Bioremediacja alkalicznych ścieków pszennych (nejayote) za pomocą Haematococcus pluvialis w warunkach laboratoryjnych i w 100 L stawie wyścigowym

Przekształcanie ścieków po tortilli w zasób

Codziennie w Meksyku miliony tortilli powstają dzięki starożytnej metodzie gotowania zwanej nixtamalizacją. Proces ten wytwarza silnie zasadowe ścieki znane jako nejayote. Zwykle postrzegane jako uciążliwy odpad, który może zanieczyszczać rzeki i jeziora, nejayote jest jednocześnie bogate w składniki odżywcze. W tym badaniu analizowano, jak mikroskopijny organizm słodkowodny, zielona mikroalga Haematococcus pluvialis, może przekształcić ten problem w szansę: oczyszczając wodę i produkując biomasę bogatą w składniki odżywcze, którą można wykorzystać jako nawóz lub paszę dla zwierząt.

Dlaczego ścieki z kukurydzy to ukryty problem

Nixtamalizacja poprawia smak i wartość odżywczą kukurydzy, ale pozostawia ogromne ilości ścieków — ponad 14 milionów metrów sześciennych rocznie tylko w Meksyku. Ciecz ta jest silnie zasadowa, mętna i pełna substancji organicznych, azotu, fosforu oraz zawiesiny. Wypuszczana bez oczyszczania do kanalizacji lub cieków wodnych sprzyja zakwitom alg, obniża poziom tlenu i szkodzi organizmom wodnym. Duże zakłady wprowadziły filtry i zaawansowane systemy oczyszczania, ale małe i średnie tortillerie często nie stać na takie rozwiązania. W efekcie większość nejayote wciąż opuszcza zakłady bez obróbki, tworząc szeroko rozpowszechnione, lecz w dużej mierze niewidoczne obciążenie środowiskowe.

Wykorzystanie drobnych alg jako naturalnych załóg sprzątających

Zespół badawczy zwrócił się ku mikroalgom, które potrafią rozwijać się w wodach bogatych w składniki odżywcze, jednocześnie pochłaniając nadmiar azotu, fosforu i węgla organicznego. Spośród pięciu kandydackich gatunków Haematococcus pluvialis wyróżniała się zdolnością przetrwania i dobrych wyników w nierozcieńczonym nejayote. Aby pomóc tej algi poradzić sobie z tak ekstremalnym środowiskiem, naukowcy najpierw „wzmocnili” kulturę przez krótką ekspozycję na światło UV-C, zabijając większość komórek i selekcjonując najtwardsze egzemplarze. Następnie stopniowo zwiększali udział nejayote w podłożu wzrostowym — od 15% do 100% — aż do pełnej aklimatyzacji alg. Ta ostrożna przygotowawcza procedura pozwoliła mikroalgom traktować nejayote nie jako truciznę, lecz jako pożywkę.

Z kolbki laboratoryjnej do stawu w szklarni

Skalowanie od małej kolby laboratoryjnej do 100-litrowego stawu wyścigowego nie jest tylko prostym powiększeniem. Algi potrzebują odpowiedniej wymiany gazowej — zwłaszcza do uwalniania tlenu i dostarczania dwutlenku węgla — aby rosnąć stabilnie i nadal oczyszczać ścieki. Badacze zastosowali praktyczne mierzenie zwane „pozornym kLa”, które odzwierciedla efektywność transferu gazów między powietrzem a cieczą. Mierząc tę wartość w małej kolbie, a następnie dostosowując prędkości mieszania i koła łopatkowego w bioreaktorze 5-litrowym i otwartym stawie 100-litrowym, starali się utrzymać porównywalne warunki wymiany gazowej na każdej skali. Pomiary w stawie wykazały, że mieszanie jest najsilniejsze w pobliżu koła łopatkowego i słabsze dalej, co ujawnia, że rzeczywiste stawy zachowują się bardziej jak płynące kanały niż idealnie wymieszane zbiorniki.

Jak czysta staje się woda?

W kontrolowanych warunkach laboratoryjnych zaadaptowane algi osiągnęły imponujące wyniki. Usunęły około 96% azotu ogólnego, w praktyce 100% fosforu oraz ponad 92% chemicznego zapotrzebowania na tlen (ChZT), miary zanieczyszczeń organicznych. Po przeniesieniu procesu do 100-litrowego stawu wyścigowego na zewnątrz utrzymano wysokie wskaźniki, choć nieco niższe: około 87% dla azotu, 99% dla fosforu i 90% dla ChZT. Spadek wiązał się głównie z koncentracją pozostałych zanieczyszczeń wskutek parowania oraz zmiennością światła i temperatury na zewnątrz. Azot i fosfor spadły poniżej meksykańskich limitów odprowadzania, natomiast ChZT pozostał powyżej progów regulacyjnych. Autorzy proponują dodanie prostych etapów dopracowujących, takich jak koagulacja z użyciem naturalnych flokulantów lub filtracja węglem aktywnym, aby doprowadzić wodę do wymaganych standardów.

Od ścieków do użytecznej biomasy

Poza oczyszczaniem wody proces wytworzył znaczną ilość biomasy mikroalg. Analiza wykazała, że wysuszony materiał był bogaty w białko i minerały, zwłaszcza wapń, co czyni go potencjalnym składnikiem bio-nawozów lub pasz. W laboratorium algi zawierały prawie 39% białka, które spadło do około 27% w większym stawie zewnętrznym, podczas gdy zawartość minerałów (mierzona jako popiół) wzrosła z około 31% do 47%. Wzrost zawartości minerałów odzwierciedla naturalnie wysoką zawartość wapnia w nejayote oraz efekt koncentracji wskutek parowania. Chociaż obecne były metale śladowe, ich poziomy były niskie, a autorzy zauważają, że proste płukanie lub inne zabiegi poobróbkowe mogą dodatkowo poprawić bezpieczeństwo i jakość.

Praktyczna ścieżka ku czystszej produkcji tortilli

Dla osoby niebędącej specjalistą główny wniosek jest taki, że mikroskopijna roślina może przekształcić problematyczne ścieki przemysłu spożywczego w oczyszczoną wodę i użyteczny produkt uboczny. Poprzez staranne przygotowanie i skalowanie Haematococcus pluvialis badacze wykazali, że mali i średni producenci tortilli mogliby w zasadzie przyjąć relatywnie prosty system oparty na stawach, wpisujący się w model okrągłej bioekonomii. Chociaż niezbędny jest dodatkowy etap dopracowujący, by w pełni spełnić normy odprowadzania, badanie pokazuje solidne, skalowalne podstawy dla bardziej ekologicznej produkcji tortilli, która chroni wody i jednocześnie tworzy wartość z tego, co dawniej było odpadem.

Cytowanie: Najar-Almanzor, C.E., García-Cayuela, T., Gutierrez-Uribe, J. et al. Bioremediation of alkaline corn wastewater with Haematococcus pluvialis under laboratory and 100 L raceway pond conditions. Sci Rep 16, 5340 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-35251-9

Słowa kluczowe: ściek nejayote, bioremediacja przez mikroalgi, Haematococcus pluvialis, okrągła bioekonomia, przetwórstwo kukurydzy