ΕΠΕΞΕΡΓΑΣΙΑ ΛΥΜΑΤΩΝ ΜΕ ΜΙΚΡΟΦΥΚΗ ΣΕ ΑΝΤΙΔΡΑΣΤΗΡΕΣ ΠΡΟΣΚΟΛΛΗΜΕΝΗΣ ΒΙΟΜΑΖΑΣ

Transcript

1 ΠΟΛΥΤΕΧΝΙΚΗ ΣΧΟΛΗ ΤΜΗΜΑ ΠΟΛΙΤΙΚΩΝ ΜΗΧΑΝΙΚΩΝ ΕΠΕΞΕΡΓΑΣΙΑ ΛΥΜΑΤΩΝ ΜΕ ΜΙΚΡΟΦΥΚΗ ΣΕ ΑΝΤΙΔΡΑΣΤΗΡΕΣ ΠΡΟΣΚΟΛΛΗΜΕΝΗΣ ΒΙΟΜΑΖΑΣ ΔΙΑΤΡΙΒΗ METAΠTYXIAKOY ΔΙΠΛΩΜΑΤΟΣ ΕΙΔΙΚΕΥΣΗΣ ΑΛΕΞΙΟΣ Γ. ΟΡΦΑΝΟΣ ΠΑΤΡΑ ΦΕΒΡΟΥΑΡΙΟΣ 217

2 ΠΕΡΙΛΗΨΗ Η βιολογική επεξεργασία λυμάτων με μικροφύκη είναι ιδιαίτερα ελκυστική λόγω της φωτοσυνθετικής ικανότητας που έχουν τα φύκη να μετατρέπουν την ηλιακή ενέργεια σε βιομάζα και να χρησιμοποιούν θρεπτικά όπως το άζωτο και ο φωσφόρος που προκαλούν ευτροφισμό. Το ποιο συχνά εφαρμοζόμενο σύστημα με μικροφύκη στην επεξεργασία λυμάτων είναι οι λίμνες σταθεροποίησης το οποίο στηρίζεται στη συμβιωτική δράση βακτηρίων και φυκών. Ένα από τα πιο σημαντικά προβλήματα για την ανάπτυξη συστημάτων επεξεργασίας λυμάτων με μικροφύκη είναι η συγκράτηση των μικροφυκών στη δεξαμενή και η μη διαφυγή τους στην εκροή και η συγκομιδή της βιομάζας όταν προορίζεται για ενεργειακή αξιοποίηση. Το κόστος συγκομιδής και συμπύκνωσης των μικροφυκών σε συστήματα αιωρούμενης βιομάζας θεωρείται ως ένας από τους σημαντικότερους περιοριστικούς παράγοντες για την αξιοποίηση των μικροφυκών. Προκειμένου να μειωθεί αυτό το κόστος, τα συστήματα καλλιέργειας μικροφυκών σε συστήματα προσκολλημένης βιομάζας (βιοφίλμ) έχουν προσελκύσει το ενδιαφέρον των ερευνητών, ως ένα πλαίσιο ταυτόχρονης παραγωγής βιομάζας και επεξεργασίας λυμάτων. Αντικείμενο της παρούσας εργασίας ήταν η μετεπεξεργασία δευτεροβάθμια επεξεργασμένων λυμάτων σε φυσικά συστήματα επεξεργασίας και η διερεύνηση της προσκόλλησης της βιομάζας σε επιφάνειες υποστήριξης. Συγκεκριμένα, χρησιμοποιήθηκαν ανοικτές δεξαμενές με γεωύφασμα, βαμβακερό ύφασμα και πολυαιθυλένιο σε πειράματα συνεχούς τροφοδότησης. Επίσης διερευνήθηκε η επίδραση του είδους του υλικού υποστήριξης (γεωυφάσματα, πολυαιθυλένιο, βαμβακερό και λινό ύφασμα) για την ανάπτυξη του χλωροφύκους Chlorococcum sp. σε φιάλες των 2 L. Όλα τα πειράματα έγιναν υπό ελεγχόμενες συνθήκες. Στις φιάλες Erlenmeyer, ανάμεσα στο πολυαιθυλενίου και σε δύο γεωυφάσματα με διαφορετικό ανάγλυφο επιφάνειας και άνοιγμα πόρων, υψηλότερη παραγωγή προσκολλημένης βιομάζας παρουσιάστηκε στο πολύαιθυλένιο (,144 g/m 2 d). Η συγκέντρωση των νιτρικών δεν μειώθηκε, και η μέγιστη αφαίρεση φωσφορικών παρατηρήθηκε στην καλλιέργεια με το γεωύφασμα που αποτελείτο από ίνες πολυπρολυλενίου (25CNW) και ήταν 44,73%. ii

3 Στην ανοικτή δεξαμενή με γεωυφάσματα, η παραγωγή βιομάζας στην επιφάνεια των γεωυφασμάτων ήταν,16 g/m 2 d. Η αφαίρεση των PO -3 4 και Ολικού-P κυμάνθηκε από 88 έως 1 και 52 έως 91%, αντίστοιχα, ενώ των ΝΟ - 3 και του ολικού κατά Kjeldhal αζώτου (TKN) από έως 48 και 17 έως 9%, αντίστοιχα. Στις ανοικτές δεξαμενές με χωρίσματα από βαμβακερό ύφασμα και πολυαιθυλένιο, η μέγιστη παραγωγή ήταν 1,38 και,49 g/m 2 d, αντίστοιχα. Η περιεκτικότητα της προσκολλημένης βιομάζας σε λιπίδια ήταν,36 και,48% στο βαμβακερό ύφασμα και στο πολυαιθυλένιο, αντίστοιχα. Επίσης χαμηλή ήταν και η περιεκτικότητα της αιωρούμενης βιομάζας σε λιπίδια (~,5%), αλλά αυξήθηκε σε 13,8 και 3,4% στην δεξαμενή με το βαμβακερό ύφασμα και το πολυαιθυλένιο, αντίστοιχα, όταν επικράτησαν συνθήκες στέρησης θρεπτικών στα μικροφύκη μετά από 13 d. Η αφαίρεση του Ολικού-P κυμάνθηκε από 64 έως 1 % ενώ των PO -3 4 από 89 έως 1 %. Τα ΝΟ - 3 και TKN αφαιρέθηκαν σε ποσοστά από 1,2 έως 99,3 % και από έως 1 %, αντίστοιχα. iii

4 ΠΡΟΛΟΓΟΣ Η παρούσα εργασία εκπονήθηκε στο Εργαστήριο Τεχνολογίας του Περιβάλλοντος του Τμήματος Πολιτικών Μηχανικών στα πλαίσια της ολοκλήρωσης των μεταπτυχιακών μου σπουδών για την απόκτηση Μεταπτυχιακού Διπλώματος Ειδίκευσης στον τομέα Υδατικοί Πόροι και Τεχνολογία Περιβάλλοντος. Επιβλέπων Καθηγητής διετέλεσε ο κύριος Ιωάννης Μαναριώτης, Επίκουρος Καθηγητής του Τμήματος Πολιτικών Μηχανικών του Πανεπιστημίου Πατρών, τον οποίο και ευχαριστώ θερμά τόσο για την ανάθεση και την επίβλεψη αυτής της εργασίας όσο και για την πολύτιμη καθοδήγηση του. Επίσης, θέλω να ευχαριστήσω την Ανδριάνα Αραβαντινού, Yποψήφια Διδάκτωρ του Τμήματος Πολιτικών Μηχανικών, για τις πολύτιμες συμβουλές της σε όλη τη διάρκεια εκπόνησης της εργασίας μου. Παράλληλα θέλω να ευχαριστήσω τον Χάρη Σίνο για την βοήθεια που μου προσέφερε και όλους τους φίλους μου από το Εργαστήριο Τεχνολογίας του Περιβάλλοντος, με την συνεργασία και την συντροφιά των οποίων οι ώρες του εργαστηρίου ήταν πιο ευχάριστες. Τέλος, θέλω να εκφράσω την βαθιά μου ευγνωμοσύνη και αγάπη προς τους γονείς μου και τον αδερφό μου, οι οποίοι στήριξαν τις προσπάθειες μου όλα αυτά τα χρόνια. iv

5 ΠΕΡΙΕΧΟΜΕΝΑ ΠΕΡΙΛΗΨΗ... ii ΠΡΟΛΟΓΟΣ.... iv 1. ΕΙΣΑΓΩΓΗ ΒΙΒΛΙΟΓΡΑΦΙΚΗ ΑΝΑΣΚΟΠΗΣΗ ΜΙΚΡΟΦΥΚΗ ΣΥΣΤΗΜΑΤΑ ΚΑΛΛΙΕΡΓΕΙΑΣ ΜΙΚΡΟΦΥΚΩΝ Ανοιχτές λίμνες Φωτοαντιδραστήρες Συστήματα καλλιέργειας μικροφυκών σε βιοφίλμ ΕΠΕΞΕΡΓΑΣΙΑ ΛΥΜΑΤΩΝ ΜΕ ΜΙΚΡΟΦΥΚΗ Επεξεργασία λυμάτων με μικροφύκη σε συστήματα αιωρούμενης βιομάζας Επεξεργασία λυμάτων σε συμβιωτικά συστήματα βιοφίλμ ΑΝΤΙΔΡΑΣΤΗΡΕΣΒΙΟΦΙΛΜ ΜΙΚΡΟΦΥΚΩΝ Διατάξεις συστημάτων βιοφίλμ Πλεονεκτήματα συστημάτων βιοφίλμ Παράγοντες που επηρεάζουν την ανάπτυξη των βιοφίλμ Φώς Θερμοκρασία Θρεπτικά Υποστηρικτικό υλικό Εξωκυτταρικές πολυμερικές ουσίες (EPS) Αλληλεπίδραση μεταξύ των ειδών Δυναμική παραγωγής λιπιδίων από το βιοφίλμ 2 3. ΜΕΘΟΔΟΛΟΓΙΑ ΠΕΙΡΑΜΑΤΙΚΗ ΔΙΑΤΑΞΗ Ανοικτές δεξαμενές με χωρίσματα Φιάλες Erlenmeyer με υλικά υποστήριξης ΑΝΑΛΥΤΙΚΟΙ ΠΡΟΣΔΙΟΡΙΣΜΟΙ Στερεά v

6 3.2.2 Οπτική πυκνότητα Θολερότητα Χλωροφύλλη ph Διαλυμένο οξυγόνο Ανιόντα Αμμωνιακό άζωτο (NH 3 -N) Ολικό Kjeldahl άζωτο (TKN) Ολικός φώσφορος Χημικά απαιτούμενο οξυγόνο (COD) Λιπίδια Φόρτιση ΧΑΟ, TKN, NO Μικροσκοπική αναγνώριση ΠΕΙΡΑΜΑΤΙΚΗ ΔΙΑΔΙΚΑΣΙΑ Ανοικτές δεξαμενές Ανοικτή δεξαμενή με γεωύφασμα 25CNW (Πείραμα 1) Ανοικτές δεξαμενές με χωρίσματα από πολυαιθυλένιο και βαμβακερό ύφασμα 1 ος κύκλος ανάπτυξης (Πειράματα 2-3) Ανοικτές δεξαμενές με χωρίσματα από πολυαιθυλένιο και βαμβακερό ύφασμα 2 ος κύκλος ανάπτυξης (Πειράματα 4-5) Φιάλες Erlenmeyer Φιάλες Erlenmeyer με υλικά 25CNW, WG55 και πολυαιθυλένιο (Πείραμα 6) Φιάλες Erlenmeyer με υλικά 25CNW, WG55, WG35HF, WG8, λινό και πολυαιθυλένιο (Πείραμα 7) ΑΠΟΤΕΛΕΣΜΑΤΑ ΕΠΕΞΕΡΓΑΣΙΑ ΛΥΜΑΤΩΝ ΣΕ ΑΝΟΙΚΤΕΣ ΔΕΞΑΜΕΝΕΣ ΜΕ ΧΩΡΙΣΜΑΤΑ Ανοικτή δεξαμενή με γεωύφασμα 25CNW (Πείραμα 1) Οπτική πυκνότητα, Στερεά, Θολερότητα Χημικά απαιτούμενο οξυγόνο Χλωροφύλλη α.. 53 vi

7 Άζωτο Φώσφορος ph Διαλυμένο οξυγόνο Λιπίδια Βιομάζα Μικροσκοπική αναγνώριση Ανοικτές δεξαμενές με χωρίσματα από πολυαιθυλένιο και βαμβακερό ύφασμα 1 ος κύκλος ανάπτυξης (Πειράματα 2-3) Οπτική πυκνότητα, Στερεά, Θολερότητα Χημικά απαιτούμενο οξυγόνο Χλωροφύλλη α Άζωτο Φώσφορος ph Διαλυμένο οξυγόνο Λιπίδια Βιομάζα Μικροσκοπική αναγνώριση Ανοικτές δεξαμενές με χωρίσματα από πολυαιθυλένιο και βαμβακερό ύφασμα 2 ος κύκλος ανάπτυξης (Πειράματα 4-5) Οπτική πυκνότητα, Στερεά, Θολερότητα Χημικά απαιτούμενο οξυγόνο Χλωροφύλλη α Άζωτο Φώσφορος ph Διαλυμένο οξυγόνο Λιπίδια Βιομάζα Μικροσκοπική αναγνώριση ΑΠΟΤΕΛΕΣΜΑΤΑ ΠΕΙΡΑΜΑΤΩΝ ΣΕ ΦΙΑΛΕΣ ERLENMEYER ΜΕ ΥΛΙΚΑ ΥΠΟΣΤΗΡΙΞΗΣ.. 99 vii

8 4.2.1 Φιάλες Erlenmeyer με υλικά 25 CNW, WG55 και πολυαιθυλένιο (Πείραμα 6) Οπτική πυκνότητα, Στερεά, Θολερότητα Άζωτο Φώσφορος ph Λιπίδια Βιομάζα Μικροσκοπική αναγνώριση Φιάλες Erlenmeyer με υλικά 25CNW, WG55, WG35HF, WG8, λινό ύφασμα και πολυαιθυλένιο (Πείραμα 7) Οπτική πυκνότητα, Στερεά, Θολερότητα Άζωτο Φώσφορος ph Λιπίδια Βιομάζα ΣΥΖΗΤΗΣΗ ΣΥΜΠΕΡΑΣΜΑΤΑ ΠΡΟΤΑΣΕΙΣ ΓΙΑ ΜΕΛΛΟΝΤΙΚΗ ΕΡΕΥΝΑ 124 ΒΙΒΛΙΟΓΡΑΦΙΑ ΠΑΡΑΡΤΗΜΑ ΚΑΤΑΛΟΓΟΣ ΣΥΝΤΟΜΟΓΡΑΦΙΩΝ viii

9 ΚΑΤΑΛΟΓΟΣ ΠΙΝΑΚΩΝ Πίνακας 2.1: Αποτελέσματα παραγωγής βιομάζας σε συστήματα βιοφίλμ 12 Πίνακας 3.1: Χαρακτηριστικά γεωυφασμάτων 27 Πίνακας 3.2: Σύσταση του θρεπτικού μέσου BG Πίνακας 3.3 Λειτουργικά χαρακτηριστικά των πειραμάτων 42 Πίνακας 3.4: Εισροή λυμάτων και όγκος δεξαμενής κατά την διάρκεια του Πειράματος 1 43 Πίνακας 3.5: Στοιχεία για την τροφοδοσία των δεξαμενών των Πειραμάτων Πίνακας 3.6: Υλικά Πειράματος 7 και οι διαστάσεις τους 48 Πίνακας 4.1: Παραγωγή βιομάζας πάνω στα χωρίσματα της δεξαμενής Α με υλικό μη υφαντό γεωύφασμα 25CNW (Πείραμα 1) 57 Πίνακας 4.2: Παραγωγή βιομάζας πάνω στα χωρίσματα της δεξαμενής Β με υλικό βαμβακερό ύφασμα (Πείραμα 2) 76 Πίνακας 4.3: Παραγωγή βιομάζας πάνω στα χωρίσματα της δεξαμενής Γ με υλικό πολυαιθυλένιο (Πείραμα 3) 76 Πίνακας 4.4: Ποσοστό της συνολικής βιομάζας που αναπτύχθηκε πάνω στα χωρίσματα των δεξαμενών Β και Γ με υλικά βαμβακερό ύφασμα και πολυαιθυλένιο (Πειράματα 2-3) 76 Πίνακας 4.5: Παραγωγή βιομάζας πάνω στα χωρίσματα των δεξαμενών Β και Γ με υλικά βαμβακερό ύφασμα και πολυαιθυλένιο (Πειράματα 4-5) 97 Πίνακας 4.6: Ποσοστό της συνολικής βιομάζας που αναπτύχθηκε πάνω στα χωρίσματα των δεξαμενών Β και Γ με υλικά βαμβακερό ύφασμα και πολυαιθυλένιο (Πειράματα 4-5) 97 Πίνακας 4.7: Παραγωγή βιομάζας πάνω στα υλικά υποστήριξης των φιαλών στο Πείραμα 6 15 Πίνακας 4.8: Ποσοστό της συνολικής βιομάζας που αναπτύχθηκε πάνω στα υλικά υποστήριξης των φιαλών στο Πείραμα 6 15 Πίνακας 4.9: Παραγωγή βιομάζας πάνω στα υλικά υποστήριξης των φιαλών στην διάταξη 1 (Πείραμα 7) 117 Πίνακας 4.1: Παραγωγή βιομάζας πάνω στα υλικά υποστήριξης των φιαλών στην διάταξη 2 (Πείραμα 7) 117 ix

10 Πίνακας 4.11: Ποσοστό της συνολικής βιομάζας που αναπτύχθηκε πάνω στα υλικά υποστήριξης των φιαλών στην διάταξη 1 (Πείραμα 7) 118 Πίνακας 4.12: Ποσοστό της συνολικής βιομάζας που αναπτύχθηκε πάνω στα υλικά υποστήριξης των φιαλών στην διάταξη 2 (Πείραμα 7) 119 Πίνακας Π1. Διακύμανση του ph στη δεξαμενή Α με υλικό μη υφαντό γεωύφασμα 25 CNW (1 ο πείραμα) 131 Πίνακας Π2. Διακύμανση του διαλυμένου οξυγόνου στη δεξαμενή Α με υλικό μη υφαντό γεωύφασμα 25CNW (Πείραμα 1) 132 Πίνακας Π3. Διακύμανση της θολερότητας στη δεξαμενή Α με υλικό μη υφαντό γεωύφασμα 25CNW (Πείραμα 1) 133 Πίνακας Π4. Διακύμανση οπτικής πυκνότητας στα 6, 65, 75 nm στη δεξαμενή Α με υλικό μη υφαντό γεωύφασμα 25CNW (Πείραμα 1) 134 Πίνακας Π5. Διακύμανση των ΑΣ και ΠΑΣ στη δεξαμενή Α με υλικό μη υφαντό γεωύφασμα 25CNW (Πείραμα 1) 135 Πίνακας Π6. Διακύμανση των ΝΟ - 3 στη δεξαμενή Α με υλικό μη υφαντό γεωύφασμα 25 CNW (Πείραμα 1) Πίνακας Π7. Διακύμανση των PO 4 στη δεξαμενή Α με υλικό μη υφαντό γεωύφασμα 25CNW (Πείραμα 1) 137 Πίνακας Π8. Διακύμανση του ΧΑΟ στη δεξαμενή Α με υλικό μη υφαντό γεωύφασμα 25CNW (Πείραμα 1) 138 Πίνακας Π9. Διακύμανση του Ολικού-P στη δεξαμενή Α με υλικό μη υφαντό γεωύφασμα 25 CNW (Πείραμα 1) 139 Πίνακας Π1. Διακύμανση του TKN στη δεξαμενή Α με υλικό μη υφαντό 25CNW (Πείραμα 1) 14 Πίνακας Π11. Διακύμανση του ph στη δεξαμενή Β με υλικό βαμβακερό ύφασμα (Πείραμα 2) 14 Πίνακας Π12. Διακύμανση του ph στη δεξαμενή Γ με υλικό πολυαιθυλένιο (Πείραμα 3) 141 Πίνακας Π13. Διακύμανση του διαλυμένου οξυγόνου στη δεξαμενή Β με υλικό βαμβακερό ύφασμα (Πείραμα 2) 141 Πίνακας Π14. Διακύμανση του διαλυμένου οξυγόνου στη δεξαμενή Γ με υλικό πολυαιθυλένιο (Πείραμα 3) 141 x

11 Πίνακας Π15. Διακύμανση της θολερότητας στη δεξαμενή Β με υλικό βαμβακερό ύφασμα (Πείραμα 2) 142 Πίνακας Π16. Διακύμανση της θολερότητας στη δεξαμενή Γ με υλικό πολυαιθυλένιο (Πείραμα 3) 142 Πίνακας Π17. Διακύμανση οπτικής πυκνότητα στα 6, 65, 75 nm στη δεξαμενή Β με υλικό βαμβακερό ύφασμα (Πείραμα 2) 143 Πίνακας Π18. Διακύμανση οπτικής πυκνότητας στα 6, 65, 75 nm στη δεξαμενή Γ με υλικό πολυαιθυλένιο (Πείραμα 3) 143 Πίνακας Π19. Διακύμανση των ΑΣ και ΠΑΣ στη δεξαμενή Β με υλικό βαμβακερό ύφασμα (Πείραμα 2) 144 Πίνακας Π2. Διακύμανση των ΑΣ και ΠΑΣ στη δεξαμενή Γ με υλικό πολυαιθυλένιο (Πείραμα 3) Πίνακας Π21. Διακύμανση των ΝΟ 3 στη δεξαμενή Β με υλικό βαμβακερό ύφασμα (Πείραμα 2) Πίνακας Π22. Διακύμανση των ΝΟ 3 στη δεξαμενή Γ με υλικό πολυαιθυλένιο (Πείραμα 3) Πίνακας Π23. Διακύμανση των PO 4 στη δεξαμενή Β με υλικό βαμβακερό ύφασμα (Πείραμα 2) Πίνακας Π24. Διακύμανση των PO 4 στη δεξαμενή Γ με υλικό πολυαιθυλένιο (Πείραμα 3) 146 Πίνακας Π25. Διακύμανση του ΧΑΟ στη δεξαμενή Β με υλικό βαμβακερό ύφασμα (Πείραμα 2) 147 Πίνακας Π26. Διακύμανση του ΧΑΟ στη δεξαμενή Γ με υλικό πολυαιθυλένιο (Πείραμα 3) 147 Πίνακας Π27. Διακύμανση του ολικού-p στη δεξαμενή Β με υλικό βαμβακερό ύφασμα (Πείραμα 2) 148 Πίνακας Π28. Διακύμανση του ολικού-p στη δεξαμενή Γ με υλικό πολυαιθυλένιο (Πείραμα 3) 148 Πίνακας Π29. Διακύμανση του TKN στη δεξαμενή Β με υλικό βαμβακερό ύφασμα (Πείραμα 2) 149 Πίνακας Π3. Διακύμανση του TKN στη δεξαμενή Γ με υλικό πολυαιθυλένιο (Πείραμα 3) 149 xi

12 Πίνακας Π31. Διακύμανση του ph στη δεξαμενή Β με υλικό βαμβακερό ύφασμα (Πείραμα 4) 149 Πίνακας Π32. Διακύμανση του ph στη δεξαμενή Γ με υλικό πολυαιθυλένιο (Πείραμα 5) 15 Πίνακας Π33. Διακύμανση του διαλυμένου οξυγόνου στη δεξαμενή Β με υλικό βαμβακερό ύφασμα (Πείραμα 4) 15 Πίνακας Π34. Διακύμανση του διαλυμένου οξυγόνου στη δεξαμενή Γ με υλικό πολυαιθυλένιο (Πείραμα 5) 15 Πίνακας Π35. Διακύμανση της θολερότητας στη δεξαμενή Β με βαμβακερό ύφασμα (Πείραμα 4) 151 Πίνακας Π36. Διακύμανση της θολερότητας στη δεξαμενή Γ με υλικό πολυαιθυλένιο (Πείραμα 5) 151 Πίνακας Π37. Διακύμανση οπτικής πυκνότητας στα 6, 65, 75 nm στη δεξαμενή Β με υλικό βαμβακερό ύφασμα (Πείραμα 4) 151 Πίνακας Π38. Διακύμανση οπτικής πυκνότητας στα 6, 65, 75 nm στη δεξαμενή Γ με υλικό πολυαιθυλένιο (Πείραμα 5) 152 Πίνακας Π39. Διακύμανση των ΑΣ και ΠΑΣ στη δεξαμενή Β με υλικό βαμβακερό ύφασμα (Πείραμα 4) 152 Πίνακας Π4. Διακύμανση των ΑΣ στη δεξαμενή Γ με υλικό πολυαιθυλένιο (Πείραμα 5) 152 Πίνακας Π41. Διακύμανση των NO - 3 στη δεξαμενή Β με υλικό βαμβακερό ύφασμα (Πείραμα 4) 153 Πίνακας Π42. Διακύμανση των NO - 3 στη δεξαμενή Γ με υλικό πολυαιθυλένιο (Πείραμα 5) Πίνακας Π43. Διακύμανση των PO 4 στη δεξαμενή Β με υλικό βαμβακερό ύφασμα (Πείραμα 4) Πίνακας Π44. Διακύμανση των PO 4 στη δεξαμενή Γ με υλικό πολυαιθυλένιο (Πείραμα 5) 154 Πίνακας Π45. Διακύμανση του ΧΑΟ στη δεξαμενή Β με βαμβακερό ύφασμα (Πείραμα 4) 154 Πίνακας Π46. Διακύμανση του ΧΑΟ στη δεξαμενή Γ με υλικό πολυαιθυλένιο (Πείραμα 5) 155 xii

13 Πίνακας Π47. Διακύμανση του ολικού-p στη δεξαμενή Β με υλικό βαμβακερό ύφασμα (Πείραμα 4) 155 Πίνακας Π48. Διακύμανση του ολικού-p στη δεξαμενή Γ με υλικό πολυαιθυλένιο (Πείραμα 5) 155 Πίνακας Π49. Διακύμανση του TKN στη δεξαμενή Β με υλικό βαμβακερό ύφασμα (Πείραμα 4) 156 Πίνακας Π5. Διακύμανση του TKN στη δεξαμενή Γ με υλικό πολυαιθυλένιο (Πείραμα 5) 156 Πίνακας Π51. Διακύμανση του ph στις φιάλες στο Πείραμα Πίνακας Π52. Διακύμανση της θολερότητας στις φιάλες στο Πείραμα Πίνακας Π53. Διακύμανση οπτικής πυκνότητας στα 6 nm στις φιάλες στο Πείραμα Πίνακας Π54. Διακύμανση οπτικής πυκνότητας στα 65 nm στις φιάλες στο Πείραμα Πίνακας Π55. Διακύμανση οπτικής πυκνότητας στα 75 nm στις φιάλες στο Πείραμα Πίνακας Π56. Διακύμανση των ΑΣ στις φιάλες στο Πείραμα Πίνακας Π57. Διακύμανση των ΑΣ στις φιάλες στο Πείραμα Πίνακας Π58. Διακύμανση των ΝΟ - 3 στις φιάλες στο Πείραμα Πίνακας Π59. Διακύμανση των PO -3 4 στις φιάλες στο Πείραμα 6 16 Πίνακας Π6. Διακύμανση του ph στην διάταξη 1 (Πείραμα 7) 16 Πίνακας Π61. Διακύμανση του ph στην διάταξη 2 (Πείραμα 7) 16 Πίνακας Π62. Διακύμανση της θολερότητας στην διάταξη 1 (Πείραμα 7) 161 Πίνακας Π63. Διακύμανση της θολερότητας στην διάταξη 2 (Πείραμα 7) 161 Πίνακας Π64. Διακύμανση οπτικής πυκνότητας στα 6 nm στην διάταξη 1 (Πείραμα 7) 162 Πίνακας Π65. Διακύμανση οπτικής πυκνότητας στα 65 nm στην διάταξη 1 (Πείραμα 7) 162 Πίνακας Π66. Διακύμανση οπτικής πυκνότητας στα 75 nm στην διάταξη 1 (Πείραμα 7) 162 Πίνακας Π67. Διακύμανση οπτικής πυκνότητας στα 6 nm στην διάταξη 2 (Πείραμα 7) 163 xiii

14 Πίνακας Π68. Διακύμανση οπτικής πυκνότητας στα 65 nm στην διάταξη 2 (Πείραμα 7) 163 Πίνακας Π69. Διακύμανση οπτικής πυκνότητας στα 75 nm στην διάταξη 2 (Πείραμα 7) 163 Πίνακας Π7. Διακύμανση των ΑΣ στην διάταξη 1 (Πείραμα 7) 164 Πίνακας Π71. Διακύμανση των ΠΑΣ στην διάταξη 1 (Πείραμα 7) 164 Πίνακας Π72. Διακύμανση των ΑΣ στην διάταξη 2 (Πείραμα 7) 164 Πίνακας Π73. Διακύμανση των ΠΑΣ στην διάταξη 2 (Πείραμα 7) 165 Πίνακας Π74. Διακύμανση των NO - 3 στην διάταξη 1 (Πείραμα 7) 166 Πίνακας Π75. Διακύμανση των NO - 3 στην διάταξη 2 (Πείραμα 7) 166 Πίνακας Π76. Διακύμανση των PO -3 4 στην διάταξη 1 (Πείραμα 7) 167 Πίνακας Π77. Διακύμανση των PO -3 4 στην διάταξη 2 (Πείραμα 7) 167 xiv

15 ΚΑΤΑΛΟΓΟΣ ΣΧΗΜΑΤΩΝ Σχήμα 2.1 Συστήματα καλλιέργειας μικροφυκών 5 Σχήμα 2.2 Συστήματα καλλιέργειας μικροφυκών σε βιοφίλμ 1 Σχήμα 2.3 Απεικόνιση σε ηλεκτρονικό μικροσκόπιο σάρωσης: Διάτομα διαφόρων μεγεθών τα οποία εκκρίνουν EPS 18 Σχήμα 3.1 Δεξαμενή Α 24 Σχήμα 3.2 Δεξαμενή Β 25 Σχήμα 3.3 Σκαριφήματα Δεξαμενής Β 25 Σχήμα 3.4 Σκαριφήματα Δεξαμενής Γ 26 Σχήμα 3.5 Φιάλες Erlenmeyer 28 Σχήμα 3.6 Πρότυπες καμπύλες βαθμονόμησης των NO και PO 4 36 Σχήμα 3.7 Πρότυπη καμπύλη βαθμονόμησης ολικού φώσφορου 38 Σχήμα 3.8 Συλλογή μικροφυκών από τις επιφάνειες των υφασμάτων 45 Σχήμα 4.1 Διακύμανση οπτικής πυκνότητας στα 6, 65, 75 nm στη δεξαμενή Α με υλικό μη υφαντό γεωύφασμα 25CNW (Πείραμα 1) 5 Σχήμα 4.2 Διακύμανση των ΑΣ στη δεξαμενή Α με υλικό μη υφαντό γεωύφασμα 25CNW (Πείραμα 1) 51 Σχήμα 4.3 Διακύμανση των ΠΑΣ στη δεξαμενή Α με υλικό μη υφαντό γεωύφασμα 25CNW (Πείραμα 1) 51 Σχήμα 4.4 Διακύμανση της θολερότητας στη δεξαμενή Α με υλικό μη υφαντό γεωύφασμα 25CNW (Πείραμα 1). 52 Σχήμα 4.5 Διακύμανση του ΧΑΟ στη δεξαμενή Α με υλικό μη υφαντό γεωύφασμα 25CNW (Πείραμα 1) 52 Σχήμα 4.6 Διακύμανση των ΝΟ - 3 στη δεξαμενή Α με υλικό μη υφαντό γεωύφασμα 25 CNW (Πείραμα 1) 53 Σχήμα 4.7 Διακύμανση του TKN στη δεξαμενή Α με υλικό μη υφαντό 25CNW (Πείραμα 1) 54-3 Σχήμα 4.8 Διακύμανση των PO 4 στη δεξαμενή Α με υλικό μη υφαντό γεωύφασμα 25CNW (Πείραμα 1) 55 viii

16 Σχήμα 4.9 Διακύμανση του Ολικού-P στη δεξαμενή Α με υλικό μη υφαντό γεωύφασμα 25 CNW (Πείραμα 1) 55 Σχήμα 4.1 Διακύμανση του ph στη δεξαμενή Α με υλικό μη υφαντό γεωύφασμα 25 CNW (1 ο πείραμα) 56 Σχήμα 4.11 Διακύμανση του διαλυμένου οξυγόνου στη δεξαμενή Α με υλικό μη υφαντό γεωύφασμα 25CNW (Πείραμα 1) 56 Σχήμα 4.12 Απεικονίσεις ηλεκτρονικού μικροσκοπίου σάρωσης και οπτικού μικροσκοπίου στη δεξαμενή Α με υλικό μη υφαντό γεωύφασμα 25 CNW (1 ο πείραμα) 58 Σχήμα 4.13 Διακύμανση οπτικής πυκνότητα στα 6, 65, 75 nm στη δεξαμενή Β με υλικό βαμβακερό ύφασμα (Πείραμα 2) 6 Σχήμα 4.14 Διακύμανση οπτικής πυκνότητας στα 6, 65, 75 nm στη δεξαμενή Γ με υλικό πολυαιθυλένιο (Πείραμα 3) 61 Σχήμα 4.15 Διακύμανση των ΑΣ στη δεξαμενή Β με υλικό βαμβακερό ύφασμα (Πείραμα 2) 61 Σχήμα 4.16 Διακύμανση των ΑΣ στη δεξαμενή Γ με υλικό πολυαιθυλένιο (Πείραμα 3) 62 Σχήμα 4.17 Διακύμανση των ΠΑΣ στη δεξαμενή Β με υλικό βαμβακερό ύφασμα (Πείραμα 2) 62 Σχήμα 4.18 Διακύμανση των ΠΑΣ στη δεξαμενή Γ με υλικό πολυαιθυλένιο (Πείραμα 3) 63 Σχήμα 4.19 Διακύμανση της θολερότητα στη δεξαμενή Β με υλικό βαμβακερό ύφασμα (Πείραμα 2) 63 Σχήμα 4.2 Διακύμανση της θολερότητας στη δεξαμενή Γ με υλικό πολυαιθυλένιο (Πείραμα 3) 64 Σχήμα 4.21 Διακύμανση του ΧΑΟ στη δεξαμενή Β με υλικό βαμβακερό ύφασμα (Πείραμα 2) 65 Σχήμα 4.22 Διακύμανση του ΧΑΟ στη δεξαμενή Γ με υλικό πολυαιθυλένιο (Πείραμα 3) 65 - Σχήμα 4.23 Διακύμανση των ΝΟ 3 στη δεξαμενή Β με υλικό βαμβακερό ύφασμα (Πείραμα 2) 66 - Σχήμα 4.24 Διακύμανση των ΝΟ 3 στη δεξαμενή Γ με υλικό πολυαιθυλένιο (Πείραμα 3) 67 ix

