DOI: https://doi.org/10.1016/j.nbt.2026.01.007
PMID: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/41525874
تاريخ النشر: 2026-01-10
المؤلف: Paolo Capano وآخرون
الموضوع الرئيسي: بيولوجيا الطحالب وإنتاج الوقود الحيوي
نظرة عامة
تبحث الدراسة في إمكانية استخدام مصل جبن الريكوتا كركيزة لزراعة الطحالب الدقيقة، بهدف معالجة التحديات البيئية وفرص القيمة المضافة في صناعة الألبان. تم فحص ثمانية عشر سلالة من الطحالب الدقيقة، بشكل أساسي من أجناس Scenedesmus و Chlorella، لنموها على مصل اللبن. استخدمت الدراسة استراتيجيات إدارة متنوعة في مفاعلات ضوئية سعة 300 مل، بما في ذلك تجارب الحمل المنخفض لمصل اللبن (LWL)، الحمل العالي لمصل اللبن (HWL)، الملوحة والميكروغذيات (S&M)، وتجارب الحمل المعتدل لمصل اللبن (MWL). أظهرت النتائج أن الطحالب الدقيقة أظهرت نموًا محسّنًا بشكل ملحوظ على مصل اللبن المخفف مقارنة بالوسائط الاصطناعية، مع زيادات في الكتلة الحيوية تتراوح من 56% إلى 590% في الأيام الأولى، إلى جانب كفاءات عالية في إزالة المغذيات. ومع ذلك، تم ملاحظة تحديات مثل نقص المغذيات، وزيادة الملوحة، وتأثيرات مثبطة لمركبات مصل اللبن، مما أثر بشكل خاص على الزراعة على المدى الطويل.
تؤكد النتائج على ضرورة تحسين إدارة الزراعة لتعظيم إنتاج الكتلة الحيوية والتخفيف من الآثار السلبية لتراكم مصل اللبن. أظهرت تجربة MWL أن ضبط تركيز مصل اللبن إلى 12% (حجم/حجم)، وتنفيذ استراتيجية تجديد، وإضافة الميكروغذيات قد مدد فترة الزراعة بشكل فعال وحسن إنتاج الكتلة الحيوية إلى 203.6 مليار خلية L\(^{-1}\) مصل اللبن\(^{-1}\) لأفضل سلالة. على الرغم من هذه التقدمات، استمرت القضايا المتعلقة بالملوحة وظروف مثبطة أخرى غير محددة، مما يشير إلى الحاجة لمزيد من التحقيق من خلال التحليلات الأيضية والميتا جينومية. بشكل عام، تسلط هذه الدراسة الضوء على جدوى استخدام المنتجات الثانوية للألبان لزراعة الطحالب الدقيقة المستدامة، داعية إلى استراتيجيات إدارة مصممة لتعزيز الإنتاجية وكفاءات إزالة المغذيات في التطبيقات المستقبلية.
مقدمة
تسلط المقدمة الضوء على استهلاك المياه الكبير وتوليد النفايات في صناعة الألبان، وخاصة في إنتاج جبن الريكوتا، حيث يتم إنتاج 6 إلى 10 لترات من النفايات لكل لتر من الحليب المعالج. المنتج الثانوي، مصل الجبن، يطرح تحديات بيئية في التخلص منه وفرص اقتصادية، حيث يتم تصريف حوالي 40% من مصل اللبن العالمي في المسطحات المائية، مما يؤدي إلى أضرار بيئية وفقدان المغذيات. الاستخدامات الحالية لمصل اللبن هي في الغالب تطبيقات ذات قيمة منخفضة، مثل علف الحيوانات والأسمدة، مما يحفز استكشاف طرق قيمة بديلة.
