Ūdens, kas tek no krāna, izskatās tīrs, bet aiz tā ir... Pieaugošā sadzīves un rūpnieciskā piesārņojuma problēma ko katru gadu kļūst arvien grūtāk kontrolēt. Pilsētu notekūdeņi, kalnrūpniecība, intensīvā lauksaimniecība, naftas ķīmijas produkti un pārtikas ražošana rada nepatīkamu smago metālu, lieko barības vielu, toksisku organisko savienojumu un jaunu piesārņotāju, piemēram, farmaceitisko līdzekļu un pesticīdu, maisījumu.
Šī kombinācija pārvērš daudzas upes, ezerus un ūdens nesējslāņus par īstiem ķīmiskiem kokteiļiem, kur ūdens Tas vairs nav dzerams, nav piemērots drošai apūdeņošanai un nopietni kaitē ūdens ekosistēmām.Šajā kontekstā laboratorijās un arvien vairāk arī reālos pilotprojektos ieņem arvien lielāku vietu mikroskopisku sabiedroto grupa: mikroaļģes, īsti piesārņotāju rijēji un augstas pievienotās vērtības resursu ražotāji.
Kas ir mikroaļģes un kāpēc tās ir tik interesantas ūdens attīrīšanai?
Mikroaļģes ir vienšūnas fotosintēzes organismi, kas dzīvo ūdens vidēTos var atrast gan saldūdenī, gan sālsūdenī un pat notekūdeņos ar diezgan skarbiem apstākļiem. Tāpat kā augi, tie izmanto gaismu un CO2.2 augt, bet tie to dara daudz ātrāk un ar ļoti augstu fotosintēzes efektivitāti.
No ūdens attīrīšanas viedokļa tos tik īpašus padara spēja uztver barības vielas, piemēram, slāpekli un fosforu, absorbē smagos metālus un aiztur toksiskus organiskos savienojumusDaudzi no šiem piesārņotājiem kļūst par daļu no to biomasas vai tiek fiksēti uz to šūnu virsmas, ļaujot tos noņemt no ūdens, izmantojot relatīvi vienkāršus ieguves procesus.
Turklāt, mikroaļģēm augot Tie patērē oglekļa dioksīdu un izdala skābekliTas ir ļoti noderīgi attīrīšanas sistēmās, jo veicina organisko vielu oksidēšanos un palīdz novērst eitrofikācijas epizodes upēs, ūdenskrātuvēs un lagūnās.
To straujā augšana un spēja attīstīties ekstremālos apstākļos nozīmē, ka, pareizi apsaimniekojot, tos var integrēt dzīves procesos. bioremediācija un biorafinēšana kur mērķis ir ne tikai dekontaminēt, bet arī pārvērst problēmu ekonomiskā iespējā.
Smagie metāli no ieguves rūpniecības: izaicinājums, ar kuru saskaras pētnieki
Viens no sarežģītākajiem piesārņojuma avotiem, ar ko jātiek galā, ir notekūdeņi no kalnrūpniecības un noteiktām metalurģijas nozarēmŠajās straumēs parasti ir satraucoša kadmija, vara, svina un citu smago metālu koncentrācija, kas izšķīst ūdenī un pārvietojas pa upēm un ūdens nesējslāņiem.
Apgabalos ar spēcīgām kalnrūpniecības tradīcijām, piemēram, apkārtnē Tinto upe Huelvas provincēJau gadu desmitiem uzkrājas nopietna vides problēma: ūdens ar augstu metālu saturu, ko nevar atkārtoti izmantot apūdeņošanai un kas, ja netiek pienācīgi attīrīts, galu galā ietekmē augsni, savvaļas dzīvniekus un cilvēku veselību. Līdzīgs scenārijs veidojas arī ziemeļzviedrija, kur ir atklāta lielākā retzemju atradne Eiropā, kā rezultātā palielinās ar ieguvi saistīto noplūžu risks.
