Στην παρούσα διατριβή μελετήθηκε η δημιουργία εξειδικευμένου μικροβιακού εμβολίου κατάλληλου για βιοενίσχυση σε αντιδραστήρες βιοαερίου με τοξικότητα αμμωνίας, μέσω της επιλογής των πιο ανεκτικών αναερόβιων μικτών κοινοτήτων. Σε αναερόβιους αντιδραστήρες διαλείποντος έργου (batch reactors), χρησιμοποιήθηκαν δυο διαφορετικές τεχνικές για την καλλιέργεια ανεκτικών σε υψηλά επίπεδα αμμωνίας μικροβιακών κοινοτήτων. Στην πρώτη τεχνική πραγματοποιήθηκε άμεση έκθεση των μικτών αναερόβιων μικροβιακών πληθυσμών σε διαφορετικές συγκεντρώσεις αμμωνίας. Στη δεύτερη τεχνική, της καλλιέργειας εμπλουτισμού, οι αναερόβιοι πληθυσμοί εκτέθηκαν σταδιακά σε αυξανόμενες συγκεντρώσεις αμμωνίας. Επιπλέον, εξετάστηκε η επίδραση της φάσης ανάπτυξης των μεθανογόνων του εμβολίου κατά τη διάρκεια της δημιουργίας της καλλιέργειας εμπλουτισμού. Η θερμοκρασία λειτουργίας των αντιδραστήρων ήταν στους 37℃. Οι πρώτες ύλες προήλθαν από τις ροές των αποβλήτων της μονάδας βιοαερίου (Βιοαέριο Λαγκαδά Α.Ε.) που βρίσκεται στον Λαγκαδά της Κεντρικής Μακεδονίας. Η αναλογία των αποβλήτων για τη δημιουργία του υποστρώματος προς αναερόβια αποικοδόμηση προέκυψε από τα στοιχεία τροφοδοσίας της μονάδας. Οι συγκεντρώσεις της αμμωνίας στο εσωτερικό των αντιδραστήρων καθορίστηκαν από 2 έως 6 g ολικού αμμωνιακού αζώτου (Total Ammonia Nitrogen-TAN)/L. Το παραπάνω εύρος συγκεντρώσεων αντικατοπτρίζει τα συνήθη επίπεδα αμμωνίας στις μονάδες βιοαερίου και εξαρτώνται συνήθως από την εποχιακή διακύμανση και διαθεσιμότητα των πρώτων υλών. Επιπλέον, στην καλλιέργεια εμπλουτισμού εξετάστηκε η επίδραση του εξαιρετικά υψηλού επίπεδου αμμωνίας των 9 g ΤΑΝ/L στους αναερόβιους μικροβιακούς πληθυσμούς. Η μικροβιακή ανάλυση έγινε με ταυτοποίηση των προκαρυωτικών μικροοργανισμών (βακτήρια και αρχαία) μέσω της τεχνικής της αλληλούχισης της υπομονάδας 16S του ριβοσωμικού RNA. Ως αρχικό υλικό – αλληλουχία στόχος, χρησιμοποιήθηκε το DNA, μέσω του οποίου μελετήθηκε η παρουσία των μικροοργανισμών στους αναερόβιους αντιδραστήρες, καθώς και το RNA, όπου εξετάστηκε η ενεργή παρουσία μικροοργανισμών στα υψηλά επίπεδα αμμωνίας.

