických látok a fenolických zlúčenín, zatiaľ čo mestská frakcia prispieva najmä Dusík a fosfor sú nevyhnutné pre rast mikroriasCieľom bolo skombinovať ich vo vhodných pomeroch, aby sa zmiernila toxicita a zároveň poskytli potrebné živiny.
Úpravou zmesí sa dosiahol oveľa stabilnejší proces, v ktorom mohli mikroriasy rásť bez toho, aby sa zrútili v dôsledku toxicity, a dosiahlo sa nasledovné: zníženie dusičnanov a dusitanov o 94 %, chemickej spotreby kyslíka o 93 % a fenolových zlúčenín o 66 %Inými slovami, ide o veľmi hlboký proces čistenia s využitím odpadu, ktorý bol donedávna hlavným problémom pre mlyny na výrobu olivového oleja.
Táto výsledná biomasa, bohatá na lipidy, bielkoviny a sacharidy, sa tak stáva zdroj s viacerými priemyselnými výstupmiOd biopalív až po organické hnojivá a prísady do kozmetiky alebo krmiva pre zvieratá, čo dokonale zodpovedá princípom obehového hospodárstva.
Ďalším krokom, ktorý tím zvažuje, je prispôsobené podmienkam skutočného mlyna na olivynavrhovanie systémov, ktoré dokážu pracovať s veľkými objemami počas celej sezóny výroby olivového oleja a odolávať variabilite zloženia odpadových vôd počas celej sezóny.
Mikroriasy v čistení mestských a priemyselných odpadových vôd
Tradičné čistenie mestských odpadových vôd sa spolieha na fyzikálno-chemické a biologické procesy, ktoré síce môžu byť účinné, ale... nákladné na energiu a činidláa niekedy vytvárajú kal, s ktorým je ťažké manipulovať. V tejto súvislosti sa použitie mikrorias považuje za veľmi atraktívnu alternatívu alebo doplnok.
Komunálna a priemyselná odpadová voda zvyčajne obsahuje zmes živiny (dusík a fosfor), ťažké kovy a nové kontaminantyPatria sem stopy liekov, produktov osobnej hygieny a pesticídov. Mnohé z týchto zlúčenín sú perzistentné a ťažko sa odstraňujú konvenčnými spôsobmi.
Mikroriasy sú zasa schopné zachytiť veľké množstvo živín, fixovať určité kovy a v kombinácii s pridruženými baktériami rozložiť zložité organické zlúčeninyPočas fotosyntézy uvoľňujú kyslík, čo znižuje potrebu mechanického prevzdušňovania v reaktoroch, čo je jeden z energeticky najnáročnejších aspektov konvenčnej čistiarne odpadových vôd.
Podľa nedávnej vedeckej literatúry môžu systémy úpravy na báze mikrorias integrovať prístup komplexná bioremediáciaČistia vodu, vytvárajú kyslík a zachytávajú CO₂.2 a poskytovať využiteľnú biomasu v biopalivách, biohnojivách a iných produktoch s vysokou hodnotou.
Nie všetko je však dokonalé: tradičné metódy zberu a sušenia biomasy mikrorias sú často drahé a veľmi energeticky náročnéTo obmedzuje jeho rozsiahle využitie, ak sa nezlepšia procesy separácie a zhodnocovania.
Európsky projekt WWTBP-by-Microalgae: spirulina a vysokohodnotné pigmenty
Európska únia má obrovskú kanalizačnú sieť s viac ako 3,2 milióna kilometrov potrubíktoré sa nakoniec vypúšťajú do čistiarní odpadových vôd. Tu prichádza na rad európsky projekt. Čistenie odpadových vôd na modré pigmenty pomocou mikrorias (ČOV pomocou mikrorias), zameraná na využitie potenciálu určitých mikroorganizmov, ako je spirulina, na čistenie odpadových vôd a zároveň na výrobu vysokohodnotných produktov.
V tomto projekte sa spirulina používa na zachytiť živiny, ako sú dusičnany a fosfáty, ako aj odstrániť kontaminanty vrátane niektorých ťažkých kovovPri čistení vody produkuje fykokyanín, modrý pigment vysoko cenený v potravinárskom, kozmetickom a nutraceutickom priemysle.
Jedným z hlavných problémov boli náklady na zber a sušenie biomasy, takže sa tím zameral na vyvinúť efektívnejšie techniky zberu s nižšou spotrebou energieBol zavedený dvojfázový proces úpravy a bola testovaná nová metóda zapuzdrenia fotosyntetických baktérií. Synechococcus, veľmi bežný v morskom prostredí.
