DOI: https://doi.org/10.3389/fenvs.2026.1816065
تاريخ النشر: 2026-05-04
المؤلف: Charith Akalanka Dodangodage وآخرون
الموضوع الرئيسي: بيولوجيا الطحالب وإنتاج الوقود الحيوي
نظرة عامة
تقدم هذه الدراسة عملية حيوية دائرية مبتكرة تحول النفايات الصلبة المشتقة من مصايد الأسماك إلى وسط غني بالمغذيات لزراعة *سبيرولينا sp.* المختلطة التغذية. تتضمن العملية التحلل المائي بحمض الكبريتيك (3% H₂SO₄؛ 1:8، w/v) والمعالجة الحرارية (121 درجة مئوية، 20 دقيقة)، مما يؤدي إلى الحصول على هيدروليز بمطلب كيميائي للأكسجين (COD) قدره 2,897 ± 28 ملغ L⁻¹، نيتروجين النترات (NO₃⁻-N) قدره 284.89 ± 11.04 ملغ L⁻¹، وفوسفور الفوسفات (PO₄³⁻-P) قدره 130.23 ± 0.47 ملغ L⁻¹ عند pH 9.10 ± 0.05. حددت عملية التحسين تركيز هيدروليز بنسبة 75% (v/v) وإشعاع قدره 180 ميكرومول فوتونات م⁻² ث⁻¹ كظروف مثالية، مما حقق أقصى تركيز للكتلة الحيوية قدره 2.10 ± 0.03 غم L⁻¹—زيادة بمقدار 11.1 مرة مقارنة بالتحكم الأوتوتروفي BG-11. كما أظهر النظام أيضًا كفاءات عالية في إزالة المغذيات بنسبة 96.6% لـ NO₃⁻-N و93.2% لـ PO₄³⁻-P.
تسلط الدراسة الضوء على الفوائد المزدوجة لهذا النهج: التنظيف الحيوي الفعال وتحسين جودة الكتلة الحيوية، حيث أظهرت *سبيرولينا* محتوى من C-فيكوسيانين قدره 66.00 ± 0.85 ملغ غم⁻¹ DW (زيادة بمقدار 14.7 مرة) وإنتاجية حجمية قدرها 10.66 ± 0.20 ملغ L⁻¹ يوم⁻¹. بالإضافة إلى ذلك، كانت تراكم الدهون في الكتلة الحيوية المزروعة في الهيدروليز أعلى بكثير (12.25%) مقارنة بالتحكم (5.87%). تشير هذه النتائج إلى أن نفايات الأسماك المعالجة بحمض الكبريتيك ليست فقط وسط نمو بديل قابل للتطبيق ولكن أيضًا ركيزة ذات مزايا أيضية لإنتاج الطحالب الدقيقة ذات القيمة العالية. تدعو الدراسة إلى مزيد من الدراسات حول تباين النفايات المائية من مصايد الأسماك والجدوى الاقتصادية لتوسيع هذه العملية، مما يضع هيدروليز نفايات مصايد الأسماك كمواد خام واعدة لمصافي الطحالب المستدامة.
مقدمة
تتناول مقدمة ورقة البحث التحديات الحرجة للاستدامة في سياق ندرة المياه العالمية، وزيادة الطلب على الغذاء، وإدارة مياه الصرف الغنية بالمغذيات، وخاصة من صناعات مصايد الأسماك ومعالجة المأكولات البحرية. مع توقع وصول عدد السكان العالمي إلى 9.9 مليار بحلول عام 2050، سيزداد الطلب على إنتاج الغذاء بشكل كبير، مما يزيد الضغط على موارد المياه العذبة. تسلط الورقة الضوء على أن معالجة الأسماك تولد كميات كبيرة من مياه الصرف عالية القوة، والتي، إذا لم تعالج بشكل كافٍ، تؤدي إلى مشاكل بيئية مثل الإثراء الغذائي وازدهار الطحالب الضارة، بينما تمثل أيضًا فقدان موارد النيتروجين والفوسفور القيمة.
تركز طرق معالجة مياه الصرف التقليدية بشكل أساسي على إزالة الملوثات بدلاً من استعادة المغذيات، مما يؤدي إلى فقدان دائم لهذه الموارد. تظهر التقنيات الناشئة، مثل المفاعلات الضوئية الغشائية والأنظمة الكهروكيميائية الحيوية، وعدًا لاستعادة المغذيات ولكن تواجه تحديات تتعلق بالتعقيد التشغيلي والجدوى الاقتصادية. تقترح الورقة تحولًا نحو مبادئ الاقتصاد الدائري، مع التركيز على إمكانية الطحالب الدقيقة، وخاصة *سبيرولينا sp.*، لاستيعاب المغذيات من مياه الصرف بينما تنتج مركبات ذات قيمة عالية مثل C-فيكوسيانين. ومع ذلك، فإن الجدوى الاقتصادية لزراعة الطحالب الدقيقة على نطاق واسع تعيقها اختناقات تشغيلية، بما في ذلك ارتفاع تكاليف الحصاد ومخاطر التلوث الميكروبي. تهدف الدراسة إلى استكشاف استخدام نفايات مصايد الأسماك المعالجة بحمض الكبريتيك كوسط زراعة لـ *سبيرولينا*، مفترضة أن هذا النهج يمكن أن يعزز إزالة المغذيات وإنتاج C-فيكوسيانين بينما يثبت بيئة الزراعة.
