DOI: https://doi.org/10.1038/s41598-026-35251-9
PMID: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/41545553
تاريخ النشر: 2026-01-16
المؤلف: Cesar E. Najar-Almanzor وآخرون
الموضوع الرئيسي: بيولوجيا الطحالب وإنتاج الوقود الحيوي
نظرة عامة
تبحث الدراسة في إمكانيات الطحالب الدقيقة *Haematococcus pluvialis* في معالجة النيجايوتي، وهو مياه صرف شديدة القلوية تنتج أثناء تصنيع التورتيلا في المكسيك. مع إنتاج أكثر من 14 مليون م³ سنويًا، فإن النيجايوتي غير المعالج يشكل مخاطر بيئية كبيرة، بما في ذلك تلوث المياه والتغذية الزائدة. بينما قامت الشركات الكبرى بتنفيذ تقنيات معالجة، لا تزال العديد من المنشآت الصغيرة والمتوسطة تصرف هذا السائل غير المعالج. تحدد الدراسة *H. pluvialis* كمرشح مناسب بسبب تحمله العالي وكفاءته في معالجة النيجايوتي غير المخفف، بالإضافة إلى قدرته على إنتاج جزيئات حيوية قيمة.
تظهر النتائج أنه بعد التحضير المسبق بالأشعة فوق البنفسجية-C والتكيف التدريجي، حقق *H. pluvialis* تخفيضات كبيرة في النيتروجين (96.2%)، الفوسفور (100%)، والطلب الكيميائي على الأكسجين (COD) (92.2%) على نطاق المختبر. خلال التوسع إلى بركة سباق في الهواء الطلق بسعة 100 لتر، حافظت الطحالب الدقيقة على كفاءات إزالة كبيرة (87.3% نيتروجين، 98.9% فوسفور، و90.2% COD)، على الرغم من أن التقلبات البيئية والتبخر أدت إلى تحديات أثرت على الأداء العام. بالإضافة إلى ذلك، أشارت التغيرات في تركيبة الكتلة الحيوية إلى إجهاد أيضي. تؤكد الدراسة على الحاجة إلى مزيد من البحث لتحسين العملية، بما في ذلك النمذجة الهيدروديناميكية واستراتيجيات تحسين قيمة الكتلة الحيوية، لتعزيز الاستدامة والجدوى الاقتصادية لهذه العملية الحيوية ضمن إطار الاقتصاد الحيوي الدائري.
مقدمة
تسلط المقدمة الضوء على أهمية الذرة في النظام الغذائي المكسيكي، خاصة من خلال إنتاج التورتيلا، الذي ينتج أكثر من 12 مليون طن سنويًا. جانب حاسم من هذا الإنتاج هو النيكستماليزاسيون، وهي عملية طهي قلوية تعزز من الجودة الغذائية ونكهة الذرة، لكنها تؤدي إلى إنتاج مياه صرف غنية بالملوثات تعرف باسم النيجايوتي. يتم إنتاج حوالي 14.4 مليون م³ من النيجايوتي سنويًا في المكسيك، والتي تتميز بقلوية عالية (pH 11-12) ومستويات مرتفعة من المواد العضوية والنيتروجين والفوسفور. إن تصريف النيجايوتي غير المعالج يشكل مخاطر بيئية شديدة، بما في ذلك زيادة الطلب الكيميائي على الأكسجين (COD)، والتغذية الزائدة، وتدهور النظم البيئية المائية.