Lai atbildētu uz šo izaicinājumu, komandas no University of Huelva un Ūmeo Universitāte (Zviedrija) Viņi ir izstrādājuši sistēmas, kuru pamatā ir mikroaļģes, kas spēj uztvert un saglabāt šos smagos metālus pat tad, ja tie šķiet sajaukti, kas notiek reālajā dzīvē, nevis mācību grāmatu eksperimentos.
Pirmie izmēģinājumi parādīja, ka noteiktas mikroaļģu sugas, īpaši ģints HlorellaTie varēja ļoti efektīvi atdalīt kadmiju vai varu, ja tie bija izolēti vidē. Taču izaicinājums bija spert soli tālāk un panākt, lai šis process darbotos. ar sarežģītiem metālu maisījumiem, imitējot apstākļus, kas ir līdzīgi tiem, kas atrodami reālās ieguves notekūdeņos.
Mikroaļģu un polimēru bioplēves: dabisks filtrs, kas izmanto atkritumus
Šo pētniecības komandu progresa atslēga ir bijusi apvienošana mikroaļģes ar polimēru materiāliem, kas iegūti no rūpnieciskajiem atkritumiemTā vietā, lai izmantotu dārgus balstus vai vienreiz lietojamus ķīmiskos reaģentus, viņi izvēlējās izstrādāt materiālu, kas izgatavots no atlikušā sēra un izlietotas cepamās eļļas, diviem blakusproduktiem, kas parasti tiek izmesti.
Kad mikroaļģes nonāk saskarē ar šo polimēru materiālu, a bioplēve, kurā šūnas stingri pielīp pie pamatnes virsmasŠī plēve rada dabisku filtru, kas uztver kadmiju, varu un svinu, ievērojami palielinot saskares virsmu starp piesārņoto ūdeni, mikroaļģēm un polimēru.
Rezultāti publicēti specializētā žurnālā Zaļā ķīmija Tie parāda, ka pēc astoņu stundu ilgas apstrādes sistēma spēj noņemt aptuveni 95% kadmija un vara un vairāk nekā pusi svina atrodas ūdenī, pat strādājot ar relatīvi augstām koncentrācijām (apmēram 8–10 miligrami litrā).
Šie izmēģinājumi ir īpaši vērsti uz mikroaļģēm. Hlorella sorokinianaTā ir ievērojama ar savu izturīgo šūnu sienu, spēju paciest vidi ar vidēju līdz augstu toksicitātes līmeni un ļoti augstu augšanas ātrumu, pabeidzot attīstības ciklu dažu dienu laikā. Citiem vārdiem sakot, tā ir suga labi pielāgots ekstremāliem apstākļiem un ļoti efektīvs attīrīšanai.
Vēl viens interesants aspekts ir tas, ka šī sistēma ar pareizu dizainu ļauj atgūt iesprostotos metālus no polimēra un mikroaļģēm atkārtotai izmantošanai rūpniecībā. Tas novirza uzmanību no vienkāršas problēmas pārnešanas (tīrs ūdens, bet piesārņota biomasa) uz pieeju, kas noslēdz apli, atgūstot un pārvēršot šos metālus vērtīgā veidā.
Kā mikroaļģes reaģē uz smagajiem metāliem
Huelvas Universitātes pētniecības grupa koncentrējās uz Fotosintēzes organismu ģenētiskā uzlabošana, ir detalizēti pētījis, kas notiek mikroaļģu šūnu iekšpusē un ārpusē, kad tās tiek pakļautas ar smagajiem metāliem piesātinātam ūdenim.
Viņi to ir redzējuši apkārt 90% metālu paliek piesaistīti šūnas virsmaipiestiprināts pie mikroaļģes sieniņas. Atlikušie 10% iekļūst šūnā, kur tiek aktivizēti oksidācijas un reducēšanas procesi, lai samazinātu šo elementu toksicitāti.
Daži no šiem metāliem galu galā uzkrājas vakuolas, sīkšūnu organellas kas darbojas kā uzglabāšanas nodalījumi. Tas galvenokārt notiek ar kadmiju, kas liecina, ka mikroaļģēm ir specifiski mehānismi ļoti toksisku piesārņotāju apstrādei.
