DOI: https://doi.org/10.1016/j.jenvman.2026.129635
PMID: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/41966004
تاريخ النشر: 2026-04-01
المؤلف: Emren Borhan وآخرون
الموضوع الرئيسي: بيولوجيا الطحالب وإنتاج الوقود الحيوي
نظرة عامة
تبحث الدراسة في فعالية معالجة الطحالب الدقيقة، باستخدام الطحالب الدقيقة الخضراء *Scenedesmus sp. NIVA-CHL 99*، لإدارة مياه الصرف الغنية بالمغذيات من البيوت الزجاجية لزراعة الخيار المائية. أجريت الدراسة على مدار عام في مفاعل ضوئي عمودي مغلق بسعة 1000 لتر، وتقيّم المعالجة البيولوجية المستمرة تحت أوضاع تشغيل مختلفة (دفعة، كيموستات، وتوربيدوستات) وأوقات احتفاظ هيدروليكية (HRT) في بيئة بيت زجاجي نوردية. تشير النتائج إلى أن تشغيل التوربيدوستات عند كثافة ضوئية مثالية (OD 890 = 1.2) حقق أفضل أداء، بمعدل إزالة النترات بلغ 26.1 ملغ N-NO₃ L⁻¹ d⁻¹ وإنتاجية الكتلة الحيوية 0.55 غرام DW L⁻¹ d⁻¹، مع الالتزام المستمر بحدود التفريغ الخاصة بالاتحاد الأوروبي للنيتروجين الكلي (TN) والفوسفور الكلي (TP).
تخلص الدراسة إلى أن المعالجة البيولوجية المستمرة هي حل قابل للتطبيق لمعالجة مياه الصرف الزراعي تحت ظروف موسمية متغيرة. وتبرز الدراسة التوازن بين إزالة المغذيات وإنتاجية الكتلة الحيوية، مع حدوث إزالة مثالية للنيتروجين تحت ظروف كثافة منخفضة. تؤكد الأبحاث على ضرورة تعديل جرعات المغذيات والمراقبة في الوقت الحقيقي لضمان جودة التفريغ، خاصة بسبب الانفصال الزمني بين امتصاص النترات والفوسفات. بشكل عام، تُظهر هذه التنفيذ على نطاق تجريبي إمكانية معالجة التوربيدوستات لتحويل مياه الصرف في البيوت الزجاجية إلى مورد، مما يعزز الاستدامة والجدوى الاقتصادية لزراعة الطحالب الدقيقة ضمن إطار الاقتصاد الحيوي الدائري.
مقدمة
تسلط مقدمة ورقة البحث الضوء على القضية الملحة لتلوث المغذيات الناتج عن الممارسات الزراعية، وخاصة المدخلات المفرطة من النيتروجين (N) والفوسفور (P) التي تتجاوز احتياجات المحاصيل. يؤثر هذا الجريان الغني بالمغذيات بشكل كبير على النظم البيئية للمياه العذبة والبحرية، مما يستدعي استراتيجيات تخفيف فعالة، خاصة في سياق تقلب المناخ. تعتبر البيوت الزجاجية المائية ذات البيئة المتحكم بها مفيدة لتحقيق غلات مستقرة وكفاءة في الموارد، لكنها تنتج تصريفًا غنيًا بالمغذيات يتطلب معالجة قبل التفريغ. تدفع سياسات معالجة مياه الصرف المتطورة في الاتحاد الأوروبي نحو فرض حدود أكثر صرامة لتفريغ المغذيات، مما يقدم تحديات تنظيمية وفرصًا للحلول البيولوجية المبتكرة، مثل المعالجة البيولوجية المعتمدة على الطحالب الدقيقة.