Okrem toho bol navrhnutý inovatívny systém, ktorý filtrácia elektrokoaguláciou na zber spiruliny, čím sa výrazne znižuje potrebná energia v porovnaní s konvenčnými separačnými metódami. Vďaka tomu sú tieto systémy o krok bližšie k ekonomickej životaschopnosti v reálnych aplikáciách.
Štúdie z projektu tiež ukázali, že za určitých podmienok Osvetlenie červeným svetlom zvyšuje produkciu biomasy a produktivitu pigmentovObzvlášť dobré výsledky sa dosiahli pri čistení odpadových vôd z pivovarov, kde sa zachytávanie CO2 kombinuje s inými procesmi.2, úprava vody a výroba pigmentov a biomasy s komerčnou hodnotou.
Výzvy pri implementácii: klíma, predpisy a spoločenská akceptácia
Hoci sú technické výsledky veľmi sľubné, masová implementácia systémov na báze mikrorias stále čelí problémom. rôzne praktické výzvyJedným z nich je podnebie: mnohé kmene mikrorias rastú horšie pri nízkych teplotách a menšom množstve slnečného žiarenia, čo je typické pre európske zimy.
Aby prekonali túto prekážku, výskumné tímy testujú odrody prispôsobené chladným a slabým svetelným podmienkam, ako napríklad tie, ktoré sa nachádzajú v severnej Európe. Tieto odolné mikroriasy dokážu pokračovať v čistení, aj keď počasie nie je ideálne.
Škálovateľnosť kultivačných systémov navyše vyvoláva technické a ekonomické otázky: reaktory a fotobioreaktory musia byť navrhnuté tak, aby udržiavať stabilné plodiny vo veľkých objemochumožňujú dobré osvetlenie, uľahčujú zber úrody a sú cenovo konkurencieschopné v porovnaní s konvenčnými technológiami.
Ďalším dôležitým frontom je regulačná a spoločenská percepcia: využívanie biomasy mikrorias z odpadových vôd v odvetviach, ako sú potravinársky, kozmetický alebo farmaceutický priemysel Podlieha prísnym predpisom a určitej miere nedôvere spotrebiteľov, aj keď sú konečné produkty čistené a kontrolované.
Preto projekty ako WWTBP-by-Microalgae zahŕňajú aj vývoj obchodné plány, prieskum trhu, právne analýzy a komunikačné stratégie, s cieľom nájsť schodné aplikačné medzery a zabezpečiť, aby procesy boli v súlade so všetkými aktuálnymi predpismi.
Smerom k obehovému hospodárstvu založenému na mikroriasach
Mnohé z opísaných iniciatív majú spoločný prístup: transformáciu kedysi problematického odpadu na cenný zdroj. Využitie použitý kuchynský olej, zvyšková síra, odpadové vody z mlynov na olivový olej alebo odpadové vody z pivovarov ako substráty alebo podpory pre pestovanie mikrorias dokonale zapadá do logiky obehového hospodárstva.
Namiesto investovania energie a peňazí len do odstraňovania znečisťujúcich látok je myšlienkou integrovať procesy, v ktorých mikroriasy... Dekontaminujú vodu, zachytávajú CO₂2 a vyrábať biomasu určené pre biopalivá, biohnojivá, prírodné pigmenty alebo iné produkty priemyselného záujmu.
Tieto typy systémov môžu tiež zmierniť tlak na vodné plochy, čím sa znižuje riziko eutrofizácie, zlepšuje sa ekologická kvalita riek a jazier a prispieva sa k... znížiť uhlíkovú stopu mnohých priemyselných činnostíTo všetko bez toho, aby ste sa museli vždy uchyľovať k agresívnym alebo extrémne drahým chemickým úpravám.
Stále je čo robiť: existujú výzvy v oblasti rozširovania, optimalizácie zberu, získavania kovov a prispôsobovania sa rôznym typom odpadových vôd. Skúsenosti z Huelvy, Umeå, Jaénu, Gentu a ďalších centier však ukazujú, že mikroriasy sú oveľa viac než len zdroj biopalívSú strategickými spojencami pri prehodnotení toho, ako čistíme vodu a čo robíme s odpadom.
V scenári poznačenom vodnou krízou, klimatickými zmenami a potrebou zodpovednejších priemyselných procesov si mikroriasy upevňujú svoju pozíciu... prirodzené, flexibilné a prekvapivo všestranné riešenie, schopný spojiť biotechnológiu, ochranu životného prostredia a nové ekonomické príležitosti v jednom systéme.