Vattnet som kommer ur kranen ser rent ut, men bakom det finns en växande problem med hushålls- och industriföroreningar vilket blir svårare att kontrollera för varje år. Mellan stadsavrinning, gruvdrift, intensivt jordbruk, petrokemikalier och livsmedelsproduktion innehåller avloppsvatten en obehaglig blandning av tungmetaller, överskott av näringsämnen, giftiga organiska föreningar och framväxande föroreningar som läkemedel och bekämpningsmedel.
Denna kombination förvandlar många floder, sjöar och akviferer till verita kemiska cocktails där vattnet Den upphör att vara drickbar, är olämpligt för säker bevattning och skadar allvarligt akvatiska ekosystem.I detta sammanhang vinner en grupp mikroskopiska allierade framträdande roll i laboratorier och i allt större utsträckning i verkliga pilotprojekt: mikroalger, verkliga slukare av föroreningar och generatorer av resurser med högt förädlingsvärde.
Vad är mikroalger och varför är de så intressanta för vattenrening?
Mikroalger är encelliga fotosyntetiska organismer som lever i vattenmiljöerDe kan hittas i både sötvatten och saltvatten, och även i avloppsvatten med ganska tuffa förhållanden. Liksom växter använder de ljus och koldioxid.2 att växa, men de gör det i en mycket snabbare takt och med mycket hög fotosyntetisk effektivitet.
Ur ett vattenreningsperspektiv är det som gör dem så speciella deras förmåga att fånga näringsämnen som kväve och fosfor, absorbera tungmetaller och behålla giftiga organiska föreningarMånga av dessa föroreningar blir en del av deras biomassa eller fixeras på deras cellyta, vilket gör att de kan avlägsnas från vattnet genom relativt enkla skördprocesser.
Dessutom, allt eftersom mikroalgerna växer De förbrukar koldioxid och släpper ut syreDetta är mycket användbart i reningssystem eftersom det främjar oxidationen av organiskt material och hjälper till att förhindra övergödning i floder, reservoarer och laguner.
Deras snabba tillväxt och förmåga att trivas under extrema förhållanden innebär att de, när de hanteras väl, kan integreras i processer av bioremediering och bioraffinaderi där målet inte bara är att sanera, utan också att omvandla problemet till en ekonomisk möjlighet.
Tungmetaller från gruvdrift: utmaningen för forskare
En av de mest komplexa föroreningskällorna att hantera är den avloppsvatten från gruvdrift och vissa metallurgiska industrierDessa vattendrag innehåller ofta oroande halter av kadmium, koppar, bly och andra tungmetaller som löses upp i vattnet och färdas genom floder och akviferer.
I områden med en stark gruvdriftstradition, såsom omgivningarna kring Tinto-floden i provinsen HuelvaEtt allvarligt miljöproblem har ackumulerats i årtionden: vatten med höga metallhalter som inte kan återanvändas för bevattning och som, om det inte behandlas på rätt sätt, påverkar mark, djurliv och människors hälsa. Ett liknande scenario framträder i norra sverige, där den största fyndigheten av sällsynta jordartsmetaller i Europa har identifierats, med den därav följande ökade risken för utsläpp i samband med utvinning.
För att möta denna utmaning, team från University of Huelva och Umeå universitet (Sverige) De har utvecklat system baserade på mikroalger som kan fånga och behålla dessa tungmetaller, även när de verkar blandade, vilket är vad som händer i verkliga livet och inte i läroboksexperiment.
De första försöken visade att vissa arter av mikroalger, särskilt av släktet ChlorellaDe kunde avlägsna kadmium eller koppar mycket effektivt när de isolerades i miljön. Men utmaningen var att gå ett steg längre och få den här processen att fungera. med komplexa blandningar av metaller, vilket simulerar förhållanden som liknar de som finns i verkliga gruvavloppsvatten.
Biofilmer av mikroalger och polymerer: ett naturligt filter som utnyttjar avfall
Nyckeln till dessa forskargruppers framsteg har varit att kombinera mikroalger med polymera material utvunna från industriavfallIstället för att använda dyra bärare eller engångskemiska reagenser valde de att designa ett material tillverkat av restsvavel och använd matolja, två biprodukter som normalt sett slängs bort.
När mikroalger kommer i kontakt med detta polymermaterial, a biofilm där cellerna fäster starkt på ytan av stödetDenna film skapar ett naturligt filter som fångar kadmium, koppar och bly, vilket avsevärt ökar kontaktytan mellan det förorenade vattnet, mikroalgerna och polymeren.