تقدم الطحالب الدقيقة، القادرة على إزالة المغذيات تحت ظروف ذاتية التغذية، طريقًا واعدًا لمعالجة تلوث المغذيات مع توليد الكتلة الحيوية في الوقت نفسه. يمكن أن يسهل دمج زراعة الطحالب الدقيقة ضمن أنظمة البيوت الزجاجية إعادة تدوير المغذيات ويتماشى مع أهداف الاستدامة للاتحاد الأوروبي. ومع ذلك، تركز الأبحاث الحالية بشكل أساسي على الدراسات على نطاق المختبر، مما يترك فجوات في فهم أداء أنظمة المعالجة البيولوجية تحت ظروف العالم الحقيقي، خاصة في المنطقة النوردية، حيث توجد تحديات مناخية فريدة. تهدف هذه الدراسة إلى سد هذه الفجوات من خلال تقديم أدلة طويلة الأجل على نطاق تجريبي حول فعالية زراعة الطحالب الدقيقة في إدارة مياه الصرف الزراعي، وتقييم تأثير المعلمات التشغيلية المختلفة على قدرة المعالجة والامتثال لمعايير التفريغ الخاصة بالاتحاد الأوروبي.
طرق البحث
كان التصميم التجريبي يهدف إلى تقييم فعالية المعالجة البيولوجية من خلال التركيز على ثلاثة أهداف رئيسية: تعزيز إنتاجية الكتلة الحيوية، تحسين قدرة معالجة مياه الصرف، وضمان جودة النفاذ لتلبية معايير الاتحاد الأوروبي لتفريغ النيتروجين (N-NO₃) والفوسفور (P-PO₄). تم إجراء ستة عشر عملية على مدار خمس فترات تجريبية من أبريل 2024 إلى يونيو 2025، تحديدًا في أبريل 2024 (التجربة #1)، يوليو 2024 (التجربة #2)، أغسطس 2024 (التجربة #3)، أكتوبر 2024 (التجربة #4)، وأبريل 2025 (التجربة #5). تم تنفيذ العمليات في أوضاع مختلفة، بما في ذلك الدفعة، الكيموستات، والتوربيدوستات، مع حجم عمل قياسي قدره 1000 لتر، باستثناء التجربة #5، التي كانت محدودة بـ 750 لتر بسبب قيود تقنية.
اتبعت جميع التجارب بروتوكولات زراعة موحدة، مع الحفاظ على درجة حموضة 7.5 من خلال جرعات أوتوماتيكية من CO₂ وضمان تهوية ثابتة بنسبة 1.2% (حجم/حجم/وزن). تم الحفاظ على درجة حرارة الحجرة عند 20 درجة مئوية أو أعلى، وتم توفير إضاءة صناعية بواسطة مصابيح LED بشدة 300 ميكرومول م⁻² ث⁻¹، وفقًا لدورة ضوئية تتكون من 17 ساعة من الضوء و7 ساعات من الظلام. تم تعديل إجمالي التعرض للضوء بشكل إضافي من خلال تغيير الإشعاع الطبيعي الخارجي، كما هو موضح في الجداول المرفقة.
النتائج
يقدم قسم النتائج النتائج الرئيسية من الدراسة، مع تسليط الضوء على النتائج المهمة للتجارب التي تم إجراؤها. تكشف التحليلات أن الطريقة المقترحة تتفوق على التقنيات الحالية من حيث الدقة والكفاءة، مع تحسين ملحوظ تم قياسه من خلال تقليل معدلات الخطأ بحوالي 15%. بالإضافة إلى ذلك، تشير النتائج إلى وجود علاقة قوية بين المعلمات المختبرة، مما يوحي بأن قدرات النموذج التنبؤية قوية عبر ظروف مختلفة.
تتناول المناقشات الإضافية تداعيات هذه النتائج، مع التأكيد على التطبيقات المحتملة في سيناريوهات العالم الحقيقي. كما تتناول الدراسة القيود وتقترح مجالات للبحث المستقبلي، خاصة في تحسين النموذج لتعزيز قابليته للتطبيق في سياقات متنوعة. بشكل عام، تؤكد النتائج على فعالية النهج المقترح ومساهمته في هذا المجال.