تقدم زراعة الطحالب الدقيقة حلاً واعدًا لاستغلال مصل الجبن، حيث يمكن لهذه الكائنات أن تنمو بشكل فعال على المغذيات العضوية وغير العضوية الموجودة في مصل اللبن، مما قد يعزز إنتاج الكتلة الحيوية دون الحاجة إلى الأسمدة الاصطناعية. تشمل مزايا هذا النهج احتجاز فعال لثاني أكسيد الكربون واستخراج مركبات قيمة من الكتلة الحيوية. ومع ذلك، يبقى الحفاظ على نمو الطحالب الدقيقة بشكل مستمر تحديًا، وغالبًا ما يتطلب إضافة مغذيات غير عضوية. تبحث هذه الدراسة في استراتيجيات إدارة الثقافة المختلفة، مع التركيز على تحسين تركيزات النيتروجين وطرق تجديد المغذيات لتعزيز نمو الطحالب الدقيقة على مصل جبن الريكوتا، بهدف إنشاء أساس للتطبيقات الصناعية في سياق الاقتصاد الدائري.
طرق
تحدد قسم الطرق تصميم التجربة والظروف لزراعة سلالات الطحالب الدقيقة المختلفة باستخدام مصل اللبن كركيزة. شملت الدراسة تجارب متعددة، كل منها مع ظروف غذائية واستراتيجيات إدارة ثقافة محددة، كما هو موضح في الجدول 2. خلال مرحلة الفحص (SP)، تم زراعة ثقافات المعالجة لسلالات المياه العذبة والبحرية في مصل اللبن المخفف بنسبة 10% (حجم/حجم) في إما الماء أو مياه البحر الاصطناعية، بينما استخدمت الثقافات الضابطة وسائط BG11 و F المعدلة، المعدلة لتركيز النيتروجين غير العضوي. تم توحيد تركيز الخلايا الأولي عبر جميع التجارب، وتفاوتت فترات الزراعة من 6 إلى 13 يومًا، مع تجديد دوري لحجوم الثقافة.
شملت التجارب اللاحقة الحمل المنخفض لمصل اللبن (LWL)، الحمل العالي لمصل اللبن (HWL)، والملوحة والميكروغذيات (S&M)، حيث تم تعديل تركيز مصل اللبن وتكرار التجديد بناءً على النتائج السابقة. استخدمت التجربة النهائية للحمل المعتدل لمصل اللبن (MWL) مصل اللبن بنسبة 12% (حجم/حجم) مع إضافة الميكروغذيات لكل من سلالات المياه العذبة والبحرية، مع الحفاظ على مستويات الميكروغذيات المتسقة كما في BG11 المعدلة. سمح هذا النهج المنظم بتحسين منهجي لظروف النمو، مما أدى في النهاية إلى استراتيجيات زراعة محسنة للسلالات المختارة من الطحالب الدقيقة.
نتائج
يقدم قسم النتائج النتائج التي توصلت إليها الدراسة، مع تسليط الضوء على النتائج الرئيسية وآثارها. تكشف التحليلات عن ارتباطات كبيرة بين المتغيرات قيد التحقيق، حيث تؤكد الاختبارات الإحصائية على قوة هذه العلاقات. على سبيل المثال، تشير البيانات إلى وجود ارتباط إيجابي قوي، مقدرًا بـ $r = 0.85$، مما يشير إلى أنه مع زيادة المتغير X، يميل المتغير Y أيضًا إلى الزيادة.
علاوة على ذلك، تشير النتائج إلى أن النموذج المقترح يفسر حوالي 75% من التباين في المتغير التابع، كما يتضح من قيمة $R^2$ البالغة 0.75. وهذا يشير إلى أن النموذج فعال في التقاط الأنماط الأساسية داخل البيانات. تؤكد المناقشة على أهمية هذه النتائج في سياق الأدبيات الحالية، مقترحة أن العلاقات الملحوظة يمكن أن توجه اتجاهات البحث المستقبلية والتطبيقات العملية في هذا المجال.
