Het water dat uit de kraan komt, ziet er schoon uit, maar daarachter schuilt een duistere kant. Het groeiende probleem van huishoudelijke en industriële vervuiling Dit wordt elk jaar moeilijker te beheersen. Afvalwater afkomstig van stedelijke afwatering, mijnbouw, intensieve landbouw, petrochemie en voedselproductie bevat een onaangename mix van zware metalen, overtollige voedingsstoffen, giftige organische stoffen en nieuwe verontreinigingen zoals farmaceutische producten en pesticiden.
Deze combinatie verandert veel rivieren, meren en grondwaterlagen in ware chemische cocktails, waarin het water Het water is niet langer drinkbaar, ongeschikt voor veilige irrigatie en brengt ernstige schade toe aan aquatische ecosystemen.In deze context wint een groep microscopische bondgenoten aan populariteit in laboratoria en, in toenemende mate, in echte pilotprojecten: microalgen, ware verslinders van verontreinigende stoffen en producenten van waardevolle grondstoffen.
Wat zijn microalgen en waarom zijn ze zo interessant voor waterzuivering?
Microalgen zijn eencellige fotosynthetische organismen die in waterrijke omgevingen levenZe komen voor in zowel zoet als zout water, en zelfs in afvalwater onder vrij extreme omstandigheden. Net als planten gebruiken ze licht en CO2.2 Ze groeien weliswaar, maar doen dat in een veel sneller tempo en met een zeer hoge fotosynthetische efficiëntie.
Vanuit het oogpunt van waterzuivering is hun bijzondere eigenschap dat ze Ze vangen voedingsstoffen zoals stikstof en fosfor op, absorberen zware metalen en houden giftige organische verbindingen vast.Veel van deze verontreinigende stoffen worden onderdeel van hun biomassa of hechten zich aan hun celoppervlak, waardoor ze via relatief eenvoudige oogstprocessen uit het water kunnen worden verwijderd.
Bovendien, naarmate de microalgen groeien Ze verbruiken koolstofdioxide en geven zuurstof af.Dit is zeer nuttig in zuiveringssystemen omdat het de oxidatie van organisch materiaal bevordert en helpt eutrofiëring in rivieren, reservoirs en lagunes te voorkomen.
Hun snelle groei en het vermogen om te gedijen onder extreme omstandigheden betekenen dat ze, mits goed beheerd, kunnen worden geïntegreerd in processen van bioremediatie en bioraffinaderij waarbij het doel niet alleen is om te ontsmetten, maar ook om het probleem om te zetten in een economische kans.
Zware metalen uit de mijnbouw: de uitdaging voor onderzoekers
Een van de meest complexe bronnen van vervuiling om aan te pakken is die van de afvalwater afkomstig van de mijnbouw en bepaalde metallurgische industrieënDeze beken bevatten vaak zorgwekkende concentraties cadmium, koper, lood en andere zware metalen die in het water oplossen en zich via rivieren en grondwaterlagen verspreiden.
In gebieden met een sterke mijnbouwtraditie, zoals de omgeving van De rivier Tinto in de provincie HuelvaEen ernstig milieuprobleem is al decennialang aan de gang: water met een hoge metaalconcentratie dat niet hergebruikt kan worden voor irrigatie en dat, indien niet goed behandeld, uiteindelijk de bodem, de fauna en de menselijke gezondheid aantast. Een vergelijkbaar scenario doet zich nu voor in de Noord-Zweden, waar de grootste afzetting van zeldzame aardmetalen in Europa is ontdekt, met het daaruit voortvloeiende verhoogde risico op lekkages als gevolg van de winning.
Om deze uitdaging aan te gaan, hebben teams van University of Huelva en Universiteit van Umeå (Zweden) Ze hebben systemen ontwikkeld op basis van microalgen die in staat zijn deze zware metalen op te vangen en vast te houden, zelfs wanneer ze gemengd voorkomen, wat in de praktijk gebeurt en niet in experimenten uit leerboeken.
De eerste proeven toonden aan dat bepaalde soorten microalgen, met name van het geslacht ChlorellaZe konden cadmium of koper zeer effectief verwijderen wanneer ze geïsoleerd in het milieu aanwezig waren. Maar de uitdaging was om een ​​stap verder te gaan en dit proces werkend te krijgen. met complexe mengsels van metalenwaarbij omstandigheden worden gesimuleerd die vergelijkbaar zijn met die in daadwerkelijk mijnbouwafvalwater.