Lai gan iekšējā uzkrāšanās palīdz samazināt vides toksicitāti, tā rada arī izaicinājumu: ja visa šī biomasa kļūst piesātināta ar smagajiem metāliem, tās tieša izmantošana biodegvielas vai pievienotās vērtības sastāvdaļu ražošanā ir ierobežota, ja vien netiek izstrādāts efektīvs process, lai vispirms iegūst šos metālus no biomasas.
Tāpēc daļa no pašreizējā darba pēta, kā veicināt mikroaļģu augšanu. priekšroku dod metālu adsorbcijai uz to virsmas un veicināt to sekojošu desorbciju, lai gan metālus, gan pašu attīrīšanas sistēmu varētu izmantot atkārtoti, tādējādi integrējot skaidru aprites ekonomikas pieeju.
Vairāk nekā metāli: naftas savienojumi un naftas ķīmiskais piesārņojums
Smagie metāli nav vienīgās problēmas notekūdeņos; ir arī citi organiskie savienojumi, kas iegūti no naftas un naftas ķīmijas rūpniecībasdaudzi no tiem ir noturīgi un ļoti toksiski zivīm, putniem un cilvēkiem.
Jaunākie pētījumi, kas publicēti žurnālā Toksiskas vielas, ir pierādījuši, ka noteiktas mikroaļģes var izmantot policikliskie aromātiskie ogļūdeņraži un citi no naftas iegūti savienojumi kā oglekļa avotsCitiem vārdiem sakot, tie spēj "apēst" daļu no šiem piesārņotājiem, noārdot tos vai pārveidojot mazāk kaitīgās molekulās.
Huelvas Universitātē jau strādā pie tādiem projektiem kā AlgaPol, kur adsorbentu polimēru un mikroaļģu kombinācija tiek izmantota, lai risinātu naftas ķīmijas rūpniecības sarežģīto piesārņotāju problēmu: sākot no fenola atvasinājumiem līdz ļoti bīstamiem policikliskiem aromātiskiem savienojumiem.
Šāda veida pētījumi cenšas pielāgot bioplēvju un mikroaļģu-polimēru hibrīdsistēmu koncepciju, lai tās darbotos ne tikai ar metālu maisījumiem, bet arī ar noplūdes, kas piesātinātas ar ogļūdeņražiem un noturīgām organiskām vielām, kam joprojām nav pilnībā apmierinošas rūpnieciskas attīrīšanas.
Sasniegumi liecina, ka ar labu sugu izvēli un izsmalcinātu atbalsta materiālu dizainu mikroaļģes var būt saudzīgāku dekontaminācijas tehnoloģiju galvenā sastāvdaļa, ar zemāku enerģijas patēriņu un mazāku agresīvu ķīmisko reaģentu izmantošanu.
Mikroaļģes olīvu dzirnavu notekūdeņos: dekontaminācija un bioproduktu ražošana
Vēl viena ļoti interesanta joma ir pārvaldība. Izplūdes no olīveļļas spiestuvēm un olīveļļas nozaresŠie ūdeņi satur ļoti koncentrētas organiskās vielas un toksiskus fenola savienojumus, kas ievērojami apgrūtina to tiešu novadīšanu vai izmantošanu apūdeņošanā bez rūpīgas iepriekšējas attīrīšanas.
Ķīmijas, vides un materiālu inženierijas katedras komanda University of Jaen ir pētījis mikroaļģu izmantošanu Neochloris oleoabundans lai precīzi attīrītu šos ūdeņus no olīvu dzirnavām, sasniedzot ievērojamus rezultātus gan dekontaminācijā, gan biomasas ražošanā rūpnieciskiem lietojumiem.
Pētījums, kas publicēts žurnālā Inženierzinātnes dzīvības zinātnēsTas parāda, ka naftas noplūdes var kļūt par barības vielu avots šīs mikroaļģes kontrolētai augšanaiNeskatoties uz notekūdeņu sākotnējo toksicitāti, atlasītā suga spēj attīstīties un izmantot ūdenī esošos savienojumus kā resursu savai attīstībai.