Resultaten publicerade i den facktidskriften Grön kemi De visar att systemet efter åtta timmars behandling kan tar bort cirka 95 % av kadmiumet och kopparn, och mer än hälften av blyet finns i vattnet, även vid relativt höga koncentrationer (i storleksordningen 8–10 milligram per liter).
Dessa försök har särskilt fokuserat på mikroalger Chlorella sorokinianaDen är känd för sin robusta cellvägg, sin förmåga att tolerera miljöer med medelhög till hög toxicitet och en mycket hög tillväxttakt, och fullbordar sin utvecklingscykel på bara några dagar. Med andra ord är det en art väl anpassad till extrema förhållanden och mycket effektiv för rening.
En annan intressant aspekt är att det här systemet, med rätt design, möjliggör återvinna de instängda metallerna från polymeren och mikroalgerna för återanvändning inom industrin. Detta flyttar fokus från att helt enkelt överföra problemet (rent vatten men förorenad biomassa) till en strategi som sluter kretsloppet genom att återvinna och värdera dessa metaller.
Hur mikroalger reagerar på tungmetaller
Forskargruppen vid universitetet i Huelva fokuserade på Genetisk förbättring av fotosyntetiska organismer, har i detalj studerat vad som händer inuti och utanför mikroalgernas celler när de utsätts för vatten som är rikt på tungmetaller.
De har sett det, runt om i 90 % av metallerna förblir fästa vid cellytanförankrad i mikroalgens vägg. De återstående 10 % penetrerar cellen, där oxidations- och reduktionsprocesser aktiveras för att minska toxiciteten hos dessa element.
En del av dessa metaller ansamlas i vakuoler, småcelliga organeller som fungerar som förvaringsutrymmen. Detta sker framför allt med kadmium, vilket tyder på att mikroalger har specifika mekanismer för att hantera mycket giftiga föroreningar.
Även om intern ackumulering bidrar till att minska miljötoxiciteten, innebär det också en utmaning: om all den biomassan blir belastad med tungmetaller är dess direkta användning för biobränslen eller förädlade ingredienser begränsad, såvida inte en effektiv process utvecklas för att först utvinna dessa metaller från biomassan.
Därför utforskar en del av det nuvarande arbetet hur man kan uppmuntra tillväxt av mikroalger. adsorberar företrädesvis metaller på sin yta och underlätta deras efterföljande desorption, så att både metallerna och själva reningssystemet kan återanvändas och därmed integrera en tydlig cirkulär ekonomistrategi.
Bortom metaller: petroleumföreningar och petrokemisk förorening
Tungmetaller är inte den enda huvudvärken i avloppsvatten; det finns också organiska föreningar som härrör från petroleum och den petrokemiska industrinmånga av dem är långlivade och mycket giftiga för fiskar, fåglar och människor.
Ny forskning, publicerad i tidskriften Giftiga ämnenhar visat att vissa mikroalger kan använda polycykliska aromatiska kolväten och andra petroleumderiverade föreningar som kolkällaMed andra ord kan de "äta" en del av dessa föroreningar, bryta ner dem eller omvandla dem till mindre skadliga molekyler.
Vid universitetet i Huelva arbetar de redan med projekt som AlgaPol, där användningen av adsorberande polymerer och mikroalger kombineras för att hantera komplexa föroreningar från den petrokemiska industrin: från fenolderivat till mycket farliga polycykliska aromatiska föreningar.
Denna typ av forskning syftar till att anpassa konceptet med biofilmer och hybridsystem av mikroalger och polymerer så att de inte bara fungerar med blandningar av metaller, utan även med spill innehållande kolväten och långlivade organiska ämnen, för vilken det fortfarande inte finns någon helt tillfredsställande industriell behandling.
Framsteg tyder på att mikroalger, med ett bra artval och en förfinad utformning av stödmaterialen, kan vara en nyckelkomponent i skonsammare dekontamineringstekniker, med lägre energiförbrukning och mindre användning av aggressiva kemiska reagenser.
Mikroalger i avloppsvatten från olivpressar: dekontaminering och produktion av bioprodukter
Ett annat område av stort intresse är hanteringen av Utsläpp från olivoljefabriker och olivoljesektornDessa vatten innehåller högkoncentrerat organiskt material och giftiga fenolföreningar, vilket i hög grad hindrar deras direkta utsläpp eller användning för bevattning utan rigorös föregående behandling.
Ett team från institutionen för kemi-, miljö- och materialteknik vid University of Jaén har studerat användningen av mikroalger Neochloris oleoabundans att rena just detta vatten från olivpressar, och uppnå anmärkningsvärda resultat både inom dekontaminering och vid generering av biomassa med industriella tillämpningar.