17 - Σχήμα 4.25 Προφίλ της συγκέντρωσης των ΝΟ 3 στη δεξαμενή Β με υλικό βαμβακερό ύφασμα την 25 η ημέρα (Πείραμα 2) 67 - Σχήμα 4.26 Προφίλ της συγκέντρωσης των ΝΟ 3 στη δεξαμενή Γ με υλικό πολυαιθυλένιο την 25 η ημέρα (Πείραμα 3) 68 Σχήμα 4.27 Διακύμανση του TKN στη δεξαμενή Β με υλικό βαμβακερό ύφασμα (Πείραμα 2) 68 Σχήμα 4.28 Διακύμανση του TKN στη δεξαμενή Γ με υλικό πολυαιθυλένιο (Πείραμα 3) 69-3 Σχήμα 4.29 Διακύμανση των PO 4 στη δεξαμενή Β με υλικό βαμβακερό ύφασμα (Πείραμα 2) 69-3 Σχήμα 4.3 Διακύμανση των PO 4 στη δεξαμενή Γ με υλικό πολυαιθυλένιο (Πείραμα 3) 7-3 Σχήμα 4.31 Προφίλ της συγκέντρωσης των PO 4 στη δεξαμενή Β με υλικό βαμβακερό ύφασμα την 25 η ημέρα (Πείραμα 2) 7-3 Σχήμα 4.32 Προφίλ της συγκέντρωσης των PO 4 στη δεξαμενή Γ με υλικό πολυαιθυλένιο την 25 η ημέρα (Πείραμα 3) 71 Σχήμα 4.33 Διακύμανση του ολικού-p στη δεξαμενή Β με υλικό βαμβακερό ύφασμα (Πείραμα 2) 71 Σχήμα 4.34 Διακύμανση του ολικού-p στη δεξαμενή Γ με υλικό πολυαιθυλένιο (Πείραμα 3) 72 Σχήμα 4.35 Διακύμανση του ph στη δεξαμενή Β με υλικό βαμβακερό ύφασμα (Πείραμα 2) 73 Σχήμα 4.36 Διακύμανση του ph στη δεξαμενή Γ με υλικό πολυαιθυλένιο (Πείραμα 3) 73 Σχήμα 4.37 Διακύμανση του διαλυμένου οξυγόνου στη δεξαμενή Β με υλικό βαμβακερό ύφασμα (Πείραμα 2) 74 Σχήμα 4.38 Διακύμανση του διαλυμένου οξυγόνου στη δεξαμενή Γ με υλικό πολυαιθυλένιο (Πείραμα 3) 74 Σχήμα 4.39 Απεικονίσεις του οπτικού μικροσκοπίου και του ηλεκτρονικού μικροσκοπίου σάρωσης στη δεξαμενή Β με υλικό βαμβακερό ύφασμα (2 ο πείραμα) 77 x

18 Σχήμα 4.4 Απεικονίσεις του οπτικού μικροσκοπίου και του ηλεκτρονικού μικροσκοπίου σάρωσης στη δεξαμενή Γ με υλικό πολυαιθυλένιο (3 ο πείραμα) 77 Σχήμα 4.41 Διακύμανση οπτικής πυκνότητας στα 6, 65, 75 nm στη δεξαμενή Β με υλικό βαμβακερό ύφασμα (Πείραμα 4) 79 Σχήμα 4.42 Διακύμανση οπτικής πυκνότητας στα 6, 65, 75 nm στη δεξαμενή Γ με υλικό πολυαιθυλένιο (Πείραμα 5) 8 Σχήμα 4.43 Διακύμανση των ΑΣ στη δεξαμενή Β με υλικό βαμβακερό ύφασμα (Πείραμα 4) 81 Σχήμα 4.44 Διακύμανση των ΠΑΣ στη δεξαμενή Β με υλικό βαμβακερό ύφασμα (Πείραμα 4) 81 Σχήμα 4.45 Διακύμανση των ΑΣ στη δεξαμενή Γ με υλικό πολυαιθυλένιο (Πείραμα 5) 82 Σχήμα 4.46 Διακύμανση των ΠΑΣ στη δεξαμενή Γ με υλικό πολυαιθυλένιο (Πείραμα 5) 82 Σχήμα 4.47 Διακύμανση της θολερότητας στη δεξαμενή Β με βαμβακερό ύφασμα (Πείραμα 4) 83 Σχήμα 4.48 Διακύμανση της θολερότητας στη δεξαμενή Γ με πολυαιθυλένιο (Πείραμα 5) 83 Σχήμα 4.49 Διακύμανση του ΧΑΟ στη δεξαμενή Β με βαμβακερό ύφασμα (Πείραμα 4) 84 Σχήμα 4.5 Διακύμανση του ΧΑΟ στη δεξαμενή Γ με πολυαιθυλένιο (Πείραμα 5) 84 Σχήμα 4.51 Διακύμανση της χλωροφύλλης α στις δεξαμενές Β και Γ με υλικά βαμβακερό και πολυαιθυλένιο (Πειράματα 4-5) 85 Σχήμα 4.52 Διακύμανση των καρατονοειδών στις δεξαμενές Β και Γ με υλικά βαμβακερό και πολυαιθυλένιο (Πειράματα 4-5) 85 Σχήμα 4.53 Διακύμανση των NO - 3 στη δεξαμενή Β με υλικό βαμβακερό ύφασμα (Πείραμα 4) 86 Σχήμα 4.54 Διακύμανση των NO - 3 στη δεξαμενή Γ με υλικό πολυαιθυλένιο (Πείραμα 5) 87 Σχήμα 4.55 Προφίλ της συγκέντρωσης των NO - 3 στη δεξαμενή Β με υλικό βαμβακερό ύφασμα την 19 η ημέρα(πείραμα 4) 87 xi

19 Σχήμα 4.56 Προφίλ της συγκέντρωσης των NO - 3 στη δεξαμενή Γ με υλικό πολυαιθυλένιο (Πείραμα 5) 88 Σχήμα 4.57 Διακύμανση του TKN στη δεξαμενή Β με υλικό βαμβακερό ύφασμα (Πείραμα 4) 89 Σχήμα 4.58 Διακύμανση του TKN στη δεξαμενή Γ με υλικό πολυαιθυλένιο (Πείραμα 5) 89-3 Σχήμα 4.59 Διακύμανση των PO 4 στη δεξαμενή Β με υλικό βαμβακερό ύφασμα (Πείραμα 4) 9-3 Σχήμα 4.6 Διακύμανση των PO 4 στη δεξαμενή Γ με υλικό πολυαιθυλένιο (Πείραμα 5) 9-3 Σχήμα 4.61 Προφίλ της συγκέντρωσης των PO 4 στη δεξαμενή Β με υλικό βαμβακερό ύφασμα την 19 η ημέρα (Πείραμα 4) 91-3 Σχήμα 4.62 Προφίλ της συγκέντρωσης των PO 4 στη δεξαμενή Γ με υλικό πολυαιθυλένιο την 19 η ημέρα (Πείραμα 5) 91 Σχήμα 4.63 Διακύμανση του ολικού-p στη δεξαμενή Β με υλικό βαμβακερό ύφασμα (Πείραμα 4) 92 Σχήμα 4.64 Διακύμανση του ολικού-p στη δεξαμενή Γ με υλικό πολυαιθυλένιο (Πείραμα 5) 92 Σχήμα 4.65 Προφίλ της συγκέντρωσης του ολικού-p στη δεξαμενή Β με υλικό βαμβακερό ύφασμα την 19 η ημέρα (Πείραμα 4) 93 Σχήμα 4.66 Προφίλ της συγκέντρωσης του ολικού-p στη δεξαμενή Γ με υλικό πολυαιθυλένιο την 19 η ημέα (Πείραμα 5) 93 Σχήμα 4.67 Διακύμανση του ph στη δεξαμενή Β με υλικό βαμβακερό ύφασμα (Πείραμα 4) 94 Σχήμα 4.68 Διακύμανση του ph στη δεξαμενή Γ με υλικό πολυαιθυλένιο (Πείραμα 5) 94 Σχήμα 4.69 Διακύμανση του διαλυμένου οξυγόνου στη δεξαμενή Β με υλικό βαμβακερό ύφασμα (Πείραμα 4) 95 Σχήμα 4.7 Διακύμανση του διαλυμένου οξυγόνου στη δεξαμενή Γ με υλικό πολυαιθυλένιο (Πείραμα 5) 95 Σχήμα 4.71 Συλλογή μικροφυκών από τα χωρίσματα της δεξαμενής Β με υλικό βαμβακερό ύφασμα (Πείραμα 4) 97 xii

20 Σχήμα 4.72 Απεικονίσεις του οπτικού μικροσκοπίου και του ηλεκτρονικού μικροσκοπίου σάρωσης στη δεξαμενή Β με υλικό βαμβακερό ύφασμα (4 ο πείραμα) 98 Σχήμα 4.73 Απεικονίσεις του οπτικού μικροσκοπίου στη δεξαμενή Γ με υλικό πολυαιθυλένιο (5 ο πείραμα) 98 Σχήμα 4.74 Διακύμανση οπτικής πυκνότητας στα 6, 65, 75 nm στις φιάλες στο Πείραμα 6 1 Σχήμα 4.75 Διακύμανση των ΑΣ στις φιάλες στο Πείραμα 6 11 Σχήμα 4.76 Διακύμανση των ΠΑΣ στις φιάλες στο Πείραμα 6 12 Σχήμα 4.77 Διακύμανση της θολερότητας στις φιάλες στο Πείραμα 6 12 Σχήμα 4.78 Διακύμανση των ΝΟ - 3 στις φιάλες στο Πείραμα 6 13 Σχήμα 4.79 Διακύμανση των PO -3 4 στις φιάλες στο Πείραμα 6 13 Σχήμα 4.8 Διακύμανση του ph στις φιάλες στο Πείραμα 6 14 Σχήμα 4.81 Απεικονίσεις του οπτικού μικροσκοπίου και του ηλεκτρονικού μικροσκοπίου σάρωσης στο Πείραμα Σχήμα 4.82 Διακύμανση οπτικής πυκνότητας στα 6, 65, 75 nm στην διάταξη 1 (Πείραμα 7) 17 Σχήμα 4.83 Διακύμανση οπτικής πυκνότητας στα 6, 65, 75 nm στην διάταξη 2 (Πείραμα 7) 19 Σχήμα 4.84 Διακύμανση των ΑΣ στην διάταξη 1 (Πείραμα 7) 19 Σχήμα 4.85 Διακύμανση των ΠΑΣ στην διάταξη 1 (Πείραμα 7) 11 Σχήμα 4.86 Διακύμανση των ΑΣ στην διάταξη 2 (Πείραμα 7) 11 Σχήμα 4.87 Διακύμανση των ΠΑΣ στην διάταξη 2 (Πείραμα 7) 111 Σχήμα 4.88 Διακύμανση της θολερότητας στην διάταξη 1 (Πείραμα 7) 112 Σχήμα 4.89 Διακύμανση της θολερότητας στην διάταξη 2 (Πείραμα 7) 112 Σχήμα 4.9 Διακύμανση των NO - 3 στην διάταξη 1 (Πείραμα 7) 113 Σχήμα 4.91 Διακύμανση των NO - 3 στην διάταξη 2 (Πείραμα 7) 113 Σχήμα 4.92 Διακύμανση των PO -3 4 στην διάταξη 1 (Πείραμα 7) 114 Σχήμα 4.93 Διακύμανση των PO -3 4 στην διάταξη 2 (Πείραμα 7) 115 Σχήμα 4.94 Διακύμανση του ph στην διάταξη 1 (Πείραμα 7) 116 Σχήμα 4.95 Διακύμανση του ph στην διάταξη 2 (Πείραμα 7) Σχήμα Π1. Πρότυπες καμπύλες βαθμονόμησης των NO Σχήμα Π2. Πρότυπες καμπύλες βαθμονόμησης των PO xiii

21 Σχήμα Π3. Πρότυπες καμπύλες βαθμονόμησης του Ολικού - P 172 xiv

22 1. ΕΙΣΑΓΩΓΗ Η καλλιέργεια μικροφυκών με σκοπό την επεξεργασία λυμάτων και την παραγωγή βιοκαυσίμων ερευνάται εκτενώς τα τελευταία χρόνια. Τα μικροφύκη αποτελούν μία ανανεώσιμη πηγή ικανή να ικανοποιήσει ένας μέρος της ενεργειακής ζήτησης του πλανήτη. Πέρα από αυτό, τα μικροφύκη μπορούν να αποτελέσουν πηγή για την παραγωγή τροφών, χημικών και φαρμακευτικών προϊόντων, καθώς και να συμβάλουν στη μείωση των εκπομπών του διοξειδίου του άνθρακα (Chisti, 27; Mata et al., 21). Τα μικροφύκη έχουν πολύ υψηλότερους ρυθμούς ανάπτυξης και απαιτούν λιγότερη έκταση σε γη σε σχέση με άλλες καλλιέργειες γεωργικής προέλευσης που χρησιμοποιούνται ως πρώτη ύλη για την παραγωγή βιοκαυσίμων. Τα μικροφύκη μπορούν να αποτελέσουν την πρώτη ύλη για πολλούς διαφορετικούς τύπους καυσίμων όπως το βιοντίζελ, το μεθάνιο, το υδρογόνο και η αιθανόλη. Το βιοντίζελ από μικροφύκη δεν περιέχει θείο, και μπορεί όπως το ντίζελ πετρελαίου να μειώσει τις εκπομπές σωματιδιακής ύλης, υδρογονανθράκων, CO, καθώς και των SO x. Παρόλα αυτά οι εκπομπές σε NO x από ορισμένους κινητήρες μπορεί να είναι αυξημένοι (Mata et al., 21). Ένας οικονομικός τρόπος ανάπτυξης των μικροφυκών, είναι η χρησιμοποίηση τους με σκοπό την επεξεργασία αστικών και βιομηχανικών υγρών αποβλήτων. Τα αυξανόμενα επίπεδα θρεπτικών ουσιών επηρεάζουν την ποιότητα των υδάτων και οδηγούν στο φαινόμενο του ευτροφισμού. Ο ευτροφισμός συντελεί στην ταχεία ανάπτυξη φυτών και φυκών τα οποία όταν πεθαίνουν και αποσυντίθενται δημιουργούν συνθήκες πολύ χαμηλού οξυγόνου, οδηγώντας στο θάνατο των ψαριών (Leng, 29). Οι διαθέσιμες ποσότητες θρεπτικών στα λύματα μπορούν να χρησιμοποιηθούν για την ανάπτυξη μικροφυκών, προκειμένου να γίνει ταυτόχρονη επεξεργασία των λυμάτων και παραγωγή βιομάζας για παραγωγή βιοκαυσίμων. Προς το παρόν, η πλειοψηφία των μεθόδων καλλιέργειας μικροφυκών είναι βασισμένη σε ανοικτά συστήματα λιμνών ή συστήματα φωτοαντιδραστήρων, στα οποία τα κύτταρα των μικροφυκών είναι αιωρούμενα στο ρευστό μέσο. Ως μία εναλλακτική λύση, τα συστήματα καλλιέργειας μικροφυκών σε βιοφίλμ έχουν προσελκύσει το ενδιαφέρον των ερευνητών τα πρόσφατα χρόνια. Ένα σημαντικό όφελος αυτού του είδους των καλλιεργειών είναι η μείωση των δαπανών που 1

23 σχετίζονται με τη συγκομιδή των φυκών. Τα μικροφύκη αναπτύσσονται στην επιφάνεια ενός υλικού υποστήριξης και από εκεί συλλέγονται με ξύσιμο της επιφάνειας. Η εφαρμογή συστημάτων βιοφίλμ μικροφυκών στην επεξεργασία λυμάτων δεν είναι ακόμη ευρεία, παρά τα σημαντικά οφέλη που παρουσιάζει (Gross et al., 215; Kesaano and Sims, 214). Στην παρούσα εργασία πραγματοποιήθηκαν πειράματα επεξεργασίας λυμάτων σε ανοικτές δεξαμενές με χωρίσματα. Σκοπός των πειραμάτων ήταν να μελετηθεί η μετεπεξεργασία λυμάτων με μικροφύκη και να δοκιμαστεί η ικανότητα διαφορετικών υλικών υποστήριξης για την ανάπτυξη των μικροφυκών. Επιπλέον σκοπός ήταν να εξεταστεί η παραγωγή λιπιδίων από τα μικροφύκη. Επίσης, έγιναν πειράματα σε φιάλες Erlenemeyer 2 L με διαφορετικά υλικά υποστήριξης και θρεπτικό μέσο BG-11 με στόχο την διερεύνηση της επίδρασης του υλικού υποστήριξης στην ανάπτυξη των μικροφυκών. 2

24 2. ΒΙΒΛΙΟΓΡΑΦΙΚΗ ΑΝΑΣΚΟΠΗΣΗ 2.1 ΜΙΚΡΟΦΥΚΗ Τα μικροφύκη είναι προκαρυωτικοί ή ευκαρυωτικοί φωτοσυνθετικοί οργανισμοί που μπορούν να αναπτυχθούν γρήγορα και να επιβιώσουν σε δύσκολες περιβαλλοντικές συνθήκες λόγω της μονοκύτταρης ή απλής πολυκύτταρης δομής τους. Παράδειγμα προκαρυωτικών μικροοργανισμών είναι τα κυανοβακτήρια, ενώ ευκαρυωτικών μικροφυκών είναι τα χλωροφύκη (Chlorophyta) και τα διάτομα (Bacillariophyta) (Mata et al., 21). Τα μικροφύκη είναι παρόντα στα περισσότερα οικοσυστήματα της Γής, όχι μόνο τα υδρόβια αλλά και τα επίγεια, και αποτελούνται από μία μεγάλη ποικιλία ειδών που ζουν σε ένα ευρύ φάσμα περιβαλλοντικών συνθηκών. Εκτιμάται ότι υπάρχουν περισσότερα από 5. είδη, αλλά περίπου 3. έχουν μελετηθεί και αναλυθεί. Τα μικροφύκη αναπαράγουν τους εαυτούς τους χρησιμοποιώντας την ηλιακή ενέργεια και μετατρέποντας την σε χημική ενέργεια μέσω της φωτοσύνθεσης, συμπληρώνοντας έναν κύκλο ανάπτυξης κάθε λίγες ημέρες. Επιπλέον μπορούν να αναπτυχθούν σχεδόν οπουδήποτε, με μόνες απαιτήσεις την ηλιακή ενέργεια και κάποια απλά θρεπτικά στοιχεία, ενώ μπορούν να επιτευχθούν μεγαλύτεροι ρυθμοί ανάπτυξης αν υπάρχουν οι κατάλληλες συνθήκες σε σχέση με τα θρεπτικά και τον αέρα. Διαφορετικά είδη φυκών προσαρμόζονται σε διαφορετικά περιβάλλοντα, και έτσι ανάλογα με τις υπάρχουσες τοπικές συνθήκες μπορούν να βρεθούν τα κατάλληλα είδη φυκών για ανάπτυξη (Mata et al., 21). Κατά την διάρκεια των τελευταίων δεκαετιών, έχουν δημιουργηθεί συλλογές μικροφυκών σε διαφορετικές χώρες. Οι συλλογές αυτές δίνουν την δυνατότητα επιλογής των κατάλληλων μικροφυκών για χρήση σε ευρείας κλίμακας εφαρμογές, όπως για την επεξεργασία λυμάτων, την παραγωγή προϊόντων φαρμακευτικής χρήσης, για καλλιέργεια τροφίμων, καθώς και για παραγωγή βιοκαυσίμων (Mata et al., 21). 3

25 2.2 ΣΥΣΤΗΜΑΤΑ ΚΑΛΛΙΕΡΓΕΙΑΣ ΜΙΚΡΟΦΥΚΏΝ Ανοιχτές λίμνες Οι λίμνες που χρησιμοποιούνται για την καλλιέργεια μικροφυκών είναι κλειστά συστήματα με κανάλια που λειτουργούν με επανακυκλοφορία (Σχήμα 2.1.α). Τα κανάλια έχουν βάθος περίπου,3 m. Η ροή λειτουργεί συνεχώς προκειμένου να αποφευχθούν οι καθιζήσεις, όμως συνήθως η ανάμιξη δεν είναι ικανοποιητική και έτσι η παραγωγή βιομάζας μειώνεται λόγω της μη βέλτιστης χρησιμοποίησης του φωτός. Στις ανοικτές λίμνες, η ψύξη επιτυγχάνεται μόνο μέσω της εξάτμισης. Η θερμοκρασία παρουσιάζει διακύμανση μέσα στην ημέρα και από εποχή σε εποχή και οι απώλειες του υγρού λόγω εξάτμισης μπορεί να είναι σημαντικές τους πιο θερμούς μήνες. Λόγω των απωλειών αυτών, οι ανοικτές λίμνες χρησιμοποιούν το CO 2 πολύ λιγότερο αποτελεσματικά σε σχέση με τους φωτοαντιδραστήρες. Επίσης, η παραγωγικότητα σε βιομάζα μπορεί να επηρεαστεί λόγω μόλυνσης από ανεπιθύμητα είδη φυκών, καθώς και μικροοργανισμών που τρέφονται με φύκη (Chisti, 27). Η παραγωγή βιομάζας έχει μελετηθεί και αξιολογηθεί εκτενώς σε τέτοια συστήματα. Αν και το κόστος κατασκευής και λειτουργίας είναι χαμηλότερο σε σχέση με τα συστήματα φωτοαντιδραστήρων, η παραγωγικότητα τους σε βιομάζα είναι χαμηλότερη (Chisti, 27) Φωτοαντιδραστήρες Σε αντίθεση με τις ανοιχτές λίμνες, οι φωτοαντιδραστήρες επιτρέπουν την καλλιέργεια επιλεγμένων ειδών ή μονοκαλλιέργειας για μεγάλο χρονικό διάστημα. Οι φωτοαντιδραστήρες έχουν χρησιμοποιηθεί επιτυχώς για την παραγωγή βιομάζας. Ένας σωληνοειδής φωτοαντιδραστήρας (Σχήμα 2.1.β) αποτελείται από μία συστοιχία διάφανων σωλήνων που είναι συνήθως κατασκευασμένοι από πλαστικό ή γυαλί, τοποθετημένων σε μέρος όπου υπάρχει επαρκές φώς. Οι σωλήνες έχουν γενικά διάμετρο,1 m ή μικρότερη, προκειμένου να μπορεί το φώς να διεισδύσει και να εξασφαλιστεί η υψηλή παραγωγικότητα σε βιομάζα. Το υγρό κυκλοφορεί μέσω μίας δεξαμενής προς τους σωλήνες και επιστρέφει πίσω για επανακυκλοφορία. Οι σωλήνες είναι έτσι προσανατολισμένοι ώστε να συλλέγουν το μέγιστο δυνατό φώς, και συνήθως τοποθετούνται παράλληλα μεταξύ τους, κατακόρυφα ή οριζόντια πάνω 4

26 από το έδαφος. Η κατακόρυφη τοποθέτηση γίνεται με σκοπό τη μείωση της απαίτησης σε γη. Επίσης, το έδαφος γύρω από τους φωτοαντιδραστήρες συχνά βάφεται λευκό ή καλύπτεται με λευκά πανιά ή πλαστικό (Chisti, 27). Οι φωτοαντιδραστήρες απαιτούν ψύξη κατά τη διάρκεια της ημέρας, και έλεγχο της θερμοκρασίας κατά τη διάρκεια της νύκτας. Για παράδειγμα, η παραγωγή της βιομάζας μπορεί να μειωθεί την νύχτα λόγω της μείωσης της θερμοκρασίας. Οι εξωτερικοί σωληνοειδείς φωτοαντιδραστήρες μπορούν να ψυχθούν κατά την διάρκεια της ημέρας αποτελεσματικά και ανέξοδα χρησιμοποιώντας πηνία ανταλλαγής θερμότητας, εναλλάκτες θερμότητας ή νερό ψεκασμού. Έχουν γίνει δοκιμές να τοποθετηθούν σωληνοειδείς φωτοαντιδραστήρες μέσα σε θερμοκήπια με ελεγχόμενες συνθήκες, αλλά κάτι τέτοιο είναι απαγορευτικά ακριβό για την παραγωγή βιοκαυσίμων (Chisti, 27). α. Ανοιχτή λίμνη β. Φωτοαντιδραστήρες Σχήμα 2.1: Συστήματα καλλιέργειας μικροφυκών (Πηγές: Συστήματα καλλιέργειας μικροφυκών σε βιοφίλμ Η πλειοψηφία των μεθόδων καλλιέργειας μικροφυκών είναι βασισμένη σε ανοικτά συστήματα λιμνών ή κλειστά συστήματα φωτοαντιδραστήρων, στα οποία τα κύτταρα των μικροφυκών είναι αιωρούμενα στο ρευστό μέσο. Η πυκνότητα των κυττάρων σε αυτά τα συστήματα είναι συνήθως χαμηλή. Για παράδειγμα η συγκέντρωση των κυττάρων μπορεί να είναι,5 g/l σε ανοικτές λίμνες και 2 έως 6 g/l σε φωτοαντιδραστήρες. Για τη συγκομιδή της βιομάζας από αυτό το αραιωμένο μέσο η καλλιέργεια συνήθως συμπυκνώνεται με καθίζηση ή κροκίδωση σε περίπου 5

27 1% (ξηρό βάρος) και έπειτα συμπυκνώνεται περαιτέρω, σε 2%, μέσω φυγοκέντρισης. Η παραπάνω συμπύκνωση είναι χρονοβόρα και το κόστος σημαντικό. Σε μία πρόσφατη τεχνικοοικονομική μελέτη σχετικά με την παραγωγή μικροφυκών για βιοκαύσιμο, εκτιμήθηκε ότι το κόστος συγκομιδής της βιομάζας αποτελεί το 21% του συνολικού κόστους ενός ανοικτού συστήματος καλλιέργειας σε λίμνη (Davis et al., 211). Ως μία εναλλακτική λύση, τα συστήματα καλλιέργειας μικροφυκών σε βιοφίλμ έχουν ελκύσει το ενδιαφέρον των ερευνητών τα πρόσφατα χρόνια. Το σημαντικό όφελος αυτού του είδους των καλλιεργειών είναι η μείωση των δαπανών που σχετίζονται με τη συγκομιδή των φυκών. Τα φύκη αναπτύσσονται πάνω στην επιφάνεια ενός υλικού και έπειτα συλλέγονται με ξύσιμο της επιφάνειας αυτής. Τα φύκη έχουν περιεκτικότητα σε στερεά 1 έως 2% (ξηρό βάρος) η οποία είναι παρόμοια με εκείνη της βιομάζας μετά από φυγοκέντριση. Εκτός από το πλεονέκτημα της εύκολης συγκομιδής, τα συστήματα με βιοφίλμ προσφέρουν μία σειρά από μοναδικές δυνατότητες, όπως ελαχιστοποίηση της έλλειψης φωτός και ενίσχυση της μεταφοράς μάζας του CO 2 (Gross et al., 215). Η πρώτη αναφορά σε αντιδραστήρες με βιοφίλμ φυκών έγινε την δεκαετία του 198 με ένα περιστρεφόμενο δίσκο πολυστυρενίου που χρησιμοποιήθηκε για την αφαίρεση αζώτου και φώσφορου από αστικά λύματα. Μέχρι σήμερα, μία μεγάλη ποικιλία αντιδραστήρων έχει σχεδιαστεί με εφαρμογές στην επεξεργασία λυμάτων και την παραγωγή βιομάζας (Gross et al., 215). 2.3 ΕΠΕΞΕΡΓΑΣΙΑ ΛΥΜΑΤΩΝ ΜΕ ΜΙΚΡΟΦΥΚΗ Επεξεργασία λυμάτων με μικροφύκη σε συστήματα αιωρούμενης βιομάζας Τα μικροφύκη έχουν χρησιμοποιηθεί σε ανοικτά συστήματα λιμνών για την επεξεργασία αστικών λυμάτων εδώ και αρκετά χρόνια. Τα μικροφύκη αφαιρούν το αμμωνιακό άζωτο (NH + 4 ) και τα φωσφορικά (PO -3 4 ), ενώ από την νιτροποιημένη εκροή των λυμάτων αφαιρούν τα νιτρικά (NO - 3 ), αφομοιώνοντας τα θρεπτικά στην βιομάζα τους. Το αφομοιωμένο άζωτο χρησιμοποιείται για την σύνθεση πρωτεϊνών, ενώ το άζωτο και ο φώσφορος σε συνδυασμό χρησιμοποιούνται για την παραγωγή νουκλεϊκών οξέων. Εκτός από την αφομοίωση, τα φωσφορικά μπορεί να αφαιρεθούν με κατακρήμνιση. Όταν τα φύκη καταναλώνουν τα νιτρικά και/ή περισσότερο 6

28 άνθρακα από όσον παρέχεται μέσω απορρόφησης από την ατμόσφαιρα, το ph του νερού αυξάνεται. Σε αυξημένο ph, τα διαλυμένα φωσφορικά μπορούν να καθιζάνουν με κατιόντα όπως Ca 2+ και Mg 2+, τα οποία συνήθως υπάρχουν στα λύματα (Boelee, 213). Διάφορα είδη φυκών έχουν εξεταστεί για την αφαίρεση θρεπτικών, όπως τα Chlorella, Scenedesmus, Nannochloris, Botryococcus braunii καθώς επίσης και τα κυανοβακτήρια Phormidium και Spirulina (Johnson and Wen, 29; Shi et al., 27). Ωστόσο τα περισσότερα συστήματα δεν βασίζονται σε μονοκαλλιέργειες φυκών αλλά σε καλλιέργειες με ποικιλία ειδών (Jiménez - Pérez et al., 24; An et al., 23; Olguín et al., 23; Laliberté et al., 1997) Επεξεργασία λυμάτων σε συμβιωτικά συστήματα βιοφίλμ Το πρόσφατο ερευνητικό ενδιαφέρον σχετικά με τα βιοφίλμ μικροφυκών έχει προέλθει από την ανάγκη ανάπτυξης στρατηγικών που αφορούν στον έλεγχο των θρεπτικών συστατικών στα λύματα, στην εύρεση πρώτων υλών για την παραγωγή βιοκαυσίμου και στην ανάπτυξη αποτελεσματικών τεχνικών χαμηλού κόστους για την συγκομιδή της βιομάζας των φυκών. Ένα βασικό πλεονέκτημα των συστημάτων βιοφίλμ που σχεδιάζονται για την επεξεργασία λυμάτων είναι ότι πετυχαίνουν σε σημαντικό βαθμό το διαχωρισμό μεταξύ των λυμάτων και της βιομάζας. Στα συστήματα με αιωρούμενη βιομάζα αντίθετα, τα λύματα με τη βιομάζα είναι αναμιγμένα. Ωστόσο, η ανάπτυξη τέτοιων τεχνολογιών αντιμετωπίζει προκλήσεις λόγω των περιορισμένων πληροφοριών σχετικά με τις ανάγκες των φυκών για την ανάπτυξη τους, των απαιτούμενων εκτάσεων που απαιτούνται, καθώς και την αποτελεσματικότητα της αφαίρεσης των θρεπτικών. Υπάρχει κατά συνέπεια η ανάγκη για κατανόηση των διεργασιών που εμπλέκονται, με σκοπό τον σχεδιασμό αποτελεσματικών συστημάτων (Kesaano and Sims, 214). Τα συστήματα βιοφίλμ που χρησιμοποιούνται στην επεξεργασία αστικών λυμάτων, είναι συμβιωτικά. Τα μικροφύκη αφαιρούν το άζωτο και το φώσφορο και παράγουν οξυγόνο, το οποίο είναι απαραίτητο για την αποδόμηση των οργανικών ρύπων στα λύματα, και τα βακτήρια παράγουν CO 2, το οποίο είναι απαραίτητο για την ανάπτυξη των φυκών. Τα συστήματα αυτά είναι ιδιαίτερα ενδιαφέροντα, όταν εφαρμόζονται για επεξεργασία λυμάτων στα οποία έχει ήδη γίνει προεπεξεργασία και έχει αφαιρεθεί μέρος του οργανικού υλικού (Boelee, 213). 7

29 Τα μικροφύκη χρησιμοποιούν την ενέργεια από το φώς και το CO 2 για να παράγουν βιομάζα, ενώ σε αντίθεση με άλλα συστήματα δεν απαιτούν καμία πηγή οργανικού άνθρακα. Επιπλέον, δεν είναι απαραίτητη η προσθήκη χημικών για την κατακρήμνιση του φωσφόρου, εφόσον αυτός ενσωματώνεται στην βιομάζα των μικροφυκών. Ως εκ τούτου, τα συστήματα με βιοφίλμ φυκών είναι μία ενδιαφέρουσα και βιώσιμη εναλλακτική λύση, σε σχέση με τα υπάρχοντα συστήματα επεξεργασίας (Boelee, 213). Πολλές εγκαταστάσεις επεξεργασίας λυμάτων στην Ευρωπαϊκή Ένωση είναι υποχρεωμένες να μειώσουν περαιτέρω τις εκπομπές τους σε άζωτο και φώσφορο σύμφωνα με σχετικές οδηγίες της ΕΕ. Τα μικροφύκη έχουν την ικανότητα να μειώσουν το άζωτο και τον φώσφορο σε πολύ χαμηλές συγκεντρώσεις, συνεπώς μπορούν να χρησιμοποιηθούν για την περαιτέρω απαιτούμενη μείωση των θρεπτικών από την εκροή των λυμάτων (Boelee, 213). 2.4 ΑΝΤΙΔΡΑΣΤΗΡΕΣ ΒΙΟΦΙΛΜ ΜΙΚΡΟΦΥΚΩΝ Διατάξεις συστημάτων βιοφίλμ Διάφορα συστήματα καλλιέργειας μικροφυκών σε βιοφίλμ έχουν αναπτυχθεί τα τελευταία χρόνια. Ανάλογα με την εφαρμογή του συστήματος, υπάρχουν διαφορές στο σχεδιασμό, τη λογική, τη διαμόρφωση, τη γεωμετρία και την επιλογή των υλικών. Για παράδειγμα σε κάποια συστήματα χρησιμοποιούνται υλικά με πολλές αυλακώσεις οι οποίες δημιουργούν επιπλέον επιφάνειες επαφής, όμως σε αυτές τις επιφάνειες δεν έχει πρόσβαση το φώς. Τέτοια συστήματα χρησιμοποιούνται συνήθως για επεξεργασία λυμάτων και συνήθως η βιομάζα δεν συλλέγεται αλλά αποβάλλεται μαζί με το υγρό. Άλλα συστήματα χρησιμοποιούν επίπεδες επιφάνειες, ώστε να επιτρέπουν τη μέγιστη έκθεση των μικροφυκών σε φως. Η βιομάζα σε αυτά τα συστήματα μπορεί εύκολα να συλλεχθεί. Επίσης, υπάρχει μεγάλη ποικιλία στην γεωμετρία των συστημάτων, από επίπεδες πλάκες έως περιστρεφόμενους δίσκους. Ανάμεσα στα υλικά που χρησιμοποιούνται ως βάση για την ανάπτυξη των φυκών είναι το γυαλί, το βαμβάκι, ο ανοξείδωτος χάλυβας και το πολυβινυλοχλωρίδιο (Gross et al., 215). 8