Pētījumos samazinājums bija starp vienu 66% un 94% no galvenajiem piesārņotājiem no šiem ūdeņiem, sasniedzot galīgo notekūdeņu, kas ir piemērots atkārtotai izmantošanai. Vienlaikus mikroaļģes uzkrāja biomasu ar ļoti interesantu sastāvu: aptuveni 56% ogļhidrātu, 51% lipīdu un 49,5% olbaltumvielu.
Ar šādām proporcijām šo biomasu var izmantot ražošanai biodīzeļdegviela, bioetanols, biomēslojums, kosmētikas sastāvdaļas vai dzīvnieku barībatādējādi radot jaunas uzņēmējdarbības jomas paralēli olīveļļas ražošanai un nostiprinot aprites ekonomikas modeli olīvu birzīm.
Notekūdeņu maisījumi: barības vielu optimizācija un toksicitātes samazināšana
Haenas Universitātes pētnieki nepētīja tikai vienu ūdens straumi no olīvu dzirnavām. Viņi novērtēja trīs dažādi notekūdeņu veidi: ūdens, ko izmanto olīvu mazgāšanai pirms malšanas, ūdens, ko izmanto eļļas mazgāšanai pēc centrifugēšanas, un plūsma no pilsētas notekūdeņi no notekūdeņu attīrīšanas iekārtām.
Katrai straumei ir sava “personība”: olīvu dzirnavu straumes satur daudz organisko vielu un fenola savienojumu, savukārt pilsētu frakcija galvenokārt rada… Slāpeklis un fosfors ir svarīgi mikroaļģu augšanaiIdeja bija tos apvienot atbilstošās proporcijās, lai atšķaidītu toksicitāti, vienlaikus nodrošinot arī nepieciešamās uzturvielas.
Pielāgojot maisījumus, tika panākts daudz stabilāks process, kurā mikroaļģes varēja augt, nesabrūkot toksicitātes dēļ, un tika panākts sekojošais: 94 % samazinājums nitrātu un nitrītu gadījumā, 93 % ķīmiskā skābekļa patēriņa gadījumā un 66 % fenola savienojumu gadījumāCitiem vārdiem sakot, ļoti dziļa attīrīšanas process, izmantojot atkritumus, kas līdz nesenam laikam sagādāja lielas galvassāpes olīveļļas dzirnavām.
Tādējādi iegūtā biomasa, kas bagāta ar lipīdiem, olbaltumvielām un ogļhidrātiem, kļūst par resurss ar vairākām rūpnieciskām izvadēmNo biodegvielas līdz organiskajiem mēslošanas līdzekļiem un piedevām kosmētikai vai dzīvnieku barībai, kas lieliski atbilst aprites ekonomikas principiem.
Nākamais solis, ko komanda apsver, ir mērogots atbilstoši reālām olīvu dzirnavu apstākļiemtādu sistēmu projektēšana, kas var darboties ar lieliem notekūdeņu apjomiem visā olīveļļas sezonā un izturēt notekūdeņu sastāva mainīgumu visas sezonas laikā.
Mikroaļģes pilsētu un rūpniecisko notekūdeņu attīrīšanā
Tradicionālā pilsētu notekūdeņu attīrīšana balstās uz fizikāli ķīmiskiem un bioloģiskiem procesiem, kas, lai gan efektīvi, var tikt dārga enerģija un reaģentiun dažreiz rada grūti pārvaldāmas dūņas. Šajā kontekstā mikroaļģu izmantošana tiek uzskatīta par ļoti pievilcīgu alternatīvu vai papildinājumu.
Sadzīves un rūpniecības notekūdeņi parasti satur maisījumu no barības vielas (slāpeklis un fosfors), smagie metāli un jauni piesārņotājiTie ietver medikamentu, personīgās higiēnas līdzekļu un pesticīdu pēdas. Daudzi no šiem savienojumiem ir noturīgi un grūti noņemami ar parastajām metodēm.