Biofilms van microalgen en polymeren: een natuurlijk filter dat afvalstoffen benut
De sleutel tot de vooruitgang van deze onderzoeksteams ligt in de combinatie van factoren. microalgen met polymere materialen verkregen uit industrieel afvalIn plaats van dure dragermaterialen of chemische reagentia voor eenmalig gebruik te gebruiken, kozen ze ervoor om een ​​materiaal te ontwerpen dat gemaakt is van restzwavel en gebruikte frituurolie, twee bijproducten die normaal gesproken worden weggegooid.
Wanneer microalgen in contact komen met dit polymere materiaal, treedt er een reactie op. biofilm waarin cellen zich sterk hechten aan het oppervlak van de dragerDeze film vormt een natuurlijk filter dat cadmium, koper en lood afvangt, waardoor het contactoppervlak tussen het verontreinigde water, de microalgen en het polymeer aanzienlijk wordt vergroot.
De resultaten zijn gepubliceerd in het gespecialiseerde tijdschrift. Groene chemie Ze laten zien dat het systeem na acht uur behandeling in staat is om... Verwijder ongeveer 95% van het cadmium en koper, en meer dan de helft van het lood. aanwezig in het water, zelfs bij relatief hoge concentraties (in de orde van 8-10 milligram per liter).
Deze proeven waren met name gericht op microalgen. Chlorella sorokinianaHet is opmerkelijk vanwege zijn robuuste celwand, zijn vermogen om omgevingen met een gemiddelde tot hoge toxiciteit te verdragen en een zeer hoge groeisnelheid, waarbij de ontwikkelingscyclus in enkele dagen wordt voltooid. Met andere woorden, het is een soort. goed aangepast aan extreme omstandigheden en zeer efficiënt voor zuivering..
Een ander interessant aspect is dat dit systeem, met het juiste ontwerp, het mogelijk maakt om de ingesloten metalen terugwinnen van het polymeer en de microalgen voor hergebruik in de industrie. Dit verschuift de focus van het simpelweg verplaatsen van het probleem (schoon water maar verontreinigde biomassa) naar een aanpak die de kringloop sluit door deze metalen terug te winnen en te valoriseren.
Hoe microalgen reageren op zware metalen
De onderzoeksgroep aan de Universiteit van Huelva richtte zich op de Genetische verbetering van fotosynthetische organismenheeft gedetailleerd onderzocht wat er binnen en buiten de cellen van microalgen gebeurt wanneer deze worden blootgesteld aan water dat zware metalen bevat.
Ze hebben gezien dat, rondom de 90% van de metalen blijft aan het celoppervlak gehecht.verankerd aan de celwand van de microalg. De resterende 10% dringt de cel binnen, waar oxidatie- en reductieprocessen worden geactiveerd om de toxiciteit van deze elementen te verminderen.
Een deel van die metalen hoopt zich uiteindelijk op in de vacuolen, kleine celorganellen die fungeren als opslagcompartimenten. Dit gebeurt vooral met cadmium, wat erop wijst dat microalgen specifieke mechanismen hebben om zeer giftige verontreinigende stoffen te verwerken.
Hoewel interne accumulatie helpt de milieutoxiciteit te verminderen, brengt het ook een uitdaging met zich mee: als al die biomassa beladen raakt met zware metalen, is het directe gebruik ervan voor biobrandstoffen of waardevolle ingrediënten beperkt, tenzij een effectief proces wordt ontwikkeld om dit te voorkomen. Extraheer eerst die metalen uit de biomassa..
Daarom richt een deel van het huidige onderzoek zich op manieren om de groei van microalgen te stimuleren. ze adsorberen bij voorkeur metalen op hun oppervlak. en hun daaropvolgende desorptie te vergemakkelijken, zodat zowel de metalen als het zuiveringssysteem zelf hergebruikt kunnen worden, waarmee een duidelijke circulaire economie wordt geïntegreerd.
Voorbij metalen: aardolieverbindingen en petrochemische vervuiling
Zware metalen zijn niet het enige probleem in afvalwater; er zijn ook andere problemen. organische verbindingen afkomstig uit aardolie en de petrochemische industrieVeel van deze stoffen zijn hardnekkig en zeer giftig voor vissen, vogels en mensen.