30 Μια κατηγοριοποίηση των βιοφίλμ μπορεί να γίνει με βάση το αν αυτά κινούνται ή όχι στον χώρο. Έτσι υπάρχουν τα σταθερά και τα περιστρεφόμενα βιοφίλμ. Στα συστήματα με σταθερό βιοφίλμ, μία αντλία ή κάποια άλλη συσκευή χρησιμοποιείται για τη μετακίνηση του υγρού επάνω στην επιφάνεια του βιοφίλμ, η οποία μπορεί να είναι τοποθετημένη οριζόντια ή κατακόρυφα. Μια τυπική μορφή σταθερού βιοφίλμ αποτελεί το ATS (algal turf scrubber), στο οποίο μία επίπεδη επιφάνεια επαφής, από πολυαιθυλένιο για παράδειγμα, τοποθετείται οριζοντίως, με ελαφριά κλίση. Το βιοφίλμ σχηματίζεται πάνω σε αυτή την επιφάνεια, και ένα λεπτό στρώμα υγρού ρέει πάνω στο βιοφίλμ με τη βοήθεια της βαρύτητας (Kebede- Westhead et al., 23; Wilkie and Mulbry, 22; Ozkan et al., 212). Τα συστήματα ATS έχουν μελετηθεί ως προς την ικανότητα τους να επεξεργαστούν λύματα και επιφανειακά ύδατα. Εφόσον τα ATS χρησιμοποιούν λίγα ή καθόλου κινούμενα μέρη, ελαχιστοποιείται το κόστος κατασκευής και λειτουργίας, καθώς και η ενεργειακή απαίτηση του συστήματος. Ωστόσο, τα συστήματα ATS απαιτούν μεγάλη έκταση σε γη, κάτι το οποίο δεν μπορεί να αποτελεί βιώσιμη λύση σε περιοχές όπου οι διαθέσιμες εκτάσεις είναι περιορισμένες. Για να μειωθεί η απαίτηση σε γη, τα βιοφίλμ μπορούν να τοποθετηθούν κατακόρυφα (Σχήμα 2.2.α) και το βιοφίλμ να τροφοδοτείται με ένα λεπτό στρώμα υγρού μέσω αντλίας (Liu et al., 213; Zamalloa et al., 213; Naumann et al., 213). Μια άλλη επιλογή είναι το υλικό επαφής να βυθίζεται σε μία δεξαμενή, στην οποία το υγρό ανακυκλώνεται με μία αντλία ή αναδεύεται με την βοήθεια παρεχόμενου αέρα. Η κατακόρυφη τοποθέτηση του υλικού μειώνει δραστικά την απαίτηση του συστήματος σε επιφάνεια, ωστόσο το κόστος μπορεί να αυξηθεί λόγω της ανάγκης τοποθέτησης διαφανών δεξαμενών προκειμένου να υπάρχει πρόσβαση από το φώς, ή σε ορισμένες περιπτώσεις λόγω της ανάγκης παροχής αέρα. Τα συστήματα αυτά υπερτερούν στο ότι δεν είναι τόσο ευάλωτα στις μεγάλες αλλαγές της θερμοκρασίας και τις μεταβολές του ρυθμού εξάτμισης, όσο τα συστήματα όπου το βιοφίλμ βρίσκεται σε επαφή με την ατμόσφαιρα. (Gross et al., 215). Η τροφοδότηση των φυκών με θρεπτικά μπορεί εναλλακτικά να γίνει μέσω συσκευών ψεκασμού. Το βιοφίλμ μπορεί να τοποθετηθεί κατακόρυφα, και τα ακροφύσια να παρέχουν την κατάλληλη ποσότητα υγρού στο βιοφίλμ, προκειμένου να το κρατήσουν υγρό. Ένα σημαντικό μειονέκτημα των συστημάτων ψεκασμού, είναι ότι τα ακροφύσια είναι πιθανόν να βουλώνουν συχνά και να απαιτείται 9

31 καθαρισμός η αντικατάσταση. Επίσης η σκίαση λόγω του νέφους και λόγω της τοποθέτησης παράλληλων κατακόρυφων επιφανειών μπορεί να επηρεάσει αρνητικά την φωτοσυνθετική δραστηριότητα των κυττάρων των φυκών (Bioprocess H 2 O LLC 214). Στα περιστρεφόμενα βιοφίλμ φυκών (RAB), το υλικό επαφής περιστρέφεται και έρχεται σε επαφή εναλλάξ με το υγρό μέσο και την ατμόσφαιρα (Σχήμα 2.2.β). Η βιομάζα των φυκών μπορεί να συλλεχθεί με ξύσιμο της επιφάνειας, όταν αυτή βρίσκεται εκτός του υγρού μέσου. Η επιφάνεια επαφής μπορεί να έχει διάφορες μορφές, όπως περιστρεφόμενου επίπεδου δίσκου, κυλινδρικού τύμπανου που περιστρέφεται γύρω από ένα κεντρικό άξονα, ή μορφή ιμάντα περιστρεφόμενου από πλήθος κινητήριων αξόνων (Gross et al., 213; Blanken et al., 214; Christenson and Sims, 212). Σχήμα 2.2: Συστήματα καλλιέργειας μικροφυκών σε βιοφίλμ (Πηγές: Naumann et al., 213, Christenson and Sims, 212) Ένα τυπικό παράδειγμα περιστρεφόμενου βιοφίλμ είναι το RBC (rotating biological contactor), το οποίο χρησιμοποιείται ευρέως στην επεξεργασία λυμάτων. Στα συστήματα RBC, ένα τύμπανο περιστρέφεται συνεχώς μεταξύ υγρού και αέρα, χρησιμοποιώντας έναν άξονα κίνησης, και τα φύκη έρχονται σε επαφή με το τύμπανο. Η πρώτη έκδοση του RBC χρησιμοποιήθηκε με σκοπό την επεξεργασία λυμάτων, ενώ η συγκομιδή της βιομάζας δεν ήταν κρίσιμη. Ως εκ τούτου η βιομάζα δεν συλλεγόταν αλλά αποβαλλόταν μαζί με τα λύματα. Έπειτα χρησιμοποιήθηκαν τροποποιημένα συστήματα RBC με επιπλέον σκοπό την παραγωγή και την συγκομιδή βιομάζας. Τέλος, ερευνητές έχουν αναπτύξει ένα σύστημα με σχοινιά τυλιγμένα γύρω από ένα κύλινδρο. Η βιομάζα μπορεί να συλλεχθεί με το πέρασμα 1

32 του σχοινιού από μία ξύστρα ρυθμιζόμενης διαμέτρου (Gullicks et al., 211; Hassard et al., 215; Spengel and Dzombak, 1992; Christenson and Sims, 212). Στον Πίνακα 2.1 παρουσιάζονται συγκεντρωτικά τα αποτελέσματα σχετικά με την παραγωγή βιομάζας διάφορων συστημάτων βιοφίλμ. Οι παράγοντες που εξετάζονται και που επηρεάζουν την παραγωγικότητα είναι η διάταξη των βιοφίλμ, το είδος των μικροφυκών, τα υλικά υποστήριξης, η ένταση του φωτός, η φωτοπερίοδος, η θερμοκρασία, το CO 2 και το είδος του υποστρώματος Πλεονεκτήματα συστημάτων βιοφίλμ Τα συστήματα καλλιέργειας μικροφυκών σε βιοφίλμ έχουν πολλά πλεονεκτήματα σε σχέση με τα συστήματα αιωρούμενης βιομάζας. Το πιο προφανές πλεονέκτημα είναι η εύκολη συγκομιδή της βιομάζας. Σε ένα τυπικό σύστημα βιοφίλμ, η περιεκτικότητα της βιομάζας του βιοφίλμ σε στερεά κυμαίνεται από 1 έως 2% (1 έως 2 g/l) (Gross et al., 215). Η βιομάζα μπορεί να συλλεχθεί με ξύσιμο, μία διαδικασία που αποφεύγει τις δαπανηρές διαδικασίες συγκομιδής και αφυδάτωσης που χρησιμοποιούνται στα συστήματα αιωρούμενης βιομάζας. Ωστόσο, η πλειοψηφία των μεθόδων συλλογής φυκών στα υπάρχοντα συστήματα βιοφίλμ δεν χρησιμοποιεί κάποιο μηχάνημα για αυτοματοποίηση της διαδικασίας. Συνεπώς, τέτοια συστήματα αυτοματισμού πρέπει να αναπτυχθούν για εφαρμογές σε βιομηχανική κλίμακα, προκειμένου να μειωθεί το κόστος εργασίας. Εκτός από το πλεονέκτημα της απλής συγκομιδής, τα συστήματα με βιοφίλμ μπορούν να χρησιμοποιήσουν το φως αποτελεσματικά. Στα συστήματα αιωρούμενης βιομάζας υπάρχει διαβάθμιση της έντασης του φωτός μέσα στο υγρό. Αυτό συμβαίνει λόγω της αντανάκλασης του φωτός και του περιορισμού της διείσδυσης του φωτός στο πυκνό μέσο λόγω της αμοιβαίας σκίασης των κυττάρων (Gross et al., 215). 11

33 Πίνακας 2.1: Παραγωγή βιομάζας σε συστήματα βιοφίλμ Υλικό υποστήριξης Διάταξη Οριζόντιος θάλαμος με ανακινούμενη τράπεζα Οριζόντιος θάλαμος με ανακινούμενη τράπεζα Οριζόντια επίπεδη επιφάνεια Οριζόντια επίπεδη επιφάνεια Κατακόρυφη διπλή επιφάνεια στρώματος Κατακόρυφη διπλή επιφάνεια Κατακόρυφο Κατακόρυφο Περιστρεφόμενο Είδος Αφρώδες πολυστυρένιο Πολυαιθυλένιο Πολυαιθυλένιο Σκυρόδεμα Χαρτί Φύλλα πολυαιθυλενίου Οξική κυτταρίνη Γυαλί Βαμβακερό σχοινί Είδος φύκους Chlorella sp. Chlorella sp. Μικτή καλλιέργεια Botryococcus braunii Isochrysis sp. Halochlorella rubescens Μικτή καλλιέργεια Μικτή καλλιέργεια Μικτή καλλιέργεια Υπόστρωμα Απόβλητα τυροκομείου Απόβλητα τυροκομείου Απόβλητα τυροκομείου BG 11 θρεπτικό μέσο Τροποποιημένο μέσο f/2 Αστικά λύματα Μίγμα λυμάτων με συνθετικό μέσο **** Μίγμα λυμάτων με συνθετικό μέσο **** Λύματα ενισχυμένα με θρεπτικά Ένταση φωτισμού (μmol/m 2 sec) Μεσημέρι 4-84 Απόγευμα Ανατολή 3-22 Δύση 4 LEDs των 8 Watt 4 LEDs των 8 Watt 29 Φωτοπερίοδος και είδος φωτισμού Ψυχρό λευκό φθορισμού 24h Ψυχρό λευκό φθορισμού 24h Λάμπες αλογόνου 16h Φώς φθορισμού 24h Ηλιακό φώς (θερμοκήπιο) Ηλιακό φώς (θερμοκήπιο) Θερμοκρασία o C Διοξείδιο του άνθρακα (%) Παραγωγή (g/m 2.d) Πηγή 2,4 * 2,57 Johnson and Wen, 21 2,4 *,58 Johnson and Wen, 21 22,4 * 5,3-5,5 Wilkie and Mulbry, 22 -,4 *,71 Ozkan et al., 212 < 29,4 *,42 Naumann et al., 213 *,8 Ανατολικά 18-32,4 1,2 Δυτικά Shi et al., h 23 1 ** 2,8 Genin et al., h 23 1 ** 1,12 Genin et al., 214 Φώς φθορισμού 14h 14-24,4 * 2,5 Christenson and Sims, 212 Περιστρεφόμενο Πλέγμα χάλυβα Chlorella Sorokiniana M8-a θρεπτικό μέσο 422 Θερμό λευκό LED 38 N/A *** 17,5-2,1 Blanken et al., 214 * Ατμοσφαιρικός αέρας ** Παροχή αέρα 1 L/min με περιεκτικότητα σε CO 2 1% v/v *** Δεδομένα μη διαθέσιμα **** Μίγμα λυμάτων με συνθετικό μέσο FBBM σε αναλογία 1:2 12

34 Τέτοια διαβάθμιση της έντασης μπορεί να υπάρχει και πάνω στο βιοφίλμ, αφού σε βιοφίλμ με μεγάλο πάχος το φως δεν μπορεί να διεισδύσει εύκολα στο εσωτερικό. Θεωρητικά δεν υπάρχει θεμελιώδης διαφορά μεταξύ των δύο συστημάτων. Στην πράξη ωστόσο, το πάχος του βιοφίλμ είναι δυνατόν να ελέγχεται, μέσω της συχνής συγκομιδής της βιομάζας με ξύσιμο της επιφάνειας, και το εσωτερικό του βιοφίλμ να παραμένει φωτεινό (Gross et al., 215). Επειδή μία μονάδα επιφάνειας του εδάφους (αποτύπωμα) λαμβάνει ένα σταθερό ποσό ηλιακής ενέργειας, ο μόνος τρόπος για την αύξηση της παραγωγής της βιομάζας ανά μονάδα επιφάνειας είναι η ενίσχυση της αποτελεσματικότητας της μετατροπής του ηλιακού φωτός από τα φύκη, δηλαδή της φωτοσυνθετικής απόδοσης. Οι ανοικτές λίμνες με βιοφίλμ έχουν πλεονέκτημα σε σχέση με τις ανοικτές λίμνες με αιωρούμενη βιομάζα ως προς την αποτελεσματική απορρόφησης του φωτός. Αυτό οφείλεται στο γεγονός ότι όταν το φώς πέφτει στην επιφάνεια μίας λίμνης, μέρος του φωτός επιστρέφει πίσω στο περιβάλλον μέσω αντανάκλασης και χάνεται. Όμως, όταν το βιοφίλμ έχει τοποθετηθεί κατακόρυφα, υπάρχει σημαντική πιθανότητα το αντανακλώμενο φώς να φτάσει στην επιφάνεια του βιοφίλμ και να χρησιμοποιηθεί (Gross et al., 215) Παράγοντες που επηρεάζουν την ανάπτυξη των βιοφίλμ Φως Το φως αποτελεί πηγή ενέργειας για την φωτοσύνθεση των φυκών, και είναι ουσιαστικός παράγοντας για την ανάπτυξη των μικροφυκών. Οι καλλιέργειες που αναπτύσσονται στο φως παρουσιάζουν υψηλότερη πυκνότητα μικροφυκών σε σχέση με τις καλλιέργειες που αναπτύσσονται στο σκοτάδι. Τα μικροφύκη έχουν την δυνατότητα προσαρμογής στις μεταβολές της έντασης του φωτός προκειμένου να βελτιστοποιηθεί η φωτοσυνθετική απόδοσή τους. Ωστόσο, η ανάπτυξη των φυκών μπορεί να ανασταλεί ως αποτέλεσμα του υπερβολικού φωτός (φωτοαναστολή) στα ανώτερα στρώματα του βιοφίλμ, ή του πολύ λίγου φωτός στις κατώτερες σκιασμένες περιοχές του βιοφίλμ. Οι τιμές της έντασης του φωτός στις οποίες υπάρχει φωτοαναστολή ή έλλειψη φωτός ποικίλει ανάλογα με τους οργανισμούς που αναπτύσσονται και τις συνθήκες ανάπτυξης. Έχουν αναφερθεί τιμές φωτοαναστολής 13

35 στα 6, 1 ή 15 μmol m -2 s -1, ενώ τιμές έλλειψης στα 12 έως 88 μmol m -2 s -1 (Guzzon et al., 28; Hill et al., 29; Liu et al., 213; Hill and Fanta, 28). Τα χλωροφύκη εμφανίστηκαν να είναι το κυρίαρχο είδος σε επιφάνειες με υψηλό φωτισμό, ενώ τα ετερότροφα βακτήρια ήταν κυρίαρχα υπό συνθήκες χαμηλού φωτισμού (Roeselers et al., 27). Τα διάτομα φύκη έδειξαν να εγκλιματίζονται καλύτερα σε χαμηλό φωτισμό σε σχέση με τα χλωροφύκη (Guzzon et al., 28; Rier et al., 26). Επίσης, σχεδιάστηκε ένα περιστρεφόμενο βιοφίλμ το οποίο επέτρεπε την περιοδική έκθεση διαφορετικών τμημάτων της κοινότητας των φυκών στο φως (Christenson and Sims, 212). Το φως επηρεάζει επιπλέον την απόδοση των βιοφίλμ στην αφαίρεση θρεπτικών συστατικών, κάτι το οποίο επηρεάζει άμεσα και την ανάπτυξη των φυκών. Από ένα ανεπτυγμένο βιοφίλμ γίνεται πιο αποτελεσματική αξιοποίηση του διαθέσιμου φωτός και είναι δυνατόν να αποφευχθεί η φωτοαναστολή, ώστε η επεξεργασία των λυμάτων να είναι επιτυχής (Kesaano and Sims, 214) Θερμοκρασία Η απόδοση ενός συστήματος καλλιέργειας φυκών σε βιοφίλμ επηρεάζεται από τη διακύμανση της θερμοκρασίας, όπως κάθε σύστημα βιολογικής επεξεργασίας λυμάτων. Συγκρίνοντας τα συστήματα βιοφίλμ με τα σταλαγματικά φίλτρα, μπορούν να περιγραφούν ως μία μικροβιακή κοινότητα η οποία προσαρμόζεται εύκολα στις μεταβολές της θερμοκρασίας (Schroepfer et al., 1952). Η σχέση του Arrhenius περιγράφει την επίδραση της θερμοκρασίας στην ανάπτυξη των φυκών υπό σταθερή ένταση φωτός και βέλτιστες συνθήκες παροχής θρεπτικών (Goldman and Carpenter, 1974; Raven and Geider, 1988). Σε φυσικά συστήματα, η απόκριση στις μεταβολές της θερμοκρασίας ποικίλει ανάλογα με το είδος του μικροφύκους. Σε συγκεκριμένη μελέτη ενός φυσικού οικοσυστήματος, περιγράφηκε μια γενική τάση όπου τα διάτομα ήταν το κυρίαρχο είδος σε θερμοκρασίες 5 έως 15 C, τα χλωροφύκη στους 15 έως 3 C, και τα κυανοβακτήρια σε θερμοκρασίες πάνω από 3 C (DeNicola, 1996). Επίσης, έχει περιγραφεί η μείωση της παραγωγικότητας ενός συστήματος ATS τους καλοκαιρινούς μήνες, επειδή οι υψηλές θερμοκρασίες του νερού ευνόησαν την ανάπτυξη ενός πληθυσμού σαλιγκαριών, ο οποίος χρησιμοποιούσε τα φύκη ως τροφή (Mulbry et al., 28). 14

36 Τα συστήματα στα οποία η αναλογία επιφάνειας καλλιέργειας προς όγκο υγρού είναι μεγάλη, είναι πιο ευάλωτα στις μεγάλες αλλαγές της θερμοκρασίας και στις μεταβολές του ρυθμού εξάτμισης. Αν και τα συστήματα αυτά έχουν γενικώς λιγότερες απαιτήσεις σε νερό, ένα μεγάλο μέρος μπορεί να χαθεί με εξάτμιση. Από την άλλη μεριά, σε συνθήκες κάτω από το μηδέν, η λειτουργική απόδοση είναι ένα πρόβλημα το οποίο δεν έχει επαρκώς αντιμετωπιστεί. Η καλλιέργεια φυκών σε θερμοκήπιο μπορεί να μετριάσει τις επιπτώσεις που προκαλούνται σε θερμοκρασίες υπό το μηδέν, αλλά πρέπει να γίνουν οι σχετικές μελέτες σκοπιμότητας για εγκαταστάσεις μεγάλης κλίμακας (Kesaano and Sims, 214) Θρεπτικά Η διαθεσιμότητα μίας καλλιέργειας σε θρεπτικά επηρεάζει την ανάπτυξη των φυκών, το είδος του βιοφίλμ που θα σχηματιστεί και τη σύνθεση των διαφορετικών ειδών (Sekar et al., 22; Hillebrand et al., 22). Σε περιβάλλον με υψηλό επίπεδο βιοαποδομήσιμων οργανικών ευνοείται η ανάπτυξη ετερότροφων βιοφίλμ, ενώ σε περιβάλλον με φως και ανόργανα θρεπτικά ευνοείται η ανάπτυξη φωτοτροφικών βιοφίλμ (Olapade and Leff, 26; Hillebrand et al., 22). Οι θρεπτικές ουσίες που βρίσκονται στο διάλυμα μεταφέρονται στα κύτταρα των φυκών μέσω διάχυσης. Το μοντέλο κινητικής του Monod έχει εφαρμοστεί σε μελέτες που περιγράφουν την ανάπτυξη των φυκών σε σχέση με τη συγκέντρωση του θρεπτικού. Επίσης, έχει εξεταστεί η σχέση μεταξύ της μεταβολής των θρεπτικών (αναλογία Ν:P) και των αλλαγών στα είδη των φυκών κατά την πορεία της ανάπτυξης του βιοφίλμ. Η μελέτη έδειξε αρχικά να κυριαρχούν διαδοχικά κάποια είδη χλωροφυκών και διάτομα, ενώ στο τέλος, σε συνθήκες έλλειψης αζώτου κυριάρχησαν τα κυανοβακτήρια (Hill et al., 29; Sekar et al., 22). Τα μικροφύκη χρησιμοποιούν το διαλυτό ανόργανο άνθρακα σε μορφή CO 2 και όξινων ανθρακικών ιόντων (HCO - 3 ), τα οποία υπάρχουν στα λύματα (Posadas et al., 213). Άλλες διαθέσιμες πηγές άνθρακα είναι το CO 2 της ατμόσφαιρας και το CO 2 που παράγεται από την αποδόμηση του οργανικού υλικού (Christenson and Sims, 211; Boelee et al., 212). Η διαθεσιμότητα του ανόργανου άνθρακα επηρεάζεται από το ph στο βιοφίλμ και το διάλυμα (Flora et al., 1995). Τα βιοφίλμ τείνουν να έχουν έλλειψη σε άνθρακα, αφού τα ανθρακικά (CO -2 3 ) αυξάνονται σημαντικά σε σχέση με το CO 2 (aq) και HCO - 3, κάτι που προκύπτει από τις υψηλές 15

37 τιμές του ph. Ως μέτρο κατά της αναστολής της ανάπτυξης λόγω έλλειψης άνθρακα, μερικοί ερευνητές παρέχουν CO 2 από κάποια εξωτερική πηγή (Kebede-Westhead et al., 23). Η χρησιμοποίηση του CO 2 από βιομηχανικά απόβλητα έχει προταθεί ως μία φθηνή πηγή, αλλά αυτό απαιτεί η πηγή να είναι σε κοντινή απόσταση (Olguin, 212). Ο άνθρακας, το άζωτο, ο φώσφορος και το πυρίτιο (στην περίπτωση των διατόμων) αποτελούν βασικά στοιχεία για την ανάπτυξη των φυκών. Η αναλογία στα κύτταρα των φυκών C:N:P χρησιμοποιείται συχνά, και ο λόγος του Redfield (16:16:1) θεωρείται χαρακτηριστικός για τη βέλτιστη ανάπτυξη του φυτοπλαγκτόν (Geider and La Roche, 22). Αντιστοιχώντας τις αναλογίες των κυττάρων με αυτές του υγρού μέσου μπορεί να ελαχιστοποιηθεί η έλλειψη θρεπτικών. Έχει αναφερθεί η προσθήκη νιτρικού νατρίου και ουρίας σε λύματα ώστε να προκύψει η επιθυμητή αναλογία Ν:P (Christenson and Sims, 212; Boelee et al., 212). Ωστόσο, ο λόγος του Redfield δεν είναι τόσο αξιόπιστος σε βιοφίλμ που αναπτύσσονται σε χαμηλές συγκεντρώσεις θρεπτικών, ή σε βιοφίλμ που υπόκεινται σε αλλαγές του κλίματος (εποχικότητα). Επιπλέον, έχει αναφερθεί ότι η στοιχειακή σύνθεση των μικροφυκών μίας καλλιέργειας μεταβάλλεται ανάλογα με τις περιβαλλοντικές συνθήκες ή τη διαφορετική σύνθεση των ειδών (Tank and Dodds, 23; Francoeur et al., 1999). Συνοπτικά, ο λόγος C:P κυμαίνεται από 34:1 έως 418:1 και ο λόγος N:P από 3,5:1 έως 38:1 σε διαφορετικά είδη φυκών που αναφέρονται στην βιβλιογραφία. Επομένως, η αναλογία που χρησιμοποιείται θα πρέπει να ελεγχθεί στις μελέτες πεδίου όπου και άλλοι περιοριστικοί παράγοντες μπορεί να υπάρχουν (Boelee et al., 212) Υποστηρικτικό υλικό Οι περισσότερες μελέτες σχετικά με το υλικό υποστήριξης, έχουν επικεντρωθεί στον προσδιορισμό της επιρροής των χαρακτηριστικών της επιφάνειας και της σύνθεσης του υλικού στον σχηματισμό του βιοφίλμ (Sekar et al., 24; Cao et al., 29). Η υφή της επιφάνειας είναι ένας από τους παράγοντες που επηρεάζουν την επαφή των μικροφυκών με το υλικό. Οι τραχιές ή πορώδεις επιφάνειες γενικά βελτιώνουν την προσκόλληση των φυκών λόγω της αυξημένης επιφάνειας και της προστασίας έναντι σε δυνάμεις διάτμησης (Babu, 211). Παρατηρήθηκε ότι η προσκόλληση μικροφυκών Scenedesmus dimorphus ήταν καλύτερη σε επεξεργασμένα (με λέιζερ) φύλλα ανοξείδωτου χάλυβα, από ότι σε ανεπεξέργαστα 16

38 (Cao et al., 29). Το μειονέκτημα αυτών των υλικών, όπως της πολυουρεθάνης ή του σφουγγαριού, είναι ότι κάνουν δύσκολη τη συγκομιδή των φυκών που είναι μέσα στους πόρους (Johnson and Wen, 21). Σε μελέτη (Christenson and Sims, 212) με διάφορα υλικά όπως βαμβακερό σχοινί, πολυεστέρα, πολυαιθυλένιο, πολυπροπυλένιο κλπ, διαπιστώθηκε η καλύτερη προσκόλληση των φυκών σε φυσικά πολυμερή υλικά με βάση την κυτταρίνη, σε σχέση με τα συνθετικά πολυμερή. Επίσης, παρατηρήθηκε καλύτερη προσκόλληση των Chlorella vulgaris, Nitzschia amphibian και Chroococcus minutus σε υδρόφοβες επιφάνειες (τιτάνιο, plexiglas και ανοξείδωτος χάλυβας), με εξαίρεση τον χαλκό και των κραμάτων του, σε σύγκριση με το υδρόφιλο γυαλί (Sekar et al., 24). Ο χαλκός και τα κράματα του (αλουμινίου και ορείχαλκος) παρεμποδίζουν την προσκόλληση των κυττάρων λόγω της τοξικότητας. Αντίθετα, δεν βρέθηκε συσχέτιση μεταξύ της υδροφοβικότητας και της προσκόλλησης των φυκών Scenedesmus obliquus και C.vulgaris σε βιοφίλμ που τροφοδοτείτο με λύματα (Irving and Allen, 211). Επί του παρόντος, δεν υπάρχουν τυποποιημένα υλικά προτεινόμενα για την ανάπτυξη ενός βιοφίλμ. Ερευνητές χρησιμοποιούν ως κριτήρια την εύκολη συγκομιδή των φυκών, το κόστος, τη διαθεσιμότητα του υλικού, την υδροφοβικότητα και την αντοχή του υλικού προκειμένου η μορφή του να παραμένει σταθερή μετά το ξύσιμο της επιφάνειας (Kesaano and Sims, 214) Εξωκυτταρικές πολυμερικές ουσίες Οι εξωκυτταρικές πολυμερικές ουσίες (extracellular polymeric substances, EPS) αποτελούνται από πολυσακχαρίτες, πρωτεΐνες, νουκλεϊκά οξέα, λιπίδια και χουμικά οξέα, που καθορίζουν τις φυσικές και χημικές ιδιότητες των EPS (Di Pippo et al., 212). Ο ρόλος των EPS στα βιοφίλμ περιλαμβάνει την αποτροπή της αφυδάτωσης, την προστασία των κυττάρων από τις τοξικές ουσίες, και τη σταθερότητα ως συγκολλητικό υλικό (Σχήμα 2.3) (Smith and Underwood, 1998; Garcia-Meza et al., 25). Η παραγωγή των EPS επηρεάζεται από τον χρόνο ύπαρξης του βιοφίλμ, τη διαθεσιμότητα σε θρεπτικά, τη σύνθεση των ειδών, την απόκριση στην πίεση, και επίσης έμμεσα συνδέεται με την θερμοκρασία και το φως μέσω της φωτοσύνθεσης και της ανάπτυξης των φυκών (Di Pippo et al., 212; Barranguet et al., 25). 17

39 Σε έρευνα, έχει παρατηρηθεί μέγιστη παραγωγή EPS στους 15 και 25 ο C κατά τη διάρκεια της πρόωρης στατικής φάσης ανάπτυξης (8 ημέρες), μετά την οποία η επίδραση της θερμοκρασίας στην παραγωγή των EPS μειώθηκε με την πάροδο του χρόνου (Wolfstein and Stal, 22). Τα κυανοβακτήρια και τα διάτομα έχουν παρουσιάσει θετική συσχέτιση με την παραγωγή των EPS σε βιοφίλμ τροφοδοτούμενα με λύματα (Di Pippo et al., 29). Επιπλέον, έχει αναφερθεί ότι η παραγωγή των EPS σχετίζεται με την παρουσία του φωτός, ωστόσο η απουσία του φωτός δεν αναστέλλει εντελώς την σύνθεση τους (Barranguet et al., 25). Πιο συγκεκριμένα, μελέτη έδειξε ότι αξενικές μονοκαλλιέργειες των Cylindrotheca closterium, Navicula perminuta,και Nitzschia sigma ήταν σε θέση να εκκρίνουν σημαντικές ποσότητες EPS, απουσία φωτός (Smith and Underwood, 1998). Σχήμα 2.3: Απεικόνιση σε ηλεκτρονικό μικροσκόπιο σάρωσης: Διάτομα διαφόρων μεγεθών τα οποία εκκρίνουν EPS (Πηγή: Gerbersdorf et al., 215) Αλληλεπίδραση μεταξύ των ειδών Τα φυσικά συστήματα βιοφίλμ αποτελούνται από έναν αριθμό μικροβιακών κυττάρων, που συμπεριλαμβάνουν μύκητες, φύκη, πρωτόζωα και βακτήρια (Leadbeater and Callow, 1992). Η κατανομή των ειδών πάνω στο βιοφίλμ επηρεάζεται από το περιβάλλον ανάπτυξης, όπως από παράγοντες που περιορίζουν την ανάπτυξη κάποιων ειδών, την ηλικία του βιοφίλμ και την ύπαρξη οργανισμών που τρέφονται με φύκη (Barranguet et al., 25). Υπάρχουν αλληλεπιδράσεις μεταξύ των αυτότροφων και των ετερότροφων οργανισμών, ωστόσο υπάρχουν περιορισμένες πληροφορίες σχετικά με την αντίστοιχη συμβολή τους στην δομή και την λειτουργία των βιοφίλμ. Επίσης η αλληλεπίδραση μεταξύ φυκών και βακτηρίων δεν είναι πολύ καλά καθορισμένη στα βιοφίλμ. 18

40 Πολλοί ερευνητές έχουν δείξει ότι η παρουσία βακτηρίων, και οι προκύπτουσες συμβιωτικές σχέσεις, είναι ιδιαίτερα επωφελείς για την ανάπτυξη του βιοφίλμ (Irving and Allen, 211; Hodoki, 25; Holmes, 1986). Συγκεκριμένα, σε μελέτη παρατηρήθηκε αύξηση της συγκέντρωσης της χλωροφύλλης (βιομάζας φυκών) όταν αυξήθηκε η συγκέντρωση των βακτηρίων στο βιοφίλμ (Hodoki, 25). Επιπλέον, η ίδια μελέτη έδειξε ότι η προσθήκη φυκών σε βιοφίλμ αύξησε τον πληθυσμό των βακτηρίων, υποστηρίζοντας την ιδέα της μικτής καλλιέργειας. Σε άλλη έρευνα, παρατηρήθηκε αύξηση της χλωροφύλλης κατά 1 έως 2 τάξεις μεγέθους σε καλλιέργεια φυκών που περιείχε βακτήρια, σε σχέση με μία αξενική καλλιέργεια (Holmes, 1986). Επιπλέον, έχει αναφερθεί αύξηση περίπου μίας τάξης μεγέθους στο πάχος του βιοφίλμ όταν αυτό αναπτυσσόταν σε μη αποστειρωμένα δευτεροβάθμια λύματα, σε σύγκριση με ανάπτυξη σε αποστειρωμένα λύματα (Irving and Allen, 211). Οι ερευνητές κατέληξαν στο συμπέρασμα ότι όλα αυτά τα φαινόμενα ήταν αποτέλεσμα των βακτηριδίων και των EPS που υπήρχαν στα μη αποστειρωμένα λύματα, τα οποία δεν υπάρχουν σε αποστειρωμένο μέσο. Η αρχική ύπαρξη μικροβίων και EPS είναι σημαντική όχι μόνο στην πρώιμη πρόσληψη των κυττάρων στο βιοφίλμ, αλλά και στην μακροπρόθεσμη ανάπτυξη και αντοχή του βιοφίλμ σε διάτμηση (Irving and Allen, 211). Από την άλλη, υπάρχουν βακτηριακά στελέχη που εμποδίζουν την ανάπτυξη των φυκών, μέσω της παραγωγής ανασταλτικών ενώσεων (Holmstrom and Kjelleberg, 2). Είναι ακόμα αρκετά ασαφές αν οι αξενικές καλλιέργειες φυκών ξεπερνούν τις μικτές καλλιέργειες σε όρους ανάπτυξης, παραγωγής λιπιδίων και αντοχής σε διάτμηση, οπότε είναι ένα θέμα που χρειάζεται περισσότερη μελέτη. Σε σχέση με την αλληλεπίδραση μεταξύ των φυκών, τα Botryococcus braunii έδειξαν αυξημένη ανάπτυξη παρουσία των Rhizobium sp. και μειωμένη ανάπτυξη παρουσία των Acinetobacter sp. στους 2 C (Rivas et al., 21). Η παραγωγή της βιομάζας στα βιοφίλμ επηρεάζεται επίσης από την παρουσία οργανισμών οι οποίοι τρέφονται με φύκη. Έχει παρατηρηθεί ότι σε καλλιέργεια που περιείχε γαστερόποδα, τριχόπτερα, προνύμφες, εφημερόπτερες και καρκινοειδή αρθρόποδα, μειώθηκε σημαντικά η βιομάζα σε όλες τις εποχές, και ειδικά το καλοκαίρι (Hillebrand and Kahlert, 21). Επιπλέον, διαπιστώθηκε ότι τα νηματοειδή φύκη Ulothrix και Spirogyra spp. καθώς και διάτομα που σχημάτιζαν αλυσίδες εμφάνισαν μεγαλύτερη μείωση σε σχέση με τα μονοκύτταρα φύκη (Hillebrand et al., 22). Ωστόσο, σε εργαστηριακές μελέτες μπορεί να γίνει κάποια προεργασία ώστε 19

