Αποικοδόμηση υγρών αποβλήτων ελαιουργείου με χρήση λιγνινολυτικών μυκήτων

Abstract

Στην παρούσα διπλωματική εργασία μελετήθηκε η αποικοδόμηση υγρών αποβλήτων ελαιουργείου (ΥΑΕ) με τη χρήση λιγνινολυτικών μυκήτων και συγκεκριμένα των μυκήτων λευκής σήψης Pleurotus citrinopileatus, Irpex lacteus και Ganoderma lucidum. Τα υγρά απόβλητα ελαιουργείου χαρακτηρίζονται από σκούρο χρώμα, έντονη μυρωδιά , υψηλό οργανικό φορτίο και μεγάλη συγκέντρωση πολυφαινολικών ενώσεων, χαρακτηριστικά τα οποία τα καθιστούν ιδιαίτερα τοξικά για το περιβάλλον και λόγω των οποίων κρίνεται απαραίτητη η επεξεργασία τους προτού αυτά διατεθούν στους χερσαίους και υδάτινους αποδέκτες. Μεγάλο ενδιαφέρον παρουσιάζει η βιολογική μέθοδος επεξεργασίας των ΥΑΕ με τη χρήση μικροοργανισμών, όπως οι μύκητες. Οι μύκητες λευκής σήψης έχουν την ικανότητα να αποικοδομούν τη λιγνίνη, τη δεύτερη πιο άφθονη οργανική ουσία πάνω στη γη μετά την κυτταρίνη. Το γεγονός αυτό βρίσκει άμεση εφαρμογή στην αποικοδόμηση των ΥΑΕ καθώς τα ΥΑΕ και συγκεκριμένα οι φαινολικές ενώσεις που περιέχουν έχουν δομικά χαρακτηριστικά παρόμοια με αυτά της λιγνίνης. Οι μύκητες λευκής σήψης αποικοδομούν τη λιγνίνη εκκρίνοντας ένζυμα, τα οποία συνολικά αναφέρονται ως «λιγνινάσες». Οι λιγνινάσες μπορούν να χωριστούν σε α) φαινολικές οξειδάσες, στις οποίες ανήκουν οι λακκάσες (Lac) και β) υπεροξειδάσες, στις οποίες ανήκουν οι υπεροξειδάσες της λιγνίνης (LiP) και οι υπεροξειδάσες του μαγγανίου (MnP). Βασικός στόχος της διπλωματικής εργασίας ήταν η εύρεση των βέλτιστων συνθηκών καλλιέργειας των μικροοργανισμών για να επιτευχθεί η υψηλότερη αποδόμηση του αποβλήτου. Μελετήθηκαν οι ακόλουθοι 3 παράγοντες: pH καλλιέργειας, ρυθμός ανάδευσης και πηγή αζώτου. Η επιλογή των βέλτιστων συνθηκών για την καλλιέργεια του κάθε στελέχους έγινε με κριτήριο την ενεργότητα των λιγνινολυτικών ενζύμων, την παραγόμενη βιομάζα, τη διάσπαση των φαινολικών ενώσεων και τον αποχρωματισμό του αποβλήτου. Τα αποτελέσματα της εργασίας είναι πολύ ενθαρρυντικά για τους δύο εκ των τριών εξεταζόμενων μικροοργανισμών. Οι μικροοργανισμοί P. citrinopileatus και I. lacteus επέφεραν αποχρωματισμό του αποβλήτου της τάξης του 80% καθώς και μείωση της συγκέντρωσης των φαινολικών ενώσεων μέχρι και 90%. Η παραχθείσα βιομάζα έφτασε τα 145 mg ml-1 καλλιέργειας στην περίπτωση του στελέχους P. citrinopileatus και τα 77 mg ml-1 καλλιέργειας για το στέλεχος I. lacteus. Ακόμα, οι δύο μικροοργανισμοί παρουσίασαν προτίμηση στο εκχύλισμα επεξεργασίας σπόρων καλαμποκιού ως πηγή αζώτου. Η αποικοδόμηση του αποβλήτου οφείλεται στη δράση των λιγνινολυτικών ενζύμων, τα οποία στην περίπτωση του P. citrinopileatus ήταν κυρίως οι λακκάσες ενώ για το I. lacteus ήταν οι υπεροξειδάσες της λιγνίνης και οι υπεροξειδάσες του μαγγανίου. Το στέλεχος G. lucidum δεν κατάφερε να αναπτυχθεί ικανοποιητικά ώστε να αποικοδομήσει το απόβλητο σε καμία από τις συνθήκες καλλιέργειας που δοκιμάστηκαν.

The present diploma thesis examines the degradation of olive oil mill wastes by ligninolytic fungi. The white rot fungi that are specifically examined are Pleurotus citrinopileatus, Irpex lacteus and Ganoderma lucidum. Olive oil mill wastes (OOMW) are generally characterized by their dark color, intense smell of olive oil, high organic load and high concentration of polyphenolic compounds. Due to these characteristics, OOMW constitute an important pollutant factor for the environment and therefore, must be treated before disposal in the natural recipients. The biological treatment, employing the use of microorganisms such as fungi, is considered very interesting. Ligninolytic fungi are capable of degrading lignin, the second most abundant organic polymer on Earth after cellulose. Ligninilolytic fungi can be used in the degradation of OOMW by breaking down biodegradable chemical species present in OOMW, such as phenolic compound, which have similar structural features with lignin. White rot fungi degrade lignin by secreting enzymes collectively termed “ligninases”. Ligninases can be classified as either phenol oxidases [laccase (Lac)] or peroxidases [lignin peroxidase (LiP), mannganese peroxidase (MnP)]. The main purpose of the thesis is the determination of the optimal conditions for the cultivation of the microorganism, in order to achieve the highest degradation of the OOMW. The parameters tested were: pH of the culture, stirring rate and nitrogen source. The choice of the optimal conditions was based upon the enzymatic activity of ligninolytic enzymes, the fungal biomass, the decomposition of the phenolic compounds and the decolorization of the OOMW. The results are very encouraging concerning two out of the three microorganisms tested. P. citrinopileatus and I. lacteus achieved significant decolorization (80%) and reduction of phenolics (90%). The fungal biomass was almost 145 mg ml-1 in case of P. citrinopileatus and 77 mg ml-1 for I. lacteus. Moreover, both white rot fungi preferred corn steep liquor as a nitrogen source. As mentioned before, ligninolytic enzymes are responsible for the degradation of OOMW. P. citrinopileatus secretes mainly laccase, while I. lacteus secretes mostly peroxidases. To conclude, G. lucidum was not able to grow enough in order to degrade OOMW.