Studien, publicerad i tidskriften Teknik inom livsvetenskapDetta visar att oljeutsläpp kan bli en näringskälla för kontrollerad tillväxt av denna mikroalgTrots avloppsvattnets initiala toxicitet kan den utvalda arten frodas och använda de föreningar som finns i vattnet som en resurs för sin egen utveckling.
I försöken en minskning på mellan en 66 % respektive 94 % av de viktigaste föroreningarna av dessa vatten, vilket resulterade i ett slutligt utflöde lämpligt för återanvändning. Samtidigt ackumulerade mikroalgerna en biomassa med mycket intressanta sammansättningar: runt 56 % kolhydrater, 51 % lipider och 49,5 % protein.
Med dessa proportioner kan biomassan användas för produktion av biodiesel, bioetanol, biogödselmedel, kosmetiska ingredienser eller djurfodervilket genererar nya affärsområden parallellt med produktionen av olivolja och förstärker en cirkulär ekonomimodell för olivlunden.
Avloppsvattenblandningar: optimering av näringsämnen och minskning av toxicitet
Forskarna vid universitetet i Jaén studerade inte bara en enda vattenstråle från olivkvarnen. De utvärderade tre olika typer av avloppsvatten: vattnet som används för att tvätta oliverna före malning, vattnet som används för att tvätta oljan efter centrifugering och ett flöde från avloppsvatten från ett reningsverk.
Varje bäck har sin egen ”personlighet”: de från olivpressar bär på mycket organiskt material och fenolföreningar, medan den urbana fraktionen främst bidrar Kväve och fosfor är viktiga för tillväxten av mikroalgerTanken var att kombinera dem i lämpliga proportioner för att utspäda toxiciteten samtidigt som de tillförde de nödvändiga näringsämnena.
Genom att justera blandningarna uppnåddes en mycket mer stabil process, där mikroalgen kunde växa utan att kollapsa på grund av toxicitet, och följande uppnåddes: minskningar på 94 % av nitrater och nitriter, 93 % av kemisk syreförbrukning och 66 % av fenolföreningarMed andra ord, en mycket djup reningsprocess med hjälp av avfall som fram tills nyligen var ett stort problem för olivoljefabriker.
Denna resulterande biomassa, rik på lipider, proteiner och kolhydrater, blir således en resurs med flera industriella resultatFrån biobränslen till organiska gödningsmedel och tillsatser för kosmetika eller djurfoder, vilket passar perfekt in i principerna för den cirkulära ekonomin.
Nästa steg som teamet överväger är uppskalad till verkliga olivfabriksförhållandenutforma system som kan arbeta med höga volymer under hela olivoljesäsongen och motstå variationerna i avloppsvattnets sammansättning under säsongen.
Mikroalger vid behandling av stads- och industriavloppsvatten
Traditionell rening av avloppsvatten i städerna bygger på fysikalisk-kemiska och biologiska processer som, trots att de är effektiva, kan dyr i energi och reagenseroch genererar ibland slam som är svårt att hantera. I detta sammanhang betraktas användningen av mikroalger som ett mycket attraktivt alternativ eller komplement.
Kommunalt och industriellt avloppsvatten innehåller vanligtvis en blandning av näringsämnen (kväve och fosfor), tungmetaller och framväxande föroreningarDessa inkluderar spår av läkemedel, hygienprodukter och bekämpningsmedel. Många av dessa föreningar är svåra att ta bort med konventionella behandlingar.
Mikroalger, å sin sida, är kapabla till att fånga stora mängder näringsämnen, fixera vissa metaller och, i kombination med associerade bakterier, bryta ner komplexa organiska föreningarUnder fotosyntesen frigör de syre, vilket minskar behovet av mekanisk luftning i reaktorerna, en av de mest energikrävande aspekterna av ett konventionellt avloppsreningsverk.
Enligt aktuell vetenskaplig litteratur kan behandlingssystem baserade på mikroalger integrera en metod för omfattande bioremedieringDe renar vatten, genererar syre och binder koldioxid.2 och tillhandahålla användbar biomassa i biobränslen, biogödselmedel och andra högvärdiga produkter.
Allt är dock inte perfekt: traditionella metoder för att skörda och torka mikroalgbiomassa är ofta dyrt och mycket energikrävandeDetta begränsar dess storskaliga implementering om separations- och värderingsprocesserna inte förbättras.
Europeiskt projekt WWTBP-by-Microalgae: spirulina och högvärdiga pigment
Europeiska unionen har ett gigantiskt avloppsnät med mer än 3,2 miljoner kilometer rörledningarsom så småningom släpps ut i reningsverk. Det är där det europeiska projektet kommer in i bilden. Avloppsvatten till blått pigment av mikroalger (WWTBP av mikroalger), fokuserade på att utnyttja potentialen hos vissa mikroalger, såsom spirulina, för att rena avloppsvatten samtidigt som man genererar högvärdiga produkter.