41 να ελαχιστοποιηθεί η δράση των οργανισμών αυτών. Έχει αναφερθεί για παράδειγμα η προσθήκη του νυμφοκτόνου Bacillus thuringiensis για τον έλεγχο της προνύμφης Chironomid (Mulbry et al., 28), καθώς και η αποθήκευση θρεπτικού μέσου BG 11 στους - 2 C ώστε να απομακρυνθούν οι οργανισμοί οι οποίοι τρέφονται με φύκη (Guzzon et al., 28) Δυναμική παραγωγής λιπιδίων από το βιοφίλμ Πρόσφατα, το κύριο ενδιαφέρον σε σχέση με τα παραπροϊόντα των φυκών έχει στραφεί στην παραγωγή λιπιδίων, πρωτεϊνών, υδατανθράκων, και προϊόντων για φαρμακευτική χρήση (Schnurr and Allen, 215). Σε συστήματα αιωρούμενης βιομάζας, η βιομάζα των φυκών μπορεί να αποτελείται έως και κατά 7% (g/g ξηρού βάρους) από ολικά λιπίδια (Chisti, 27). Τα ολικά λιπίδια αντιπροσωπεύουν μία μεγάλη οικογένεια λιπιδικών ενώσεων (Hu et al., 28). Παρά το γεγονός ότι πολλά από αυτά τα λιπίδια έχουν μεγάλη αξία, τα ουδέτερα λιπίδια, κυρίως με την μορφή των τριγλυκερίδιων (TAGs), ήταν αυτά που ιστορικά προσέλκυσαν το μεγαλύτερο ενδιαφέρον των ερευνητών. Αυτό συνέβη διότι ήταν το είδος των λιπιδίων που κατά κύριο λόγο μετατρεπόταν σε βιοντίζελ (Mata et al., 21). Ωστόσο οι νέες μέθοδοι μετατροπής, όπως η υδροθερμική υγροποίηση, αυξάνουν τη δυνατότητα μετατροπής όλων των λιπιδίων, και κάποιων άλλων μη λιπιδικών βιομορίων σε βιο-έλαιο (Biller and Ross, 211). Τα TAGs, εκτός του ότι είναι μία πηγή καυσίμων, είναι πολύτιμα σε διάφορες βιομηχανίες, όπως βιομηχανίες τροφίμων για φαρμακευτική χρήση και βιομηχανίες υδατοκαλλιέργειας (Schnurr and Allen, 215). Η συγκέντρωση των λιπιδίων στα μικροφύκη εξαρτάται από το είδος των φυκών και από τις συνθήκες ανάπτυξης. Τα περισσότερα είδη φυκών που καλλιεργούνται σε συστήματα αιωρούμενης βιομάζας είναι γνωστό ότι συσσωρεύουν λιπίδια στο κυτταρόπλασμα, ως απόκριση στην πίεση από διάφορους περιβαλλοντικούς παράγοντες. Η αλατότητα, η θερμοκρασία, το CO 2 και η ένταση του φωτός είναι παράγοντες πίεσης των φυκών που μπορούν να επηρεάσουν την παραγωγή των λιπιδίων, όμως ο τρόπος που θεωρείται πιο αποτελεσματικός και έχει ερευνηθεί περισσότερο είναι η δημιουργία συνθηκών στέρησης σε άζωτο, ή σε πυρίτιο για τα διάτομα φύκη (Schnurr and Allen, 215). Έχει αναφερθεί αύξηση των 2

42 λιπιδίων, κατά μέσο όρο από 25,5 σε 45,7% σε είδη χλωροφυκών και από 22,7 σε 44,6% σε διάτομα, κάτω από συνθήκες έλλειψης θρεπτικών (Hu et al., 28). Ωστόσο, οι μελέτες σχετικά με τη συσσώρευση λιπιδίων κάτω από συνθήκες στέρησης θρεπτικών σε καλλιέργειες με βιοφίλμ είναι περιορισμένες και ασαφείς. Βιοφίλμ με φύκη Scenedesmus obliquus και Nitzchia palea εκτέθηκαν σε συνθήκες έλλειψης αζώτου και πυριτίου, αλλά αυτό δεν οδήγησε σε αύξηση των ουδέτερων λιπιδίων τους (Schnurr et al., 213). Το γεγονός αυτό το απέδωσαν στην εγγενή ικανότητα του βιοφίλμ να συσσωρεύει και να αποθηκεύει θρεπτικές ουσίες, με αποτέλεσμα τα φύκη να μην οδηγηθούν σε συνθήκες πραγματικής έλλειψης. Σε παρόμοια μελέτη, αναφέρθηκε η έλλειψη σημαντικής συσσώρευσης ουδέτερων λιπιδίων σε βιοφίλμ, στο οποίο είχαν δημιουργήσει συνθήκες έλλειψης νιτρικών (Bernstein et al., 214). Από την άλλη μεριά, ερευνητές που ανέπτυξαν βιοφίλμ σε πορώδεις μεμβράνες, κατάφεραν να αυξήσουν σημαντικά τη συγκέντρωση των ολικών λιπιδίων και των TAGs σε συνθήκες στέρησης αζώτου (Liu et al., 213). Η διαφορά μεταξύ των αποτελεσμάτων των διαφόρων μελετών, είναι πιθανόν να προέρχεται από το βαθμό στον οποίο επετεύχθη η στέρηση σε θρεπτικά. Οι προσπάθειες που είχαν ως αποτέλεσμα μικρότερη συσσώρευση λιπιδίων έγιναν σε λεπτά βιοφίλμ (μέχρι 1 mm) σε μη αποστειρωμένο μέσο. Συνεπώς η παρουσία βακτηρίων, μικροβίων, EPS και στερεών, δημιούργησε ένα δίκτυο το οποίο βοήθησε στην αποθήκευση και διατήρηση των θρεπτικών (Schnurr et al., 213; Bernstein et al., 214). Από την άλλη πλευρά, οι ερευνητές που πέτυχαν μεγαλύτερη συσσώρευση λιπιδίων, καλλιέργησαν τα βιοφίλμ τους σε σύντομες χρονικές περιόδους χρησιμοποιώντας ως θρεπτικό μέσο νερό με μικρή συγκέντρωση βακτηρίων και EPS. Επομένως, δεν δημιουργήθηκε ένα ανεπτυγμένο και ανθεκτικό δίκτυο που θα βοηθούσε στη διατήρηση των θρεπτικών (Liu et al., 213). Οι ερευνητές που έχουν μελετήσει την παραγωγή βιοκαυσίμων από βιοφίλμ φυκών έχουν παράγει σημαντικά μικρότερες συγκεντρώσεις λιπιδίων, σε σχέση με τους ερευνητές που έχουν καλλιεργήσει φύκη σε συστήματα αιωρούμενης βιομάζας (Schnurr and Allen, 215). Ένας βασικός λόγος είναι η μέθοδος προσδιορισμού των λιπιδίων σε κάθε περίπτωση και τα είδη των λιπιδίων. Ένας άλλος λόγος, είναι η σύνθεση του βιοφίλμ. Οι μικτές καλλιέργειες στα βιοφίλμ έχουν γενικά περισσότερα EPS, βακτήρια, και κυανοβακτήρια, και αυτοί οι οργανισμοί έχουν γενικά σημαντικά χαμηλότερη περιεκτικότητα σε λιπίδια σε σχέση με τα φύκη, κάτι το οποίο μειώνει σε χαμηλότερα επίπεδα τη συνολική περιεκτικότητα της βιομάζας σε λιπίδια (Schnurr et 21

43 al., 213; Bernstein et al., 214). Προκειμένου να μεγιστοποιηθεί το λιπιδιακό περιεχόμενο και η συνολική παραγωγή λιπιδίων σε φωτοσυνθετικά βιοφίλμ, πρέπει να χρησιμοποιηθούν στρατηγικές προκειμένου να μεγιστοποιηθεί η βιομάζα που προέρχεται από φύκη, καθώς και τα φύκη που αναπτύσσονται με ταχύ ρυθμό και έχουν υψηλή περιεκτικότητα λιπιδίων (Schnurr and Allen, 215). 22

44 3. ΜΕΘΟΔΟΛΟΓΙΑ 3.1 ΠΕΙΡΑΜΑΤΙΚΗ ΔΙΑΤΑΞΗ Ανοικτές δεξαμενές με χωρίσματα Το πρώτο πείραμα έγινε στην δεξαμενή από γυαλί που είχε διαστάσεις ΜxΠxΥ 8x24,5x3 cm (Σχήμα 3.1). Στο εσωτερικό της δεξαμενής τοποθετήθηκαν 4 παράλληλα κομμάτια μη υφαντού γεωυφάσματος 25 CNW (Medium) ίσου μεγέθους και σε ίσες αποστάσεις μεταξύ τους. Η προμήθεια των γεωσυνθετικών υλικών έγινε από τα Πλαστικά Θράκης. Τα μη υφαντά γεωυφάσματα είναι βελονωτά, από 1% ίνες πολυπροπυλενίου, ενώ τα υφαντά γεωυφάσματα είναι υψηλής αντοχής, από 1% ταινίες πολυπροπυλενίου. Το πείραμα ήταν διαλείποντος έργου και η τροφοδοσία έγινε με λύματα από την εκροή της δευτεροβάθμιας δεξαμενής καθίζησης της Εγκατάστασης Επεξεργασίας Λυμάτων (ΕΕΛ) του Πανεπιστημίου Πατρών. Κατά τακτά χρονικά διαστήματα αφαιρείτο όγκος δείγματος προκειμένου να γίνουν οι εργαστηριακές μετρήσεις, και στη συνέχεια προσετίθετο ίσος όγκος λυμάτων. Στην αρχή του πειράματος εισήχθηκαν ομοιόμορφα στην δεξαμενή μικροφύκη από τη δευτεροβάθμια εκροή της ΕΕΛ του Πανεπιστημίου Πατρών. Η δεξαμενή τοποθετήθηκε σε δωμάτιο με ελεγχόμενες συνθήκες θερμοκρασίας (2,5±,5 ο C) και έντασης φωτοσυνθετικής ακτινοβολίας (2 μmol m 2 s -1 ). Η τροφοδότηση με αέρα * ήταν συνεχής. Για τα επόμενα πειράματα χρησιμοποιήθηκαν δύο δεξαμενές. Στο εσωτερικό και κατά μήκος των δεξαμενών τοποθετήθηκαν 4 πλαίσια από plexiglas, χωρίζοντας τις σε 5 ίσα τμήματα (Σχήμα 3.2.). Στα πλαίσια της δεξαμενής Β τοποθετήθηκε βαμβακερό ύφασμα, ενώ στα πλαίσια της δεξαμενής Γ τοποθετήθηκε πολυαιθυλένιο. Αναλυτικά οι διαστάσεις και η μορφή των δεξαμενών και των πλαισίων φαίνονται στα Σχήματα 3.3 και * Αντλία παροχής αέρα, Aquarium air Pump, CA-P 1, AC 22-24V/5Hz, 2,5W (OceanSon, China) 23

45 α. Όψη δεξαμενής Α β. Κάτοψη δεξαμενής Α γ. Όψη δεξαμενής Α δ. Πλάγια όψη δεξαμενής Α Σχήμα 3.1 Δεξαμενή Α Τα πειράματα ήταν συνεχούς τροφοδότησης και η τροφοδοσία έγινε με λύματα από την εκροή της δευτεροβάθμιας δεξαμενής καθίζησης της Εγκατάστασης Επεξεργασίας Λυμάτων (ΕΕΛ) του Πανεπιστημίου Πατρών. Χρησιμοποιήθηκε αντλία * για την παροχέτευση των λυμάτων στην δεξαμενή, η παροχή της οποίας ρυθμίστηκε αρχικά στην επιθυμητή τιμή και ελεγχόταν κατά την διάρκεια του πειράματος. Η εκροή της δεξαμενής λαμβανόταν με σιφωνισμό σε βάθος 5 cm από την επιφάνεια του υγρού. Η καλλιέργεια που χρησιμοποιήθηκε αρχικά ήταν μονοκαλλιέργεια του χλωροφύκους Chlorococcum sp. Το στέλεχος του Chlorococcum sp. (SAG22.83) ελήφθηκε από την τράπεζα SAG Culture Collection του University of Gottingen. Στην πορεία των πειραμάτων όμως στις δεξαμενές παρατηρήθηκαν και άλλα είδη μικροφυκών τα οποία προήλθαν από τα τροφοδοτούμενα λύματα. Η δεξαμενή τοποθετήθηκε σε δωμάτιο με ελεγχόμενες συνθήκες θερμοκρασίας (24±3 ο C) και έντασης φωτοσυνθετικής ακτινοβολίας (85±35 μmol m 2 s -1 ). Τροφοδότηση με αέρα έγινε σε ορισμένα πειράματα. Ήταν συνεχής και έγινε με αντλίες αέρα **. *Περισταλτική αντλία, System model , 6-6 RPM (Cole-Parmer Instrument Company, Vernon Hills, Illinois, USA) συνοδευόμενο από ρυθμιστή παροχής τύπου Modular Controller, Masterflex L/S (Mfg. by Barnant Company, Barrington, USA) ** Aντλίες αέρα, Sunsun, HP-4 της εταιρείας Zhe Jiang Sensen Industry Co., Ltd, China. 24

46 α. Όψη δεξαμενής Β β. Πλαίσια δεξαμενής Β Σχήμα 3.2 Δεξαμενή Β. α. Κάτοψη δεξαμενής Β β. Όψη δεξαμενής Β γ. Πλαίσια δεξαμενής Β Σχήμα 3.3 Σκαριφήματα Δεξαμενής Β. 25

47 α. Κάτοψη δεξαμενής Γ β. Όψη δεξαμενής Γ γ. Πλαίσια δεξαμενής Γ Σχήμα 3.4. Σκαριφήματα Δεξαμενής Γ Φιάλες Erlenmeyer με υλικά υποστήριξης Η πειραματική διάταξη αποτελείτο από φιάλες υάλου Erlenmeyer χωρητικότητας 2 L. Στο στόμιο των φιαλών είχε τοποθετηθεί αποστειρωμένο αλουμινόχαρτο για την προστασία της καλλιέργειας από διάφορους μικροοργανισμούς που ενδεχομένως να υπήρχαν στην ατμόσφαιρα. Στο εσωτερικό της κάθε φιάλης τοποθετήθηκαν ένα ή περισσότερα κομμάτια ύφασμα. Πληροφορίες για τα υλικά δίνονται στον Πίνακα 3.1. Η προμήθεια των γεωσυνθετικών υλικών (υφαντών και μη υφαντών γεωυφασμάτων) έγινε από τα Πλαστικά Θράκης και του λινού υφάσματος από τοπικό εμπορικό κατάστημα. Η τοποθέτηση έγινε με δύο τρόπους. Κατά τον πρώτο, ένα ενιαίο κομμάτι υφάσματος στηρίχθηκε με την βοήθεια δύο κατακόρυφων συρμάτων, ένα σε κάθε πλευρά του υφάσματος. 26

48 Πίνακας 3.1 Χαρακτηριστικά γεωυφασμάτων Υλικά Μη υφαντό γεωύφασμα 25 CNW (Medium) Υφαντό γεωύφασμα WG35HF (High flow) Υφαντό γεωύφασμα WG55 (Standard) Υφαντό γεωύφασμα WG8 (Standard) Χαρακτηριστικό άνοιγμα (o9) 1 (mm) Ροή νερού 2 (l/m 2 sec) Υδατοδιαπερατότητα κάθετης επιφάνειας Vih5 3 (m 3 /sec) Πάχος (2kpa) 4 (mm) , , , ,1 Ύφασμα λινό Πολυαιθυλένιο Σύμφωνα με τις προδιαγραφές EN ISO 12956, 2 Σύμφωνα με τις προδιαγραφές EN ISO 12958, 3 Σύμφωνα με τις προδιαγραφές EN ISO 1158, 4 Πάχος υλικού, όταν του ασκείται πίεση 2kpa Κατά τον δεύτερο τρόπο, 6 κομμάτια υφάσματος εισήχθησαν στην φιάλη με την μορφή μικρών κυλίνδρων (Σχήμα 3.5.). Τα πειράματα ήταν διαλείποντος έργου. Κάθε 3 ημέρες αφαιρούνταν 3 ml δείγμα και έπειτα συμπληρωνόταν το υγρό της φιάλης μέχρι τα 2 L. Η κάθε καλλιέργεια αποτελείτο από αποστειρωμένο θρεπτικό μέσο και μικροφύκη ορισμένης αρχικής συγκέντρωσης. Οι καλλιέργειες πραγματοποιήθηκαν σε θρεπτικό μέσο BG-11, η σύσταση του οποίου δίνεται στον Πίνακα 3.2. Η καλλιέργεια που χρησιμοποιήθηκε ήταν μονοκαλλιέργεια του χλωροφύκους Chlorococcum sp. Το στέλεχος του Chlorococcum sp. (SAG22.83) ελήφθηκε από την τράπεζα SAG Culture Collection του University of Gottingen. Οι φιάλες τοποθετήθηκαν σε δωμάτιο με ελεγχόμενες συνθήκες θερμοκρασίας, έντασης φωτοσυνθετικής ακτινοβολίας και συνεχούς παροχής αέρα. Η τροφοδότηση με αέρα ήταν συνεχής και έγινε με αντλίες αέρα *. 2 * Aντλίες αέρα, Sunsun, HP-4 της εταιρείας Zhe Jiang Sensen Industry Co., Ltd, China. 27

49 α. Ενιαίο κομμάτι υφάσματος β. Κύλινδροι Σχήμα 3.5 Φιάλες Erlenmeyer Πίνακας 3.2 Σύσταση του θρεπτικού μέσου BG-11. Συστατικό Συγκέντρωση (mg/l) Na 2 CO 3 2 NaNO 3 5 Na 2 Mg EDTA 1 Ferric ammonium citrate 6 Citric acid 1H 2 O 6 CaCl 2 2H 2 O 36 MgSO 4 7H 2 O 75 K 2 HPO 4 3,5 H 3 BO 3 2,86 MnCl 2 4H 2 O 1,81 ZnSO 4 7H 2 O,222 CuSO 4 5H 2 O,79 CoCl 2 6H 2 O,5 NaMoO 4 2H 2 O, ΑΝΑΛΥΤΙΚΟΙ ΠΡΟΣΔΙΟΡΙΣΜΟΙ Στερεά Με τον όρο στερεά αναφερόμαστε στο υπόλειμμα που μένει μετά από εξάτμιση και ξήρανση στους 13 έως 15 C. Ορισμένος όγκος δείγματος διηθείται διαμέσου προζυγισμένου φίλτρου και από την αύξηση του βάρους μετά την ξήρανση στους 13 C ή καύση τους στους 55 C υπολογίζονται αντίστοιχα τα αιωρούμενα στερεά (ΑΣ) και τα πτητικά αιωρούμενα στερεά (ΠΑΣ). Όλες οι μετρήσεις έγιναν σύμφωνα με τη μέθοδο του συγκρατούμενου υλικού σε φίλτρο ινών υάλου (APHA et al., σελ. 2-56, 2-57, 1995). Η διαδικασία που ακολουθήθηκε αναλυτικά ήταν η εξής: 28

50 1. Τα φίλτρα ινών υάλου * τοποθετούντο σε ειδική συσκευή διήθησης ** όπου υποβάλλονταν σε τρείς διαδοχικές πλύσεις με 2 ml αποσταγμένο νερό ανά πλύση. Στη συνέχεια ακολουθούσε μεταφορά των φίλτρων σε δισκία αλουμίνιου διαμέτρου 5, cm. 2. Ακολούθως τα φίλτρα μεταφέρονταν σε κλίβανο ξήρανσης *** όπου παρέμεναν στους ο C για 1 h και στη συνέχεια σε πυριατήριο **** για 15 min στους 55 C 3. Έπειτα τα φίλτρα αφήνονταν να κρυώσουν σε ξηραντήριο για 2 min και ζυγίζονταν *****. 4. Πριν από τις μετρήσεις τα δείγματα βρίσκονταν σε θερμοκρασία δωματίου και οι αναλύσεις γίνονταν όσο το δυνατόν πιο γρήγορα. Τα δείγματα συλλέγοντο και διατηρούντο σε ποτήρια ζέσεως υάλου. Μετά από καλή ανάδευση του δείγματος, διηθήθηκαν 1 ml από αυτό, ξεπλύθηκε η συσκευή τρεις φορές με 1 ml αποσταγμένο νερό, και η διήθηση συνεχίστηκε μέχρι να απομακρυνθεί όλο το υγρό. Προσεκτικά, αφαιρέθηκε το φίλτρο από τη συσκευή διήθησης και τοποθετήθηκε στο δισκίο αλουμινίου. 5. Στη συνέχεια ακολουθούσε ξήρανση του φίλτρου στους ο C για 1 h, ισορρόπηση της θερμοκρασίας για 2 min στο ξηραντήριο και ζύγιση. 6. Για τον προσδιορισμό των ΠΑΣ μετά την μέτρηση των ΑΣ το δισκίο με το φίλτρο τοποθετείτο στο πυριατήριο στους 55 ο C για 15 min, στον κλίβανο ξήρανση για εξισορρόπηση της θερμοκρασίας για 1 min, στο ξηραντήριο για 3 min και ζυγιζόταν. 7. Τέλος από τη διαφορά βάρους υπολογίζοντο τα ΑΣ και τα ΠΑΣ σύμφωνα με τις παρακάτω σχέσεις: 3 ΑΣ ( mg A B ) = 1 L V δ ΠΑΣ ( mg Α Γ ) = 1 L V δ * Φίλτρα ινών υάλου, glass microfibre filters (GF/A), με διάμετρο 47 mm και άνοιγμα πόρων 1,6 μm, της εταιρείας GE. Healthcare, limited, UK. ** Συσκευή διήθησης, Borosilicate 3.3 (3 bar). ***Κλίβανος ξήρανσης, WTBbinder, Germany. ****Πυριατήριο, Model No. FB141OM-33, της εταιρείας Barnstead/Thermolyne, Dubuque, Iowa, USA. ***** Ζυγός, AE 2-5, της εταιρείας Mettler AG, Zurich, Switzerland. 29

51 Όπου: A: το βάρος του δισκίου-φίλτρου και στερεών μετά την ξήρανση, σε mg, Β: το βάρος του δισκίου-φίλτρου μετά την ξήρανση ή καύση, σε mg, Γ: το βάρος του δισκίου-φίλτρου και στερεών μετά την καύση, σε mg, V δ : ο όγκος του δείγματος, σε ml Οπτική πυκνότητα Η εκτίμηση της συγκέντρωσης βιομάζας πραγματοποιήθηκε και με τη μέτρηση της οπτικής πυκνότητας (APHA et al., σελ. 8-38, 1995). Η μέθοδος αυτή στηρίζεται στα διαφορετικά φάσματα φωτός τα οποία εκπέμπονται, και καταγράφει τις διάφορες τιμές σκέδασης του φωτός ανάλογα με το μήκος κύματός του. Χρησιμοποιήθηκε φασματοφωτόμετρο ορατού υπεριώδους * (αφού πρώτα είχε προηγηθεί μηδενισμός του με αποσταγμένο νερό ) και μετρήθηκε η απορρόφηση στα 6, 65 και 75 nm. Με τη μέθοδο της φασματοσκοπίας επιτυγχάνεται η παρακολούθηση της αύξησης της βιομάζας με πολύ λιγότερη απαίτηση όγκου δείγματος απ ότι στη μέτρηση των ΑΣ Θολερότητα Η θολερότητα προσδιορίστηκε σύμφωνα με τη νεφελομετρική μέθοδο (APHA et al., σελ.2-9 έως 2-11, 1995) με τη χρήση θολερόμετρου **. Η μονάδα μέτρησης εκφράζεται σε Νεφελομετρικές Μονάδες Θολερότητας ή N.T.U (Nephelometric Turbidity Units) οι οποίες περιγράφουν το βαθμό σκέδασης του φωτός από το δείγμα, σε σχέση με ένα πρότυπο αιώρημα αναφοράς. Με τη μέθοδο αυτή είναι δυνατό να προσδιοριστεί η θολερότητα σε οποιοδήποτε δείγμα αρκεί να μην περιέχει ευμεγέθη στερεά η σωματίδια που καθιζάνουν γρήγορα. Η θολερότητα είναι πολύ σημαντικός παράγοντας στις καλλιέργειες μικροφυκών γιατί περιγράφει τη διαπερατότητα της ακτινοβολίας στον όγκο του υγρού. 4 *Φασματοφωτόμετρο ορατού υπεριώδους Model U-11, της εταιρείας Hitachι, Ltd., Tokyo, Japan. **Θολερόμετρο, 21AN IS Turbidimeter,της εταιρείας Hach Company, Loveland, Co, USA. 3

52 Η ακτινοβολία του φωτός θα πρέπει να εισέρχεται σε όλο το βάθος του αντιδραστήρα, ώστε να είναι δυνατή η ανάπτυξη της βιομάζας. Στην περίπτωση που η καλλιέργεια περιέχει μεγάλη συγκέντρωση φυκών θα πρέπει να πραγματοποιείται ανάδευση. Η μεθοδολογία που ακολουθήθηκε για την μέτρηση της θολερότητας είναι η παρακάτω: 1. Πριν από την κάθε μέτρηση προηγείτο βαθμονόμηση του θολερόμετρου με χρήση πρότυπων αιωρημάτων αναφοράς τα οποία κάλυπταν την περιοχή που μας ενδιέφερε. 2. Ακολούθως το δείγμα αναδευόταν πολύ καλά και μεταφερόταν ποσότητα 3 ml από αυτό στην κυψελίδα υάλου του θολερόμετρου. 3. Πριν από την μέτρηση ο σωλήνας σκουπίστηκε με βελούδινο ύφασμα εμπλουτισμένο με λάδι σιλικόνης *. 4. Η ένδειξη που αντιστοιχούσε στην κλίμακα του οργάνου διαβάστηκε κατευθείαν Χλωροφύλλη Με τον όρο χλωροφύλλη αναφερόμαστε στις χημικές ουσίες των φυτών που προσδίδουν το πράσινο χρώμα, βρίσκονται στους χλωροπλάστες και είναι υπεύθυνες για τη φωτοσύνθεση. Χωρίζεται σε τρείς κατηγορίες, στην χλωροφύλλη a, b, c. Στα μικροφύκη συναντάται η χλωροφύλλη a (chl-a) και αποτελεί περίπου το 1-2% του ξηρού βάρους τους. Η χλωροφύλλη μπορεί να αποτελέσει ενδεικτικό μέτρο της ύπαρξης και της ποσότητας της βιομάζας του δείγματος. Η μέτρηση της έγινε με τη μέθοδο της φασματοφωτομετρίας (APHA et al., σελ 1-17 έως 1-24, 1995). Η διαδικασία που ακολουθήθηκε είναι η εξής: 1. Το φίλτρο ινών υάλου τοποθετήθηκε σε ειδική συσκευή διήθησης όπου υποβλήθηκε σε τρείς διαδοχικές πλύσεις με 2 ml αποσταγμένο νερό ανά πλύση. 5 * Silicon Oil, Cat , της εταιρείας Hach Company, Loveland, Co, USA. 31

53 2. Στη συνέχεια διηθήθηκαν 1 ml δείγματος και το φίλτρο ξεπλύθηκε τρείς φορές με 1 ml αποσταγμένο νερό. 3. Ακολούθως το φίλτρο αφαιρέθηκε προσεκτικά από τη συσκευή διήθησης και τοποθετήθηκε σε φυγοκεντρικό δοκιμαστικό σωλήνα πολυαιθυλενίου (LDPE) των 15 ml. 4. Έπειτα, προστέθηκαν 1 ml διάλυμα ακετόνης και με έντονη ανάμιξη του περιεχομένου επιτεύχθηκε η θραύση των κυττάρων. 5. Τα δείγματα τοποθετήθηκαν στους 4 ο C σε σκοτεινό περιβάλλον για 24 h. 6. Ακολούθησε φυγοκέντριση του δείγματος σε φυγόκεντρο * για 1 min στις 5U/min με σκοπό την απομάκρυνση των υπολειμμάτων του φίλτρου. 7. Κατόπιν μεταφέρθηκαν 3 ml από το υπερκείμενο σε κυψελίδα του 1 cm και μετρήθηκε η οπτική πυκνότητα του δείγματος. Η απορρόφηση μετρήθηκε στα 48, 63, 645, 647, 664, 665 και 75nm. 8. Στη συνέχεια, το διάλυμα οξυνίστηκε μέσα στη κυψελίδα, με προσθήκη,1 ml HCl,1N. Το οξυνισμένο διάλυμα αναδεύτηκε προσεκτικά και μετρήθηκε η οπτική πυκνότητα στα 75 και 665 nm 9 s μετά την οξύνιση. 9. Τέλος η συγκέντρωση της χλωροφύλλης υπολογίστηκε με τις παρακάτω σχέσεις: 1 ος τρόπος: Υπολογισμός χλωροφύλλης α και φαιοφυτίνης chlorophyl α, ( mg m 3) = 26,7(664b 665a) V 1 V 2 L (APHA et al., σελ. 1-19, 1995) pheophytine, ( mg m 3) = 26,7[1,7(665α) 665b] V 1 V 2 L Όπου: V 1 : όγκος του εκχυλίσματος, σε L, V 2 : όγκος του δείγματος, σε m 3, L: μήκος οπτικής διαδρομής (cm). (APHA et al., σελ. 1-19, 1995) 664b, 665α: οπτική πυκνότητα του εκχυλίσματος σε ακετόνη 9%, πριν και μετά την οξύνιση, αντίστοιχα. 6 *Φυγόκεντρος T-52.1, της εταιρείας MLW, Engelsdorf, G.D.R. 32

54 2 ος τρόπος: Υπολογισμός χλωροφύλλης α, b, c Όπου: C-α = 11,85(OD664) 1,54(OD647),8(OD63) C-b = 21,3(OD647) 5,43(OD664) 2,66(OD63) C-c = 24,52(OD63) 7,6(OD647) 1,67(OD664) C-α, C-b, C-c : οι συγκεντρώσεις των χλωροφύλλων a, b, και c αντίστοιχα σε mg/l OD664, OD647, OD63 : οι διορθωμένες τιμές οπτικής πυκνότητας, στα αντίστοιχα μήκη κύματος, με κυψελίδα οπτικής διαδρομής 1 cm. (APHA et al., σελ. 1-19,1995) Μετά τον προσδιορισμό της συγκέντρωσης της χρωστικής στο εκχύλισμα, υπολογίζεται η συγκέντρωση κάθε χρωστικής από τη σχέση: chlorophyl a, ( mg (C α) V m3) = V όπου: V: ο όγκος του εκχυλίσματος σε L (,1 L), V : ο όγκος του δείγματος σε m 3. (APHA et al., σελ. 1-19, 1995) 3 ος τρόπος: Υπολογισμός χλωροφύλλης α, b, c και καρατονοειδών. C-α = 11,6(OD665) 1,31(OD645),14(OD63) C-b = 2,7(OD645) 4,34(OD665) 4,42(OD63) C-c = 55,(OD63) 4,64(OD665) 16,3(OD645) Όπου: C-α, C-b, C-c : οι συγκεντρώσεις της χλωροφύλλης a, b, και c αντίστοιχα και OD665, OD645, OD63 : οι διορθωμένες τιμές οπτικής πυκνότητας, στα αντίστοιχα μήκη κύματος, με κυψελίδα οπτικής διαδρομής 1 cm. (APHA et al., 1995). Η διόρθωση της οπτικής πυκνότητας του δείγματος ως προς την τιμή απορρόφησης του τυφλού (9% ακετόνη) στα 75 nm. H συγκέντρωση των χρωστικών στο δείγμα υπολογίζεται τελικά από την εξίσωση: C δείγματος, ( mg m 3) = C V Όπου: C: η τιμή της χρωστικής που υπολογίστηκε από τις παραπάνω εξισώσεις, V: ο όγκος του δείγματος που διηθήθηκε, σε L. 33

55 3.2.5 ph Η μέτρηση του ph δίνει πληροφορίες για την οξύτητα ή την αλκαλικότητα του δείγματος. Για τη μέτρηση του ph χρησιμοποιήθηκε φορητό πεχάμετρο *. Η διαδικασία μέτρησης ήταν η ακόλουθη: 1. Πριν από κάθε μέτρηση γινόταν βαθμονόμηση του πεχάμετρου σύμφωνα με τις οδηγίες του κατασκευαστή. Η βαθμονόμηση γινόταν σε δύο τιμές, 7. και 1, που ήταν η περιοχή που μας ενδιέφερε. 2. Στη συνέχεια, τα ηλεκτρόδια ξεπλένονταν με αποσταγμένο νερό και σκουπίζονταν με απορροφητικό χαρτί. 3. Ακολούθως, το ηλεκτρόδιο βυθιζόταν σε ποτήρι ζέσεως που περιείχε κατάλληλη ποσότητα δείγματος και αφού σταθεροποιείτο η ένδειξη του οργάνου λαμβανόταν η τιμή του ph Διαλυμένο οξυγόνο (ΔΟ) Το ΔΟ των δεξαμενών του συστήματος μετρήθηκε με δύο διαφορετικές μεθόδους. 1) Τη μέθοδο ηλεκτροδίου με μεμβράνη (membrane electrode method) 2) την ιωδιομετρική μέθοδο Μέθοδος ηλεκτροδίου με μεμβράνη Στην μέθοδο αυτή χρησιμοποιήθηκε φορητό οξυγονόμετρο ** για τη βαθμονόμηση και λειτουργία του οποίου ακολουθήθηκαν οι οδηγίες του κατασκευαστή. Ιωδιομετρική μέθοδος Το διαλυμένο οξυγόνο (ΔΟ) μετρείται με την ιωδιομετρική μέθοδο (τροποποίηση με νατραζίδιο) (ALPHA et al., 1998, σελ.4-129). 7 * Πεχάμετρο, ph 31 meter της εταιρείας Oakton Instruments, Singapore. **Οξυγονόμετρο 85D, της YSI, USA 34

56 1. Για τον προσδιορισμό του ΔΟ με την ιωδιομετρική μέθοδο το δείγμα μεταφέρεται προσεκτικά με σιφωνισμό σε φιάλη ΒΑΟ 3 ml. 2. Ακολουθεί προσθήκη 1 ml διαλύματος θειικού μαγγανίου (364 g MnSO 4 H 2 O/L) και 1 ml αλκαλικού διαλύματος με ιωδιούχο κάλι και νατραζίδιο (125 g NaOH και 37,5 g ΚΙ διαλύονται σε 25 ml αποσταγμένο νερό και στη συνέχεια προσθέτονται 2,5 ΝαΝ 3 αραιωμένα σε 1 ml) κάτω από την επιφάνεια του περιεχομένου της φιάλης. 3. Το πώμα της φιάλης τοποθετείται προσεκτικά ώστε να μην παγιδευτούν φυσαλίδες αέρα, η φιάλη αναστρέφεται 2 φορές και το ίζημα που σχηματίζεται αφήνεται να καθιζήσει κάτω από το μισό του όγκου της. 4. Στη συνέχεια μετά από προσθήκη 1mL π H 2 SO 4, η φιάλη αναστρέφεται 2 φορές ml του περιεχομένου της μεταφέρονται σε κωνική φιάλη και τιτλοδοτούνται με διάλυμα,25 Μ θειοθειικού νατρίου (6,25 g Na 2 S 2 O 3 5H 2 O και,4 g NaOH σε 1 L) χρησιμοποιώντας 2 έως 3 σταγόνες δείκτη αμύλου (2 g αμύλου και,2 g σαλικυλικού οξέος σε 1 ml αποσταγμένο νερό) Ανιόντα Οι συγκεντρώσεις ανιόντων προσδιορίστηκαν με τη χρήση του ιοντικού χρωματογράφου * -. Συγκεκριμένα τα ανιόντα που προσδιορίστηκαν ήταν NO 3 και PO - 4. Ο προσδιορισμός έγινε σύμφωνα με την προτεινόμενη μέθοδο της ιοντικής χρωματογραφίας (APHA et al., σελ. 4-1 έως 4-8, 1995). Η διαδικασία που ακολουθήθηκε ήταν η εξής: το δείγμα διηθείτο με φίλτρο σύριγγας ** με άνοιγα πόρου,2μm και κατάλληλος όγκος (1 ml) εισαγόταν στον ιοντικό χρωματογράφο. Στη συνέχεια, η συγκέντρωση των ανιόντων υπολογίστηκε με βάση τις καμπύλες βαθμονόμησης που κατασκευάστηκαν για κάθε ανιόν. Οι - -3 πρότυπες καμπύλες βαθμονόμησης των NO 3 και PO 4 παρουσιάζονται στο Παράρτημα. * Iοντικός χρωματογράφος, DIONEX5, της εταιρείας DIONEX CORPORATION, Sunnyvale, CA. **Φίλτρα σύριγγας: Sterile Filtropur S.2, της εταιρείας Sarstedt, Germany. 35