الطرق
في هذا القسم، يوضح المؤلفون إعداد التجربة وظروف الزراعة المستخدمة في دراستهم. يصفون المعلمات البيئية المحددة، مثل درجة الحرارة والرطوبة والتعرض للضوء، التي تم الحفاظ عليها لتحسين ظروف النمو للكائنات قيد الدراسة. تتضمن المنهجية استخدام غرف نمو محكمة لضمان قابلية التكرار والدقة في النتائج التجريبية.
بالإضافة إلى ذلك، يحدد المؤلفون إعداد وسائط النمو وأي مغذيات أو مكملات محددة تمت إضافتها لدعم عملية الزراعة. كما يذكرون مدة فترة الزراعة وأي بروتوكولات ذات صلة تم اتباعها لمراقبة وتقييم نمو وصحة الكائنات. هذه الطريقة الدقيقة ضرورية لضمان أن تكون النتائج موثوقة ويمكن تكرارها في الدراسات المستقبلية.
المناقشة
في هذه الدراسة، تم جمع نفايات الأسماك من منشأة معالجة الأسماك المعلبة وخضعت للتحلل المائي بحمض الكبريتيك لإنشاء هيدروليز غني بالمغذيات لزراعة الطحالب الدقيقة *سبيرولينا sp.*. تم معالجة النفايات مسبقًا بحمض الكبريتيك بنسبة 3%، مما أدى إلى الحصول على هيدروليز مُصفى بمطلب كيميائي للأكسجين (COD) قدره حوالي 2,897 ملغ L⁻¹ وتركيزات المغذيات قدرها 284.89 ملغ L⁻¹ (NO₃⁻-N) و130.23 ملغ L⁻¹ (PO₄³⁻-P). تم تعديل الهيدروليز إلى pH قدره 9.1 لتحسين الظروف لنمو *سبيرولينا*. كشفت التجارب اللاحقة أن تركيز 75% (v/v) من الهيدروليز عزز بشكل كبير إنتاج الكتلة الحيوية، حيث أنتج 1.88 غم L⁻¹، مقارنة بـ 0.38 غم L⁻¹ في التحكم الاصطناعي BG-11.
عززت الدراسة أيضًا شدة الضوء، حيث تم تحديد 180 ميكرومول فوتونات م⁻² ث⁻¹ كالأكثر فعالية لتراكم الكتلة الحيوية، محققة أقصى تركيز قدره 2.10 غم L⁻¹ تحت الظروف المحسنة. أظهر النظام البيولوجي المتكامل كفاءات إزالة مغذيات متفوقة، حيث تمت إزالة 96.6% من النيتروجين و93.2% من الفوسفور، متفوقًا على التحكم BG-11. بالإضافة إلى ذلك، أسفرت الزراعة المعتمدة على الهيدروليز عن عائد أعلى بكثير من C-فيكوسيانين (C-PC)، حيث وصلت التركيزات إلى 66.00 ملغ غم⁻¹ وزن جاف، مما يشير إلى إمكانية استعادة الموارد والجدوى الاقتصادية في استخدام نفايات الأسماك لزراعة الطحالب الدقيقة. بشكل عام، تؤكد النتائج فعالية التحلل المائي في تحويل نفايات الأسماك إلى وسط نمو قيم لـ *سبيرولينا*، مما يعزز كل من إنتاج الكتلة الحيوية وإزالة المغذيات.
DOI: https://doi.org/10.3389/fenvs.2026.1816065
Publication Date: 2026-05-04
Author(s): Charith Akalanka Dodangodage et al.
Primary Topic: Algal biology and biofuel production
Overview
This research presents an innovative circular bioprocess that transforms fishery-derived solid waste into a nutrient-rich medium for the mixotrophic cultivation of *Spirulina sp.* The process involves sulfuric acid hydrolysis (3% H₂SO₄; 1:8, w/v) and thermal pretreatment (121 °C, 20 min), resulting in a hydrolysate with a chemical oxygen demand (COD) of 2,897 ± 28 mg L⁻¹, nitrate-nitrogen (NO₃⁻-N) of 284.89 ± 11.04 mg L⁻¹, and phosphate-phosphorus (PO₄³⁻-P) of 130.23 ± 0.47 mg L⁻¹ at pH 9.10 ± 0.05. Optimization identified a 75% (v/v) hydrolysate concentration and an irradiance of 180 µmol photons m⁻² s⁻¹ as optimal conditions, achieving a maximum biomass concentration of 2.10 ± 0.03 g L⁻¹—an 11.1-fold increase compared to the autotrophic BG-11 control. The system also demonstrated high nutrient removal efficiencies of 96.6% for NO₃⁻-N and 93.2% for PO₄³⁻-P.