I det här projektet används spirulina för att för att fånga upp näringsämnen som nitrater och fosfater, samt för att avlägsna föroreningar, inklusive vissa tungmetallerSamtidigt som det renar vattnet producerar det fykocyanin, ett blått pigment som är högt värderat inom livsmedels-, kosmetika- och nutraceutisk industri.
En av de största flaskhalsarna var kostnaden för att samla in och torka biomassan, så teamet fokuserade på utveckla effektivare skördetekniker med lägre energiförbrukningEn tvåfasbehandlingsprocess introducerades och en ny inkapslingsmetod för de fotosyntetiska bakterierna testades. Synekokocker, mycket vanligt i den marina miljön.
Dessutom utformades ett innovativt system för att filtrering genom elektrokoagulering för att skörda spirulina, vilket avsevärt minskar energibehovet jämfört med konventionella separationsmetoder. Detta för dessa system ett steg närmare ekonomisk lönsamhet i verkliga tillämpningar.
Studier från projektet har också visat att under vissa förhållanden Rött ljus ökar biomassaproduktionen och pigmentproduktivitetenSärskilt goda resultat har uppnåtts vid behandling av avloppsvatten från bryggerier, där koldioxidavskiljning kombineras med andra processer.2, vattenrening och produktion av pigment och biomassa med kommersiellt värde.
Implementeringsutmaningar: klimat, regleringar och social acceptans
Även om de tekniska resultaten är mycket lovande, står massimplementeringen av mikroalgbaserade system fortfarande inför utmaningar. olika praktiska utmaningarEn av dem är klimatet: många mikroalgstammar försämras med låga temperaturer och mindre solstrålning, något som är typiskt för europeiska vintrar.
För att övervinna detta hinder testar forskargrupper sorter anpassade till kalla och svagt ljus, såsom de som finns i norra Europa. Dessa motståndskraftiga mikroalger kan fortsätta att rena även när vädret inte är idealiskt.
Dessutom väcker skalbarheten hos odlingssystem tekniska och ekonomiska frågor: reaktorer och fotobioreaktorer måste utformas så att upprätthålla stabila grödor i stora volymermöjliggör god belysning, underlättar skörd och är kostnadseffektiva jämfört med konventionell teknik.
En annan viktig front är den regulatoriska och sociala uppfattningen: användningen av mikroalgernas biomassa från avloppsvatten i sektorer som livsmedel, kosmetika eller läkemedel Det är föremål för strikta regler och en viss grad av konsumentmisstro, trots att slutprodukterna är renade och kontrollerade.
Därför inkluderar projekt som WWTBP-by-Microalgae även utvecklingen av affärsplaner, marknadsundersökningar, juridisk analys och kommunikationsstrategier, med målet att hitta gångbara tillämpningsnischer och säkerställa att processerna följer alla gällande regler.
Mot en cirkulär ekonomi baserad på mikroalger
Många av de beskrivna initiativen har en gemensam strategi: att omvandla det som en gång var problematiskt avfall till en värdefull resurs. Användningen av använd matolja, restsvavel, avloppsvatten från olivoljefabriker eller bryggeriavloppsvatten som substrat eller stöd för odling av mikroalger passar perfekt in i den cirkulära ekonomins logik.
Istället för att investera energi och pengar bara för att ta bort föroreningar, är tanken att integrera processer där mikroalger De dekontaminerar vattnet, de fångar upp CO₂2 och generera biomassa avsedda för biobränslen, biogödselmedel, naturliga pigment eller andra produkter av industriellt intresse.
Den här typen av system kan också avlasta vattendrag, minska risken för övergödning, förbättra den ekologiska kvaliteten i floder och sjöar och bidra till minska koldioxidavtrycket från många industriella verksamheterAllt detta utan att alltid behöva tillgripa aggressiva eller extremt dyra kemiska behandlingar.
Det finns fortfarande arbete att göra: det finns utmaningar med att skala upp, optimera utvinning, återvinna metaller och anpassa sig till olika typer av avloppsvatten. Men erfarenheter från Huelva, Umeå, Jaén, Gent och andra centra visar att mikroalger är mycket mer än en resurs för biobränslenDe är strategiska allierade i att ompröva hur vi renar vatten och vad vi gör med avfall.
I ett scenario präglat av vattenkris, klimatförändringar och behovet av mer ansvarsfulla industriella processer befäster mikroalger sin position som en naturlig, flexibel och förvånansvärt mångsidig lösning, som kan förena bioteknik, miljöskydd och nya ekonomiska möjligheter i ett enda system.