57 3.2.8 Αμμωνιακό άζωτο (NH 3 -N) Η μέθοδος που χρησιμοποιήθηκε για τη μέτρηση του αμμωνιακού αζώτου είναι με τη συσκευή μέτρησης της Gerhardt, VAPODEST VAP 2s, και η διαδικασία που ακολουθήθηκε ήταν η εξής: 1. Όγκος δείγματος 7 ml μεταφέρθηκε σε ειδική κυλινδρική φιάλη. Η κυλινδρική φιάλη τοποθετήθηκε στη συσκευή απόσταξης. Επιλέχθηκε το κατάλληλο πρόγραμμα: [5 ml NaOH (32 g/l αποσταγμένο νερό), reaction sec, distillation 5 min, steam power 1%, time 5 min]. 2. Tο απόσταγμα συλλέχθηκε σε κωνική φιάλη των 25 ml κάτω από την ελεύθερη επιφάνεια των 8 ml διαλύματος βορικού οξέος [2 g H 3 BO 3 και 1 ml διαλύματος δεικτών (mixed indicator solution)/l, το mixed indicator solution είναι μείγμα δύο διαλυμάτων, 2 mg ερυθρού του μεθυλίου και 1 mg μπλε του μεθυλενίου ανά 1 και 5 ml οινοπνεύματος (95%) αντίστοιχα]. Μετά το τέλος του προγράμματος η φιάλη απομακρύνθηκε. 3. Τέλος, ακολούθησε τιτλοδότηση με πρότυπο διάλυμα,2 Ν H 2 SO Η συγκέντρωση του αμμωνιακού αζώτου υπολογίστηκε ως εξής: ΝΗ 3 -Ν (mg/l) = (Α-Β) 28/V δ Όπου: Α: ο όγκος του,2 Ν H 2 SO 4 που απαιτήθηκε για το δείγμα (ml). Β: ο όγκος του,2 Ν Η 2 SO 4 που απαιτήθηκε για το τυφλό (ml). V δ : ο όγκος του δείγματος (ml). 36

58 Ολικό Kjeldahl άζωτο (TKN) Κατάλληλος όγκος δείγματος μεταφέρεται σε ειδική κυλινδρική φιάλη. Προστίθενται 2 ml π H 2 SO 4, δύο ταμπλέτες Kjeltabs CX και μία ταμπλέτα 1 Antifoam S. Οι φιάλες τοποθετούνται σε συσκευή χώνευσης *. Η θερμοκρασία ρυθμίζεται στους 17 o C για,5 h, έπειτα στους 25 o C για,5 h και τέλος στους 38 o C για 1 h. Η κυλινδρική φιάλη τοποθετείται στη συσκευή απόσταξης **. Επιλέγεται το κατάλληλο πρόγραμμα [12 ml NaOH (32 g/l αποσταγμένο νερό), reaction 2 sec, distillation 5 min, steam power 1%, time 5.27 min]. Το απόσταγμα συλλέγεται σε κωνική φιάλη των 25 ml κάτω από την ελεύθερη επιφάνεια 8 ml διαλύματος βορικού οξέος με δείκτη [2 g H 3 BO 3 και 1 ml διαλύματος δεικτών (mixed indicator solution)/l, το mixed indicator solution είναι μείγμα δύο διαλυμάτων, 2 mg ερυθρού του μεθυλίου και 1 mg μπλε του μεθυλενίου ανά 1 και 5 ml οινοπνεύματος (95%) αντίστοιχα]. Μετά τη λήξη του προγράμματος η φιάλη απομακρύνεται και ακολουθεί τιτλοδότηση με πρότυπο διάλυμα,2 Ν H 2 SO 4. Η συγκέντρωση του ολικού Kjeldahl αζώτου υπολογίζεται από την ακόλουθη σχέση: TKN ( mg (A B) 28 ) = L V δ (ml) Όπου: Α ο όγκος του,2 Ν H2SO4 που απαιτήθηκε για το δείγμα (ml), Β ο όγκος του,2 Ν H 2SO 4 που απαιτήθηκε για το τυφλό (ml), Vδ ο όγκος του δείγματος (ml) Ολικός φώσφορος Ο ολικός φώσφορος (Ολικός-Ρ) προσδιορίζεται με τη μέθοδο του ασκορβικού οξέως (ALPHA et al., 1998, 45-P. B, σελ ) αφού έχει προηγηθεί χώνευση με τη μέθοδο των υπερθειικών (ALPHA et al., 1998, 45-P.E, σελ 4-146). Κατάλληλος όγκος δείγματος τοποθετείται σε ογκομετρικό κύλινδρο 1 ml, αραιώνεται με αποσταγμένο νερό στα 5 ml και ακολουθεί προσθήκη μίας σταγόνας διαλύματος δείκτη φαινολοφθαλείνης, 1 ml διαλύματος H 2 SO 4 (3 ml π H 2 SO 4 /L) και,4 g * Συσκευή χώνευσης, Gerhardt, Kjeldathern. ** Gerhardt, VAPODEST VAP 2s 37

59 στερεού υπερθειικού αμμωνίου [(ΝΗ 4 ) 2 S 2 O 8 ]. Η φιάλη τοποθετείται σε αυτόκλειστο * για 3 min (σε θερμοκρασία 119 ο C και πίεση 124 kpa) και μετά από πτώση της θερμοκρασίας το περιεχόμενο της φιάλης αραιώνεται στα 1 ml. Στη συνέχεια 5 ml μεταφέρονται σε φιάλη nessler όπου γίνεται προσθήκη 8 ml μικτού αντιδραστηρίου (παρασκευάζεται με ανάμειξη 5 ml 5 N H 2 SO 4, 5 ml διαλύματος τριγυκού αντιμωνιακού καλίου [1,3715 g Κ(SbO)C 4 H 4 1/2H 2 O/5 ml], 15mL διαλύματος μολυβδενικού αμμωνίου [2 g (ΝΗ 4 ) 6 Μο 7 Ο 24 4Η 2 Ο/5 ml] και 3 ml διαλύματος ασκορβικού οξέως (1,76 g C 6 H 8 O 6 /1 ml). Μετά από 1 έως 3 min γίνεται προσδιορισμός της απορρόφησης στα 88 nm με φασματοφωτόμετρο ** και κυψελίδα διαμέτρου 1 mm. Ο υπολογισμός του Ολικού- P στο δείγμα γίνεται από καμπύλη αναφοράς η οποία είχε κατασκευαστεί με δείγματα γνωστής συγκέντρωσης ορθοφωσφορικών πουν έχουν υποβληθεί στην ίδια επεξεργασία αφού λαμβάνεται υπόψη και η απορρόφηση τυφλού δείγματος. Οι πρότυπες καμπύλες βαθμονόμησης ολικού φώσφορου παρουσιάζονται στο Παράρτημα Χημικά απαιτούμενο οξυγόνο (COD) Το ΧΑΟ προσδιορίζεται με τη μέθοδο του διχρωμικού καλίου (ανοικτή μέθοδος επαναρροής) (ALPHA et al., 1998, σελ. 5-14) σε ειδική συσκευή επαναρροής ***. 1. Δείγμα όγκου 2 ml μεταφέρεται σε κωνική φιάλη Erlenmeyer των 25 ml. 2. Ακολουθεί προσθήκη,4 g θειικού υδραργύρου (Hg 2 SO 4 ) και 3 έως 4 γυάλινων σφαιριδίων βρασμού. 3. Με αργό ρυθμό και ταυτόχρονη ψύξη και ανάμιξη προστίθενται 5 ml αντιδραστηρίου θειικού οξέος (5,5 g Ag 2 SO 4 διαλύονται σε 1 kg π Η 2 SO % κβ). 4. Στη συνέχεια γίνεται προσθήκη 1 ml διαλύματος διχρωμικού καλίου,25 N (12,259 g K 2 Cr 2 O 7, ξηραμένου για 2 h στους 13 ο C, διαλύονται σε 1 L αποσταγμένο νερό). *Αυτόκλειστο, Labo autoclave, της Sanyo Electric Co., Ltd, Japan **Φασματοφωτόμετρο ορατού υπεριώδους Model U-11, της εταιρείας Hitachι, Ltd., Tokyo, Japan. *** Συσκευή προσδιορισμού ΧΑΟ έξι θέσεων που αποτελείται από θερμαντική διάταξη της Π. Μπακάκος ΑΕ, Αθήνα και διάταξη ψυκτήρων τύπου Liebig. 38

60 5. Ακολουθεί προσθήκη 25 ml αντιδραστηρίου θειικού οξέος με αργό ρυθμό και ταυτόχρονη ψύξη και ανάμιξη. 6. Η φιάλη τοποθετείται στην διάταξη επαναρροής και το επάνω μέρος του ψυκτήρα σκεπάζεται με υαλοβάμβακα για την προστασία του δείγματος από την είσοδο ξένων ουσιών. 7. Ακολουθεί βρασμός για 2 h και μετά από πτώση της θερμοκρασίας του μίγματος γίνεται πλύση του ψυκτήρα επαναρροής με αποσταγμένο νερό έως το διπλάσιο του όγκου του περιεχομένου της φιάλης. 8. Κατόπιν το δείγμα τιτλοδοτείται με διάλυμα,1 Μ εναμμώνιου θειικού σιδήρου (ΙΙ) (39,2 g Fe(NH 4 ) 2 (SO 4 ) 2 6H 2 O διαλύονται σε αποσταγμένο νερό, προστίθενται 2 ml π. H 2 SO 4, και προστίθεται αποσταγμένο νερό σε τελικό όγκο 1 L) χρησιμοποιώντας 2 έως 3 σταγόνες δείκτη ferroin (1,485 g μονοϋδρικής 1,1 φαινανθρολίνης και 695 mg FeSO 4 7H 2 O διαλύονται σε 1 ml αποσταγμένο νερό) για τον προσδιορισμό της περίσσειας του διχρωμικού καλίου. Σε κάθε σειρά μετρήσεων προετοιμάζεται και ένα τυφλό δείγμα, και το ΧΑΟ υπολογίζεται με βάση τη διαφορά περίσσειας του διχρωμικού καλίου στο τυφλό και στο εξεταζόμενο δείγμα. Η ισχύς του εναμμώνιου θειικού σιδήρου (ΙΙ) ελέγχεται με τιτλοδότηση 1 ml,25 Ν K 2 Cr 2 O 7, αραιωμένα στα 1 ml, με ακόλουθη προσθήκη 3 ml π H 2 SO 4. Υπολογισμός ΧΑΟ ΧΑΟ ( mg (A B) N 8 ) = L Όγκος δείγματος (ml) Όπου: Α ο όγκος του FAS που απαιτήθηκε για το τυφλό δείγμα (ml) B ο όγκος του FAS που απαιτήθηκε για το δείγμα (ml) Ν η κανονικότητα του FAS Λιπίδια Η περιεκτικότητα των μικροφυκών σε λιπίδια προσδιορίστηκε με τη μέθοδο εκχύλισης ολικών λιπών κατά Folch (Aravantinou et al., 213). Η διαδικασία που ακολουθήθηκε για την εκτίμηση της περιεκτικότητας των λιπιδίων ήταν η εξής: 39

61 1 1. Κατάλληλο δείγμα ξηρής βιομάζας (1 mg) ομογενοποιήθηκε και εκχυλίστηκε τρείς φορές με μίγμα χλωροφορμίου: μεθανόλης (2:1) (αντιδραστήριο FOLCH). Κατά την πρώτη, δεύτερη και τρίτη εκχύλιση το δείγμα αφέθηκε μέσα στο αντιδραστήριο για 6, 3 και 15 min, αντίστοιχα. 2. Η βιομάζα απομακρύνθηκε με διήθηση μέσω χάρτινου ηθμού και το εκχύλισμα των λιπιδίων μεταφέρθηκε σε προζυγισμένη στρογγυλή φιάλη. 3. Η φιάλη τοποθετήθηκε σε περιστροφικό αναδευτήρα * έως ότου απομακρύνθηκε όλο το αντιδραστήριο FOLCH. 4. Τέλος η φιάλη τοποθετήθηκε σε ξηραντήριο για εξισορρόπηση της θερμοκρασίας και ακολούθως ζυγίστηκε. Η διαφορά βάρους αντιστοιχούσε στα ενδοκυτταρικά λιπίδια Φόρτιση ΧΑΟ, TKN, NO 3 - Η ογκομετρική φόρτιση αναφέρεται στο φορτίο που εφαρμόζεται καθημερινά ανά μονάδα όγκου της δεξαμενής και δίνεται από τον τύπο: L V ( kg Q C m 3 ) = d V όπου Q = η τροφοδοτούμενη παροχή, m 3 /d C = η εισερχόμενη συγκέντρωση, kg/m 3 V = ο όγκος της δεξαμενής, m 3 Η επιφανειακή φόρτιση αναφέρεται στο φορτίο που εφαρμόζεται καθημερινά ανά μονάδα επιφάνειας πληρωτικού υλικού και δίνεται από τον τύπο: L A ( kg Q C m 3 ) = d A όπου Q = η τροφοδοτούμενη παροχή, m 3 /d C = η εισερχόμενη συγκέντρωση, kg/m 3 A, το εμβαδό της επιφάνειας του πληρωτικού υλικού, m 2 * Περιστρεφόμενος αναδευτήρας, IKA RV 1 basic, της εταιρείας IKA - Werke Gmbh & Co.KG Germany 4

62 Μικροσκοπική εξέταση Η αναγνώριση και η κινητικότητα των φυκών έγιναν με τη βοήθεια οπτικού μικροσκοπίου * και φωτογραφικού συστήματος το οποίο χρησιμοποιήθηκε για τη απεικόνισή τους. Ποσότητα δείγματος,1 ml τοποθετήθηκε με τη βοήθεια αυτόματης πιπέτας σε αντικειμενοφόρο πλάκα, και καλύφθηκε με καλυπτρίδα. Στη συνεχεία, το δείγμα εξετάστηκε στο μικροσκόπιο με χρήση φακών x1, x4 και x1 φακούς. Για την παρατήρηση των μικροοργανισμών χρησιμοποιήθηκε ηλεκτρονικό μικροσκόπιο σάρωσης **. Η Ηλεκτρονική Μικροσκοπία Σάρωσης (Scanning Electron Microscopy, SEM) είναι μία σύγχρονη και ευέλικτη μεθόδους ανάλυσης της μικροδομής μεγάλου αριθμού υλικών. 11 Τα ηλεκτρονικά μικροσκόπια σάρωσης υπερτερούν έναντι των οπτικών μικροσκοπίων των οποίων η ικανότητα περιορίζεται λόγω της φύσης του φωτός σε επίπεδα μεγεθύνσεων έως x1 και σε διακριτική ικανότητα έως.2 μm. Για τον λόγο αυτό για την παρατήρηση των φυκών χρησιμοποιήθηκε ηλεκτρονικό μικροσκόπιο σάρωσης. Η παρατήρηση των δειγμάτων έγινε με τη παρακάτω διαδικασία. 1. Δείγμα φυκών, μαγνητικού τοποθετήθηκε σε θάλαμο στους 37 ο C για απομάκρυνση της υγρασίας. 2. Στη συνεχεία, προσκολλήθηκε μια στρώση δείγματος στην ειδική βάση (stub) με ειδική κόλλα για κάθε ένα δείγμα ξεχωριστά. 3. Στη συνέχεια έγινε επικάλυψη της επιφάνειας του φύλλου αλουμινίου με χρυσό. Η επικάλυψη με χρυσό έγινε με την τεχνική sputtering (βομβαρδισμός με σωματίδια) *** 4. Μετά την επίστρωση των δειγμάτων με χρυσό, έγινε απεικόνιση μέρους της επιφάνειάς τους με τη χρήση του SEM. *Οπτικό μικροσκόπιο, DMLB, της εταιρείας Leica Microsystems, Wetzlar.Gmbh Switzerland. **Ηλεκτρονικό μικροσκόπιο σάρωσης, Microscope JEOL 63, JEOL Ltd. ***SEM επικάλυψης Au, μοντέλο JFC-11, της JEOL 41

63 3.3. ΠΕΙΡΑΜΑΤΙΚΗ ΔΙΑΔΙΚΑΣΙΑ Τα πειράματα που διεξήχθησαν παρουσιάζονται συγκεντρωτικά στον Πίνακα 3.3. Πίνακα 3.3. Λειτουργικά χαρακτηριστικά των πειραμάτων Πείραμα Περιγραφή Υλικό υποστήριξης Υπόστρωμα Ανοικτή δεξαμενή Ανοικτή δεξαμενή Ανοικτή δεξαμενή Ανοικτή δεξαμενή Ανοικτή δεξαμενή Φιάλες Erlenmeyer 2L Φιάλες Erlenmeyer 2L Γεωύφασμα 25CNW Χωρίσματα Βαμβακερό ύφασμα Χωρίσματα Πολυαιθυλένιο Χωρίσματα Βαμβακερό ύφασμα Χωρίσματα Πολυαιθυλένιο Επιφάνειες Γεωυφάσματα 25CNW, WG55, πολυαιθυλένιο Επιφάνειες - Λινό ύφασμα, πολυαιθυλένιο, γεωυφάσματα 25CNW, WG55, WG8, WG35HF Κύλινδροι - 25CNW, WG55, WG8, WG35HF Δευτεροβάθμια εκροή Δευτεροβάθμια εκροή Δευτεροβάθμια εκροή Δευτεροβάθμια εκροή Δευτεροβάθμια εκροή Χρόνος λειτουργίας BG BG Ανοικτές δεξαμενές Ανοικτή δεξαμενή με γεωύφασμα 25CNW (Πείραμα 1) Το πείραμα 1 έγινε στην Δεξαμενή Α που περιγράφεται στην παράγραφο (Σχήμα 3.1.). Το υλικό που τοποθετήθηκε στο εσωτερικό της δεξαμενής ήταν το γεωύφασμα 25 CNW (Medium). Το πείραμα διήρκησε 56 d. Η τροφοδοσία της δεξαμενής έγινε με δευτεροβάθμια καθιζημένα αστικά λύματα από την ΕΕΛ του Πανεπιστημίου Πατρών, τα οποία συντηρούνταν σε ψυγείο στους 4 o C. Πριν από την τροφοδότηση, τα λύματα διηθούντο σε τουλουπάνι για τη συγκράτηση του ζωοπλαγκτόν. Ο όγκοι των λυμάτων που εισήχθησαν στην δεξαμενή καθώς και ο όγκος της δεξαμενής κατά την διάρκεια του πειράματος παρουσιάζονται στον Πίνακα 3.4. Η τροφοδοσία της δεξαμενής ήταν διαλείπουσα. Πριν από την εισροή των λυμάτων και μετά από ανάδευση του υγρού της δεξαμενής, κατάλληλος όγκος 42

64 δείγματος εξερχόταν από την δεξαμενή προκειμένου να γίνουν οι εργαστηριακές μετρήσεις. Στην αρχή του πειράματος εισήχθηκαν ομοιόμορφα στην δεξαμενή καλλιέργεια μικροφυκών με όγκο 1,5 L από την ΕΕΛ του Πανεπιστημίου Πατρών. Η δεξαμενή τοποθετήθηκε σε δωμάτιο με ελεγχόμενες περιβαλλοντικές συνθήκες, θερμοκρασίας 2 έως 21 ο -1 C, ένταση φωτοσυνθετικής ακτινοβολίας 12 μmol m 2 s και συνεχούς παροχής αέρα 3,2 L/min. Στο τέλος του πειράματος, τα γεωυφάσματα αφαιρέθηκαν από την δεξαμενή και τοποθετήθηκαν σε φούρνο ξήρανσης στους 6 o C για τουλάχιστον μία ημέρα. Έπειτα με μία πλαστική σπάτουλα ξύστηκαν τα φύκη από την επιφάνεια των υφασμάτων και τοποθετήθηκαν σε προζυγισμένα κουτιά αλουμινίου προκειμένου να γίνει η μέτρηση του ξηρού βάρους τους. Τα κουτιά αλουμινίου μεταφέρθηκαν σε κλίβανο ξήρανσης όπου παρέμεναν στους ο C για 1 h. Στη συνέχεια τοποθετήθηκαν σε ξηραντήριο για 2 min και ζυγίστηκαν. Πίνακας 3.4 Εισροή λυμάτων και όγκος δεξαμενής κατά τη διάρκεια του Πειράματος 1. t (days) V λυμάτων (L) 15, ,5 1 4, V δεξαμενής (L) 33,1 * 33,1 33,9 34,9 32,8 35,9 33,8 34,8 34,8 34,8 34,8 34,8 34,8 * Την πρώτη ημέρα η δεξαμενή τροφοδοτήθηκε με 15,8 L λύματα, 15,8 L νερό βρύσης και 1,5 L φύκη Ανοικτές δεξαμενές με χωρίσματα από πολυαιθυλένιο και βαμβακερό ύφασμα 1 ος κύκλος ανάπτυξης (Πειράματα 2-3) Τα πειράματα 2 και 3 έγιναν στις Δεξαμενές B και Γ αντίστοιχα, όπως περιγράφονται στην παράγραφο (Σχήμα 3.3 και 3.4). Στα πλαίσια από plexiglass της Δεξαμενής Β τοποθετήθηκε βαμβακερό ύφασμα, ενώ στα πλαίσια της Δεξαμενής Γ τοποθετήθηκε πολυαιθυλένιο. Τα πειράματα διήρκησαν 3 d. Η τροφοδοσία των δεξαμενών έγινε με δευτεροβάθμια καθιζημένα αστικά λύματα τα οποία συντηρούνταν σε ψυγείο στους 4 o C. Πριν από την τροφοδότηση, τα λύματα διηθούντο σε τουλουπάνι για τη συγκράτηση του ζωοπλαγκτόν. Για την εισροή των λυμάτων στην είσοδο των δεξαμενών χρησιμοποιήθηκε αντλία, η παροχή της οποίας ρυθμίστηκε αρχικά στο 1 L/d και έπειτα στα 2 L/d. Ο όγκος των δεξαμενών διατηρήθηκε στα 48 L σε όλη την διάρκεια των πειραμάτων. Αναλυτικά 43

65 στοιχεία για την τροφοδοσία των δεξαμενών παρουσιάζονται στον Πίνακα 3.5. Στην εκροή το δείγμα συλλεγόταν με σιφωνισμό. Στην αρχή των πειραμάτων εισήχθηκε ομοιόμορφα στην δεξαμενή καλλιέργεια μικροφυκών όγκου 25 ml. Η καλλιέργεια που χρησιμοποιήθηκε ήταν μονοκαλλιέργεια του χλωροφύκους Chlorococcum sp. Το στέλεχος του Chlorococcum sp. (SAG22.83) ελήφθηκε από την τράπεζα SAG Culture Collection του University of Gottingen. Στην πορεία των πειραμάτων όμως στις δεξαμενές παρατηρήθηκαν και άλλα είδη μικροφυκών τα οποία προήλθαν από τα τροφοδοτούμενα λύματα. Η δεξαμενή τοποθετήθηκε σε δωμάτιο με θερμοκρασία 26 έως 27 ο C. Η θερμοκρασία σε βάθος 5 cm από την επιφάνεια του υγρού των δεξαμενών ήταν 26,5 έως 27,5 ο C. Η ένταση της φωτοσυνθετικής ακτινοβολίας κυμαίνονταν από 5 έως 12 μmol m 2 s -1 σε ύψος 5 cm από την επιφάνεια του νερού κάθε δεξαμενής. Στις δεξαμενές παροχετεύετο αέρας με συνεχή παροχή -3,5 L/min. Στο τέλος των πειραμάτων, το υγρό των δεξαμενών αφαιρέθηκε. Τα φύκη που είχαν αναπτυχθεί πάνω στην επιφάνεια των υφασμάτων ξύστηκαν με πλαστική σπάτουλα (Σχήμα 3.8.) και τοποθετήθηκαν σε προζυγισμένα κουτιά αλουμινίου προκειμένου να γίνει η μέτρηση του ξηρού βάρους τους. Πίνακας 3.5 Στοιχεία για την τροφοδοσία των δεξαμενών των Πειραμάτων 2-3. Ημέρα λειτουργίας Συνθήκες τροφοδοσίας 5 L λύματα και 43 L νερό βρύσης 3 3 L λύματα 6 έως 11 1 L/d συνεχής παροχή λυμάτων 11 έως 3 2 L/d συνεχής παροχή λυμάτων Σχήμα 3.6 Συλλογή μικροφυκών από τις επιφάνειες των υφασμάτων 44

66 Ανοικτές δεξαμενές με χωρίσματα από πολυαιθυλένιο και βαμβακερό ύφασμα 2 ος κύκλος ανάπτυξης (Πειράματα 4-5) Τα πειράματα 4 και 5 είναι συνέχεια των πειραμάτων 2 και 3 αντίστοιχα. Δεν τοποθετήθηκαν νέα υφάσματα αλλά επαναχρησιμοποιήθηκαν τα προηγούμενα. Οι διαδικασίες που ακολουθήθηκαν ήταν οι εξής: Μετά το τέλος των πειραμάτων 2 και 3, στις 1/8/216, και αφού οι δεξαμενές είχαν αδειάσει, πληρώθηκαν εκ νέου με 28 L νερό βρύσης και 2 L από το υγρό του αντίστοιχου για κάθε δεξαμενή προηγούμενου πειράματος. Μέχρι τις 17/9 δεν έγινε τροφοδοσία των δεξαμενών. Στις 17/9/216 σε κάθε δεξαμενή προστέθηκαν επιπλέον 2 L νερό βρύσης. Στις 2/9/16 οι δεξαμενές άδειασαν και 24 L από το υγρό κάθε δεξαμενής αποθηκεύτηκαν και συντηρήθηκαν σε ψυγείο στους 4 o C. Τα υφάσματα ξύστηκαν ώστε να υπάρχει μία λεπτή ομοιόμορφη στρώση για τα επόμενα πειράματα. Στις 29/9/16 έγινε ανάμειξη των δύο αποθηκευμένων όγκων υγρού και έτσι προέκυψε ένα ομοιόμορφο μείγμα 48 L. Σκοπός της ανάμιξης ήταν τα πειράματα 4-5 που θα ακολουθούσαν να είχαν ίδιες αρχικές συνθήκες. Αφού καθαρίσθηκαν τα τοιχώματα των δεξαμενών, σε κάθε δεξαμενή μεταφέρθηκαν 24 L από το μικτό υγρό και 24 L νερό βρύσης ώστε να ξεκινήσουν τα πειράματα 4 και 5. Τα πειράματα 4 και 5 διήρκησαν 19 d. Η τροφοδοσία των δεξαμενών έγινε με δευτεροβάθμια καθιζημένα αστικά λύματα τα οποία συντηρούνταν σε ψυγείο στους 4 o C. Πριν από την τροφοδότηση, τα λύματα διηθούντο σε τουλουπάνι για την αφαίρεση του ζωοπλαγκτόν. Οι δύο δεξαμενές τροφοδοτούνταν από το ίδιο δείγμα λυμάτων. Για την τροφοδοσία των δεξαμενών χρησιμοποιήθηκε αντλία, η παροχή της οποίας ρυθμίστηκε στα 4 L/d. Ο όγκος των δεξαμενών διατηρήθηκε στα 48 L σε όλη την διάρκεια των πειραμάτων. Στην εκροή το δείγμα συλλεγόταν με σιφωνισμό. Η δεξαμενή τοποθετήθηκε σε δωμάτιο με θερμοκρασία 21 έως 25 ο C. Η θερμοκρασία σε βάθος 5 cm από την επιφάνεια του υγρού των δεξαμενών ήταν 21,6 έως 25,3 ο C. Η ένταση της φωτοσυνθετικής ακτινοβολίας κυμαίνονταν από 5 έως 12 μmol m 2 s -1 σε ύψος 5 cm από την επιφάνεια του νερού κάθε δεξαμενής. Η δεξαμενή δεν τροφοδοτούνταν με αέρα. Στο τέλος των πειραμάτων, τα φύκη που 45

67 είχαν αναπτυχθεί πάνω στην επιφάνεια των υφασμάτων αφαιρέθηκαν με πλαστική σπάτουλα, και τοποθετήθηκαν σε προζυγισμένα κουτιά αλουμινίου προκειμένου να γίνει η μέτρηση του ξηρού βάρους τους Φιάλες Erlenmeyer Φιάλες Erlenmeyer με υλικά 25CNW, WG55 και πολυαιθυλένιο (Πείραμα 6) Η πειραματική διάταξη του Πειράματος 6 είναι αυτή που περιγράφεται στην παράγραφο (Σχήμα 3.5.). Αποτελείται από αντιδραστήρες διαφανών φιαλών υάλου χωρητικότητας 2 L. Τα υλικά που χρησιμοποιήθηκαν ήταν μη υφαντό γεωύφασμα 25 CNW (Medium), υφαντό γεωύφασμα WG55 (Standard), και πολυαιθυλένιο. Από κάθε υλικό χρησιμοποιήθηκε ένα κομμάτι 11x18 cm. Σε κάθε φιάλη τοποθετήθηκε ένα κομμάτι υφάσματος, το οποίο στηρίχθηκε με την βοήθεια δύο κατακόρυφων συρμάτων, ένα στην κάθε πλευρά του υλικού (Σχήμα 3.5.α.). Στο στόμιο των φιαλών είχε τοποθετηθεί αποστειρωμένο αλουμινόχαρτο για την προστασία της καλλιέργειας από διάφορους μικροοργανισμούς που ενδεχομένως να υπήρχαν στην ατμόσφαιρα. Τα πειράματα ήταν διαλείποντος έργου. Κάθε 3 ημέρες αφαιρούνταν 3 ml δείγμα και έπειτα συμπληρωνόταν το υγρό της φιάλης μέχρι τα 2 L. Η κάθε καλλιέργεια αποτελείτο από αποστειρωμένο θρεπτικό μέσο και μικροφύκη. Οι καλλιέργειες πραγματοποιήθηκαν σε θρεπτικό μέσο BG-11. Η καλλιέργεια που χρησιμοποιήθηκε ήταν μονοκαλλιέργεια του χλωροφύκους Chlorococcum sp. Το στέλεχος του Chlorococcum sp. (SAG22.83) ελήφθηκε από την τράπεζα SAG Culture Collection του University of Gottingen. Οι φιάλες τοποθετήθηκαν σε δωμάτιο με θερμοκρασία 2 έως 21 ο C. Η ένταση της -1 φωτοσυνθετικής ακτινοβολίας κυμαίνονταν από 25 έως 18 μmol m 2 s (πλάγια όψη-μπροστινή όψη φιάλης). Στις φιάλες παροχετεύετο αέρας με συνεχή παροχή 3,5 L/min. Τα υφάσματα που χρησιμοποιήθηκαν στο πείραμα είχαν ζυγιστεί πριν από την τοποθέτηση τους στις φιάλες, αφού παρέμειναν πρώτα στον φούρνο στους ο C για 1 h. Στο τέλος του πειράματος, τα υφάσματα αφαιρέθηκαν από τις φιάλες και ζυγίστηκαν μετά από ξήρανση στους 13 ο C. Το πολυαιθυλένιο πριν από την ζύγιση 46

68 του δεν τοποθετούνταν στον φούρνο στους ο C αλλά σε φούρνο ξήρανσης στους 6 ο C Φιάλες Erlenmeyer με υλικά 25CNW, WG55, WG35HF, WG8, λινό και πολυαιθυλένιο (Πείραμα 7) Η πειραματική διάταξη του Πειράματος 7 είναι αυτή που περιγράφεται στην παράγραφο (Σχήμα 3.5.). Αποτελείται από αντιδραστήρες διαφανών φιαλών υάλου χωρητικότητας 2 L. Τα υλικά που χρησιμοποιήθηκαν και οι διαστάσεις τους παρουσιάζονται στον Πίνακα 3.6. Η τοποθέτηση έγινε με δύο τρόπους. Κατά τον πρώτο (Διάταξη 1), ένα ενιαίο κομμάτι υφάσματος στηρίχθηκε με την βοήθεια δύο κατακόρυφων συρμάτων, ένα στην κάθε πλευρά του υφάσματος. Κατά τον δεύτερο (Διάταξη 2), 6 κομμάτια υφάσματος εισήχθησαν στην φιάλη με την μορφή μικρών κυλίνδρων. Στο στόμιο των φιαλών είχε τοποθετηθεί αποστειρωμένο αλουμινόχαρτο για την προστασία της καλλιέργειας από διάφορους μικροοργανισμούς που ενδεχομένως να υπήρχαν στην ατμόσφαιρα. Τα πειράματα ήταν διαλείποντος έργου. Κάθε 3 ημέρες αφαιρούνταν 3 ml δείγμα και έπειτα συμπληρωνόταν το υγρό της φιάλης μέχρι τα 2 L. Η κάθε καλλιέργεια αποτελείτο από αποστειρωμένο θρεπτικό μέσο και μικροφύκη ορισμένης αρχικής συγκέντρωσης. Οι καλλιέργειες πραγματοποιήθηκαν σε θρεπτικό μέσο BG-11. Η καλλιέργεια που χρησιμοποιήθηκε ήταν μονοκαλλιέργεια του χλωροφύκους Chlorococcum sp (SAG22.83). Οι φιάλες τοποθετήθηκαν σε δωμάτιο με θερμοκρασία 26 έως 27 ο C. Η ένταση της φωτοσυνθετικής ακτινοβολίας κυμαίνονταν από 25 έως 18 μmol m 2 s -1 (πλάγια όψη-μπροστινή όψη φιάλης). Στις φιάλες παροχετεύετο αέρας με συνεχή παροχή -3,5 L/min. Τα υφάσματα που χρησιμοποιήθηκαν στο πείραμα είχαν ζυγιστεί πριν από την τοποθέτηση τους στις φιάλες, αφού παρέμειναν πρώτα στον φούρνο στους ο C για 1 h. Το λινό ύφασμα μετά την ζύγιση του παρέμεινε σε φιάλη πληρωμένη με νερό βρύσης για 21 d και ζυγίστηκε εκ νέου προκειμένου να διαπιστωθεί αν υπάρχει απώλεια βάρους. Στο τέλος του πειράματος, τα υφάσματα αφαιρέθηκαν από τις φιάλες και τοποθετήθηκαν σε προζυγισμένα κουτιά αλουμινίου για να υπολογιστεί το βάρος τους μετά από ξήρανση στους 6 o C για τουλάχιστον μία ημέρα και στη συνέχεια στους 13 ο C για 1 h. Το πολυαιθυλένιο πριν από την ζύγιση του δεν 47