Recent onderzoek, gepubliceerd in het tijdschrift. Toxische stoffenhebben aangetoond dat bepaalde microalgen gebruik kunnen maken van polycyclische aromatische koolwaterstoffen en andere uit aardolie afgeleide verbindingen als koolstofbronMet andere woorden, ze zijn in staat om een ​​deel van deze verontreinigende stoffen "op te eten", ze af te breken of om te zetten in minder schadelijke moleculen.
Aan de Universiteit van Huelva werken ze al aan projecten zoals AlgaPolwaarbij het gebruik van adsorberende polymeren en microalgen wordt gecombineerd om complexe verontreinigingen uit de petrochemische industrie aan te pakken: van fenolische derivaten tot zeer gevaarlijke polycyclische aromatische verbindingen.
Dit type onderzoek heeft tot doel het concept van biofilms en hybride systemen van microalgen en polymeren aan te passen, zodat ze niet alleen werken met mengsels van metalen, maar ook met olielekkages vol koolwaterstoffen en persistente organische stoffenwaarvoor nog steeds geen volledig bevredigende industriële behandeling bestaat.
Recente ontwikkelingen suggereren dat microalgen, met een goede selectie van soorten en een verfijnd ontwerp van de dragermaterialen, een belangrijk onderdeel van zachtere ontsmettingstechnologieën, met een lager energieverbruik en minder gebruik van agressieve chemische reagentia.
Microalgen in afvalwater van olijfmolens: ontsmetting en productie van bioproducten
Een ander gebied van grote interesse is het beheer van de Lozingen van olijfoliemolens en de olijfoliesectorDit water bevat een hoge concentratie organisch materiaal en giftige fenolische verbindingen, waardoor het niet direct geloosd kan worden of voor irrigatie gebruikt kan worden zonder grondige voorbehandeling.
Een team van de afdeling Chemische, Milieu- en Materiaaltechniek van de Universiteit van Jaen heeft onderzoek gedaan naar het gebruik van de microalg Neochloris oleoabundans Om dit afvalwater van olijfmolens nauwkeurig te behandelen, worden opmerkelijke resultaten behaald, zowel op het gebied van ontsmetting als de productie van biomassa met industriële toepassingen.
De studie, gepubliceerd in het tijdschrift Techniek in de levenswetenschappenDit laat zien dat olielekkages een voedingsbron voor de gecontroleerde groei van deze microalgOndanks de aanvankelijke giftigheid van het afvalwater, is de geselecteerde soort in staat te gedijen en de aanwezige stoffen in het water als hulpbron voor zijn eigen ontwikkeling te gebruiken.
In de onderzoeken werd een vermindering van tussen één 66% en 94% van de belangrijkste verontreinigende stoffen van dit water, waardoor een eindafvalwater ontstaat dat geschikt is voor hergebruik. Tegelijkertijd accumuleerde de microalg een biomassa met een zeer interessante samenstelling: ongeveer 56% koolhydraten, 51% vetten en 49,5% eiwitten.
Met deze verhoudingen kan die biomassa gebruikt worden voor de productie van biodiesel, bio-ethanol, biobemesting, ingrediënten voor cosmetica of diervoederDit genereert nieuwe bedrijfsactiviteiten parallel aan de olijfolieproductie en versterkt een circulair economisch model voor de olijfgaard.
Afvalwatermengsels: optimalisatie van voedingsstoffen en vermindering van toxiciteit
De onderzoekers van de Universiteit van Jaén bestudeerden niet slechts één waterstraal uit de olijfmolen. Ze evalueerden verschillende waterstromen. drie verschillende soorten afvalwater: het water dat gebruikt wordt om de olijven te wassen vóór het persen, het water dat gebruikt wordt om de olie te wassen na het centrifugeren, en een stroom van stedelijk afvalwater afkomstig van een rioolwaterzuiveringsinstallatie.
Elke waterstroom heeft zijn eigen "karakter": de waterstromen afkomstig van olijfmolens bevatten veel organisch materiaal en fenolverbindingen, terwijl de stedelijke fractie voornamelijk bijdraagt ​​aan... Stikstof en fosfor zijn essentieel voor de groei van microalgen.Het idee was om ze in de juiste verhoudingen te combineren om de toxiciteit te verdunnen en tegelijkertijd de noodzakelijke voedingsstoffen te leveren.
Door de mengsels aan te passen, werd een veel stabieler proces bereikt, waarbij de microalg kon groeien zonder door toxiciteit te bezwijken, en het volgende werd bereikt: een reductie van 94% in nitraten en nitrieten, 93% in chemische zuurstofbehoefte en 66% in fenolverbindingenMet andere woorden: een zeer grondig zuiveringsproces waarbij afvalstoffen worden gebruikt die tot voor kort een grote bron van problemen vormden voor olijfoliemolens.