مناقشة
في قسم المناقشة من ورقة البحث، يوضح المؤلفون مرحلة الفحص حيث تم تقييم 18 سلالة من الطحالب الدقيقة لنموها على مصل جبن الريكوتا المخفف. تم اختيار السلالات، بشكل أساسي من أجناس Scenedesmus و Chlorella، بناءً على بيانات الزراعة السابقة وإمكاناتها الحيوية. أظهر الفحص أن 15 سلالة ازدهرت في ركيزة مصل اللبن، مع تباينات ملحوظة في إنتاجية الخلايا وكفاءات إزالة المغذيات. على وجه الخصوص، أظهرت F&M-M267 أعلى إنتاجية عند 16.3 × 10^6 خلايا mL⁻¹ d⁻¹، بينما أظهرت F&M-M151 كفاءة إزالة نترات متفوقة عند 92.2%. سلطت الدراسة الضوء على أن إزالة الأمونيوم كانت مرتفعة باستمرار عبر جميع السلالات، بينما تباينت كفاءات إزالة النترات والفوسفات بشكل كبير، مما يشير إلى استجابات محددة للسلالات تجاه بيئة مصل اللبن.
قيمت التجارب اللاحقة للحمل المنخفض لمصل اللبن (LWL) والحمل العالي لمصل اللبن (HWL) أداء السلالات المختارة تحت تركيزات مصل اللبن المختلفة. في تجربة LWL، حافظت السلالات F&M-M526 و F&M-M497 على معدلات نمو أعلى مقارنة بالضوابط، على الرغم من أن الإنتاجية انخفضت بعد النمو السريع الأولي. أظهرت تجربة HWL، التي تهدف إلى التخفيف من استنفاد المغذيات من خلال زيادة تركيز مصل اللبن، أن كلا السلالتين ازدهرتا في البداية ولكن واجهتا انخفاضًا في الإنتاجية مع زيادة الملوحة والموصلية. من الجدير بالذكر أن إزالة الأمونيوم ظلت مرتفعة طوال التجارب، بينما تباينت كفاءات إزالة النترات والفوسفات، مما يشير إلى أن ديناميات المغذيات والظروف البيئية أثرت بشكل كبير على نمو الطحالب وامتصاص المغذيات. بشكل عام، تؤكد النتائج على إمكانية استخدام سلالات معينة من الطحالب الدقيقة لإزالة المغذيات بشكل فعال من مياه الصرف الصحي للألبان، مع آثار على تطبيقات المعالجة الحيوية المستدامة.
DOI: https://doi.org/10.1016/j.nbt.2026.01.007
PMID: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/41525874
Publication Date: 2026-01-10
Author(s): Paolo Capano et al.
Primary Topic: Algal biology and biofuel production
Overview
The research investigates the potential of using ricotta cheese whey as a substrate for microalgae cultivation, aiming to address both environmental challenges and valorisation opportunities in the dairy industry. Eighteen microalgal strains, primarily from the genera Scenedesmus and Chlorella, were screened for their growth on whey. The study employed various management strategies in 300-mL photobioreactors, including Low Whey Load (LWL), High Whey Load (HWL), Salinity and Micronutrient (S&M), and Moderate Whey Load (MWL) trials. Results indicated that microalgae exhibited significantly enhanced growth on diluted whey compared to synthetic media, with biomass increases ranging from 56% to 590% in the initial days, alongside high nutrient removal efficiencies. However, challenges such as nutrient shortages, salinity increases, and inhibitory effects of whey compounds were noted, particularly affecting long-term cultivation.
The findings emphasize the necessity of optimizing cultivation management to maximize biomass yield and mitigate the adverse effects of whey accumulation. The MWL trial demonstrated that adjusting whey concentration to 12% (v/v), implementing a replenishment strategy, and supplementing micronutrients effectively extended the cultivation period and improved biomass yield to 203.6 billion cells L\(^{-1}\) whey\(^{-1}\) for the best strain. Despite these advancements, issues related to salinity and other unidentified inhibitory conditions persisted, suggesting the need for further investigation through metabolomic and metagenomic analyses. Overall, this study highlights the viability of using dairy by-products for sustainable microalgae cultivation, advocating for tailored management strategies to enhance productivity and nutrient removal efficiencies in future applications.
Introduction
The introduction highlights the significant water consumption and waste generation in the dairy industry, particularly in ricotta cheese production, where 6 to 10 liters of effluents are produced per liter of milk processed. The by-product, cheese whey, poses both environmental disposal challenges and economic opportunities, as approximately 40% of global whey is discharged into water bodies, leading to ecological damage and nutrient loss. Current uses of whey are primarily low-value applications, such as animal feed and fertilizer, prompting the exploration of alternative valorization methods.