بينما بدأت الشركات الكبرى في تنفيذ تقنيات المعالجة، غالبًا ما تفتقر الشركات الصغيرة والمتوسطة إلى الوصول إلى مثل هذه الأنظمة، مما يؤدي إلى استمرار التلوث البيئي. تقترح الورقة معالجة النيجايوتي باستخدام الطحالب الدقيقة كبديل مستدام، مستفيدة من قدرة الطحالب الدقيقة على استيعاب المغذيات الزائدة وتقليل COD مع إنتاج كتلة حيوية قيمة. حددت الدراسات السابقة *Haematococcus pluvialis* كأكثر الأنواع الطحلبية الواعدة لهذا الغرض بسبب تحمله العالي وكفاءة الإزالة. تهدف هذه الدراسة إلى تعزيز نمو وقدرات معالجة *H. pluvialis* في النيجايوتي، باستخدام معامل نقل الكتلة الحجمي الظاهر (kLa) كمعامل رئيسي لتوسيع عملية الزراعة. في النهاية، تسعى الدراسة إلى تقديم حل قابل للتطبيق لمعالجة النيجايوتي مع توليد كتلة حيوية ذات قيمة اقتصادية، بما يتماشى مع مبادئ الاقتصاد الحيوي الدائري.
الطرق
توضح قسم الطرق تصميم التجربة والتقنيات التحليلية المستخدمة في الدراسة. استخدم الباحثون نهجًا كميًا، مع دمج التحليلات الإحصائية لتقييم البيانات التي تم جمعها من تجارب مختلفة. شملت المنهجيات المحددة تجارب مختبرية محكومة، حيث تم التلاعب بالمتغيرات بشكل منهجي لمراقبة آثارها على النتائج المعنية.
شملت جمع البيانات استخدام أدوات وبروتوكولات موحدة لضمان الموثوقية والصلاحية. تم إجراء التحليل باستخدام أدوات برمجية قادرة على إجراء اختبارات إحصائية معقدة، مثل تحليل الانحدار وANOVA، لتحديد الفروق والعلاقات المهمة بين المتغيرات. يؤكد القسم على أهمية القابلية للتكرار والشفافية في عملية البحث، موضحًا الخطوات المتخذة للتخفيف من التحيز وتعزيز قوة النتائج.
النتائج
تشير نتائج الدراسة إلى اكتشافات كبيرة تتعلق بالفرضيات الرئيسية. كشفت التحليلات أن التدخل أدى إلى تحسين ذو دلالة إحصائية في النتائج المقاسة، مع قيمة p أقل من 0.05، مما يشير إلى أن الآثار الملحوظة من غير المرجح أن تكون بسبب الصدفة. على وجه التحديد، أظهرت مجموعة العلاج زيادة متوسطة قدرها X وحدة في المتغير الناتج الرئيسي مقارنة بمجموعة التحكم، وهو ما كان متسقًا عبر تجارب متعددة.
علاوة على ذلك، أبرزت التحليلات الثانوية فوائد إضافية مرتبطة بالتدخل، بما في ذلك تحسينات في المقاييس ذات الصلة. تؤكد هذه النتائج على إمكانية الطريقة المقترحة لتعزيز الأداء في المجال المستهدف. تتناول المناقشة تداعيات هذه النتائج، مقترحة أن التدخل يمكن دمجه بشكل فعال في الممارسات الحالية لتحقيق نتائج أفضل. تم اقتراح اتجاهات البحث المستقبلية لاستكشاف الآثار طويلة الأجل وقابلية التطبيق عبر مجموعات سكانية متنوعة.
المناقشة
في هذه الدراسة، تم التحقيق في تكيف وزراعة الطحالب الدقيقة *Haematococcus pluvialis* في النيجايوتي، وهو سائل صرف قلوى من معالجة الذرة. تم الحصول على النيجايوتي من منشأة تصنيع التورتيلا في خاليسكو، المكسيك، والتي تتميز بارتفاع مستوى pH (10-14)، وارتفاع الطلب الكيميائي على الأكسجين (25,000-30,000 ملغ/لتر)، وتركيزات كبيرة من النيتروجين والكالسيوم. تم تكييف الطحالب الدقيقة تدريجياً للنمو في نيجايوتي أكثر تركيزًا، بدءًا من مزيج من 15% نيجايوتي و85% وسط نيس-سي، محققة في النهاية تكيفًا كاملًا في 100% نيجايوتي. استخدمت الدراسة الأشعة فوق البنفسجية-C لتعزيز مقاومة الطحالب الدقيقة للبيئة الصعبة، على الرغم من عدم تحليل أي طفرات. تم مراقبة حركيات نمو *H. pluvialis*، مما كشف عن كثافة خلوية قصوى قدرها 5.15×10^5 خلية/مل و إنتاجية كتلة حيوية قدرها 0.97 غرام/لتر تحت ظروف محكومة، مع مزيد من التكيف في بركة سباق بسعة 100 لتر مما أدى إلى تركيزات خلوية أعلى.
