Microalgae:The Green Mines For Fueling The Future and Mitigating Heavy Metals

Η ενεργειακή κρίση, η έλλειψη νερού και η ρύπανση είναι μεταξύ των σημαντικότερων προκλήσεων που αντιμετωπίζει η βιώσιμη περιβαλλοντική ύπαρξη. Οι ανανεώσιμες πηγές ενέργειας που προέρχονται από βιώσιμες πρώτες ύλες μπορούν να μειώσουν το φορτίο στα ορυκτά καύσιμα και να περιορίσουν τις εκπομπές αερίων θερμοκηπίου (GHG). Τα βιοκαύσιμα, ιδιαίτερα η βιοαιθανόλη και το βιοντίζελ, έχουν διαφημιστεί ως μία από τις πιο ευνοϊκές και πιο πράσινες εναλλακτικές από τις αρχές της χιλιετίας. Από αυτή την άποψη, τα βιοκαύσιμα που προέρχονται από φύκια έχουν τη δυνατότητα να γίνουν ο σωτήρας των λιγοστών μας αποθεμάτων ορυκτών καυσίμων.

Τα φύκια είναι μια διαφορετική ομάδα (~100.000 στελέχη) φωτοσυνθετικών οργανισμών που κυμαίνονται από κυανοβακτήρια (μικροφύκη) έως γιγάντια φύκια (μακροφύκη). Εξοπλισμός μικροφυκών CO₂ και το ηλιακό φως από την ατμόσφαιρα για τη σύνθεση βιομορίων συμπεριλαμβανομένων πρωτεϊνών, υδατανθράκων, λιπιδίων και προϊόντων προστιθέμενης αξίας (καροτενοειδή, βιταμίνες και στερόλες). Οι πλούσιες σε ενέργεια ενώσεις, ιδιαίτερα τα ενδοκυτταρικά αποθέματα λιπιδίων, χρησιμεύουν ως πιθανή πρώτη ύλη για την παραγωγή βιοντίζελ. Οι υδατάνθρακες που συσσωρεύονται μπορούν να μετατραπούν σε βιοαιθανόλη με απλή ζύμωση και τα προϊόντα προστιθέμενης αξίας από φύκια μπορούν να αποτελέσουν εναλλακτικές πηγές θρεπτικών ουσιών. Επιπλέον, τα μικροφύκη μπορούν να δεσμεύσουν CO₂ και μετριάζουν τα βαρέα μέταλλα από το περιβάλλον και τις ροές βιομηχανικών αποβλήτων, παρέχοντας αντίκτυπο φιλικό προς το περιβάλλον.

Παρά το γεγονός ότι τα μικροφύκη έχουν μεγάλες δυνατότητες για βιοκαύσιμα και μετριασμό των βαρέων μετάλλων, η αξιοποίησή τους σε μεγάλη κλίμακα είναι ακόμη πολύς δρόμος μπροστά. Οι βασικοί παράγοντες που θα μπορούσαν να επιταχύνουν την οικονομική παραγωγή βιοκαυσίμων και βιοαποκατάσταση μετάλλων περιλαμβάνουν την αύξηση της παραγωγικότητας της βιομάζας των φυκών, τη χρήση άφθονων/άφθονων πρώτων υλών και την οικονομική εξαγωγή λιπιδίων/υδατανθράκων, μαζί με τη χρήση υπολειμματικής βιομάζας για υψηλή αξία προϊόντα. Η χρήση θαλασσινού νερού ή υφάλμυρου νερού που δεν είναι κατάλληλο για άρδευση επιλύει το δίλημμα της καλλιέργειας φυκιών καθώς δεν υπάρχει ανταγωνισμός με τα αποθέματα γλυκού νερού, τη γη και τα θρεπτικά συστατικά για την καλλιέργεια αυτών των μικροοργανισμών.

Για το σκοπό αυτό, οι ερευνητικές μας προσπάθειες επικεντρώθηκαν στη βιοαναζήτηση στελεχών μικροφυκών που συσσωρεύουν υψηλά λιπίδια από μια τοπική λίμνη ικανή να αναπτυχθεί σε θαλασσινό νερό. Μεταξύ των μεμονωμένων στελεχών, το Scenedesmus sp. Το IITRIND2 ήταν σε θέση να ανεχθεί το φυσικό θαλασσινό νερό (35 g/L θαλασσινά άλατα), παρουσιάζοντας γρήγορο ρυθμό ανάπτυξης μαζί με συσσώρευση υψηλής περιεκτικότητας σε λιπίδια και υδατάνθρακες. Μια σειρά φυσιολογικών και βιοχημικών μελετών τόσο σε εργαστηριακή όσο και σε πιλοτική κλίμακα (σε φωτοβιοαντιδραστήρες που λειτουργούν υπό καλοκαιρινές εξωτερικές συνθήκες για να μιμούνται τις πραγματικές διακυμάνσεις της θερμοκρασίας και του φωτός) παρείχαν λεπτομερείς πληροφορίες για τα χαρακτηριστικά εγκλιματισμού του θαλασσινού νερού των μικροφυκών. Μια τέτοια προσαρμογή αποδόθηκε στην αύξηση των ουδέτερων σακχάρων που σχετίζονται με τις δομικές και αποθηκευτικές λειτουργίες, όπως η γλυκόζη, η μαννόζη, η γαλακτόζη, η φουκόζη και η ριβόζη.