The study highlights the dual benefits of this approach: effective bioremediation and enhanced biomass quality, with *Spirulina* exhibiting a C-phycocyanin content of 66.00 ± 0.85 mg g⁻¹ DW (a 14.7-fold increase) and a volumetric productivity of 10.66 ± 0.20 mg L⁻¹ d⁻¹. Additionally, lipid accumulation in the hydrolysate-grown biomass was significantly higher (12.25%) compared to the control (5.87%). These findings suggest that acid-hydrolyzed fish waste is not only a viable alternative growth medium but also a metabolically advantageous substrate for high-value microalgal production. The research advocates for further studies on the variability of fishery effluents and the economic feasibility of scaling this process, positioning fishery waste hydrolysate as a promising feedstock for sustainable algal biorefineries.
Introduction
The introduction of the research paper addresses critical sustainability challenges in the context of global water scarcity, rising food demand, and the management of nutrient-rich wastewater, particularly from the fisheries and seafood processing industries. With the global population expected to reach 9.9 billion by 2050, the demand for food production will significantly increase, exacerbating the strain on freshwater resources. The paper highlights that fish processing generates substantial volumes of high-strength wastewater, which, if inadequately treated, leads to environmental issues such as eutrophication and harmful algal blooms, while also representing a loss of valuable nitrogen and phosphorus resources.
Conventional wastewater treatment methods focus primarily on pollutant removal rather than nutrient recovery, resulting in the permanent loss of these resources. Emerging technologies, such as membrane photobioreactors and bioelectrochemical systems, show promise for nutrient recovery but face challenges related to operational complexity and economic feasibility. The paper proposes a shift towards circular economy principles, emphasizing the potential of microalgae, particularly Spirulina sp., to assimilate nutrients from wastewater while producing high-value compounds like C-phycocyanin. However, the economic viability of large-scale microalgal cultivation is hindered by operational bottlenecks, including high harvesting costs and microbial contamination risks. The study aims to explore the use of acid-hydrolyzed fishery waste as a cultivation medium for Spirulina, hypothesizing that this approach can enhance nutrient removal and C-phycocyanin production while stabilizing the cultivation environment.
Methods
In this section, the authors detail the experimental setup and cultivation conditions employed in their study. They describe the specific environmental parameters, such as temperature, humidity, and light exposure, that were maintained to optimize growth conditions for the organisms under investigation. The methodology includes the use of controlled growth chambers to ensure reproducibility and accuracy in the experimental results.
Additionally, the authors outline the preparation of growth media and any specific nutrients or supplements added to support the cultivation process. They also mention the duration of the cultivation period and any relevant protocols followed to monitor and assess the growth and health of the organisms. This rigorous approach is crucial for ensuring that the findings are reliable and can be replicated in future studies.
Discussion
In this study, fish waste from a canned fish processing facility was collected and subjected to acid hydrolysis to create a nutrient-rich hydrolysate for cultivating the microalga Spirulina sp. The waste was pre-treated with 3% sulfuric acid, resulting in a clarified hydrolysate with a chemical oxygen demand (COD) of approximately 2,897 mg L⁻¹ and nutrient concentrations of 284.89 mg L⁻¹ (NO₃⁻-N) and 130.23 mg L⁻¹ (PO₄³⁻-P). The hydrolysate was adjusted to a pH of 9.1 to optimize conditions for Spirulina growth. Subsequent experiments revealed that a 75% (v/v) concentration of the hydrolysate significantly enhanced biomass production, yielding 1.88 g L⁻¹, compared to 0.38 g L⁻¹ in the synthetic BG-11 control.
The study further optimized light intensity, identifying 180 μmol photons m⁻² s⁻¹ as the most effective for biomass accumulation, achieving a maximum concentration of 2.10 g L⁻¹ under the optimized conditions. The integrated bioprocess demonstrated superior nutrient removal efficiencies, with 96.6% nitrogen and 93.2% phosphorus removal, outperforming the BG-11 control. Additionally, the hydrolysate-based cultivation resulted in a significantly higher yield of C-phycocyanin (C-PC), with concentrations reaching 66.00 mg g⁻¹ dry weight, indicating the potential for resource recovery and economic viability in utilizing fish waste for microalgal cultivation. Overall, the findings underscore the efficacy of acid hydrolysis in transforming fish waste into a valuable growth medium for Spirulina, promoting both biomass production and nutrient remediation.