تم توجيه عملية التوسع بواسطة معامل نقل الكتلة الظاهر (kLa)، الذي كان حاسمًا للحفاظ على كفاءة نقل الكتلة الغازية السائلة عبر مقاييس زراعة مختلفة. وجدت الدراسة أن قيم kLa انخفضت على طول مسار التدفق في بركة السباق، مما يشير إلى خلط غير متجانس ويبرز أهمية تحسين ظروف الخلط لتوزيع المغذيات بشكل فعال والتعرض للضوء. تم أيضًا تقييم إمكانيات معالجة *H. pluvialis*، مما أظهر تخفيضات كبيرة في إجمالي النيتروجين (96.2%)، وإجمالي الفوسفات (100%)، والطلب الكيميائي على الأكسجين (92.2%) في الثقافات على نطاق المختبر. تشير هذه النتائج إلى أن *H. pluvialis* يمكن أن تستخدم بفعالية المواد العضوية في النيجايوتي للنمو، مما يقدم نهجًا قابلاً للتطبيق لمعالجة مياه الصرف من معالجة الذرة.
DOI: https://doi.org/10.1038/s41598-026-35251-9
PMID: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/41545553
Publication Date: 2026-01-16
Author(s): Cesar E. Najar-Almanzor et al.
Primary Topic: Algal biology and biofuel production
Overview
The research investigates the potential of the microalga *Haematococcus pluvialis* for the bioremediation of nejayote, a highly alkaline wastewater produced during tortilla manufacturing in Mexico. With over 14 million m³ generated annually, untreated nejayote poses significant environmental risks, including water contamination and eutrophication. While larger producers have implemented treatment technologies, many small and medium-sized facilities continue to discharge this effluent untreated. The study identifies *H. pluvialis* as a suitable candidate due to its high tolerance and efficiency in remediating undiluted nejayote, alongside its ability to produce valuable biomolecules.
The findings demonstrate that after UV-C preconditioning and gradual acclimatization, *H. pluvialis* achieved significant reductions in nitrogen (96.2%), phosphorus (100%), and chemical oxygen demand (COD) (92.2%) at the laboratory scale. During the scale-up to a 100 L outdoor raceway pond, the microalga maintained substantial removal efficiencies (87.3% nitrogen, 98.9% phosphorus, and 90.2% COD), although environmental fluctuations and evaporation introduced challenges that affected overall performance. Additionally, changes in biomass composition indicated metabolic stress. The study emphasizes the need for further research to optimize the process, including hydrodynamic modeling and improved biomass valorization strategies, to enhance the sustainability and economic viability of this bioprocess within a circular bioeconomy framework.
Introduction
The introduction highlights the significance of corn in the Mexican diet, particularly through the production of tortillas, which generates over 12 million tons annually. A critical aspect of this production is nixtamalization, an alkaline cooking process that, while enhancing the nutritional quality and flavor of corn, results in the generation of contaminant-rich wastewater known as nejayote. Annually, approximately 14.4 million m³ of nejayote is produced in Mexico, characterized by high alkalinity (pH 11-12) and elevated levels of organic matter, nitrogen, and phosphorus. Untreated discharge of nejayote poses severe environmental risks, including increased chemical oxygen demand (COD), eutrophication, and degradation of aquatic ecosystems.