Savukārt mikroaļģes spēj lai uztvertu lielu daudzumu barības vielu, fiksētu noteiktus metālus un kombinācijā ar saistītajām baktērijām sadalītu sarežģītus organiskos savienojumusFotosintēzes laikā tie izdala skābekli, kas samazina nepieciešamību pēc mehāniskās aerācijas reaktoros, kas ir viens no energoietilpīgākajiem tradicionālās notekūdeņu attīrīšanas iekārtas aspektiem.
Saskaņā ar jaunāko zinātnisko literatūru, uz mikroaļģēm balstītas attīrīšanas sistēmas var integrēt pieeju, kas visaptveroša bioremediācijaTie attīra ūdeni, ģenerē skābekli un uztver CO₂.2 un nodrošināt izmantojamu biomasu biodegvielā, biomēslojumos un citos augstas vērtības produktos.
Tomēr ne viss ir perfekts: tradicionālās mikroaļģu biomasas ieguves un žāvēšanas metodes bieži vien ir dārgi un ļoti energoietilpīgiTas ierobežo tā plaša mēroga ieviešanu, ja netiek uzlaboti atdalīšanas un valorizācijas procesi.
Eiropas projekts WWTBP-by-Microalgae: spirulīna un augstvērtīgi pigmenti
Eiropas Savienībai ir gigantisks kanalizācijas tīkls, kas pārsniedz 3,2 miljoni kilometru cauruļvadukas galu galā tiek novadīti attīrīšanas iekārtās. Tieši šeit noder Eiropas projekts. Notekūdeņu pārvēršana zilā pigmentā, izmantojot mikroaļģes (WWTP, izmantojot mikroaļģes), koncentrējoties uz noteiktu mikroaļģu, piemēram, spirulīnas, potenciāla izmantošanu notekūdeņu attīrīšanā, vienlaikus radot augstas vērtības produktus.
Šajā projektā spirulīna tiek izmantota, lai lai uztvertu barības vielas, piemēram, nitrātus un fosfātus, kā arī lai atdalītu piesārņotājus, tostarp noteiktus smagos metālusŪdens attīrīšanas laikā tas ražo fikocianīnu — zilu pigmentu, ko augstu vērtē pārtikas, kosmētikas un uztura bagātinātāju rūpniecībā.
Viens no galvenajiem šķēršļiem bija biomasas savākšanas un žāvēšanas izmaksas, tāpēc komanda koncentrējās uz izstrādāt efektīvākas ražas novākšanas metodes ar zemāku enerģijas patēriņuTika ieviests divfāžu apstrādes process un pārbaudīta jauna fotosintēzes baktēriju iekapsulēšanas metode. Sinekokoks, ļoti izplatīta jūras vidē.
Turklāt tika izstrādāta inovatīva sistēma, lai filtrēšana ar elektrokoagulāciju spirulīnas novākšanai, ievērojami samazinot nepieciešamo enerģiju salīdzinājumā ar tradicionālajām atdalīšanas metodēm. Tas šīs sistēmas pietuvina ekonomiskajai dzīvotspējai reālos pielietojumos.
Projekta pētījumi arī ir parādījuši, ka noteiktos apstākļos Sarkanās gaismas apgaismojums palielina biomasas ražošanu un pigmentu produktivitātiĪpaši labi rezultāti ir iegūti alus darītavu notekūdeņu attīrīšanā, kur CO2 uztveršana tiek apvienota ar citiem procesiem.2, ūdens attīrīšana un pigmentu un biomasas ražošana ar komerciālu vērtību.
Īstenošanas izaicinājumi: klimats, noteikumi un sociālā pieņemšana
Lai gan tehniskie rezultāti ir ļoti daudzsološi, mikroaļģu sistēmu masveida ieviešana joprojām ir sarežģīta. dažādi praktiski izaicinājumiViens no tiem ir klimats: daudzas mikroaļģu šķirnes sliktāk aug zemā temperatūrā un mazākā saules starojuma daudzumā, kas ir raksturīgi Eiropas ziemām.