Τα αποτελέσματα της μελέτης έδειξαν πως στη σταδιακή έκθεση των μικτών αναερόβιων μικροβιακών πληθυσμών σε αυξανόμενες συγκεντρώσεις αμμωνίας προσαρμόστηκαν επιτυχώς ως τη συγκέντρωση των 5 g ΤΑΝ/L, όσον αφορά την παραγωγή τους σε μεθάνιο. Στην άμεση έκθεση ο μικροβιακός πληθυσμός δεν προσαρμόστηκε σε καμία από τις υπό διερεύνηση συγκεντρώσεις αμμωνίας, ακόμη και μετά από 60 ημέρες συνεχούς παραμονής υπό αναερόβιες συνθήκες. Τα αποτελέσματα της μικροβιακής ανάλυσης, όσον αφορά τη σταδιακή έκθεση, έδειξαν πως το γένος Methanosarcina ήταν το κυρίαρχο μεθανογόνο αρχαίο σε όλες τις συγκεντρώσεις αμμωνίας που διερευνήθηκαν. Επιπλέον, η δράση των βακτηρίων υπεύθυνων για την αποικοδόμηση των λιγνοκυτταρινούχων ουσιών μειώθηκε με την αύξηση της συγκέντρωσης αμμωνίας. Βακτήρια υπεύθυνα για τη διάσπαση βουτυρικού οξέος και μακράς αλύσου πτητικών λιπαρών οξέων μαζί με υδρογονοτροφικά αρχαία παρατηρήθηκαν με ενεργούς πληθυσμούς σε υψηλές συγκεντρώσεις αμμωνίας. Από τα παραπάνω αποτελέσματα προέκυψε το συμπέρασμα πως η κατάλληλη μέθοδος για τη δημιουργία εμβολίου βιοενίσχυσης για την αντιμετώπιση της τοξικότητας της αμμωνίας είναι μέσω της δημιουργίας καλλιεργειών εμπλουτισμού με σταδιακή αύξηση της συγκέντρωσης της αμμωνίας. Επιπλέον, τα εμβόλια που δημιουργήθηκαν με τη μέθοδο της σταδιακής αύξησης της συγκέντρωσης της αμμωνίας θα μπορούσαν να χρησιμοποιηθούν για την αντιμετώπιση του φαινομένου της τοξικότητας της αμμωνίας σε αντιδραστήρες συνεχούς λειτουργίας και τροφοδοσίας (που έχουν συνήθως υδραυλικούς χρόνους παραμονής άνω των 20 ημερών), χωρίς να υπάρχει ο κίνδυνος της απομάκρυνσής τους από το εσωτερικό του βιοαντιδραστήρα (wash out).

ΔΙΔΑΚΤΟΡΙΚΗ ΔΙΑΤΡΙΒΗ: ΠΑΡΑΓΩΓΗ ΒΙΟΑΕΡΙΟΥ ΑΠΟ ΑΓΡΟΒΙΟΜΗΧΑΝΙΚΑ ΑΠΟΒΛΗΤΑ ΚΑΤΩ ΑΠΟ ΔΙΑΦΟΡΕΤΙΚΕΣ ΣΥΓΚΕΝΤΡΩΣΕΙΣ ΑΜΜΩΝΙΑΣ
ΣΩΤΗΡΙΟΣ Δ. ΚΑΛΑΜΑΡΑΣ, Διδάκτωρ Γεωπονίας
Επιβλέπων: Θωμάς Α. Κωτσόπουλος, Αναπληρωτής Καθηγητής

Ανάρτηση της Διδακτορικής Διατριβής στο Ιδρυματικό Καταθετήριο Επιστημονικών Εργασιών

Η εργασία υλοποιήθηκε στο πλαίσιο της Δράσης ΕΡΕΥΝΩ – ΔΗΜΙΟΥΡΓΩ – ΚΑΙΝΟΤΟΜΩ και συγχρηματοδοτήθηκε από το Ευρωπαϊκό Ταμείο Περιφερειακής Ανάπτυξης (ΕΤΠΑ) της Ευρωπαϊκής Ένωσης και εθνικούς πόρους μέσω του Ε.Π. Ανταγωνιστικότητα, Επιχειρηματικότητα & Καινοτομία (ΕΠΑνΕΚ) (κωδικός έργου: Τ1ΕΔΚ-00406 – NH3END).