Οι αναδιατάξεις υδατανθράκων μπορεί να βοηθήσουν στην επανακαλωδίωση των κυτταρικών συστατικών και στη διαπερατότητα της μεμβράνης στην παράκαμψη των επιβλαβών επιπτώσεων της υψηλής αλατότητας. Επιπλέον, η δυνατότητα εφαρμογής του βιοντίζελ σε συμβατικούς κινητήρες ντίζελ επαληθεύτηκε με ανάλυση των ιδιοτήτων του καυσίμου χρησιμοποιώντας τα πρότυπα πρωτόκολλα καυσίμων της Αμερικής και της Ευρωπαϊκής Ένωσης.

Στη συνέχεια ξεκινήσαμε να κατανοήσουμε κάτι που είναι βασικό ενδιαφέρον για τους βιολόγους και τις βιομηχανίες των φυκιών:πόσο ακριβώς προσαρμόζεται ένα μικροφύκι γλυκού νερού σε τόσο υψηλές αλατούχες συνθήκες. Σχεδιάσαμε μια συστηματική ροή εργασίας για να αποκρυπτογραφήσουμε τις αλλαγές στα μικροφύκη που συμβαίνουν στα επίπεδα γονιδίων, πρωτεϊνών και μεταβολιτών όταν καλλιεργούνται σε θαλασσινό νερό σε αντίθεση με το γλυκό νερό. Τα αποτελέσματα έδειξαν ότι το μικροφύκος αναδιαμόρφωσε τη διαπερατότητα της μεμβράνης του περιορίζοντας τα κανάλια ιόντων, μειώνοντας το δυναμικό της επιφάνειας και εκκρίνοντας επιπλέον πολυσακχαρίτες σε σύγκριση με το μέσο γλυκού νερού.

Είναι ενδιαφέρον ότι μια αύξηση στο μέγεθος των κυττάρων μαζί με την αποδιοργάνωση της κυτταρικής δομής με μεγάλη συσσώρευση λιπιδίων και λίγους κόκκους αμύλου σε καλλιέργεια 100% ASW εμφανίστηκαν σε ηλεκτρονικές μικρογραφίες του μικροφύκους σε σύγκριση με τα κύτταρα ελέγχου. Με βάση μια «ολοκληρωμένη προσέγγιση ωμικής» που αποτελείται από πρωτεομική, μεταβολομική και λιπιδομική, υποτέθηκε μια μεταβολική οδός που καθοδηγείται από την αλατότητα, η οποία βοήθησε στην ανάπτυξη ενός μεταβολικού μοντέλου και στον εντοπισμό γενετικών στόχων για τη μηχανική κατασκευή μη ανεκτικών ειδών φυκιών.

Η επόμενη πρόκληση ήταν να χρησιμοποιηθεί αυτό το συγκεκριμένο μικροφύκι για την αποκατάσταση των τοξικών βαρέων μετάλλων που υπάρχουν στο περιβάλλον. Αυτό μας οδήγησε στην ανάπτυξη ενός συνεργιστικού τρόπου λειτουργίας για τον μετριασμό των βαρέων μετάλλων όπως το αρσενικό και το κάδμιο μαζί με την παραγωγή βιοντίζελ. Scenedesmus sp. Το IITRIND2 έδειξε εξαιρετική ικανότητα να ανέχεται 500 mg/L και των δύο μορφών αρσενικού (III, V) και 100 mg/L καδμίου. Μια υψηλή απόδοση απομάκρυνσης 87% για το αρσενικό (III, V) και 95% για το κάδμιο καταγράφηκε σε μια αρχική συγκέντρωση μετάλλου 50 mg/L σε ένα καλλιεργητικό μέσο που μιμείται το νερό φρέατος. Το μικροφύκι έδειξε επίσης ~ 40-45% περιεκτικότητα σε λιπίδια του ξηρού κυτταρικού βάρους όταν καλλιεργήθηκε υπό την πίεση βαρέων μετάλλων. Το βιοντίζελ που παράγεται από τα λιπίδια συμμορφωνόταν επίσης με τα διεθνή πρότυπα βιοντίζελ, υποδεικνύοντας έτσι τη σκοπιμότητα μιας τέτοιας υβριδικής προσέγγισης.