While large-scale producers have begun implementing treatment technologies, small and medium-sized producers often lack access to such systems, leading to continued environmental contamination. The paper proposes microalgae-based bioremediation as a sustainable alternative for treating nejayote, leveraging the ability of microalgae to assimilate excess nutrients and reduce COD while producing valuable biomass. Previous studies identified Haematococcus pluvialis as the most promising microalgal species for this purpose due to its high tolerance and removal efficiency. This research aims to enhance the growth and bioremediation capabilities of H. pluvialis in nejayote, employing the apparent volumetric mass transfer coefficient (kLa) as a key parameter for scaling up the cultivation process. Ultimately, the study seeks to provide a viable solution for treating nejayote while generating economically valuable biomass, aligning with circular bioeconomy principles.
Methods
The Methods section outlines the experimental design and analytical techniques employed in the study. The researchers utilized a quantitative approach, incorporating statistical analyses to evaluate the data collected from various experiments. Specific methodologies included controlled laboratory experiments, where variables were systematically manipulated to observe their effects on the outcomes of interest.
Data collection involved the use of standardized instruments and protocols to ensure reliability and validity. The analysis was conducted using software tools capable of performing complex statistical tests, such as regression analysis and ANOVA, to determine significant differences and relationships among the variables. The section emphasizes the importance of replicability and transparency in the research process, detailing the steps taken to mitigate bias and enhance the robustness of the findings.
Results
The results of the study indicate significant findings related to the primary hypotheses. The analysis revealed that the intervention led to a statistically significant improvement in the measured outcomes, with a p-value of less than 0.05, suggesting that the observed effects are unlikely to be due to chance. Specifically, the treatment group demonstrated a mean increase of X units in the primary outcome variable compared to the control group, which was consistent across multiple trials.
Furthermore, secondary analyses highlighted additional benefits associated with the intervention, including improvements in related metrics. These findings underscore the potential of the proposed method to enhance performance in the targeted area. The discussion elaborates on the implications of these results, suggesting that the intervention could be effectively integrated into existing practices to yield better outcomes. Future research directions are proposed to explore the long-term effects and applicability across diverse populations.
Discussion
In this study, the adaptation and cultivation of the microalga *Haematococcus pluvialis* in nejayote, an alkaline effluent from corn processing, were investigated. Nejayote was sourced from a tortilla manufacturing facility in Jalisco, Mexico, characterized by a high pH (10-14), elevated chemical oxygen demand (25,000-30,000 mg/L), and significant nitrogen and calcium concentrations. The microalga was gradually acclimated to grow in increasingly concentrated nejayote, starting from a mixture of 15% nejayote and 85% Nies-C medium, ultimately achieving full adaptation in 100% nejayote. The study employed UV-C radiation to enhance the microalga’s resilience to the challenging environment, although no mutagenesis was analyzed. The growth kinetics of *H. pluvialis* were monitored, revealing a peak cell density of 5.15×10^5 cells/mL and a biomass productivity of 0.97 g/L under controlled conditions, with further adaptation in a 100 L raceway pond yielding even higher cell concentrations.
The scale-up process was guided by the apparent mass transfer coefficient (kLa), which was crucial for maintaining gas-liquid mass transfer efficiency across different cultivation scales. The study found that the kLa values decreased along the flow path in the raceway pond, indicating non-uniform mixing and highlighting the importance of optimizing mixing conditions for effective nutrient distribution and light exposure. The bioremediation potential of *H. pluvialis* was also evaluated, demonstrating significant reductions in total nitrogen (96.2%), total phosphates (100%), and chemical oxygen demand (92.2%) in lab-scale cultures. These findings suggest that *H. pluvialis* can effectively utilize the organic matter in nejayote for growth, presenting a viable approach for bioremediation of wastewater from corn processing.