Chlorella vulgaris -mikrolevän hyödyntäminen kalojen kiertovesikasvatuksen ravinne- ja hiilidioksidipäästöjen talteenotossa

Abstract

Continuously growing population on Earth and accelerating climate change have together led to a situation where there is a need for new sustainable methods for food production. One possible sustainable alternative is a recirculating aquaculture system (RAS). The sustainability of RAS can be further improved by utilizing its wastewater in the cultivation of microalgae which would purify the wastewater at the same time. This study investigated the ability of Chlorella vulgaris microalgae to collect nutrients and carbon dioxide from RAS wastewater. The study compared growth and biochemical properties, such as carotenoid content, of C. vulgaris in four different treatments. The treatments consisted of two different factors, the culture medium and the CO2 concentration used in the aeration of the cultures. Culture medium was either RAS wastewater or MWC medium (modified Wright’s cryptophyte medium) as a control. Algae cultures were aerated either with the exhaust air from the RAS trickling filter with higher CO2 concentration (average during cultivation 809±132 ppm), or with room air as a control (average during cultivation 375±8 ppm). Microalgae grown in RAS wastewater had higher dry weight, growth rate and chlorophyll a content compared to algae grown in MWC medium. In addition, the removal efficiencies of nutrients, nitrate nitrogen (NO3-N) and orthophosphate (PO4-P), were higher in algae grown in RAS wastewater than in MWC medium. The proportions of carbon and lipids in the dry weight were higher in algae grown in MWC medium, while the proportion of nitrogen was higher in algae grown in RAS wastewater. Significant differences were observed between fatty acid groups between treatments, while no significant differences were observed in carotenoid concentrations. The CO2 concentration of aeration did not significantly increase the growth or other properties of the algae, but on the other hand, no negative effects were found either. Based on this and previous studies, C. vulgaris microalgae can be used in the purification of RAS wastewater, and there are possibilities for further use of the grown algae. However, industrial utilization of C. vulgaris in RAS wastewater treatment still requires more research to maximize the productivity of biochemical properties.

Maapallon jatkuvasti kasvava väkiluku yhdessä kiihtyvän ilmastonmuutoksen kanssa ovat johtaneet tilanteeseen, jossa on tarvetta uusille kestäville ruoantuotantomenetelmille. Yhtenä mahdollisena kestävänä vaihtoehtona ruoantuotannolle on kalojen kiertovesikasvatus (Recirculating Aquaculture System, RAS). RAS-kasvatusten kestävyyttä voidaan edelleen parantaa hyödyntämällä niiden jätevettä mikrolevän kasvatuksessa samalla vettä puhdistaen. Tässä tutkielmassa selvitettiin Chlorella vulgaris -mikrolevän kykyä sitoa RAS-jäteveden ravinteita ja hiilidioksidia. Tutkimuksessa vertailtiin levän kasvua sekä levän biokemiallisia ominaisuuksia, kuten karotenoidipitoisuutta, eri käsittelyissä. Neljä eri käsittelyä muodostuivat kahdesta eri tekijästä, kasvatusliuoksesta ja kuplitusilman CO2-pitoisuudesta. Kasvatusliuoksena käytettiin RAS-jätevettä ja kontrollina MWC-kasvatusainetta (modified Wright’s cryptophyte medium, MWC). Korkeampana ilman CO2-pitoisuutena käytettiin RAS-järjestelmän poistoilmaa (koko kokeen aikana 809±132 ppm), ja kontrollina huoneilmaa (koko kokeen aikana 375±8 ppm). RAS-jäteveden levillä oli korkeampi kuivapaino, kasvunopeus sekä klorofylli a -pitoisuus verrattuna MWC-kasvatusaineessa kasvaneisiin leviin. Lisäksi ravinteiden, nitraattitypen (NO3-N) ja fosfaattifosforin (PO4-P), poistotehokkuudet olivat korkeammat RAS-jätevedessä kuin MWC-kasvatusaineessa kasvaneilla levillä. Hiilen ja lipidien osuus kuivapainosta oli suurempi MWC-kasvatusaineen levillä, kun taas typen osuus oli suurempi RAS-jätevedessä kasvaneilla levillä. Rasvahapporyhmien välillä havaittiin merkitseviä eroja käsittelyiden välillä, kun taas karotenoidipitoisuuksissa ei havaittu merkitseviä eroja. Kuplitusilman CO2-pitoisuus ei nostanut levän kasvua tai muita ominaisuuksia merkitsevästi, mutta sen käytöllä ei havaittu myöskään negatiivisia vaikutuksia. Tämän ja aiempien tutkimusten perusteella C. vulgaris -levää voidaan hyödyntää RAS-jäteveden puhdistuksessa, ja kasvatetulle levälle on erilaisia jatkokäyttömahdollisuuksia. Teollinen hyödyntäminen vaatii kuitenkin vielä lisää tutkimusta RAS-jäteveden puhdistamiseksi ja biokemiallisten ominaisuuksien tuottavuuden maksimoimiseksi.