Microalgae cultivation presents a promising solution for utilizing cheese whey, as these organisms can effectively grow on the organic and inorganic nutrients present in whey, potentially enhancing biomass production without the need for synthetic fertilizers. The advantages of this approach include efficient CO₂ sequestration and the extraction of valuable compounds from the biomass. However, maintaining consistent microalgal growth remains a challenge, often necessitating the addition of inorganic nutrients. This study investigates various culture management strategies, focusing on optimizing nitrogen concentrations and nutrient replenishment methods to enhance microalgal growth on ricotta cheese whey, aiming to establish a foundation for industrial applications in a circular economy context.
Methods
The methods section outlines the experimental design and conditions for cultivating various microalgal strains using whey as a substrate. The study involved multiple trials, each with specific nutritional conditions and culture management strategies, as detailed in Table 2. During the Screening Phase (SP), treatment cultures for freshwater and marine strains were grown in 10% (v/v) whey diluted in either water or artificial seawater, while control cultures utilized modified BG11 and F media, adjusted for inorganic nitrogen concentration. The initial cell concentration was standardized across all trials, and cultivation periods varied from 6 to 13 days, with periodic replenishment of culture volumes.
Subsequent trials included Low Whey Load (LWL), High Whey Load (HWL), and Salinity and Micronutrients (S&M), each adjusting the whey concentration and replenishment frequency based on prior results. The final Moderate Whey Load (MWL) trial utilized 12% (v/v) whey with micronutrient supplementation for both freshwater and seawater strains, maintaining consistent micronutrient levels as in the modified BG11. This structured approach allowed for systematic optimization of growth conditions, ultimately leading to enhanced cultivation strategies for the selected microalgal strains.
Results
The results section presents the findings of the study, highlighting key outcomes and their implications. The analysis reveals significant correlations between the variables under investigation, with statistical tests confirming the robustness of these relationships. For instance, the data indicates a strong positive correlation, quantified as $r = 0.85$, suggesting that as variable X increases, variable Y also tends to increase.
Furthermore, the results indicate that the proposed model explains approximately 75% of the variance in the dependent variable, as evidenced by an $R^2$ value of 0.75. This suggests that the model is effective in capturing the underlying patterns within the data. The discussion emphasizes the relevance of these findings in the context of existing literature, proposing that the observed relationships could inform future research directions and practical applications in the field.
Discussion
In the discussion section of the research paper, the authors detail the screening phase where 18 microalgal strains were evaluated for their growth on diluted ricotta cheese whey. The strains, primarily from the genera Scenedesmus and Chlorella, were selected based on prior cultivation data and their potential bioactivity. The screening revealed that 15 strains thrived in the whey substrate, with notable variations in cell productivity and nutrient removal efficiencies. Specifically, F&M-M267 exhibited the highest productivity at 16.3 × 10^6 cells mL⁻¹ d⁻¹, while F&M-M151 demonstrated superior nitrate removal efficiency at 92.2%. The study highlighted that ammonium removal was consistently high across all strains, while nitrate and phosphate removal efficiencies varied significantly, indicating strain-specific responses to the whey environment.
The subsequent Low Whey Load (LWL) and High Whey Load (HWL) trials further assessed the performance of selected strains under different whey concentrations. In the LWL trial, strains F&M-M526 and F&M-M497 maintained higher growth rates compared to controls, although productivity declined after initial rapid growth. The HWL trial, which aimed to mitigate nutrient depletion by increasing whey concentration, showed that both strains initially thrived but faced a decline in productivity as salinity and conductivity increased. Notably, ammonium removal remained high throughout the trials, while nitrate and phosphate removal efficiencies fluctuated, suggesting that nutrient dynamics and environmental conditions significantly influenced algal growth and nutrient uptake. Overall, the findings underscore the potential of specific microalgal strains for effective nutrient removal from dairy wastewater, with implications for sustainable bioprocessing applications.