69 τοποθετούνταν στον φούρνο στους ο C αλλά σε φούρνο ξήρανσης στους 6 ο C. Πίνακας 3.6 Υλικά Πειράματος 7 και οι διαστάσεις τους. Αριθμός Φιάλης Υλικό Διαστάσεις (cm) 2 Λινό ύφασμα 11x18 4 Υφαντό γεωύφασμα WG8 (Standard) 11x18 5 Υφαντό γεωύφασμα WG35HF (High flow) 11x18 6 Υφαντό γεωύφασμα WG55 (Standard) 6 κύλινδροι 11x3 7 Υφαντό γεωύφασμα WG8 (Standard) 6 κύλινδροι 11x3 8 Υφαντό γεωύφασμα WG35HF (High flow) 6 κύλινδροι 11x3 9 Μη υφαντό γεωύφασμα 25 CNW (Medium) 6 κύλινδροι 11x3 1 Πολυαιθυλένιο 11x18 11 Υφαντό γεωύφασμα WG55 (Standard) 11x18 12 Μη υφαντό γεωύφασμα 25 CNW (Medium) 11x18 48

70 4. ΑΠΟΤΕΛΕΣΜΑΤΑ 4.1 ΕΠΕΞΕΡΓΑΣΙΑ ΛΥΜΑΤΩΝ ΣΕ ΑΝΟΙΚΤΕΣ ΔΕΞΑΜΕΝΕΣ ΜΕ ΧΩΡΙΣΜΑΤΑ Σκοπός των πειραμάτων ήταν να μελετηθεί η επεξεργασία λυμάτων με μικροφύκη σε ανοικτές δεξαμενές με χωρίσματα, και να δοκιμαστεί η ικανότητα διαφορετικών υλικών υποστήριξης για την ανάπτυξη των μικροφυκών. Επιπλέον σκοπός ήταν να εξεταστεί η παραγωγή λιπιδίων από τα μικροφύκη. Παρακάτω παρατίθενται τα αποτελέσματα από τις εργαστηριακές μετρήσεις. Παρουσιάζονται οι μετρήσεις του ph και του διαλυμένου οξυγόνου των δεξαμενών και οι μετρήσεις για την εκτίμηση της βιομάζας (οπτική πυκνότητα, θολερότητα, ΑΣ, ΠΑΣ, χλωροφύλλη). Επίσης παρουσιάζονται οι μετρήσεις των υπόλοιπων φυσικοχημικών παραμέτρων των καλλιεργειών (ΧΑΟ, ανιόντα, ολικός φώσφορος, ολικό άζωτο κατά Kjeldahl). Ακολουθούν τα αποτελέσματα σχετικά με την παραγωγή βιομάζας πάνω στα χωρίσματα των δεξαμενών καθώς και η περιεκτικότητα των μικροφυκών σε λιπίδια. Τέλος, κατά τη περίοδο των πειραμάτων πραγματοποιήθηκε η μορφολογική παρακολούθηση των μικροφυκών με οπτικό μικροσκόπιο και ηλεκτρονικό μικροσκόπιο σάρωσης (SEM), και θα παρουσιαστούν επιλεκτικά κάποιες απεικονίσεις Ανοικτή δεξαμενή με γεωύφασμα 25CNW (Πείραμα 1) Οπτική πυκνότητα, Στερεά, Θολερότητα Στο Σχήμα 4.1 παρουσιάζεται η διακύμανση της οπτικής πυκνότητας στην εισροή και στη δεξαμενή στα 6, 65, 75 nm. Παρατηρείται ότι η οπτική πυκνότητα των δειγμάτων της δεξαμενής σε όλα τα μήκη κύματος μειώνεται έως την 9 η ημέρα από τιμές,4 έως,5 σε τιμές μικρότερες του,1. Αυτό πιθανότατα συμβαίνει διότι τα φύκη προσκολλήθηκαν τις πρώτες ημέρες του πειράματος στο γεωύφασμα 25 CNW. Στη συνέχεια η οπτική πυκνότητα αυξάνεται σε τιμές έως και,16. Στα δείγματα της εισροής δεν παρατηρείται μεγάλη διακύμανση, με τις τιμές να κυμαίνονται ανάμεσα στο και το,11. 49

71 Οπτική πυκνότητα (75 nm) Οπτική πυκνότητα (65 nm) Οπτική πυκνότητα (6 nm),6,5,4,3,2,1,5,45,4,35,3,25,2,15,1, t (days) Δεξαμενή Εισροή t (days) Δεξαμενή Εισροή,45,4,35,3,25,2,15,1, t (days) Δεξαμενή Εισροή Σχήμα 4.1 Διακύμανση οπτικής πυκνότητας στα 6, 65, 75 nm στη δεξαμενή Α με υλικό μη υφαντό γεωύφασμα 25CNW (Πείραμα 1). Η διακύμανση των αιωρούμενων (ΑΣ) και πτητικά αιωρούμενων στερεών (ΠΑΣ) στη δεξαμενή και στην εισροή παρουσιάζεται στα Σχήματα 4.2 και 4.3. Τις πρώτες μέρες του πειράματος παρατηρείται πτώση των ΑΣ και ΠΑΣ στα δείγματα της δεξαμενής από 9 mg/l σε τιμές μικρότερες των 4 mg/l. Η πτώση αυτή συνέβη πιθανόν λόγω της προσκόλλησης των φυκών στα γεωυφάσματα της δεξαμενής. Στη 5

72 ΠΑΣ (mg/l) ΑΣ (mg/l) συνέχεια του πειράματος τα ΑΣ και ΠΑΣ στη δεξαμενή αυξήθηκαν σε 19 και 9 mg/l, αντίστοιχα. Στην εισροή παρατηρείται αυξημένη συγκέντρωση των στερεών τις πρώτες ημέρες από τιμές μικρότερες των 2 mg/l σε τιμές έως 7 και 5 mg/l για τα ΑΣ και ΠΑΣ, αντίστοιχα. Κατά τη μεγαλύτερη διάρκεια του πειράματος η συγκέντρωση των στερεών στην δεξαμενή είναι μεγαλύτερη από αυτή των λυμάτων t (days) Δεξαμενή Εισροή Σχήμα 4.2 Διακύμανση των ΑΣ στη δεξαμενή Α με υλικό μη υφαντό γεωύφασμα 25CNW (Πείραμα 1) t (days) Δεξαμενή Εισροή Σχήμα 4.3 Διακύμανση των ΠΑΣ στη δεξαμενή Α με υλικό μη υφαντό γεωύφασμα 25CNW (Πείραμα 1) Στο Σχήμα 4.4 παρουσιάζονται οι τιμές της θολερότητας. Η θολερότητα των δειγμάτων της δεξαμενής αρχικά μειώνεται από την τιμή 3,57 NTU την ημέρα έναρξης του πειράματος έως την τιμή,68 NTU την 2 η ημέρα. Έπειτα παρατηρείται ανοδική τάση με μέγιστη τιμή τα 2,99 NTU. Η θολερότητα της εισροής παρουσιάζει παρόμοια διακύμανση με αυτήν της δεξαμενής κατά την πορεία του πειράματος και παίρνει τιμές ανάμεσα στα,66 και τα 4,88 NTU. 51

73 ΧΑΟ (mg/l) Θολερότητα (NTU) t (days) Δεξαμενή Εισροή Σχήμα 4.4 Διακύμανση της θολερότητας στη δεξαμενή Α με υλικό μη υφαντό γεωύφασμα 25CNW (Πείραμα 1) Χημικά απαιτούμενο οξυγόνο Η συγκέντρωση του ΧΑΟ στη δεξαμενή ήταν μεγαλύτερη από τη συγκέντρωση του ΧΑΟ στην εισροή. Πρέπει να επισημανθεί ότι στα δείγματα της δεξαμενής δεν έγινε διήθηση και έτσι λόγω της ύπαρξης βιομάζας στην δεξαμενή οι τιμές του ΧΑΟ είναι αυξημένες. Το ΧΑΟ στη δεξαμενή κυμάνθηκε από 3 έως 46 mg/l, ενώ στην εισροή από έως 2 mg/l. Η μέση ογκομετρική φόρτιση ΧΑΟ στη δεξαμενή ήταν 1,1 1-4 kg/m 3 d, και η μέση επιφανειακή φόρτιση στα χωρίσματα της δεξαμενής 4, kg/m 2 d t (days) Δεξαμενή Εισροή Σχήμα 4.5 Διακύμανση του ΧΑΟ στη δεξαμενή Α με υλικό μη υφαντό γεωύφασμα 25CNW (Πείραμα 1). 52

74 NO 3 - (mg/l) Χλωροφύλλη α Η χλωροφύλλη α και τα καρατονοειδή μετρήθηκαν στη δεξαμενή την ημέρα έναρξης του πειράματος. Η χλωροφύλλη α ήταν 18,75 mg/m 3 και τα καρατονοειδή δεν υπήρχαν Άζωτο Στο μεγαλύτερο μέρος της διάρκειας του πειράματος υπάρχει αύξηση της συγκέντρωσης των νιτρικών στη δεξαμενή (Σχήμα 4.6). Η μέγιστη τιμή παρουσιάζεται την 42 η ημέρα, και είναι τα 77 mg/l. Στη συνέχεια τα νιτρικά μειώνονται μέχρι την τιμή 54 mg/l η οποία παρατηρείται την τελευταία ημέρα του πειράματος. Η συγκέντρωση των νιτρικών στην εισροή δεν παρουσιάζει μεγάλη διακύμανση και κυμαίνεται από 71 έως 89 mg/l με μόνη εξαίρεση την εισροή κατά την 51 η ημέρα η οποία έχει συγκέντρωση 42 mg/l. Το μεγαλύτερο ποσοστό αφαίρεσης νιτρικών παρατηρείται κατά το ξεκίνημα του πειράματος και είναι 48%. Πρέπει όμως να επισημανθεί ότι το ποσοστό αυτό είναι πλασματικό διότι οφείλεται κυρίως στην αραίωση των λυμάτων με νερό βρύσης που έγινε την ημέρα έναρξης του πειράματος. Έπειτα, το ποσοστό αφαίρεσης των νιτρικών μειώνεται σταδιακά και φτάνει σε μηδενική τιμή, αλλά στη συνέχεια, στο τέλος του πειράματος, παρουσιάζει αύξηση λαμβάνοντας τιμή 7,7%. Η μέση ογκομετρική φόρτιση NO - 3 στη δεξαμενή είναι 1, kg/m 3 d και η μέση επιφανειακή φόρτιση στα χωρίσματα είναι 6, kg/m 2 d t (days) Δεξαμενή Εισροή Σχήμα 4.6 Διακύμανση των ΝΟ 3 - στη δεξαμενή Α με υλικό μη υφαντό γεωύφασμα 25 CNW (Πείραμα 1). 53

75 TKN (mg/l) Η συγκέντρωση του ολικού αζώτου κατά Kjeldahl (TKN) στη δεξαμενή ήταν χαμηλότερη από την αντίστοιχη τιμή στην εισροή (Σχήμα 4.7). Μοναδική εξαίρεση είναι οι τιμές κατά την 33 η ημέρα όπου η συγκέντρωση στην εισροή ήταν μηδέν. Το TKΝ στη δεξαμενή λαμβάνει τιμές από,7 έως 2,8 mg/l ενώ στην εισροή από έως 12,3 mg/l. Η αφαίρεση του TKΝ πετυχαίνεται σε ποσοστό έως και 9%, με το μέγιστο ποσοστό να παρουσιάζεται την 13 η ημέρα του πειράματος. Η μέση ογκομετρική φόρτιση σε TKN είναι 5, kg/m 3 d και η μέση επιφανειακή φόρτιση στα χωρίσματα είναι 2, kg/m 2 d. Το TKN εκφράζει το άθροισμα της αμμωνίας και του οργανικού αζώτου αλλά δεν περιλαμβάνει τα νιτρώδη και νιτρικά. Η αμμωνία μετρήθηκε στην εισροή και ήταν μηδενική. Επομένως, οι τιμές του TKN στην εισροή εκφράζουν το οργανικό άζωτο t(days) Εισροή Δεξαμενή Σχήμα 4.7 Διακύμανση του TKN στη δεξαμενή Α με υλικό μη υφαντό 25CNW (Πείραμα 1) Φώσφορος Τα φωσφορικά ιόντα, όπως και τα νιτρικά ιόντα αποτελούν βασικά θρεπτικά στοιχεία για την ανάπτυξη της βιομάζας των μικροφυκών. Στο Σχήμα 4.8 παρατηρείται ότι η συγκέντρωση των PO -3 4 στη δεξαμενή μέχρι την 13 η ημέρα ήταν μικρότερη από,4 mg/l ενώ από την 16 η ημέρα έως το τέλος του πειράματος ήταν μηδέν (Το κάτω όριο μέτρησης των φωσφορικών με τον ιοντικό χρωματογράφο είναι,5 mg/l). Η συγκέντρωση των PO -3 4 στην εισροή κυμάνθηκε από 3,2 έως 5,1 mg/l. -3 Κατά συνέπεια, τα PO 4 που εισέρχονται στην δεξαμενή αφαιρούνται σχεδόν πλήρως κατά το μεγαλύτερο μέρος της διάρκεια του πειράματος. Να σημειωθεί επίσης ότι η συγκέντρωση των PO -3 4 στη δεξαμενή την ημέρα έναρξης του πειράματος είναι 54

76 Ολικός Φώσφορος (mg/l) PO 4-3 (mg/l) χαμηλότερη από τη συγκέντρωση στην εισροή επειδή τα λύματα αραιώθηκαν με νερό βρύσης t (days) Δεξαμενή Εισροή Σχήμα 4.8 Διακύμανση των PO 4-3 στη δεξαμενή Α με υλικό μη υφαντό γεωύφασμα 25CNW (Πείραμα 1). Στο Σχήμα 4.9 παρουσιάζεται η διακύμανση του Ολικού-P. Στην εισροή κυμάνθηκε από 3,1 έως 4,1 mg/l. Ο Ολικός-P στη δεξαμενή την πρώτη ημέρα ήταν 1,6 mg/l και στη συνέχεια μειώθηκε σταδιακά έως την ελάχιστη τιμή,2 mg/l την τελευταία ημέρα του πειράματος. Επομένως, η αφαίρεση του Ολικού-Ρ ήταν έως και 91,1%. 4,5 4 3,5 3 2,5 2 1,5 1, t(days) Εισροή Δεξαμενή Σχήμα 4.9 Διακύμανση του Ολικού-P στη δεξαμενή Α με υλικό μη υφαντό γεωύφασμα 25 CNW (Πείραμα 1) ph Στο Σχήμα 4.1 παρουσιάζεται η διακύμανση του ph στην δεξαμενή και την εισροή. Το ph των δειγμάτων της δεξαμενής αυξήθηκε από 7,66 την ημέρα έναρξης του πειράματος έως 9,32 την 48 η ημέρα. Από την 2 η έως την 36 η ημέρα οι τιμές του ph στη δεξαμενή παραμένουν σχεδόν σταθερές, και πιο συγκεκριμένα κυμαίνονται 55

77 ΔΟ (mg/l) ph από 8,54 έως 8,86. Το ph στην εισροή δεν παρουσιάζει μεγάλη διακύμανση και κυμαίνεται από 7,44 έως 8,6. 1 9,5 9 8,5 8 7,5 7 6,5 6 5, Σχήμα 4.1 Διακύμανση του ph στη δεξαμενή Α με υλικό μη υφαντό γεωύφασμα 25 CNW (1 ο πείραμα) Διαλυμένο οξυγόνο t (days) Δεξαμενή Εισροή Η διακύμανση του διαλυμένου οξυγόνου στην δεξαμενή παρουσιάζεται στο Σχήμα Έπειτα από μία πτώση των τιμών τις πρώτες ημέρες του πειράματος από τα 6,7 στα 6,1 mg/l, το διαλυμένο οξυγόνο αυξάνεται και παραμένει σε τιμές μεγαλύτερες από 7 mg/l από την 23 η ημέρα και έπειτα. Η υψηλότερη τιμή παρατηρείται την 56 η ημέρα και είναι 7,7 mg/l. 8 7,5 7 6,5 6 5, t (days) Δεξαμενή Σχήμα 4.11 Διακύμανση του διαλυμένου οξυγόνου στη δεξαμενή Α με υλικό μη υφαντό γεωύφασμα 25CNW (Πείραμα 1). 56

78 Λιπίδια Στο τέλος του πειράματος 1 έγινε μέτρηση της περιεκτικότητας των φυκών σε λιπίδια σε αυτά που βρίσκονταν στο υγρό της δεξαμενής και σε αυτά που είχαν προσκολληθεί στην επιφάνεια των χωρισμάτων. Τα φύκη του υγρού της δεξαμενής είχαν λιπίδια 6%, ενώ τα φύκη στην επιφάνεια των χωρισμάτων είχαν λιπίδια 1% Βιομάζα Στον Πίνακα 4.1 παρουσιάζονται τα αποτελέσματα σχετικά με την παραγωγή βιομάζας πάνω στα χωρίσματα της δεξαμενής. Όπως παρατηρείται, η βιομάζα στα χωρίσματα κυμαίνεται από 1,26 έως 2,36 g, οπότε προκύπτει ότι η μέση ημερήσια παραγωγή σε κάθε όψη των χωρισμάτων κυμαίνεται από,11 έως,21 g/m 2.d. Ο μέσος όρος των τιμών αυτών είναι τα,16 g/m 2.d. Οι τιμές της βιομάζας που αναφέρονται αφορούν αποκλειστικά τις επιφάνειες και όχι τους εσωτερικούς πόρους του γεωυφάσματος διότι η βιομάζα ξύστηκε από την επιφάνεια του υλικού. Η βιομάζα που υπήρχε στους πόρους θα μπορούσε να χρησιμοποιηθεί ως υπόστρωμα για την εκ νέου ανάπτυξη φυκών πάνω στο γεωύφασμα. Επίσης θα υπολογιστεί τι ποσοστό της συνολικής βιομάζας της δεξαμενής αποτελούσε η βιομάζα η οποία συλλέχθηκε από τα χωρίσματα. Τα ΑΣ του υγρού της δεξαμενής στο τέλος του πειράματος ήταν 74 mg/l και ο όγκος του υγρού 34,8 L, οπότε η βιομάζα από το υγρό της δεξαμενής ήταν 2,58 g. Η βιομάζα των φυκών που αναπτύχθηκαν στο σύνολο των χωρισμάτων ήταν 7,19 g. Συνεπώς προκύπτει ότι το 73,6% της βιομάζας αναπτύχθηκε πάνω στα χωρίσματα. Η συνολική βιομάζα που αναπτύχθηκε στα χωρίσματα με βάση τα τροφοδοτούμενα λύματα ήταν 126,6 g βιομάζας/m 3 λυμάτων. Πίνακας 4.1 Παραγωγή βιομάζας πάνω στα χωρίσματα της δεξαμενής Α με υλικό μη υφαντό γεωύφασμα 25CNW (Πείραμα 1) Χώρισμα Βιομάζα (g) Εμβαδόν δύο όψεων χωρίσματος (cm 2 ) Παραγωγή βιομάζας (g/m 2 ) Μέση ημερήσια παραγωγή βιομάζας (g/m 2.d) 1 1, ,27,11 2 1, ,82,12 3 2,2 21 1,95,2 4 2, ,74,21 MO (g/m 2.d),16 57

79 Μικροσκοπική αναγνώριση Κατά την διεξαγωγή του πειράματος πραγματοποιήθηκε και μορφολογική παρακολούθηση των μικροφυκών με οπτικό μικροσκόπιο και με ηλεκτρονικό μικροσκόπιο σάρωσης (SEM). Στο Σχήμα 4.12 παρουσιάζονται επιλεκτικά κάποιες απεικονίσεις. Στην δεξαμενή αναπτύχθηκαν πολυκύτταρα φύκη και κόκκοι, όπως φαίνεται στο Σχήμα 4.12.β από δείγμα που λήφθηκε από το γεωύφασμα 25CNW και παρατηρήθηκε στο οπτικό μικροσκόπιο. Επίσης, στο Σχήμα 4.12.α φαίνεται οι ίνες πολυπροπυλενίου από τις οποίες αποτελείτο το γεωύφασμα. α. Ίνες πολυπροπυλενίου β. Πολυκύτταρα φύκη και κόκκοι Σχήμα 4.12 Απεικονίσεις ηλεκτρονικού μικροσκοπίου σάρωσης και οπτικού μικροσκοπίου στη δεξαμενή Α με υλικό μη υφαντό γεωύφασμα 25 CNW (1 ο πείραμα) Ανοικτές δεξαμενές με χωρίσματα από πολυαιθυλένιο και βαμβακερό ύφασμα 1 ος κύκλος ανάπτυξης (Πειράματα 2-3) Οπτική πυκνότητα, Στερεά, Θολερότητα Στα Σχήματα 4.13 και 4.14 παρουσιάζεται η διακύμανση της οπτικής πυκνότητας στα δείγματα εισροής και εκροής στα 6, 65, 75 nm των πειραμάτων 2 και 3. Παρατηρείται ότι η οπτική πυκνότητα των δειγμάτων της εκροής σε όλα τα μήκη κύματος και στις δύο δεξαμενές μειώνεται τις τρείς πρώτες ημέρες από τιμές,28 έως,32 σε τιμές μικρότερες του,2. Αυτό πιθανότατα συνέβη διότι ένα μέρος των φυκών έμεινε πάνω στην επιφάνεια των υφασμάτων και ένα μέρος έπεσε στον πάτο των δεξαμενών. Στη συνέχεια, στο πείραμα 2, οι τιμές αυξομειώνονται σε 58

80 Οπτική πυκνότητα (65 nm) Οπτική πυκνότητα (6 nm) μικρό εύρος, από,3 έως,14, μέχρι το τέλος του πειράματος. Στο πείραμα 3 η οπτική πυκνότητα παραμένει σχεδόν σταθερή και χαμηλότερη του,12 μέχρι την 24 η ημέρα ενώ τις τελευταίες ημέρες παρουσιάζει μία μικρή αύξηση με μέγιστη τιμή το,2. Τα δείγματα της εισροής λαμβάνουν τιμές από,1 έως,44. Στο μεγαλύτερο μέρος της διάρκειας των πειραμάτων η οπτική πυκνότητα των δειγμάτων της εισροής είναι μεγαλύτερη από αυτή της εκροής. Αυτό δείχνει ότι δεν υπήρξε μεγάλη αύξηση της συγκέντρωσης των φυκών στο υγρό των δεξαμενών.,5,45,4,35,3,25,2,15,1, t (days) Εκροή Εισροή,45,4,35,3,25,2,15,1, t (days) Εκροή Εισροή 59

81 Οπτική πυκνότητα (65 nm) Οπτική πυκνότητα (6 nm) Οπτική πυκνότητα (75 nm),35,3,25,2,15,1, t (days) Εκροή Εισροή Σχήμα 4.13 Διακύμανση οπτικής πυκνότητα στα 6, 65, 75 nm στη δεξαμενή Β με υλικό βαμβακερό ύφασμα (Πείραμα 2).,5,45,4,35,3,25,2,15,1, t (days) Εκροή Εισροή,45,4,35,3,25,2,15,1, t (days) Εκροή Εισροή 6

82 ΑΣ (mg/l) Οπτική πυκνότητα (75 nm),35,3,25,2,15,1, t (days) Εκροή Εισροή Σχήμα 4.14 Διακύμανση οπτικής πυκνότητας στα 6, 65, 75 nm στη δεξαμενή Γ με υλικό πολυαιθυλένιο (Πείραμα 3). Η διακύμανση των αιωρούμενων στερεών (ΑΣ) στις δεξαμενές των πειραμάτων φαίνεται στα Σχήματα 4.15 και Τις πρώτες τρείς ημέρες παρατηρείται μια πτώση των ΑΣ στα δείγματα της εκροής των δύο δεξαμενών από την τιμή 11 mg/l στην τιμή mg/l. Αυτό πιθανώς συνέβη, όπως αναφέρεται και παραπάνω, διότι κατά το διάστημα των τριών πρώτων ημερών ένα μέρος των φυκών έμεινε πάνω στην επιφάνεια των υφασμάτων και ένα μέρος έπεσε στον πάτο των δεξαμενών. Στη συνέχεια, στα διαγράμματα παρατηρείται μία μικρή άνοδος των ΑΣ στην εκροή με τις τιμές να κυμαίνονται από έως 8 mg/l και από 1 έως 8 mg/l στα πειράματα 2 και 3 αντίστοιχα. Τα δείγματα της εισροής έχουν ΑΣ από 2 έως 8 mg/l, επομένως τα ΑΣ της εισροής και της εκροής των δύο πειραμάτων κυμαίνονται σε κοντινά επίπεδα t (days) Εκροή Εισροή Σχήμα 4.15 Διακύμανση των ΑΣ στη δεξαμενή Β με υλικό βαμβακερό ύφασμα (Πείραμα 2). 61

83 ΠΑΣ (mg/l) ΑΣ (mg/l) t (days) Εκροή Εισροή Σχήμα 4.16 Διακύμανση των ΑΣ στη δεξαμενή Γ με υλικό πολυαιθυλένιο (Πείραμα 3). Στα Σχήματα 4.17 και 4.18 παρουσιάζεται η διακύμανση των πτητικών αιωρούμενων στερεών (ΠΑΣ) στα δείγματα εκροής και εισροής των πειραμάτων 2 και 3. Τις πρώτες τρείς ημέρες, όπως συνέβη και με τα ΑΣ, παρατηρείται μια πτώση των ΠΑΣ στα δείγματα της εκροής των δύο δεξαμενών στην τιμή mg/l. Στη συνέχεια των πειραμάτων παρατηρείται μία μικρή άνοδος των ΠΑΣ στην εκροή με τις τιμές να κυμαίνονται από έως 4 mg/l και από 1 έως 5 mg/l στα πειράματα 2 και 3 αντίστοιχα. Τα δείγματα της εισροής έχουν ΠΑΣ από 1 έως 11 mg/l, εμφανίζοντας στις περισσότερες μετρήσεις τιμές υψηλότερες από αυτές των δειγμάτων εκροής. Αυτό το δεδομένο επαληθεύει την υπόθεση ότι δεν υπήρξε μεγάλη αύξηση της συγκέντρωσης των φυκών στο υγρό των δεξαμενών t (days) Εκροή Εισροή Σχήμα 4.17 Διακύμανση των ΠΑΣ στη δεξαμενή Β με υλικό βαμβακερό ύφασμα (Πείραμα 2). 62

84 Θολερότητα (NTU) ΠΑΣ (mg/l) t (days) Εκροή Εισροή Σχήμα 4.18 Διακύμανση των ΠΑΣ στη δεξαμενή Γ με υλικό πολυαιθυλένιο (Πείραμα 3). Στα Σχήματα 4.19 και 4.2 παρουσιάζονται οι τιμές της θολερότητας των δειγμάτων εισροής και εκροής. Η θολερότητα της εκροής του πειράματος 2 μειώνεται τις τρείς πρώτες ημέρες από την τιμή 4,88 στην τιμή,62 NTU, ενώ του πειράματος 3 αντίστοιχα από 5,8 σε 1 NTU. Έπειτα οι τιμές αυξομειώνονται στο εύρος από,81 έως 3,9 NTU στην δεξαμενή του πειράματος 2 και από,83 έως 3,25 NTU στην δεξαμενή του πειράματος 3. Η θολερότητα της εισροής παρουσιάζει παρόμοια διακύμανση με αυτή των εκροών κατά την πορεία των πειραμάτων και λαμβάνει τιμές ανάμεσα στα,5 και 3,17 NTU t (days) Εκροή Εισροή Σχήμα 4.19 Διακύμανση της θολερότητα στη δεξαμενή Β με υλικό βαμβακερό ύφασμα (Πείραμα 2). 63

85 Θολερότητα (NTU) Σχήμα 4.2 Διακύμανση της θολερότητας στη δεξαμενή Γ με υλικό πολυαιθυλένιο (Πείραμα 3) Χημικά απαιτούμενο οξυγόνο t (days) Εκροή Εισροή Στα Σχήματα 4.21 και 4.22 παρουσιάζεται η διακύμανση του χημικά απαιτούμενου οξυγόνου. Παρατηρείται ότι οι τιμές των δειγμάτων της εκροής είναι υψηλότερες από αυτές της εισροής από την 15 η ημέρα των πειραμάτων και έπειτα. Αυτό οφείλεται πιθανώς στο ότι τα δείγματα δεν είναι διηθημένα και υπάρχει μία ελαφρώς μεγαλύτερη ανάπτυξη των φυκών στις δεξαμενές προς το τέλος των πειραμάτων. Τα δείγματα της εκροής στο πείραμα 2 παίρνουν τιμές από 4,4 έως 3,6 mg/l ενώ στο πείραμα 3 από 1,6 έως 31,3 mg/l. Οι τιμές των δειγμάτων της εισροής κυμαίνονται ανάμεσα στα 5,8 και 2 mg/l. Σε όλα τα δείγματα εκροής και εισροής οι τιμές του ΧΑΟ είναι χαμηλές. Με βάση τις μετρήσεις της εισροής υπολογίστηκε ότι στο δεύτερο πείραμα η μέση ογκομετρική φόρτιση στην δεξαμενή σε ΧΑΟ είναι 4, kg/m 3 d και η μέση επιφανειακή φόρτιση στα χωρίσματα είναι 6,9 1-5 kg/m 2 d. Στο τρίτο πείραμα αντίστοιχα η μέση ογκομετρική φόρτιση σε ΧΑΟ είναι επίσης 4, kg/m 3 d και η μέση επιφανειακή φόρτιση στα χωρίσματα είναι 5,7 1-5 kg/m 2 d. 64

86 ΧΑΟ (mg/l) ΧΑΟ (mg/l) t (days) Εκροή Εισροή Σχήμα 4.21 Διακύμανση του ΧΑΟ στη δεξαμενή Β με υλικό βαμβακερό ύφασμα (Πείραμα 2) Σχήμα 4.22 Διακύμανση του ΧΑΟ στη δεξαμενή Γ με υλικό πολυαιθυλένιο (Πείραμα 3) Χλωροφύλλη α t (days) Εκροή Εισροή Η χλωροφύλλη α και τα καρατονοειδή μετρήθηκαν σε δείγματα των δεξαμενών, τις ημέρες έναρξης και λήξης των πειραμάτων. Την ημέρα έναρξης των πειραμάτων, στο δεύτερο πείραμα η χλωροφύλλη α υπολογίστηκε 23,95 mg/m 3 και τα καρατονοειδή 3,2 mg/l, ενώ στο τρίτο πείραμα η χλωροφύλλη α υπολογίστηκε 24,24 mg/m 3 και τα καρατονοειδή 4,8 mg/l. Την ημέρα λήξης των πειραμάτων, στο δεύτερο πείραμα σε δείγμα από τον πάτο της δεξαμενής που είχε ΑΣ 54 mg/l και ΠΑΣ 12 mg/l, η χλωροφύλλη α υπολογίστηκε 23,95 mg/m 3 και τα καρατονοειδή 3,2 mg/l, ενώ στο τρίτο πείραμα σε δείγμα από τον πάτο της δεξαμενής που είχε ΑΣ 64 mg/l και ΠΑΣ 21 mg/l, η χλωροφύλλη α υπολογίστηκε 24,24 mg/m 3 και τα καρατονοειδή 4,8 mg/l. 65

87 NO 3 - (mg/l) Άζωτο Στα Σχήματα 4.23 και 4.24 παρουσιάζεται η διακύμανση των τιμών των νιτρικών ιόντων. Τα δείγματα της εισροής έχουν μικρή διακύμανση, από 32,3 έως 4,2 mg/l με εξαίρεση την 12 η ημέρα που έχει συγκέντρωση 8,25 mg/l. Η συγκέντρωση νιτρικών στα δείγματα της εκροής των δύο δεξαμενών παρουσιάζουν χαμηλότερες τιμές από τα δείγματα της εισροής. Πιο συγκεκριμένα οι συγκεντρώσεις της εκροής στο πείραμα 2 είναι ανάμεσα στα 6,86 και τα 17,3 mg/l ενώ οι συγκεντρώσεις της εκροής στο πείραμα 3 είναι ανάμεσα στα 5,86 και τα 17,4 mg/l. Και στις δύο δεξαμενές επιτυγχάνεται αφαίρεση των νιτρικών ιόντων σε μέγιστα ποσοστά 78,79 και 77,16% για τα πειράματα 2 και 3 αντίστοιχα. Με βάση τις μετρήσεις της εισροής υπολογίστηκε ότι στο δεύτερο πείραμα η μέση ογκομετρική φόρτιση σε νιτρικά στην δεξαμενή είναι 1, kg/m 3 d και η μέση επιφανειακή φόρτιση στα χωρίσματα είναι 1, kg/m 2 d. Στο τρίτο πείραμα αντίστοιχα η μέση ογκομετρική φόρτιση σε νιτρικά είναι επίσης 1, kg/m 3 d και η μέση επιφανειακή φόρτιση στα χωρίσματα είναι 1, kg/m 2 d t (days) Εκροή Εισροή Σχήμα 4.23 Διακύμανση των ΝΟ 3 - στη δεξαμενή Β με υλικό βαμβακερό ύφασμα (Πείραμα 2). 66

88 NO 3 - (mg/l) NO 3 - (mg/l) t (days) Εκροή Εισροή Σχήμα 4.24 Διακύμανση των ΝΟ 3 - στη δεξαμενή Γ με υλικό πολυαιθυλένιο (Πείραμα 3). Στα Σχήματα 4.25 και 4.26 παρουσιάζονται τα προφίλ της συγκέντρωσης των νιτρικών ιόντων στα πέντε τμήματα των δεξαμενών κατά την 25 η ημέρα των πειραμάτων. Οι αριθμοί 1 έως 5 μετρώνται από την είσοδο προς την έξοδο των δεξαμενών. Η συγκέντρωση των ιόντων την 24 η ημέρα στα δείγματα της εκροής που παρουσιάστηκαν παραπάνω ήταν 14,7 mg/l στο δεύτερο πείραμα και 9,3 mg/l στο τρίτο πείραμα. Από το προφίλ του δεύτερου πειράματος προκύπτει ότι τα νιτρικά στο πρώτο τμήμα της δεξαμενής ήταν 2,6 mg/l. Από το δεύτερο τμήμα και έπειτα η συγκέντρωση διατηρήθηκε σχεδόν σταθερή και πήρε την τιμή 16,6 mg/l στο τελευταίο τμήμα της δεξαμενής. Στο τρίτο πείραμα, τα νιτρικά είναι 9,6 mg/l στο πρώτο τμήμα της δεξαμενής και αυξομειώνονται με μικρή διακύμανση έως το τελευταίο τμήμα Τμήμα δεξαμενής Σχήμα 4.25 Προφίλ της συγκέντρωσης των ΝΟ 3 - στη δεξαμενή Β με υλικό βαμβακερό ύφασμα την 25 η ημέρα (Πείραμα 2). 67