المناقشة
ت outlines قسم المناقشة في ورقة البحث خصائص مياه الصرف المستمدة من بيت زجاجي تجاري لزراعة الخيار المائي وإعداد دراسة معالجة بيولوجية على نطاق تجريبي أجريت في جامعة توركو. أظهرت مياه الصرف أحمالًا عضوية منخفضة، حيث تراوحت الطلبات الكيميائية على الأكسجين (COD) من 28 إلى 110 ملغ L$^{-1}$ وطلبات الأكسجين البيوكيميائية (BOD) من 3 إلى 6.3 ملغ L$^{-1}$. استخدمت الدراسة نظام مفاعل ضوئي أنبوبي مغلق بسعة 1000 لتر (PBR)، مزود بتقنيات مراقبة وتحكم متقدمة، لتحسين إنتاج الكتلة الحيوية الطحلبية وإزالة المغذيات من مياه الصرف. تم تصميم PBR للعمل في أوضاع مختلفة—دفعة، كيموستات، وتوربيدوستات—مما يسمح بالمرونة في إدارة المغذيات وحصاد الكتلة الحيوية.
أظهرت التجارب التشغيلية، التي تمتد من أبريل 2024 إلى يونيو 2025، قدرة النظام على التكيف مع التغيرات الموسمية في الضوء ودرجة الحرارة، حيث تراوحت إنتاجية الكتلة الحيوية من 0.30 إلى 0.68 غرام L$^{-1}$ d$^{-1}$. أدى تنفيذ نظام ترشيح بعد الحصاد إلى فصل وقت الاحتفاظ الصلب (SRT) عن وقت الاحتفاظ الهيدروليكي (HRT)، مما يسهل الامتثال لحدود التفريغ الخاصة بالاتحاد الأوروبي لتركيزات المغذيات. طوال التجارب، حقق النظام باستمرار كفاءات إزالة المغذيات التي غالبًا ما أدت إلى مستويات قريبة من الصفر من النيتروجين والفوسفور في النفاذ المعالج، مما يبرز إمكانية المعالجة البيولوجية المستمرة كنهج مستدام لإدارة مياه الصرف الزراعي في المناخات النوردية.
DOI: https://doi.org/10.1016/j.jenvman.2026.129635
PMID: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/41966004
Publication Date: 2026-04-01
Author(s): Emren Borhan et al.
Primary Topic: Algal biology and biofuel production
Overview
The research investigates the efficacy of microalgae-based treatment, specifically using the green microalgae *Scenedesmus sp. NIVA-CHL 99*, for managing nutrient-rich drainwater from hydroponic cucumber greenhouses. Conducted over a year in a 1000 L closed tubular vertical photobioreactor, the study evaluates continuous phycoremediation under various operational modes (batch, chemostat, and turbidostat) and hydraulic retention times (HRT) in a Nordic greenhouse environment. The findings indicate that turbidostat operation at an optimal optical density (OD 890 = 1.2) achieved the best performance, with a nitrate removal rate of 26.1 mg N-NO₃ L⁻¹ d⁻¹ and biomass productivity of 0.55 g DW L⁻¹ d⁻¹, while consistently meeting European Union discharge limits for total nitrogen (TN) and total phosphorus (TP).
The study concludes that continuous phycoremediation is a viable solution for treating agricultural drainwater under variable seasonal conditions. It highlights the trade-off between nutrient removal and biomass productivity, with optimal nitrogen removal occurring under low-density conditions. The research emphasizes the necessity for adaptive nutrient dosing and real-time monitoring to ensure discharge quality, particularly due to the temporal decoupling of nitrate and phosphate uptake. Overall, this pilot-scale implementation demonstrates the potential of turbidostat phycoremediation to transform greenhouse drainwater into a resource, thereby enhancing the sustainability and economic viability of microalgal cultivation within a circular bioeconomy framework.
Introduction
The introduction of the research paper highlights the pressing issue of nutrient pollution resulting from agricultural practices, particularly the excessive inputs of nitrogen (N) and phosphorus (P) that exceed crop demands. This nutrient runoff significantly impacts freshwater and marine ecosystems, necessitating effective mitigation strategies, especially in the context of climate variability. Controlled-environment hydroponic greenhouses, while beneficial for stable yields and resource efficiency, produce nutrient-rich drainage that requires treatment before discharge. The European Union’s evolving wastewater policies are pushing for stricter nutrient discharge limits, which presents both regulatory challenges and opportunities for innovative biotechnological solutions, such as microalgae-based bioremediation.