Πράγματι, ελπίζουμε να κάνουμε τελικά ένα βήμα παραπέρα εξερευνώντας τις δυνατότητες του Scenedesmus sp. Το IITRIND2 σε ανοιχτές λίμνες διόδου σε ινδικό έδαφος χρησιμοποιώντας πραγματικά λύματα και στραγγίσματα. Ένα μικρό βήμα προς αυτό ξεκινά η ομάδα μας καλλιεργώντας αυτό το μικροφύκι σε τοπικά λύματα ημερολογίων που λαμβάνονται από την πανεπιστημιούπολη του Indian Institute of Technology Roorkee. Τα αποτελέσματα που προέκυψαν από την άποψη της βιοαποκατάστασης των λυμάτων είναι πολλά υποσχόμενα με αφαίρεση ~ 75% συνολικού οργανικού άνθρακα, ~ 94% χημική ζήτηση οξυγόνου, ~ 90% ολικό άζωτο και ~ 93% ολικό φώσφορο μαζί με μετριασμό του χλωρίου (~ 91 %), φθόριο (~ 89%) και βρωμίδιο (~ 66%), αντίστοιχα, σε μόλις 10 ημέρες καλλιέργειας. Το μικροφύκι συσσώρευσε επίσης υψηλά ενδοκυτταρικά λιπίδια και υδατάνθρακες που μετατράπηκαν σε βιοντίζελ και βιοαιθανόλη.

Συνοπτικά, αντιμετωπίσαμε συστηματικά μερικά από τα εμπόδια εμπορευματοποίησης στην εκτροφή φυκιών, συμπεριλαμβανομένης της δοκιμής του θαλασσινού νερού ως μέσου καλλιέργειας, της ανάπτυξης ενός μεταβολικού μοντέλου και της ενσωμάτωσης της παραγωγής βιοκαυσίμων με λύματα και αποκατάσταση βαρέων μετάλλων. Αυτές οι συντονισμένες προσπάθειες επικεντρώνονται στην εκκίνηση της καλλιέργειας μικροφυκών μεγάλης κλίμακας για βιοκαύσιμα και βιοαποκατάσταση, η οποία μπορεί να προωθήσει τη βιώσιμη εφαρμογή τους στο εγγύς μέλλον. Πράγματι, ισχυρά και εξαιρετικά παραγωγικά στελέχη μικροφυκών όπως το Scenedesmus sp. Το IITRIND2 θα μπορούσε να είναι μια απάντηση για να σώσει τον πλανήτη από την ενεργειακή κρίση, την κλιματική υποβάθμιση και τη μόλυνση του πόσιμου νερού. Πιστεύουμε ότι η μελέτη μας θα μπορούσε να είναι ένα θεμελιώδες βήμα προς την υλοποίηση μιας βιοοικονομίας που βασίζεται σε φύκια και στη συνέχεια να βοηθήσει τα φύκια να γίνουν τα «πράσινα ορυχεία» που τροφοδοτούν τις ανάγκες του κόσμου.

Αναφορές:

1. Arora, Ν. et al. Πληροφορίες για τα ενισχυμένα χαρακτηριστικά παραγωγής λιπιδίων ενός μικροφυκιού γλυκού νερού υπό συνθήκες υψηλής αλατότητας. Ind. Eng. Chem. Res. 56, 7413–7421 (2017).
2. Arora, Ν. et al. Διευκρίνιση των μοναδικών φυσιολογικών αποκρίσεων του halotolerant Scenedesmus sp. καλλιεργείται σε θαλασσινό νερό για παραγωγή βιοκαυσίμων. Algal Res. 37, 260–268 (2019).
3. Arora, Ν. et al. Οριοθέτηση των μοριακών αποκρίσεων ενός αλογονοανεκτού μικροφυκιού χρησιμοποιώντας ολοκληρωμένη ωμική προσέγγιση για τον εντοπισμό στόχων γενετικής μηχανικής για ενισχυμένη παραγωγή TAG. Biotechnol. Biofuels 1–17 (2019). doi:10.1186/s13068-018-1343-1
4. Arora, Ν. et al. Βασισμένη σε NMR μεταβολομική προσέγγιση για την αποσαφήνιση των διαφορικών κυτταρικών αποκρίσεων κατά τον μετριασμό του αρσενικού (III, V) σε ένα πράσινο μικροφύκι. ACS Omega 3, 11847–11856 (2018).
5. Arora, Ν. et al. Μια υβριδική προσέγγιση που ενσωματώνει την αποτοξίνωση από αρσενικό με την παραγωγή βιοντίζελ χρησιμοποιώντας ελαιώδη μικροφύκη. Algal Res. 24, 29–39 (2017).