89 TKN (mg/l) NO 3 - (mg/l) 12 1 Σχήμα 4.26 Προφίλ της συγκέντρωσης των ΝΟ 3 - στη δεξαμενή Γ με υλικό πολυαιθυλένιο την 25 η ημέρα (Πείραμα 3). Στα Σχήματα 4.27 και 4.28 παρατηρείται ότι σε όλη την διάρκεια των πειραμάτων η συγκέντρωση του ολικού αζώτου κατά Kjeldahl (TKN) στην εκροή είναι χαμηλότερη από την αντίστοιχη της εισροής. Το TKΝ της εκροής στο πείραμα 2 λαμβάνει τιμές από έως 2,24 mg/l ενώ στο πείραμα 3 από έως 1,4 mg/l. Τα δείγματα της εισροής των δύο δεξαμενών παίρνουν τιμές από 1,12 έως 4,2 mg/l. Η αφαίρεση του TKΝ της εισροής επιτυγχάνεται σε μέγιστα ποσοστά 5% και 1% στα πειράματα 2 και 3 αντίστοιχα. Στην δεξαμενή του πειράματος 2, φαινομενικά η αφαίρεση του TKN την ημέρα έναρξης του πειράματος είναι 1% αλλά δεν λαμβάνεται υπόψη επειδή οφείλεται και στην αραίωση των λυμάτων με νερό βρύσης. Τέλος υπολογίστηκε ότι στο δεύτερο πείραμα η μέση ογκομετρική φόρτιση στην δεξαμενή σε TKN είναι 1,2 1-4 kg/m 3 d και η μέση επιφανειακή φόρτιση στα χωρίσματα είναι 1, Τμήμα δεξαμενής kg/m 2 d. Στο τρίτο πείραμα αντίστοιχα η μέση ογκομετρική φόρτιση σε TKN είναι επίσης 1,2 1-4 επιφανειακή φόρτιση στα χωρίσματα είναι 1, kg/m 2 d. kg/m 3 d και η μέση 4,5 4 3,5 3 2,5 2 1,5 1, t (days) Εισροή Εκροή Σχήμα 4.27 Διακύμανση του TKN στη δεξαμενή Β με υλικό βαμβακερό ύφασμα (Πείραμα 2). 68

90 PO 4-3 (mg/l) TKN (mg/l) 4,5 4 3,5 3 2,5 2 1,5 1, Σχήμα 4.28 Διακύμανση του TKN στη δεξαμενή Γ με υλικό πολυαιθυλένιο (Πείραμα 3) Φώσφορος t (days) Εισροή Εκροή Στα Σχήματα 4.29 και 4.3 παρατηρείται ότι η συγκέντρωση των PO -3 4 των δειγμάτων εκροής των πειραμάτων 2 και 3 είναι μηδέν στο μεγαλύτερο μέρος της διάρκειας των πειραμάτων. Η συγκέντρωση των δειγμάτων της εισροής κυμαίνεται -3 ανάμεσα στις τιμές 1,2 και 4,77 mg/l. Κατά συνέπεια, τα PO 4 που εισέρχονται στην δεξαμενή αφαιρούνται σε ποσοστό 1% κατά το μεγαλύτερο μέρος της διάρκεια του πειράματος. Να σημειωθεί επίσης ότι η συγκέντρωση της δεξαμενής την ημέρα έναρξης του πειράματος είναι χαμηλότερη από την συγκέντρωση της εισροής επειδή τα λύματα αραιώθηκαν με νερό βρύσης t (days) Εκροή Εισροή Σχήμα 4.29 Διακύμανση των PO 4-3 στη δεξαμενή Β με υλικό βαμβακερό ύφασμα (Πείραμα 2). 69

91 PO 4-3 (mg/l) PO 4-3 (mg/l) t (days) Εκροή Εισροή Σχήμα 4.3 Διακύμανση των PO 4-3 στη δεξαμενή Γ με υλικό πολυαιθυλένιο (Πείραμα 3). Στα Σχήματα 4.31 και 4.32 παρουσιάζονται τα προφίλ της συγκέντρωσης των φωσφορικών ιόντων στα πέντε τμήματα των δεξαμενών κατά την 25 η ημέρα των πειραμάτων. Οι αριθμοί 1 έως 5 μετρώνται από την είσοδο προς την έξοδο των δεξαμενών. Η συγκέντρωση των ιόντων την 24 η ημέρα στα δείγματα της εκροής που παρουσιάστηκαν παραπάνω ήταν μηδέν και στις δύο δεξαμενές. Από τα προφίλ προκύπτει ότι τα φωσφορικά δεν ήταν μηδέν μόνο στην εκροή αλλά και σχεδόν σε όλα τα τμήματα των δεξαμενών. Η μόνη περίπτωση όπου η συγκέντρωση δεν είναι μηδέν είναι το πρώτο τμήμα της δεξαμενής του πειράματος 2. Συμπεραίνεται λοιπόν ότι τα φωσφορικά ιόντα την 25 η ημέρα αφαιρούνται πριν φτάσουν στην έξοδο της δεξαμενών.,1,9,8,7,6,5,4,3,2, Τμήμα δεξαμενής Σχήμα 4.31 Προφίλ της συγκέντρωσης των PO 4-3 στη δεξαμενή Β με υλικό βαμβακερό ύφασμα την 25 η ημέρα (Πείραμα 2). 7

92 Ολικός φώσφορος (mg/l) PO 4-3 (mg/l) 1,9,8,7,6,5,4,3,2,1 Σχήμα 4.32 Προφίλ της συγκέντρωσης των PO 4-3 στη δεξαμενή Γ με υλικό πολυαιθυλένιο την 25 η ημέρα (Πείραμα 3). Στα Σχήματα 4.33 και 4.34 παρουσιάζεται η διακύμανση των τιμών του ολικού-p. Στα δείγματα της εισροής οι τιμές κυμαίνονται ανάμεσα στα 2,9 και 3,38 mg/l. Ο ολικός-p στα δείγματα της εκροής των δύο δεξαμενών παρουσιάζει χαμηλές τιμές, και δεν ξεπερνάει τα,82 και,59 mg/l στα πειράματα 2 και 3 αντίστοιχα. Επομένως γίνεται σημαντική αφαίρεση του ολικού-ρ, σε ποσοστό έως και 1% και στα δύο πειράματα Τμήμα δεξαμενής 4 3,5 3 2,5 2 1,5 1, t (days) Εισροή Εκροή Σχήμα 4.33 Διακύμανση του ολικού-p στη δεξαμενή Β με υλικό βαμβακερό ύφασμα (Πείραμα 2). 71

93 Ολικός φώσφορος (mg/l) 4 3,5 3 2,5 2 1,5 1, t (days) Εισροή Εκροή Σχήμα 4.34 Διακύμανση του ολικού-p στη δεξαμενή Γ με υλικό πολυαιθυλένιο (Πείραμα 3) ph Στο Σχήμα 4.35 παρουσιάζεται η διακύμανση του ph στην δεξαμενή και την εισροή του πειράματος 2. Το ph μετρήθηκε σε κάθε ένα από τα πέντε τμήματα της δεξαμενής και διαπιστώθηκε ότι δεν υπήρχαν διαφορές μεταξύ των τιμών. Στην δεξαμενή παρατηρείται αρχικά μία μείωση του ph από 7,89 την ημέρα έναρξης του πειράματος έως 7,4 την 15 η μέρα. Στην συνέχεια υπάρχει μία μικρή αύξηση του ph, ενώ από την 24 η ημέρα έως το τέλος του πειράματος παρατηρούνται αρκετά υψηλότερες τιμές και συγκεκριμένα από 8,65 έως 8,8. Την 18 η ημέρα του πειράματος παρατηρήθηκαν φύκη στην εισροή της δεξαμενής. Επομένως είναι πιθανόν η αύξηση του ph να συνέβη λόγω της ανάπτυξης των φυκών αυτών στην δεξαμενή. Τα δείγματα της εισροής δεν παρουσιάζουν μεγάλη διακύμανση και κυμαίνονται σε τιμές από 7,61 έως 7,81. Στο Σχήμα 4.36 παρουσιάζεται η διακύμανση του ph στην δεξαμενή και την εισροή του πειράματος 3. Το ph μετρήθηκε σε κάθε ένα από τα πέντε τμήματα της δεξαμενής και διαπιστώθηκε ότι δεν υπήρχαν διαφορές μεταξύ των τιμών. Στην δεξαμενή παρατηρούνται τρία στάδια. Αρχικά υπάρχει αύξηση του ph από την τιμή 8,15 την ημέρα έναρξης του πειράματος έως την τιμή 9,43 την 9 η ημέρα. Στη συνέχεια παρατηρείται μείωση μέχρι και την 15 η ημέρα του πειράματος, όπου εμφανίζεται η ελάχιστη τιμή του ph και είναι 7,45. Κατά το τελευταίο στάδιο, υπάρχει σταθερή αύξηση έως την τιμή 8,92, η οποία παρατηρείται την τελευταία ημέρα του πειράματος. Το ανοδικό κομμάτι του τρίτου σταδίου συμπίπτει χρονικά με την αύξηση του ph στην δεξαμενή του πειράματος 2, επομένως είναι πιθανόν να 72

94 ph ph προέρχεται από την ανάπτυξη των φυκών που παρατηρήθηκαν την 18 η ημέρα στην εισροή των δεξαμενών. 9,5 9 8,5 8 7,5 7 6,5 6 5, t (days) Εκροή Εισροή Σχήμα 4.35 Διακύμανση του ph στη δεξαμενή Β με υλικό βαμβακερό ύφασμα (Πείραμα 2) 1 9,5 9 8,5 8 7,5 7 6,5 6 5, t (days) Εκροή Εισροή Σχήμα 4.36 Διακύμανση του ph στη δεξαμενή Γ με υλικό πολυαιθυλένιο (Πείραμα 3) Διαλυμένο οξυγόνο Στα Σχήματα 4.37 και 4.38 παρουσιάζεται η διακύμανση του διαλυμένου οξυγόνου (ΔΟ) στις δεξαμενές των πειραμάτων 2 και 3. Οι τιμές σε κάθε δεξαμενή αποτελούν τον μέσο όρο του ΔΟ των πέντε τμημάτων της. Το ΔΟ και των δύο δεξαμενών την πρώτη ημέρα είναι 6,9 mg/l. Τις επόμενες ημέρες παρατηρείται μία πτωτική τάση των τιμών και των δύο δεξαμενών μέχρι την 24 η ημέρα, όταν το ΔΟ είναι 5,3 και 4,8 mg/l στα πειράματα 2 και 3 αντίστοιχα. Στη συνέχεια παρατηρείται αύξηση του ΔΟ μέχρι και την τελευταία ημέρα των πειραμάτων, με τις τιμές του ΔΟ να είναι 7 mg/l στην δεξαμενή του πειράματος 2 και 6,6 mg/l στην δεξαμενή του πειράματος 3. 73

95 ΔΟ (mg/l) ΔΟ (mg/l) t (days) Δεξαμενή Σχήμα 4.37 Διακύμανση του διαλυμένου οξυγόνου στη δεξαμενή Β με υλικό βαμβακερό ύφασμα (Πείραμα 2) t (days) Δεξαμενή Σχήμα 4.38 Διακύμανση του διαλυμένου οξυγόνου στη δεξαμενή Γ με υλικό πολυαιθυλένιο (Πείραμα 3) Λιπίδια Στις δεξαμενές των πειραμάτων 2 και 3 χρησιμοποιήθηκε μονοκαλλιέργεια του χλωροφύκους Chlorococcum sp. Πριν την εισαγωγή των φυκών στις δεξαμενές υπολογίστηκε ότι τα λιπίδια τους ήταν 4,61%. Στην πορεία του πορεία του πειράματος αναπτύχθηκαν και άλλα είδη μικροφυκών στις δεξαμενές. Στο τέλος των πειραμάτων, υπολογίστηκαν τα λιπίδια των μικροφυκών που είχαν ξυστεί από τις επιφάνειες των χωρισμάτων κάθε δεξαμενής. Τα λιπίδια ήταν,23% και 1,44% στα μικροφύκη των πειραμάτων 2 και 3 αντίστοιχα. 74

96 Βιομάζα Στους Πίνακες 4.2 και 4.3 παρουσιάζονται τα αποτελέσματα σχετικά με την παραγωγή βιομάζας πάνω στα χωρίσματα των δεξαμενών στα πειράματα 2 και 3. Στην πρώτη στήλη φαίνεται η βιομάζα σε κάθε ένα από τα τέσσερα χωρίσματα, ενώ στην δεύτερη στήλη το εμβαδόν και των δύο όψεων κάθε χωρίσματος. Με βάση αυτά τα στοιχεία υπολογίζεται η βιομάζα ανά τετραγωνικό μέτρο σε κάθε όψη κάθε χωρίσματος (g/m 2 ), και έπειτα, διαιρώντας με τις ημέρες του πειράματος, η μέση ημερήσια παραγωγή (g/m 2.d). Στο τέλος υπολογίζεται ο μέσος όρος των τιμών της μέσης ημερήσιας παραγωγής. Στο πείραμα 2, η βιομάζα των χωρισμάτων παίρνει τιμές από,6 έως,15 g, οπότε προκύπτει ότι η μέση ημερήσια παραγωγή σε κάθε όψη των χωρισμάτων κυμαίνεται από,21 έως,52 g / m 2 d. Ο μέσος όρος των τιμών αυτών είναι τα,31 g /m 2 d. Στο πείραμα 3, η βιομάζα των χωρισμάτων παίρνει τιμές από,9 έως,46 g, οπότε προκύπτει ότι η μέση ημερήσια παραγωγή σε κάθε όψη των χωρισμάτων κυμαίνεται από,3 έως,155 g / m 2 d. Ο μέσος όρος των τιμών αυτών είναι τα,96 g /m 2 d. Στον Πίνακα 4.4 υπολογίζεται το ποσοστό της συνολικής βιομάζας των δεξαμενών η οποία αναπτύχθηκε πάνω στα χωρίσματα. Στην πρώτη στήλη φαίνονται τα αιωρούμενα στερεά του υγρού των δεξαμενών στο τέλος των πειραμάτων, ενώ στην επόμενη στήλη υπολογίζεται η βιομάζα από το υγρό των δεξαμενών δεδομένου ότι ο όγκος ήταν 48 L. Επομένως το ποσοστό της συνολικής βιομάζας των δεξαμενών η οποία αναπτύχθηκε πάνω στα χωρίσματα ήταν 47,43 και 68,6% στα πειράματα 2 και 3 αντίστοιχα. Τέλος θα υπολογιστεί η βιομάζα που αναπτύχθηκε πάνω στα χωρίσματα των δεξαμενών ανά κυβικό μέτρο λυμάτων που εισήλθαν στις δεξαμενές. Η συνολική βιομάζα στα χωρίσματα της δεξαμενής του δεύτερου πειράματος ήταν,399 g ενώ του τρίτου πειράματος,535 g. Ο όγκος των λυμάτων που εισήλθε σε κάθε δεξαμενή ήταν 51 L =,51 m 3. Επομένως στα χωρίσματα της δεξαμενής του δεύτερου πειράματος παράχθηκαν 7,82 g βιομάζας / m 3 λυμάτων ενώ στα χωρίσματα της δεξαμενής του τρίτου πειράματος παράχθηκαν 1,49 g βιομάζας / m 3 λυμάτων. 75

97 Πίνακας 4.2 Παραγωγή βιομάζας πάνω στα χωρίσματα της δεξαμενής Β με υλικό βαμβακερό ύφασμα (Πείραμα 2). Χώρισμα Βιομάζα (g) Εμβαδόν δύο όψεων χωρίσματος (cm 2 ) Παραγωγή βιομάζας (g/m 2 ) Μέση ημερήσια παραγωγή βιομάζας (g/m 2.d) 1, ,559,52 2,7 962,728,24 3,6 962,624,21 4,8 962,832,28 MO (g/m 2.d),31 Πίνακας 4.3 Παραγωγή βιομάζας πάνω στα χωρίσματα της δεξαμενής Γ με υλικό πολυαιθυλένιο (Πείραμα 3). Χώρισμα Βιομάζα (g) Εμβαδόν δύο όψεων χωρίσματος (cm 2 ) Παραγωγή βιομάζας (g/m 2 ) Μέση ημερήσια παραγωγή βιομάζας (g/m 2.d) 1,46 987,36 4,659,155 2,45 987,36 4,558,152 3,9 987,36,912,3 4,14 987,36 1,41792,47 MO (g/m 2.d),96 Πίνακας 4.4 Ποσοστό της συνολικής βιομάζας που αναπτύχθηκε πάνω στα χωρίσματα των δεξαμενών Β και Γ με υλικά βαμβακερό ύφασμα και πολυαιθυλένιο (Πειράματα 2-3). ΑΣ στο υγρό της δεξαμενής (mg) Βιομάζα από το υγρό της δεξαμενής (g) Ποσοστό που αναπτύχθηκε στα χωρίσματα (%) Βιομάζα στα υφάσματα (g) Πείραμα 2 8,31,399,36 47,43 Πείραμα 3 11,15,535 1,14 68, Μικροσκοπική αναγνώριση Κατά την διεξαγωγή των δύο πειραμάτων πραγματοποιήθηκε και μορφολογική παρακολούθηση των μικροφυκών με οπτικό μικροσκόπιο και με ηλεκτρονικό μικροσκόπιο σάρωσης (SEM). Στα Σχήματα 4.39 και 4.4 παρουσιάζονται επιλεκτικά κάποιες απεικονίσεις. 76

98 Όπως παρατηρείται, στις δεξαμενές με πολυαιθυλένιο και με βαμβακερό ύφασμα αναπτύχθηκαν διάτομα, πολυκύτταρα φύκη και κόκκοι. Παρόλο που οι δεξαμενές είχαν αρχικά εμβολιαστεί με καλλιέργεια Chlorococcum sp., στην πορεία των πειραμάτων αναπτύχθηκαν και άλλα είδη μικροφυκών. Σχήμα 4.39 Απεικονίσεις του οπτικού μικροσκοπίου και του ηλεκτρονικού μικροσκοπίου σάρωσης στη δεξαμενή Β με υλικό βαμβακερό ύφασμα (2 ο πείραμα). Σχήμα 4.4 Απεικονίσεις του οπτικού μικροσκοπίου και του ηλεκτρονικού μικροσκοπίου σάρωσης στη δεξαμενή Γ με υλικό πολυαιθυλένιο (3 ο πείραμα). 77

99 Οπτική πυκνότητα (6nm) Ανοικτές δεξαμενές με χωρίσματα από πολυαιθυλένιο και βαμβακερό ύφασμα 2 ος κύκλος ανάπτυξης (Πειράματα 4-5) Οπτική πυκνότητα, Στερεά, Θολερότητα Στα Σχήματα 4.41 και 4.42 παρουσιάζεται η διακύμανση της οπτικής πυκνότητας στα δείγματα εισροής και εκροής στα 6, 65, 75 nm των πειραμάτων 4 και 5. Στην δεξαμενή του πειράματος 4 η οπτική πυκνότητα των δειγμάτων της εκροής σε όλα τα μήκη κύματος παρουσιάζει μία σημαντική αύξηση μέχρι την 9 η ημέρα, όπου και παρατηρούνται οι μέγιστες τιμές των διαγραμμάτων (,6). Στη συνέχεια η οπτική πυκνότητα μειώνεται ελαφρώς με τις ελάχιστες τιμές να παρατηρούνται την 18 η ημέρα. Στην δεξαμενή του πειράματος 5 η οπτική πυκνότητα των δειγμάτων της εκροής σε όλα τα μήκη κύματος παρουσιάζει επίσης μία σημαντική αύξηση μέχρι την 12 η ημέρα, όπου και παρατηρούνται οι μέγιστες τιμές των διαγραμμάτων (,156). Στη συνέχεια η οπτική πυκνότητα μειώνεται με μεγάλο ρυθμό και οι τιμές σχεδόν μηδενίζονται την 18 η ημέρα. Στις δύο δεξαμενές φαίνεται ότι υπάρχει ανάπτυξη των φυκών τις πρώτες ημέρες των πειραμάτων. Την 15 η ημέρα όμως παρατηρήθηκε εντός των δεξαμενών ζωοπλαγκτόν, το οποίο μείωσε την βιομάζα των δεξαμενών, και ιδιαίτερα της δεξαμενής του πειράματος 5. Οι τιμές της οπτικής πυκνότητας της εισροής κινήθηκαν σε χαμηλότερα επίπεδα, και πιο συγκεκριμένα από έως,7 σε όλα τα μήκη κύματος.,7,6,5,4,3,2, t (days) Εκροή Εισροή 78

100 Οπτική πυκνότητα (6 nm) Οπτική πυκνότητα (75nm) Οπτική πυκνότητα (65nm),7,6,5,4,3,2, t (days) Εκροή Εισροή,7,6,5,4,3,2, t (days) Εκροή Εισροή Σχήμα 4.41 Διακύμανση οπτικής πυκνότητας στα 6, 65, 75 nm στη δεξαμενή Β με υλικό βαμβακερό ύφασμα (Πείραμα 4).,18,16,14,12,1,8,6,4, t (days) Εκροή Εισροή 79

101 Οπτική πυκνότητα (75 nm) Οπτική πυκνότητα (65 nm),18,16,14,12,1,8,6,4, t (days) Εκροή Εισροή,18,16,14,12,1,8,6,4,2 Σχήμα 4.42 Διακύμανση οπτικής πυκνότητας στα 6, 65, 75 nm στη δεξαμενή Γ με υλικό πολυαιθυλένιο (Πείραμα 5). Η διακύμανση των αιωρούμενων (ΑΣ) και των πτητικά αιωρούμενων στερεών (ΠΑΣ) στα δείγματα εκροής και εισροής του πειράματος 4 παρουσιάζεται στα Σχήματα 4.43 και Παρατηρείται αύξηση των στερεών της εκροής κατά την πορεία του πειράματος, με μέγιστες τιμές τα 16 και τα 12,5 mg/l για τα ΑΣ και τα ΠΑΣ αντίστοιχα. Αυτό δείχνει ότι υπάρχει ανάπτυξη των φυκών μέσα στην δεξαμενή, ιδιαίτερα μέχρι και την 15 η ημέρα. Προς το τέλος του πειράματος, λόγω της ύπαρξης ζωοπλαγκτού μέσα στην δεξαμενή παρατηρείται μία μικρή μείωση της βιομάζας, άρα και των ΠΑΣ. Οι τιμές των στερεών στα δείγματα της εισροής παρέμειναν χαμηλές σε όλη την διάρκεια του πειράματος με μέγιστες τιμές τα 3,5 και τα 2,3 mg/l για τα ΑΣ και ΠΑΣ αντίστοιχα t (days) Εκροή Εισροή 8

102 ΠΑΣ (mg/l) ΑΣ (mg/l) Σχήμα 4.43 Διακύμανση των ΑΣ στη δεξαμενή Β με υλικό βαμβακερό ύφασμα (Πείραμα 4) t (days) Εκροή Εισροή t (days) Εκροή Εισροή Σχήμα 4.44 Διακύμανση των ΠΑΣ στη δεξαμενή Β με υλικό βαμβακερό ύφασμα (Πείραμα 4). Στα Σχήματα 4.45 και 4.46 παρουσιάζεται η διακύμανση των αιωρούμενων (ΑΣ) και των πτητικά αιωρούμενων στερεών (ΠΑΣ) στα δείγματα εκροής και εισροής του πειράματος 5. Στις τιμές των στερεών παρατηρούνται δύο στάδια. Στο πρώτο στάδιο τα στερεά αυξάνονται μέχρι και την 12 η ημέρα, όπου οι τιμές των ΑΣ και ΠΑΣ είναι 38 και 34 mg/l αντίστοιχα. Έπειτα ακολουθεί ένα στάδιο όπου τα στερεά μειώνονται με μεγάλο ρυθμό σε τιμές μικρότερες των 5 mg/l. Υπάρχει συνεπώς ανάπτυξη των φυκών μέχρι και την 12 η ημέρα, όμως στην συνέχεια λόγω της ύπαρξης ζωοπλαγκτού μέσα στην δεξαμενή παρατηρείται μεγάλη μείωση της βιομάζας. 81

103 ΠΑΣ (mg/l) ΑΣ (mg/l) t (days) Εκροή Εισροή Σχήμα 4.45 Διακύμανση των ΑΣ στη δεξαμενή Γ με υλικό πολυαιθυλένιο (Πείραμα 5) t (days) Εκροή Εισροή Σχήμα 4.46 Διακύμανση των ΠΑΣ στη δεξαμενή Γ με υλικό πολυαιθυλένιο (Πείραμα 5). Στα Σχήματα 4.47 και 4.48 παρουσιάζονται οι τιμές της θολερότητας στα πειράματα 4 και 5. Η θολερότητα των δειγμάτων της εκροής και των δύο πειραμάτων εμφανίζει μία αύξηση την 6 η ημέρα των πειραμάτων. Στην συνέχεια του πειράματος 4 η ανοδική τάση εξακολουθεί να υπάρχει ενώ στο πείραμα 5 οι τιμές μειώνονται. Η μέγιστη τιμή θολερότητας στο πείραμα 4 είναι τα 4,83 NTU την τελευταία ημέρα του πειράματος, ενώ η μέγιστη τιμή θολερότητας στο πείραμα 5 είναι τα 11,6 NTU την 9 η ημέρα του πειράματος. Στα δείγματα της εισροής παρατηρείται μικρή διακύμανση των τιμών, και συγκεκριμένα από 1,4 έως 2,42 NTU. Η θολερότητα των δειγμάτων της εισροής είναι χαμηλότερη σε όλη την διάρκεια των πειραμάτων από την θολερότητα των δειγμάτων της εκροής. 82

104 Θολερότητα (NTU) Θολερότητα (NTU) t (days) Εκροή Εισροή Σχήμα 4.47 Διακύμανση της θολερότητας στη δεξαμενή Β με βαμβακερό ύφασμα (Πείραμα 4) Σχήμα 4.48 Διακύμανση της θολερότητας στη δεξαμενή Γ με πολυαιθυλένιο (Πείραμα 5) Χημικά απαιτούμενο οξυγόνο t (days) Εκροή Εισροή Στα Σχήματα 4.49 και 4.5 παρουσιάζεται η διακύμανση του χημικά απαιτούμενου οξυγόνου. Παρατηρείται ότι οι τιμές των δειγμάτων της εκροής είναι υψηλότερες από αυτές της εισροής σε όλη σχεδόν την διάρκεια των πειραμάτων. Οι αύξηση των τιμών της εκροής συμβαίνει επειδή τα δείγματα μέχρι και την 15 η ημέρα δεν είναι διηθημένα και υπάρχει ανάπτυξη των φυκών ιδιαίτερα από την 6 η ημέρα και μετά. Η μείωση της βιομάζας στο πείραμα 5 εκδηλώνεται και σε αυτό το διάγραμμα, με τις τιμές του ΧΑΟ της εκροής να μειώνονται από την 12 η ημέρα και μετά. Τα δείγματα της εκροής παίρνουν τιμές από 15,5 έως 45,7 mg/l και από 2,95 έως 61,9 mg/l στα πειράματα 4 και 5 αντίστοιχα. Το ΧΑΟ των δειγμάτων της εισροής κυμαίνεται ανάμεσα στα 7,7 και τα 24,76 mg/l. Τις δύο τελευταίες ημέρες έγινε διήθηση των δειγμάτων προκειμένου να μην προσμετρηθεί στις τιμές του ΧΑΟ 83

105 ΧΑΟ (mg/l) ΧΑΟ (mg/l) το ζωοπλαγκτόν. Η μέγιστη διαφορά μεταξύ διηθημένου και μη διηθημένου δείγματος παρατηρείται την 18 η ημέρα στα δείγματα εκροής του πειράματος 5 και είναι 1,35 mg/l. Επίσης υπολογίστηκε ότι στο τέταρτο πείραμα η μέση ογκομετρική φόρτιση στην δεξαμενή σε ΧΑΟ είναι 1, kg/m 3 d και η μέση επιφανειακή φόρτιση στα χωρίσματα είναι 1, kg/m 2 d. Στο πέμπτο πείραμα, η μέση ογκομετρική φόρτιση σε ΧΑΟ είναι επίσης 1, kg/m 3 d και η μέση επιφανειακή φόρτιση στα χωρίσματα είναι 1,6 1-4 kg/m 2 d t (days) Εκροή Εισροή Εισροή Διηθημένη Εκροή Διηθημένη Σχήμα 4.49 Διακύμανση του ΧΑΟ στη δεξαμενή Β με βαμβακερό ύφασμα (Πείραμα 4) t (days) Εκροή Εισροή Εισροή Διηθημένη Εκροή Διηθημένη Σχήμα 4.5 Διακύμανση του ΧΑΟ στη δεξαμενή Γ με πολυαιθυλένιο (Πείραμα 5). 84

106 Καρατονοειδή (mg/l) Chl-a (mg/m 3 ) Χλωροφύλλη α Στα Σχήματα 4.51 και 4.52 φαίνεται η διακύμανση της χλωροφύλλης α και των καρατονοειδών σε δείγματα των δύο δεξαμενών. Στο πείραμα 4, η μέγιστη τιμή της χλωροφύλλη α είναι τα 175,8 mg/m 3 την 12 η ημέρα του πειράματος ενώ τα καρατονοειδή την ίδια ημέρα έχουν τιμή 4,4 mg/l. Στο πείραμα 5, η μέγιστη τιμή της χλωροφύλλης α είναι τα 583,9 mg/m 3 την 12 η ημέρα του πειράματος ενώ τα καρατονοειδή την ίδια ημέρα έχουν τιμή 138 mg/l. Στην συνέχεια του πειράματος, η χλωροφύλλη α και τα καρατονοειδή εμφανίζουν πτώση, λόγω της μείωσης της βιομάζας, σε τιμές 66,27 mg/m 3 και 15,2 mg/l αντίστοιχα t (days) Πείραμα 4 Πείραμα 5 Σχήμα 4.51 Διακύμανση της χλωροφύλλης α στις δεξαμενές Β και Γ με υλικά βαμβακερό και πολυαιθυλένιο (Πειράματα 4-5) t (days) Πείραμα 4 Πείραμα 5 Σχήμα 4.52 Διακύμανση των καρατονοειδών στις δεξαμενές Β και Γ με υλικά βαμβακερό και πολυαιθυλένιο (Πειράματα 4-5) 85

107 NO 3 - (mg/l) Άζωτο Στα Σχήματα 4.53 και 4.54 παρουσιάζεται η διακύμανση των τιμών των νιτρικών ιόντων. Και στις δύο δεξαμενές υπάρχει μία σταδιακή αύξηση της συγκέντρωσης των νιτρικών στα δείγματα της εκροής από τιμές μικρότερες του 1 mg/l σε τιμές 5,9 και 54,6 mg/l στα πειράματα 4 και 5 αντίστοιχα. Η συγκέντρωση νιτρικών της εισροής έχει αρκετά μεγάλη διακύμανση και παίρνει τιμές από 56,6 έως 92,9 mg/l. Το μεγαλύτερο ποσοστό αφαίρεσης νιτρικών παρατηρείται κατά το ξεκίνημα του πειράματος και είναι 99,3%. Πρέπει όμως να επισημανθεί ότι το ποσοστό αυτό είναι πλασματικό διότι οφείλεται στο ότι το υγρό της δεξαμενής την ημέρα έναρξης του πειράματος πριν την είσοδο των λυμάτων είχε μηδενική συγκέντρωση νιτρικών. Στην συνέχεια, το ποσοστό αφαίρεσης των νιτρικών μειώνεται σταδιακά και φτάνει έως το 15,73%. Με βάση τις μετρήσεις της εισροής υπολογίστηκε ότι στο τέταρτο πείραμα η μέση ογκομετρική φόρτιση της δεξαμενής σε νιτρικά είναι 6, kg/m 3 d και η μέση επιφανειακή φόρτιση στα χωρίσματα είναι 8, kg/m 2 d. Στο πέμπτο πείραμα, η μέση ογκομετρική φόρτιση σε νιτρικά είναι επίσης 6, kg/m 3 d και η μέση επιφανειακή φόρτιση στα χωρίσματα είναι 8, kg/m 2 d t (days) Εκροή Εισροή Σχήμα 4.53 Διακύμανση των NO 3 - στη δεξαμενή Β με υλικό βαμβακερό ύφασμα (Πείραμα 4). 86

108 ΝΟ 3 - (mg/l) NO 3 - (mg/l) t (days) Εκροή Εισροή Σχήμα 4.54 Διακύμανση των NO 3 - στη δεξαμενή Γ με υλικό πολυαιθυλένιο (Πείραμα 5). Στα Σχήματα 4.55 και 4.56 παρουσιάζονται τα προφίλ της συγκέντρωσης των νιτρικών ιόντων στα πέντε τμήματα των δεξαμενών κατά την 19 η ημέρα των πειραμάτων. Οι αριθμοί 1 έως 5 μετρώνται από την είσοδο προς την έξοδο των δεξαμενών. Η συγκέντρωση των νιτρικών ιόντων την 24 η ημέρα στα δείγματα της εκροής που παρουσιάστηκαν παραπάνω ήταν 5,92 mg/l στο τέταρτο πείραμα και 54,6 mg/l στο πέμπτο πείραμα. Από το προφίλ του τέταρτου πειράματος προκύπτει ότι τα νιτρικά αυξάνονται από 45,3 mg/l στο πρώτο τμήμα της δεξαμενής σε 5,3 mg/l στο τελευταίο τμήμα. Αυτό μπορεί να οφείλεται σε αυξημένη συγκέντρωση φυκών στο πρώτο τμήμα της δεξαμενής. Στο πέμπτο πείραμα, τα νιτρικά έχουν μικρή διακύμανση με τιμές από 53,4 έως 54,1 mg/l Τμήμα δεξαμενής Σχήμα 4.55 Προφίλ της συγκέντρωσης των NO 3 - στη δεξαμενή Β με υλικό βαμβακερό ύφασμα την 19 η ημέρα(πείραμα 4). 87

109 NO 3 - (mg/l) Τμήμα δεξαμενής Σχήμα 4.56 Προφίλ της συγκέντρωσης των NO 3 - στη δεξαμενή Γ με υλικό πολυαιθυλένιο την 19 η ημέρα (Πείραμα 5). Στα Σχήματα 4.57 και 4.58 παρατηρείται ότι σε όλη την διάρκεια των πειραμάτων η συγκέντρωση του ολικού αζώτου κατά Kjeldahl (TKN) στην εκροή είναι χαμηλότερη από την αντίστοιχη της εισροής. Το TKΝ της εκροής στο πείραμα 4 λαμβάνει τιμές από 1,12 έως 4,9 mg/l ενώ στο πείραμα 5 από 1,12 έως 4,48 mg/l. Τα δείγματα της εισροής των δύο δεξαμενών παίρνουν τιμές από 4,48 έως 6,72 mg/l. Η αφαίρεση του TKΝ πετυχαίνεται σε μέγιστα ποσοστά 68,75% και 77,8% στα πειράματα 4 και 5 αντίστοιχα. Με βάση τα δεδομένα, η αφαίρεση του TKN της ημέρα έναρξης του πειράματος 4 είναι 8% αλλά δεν λαμβάνεται υπόψη διότι η εισροή από την αντλία ξεκίνησε αφότου έγινε η δειγματοληψία στην δεξαμενή. Το TKN εκφράζει το άθροισμα της αμμωνίας και του οργανικού αζώτου αλλά δεν περιλαμβάνει τα νιτρώδη και νιτρικά. Η αμμωνία μετρήθηκε στα δείγματα εισροής των και ήταν μηδενική. Επομένως οι τιμές του TKN στην εισροή εκφράζουν το οργανικό άζωτο. Τέλος υπολογίστηκε ότι στο τέταρτο πείραμα η μέση ογκομετρική φόρτιση της δεξαμενής σε TKN είναι 4, kg/m 3 d και η μέση επιφανειακή φόρτιση στα χωρίσματα είναι 5, kg/m 2 d. Στο πέμπτο πείραμα αντίστοιχα η μέση ογκομετρική φόρτιση σε TKN είναι επίσης 4, kg/m 3 d και η μέση επιφανειακή φόρτιση στα χωρίσματα είναι 5, kg/m 2 d. 88