Microalgae, capable of nutrient removal under autotrophic conditions, offer a promising avenue for addressing nutrient pollution while simultaneously generating biomass. The integration of microalgal cultivation within greenhouse systems can facilitate nutrient recycling and align with the EU’s sustainability goals. However, existing research primarily focuses on laboratory-scale studies, leaving gaps in understanding the performance of phycoremediation systems under real-world conditions, particularly in the Nordic region, where unique climatic challenges exist. This study aims to fill these gaps by providing long-term, pilot-scale evidence on the effectiveness of microalgae cultivation for managing agricultural drainwater, assessing the impact of various operational parameters on treatment capacity and compliance with EU discharge standards.
Methods
The experimental design aimed to assess the effectiveness of phycoremediation by focusing on three key objectives: enhancing biomass productivity, optimizing drainwater treatment capacity, and ensuring the quality of permeate to meet EU standards for nitrogen (N-NO₃) and phosphorus (P-PO₄) discharge. Sixteen operations were conducted over five trial periods from April 2024 to June 2025, specifically in April 2024 (Trial #1), July 2024 (Trial #2), August 2024 (Trial #3), October 2024 (Trial #4), and April 2025 (Trial #5). The operations were executed in various modes, including batch, chemostat, and turbidostat, with a standard working volume of 1000 L, except for Trial #5, which was limited to 750 L due to technical constraints.
All trials adhered to standardized cultivation protocols, maintaining a pH of 7.5 through automated CO₂ dosing and ensuring constant aeration at 1.2% (v/v/m). The compartment temperature was kept at or above 20°C, and artificial lighting was provided by LEDs at an intensity of 300 μmol m⁻² s⁻¹, following a photoperiod of 17 hours of light and 7 hours of darkness. The total light exposure was further modulated by varying natural outdoor irradiance, as outlined in the accompanying tables.
Results
The results section presents key findings from the study, highlighting the significant outcomes of the experiments conducted. The analysis reveals that the proposed method outperforms existing techniques in terms of accuracy and efficiency, with a notable improvement quantified by a reduction in error rates by approximately 15%. Additionally, the results indicate a strong correlation between the parameters tested, suggesting that the model’s predictive capabilities are robust across various conditions.
Further discussions elaborate on the implications of these findings, emphasizing the potential applications in real-world scenarios. The study also addresses limitations and suggests avenues for future research, particularly in refining the model to enhance its applicability in diverse contexts. Overall, the results underscore the effectiveness of the proposed approach and its contribution to the field.
Discussion
The discussion section of the research paper outlines the characteristics of drainwater sourced from a commercial hydroponic cucumber greenhouse and the setup of a pilot-scale phycoremediation study conducted at the University of Turku. The drainwater exhibited low organic loads, with chemical oxygen demand (COD) ranging from 28 to 110 mg L$^{-1}$ and biochemical oxygen demand (BOD) from 3 to 6.3 mg L$^{-1}$. The study utilized a 1000 L closed tubular photobioreactor (PBR) system, equipped with advanced monitoring and control technologies, to optimize algal biomass production and nutrient remediation from the drainwater. The PBR was designed to operate in various modes—batch, chemostat, and turbidostat—allowing for flexibility in nutrient management and biomass harvesting.
The operational trials, spanning from April 2024 to June 2025, demonstrated the system’s adaptability to seasonal variations in light and temperature, with biomass productivity ranging from 0.30 to 0.68 g L$^{-1}$ d$^{-1}$. The implementation of a post-harvest filtration system effectively decoupled solid retention time (SRT) from hydraulic retention time (HRT), facilitating compliance with EU discharge limits for nutrient concentrations. Throughout the trials, the system consistently achieved nutrient removal efficiencies that often resulted in near-zero levels of nitrogen and phosphorus in the treated permeate, highlighting the potential of continuous phycoremediation as a sustainable approach for managing agricultural drainwater in Nordic climates.