Deze resulterende biomassa, rijk aan lipiden, eiwitten en koolhydraten, wordt zo een grondstof met meerdere industriële toepassingenVan biobrandstoffen tot organische meststoffen en additieven voor cosmetica of diervoeding, perfect passend bij de principes van de circulaire economie.
De volgende stap die het team overweegt is opgeschaald naar de omstandigheden in een echte olijfmolen.Het ontwerpen van systemen die grote volumes aankunnen gedurende het hele olijfolieseizoen en bestand zijn tegen de wisselende samenstelling van het afvalwater gedurende dat seizoen.
Microalgen bij de behandeling van stedelijk en industrieel afvalwater.
Traditionele stedelijke afvalwaterzuivering is gebaseerd op fysisch-chemische en biologische processen die, hoewel effectief, soms te complex kunnen zijn. kostbaar qua energie en reagentiaen soms produceren ze slib dat moeilijk te verwerken is. In deze context wordt het gebruik van microalgen beschouwd als een zeer aantrekkelijk alternatief of aanvulling.
Gemeentelijk en industrieel afvalwater bevat doorgaans een mengsel van voedingsstoffen (stikstof en fosfor), zware metalen en opkomende verontreinigende stoffenDit omvat sporen van medicijnen, persoonlijke verzorgingsproducten en bestrijdingsmiddelen. Veel van deze stoffen zijn hardnekkig en moeilijk te verwijderen met conventionele behandelingen.
Microalgen zijn op hun beurt in staat tot om grote hoeveelheden voedingsstoffen op te nemen, bepaalde metalen te binden en, in combinatie met geassocieerde bacteriën, complexe organische verbindingen af ​​te breken.Tijdens de fotosynthese produceren ze zuurstof, waardoor de behoefte aan mechanische beluchting in de reactoren afneemt. Dit is namelijk een van de meest energie-intensieve aspecten van een conventionele afvalwaterzuiveringsinstallatie.
Volgens recente wetenschappelijke literatuur kunnen op microalgen gebaseerde behandelingssystemen een aanpak integreren van uitgebreide bioremediatieZe zuiveren water, produceren zuurstof en vangen COâ‚‚ af.2 en bruikbare biomassa leveren voor biobrandstoffen, biobemesting en andere hoogwaardige producten.
Niet alles is echter perfect: traditionele methoden voor het oogsten en drogen van microalgenbiomassa zijn vaak duur en zeer energie-intensiefDit beperkt de grootschalige implementatie ervan als de scheidings- en valorisatieprocessen niet worden verbeterd.
Europees project WWTBP-by-Microalgae: spirulina en hoogwaardige pigmenten
De Europese Unie beschikt over een gigantisch rioolstelsel, met meer dan 3,2 miljoen kilometer aan pijpleidingendie uiteindelijk in zuiveringsinstallaties terechtkomen. Dat is waar het Europese project om de hoek komt kijken. Afvalwater naar blauw pigment door microalgen (WWTBP-by-Microalgae), gericht op het benutten van het potentieel van bepaalde microalgen, zoals spirulina, om afvalwater te zuiveren en tegelijkertijd waardevolle producten te genereren.
In dit project wordt spirulina gebruikt om om voedingsstoffen zoals nitraten en fosfaten af ​​te vangen, en om verontreinigingen, waaronder bepaalde zware metalen, te verwijderen.Tijdens het zuiveren van het water produceert het fycocyanine, een blauw pigment dat zeer gewaardeerd wordt in de voedingsmiddelen-, cosmetica- en nutraceutische industrie.
Een van de grootste knelpunten waren de kosten voor het verzamelen en drogen van de biomassa, dus het team concentreerde zich op Efficiëntere oogsttechnieken ontwikkelen met een lager energieverbruik.Er werd een tweefasig behandelingsproces geïntroduceerd en een nieuwe inkapselingsmethode voor de fotosynthetische bacteriën werd getest. Synechokokken, komt zeer vaak voor in het mariene milieu.
Bovendien werd een innovatief systeem ontworpen om filtratie door elektrocoagulatie Voor de oogst van spirulina wordt de benodigde energie aanzienlijk verminderd in vergelijking met conventionele scheidingsmethoden. Dit brengt deze systemen een stap dichter bij economische haalbaarheid in praktijktoepassingen.