110 TKN (mg/l) TKN (mg/l) Σχήμα 4.57 Διακύμανση του TKN στη δεξαμενή Β με υλικό βαμβακερό ύφασμα (Πείραμα 4) Σχήμα 4.58 Διακύμανση του TKN στη δεξαμενή Γ με υλικό πολυαιθυλένιο (Πείραμα 5) Φώσφορος t (days) Εισροή Εκροή t (days) Εισροή Εκροή Στα Σχήματα 4.59 και 4.6 παρατηρείται ότι η συγκέντρωση των PO -3 4 των δειγμάτων εκροής των πειραμάτων 4 και 5 είναι μηδέν στο μεγαλύτερο μέρος της διάρκειας των πειραμάτων. Η συγκέντρωση των δειγμάτων της εισροής κυμαίνεται -3 ανάμεσα στα 5,8 και 7,37 mg/l. Κατά συνέπεια, τα PO 4 που εισέρχονται στην δεξαμενή αφαιρούνται σε ποσοστό 1% κατά το μεγαλύτερο μέρος της διάρκεια του πειράματος. Τα δείγματα της εκροής την ημέρα εκκίνησης των πειραμάτων έχουν μηδενική συγκέντρωση φωσφορικών. Αυτό οφείλεται στο γεγονός ότι το υγρό που χρησιμοποιήθηκε για την πλήρωση των δεξαμενών την ημέρα έναρξης των πειραμάτων είχε μηδενική συγκέντρωση φωσφορικών. 89

111 PO 4-3 (mg/l) PO 4-3 (mg/l) t (days) Εκροή Εισροή Σχήμα 4.59 Διακύμανση των PO 4-3 στη δεξαμενή Β με υλικό βαμβακερό ύφασμα (Πείραμα 4) t (days) Εκροή Εισροή Σχήμα 4.6 Διακύμανση των PO 4-3 στη δεξαμενή Γ με υλικό πολυαιθυλένιο (Πείραμα 5). Στα Σχήματα 4.61 και 4.62 παρουσιάζονται τα προφίλ της συγκέντρωσης των φωσφορικών ιόντων στα πέντε τμήματα των δεξαμενών κατά την 19 η ημέρα των πειραμάτων. Οι αριθμοί 1 έως 5 μετρώνται από την είσοδο προς την έξοδο των δεξαμενών. Η συγκέντρωση των φωσφορικών την 19 η ημέρα στα δείγματα της εκροής που παρουσιάστηκαν παραπάνω ήταν μηδέν στο τέταρτο πείραμα και,77 mg/l στο πέμπτο πείραμα. Στο τέταρτο πείραμα, από το προφίλ προκύπτει ότι τα φωσφορικά την 19 η ημέρα είναι μηδέν σε όλα τα τμήματα της δεξαμενής, συνεπώς η αφαίρεση τους έγινε ήδη από το πρώτο τμήμα. Στο πέμπτο πείραμα, η συγκέντρωση δεν είναι μηδέν σε κανένα τμήμα της δεξαμενής. Οι τιμές αυξομειώνονται από,87 έως 1,51 mg/l. Η μείωση των φυκών λόγω του ζωοπλαγκτού που εμφανίστηκε κυρίως στην δεξαμενή του πέμπτου πειράματος φαίνεται να επηρέασε την αφαίρεση των φωσφορικών ιόντων. 9

112 PO 4-3 (mg/l) PO 4-3 (mg/l) 1,8,6,4,2 Σχήμα 4.61 Προφίλ της συγκέντρωσης των PO 4-3 στη δεξαμενή Β με υλικό βαμβακερό ύφασμα την 19 η ημέρα (Πείραμα 4). 2 1,5 1, Τμήμα δεξαμενής Τμήμα δεξαμενής Σχήμα 4.62 Προφίλ της συγκέντρωσης των PO 4-3 στη δεξαμενή Γ με υλικό πολυαιθυλένιο την 19 η ημέρα (Πείραμα 5) Στα Σχήματα 4.63 και 4.64 παρουσιάζεται η διακύμανση των τιμών του ολικού-p. Στα μη διηθημένα δείγματα της εισροής οι τιμές κυμαίνονται από 2,11 έως 4,4 mg/l, ενώ το διηθημένο δείγμα της εισροής την 18 η ημέρα έχει συγκέντρωση 3,25 mg/l. Ο ολικός-p στα δείγματα της εκροής των δύο δεξαμενών παρουσιάζει χαμηλές τιμές, και δεν ξεπερνάει τα,61 mg/l όλα τα δείγματα, διηθημένα ή μη. Κατά συνέπεια γίνεται σημαντική αφαίρεση του ολικού-ρ, σε ποσοστό έως 1% και στις δύο δεξαμενές. 91

113 Ολικός Φώσφορος (mg/l) Ολικός Φώσφορος (mg/l) 4,5 4 3,5 3 2,5 2 1,5 1, Εισροή Εκροή Εκροή Διηθημένη Εισροή Διηθημένη t (days) Σχήμα 4.63 Διακύμανση του ολικού-p στη δεξαμενή Β με υλικό βαμβακερό ύφασμα (Πείραμα 4). 4,5 4 3,5 3 2,5 2 1,5 1, t (days) Εισροή Εκροή Εισροή Διηθημένη Εκροή Διηθημένη Σχήμα 4.64 Διακύμανση του ολικού-p στη δεξαμενή Γ με υλικό πολυαιθυλένιο (Πείραμα 5). Στα Σχήματα 4.65 και 4.66 παρουσιάζονται τα προφίλ της συγκέντρωσης του ολικού-p στα πέντε τμήματα των δεξαμενών κατά την 19 η ημέρα των πειραμάτων. Οι αριθμοί 1 έως 5 μετρώνται από την είσοδο προς την έξοδο των δεξαμενών. Η συγκέντρωση του ολικού-p την 19 η ημέρα στα διηθημένα δείγματα της εκροής που παρουσιάστηκαν παραπάνω ήταν,52 mg/l στο τέταρτο πείραμα και,61 mg/l στo πέμπτο πείραμα. Στο τέταρτο πείραμα, από το προφίλ προκύπτει ότι ο ολικός-p την 19 η ημέρα παίρνει τιμές από,51 έως,63 mg/l στα τμήματα της δεξαμενής. Επομένως η συγκέντρωση από το πρώτο τμήμα έως και την εκροή παραμένει σχεδόν σταθερή. Στο πέμπτο πείραμα, η συγκέντρωση του ολικού-p στα τμήματα της δεξαμενής έχει επίσης μικρή διακύμανση, με τιμές από,64 έως,71 mg/l. 92

114 Ολικός φώσφορος (mg/l) Ολικός φώσφορος (mg/l) 1,8,6,4 Δείγμα δεξαμενής διηθημένο, Τμήμα δεξαμενής Σχήμα 4.65 Προφίλ της συγκέντρωσης του ολικού-p στη δεξαμενή Β με υλικό βαμβακερό ύφασμα την 19 η ημέρα (Πείραμα 4). 1,8,6,4,2 Δείγμα δεξαμενής διηθημένο Σχήμα 4.66 Προφίλ της συγκέντρωσης του ολικού-p στη δεξαμενή Γ με υλικό πολυαιθυλένιο την 19 η ημέρα (Πείραμα 5) ph Τμήμα δεξαμενής Στο Σχήμα 4.67 παρουσιάζεται η διακύμανση του ph στην δεξαμενή και την εισροή του πειράματος 4. To ph της δεξαμενής κυμαίνεται από 8,39 την ημέρα έναρξης του πειράματος έως 1,12 την 9 η μέρα. Από την 9 η μέρα έως το τέλος το ph διατηρείται στο ίδιο επίπεδο. Τα δείγματα της εισροής δεν παρουσιάζουν μεγάλη διακύμανση και κυμαίνονται στις τιμές από 7,67 έως 7,76. Στο Σχήμα 4.68 παρουσιάζεται η διακύμανση του ph στην δεξαμενή και την εισροή του πειράματος 5. Αρχικά στην δεξαμενή παρατηρείται αύξηση της τιμής του ph από 8,46 την ημέρα έναρξης του πειράματος έως 9,9 την 12 η ημέρα. Έπειτα το ph μειώνεται ελαφρά έως την τιμή 9,2. 93

115 ph ph Σχήμα 4.67 Διακύμανση του ph στη δεξαμενή Β με υλικό βαμβακερό ύφασμα (Πείραμα 4) t (days) Εκροή Εισροή 8 Σχήμα 4.68 Διακύμανση του ph στη δεξαμενή Γ με υλικό πολυαιθυλένιο (Πείραμα 5) Διαλυμένο οξυγόνο t (days) Εκροή Εισροή Η διακύμανση του διαλυμένου οξυγόνου (ΔΟ) στις δεξαμενές των πειραμάτων 4 και 5 φαίνεται στα Σχήματα 4.69 και 4.7. Τα δείγματα προήλθαν από δύο διαφορετικά σημεία της δεξαμενής. Το ένα δείγμα ήταν από το πρώτο χώρισμα (είσοδος δεξαμενής) και το άλλο από το τελευταίο χώρισμα (έξοδος δεξαμενής). Οι τιμές των δειγμάτων εισόδου και εξόδου δεν εμφανίζουν σημαντική διαφορά και στα δύο πειράματα. Στα πειράματα 4 και 5, οι τιμές του ΔΟ είναι σημαντικά μεγαλύτερες από αυτές των πειραμάτων 2 και 3. Κατά συνέπεια φαίνεται να υπάρχει μεγαλύτερη ανάπτυξη των φυκών στις δεξαμενές. Στο πείραμα 4, το ΔΟ της δεξαμενής στην είσοδο κυμαίνεται από 15,7 έως 19,3 mg/l με την μέγιστη τιμή να παρατηρείται την 6 η ημέρα. Αντίστοιχα στην έξοδο το ΔΟ παίρνει τιμές από 13,5 έως 17,5 mg/l. Στο πείραμα 5, παρατηρείται μία σημαντική αύξηση των τιμών από την 3 η ημέρα έως την 6 η ημέρα. Το ΔΟ της εισόδου 94

116 ΔΟ (mg/l) ΔΟ (mg/l) αυξάνεται από 12,9 σε 18,9 mg/l ενώ της εξόδου από 14,2 σε 19,6 mg/l. Στην συνέχεια του πειράματος παρατηρείται μία πτώση των τιμών. Η ελάχιστη τιμή που λαμβάνει το ΔΟ της εισόδου μετά την 6 η ημέρα είναι τα 14,9 mg/l την 15 η ημέρα του πειράματος, ενώ της εξόδου τα 13 mg/l επίσης την 15 η ημέρα t (days) Είσοδος δεξαμενής Έξοδος δεξαμενής Σχήμα 4.69 Διακύμανση του διαλυμένου οξυγόνου στη δεξαμενή Β με υλικό βαμβακερό ύφασμα (Πείραμα 4) t (days) Έξοδος δεξαμενής Είσοδος δεξαμενής Σχήμα 4.7 Διακύμανση του διαλυμένου οξυγόνου στη δεξαμενή Γ με υλικό πολυαιθυλένιο (Πείραμα 5) Λιπίδια Τα μικροφύκη που υπήρχαν στις δεξαμενές στο τέλος των πειραμάτων 2 και 3 αφέθηκαν για ένα διάστημα προκειμένου να αναπτυχθούν, όπως περιγράφεται αναλυτικά στην παράγραφο Δέκα ημέρες πριν την έναρξη των πειραμάτων 4 και 5 μετρήθηκαν τα λιπίδια των μικροφυκών από τα υφάσματα κάθε δεξαμενής. 95

117 Στην δεξαμενή του πειράματος 2, τα μικροφύκη είχαν λιπίδια,33% ενώ στην δεξαμενή του πειράματος 3, τα μικροφύκη είχαν λιπίδια,24%. Μετά από δέκα ημέρες χωρίς τροφοδότηση τα υγρά των δύο δεξαμενών αναμίχθηκαν και ξεκίνησαν τα πειράματα 4 και 5. Την ημέρα έναρξης των πειραμάτων μετρήθηκαν τα λιπίδια από το υγρό των δύο δεξαμενών. Στην δεξαμενή του πειράματος 4 τα μικροφύκη είχαν λιπίδια 8,27% ενώ στην δεξαμενή του πειράματος 5 τα μικροφύκη είχαν λιπίδια 1,54%. Στο τέλος των πειραμάτων υπολογίστηκαν τα λιπίδια των μικροφυκών από το υγρό των δεξαμενών καθώς και των μικροφυκών που ξύστηκαν από τα χωρίσματα των δύο δεξαμενών. Τα μικροφύκη από το υγρό της δεξαμενής του πειράματος 4 είχαν λιπίδια,38%, ενώ από τα χωρίσματα της δεξαμενής,36%. Τα μικροφύκη από το υγρό της δεξαμενής του πειράματος 5 είχαν λιπίδια,64%, ενώ από τα χωρίσματα της δεξαμενής,48%. Το υγρό των δεξαμενών παρέμεινε μετά την λήξη των πειραμάτων για 13 ημέρες χωρίς να τροφοδοτηθεί με λύματα προκειμένου να υπολογιστεί η μεταβολή των λιπιδίων. Τα λιπίδια των μικροφυκών της δεξαμενή του τέταρτου πειράματος υπολογίστηκαν 13,78% ενώ του πέμπτου πειράματος 3,43% Βιομάζα Στον Πίνακα 4.5 παρουσιάζονται τα αποτελέσματα σχετικά με την παραγωγή βιομάζας πάνω στα χωρίσματα των δεξαμενών στα πειράματα 4 και 5. Στην πρώτη στήλη φαίνεται η συνολική βιομάζα των χωρισμάτων κάθε δεξαμενής, ενώ στην δεύτερη στήλη το συνολικό εμβαδόν όλων των όψεων των χωρισμάτων κάθε δεξαμενής. Με βάση αυτά τα στοιχεία υπολογίζεται η βιομάζα ανά τετραγωνικό μέτρο κάθε όψης κάθε χωρίσματος (g/m 2 ), και έπειτα, διαιρώντας με τις ημέρες του πειράματος, η μέση ημερήσια παραγωγή (g/m 2.d). Στο τέλος υπολογίζεται ο μέσος όρος των τιμών της μέσης ημερήσιας παραγωγής. Στο πείραμα 4, η βιομάζα των χωρισμάτων είναι 1,7 g (Σχήμα 4.71), οπότε προκύπτει ότι η μέση ημερήσια παραγωγή σε κάθε όψη του κάθε χωρίσματος είναι 1,38 g/m 2.d. Στο πείραμα 5, η βιομάζα των χωρισμάτων είναι 3,66 g, οπότε προκύπτει ότι η μέση ημερήσια παραγωγή σε κάθε όψη του κάθε χωρίσματος είναι,49 g/m 2.d. Στον Πίνακα 4.6 υπολογίζεται το ποσοστό της συνολικής βιομάζας των δεξαμενών η οποία αναπτύχθηκε πάνω στα χωρίσματα. Στην πρώτη στήλη φαίνονται τα αιωρούμενα στερεά του υγρού των δεξαμενών στο τέλος των πειραμάτων, ενώ 96

118 στην επόμενη στήλη υπολογίζεται η βιομάζα από το υγρό των δεξαμενών, δεδομένου ότι ο όγκος ήταν 48 L. Επομένως το ποσοστό της συνολικής βιομάζας των δεξαμενών η οποία αναπτύχθηκε πάνω στα χωρίσματα είναι 64,86 και 31,48% στα πειράματα 4 και 5 αντίστοιχα. Τέλος θα υπολογιστεί η βιομάζα που αναπτύχθηκε πάνω στα χωρίσματα των δεξαμενών ανά κυβικό μέτρο λυμάτων που εισήλθαν στις δεξαμενές. Η συνολική βιομάζα στα χωρίσματα της δεξαμενής του τέταρτου πειράματος είναι 1,7 g ενώ του πέμπτου πειράματος 3,66 g. Ο όγκος των λυμάτων που εισήλθε σε κάθε δεξαμενή ήταν 76 L =,76 m 3. Επομένως στα χωρίσματα της δεξαμενής του τέταρτου πειράματος παράχθηκαν 132,5 g βιομάζας / m 3 λυμάτων ενώ στα χωρίσματα της δεξαμενής του πέμπτου πειράματος παράχθηκαν 48,16 g βιομάζας / m 3 λυμάτων. Πείραμα Πίνακας 4.5 Παραγωγή βιομάζας πάνω στα χωρίσματα των δεξαμενών Β και Γ με υλικά βαμβακερό ύφασμα και πολυαιθυλένιο (Πειράματα 4-5) Εμβαδόν δύο όψεων χωρίσματος (cm 2 ) Παραγωγή βιομάζας (g/m 2 ) Μέση ημερήσια παραγωγή βιομάζας (g/m 2.d) Βιομάζα (g) 4 1, ,17 1,38 5 3, ,44 9,27,49 Πίνακας 4.6 Ποσοστό της συνολικής βιομάζας που αναπτύχθηκε πάνω στα χωρίσματα των δεξαμενών Β και Γ με υλικά βαμβακερό ύφασμα και πολυαιθυλένιο (Πειράματα 4-5) Πείραμα ΑΣ στο υγρό της δεξαμενής (mg) Βιομάζα από το υγρό της δεξαμενής (g) Ποσοστό που αναπτύχθηκε στα χωρίσματα (%) Βιομάζα στα υφάσματα (g) ,46 1,7 64, ,97 3,66 31,48 Σχήμα 4.71 Συλλογή μικροφυκών από τα χωρίσματα της δεξαμενής Β με υλικό βαμβακερό ύφασμα (Πείραμα 4). 97

119 Μικροσκοπική αναγνώριση Κατά την διεξαγωγή των δύο πειραμάτων πραγματοποιήθηκε και μορφολογική παρακολούθηση των μικροφυκών με οπτικό μικροσκόπιο και με ηλεκτρονικό μικροσκόπιο σάρωσης (SEM). Στα Σχήματα 4.72 και 4.73 παρουσιάζονται επιλεκτικά κάποιες απεικονίσεις. Όπως παρατηρείται, στις δεξαμενές με πολυαιθυλένιο και με βαμβακερό ύφασμα αναπτύχθηκαν διάτομα, πολυκύτταρα φύκη και κόκκοι. Επίσης, παρατηρήθηκε στις δεξαμενές το οστρακόδερμο Daphnia magna. Σχήμα 4.72 Απεικονίσεις του οπτικού μικροσκοπίου και του ηλεκτρονικού μικροσκοπίου σάρωσης στη δεξαμενή Β με υλικό βαμβακερό ύφασμα (4 ο πείραμα). Σχήμα 4.73 Απεικονίσεις του οπτικού μικροσκοπίου στη δεξαμενή Γ με υλικόπολυαιθυλένιο (5 ο πείραμα). 98

120 4.2 ΑΠΟΤΕΛΕΣΜΑΤΑ ΠΕΙΡΑΜΑΤΩΝ ΣΕ ΦΙΑΛΕΣ ERLENMEYER ΜΕ ΥΛΙΚΑ ΥΠΟΣΤΗΡΙΞΗΣ Σκοπός των πειραμάτων ήταν να μελετηθεί η ανάπτυξη του χλωροφύκους Chlorococcum sp. πάνω σε διαφορετικά υλικά υποστήριξης. Επιπλέον, στο πείραμα 7 χρησιμοποιήθηκαν δύο διαφορετικές διατάξεις προκειμένου να γίνει η σύγκριση τους. Τα πειράματα έγιναν σε φιάλες Erlenmeyer των 2 L και θρεπτικό μέσο BG-11. Επίσης μελετήθηκε η παραγωγή λιπιδίων από τα μικροφύκη. Παρακάτω παρατίθενται αποτελέσματα από τις εργαστηριακές μετρήσεις. Παρουσιάζονται οι μετρήσεις του ph, οι μετρήσεις για την εκτίμηση της βιομάζας (οπτική πυκνότητα, θολερότητα, ΑΣ, ΠΑΣ) και τα θρεπτικά (ανιόντα). Στη συνέχεια παρουσιάζονται τα αποτελέσματα σχετικά με την παραγωγή βιομάζας πάνω στα υλικά υποστήριξης των φιαλών καθώς και η περιεκτικότητα των μικροφυκών σε λιπίδια. Τέλος, κατά τη περίοδο των πειραμάτων πραγματοποιήθηκε η μορφολογική παρακολούθηση των μικροφυκών με οπτικό μικροσκόπιο και ηλεκτρονικό μικροσκόπιο σάρωσης (SEM), και θα παρουσιαστούν επιλεκτικά κάποιες απεικονίσεις Φιάλες Erlenmeyer με υλικά 25CNW, WG55 και πολυαιθυλένιο (Πείραμα 6) Οπτική πυκνότητα, Στερεά, Θολερότητα Στο Σχήμα 4.74 παρουσιάζεται η διακύμανση της οπτικής πυκνότητας στα 6, 65, 75 nm. Οι πραγματικές τιμές της καλλιέργειας ελέγχου προκύπτουν πολλαπλασιάζοντας τις τιμές του διαγράμματος με το δέκα. Τα δείγματα της καλλιέργειας ελέγχου παρουσιάζουν υψηλότερες τιμές οπτικής πυκνότητας. Οι μέγιστες τιμές είναι την 18 η ημέρα και ξεπερνούν την τιμή 1,3 σε όλα τα μήκη κύματος. Η καλλιέργεια με το πολυαιθυλένιο επίσης παρουσιάζει ελαφρώς υψηλότερες τιμές σε σχέση με τις υπόλοιπες φιάλες που περιέχουν υποστηρικτικό υλικό. Οι μέγιστες τιμές της οπτικής πυκνότητας στην καλλιέργεια αυτή παρουσιάζονται την 15 η ημέρα και είναι από,76 έως,79 για τα τρία μήκη κύματος. Στην καλλιέργεια με το υλικό WG55 παρουσιάζεται μία μικρή αύξηση τις τελευταίες ημέρες του πειράματος ενώ στην καλλιέργεια με το 25CNW οι τιμές παραμένουν χαμηλές σε όλη την διάρκεια του πειράματος. Αυτό οφείλεται στο ότι το 99

121 Οπτική πυκνότητα (75 nm) Οπτική πυκνότητα (65 nm) Οπτική πυκνότητα (6 nm) γεωύφασμα 25CNW είναι ένα πορώδες υλικό το οποίο απορρόφησε τα μικροφύκη στο εσωτερικό του από την αρχή του πειράματος.,14,12,1,8,6,4,2 Stock Chlorococcum sp. Νάιλον 25 CNW WG t (days),14,12,1,8,6,4, t (days) Stock Chlorococcum sp. Νάιλον 25 CNW WG55,14,12,1,8,6,4, t (days) Stock Chlorococcum sp. Νάιλον 25 CNW WG55 Σχήμα 4.74 Διακύμανση οπτικής πυκνότητας στα 6, 65, 75 nm στις φιάλες στο Πείραμα 6. *Οι πραγματικές τιμές της καλλιέργειας ελέγχου προκύπτουν πολλαπλασιάζοντας τις τιμές του διαγράμματος με το δέκα. 1

122 ΑΣ (mg/l) Στα Σχήματα 4.75 και 4.76 παρουσιάζεται η διακύμανση των ΑΣ και των ΠΑΣ. Οι πραγματικές τιμές της καλλιέργειας ελέγχου προκύπτουν πολλαπλασιάζοντας τις τιμές του διαγράμματος με το δέκα. Μεγαλύτερη αύξηση παρουσιάζουν τα στερεά της καλλιέργεια ελέγχου, με μέγιστες τιμές τα 51 και 47 mg/l για τα ΑΣ και ΠΑΣ αντίστοιχα. Τις χαμηλότερες τιμές στερεών έχει η καλλιέργεια με το υλικό 25CNW. Αυτό οφείλεται στο ότι το 25CNW είναι ένα πορώδες υλικό, στην επιφάνεια και το εσωτερικό του οποίου προσκολλήθηκαν τα μικροφύκη από την αρχή του πειράματος. Η καλλιέργεια με το γεωύφασμα WG55 παρουσιάζει αύξηση των στερεών από την 12 η ημέρα και έπειτα, ενώ στην καλλιέργεια με το πολυαιθυλένιο παρατηρείται αύξηση από την πρώτη ημέρα του πειράματος. Οι τιμές και των δύο καλλιεργειών δεν ξεπερνούν τα 26 mg/l αιωρούμενων στερεών. Τέλος, μια γενική παρατήρηση είναι ότι οι τιμές των ΑΣ και ΠΑΣ σε όλες τις καλλιέργειες κινούνται σε πολύ κοντινά επίπεδα κάτι που δείχνει ότι το μεγαλύτερο μέρος των στερεών είναι πτητικά Stock Chlorococcum sp. Νάιλον 25 CNW WG t (days) Σχήμα 4.75 Διακύμανση των ΑΣ στις φιάλες στο Πείραμα 6. *Οι πραγματικές τιμές της καλλιέργειας ελέγχου προκύπτουν πολλαπλασιάζοντας τις τιμές του διαγράμματος με το δέκα. 11

123 Θολερότητα (NTU) ΠΑΣ (mg/l) t (days) Σχήμα 4.76 Διακύμανση των ΠΑΣ στις φιάλες στο Πείραμα 6. Stock Chlorococcum sp. Νάιλον 25 CNW WG55 *Οι πραγματικές τιμές της καλλιέργειας ελέγχου προκύπτουν πολλαπλασιάζοντας τις τιμές του διαγράμματος με το δέκα. Η θολερότητα τω δειγμάτων φαίνεται στο παραπάνω Σχήμα Οι πραγματικές τιμές της καλλιέργειας ελέγχου προκύπτουν πολλαπλασιάζοντας τις τιμές του διαγράμματος με το δέκα. Και σε αυτό το διάγραμμα, τα δείγματα της καλλιέργειας ελέγχου παρουσιάζουν υψηλότερες τιμές, με την θολερότητα να αυξάνεται έως το τέλος του πειράματος, σε τιμή 277 NTU. Οι καλλιέργειες με το πολυαιθυλένιο και το WG55 έχουν παρόμοια διακύμανση με τις τιμές τους να ξεπερνούν κάποιες ημέρες τα 1 NTU. Η θολερότητα της καλλιέργειας με το γεωύφασμα 25CNW παραμένει χαμηλή σε όλη την διάρκεια του πειράματος Stock Chlorococcum sp. Νάιλον 25 CNW WG t (days) Σχήμα 4.77 Διακύμανση της θολερότητας στις φιάλες στο Πείραμα 6. *Οι πραγματικές τιμές της καλλιέργειας ελέγχου προκύπτουν πολλαπλασιάζοντας τις τιμές του διαγράμματος με το δέκα. 12

124 PO 4-3 (mg/l) NO 3 - (mg/l) Άζωτο Η διακύμανση των τιμών των νιτρικών ιόντων παρουσιάζεται στο Σχήμα Στην καλλιέργεια ελέγχου η αφαίρεση των νιτρικών γίνεται σε ποσοστό έως 38,1% την τελευταία ημέρα του πειράματος. Στις υπόλοιπες καλλιέργειες δεν παρατηρείται αφαίρεση των νιτρικών ιόντων. Αντίθετα παρατηρείται μία μικρή αύξηση στις συγκεντρώσεις t (days) Stock Chlorococcum sp. Νάιλον 25 CNW WG55 Σχήμα 4.78 Διακύμανση των ΝΟ 3 - στις φιάλες στο Πείραμα Φώσφορος Στο Σχήμα 4.79 παρατηρείται ότι η αφαίρεση των PO -3 4 στην καλλιέργεια ελέγχου φτάνει το 1%. Στις υπόλοιπες καλλιέργειες η αφαίρεση γίνεται σε μικρότερα ποσοστά. Πιο συγκεκριμένα, η μέγιστη αφαίρεση φωσφορικών στις καλλιέργειες με πολυαιθυλένιο, 25CNW και WG55 είναι 44,73, 19,34 και 33,23% αντίστοιχα Stock Chlorococcum sp. Νάιλον 25 CNW WG t (days) Σχήμα 4.79 Διακύμανση των PO 4-3 στις φιάλες στο Πείραμα 6. 13

125 ph ph Στο Σχήμα 4.8 παρουσιάζεται η διακύμανση του ph στις τέσσερεις καλλιέργειες του πειράματος. Η καλλιέργεια ελέγχου παρουσιάζει μεγαλύτερες τιμές του ph κατά την πορεία του πειράματος σε σχέση με τις καλλιέργειας που περιέχουν υποστηρικτικά υλικά. Όλες οι καλλιέργειες αρχικά έχουν ph γύρω στο 7,3. Στην συνέχεια το ph της καλλιέργειας ελέγχου αυξάνεται με μεγαλύτερο ρυθμό και η μέγιστη τιμή είναι 8,9. Στις υπόλοιπες φιάλες η αύξηση του ph είναι μικρότερη και η μέγιστη τιμή που παρατηρείται είναι το 7,88 την 15 η ημέρα στην καλλιέργεια που περιέχει πολυαιθυλένιο. 9 8,5 8 7,5 7 Stock Chlorococcum sp. Νάιλον 25 CNW WG t (days) Σχήμα 4.8 Διακύμανση του ph στις φιάλες στο Πείραμα Λιπίδια Στις καλλιέργειες του πειράματος 6 χρησιμοποιήθηκε μονοκαλλιέργεια του χλωροφύκους Chlorococcum sp. Πριν την εισαγωγή των φυκών στις φιάλες υπολογίστηκε ότι τα λιπίδια τους ήταν 5,51%. Την ημέρα λήξης του πειράματος, υπολογίστηκαν τα λιπίδια των φυκών της καλλιέργειας ελέγχου και ήταν 2,61% Βιομάζα Στον Πίνακα 4.7 παρουσιάζονται τα αποτελέσματα σχετικά με την παραγωγή βιομάζας πάνω στα υλικά υποστήριξης. Στην πρώτη στήλη φαίνεται η βιομάζα και στις δύο όψεις κάθε υλικού, ενώ στην δεύτερη στήλη το εμβαδόν και των δύο όψεων κάθε υποστηρικτικού υλικών κάθε φιάλης. Με βάση αυτά τα στοιχεία υπολογίζεται η βιομάζα ανά τετραγωνικό μέτρο κάθε όψης κάθε υλικού (g/m 2 ), και έπειτα, 14

126 διαιρώντας με τις ημέρες του πειράματος, η μέση ημερήσια παραγωγή (g/m 2.d). Η μέση ημερήσια παραγωγή για τα υλικά πολυαιθυλένιο, 25CNW και WG55 υπολογίζεται σε,144,,72 και,126 g/m 2.d αντίστοιχα. Μεγαλύτερη ικανότητα συνεπώς εμφανίζει το πολυαιθυλένιο, έπειτα το γεωύφασμα WG55 και τέλος το γεωύφασμα 25CNW. Στον Πίνακα 4.8 υπολογίζεται το ποσοστό της συνολικής βιομάζας η οποία αναπτύχθηκε πάνω στα υλικά υποστήριξης. Στην πρώτη στήλη φαίνονται τα αιωρούμενα στερεά του υγρού των καλλιεργειών στο τέλος του πειράματος, ενώ στην επόμενη στήλη υπολογίζεται η βιομάζα από υγρό, δεδομένου ότι ο όγκος ήταν 1,7 L. Επομένως το ποσοστό της συνολικής βιομάζας η οποία αναπτύχθηκε πάνω στα υλικά πολυαιθυλένιο, WG55 και 25CNW είναι 73,46, 94 και 79,68% αντίστοιχα. Στην τελευταία γραμμή του πίνακα παρουσιάζεται η συνολική βιομάζα που αναπτύχθηκε στην καλλιέργεια ελέγχου προκειμένου να συγκριθεί με τις υπόλοιπες καλλιέργειες. Παρατηρείται ότι στην καλλιέργεια ελέγχου η συνολική βιομάζα είναι υψηλότερη, με τιμή,96 g, ενώ η συνολική βιομάζα στις καλλιέργειες με πολυαιθυλένιο, 25CNW και WG55 είναι,22,,9 και,18 g αντίστοιχα. Πίνακας 4.7 Παραγωγή βιομάζας πάνω στα υλικά υποστήριξης των φιαλών στο Πείραμα 6. Εμβαδό δύο όψεων υλικού (cm 2 ) Παραγωγή βιομάζας (g/m 2 ) Μέση ημερήσια παραγωγή βιομάζας (g/m 2.d) Βιομάζα Υλικό (g) Πολυαιθυλένιο, ,4, CNW, ,2,72 WG55, ,54,126 Πίνακας 4.8 Ποσοστό της συνολικής βιομάζας που αναπτύχθηκε πάνω στα υλικά υποστήριξης των φιαλών στο Πείραμα 6. ΑΣ στο υγρό της φιάλη (mg) Βιομάζα από το υγρό της φιάλης (g) Βιομάζα στο υλικό υποστήριξης (g) Συνολική βιομάζα (g) Ποσοστό που αναπτύχθηκε στο υλικό (%) Υλικό Πολυαιθυλένιο 34,578,16, ,46 25 CNW 3,51,8,851 94,1 WG55 21,357,14, ,68 Χωρίς υλικό 61 1,37-1,37-15

127 Μικροσκοπική αναγνώριση Κατά την διεξαγωγή των δύο πειραμάτων πραγματοποιήθηκε και μορφολογική παρακολούθηση των μικροφυκών με οπτικό μικροσκόπιο και με ηλεκτρονικό μικροσκόπιο σάρωσης (SEM). Στο Σχήμα 4.81 παρουσιάζονται επιλεκτικά κάποιες απεικονίσεις. Στο Σχήμα 4.81.α. φαίνεται ένα φύκος Chlorococcum sp. προσκολλημένο σε πολυαιθυλένιο. Στο Σχήμα 4.81.β. φαίνονται ταινίες πολυπροπυλενίου από το γεωύφασμα WG55. α. Πολυαιθυλένιο β. Γεωύφασμα WG55 Σχήμα 4.81 Απεικονίσεις του οπτικού μικροσκοπίου και του ηλεκτρονικού μικροσκοπίου σάρωσης στο Πείραμα Φιάλες Erlenmeyer με υλικά 25CNW, WG55, WG35HF, WG8, λινό και πολυαιθυλένιο (Πείραμα 7) Οπτική πυκνότητα, Στερεά, Θολερότητα Στο Σχήμα 4.82 παρουσιάζεται η διακύμανση της οπτικής πυκνότητας, στις καλλιέργειες με την διάταξη 1, στα μήκη κύματος 6, 65, και 75 nm. Οι πραγματικές τιμές της καλλιέργειας ελέγχου προκύπτουν πολλαπλασιάζοντας τις τιμές του διαγράμματος με το πέντε. Οι τιμές της οπτικής πυκνότητας στα δείγματα της καλλιέργειας ελέγχου αυξάνονται σε όλη την διάρκεια του πειράματος, με την μέγιστη τιμή την τελευταία ημέρα να ξεπερνά το,24 σε όλα τα μήκη κύματος. Η καλλιέργεια με το γεωύφασμα WG35HF επίσης παρουσιάζει ελαφρώς υψηλότερες τιμές σε σχέση με τις υπόλοιπες καλλιέργειες που περιέχουν υποστηρικτικό υλικό. Οι μέγιστες τιμές της οπτικής πυκνότητας στην καλλιέργεια αυτή παρουσιάζονται την τελευταία ημέρα και είναι από,33 έως,44 και στα τρία μήκη κύματος. Στις 16