Lai pārvarētu šo šķērsli, pētnieku komandas veic testus šķirnes, kas pielāgotas aukstumam un vājam apgaismojumam, piemēram, tādas, kādas atrodamas Ziemeļeiropā. Šīs izturīgās mikroaļģes var turpināt attīrīties pat tad, ja laikapstākļi nav ideāli.
Turklāt kultivēšanas sistēmu mērogojamība rada tehniskus un ekonomiskus jautājumus: reaktori un fotobioreaktori ir jāprojektē tā, lai uzturēt stabilas ražas lielos apjomosnodrošina labu apgaismojumu, atvieglo ražas novākšanu un ir izmaksu ziņā konkurētspējīgas salīdzinājumā ar tradicionālajām tehnoloģijām.
Vēl viens svarīgs aspekts ir regulatīvais un sociālās uztveres aspekts: mikroaļģu biomasas izmantošana no notekūdeņi tādās nozarēs kā pārtikas, kosmētikas vai farmācijas nozare Tas ir pakļauts stingriem noteikumiem un zināmai patērētāju neuzticībai, pat ja galaprodukti ir attīrīti un kontrolēti.
Tāpēc tādi projekti kā WWTBP-by-Microalgae ietver arī attīstību biznesa plāni, tirgus izpēte, juridiskā analīze un komunikācijas stratēģijas, ar mērķi atrast dzīvotspējīgas pielietojuma nišas un nodrošināt procesu atbilstību visiem spēkā esošajiem noteikumiem.
Ceļā uz aprites ekonomiku, kuras pamatā ir mikroaļģes
Daudzām aprakstītajām iniciatīvām ir kopīga pieeja: pārveidot kādreiz problemātiskus atkritumus par vērtīgu resursu. izlietota cepamā eļļa, atlikušais sērs, olīveļļas dzirnavu notekūdeņi vai alus darītavu notekūdeņi kā substrāti vai balsti mikroaļģu audzēšanai lieliski iederas aprites ekonomikas loģikā.
Tā vietā, lai ieguldītu enerģiju un naudu tikai piesārņotāju likvidēšanā, ideja ir integrēt procesus, kuros mikroaļģes Tie dezinficē ūdeni, tie uztver CO₂2 un ģenerēt biomasu paredzēts biodegvielai, bioloģiskajiem mēslošanas līdzekļiem, dabīgajiem pigmentiem vai citiem rūpnieciski svarīgiem produktiem.
Šāda veida sistēmas var arī mazināt spiedienu uz ūdenstilpnēm, samazinot eitrofikācijas risku, uzlabojot upju un ezeru ekoloģisko kvalitāti un veicinot samazināt daudzu rūpniecisko darbību oglekļa pēdas nospiedumuTas viss bez nepieciešamības vienmēr ķerties pie agresīvas vai ārkārtīgi dārgas ķīmiskas apstrādes.
Joprojām ir jāpaveic darbs: pastāv izaicinājumi mēroga palielināšanā, ieguves optimizēšanā, metālu atgūšanā un pielāgošanās dažādu veidu notekūdeņiem. Taču pieredze Huelvā, Ūmeo, Haēnā, Gentā un citos centros liecina, ka mikroaļģes ir daudz vairāk nekā tikai biodegvielas resurssViņi ir stratēģiski sabiedrotie, pārdomājot, kā mēs tīrām ūdeni un ko mēs darām ar atkritumiem.
Situācijā, ko raksturo ūdens krīze, klimata pārmaiņas un nepieciešamība pēc atbildīgākiem rūpnieciskajiem procesiem, mikroaļģes nostiprina savu pozīciju kā dabisks, elastīgs un pārsteidzoši daudzpusīgs risinājums, kas spēj apvienot biotehnoloģiju, vides aizsardzību un jaunas ekonomiskās iespējas vienotā sistēmā.