Mikroorganizmy wykorzystujące światło szansą na oczyszczenie europejskich ścieków
Europejskie oczyszczalnie ścieków pełnią kluczową rolę w ochronie środowiska, ponieważ chronią rzeki, jeziora i wody przybrzeżne przed zanieczyszczeniami pochodzącymi z odpadów ludzkich i przemysłowych. Od dziesięcioleci standardowe oczyszczalnie wykorzystują osad czynny – luźne skupiska bakterii – do rozkładu zanieczyszczeń. Wymaga to jednak dużej ilości miejsca oraz ciągłego pompowania tlenu (O₂) w celu odżywiania bakterii, co oznacza, że proces jest energochłonny i powoduje emisję znacznych ilości dwutlenku węgla (CO₂). Przełom nastąpił, gdy naukowcy zmodyfikowali te bakterie, tworząc gęste, kuliste struktury zwane granulatem tlenowym(odnośnik otworzy się w nowym oknie), co pozwoliło zmniejszyć zarówno powierzchnię zajmowaną przez oczyszczalnie, jak i koszty związane z ich działaniem. Jednak nawet ten granulat wymaga intensywnego sztucznego napowietrzania w celu dostarczenia O2. W ramach projektu Inlight, finansowanego ze środków programu działań „Maria Skłodowska-Curie”(odnośnik otworzy się w nowym oknie), naukowcy badali, w jaki sposób wprowadzenie mikroorganizmów zasilanych światłem w postaci „fotogranulatu” mogłoby uczynić ten proces jeszcze bardziej zrównoważonym. „Łącząc bakterie rozkładające odpady z mikroorganizmami fototroficznymi, takimi jak mikroalgi i sinice, tworzymy samowystarczalny ekosystem”, wyjaśnia Emine Kayahan(odnośnik otworzy się w nowym oknie), inżynier chemik z Uniwersytetu Katolickiego w Leuven(odnośnik otworzy się w nowym oknie). „W tym przypadku organizmy fototroficzne działają jak maleńkie drzewka, wykorzystujące światło do przekształcania CO₂ w O₂, który następnie służy bakteriom do oczyszczania wody”. W omawianym projekcie Inlight Kayahan i jej współpracownicy wykorzystali fotobioreaktory oraz zaawansowane modelowanie i eksperymenty. Ocenili ilość światła niezbędną fototrofom do wytworzenia wystarczającej ilości O₂, aby utrzymywać wzrost heterotroficzny.
W kierunku budowy systemów oczyszczania ścieków bez napowietrzania
Kayahan najpierw zebrała społeczność mikroorganizmów bezpośrednio z naturalnego stawu znajdującego się obok jej wydziału, a następnie wprowadziła ją do laboratoryjnych bioreaktorów i poddała sztucznym cyklom światła i pożywienia. „Stworzyliśmy niszę, w której pożądane gatunki fototroficzne i heterotroficzne mogłyby wspólnie się rozwijać i tworzyć stabilny fotogranulat”, mówi. Następnie zespół przeprowadził serię analiz chemicznych, aby prześledzić redukcję węgla, azotu i fosforu w reaktorze, jednocześnie dokładnie mierząc, ile światła wpada do systemów i ile O2 z je opuszcza. Chociaż obecne modele opracowane przez zespół pozwalają z powodzeniem przewidywać rozkład światła w skali laboratoryjnej, Kayahan podkreśla, że nadal pozostaję pewne zasadnicze wyzwania. „Opracowanie nowatorskich projektów reaktorów, które będą w stanie efektywniej dostarczać światło do fotogranulatu, będzie kluczowe dla zapewnienia opłacalności tych systemów w skali przemysłowej”, dodaje. Oprócz pracy laboratoryjnej Kayahan zbudowała także opartą na współpracy globalną sieć naukową, w ramach której zainicjowała specjalistyczne warsztaty oraz współorganizowała pierwszą w historii międzynarodową konferencję poświęconą fotogranulatowi. Obecnie kieruje ona znaczącą globalną inicjatywą mającą na celu ustanowienie standardowej terminologii i systemu analizy porównawczej na potrzeby badań nad fotogranulatem. Głównym zadaniem tej inicjatywy jest zidentyfikowanie rzeczywistych czynników napędzających proces fotogranulacji w celu zapewnienia stabilności na skalę przemysłową. Ostatecznie wysiłki te pozwolą stworzyć ramy potrzebne do tworzenia społeczności mikroorganizmów poprzez dostosowanie konstrukcji i działania reaktora oraz ustanowienie jasnych wskaźników do oceny wydajności systemu. „To właśnie dzięki wspólnym wysiłkom tej społeczności uda nam się wprowadzić tę technologię do prawdziwych rozwiązań przemysłowych”, mówi badaczka.
Bardziej ekologiczna przyszłość europejskiego sektora oczyszczania ścieków
Kayahan zauważa jednak, że wprowadzenie tej technologii do przemysłu będzie wymagało zasadniczej zmiany sposobu myślenia. „Musimy przestać postrzegać ścieki jako problem, który trzeba wyeliminować, i zacząć traktować je jako surowiec nadający się do upcyklingu”. Ponieważ fotogranulat wychwytuje CO₂, który w innym przypadku zostałby zmarnowany, ma liczne potencjalne zalety w porównaniu z konwencjonalnymi systemami. „Stosując podejście oparte na »biorafinerii« do oczyszczania strumieni przemysłowych, możemy przekształcić oczyszczanie ścieków z kosztownej usługi w zrównoważoną linię produkcyjną”, dodaje Kayahan. „Naturalnym kolejnym krokiem jest przetestowanie tych koncepcji w specjalnych systemach przemysłowych o skali pilotażowej”.