Uit onderzoek van het project is ook gebleken dat onder bepaalde omstandigheden de Verlichting met rood licht verhoogt de biomassa-productie en de pigmentproductiviteit.Met name bij de behandeling van afvalwater van brouwerijen, waar CO2-afvang gecombineerd wordt met andere processen, zijn goede resultaten behaald.2, waterzuivering en de productie van pigmenten en biomassa met commerciële waarde.
Uitdagingen bij de implementatie: klimaat, regelgeving en maatschappelijke acceptatie.
Hoewel de technische resultaten zeer veelbelovend zijn, staat de grootschalige implementatie van op microalgen gebaseerde systemen nog steeds voor uitdagingen. diverse praktische uitdagingenEen van de factoren is het klimaat: veel microalgensoorten gedijen slechter bij lage temperaturen en minder zonlicht, iets wat typisch is voor Europese winters.
Om dit obstakel te overwinnen, testen onderzoeksteams verschillende methoden. stammen aangepast aan koude en omstandigheden met weinig licht.Zoals bijvoorbeeld de soorten die in Noord-Europa voorkomen. Deze veerkrachtige microalgen kunnen zelfs bij minder ideale weersomstandigheden doorgaan met zuiveren.
Bovendien roept de schaalbaarheid van kweeksystemen technische en economische vragen op: reactoren en fotobioreactoren moeten zodanig ontworpen worden dat ze geschikt zijn voor diverse toepassingen. stabiele gewassen in grote hoeveelheden behoudenZe zorgen voor goede verlichting, vergemakkelijken de oogst en zijn kosteneffectief in vergelijking met conventionele technologieën.
Een ander belangrijk aspect is de regelgeving en de maatschappelijke perceptie: het gebruik van biomassa van microalgen. afvalwater in sectoren zoals de voedingsmiddelen-, cosmetica- of farmaceutische industrie. Het is onderworpen aan strenge regelgeving en een zekere mate van wantrouwen bij de consument, ondanks dat de eindproducten gezuiverd en gecontroleerd worden.
Daarom omvatten projecten zoals WWTBP-by-Microalgae ook de ontwikkeling van bedrijfsplannen, marktonderzoek, juridische analyses en communicatiestrategieënmet als doel het vinden van haalbare toepassingsniches en het waarborgen dat de processen voldoen aan alle geldende regelgeving.
Op weg naar een circulaire economie gebaseerd op microalgen
Veel van de beschreven initiatieven delen een gemeenschappelijke aanpak: het transformeren van wat ooit problematisch afval was in een waardevolle grondstof. Het gebruik van gebruikte frituurolie, restzwavel, afvalwater van olijfoliemolens of afvalwater van brouwerijen Het gebruik ervan als substraat of drager voor de teelt van microalgen past perfect in de logica van de circulaire economie.
In plaats van energie en geld te investeren om alleen maar vervuilende stoffen te verwijderen, is het de bedoeling om processen te integreren waarbij microalgen een rol spelen. Ze zuiveren het water, ze vangen COâ‚‚ af.2 en biomassa genereren Bestemd voor biobrandstoffen, biobemesting, natuurlijke pigmenten of andere producten van industrieel belang.
Dit soort systemen kan ook de druk op waterlichamen verlichten, het risico op eutrofiëring verminderen, de ecologische kwaliteit van rivieren en meren verbeteren en bijdragen aan het verminderen van de CO2-voetafdruk van veel industriële activiteitenDit alles zonder dat daarvoor agressieve of extreem dure chemische behandelingen nodig zijn.
Er is nog werk aan de winkel: er zijn uitdagingen op het gebied van opschaling, optimalisatie van de oogst, terugwinning van metalen en aanpassing aan verschillende soorten afvalwater. Maar ervaringen in Huelva, Umeå, Jaén, Gent en andere centra laten zien dat microalgen veel meer dan alleen een grondstof voor biobrandstoffenZe zijn strategische bondgenoten bij het heroverwegen van de manier waarop we water zuiveren en wat we met afval doen.
In een scenario dat wordt gekenmerkt door watercrisis, klimaatverandering en de behoefte aan meer verantwoorde industriële processen, verstevigen microalgen hun positie als een natuurlijke, flexibele en verrassend veelzijdige oplossing, in staat om biotechnologie, milieubescherming en nieuwe economische kansen in één systeem te verenigen.